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厌氧膜生物反响器(submergedanaerobicmembranebioreactor，AnMBR)是一种将厌氧生物技术与膜技术相分离，应用水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)的别离来处置污水的技术。同其他厌氧生物处置工艺，AnMBR处置污水过程中，污水中的有机污染物可被厌氧微生物降解、转化为甲烷，可抵消污水处置的能源需求。应用微滤/超滤膜的截留作用使悬浮固体、胶体和局部可溶物质有效保存在反响器内，即便在低温(<20℃)、高盐、短HRT(2～8h)条件下，AnMBR对低浓度生活污水，也可能具有较好的处置效果。同时，AnMBR在减少污泥产生量和俭省占空中积等方面也凸显优势，固然膜污染和昂扬的膜本钱是限制其普遍应用的主要要素。
国内外研讨者们已开端对AnMBR处置低浓度生活污水的可行性和潜力停止研讨。VanZyl等研讨证明经优化后的AnMBR可将污水中98%的COD转化为甲烷，相当于系统运转所需能量的7倍。Lin等应用中试范围的AnMBR处置低浓度城市污水，甲烷产率高达0.26L·g-1COD。Hu等经过研讨标明AnMBR用于低浓度工业污水处理时具有技术可行性，但其处置效率受较低OLR和较低生长速率产甲烷菌的限制。
但是，目前国内外对AnMBR处置低浓度生物污水的研讨主要集中在如何使反响器内生长和维持高密度功用厌氧微生物，以完成污水COD的高效去除和甲烷的高效产生，但对其运转过程和影响要素的研讨较少，相关机理尚不明白。
现经过构建实验室范围的新型SAnMBR反响器，研讨其处置低浓度污水时的运转过程和产甲烷特性，调查产甲烷的影响要素，并采用支持向量机模型停止预测，研讨结果可为SAnMBR在低浓度生活污水处置中的应用提供理论支撑。
1、资料与办法
1.1 实验安装
采用的一体化SAnMBR反响安装如图1所示。
一体化SAnMBR反响安装，由主体系统、监测系统和气体搜集系统构成。其中主体系统包括反响器主体、中空纤维膜(hollowfibermembrane-PVDF)、爬动泵、均质搅拌安装和保温安装，其中，中空纤维膜丝共284根，内径为0.6mm、外径为1.1mm、膜丝总有效面积为0.41m2。监测系统包括真空压力表、液位控制器、温度传感器和PLC控制安装。气体搜集系统包括甲烷吸收安装和湿式气体流量计计量安装。
1.2 模仿低浓度生活污水与接种污泥
采用配制的模仿低浓度生活污水，COD浓度为269～712mg/L，NH3-N浓度为30～40mg/L，PO3-4浓度为6.0～10.0mg/L，pH为6.8～7.2。接种污泥选用北京市通州区某城市污水处置厂厌氧消化污泥，因污泥浓度较高，在反响器内设置搅拌安装以便于降低膜污染速度，污泥MLSS为2840mg/L、MLVSS为2560mg/L、pH为7.34。
1.3 实验运转条件
整个运转期包括启动阶段(28d)、稳定运转阶段A(19d)、B(31d)、C(31d)和D(18d)，其中运转阶段D为膜清洗后的运转阶段。各阶段运转温度均为(35±1)℃，pH为6.83～7.15，HRT分别为22h、15h、12h、6h和6h，理论膜通量分别为1.33L/(m2·h-1)、1.95L/(m2·h-1)、2.44L/(m2·h-1)、4.88L/(m2·h-1)和4.88L/(m2·h-1)，各阶段进水COD均匀值分别为341mg/L、546mg/L、612mg/L、642mg/L和650mg/L、OLR为0.37～2.6kgCOD·m3·d-1，各运转阶段均无排泥。
1.4 监测指标及剖析办法
COD采用重铬酸钾-紫外分光光度法测定，甲烷气体体积采用湿式气体流量计计量法测定，跨膜压差采用真空压力表丈量，膜通量采用取样计量法测定，MLSS和MLVSS采用重量法测定，并采用基于MATLAB平台的LibSVM停止支持向量机模仿，预测不同OLR条件下甲烷产生量。
2、结果与讨论
2.1 运转期间甲烷产率变化
