據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)整體的餐廚垃圾產(chǎn)生總量達(dá)到12775萬(wàn)t。從化學(xué)成分來(lái)看，餐廚垃圾主要由淀粉、纖維素、脂類(lèi)、粗蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、無(wú)機(jī)鹽以及一些Ca、Mg、Fe、K等微量元素組成。餐廚垃圾經(jīng)過(guò)分離破碎、高溫蒸煮、油提取和固液分離后，形成高油、高鹽、高氮及高有機(jī)物的餐廚廢水，是餐廚垃圾處理的難點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，餐廚廢水化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、氨氮和總氮質(zhì)量濃度可分別達(dá)到100000、300和2000mg·L−1。這使餐廚廢水成為水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的重要污染源頭，如處置不當(dāng)，會(huì)引發(fā)一系列環(huán)境衛(wèi)生、食品安全和人體健康問(wèn)題。目前，處理餐廚廢水主要采用的處理方法為全混式厭氧消化(continuous stirred tank reactor,CSTR)+好氧生物處理，然而由于餐廚廢水的復(fù)雜性，CSTR在其處理工程中遇到污泥上浮或流失、泥水分離困難、微生物流失嚴(yán)重、產(chǎn)甲烷能力受抑制等諸多問(wèn)題，從而導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸累積、處理負(fù)荷下降、處理效率降低等問(wèn)題。此外，厭氧出水在后續(xù)好氧生化處理過(guò)程中，由于碳氮比失調(diào)需要投加大量的碳源，厭氧出水帶泥也給好氧生化帶來(lái)巨大的壓力。因此，探索新型高效的餐廚廢水處理方法迫在眉睫。
近年來(lái)厭氧膜生物反應(yīng)器(anaerobic membrane bioreactor,AnMBR)逐漸引起人們廣泛關(guān)注。AnMBR是一種將厭氧生物處理單元和膜分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型廢水處理工藝，既保留了厭氧技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，膜組件的引入又可以完全截留微生物，實(shí)現(xiàn)污泥停留時(shí)間(sludgere tention time,SRT)和水力停留時(shí)間(hydraulic retention time,HRT)的有效分離，又利于厭氧菌的富集，提高系統(tǒng)的生物降解效率。在我們以往的研究中發(fā)現(xiàn)AnMBR的出水具有低COD和低COD/N的特征，在不額外投加碳源情況下，傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝難以實(shí)現(xiàn)高效脫氮，而部分亞硝化/厭氧氨氧化是基于兩種自養(yǎng)菌(氨氧化菌和厭氧氨氧化菌)的新型污水脫氮工藝，適于處理低COD、低COD/N的厭氧工藝出水，可節(jié)約至少60%的曝氣量，且具有自養(yǎng)脫氮過(guò)程無(wú)需外加碳源、剩余污泥量少等優(yōu)勢(shì)。然而厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)緩慢、生存溫度范圍窄、難以富集等因素造成該過(guò)程對(duì)反應(yīng)條件十分敏感，特別是高濃度有機(jī)物存在的情況下，會(huì)嚴(yán)重影響甚至抑制厭氧氨氧化菌的活性。因此，在AnMBR處理餐廚廢水的工藝中既要保證運(yùn)行負(fù)荷，又要提高處理效率，降低出水COD，從而減少其對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制。CHENG等開(kāi)展了中空纖維型厭氧膜生物反應(yīng)器和全混合厭氧反應(yīng)器處理配制的低油脂餐廚廢水的小試研究，指出厭氧膜生物反應(yīng)器在有機(jī)負(fù)荷為9.72kg·(m3·d)−1時(shí)生物氣產(chǎn)量和有機(jī)物的去除效率均處于較高的水平并且優(yōu)于全混合厭氧反應(yīng)器。曹琦等研究了中溫條件下外置式厭氧膜生物反應(yīng)器處理模擬餐廚廢水的效能，結(jié)果表明，有機(jī)負(fù)荷為15kg·(m3·d)−1時(shí)，各物質(zhì)去除效果、產(chǎn)氣效果以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性均處于最佳狀態(tài)：出水COD保持在1000mg·L−1以下，COD去除率達(dá)到90%以上，日平均產(chǎn)氣量為177L·d−1。由此可見(jiàn)，AnMBR工藝在處理餐廚廢水方面具有較好的可行性，且其出水水質(zhì)適用于部分亞硝化/厭氧氨氧化工藝。