在启动阶段和稳定运转阶段，SAnMBR进出水COD浓度、COD消减量以及单位COD的甲烷产率及其变化如图2所示，跨膜压差和膜通质变化如图3所示。
由图2能够得出，在启动阶段，COD进水浓度为269～415mg/L，消减量为156～289mg/L，单位COD的甲烷产率为0～0.112L·g-1COD。其中，在启动阶段前期(第0～6d)，由于厌氧微生物处于生长顺应期，生长速率慢，对进水COD的耗费量较小，甲烷产率较低。在第7～28d，厌氧微生物逐步顺应了反响器内的环境，微生物种群数量和活性均有一定增加，但由于膜外表滤层尚未完整构成，甲烷产率仍处于较低程度。
在稳定运转的A、B和C阶段，当HRT分别为15h、12h和6h时，COD消减量分别为356～490mg/L、463～557mg/L和452～569mg/L，单位COD甲烷产率分别为0.045～0.061L·g-1COD、0.046～0.067L·g-1COD和0.026～0.043L·g-1COD。由图3可知，在运转时期的第109天，跨膜压差升至30.4kPa，膜通量减少至0.88L/m2·h-1，产生了膜污染，停止膜清洗后又继续稳定运转(即运转阶段D)，跨膜压差恢复至14.2kPa，此阶段坚持HRT为6h，COD消减量为451～587mg/L，单位COD甲烷产率为0.029～0.039L·g-1COD。
可见，在稳定运转阶段，膜外表滤层逐步构成，在厌氧区生物降解和膜外表的截留、滤层生物膜的降解作用共同作用下，COD降解效率和甲烷产生率均有较大提升。当HRT缩短至6h时，COD消减量和甲烷产率有所降低，这是由于在此阶段，膜外表滤层已完整构成，大量COD积聚于膜外表，局部不能及时被降解，加之产生的甲烷中有局部以溶解性状态存在，使甲烷产率处于较低程度。在运转阶段D，对膜停止清洗后，膜通量进步，COD降解率开端增加，甲烷产率也在小范围内动摇后很快又趋于稳定。
与0.38L·g-1COD的理论最大甲烷产率相比，本研讨的结果偏低，这与本研讨进水COD浓度、容积负荷率均处于较低程度有关。Giménez等应用中试范围SAnMBR处置低浓度含SO2-4废水时，甲烷产率仅为0.069L·g-1COD，主要是由于硫酸盐复原菌的生物作用，将1g硫酸盐复原为硫化物需耗费2gCOD。同时，厌氧产生的40%～70%的甲烷还可能以溶解态存在于液相中。
综上，HRT、硫酸盐和溶解性甲烷的存在均为影响甲烷产率的重要要素。延长HRT可最大限度进步甲烷产率，但易招致反响器容积应用率低，而较短的HRT可招致VFA的积聚、甲烷产率的降低和膜污染。因而，在SAnMBR的实践应用中，应分离进水特性、出水请求和反响器设计等综合思索多种要素，选择适合的HRT参数。并采取恰当措施，减少进水中硫酸盐含量，以及改动温度、pH等水质参数和黏度等水力学参数，降低溶解性甲烷比例，在不影响污水处置效果的同时，最大限度进步单位COD甲烷产率。
2.2 OLR对甲烷产生量的影响
研讨了OLR对甲烷日产生量和累积甲烷产生量的影响，结果如图4所示。
由图4能够得出，在SAnMBR的运转期间，当均匀OLR分别为0.37kgCOD/m3·d-1、0.87kgCOD/m3·d-1、1.22kgCOD/m3·d-1、2.57kgCOD/m3·d-1和2.60kgCOD/m3·d-1时，均匀甲烷日产生量分别为0.231L/d、0.449L/d、0.642L/d、0.807L/d和0.859L/d。经过对甲烷日产生量和累积甲烷产生量与OLR的线性拟合，结果发现，二者均与OLR呈线性相关，R2值分别为0.89和0.81。与Yeo等研讨结果相同，甲烷产生量和OLR成正比，随着OLR的增加，甲烷产生量呈线性增长。
当然，超出OLR的一定限度，甲烷产生量可能会降低。Wijekoon等研讨发现OLR从5kgCOD/m3·d-1增加到12kgCOD/m3·d-1时，甲烷产量从5L/d增加到35L/d。而Abdullah等研讨标明随着OLR增加到2kgCOD/m3·d-1，甲烷产量逐步增加，但进一步增加OLR，甲烷产量则呈降落趋向。这一差别可归因于在较低OLR程度下的污泥负荷(F/M)更适合产甲烷菌生长繁衍，过高的OLR会对产甲烷菌产气性能产生影响。随着OLR的增加，VFA的大量积聚也会对微生物活性产生抑止作用从而减少甲烷产生量。Saddoud等研讨发如今OLR为16.3kgCOD/m3·d-1时，由于VFA在单相AnMBR中的积聚，甲烷产生量急剧降落。