然而，當(dāng)前大多數(shù)學(xué)者僅針對(duì)AnMBR處理模擬餐廚廢水的運(yùn)行效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小試研究，關(guān)于其在實(shí)際高濃度餐廚廢水處理的研究和工程應(yīng)用則較少。為此，本研究通過(guò)構(gòu)建中試規(guī)模AnMBR，處理張家港市某餐廚垃圾處理廠餐廚廢水，重點(diǎn)研究了緩慢階段提負(fù)荷下AnMBR的厭氧消化性能、厭氧穩(wěn)定性能、污泥性質(zhì)以及膜性能的變化，分析了其內(nèi)在的相互關(guān)系及可能原因，以期為工業(yè)化應(yīng)用提供參考。
1、材料與方法
1.1、實(shí)驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)裝置為中試規(guī)模的厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)，其結(jié)構(gòu)及流程如圖1所示。該系統(tǒng)主要由兩部分組成：厭氧反應(yīng)單元和膜單元。厭氧反應(yīng)單元包括進(jìn)水裝置、主體厭氧罐、溫控系統(tǒng)及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。進(jìn)水裝置是采用蠕動(dòng)泵來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻進(jìn)水。主體厭氧罐有效工作容積為40L，通過(guò)自動(dòng)加熱裝置、自動(dòng)冷卻裝置及溫度控制系統(tǒng)將厭氧罐溫度維持在(39±1)℃。膜單元主要由膜組件和循環(huán)泵組成，該膜組件采用外置管式超濾膜，膜材質(zhì)為聚偏氟乙烯PVDF(MEMOS，德國(guó))，總膜面積為0.08m2，截留分子質(zhì)量為100kDa。循環(huán)泵的功率為1.1kW，流量為2m3·h−1。
1.2、接種污泥
本研究中厭氧膜生物反應(yīng)器的接種污泥取自張家港市某餐廚垃圾處理廠內(nèi)處理餐廚廢水的厭氧絮狀污泥，其本身對(duì)餐廚廢水有較好的適應(yīng)能力。接種污泥的MLSS為10.11g·L−1，MLVSS/MLSS為0.85，接種量為40L。
1.3、餐廚廢水水質(zhì)
本實(shí)驗(yàn)中所用餐廚廢水為張家港市某餐廚垃圾處理工廠內(nèi)餐廚垃圾經(jīng)過(guò)高溫蒸煮、三相分離工藝后得到的餐廚廢水，其具體性質(zhì)如下：COD為(121470±12930)mg·L−1，NH4+-N為(325±45)mg·L−1，pH為3.6±0.3，電導(dǎo)率為(10.9±2.3)ms·cm−1，脂肪為(5.9±0.3)g·L−1。該餐廚廢水含有高濃度有機(jī)質(zhì)及懸浮固體，MLSS為19.32g·L−1，為漿狀。
1.4、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
如表1所示，AnMBR分為3個(gè)運(yùn)行階段：第Ⅰ階段(0~10d，污泥馴化階段)，保持低負(fù)荷(1.5kg·(m3·d)−1)運(yùn)行，每天監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)和產(chǎn)氣變化，體系正常產(chǎn)氣、出水水質(zhì)良好標(biāo)志著污泥馴化的初步完成。第Ⅱ階段(11~100d，容積負(fù)荷(VLR)提升階段)，每天排泥0.4L以控制SRT=100d，緩慢階段提高容積負(fù)荷，反應(yīng)器在進(jìn)水負(fù)荷3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、10.5和12.0kg·(m3·d)−1下各運(yùn)行了10d，隨后為了保證出水水質(zhì)良好，最終穩(wěn)定在12.0kg·(m3·d)−1的負(fù)荷下持續(xù)運(yùn)行，考察容積負(fù)荷提升過(guò)程中反應(yīng)器運(yùn)行性能變化。第Ⅲ階段(100~120d，污泥停留時(shí)間(SRT)縮短階段)，保持容積負(fù)荷為12.0kg·(m3·d)−1，每日排泥由0.4L增加到1L以控制SRT=40d，考察運(yùn)行性能和膜污染減緩情況。
1.5、分析方法
COD、氨氮、VFAs、堿度(alkalinity,ALK)、MLSS和MLVSS測(cè)定根據(jù)《國(guó)家水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》。其中COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，用硫酸汞掩蔽Cl−；氨氮采用納氏試劑法進(jìn)行測(cè)定；VFAs采用總量比色法測(cè)定；ALK采用電位滴定法測(cè)定，以CaCO3計(jì)；MLSS、MLVSS采用105℃烘箱烘干法和600℃馬弗爐灼燒法測(cè)定。pH采用玻璃電極法測(cè)定；沼氣產(chǎn)量采用濕式氣體流量計(jì)測(cè)定；甲烷含量采用便攜紅外沼氣分析儀(Gasboard-3200Plus，湖北銳意自控系統(tǒng)有限公司制)測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1、AnMBR厭氧消化性能分析