综上，在一定范围内，SAnMBR系统甲烷产生量与OLR存在一定线性关系。但OLR并不是影响甲烷产生量的独一要素，实践应用中，应综合思索污水浓度、HRT和SRT等综合要素停止综合评价。
2.3 甲烷产生量模仿预测
在稳定运转阶段，对SAnMBR的甲烷日产生量停止模仿预测，结果如图5所示。
图5标明，甲烷日产生量与OLR呈现良好线性关系。当OLR值高于2.0kgCOD/m3·d-1时，SAnMBR运转的第78d即呈现“平台期”，甲烷日产生量到达稳定状态，尔后甲烷产生量随OLR变化不明显。当OLR值低于2.0kgCOD/m3·d-1时，“平台期”呈现较缓慢，于100d左右开端呈现，随后甲烷日产生量逐步趋于稳定。经过膜清洗后的运转阶段D，OLR变化对甲烷日产生量的影响不显著，甲烷日产生量坚持在850mL/d左右，标明SAnMBR产气效果已趋于稳定。从OLR对甲烷日产生量的影响状况来看，稳定运转阶段最适OLR为2.1～2.6kgCOD/m3·d-1，因而，在保证污染物去除效果的同时，可经过调控操作条件来改动反响器OLR值，最大限度进步甲烷产量。
为进一步深化剖析OLR与甲烷日产生量的关系，将图5在OLR轴的映射绘出停止剖析，结果如图6所示。
由图6可知，当反响器运转至第80～100d时，甲烷日产生量趋于稳定，阐明反响器内产甲烷菌的生长繁衍已趋于均衡状态。运转至第100～110d时，由于膜污染的构成，甲烷日产生量呈现“平台期”，变化幅度较小。在第110d，膜清洗后，甲烷日产生量又打破平台期，开端产生小幅度增长，后又疾速趋于平稳，标明膜截留和生物降解作用又开端高效发挥，对产甲烷过程起到了一定的促进作用，厌氧单元的生物反响并未收到膜清洗的抑止和干扰。118d之后，OLR对甲烷日产生量的影响简直已趋近于零。
可见，甲烷日产生量随着运转时间的延长而稳定增长，根本不受膜污染的干扰，突破平台期开端上升，愈加精确直观地标明了对膜单元膜丝离线的物理清洗并没有抑止到厌氧单元的生物反响，反而对厌氧单元的生物反响有一定的促进作用。在118d之后，OLR值对甲烷日产生量的影响简直趋近于零，假如SAnMBR长时间运转，厌氧单元会在较长的时间范围内处于稳定的状态，直到SAnMBR呈现特殊的状况，如厌氧单元呈现严重的酸化现象，才会发作改动。
综上，在一定OLR范围内，SAnMBR的甲烷日产生量主要随OLR的增加而增加，受膜污染和膜清洗影响较小，且随着运转时间的延长，OLR对甲烷日产量的影响逐步削弱。能够预测，随着SAnMBR的长期运转，甲烷日产生量将在较长时间范围内坚持相对稳定，直到反响器呈现酸化和严重膜污染等特殊状况，甲烷日产生量才会发作较大变化。
3、结论
(1)SAnMBR处置低浓度污水在中温[(35±1)℃]条件下可稳定运转，对COD的去除效果较为显著，总COD去除率在稳定阶段根本维持在80%左右，稳定运转阶段最大甲烷产率为0.067L·g-1COD，与理论最大产率相差较大。
(2)HRT、硫酸盐和溶解性甲烷的存在均影响单位COD甲烷产率，在SAnMBR的实践应用中，应分离进水特性、出水请求和反响器设计等综合思索多种要素，恰当改动水质参数及水力学参数，在不影响污水处置效果的同时，最大限度进步甲烷产率。
(3)SAnMBR的甲烷日产生量和累积甲烷产量均与OLR呈线性相关，拟合方程分别为甲烷日产生量为0.3OLR+0.23(R2=0.89)和累积甲烷产生量为29.8OLR-5.45(R2=0.81)，可为树立SAnMBR启动及稳定运转阶段数学模型树立提供理论及数据支持。
(4)支持向量机可以很好地适用于SAnMBR处置低浓度污水中，经过模仿预测，标明SAnMBR处置低浓度生活污水具有极好的耐冲击负荷才能，在回收应用甲烷能源方面有很大开展空间，但还需求进一步的研讨来说明和考证作为甲烷产量根底的微生物反响动力学。