1)容積負(fù)荷與沼氣產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)率變化情況。
本研究所使用的餐廚廢水中有機(jī)質(zhì)濃度很高，COD高達(dá)100g·L−1，通過(guò)厭氧消化可以將其中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成CH4，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效回收，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為此，監(jiān)測(cè)了AnMBR在不同運(yùn)行階段下的產(chǎn)氣變化情況，結(jié)果如圖2所示。第Ⅰ階段為污泥馴化階段，采取低負(fù)荷啟動(dòng)方式，控制進(jìn)水量保持反應(yīng)器的容積負(fù)荷穩(wěn)定在1.5kg·(m3·d)−1。該階段沼氣產(chǎn)量平均在30L·d−1，甲烷含量由47%逐漸升高到56%，甲烷產(chǎn)率在10d內(nèi)由227mL·g−1(以COD計(jì))升高至267mL·g−1，完成了快速啟動(dòng)。分析其原因可能為，膜的截留作用使污泥完全截留在體系內(nèi)，無(wú)限長(zhǎng)的SRT有利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和富集，因此，在較短時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)。此外，理論上在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下還原1gCOD產(chǎn)生0.35L甲烷，然而第Ⅰ階段甲烷產(chǎn)率并未達(dá)到理論值，可能為該階段反應(yīng)器處于初步啟動(dòng)過(guò)程，產(chǎn)甲烷菌并未完全激活，因此甲烷產(chǎn)率低于標(biāo)態(tài)下的350mL·g−1。
隨后進(jìn)入第Ⅱ階段(10~100d)，此階段控制SRT=100d，緩慢階段提高負(fù)荷，容積負(fù)荷由3.0kg·(m3·d)−1逐步提升至12.0kg·(m3·d)−1，提升梯度為1.5kg·(m3·d)−1，并在每一容積負(fù)荷情況下各運(yùn)行10d。隨著容積負(fù)荷由3.0kg·(m3·d)−1提升至12.0kg·(m3·d)−1，平均沼氣產(chǎn)量由63L·d−1逐步提高至270L·d−1，甲烷產(chǎn)率也逐漸由283mL·g−1升高并穩(wěn)定至335mL·g−1左右，接近理論甲烷產(chǎn)率350mL·g−1。期間除了60~65d(容積負(fù)荷為10.5kg·(m3·d)−1)時(shí)反應(yīng)器沼氣產(chǎn)量因受負(fù)荷沖擊影響而沒(méi)有呈現(xiàn)增加趨勢(shì)、甲烷產(chǎn)率出現(xiàn)過(guò)短暫輕微下降隨后迅速恢復(fù)以外，其余時(shí)間反應(yīng)器的沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)率均未受到影響，系統(tǒng)的產(chǎn)氣效果良好，說(shuō)明在負(fù)荷提升過(guò)程中，產(chǎn)甲烷菌活性并沒(méi)有顯著受到負(fù)荷提升的影響，相反的其在負(fù)荷提升過(guò)程中得到激活，產(chǎn)甲烷性能得到提升。膜的截留使得反應(yīng)器內(nèi)微生物量得到快速提升，不斷提升的負(fù)荷也為微生物提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，激發(fā)了微生物活性。
隨著反應(yīng)器不斷運(yùn)行，污泥濃度逐漸升高，導(dǎo)致膜通量衰減嚴(yán)重，因此第Ⅲ階段加大排泥量嘗試緩解膜污染，排泥由0.4L增加到1L以控制SRT=40d，并保持容積負(fù)荷12.0kg·(m3·d)−1運(yùn)行20d。在此期間沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)率相較于第Ⅱ階段末期無(wú)明顯變化，所對(duì)應(yīng)的平均值分別為271L·d−1和335mL·g−1。可以看出加大排泥量盡管會(huì)導(dǎo)致污泥濃度降低，但沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)率均沒(méi)有受到影響，表明其微生物活性在排泥之后有所提升。分析原因可能為加大排泥量使更多的毒性物質(zhì)隨之外排，提高了體系內(nèi)微生物活性。根據(jù)閆林濤等的研究，排泥過(guò)程中體系內(nèi)累積的無(wú)機(jī)物、難降解有機(jī)物也隨之被排出反應(yīng)器外，降低了有毒有害物質(zhì)對(duì)微生物的影響，從而有利于產(chǎn)甲烷活性提升。
2)COD去除效果。
圖3反映了AnMBR在不同運(yùn)行階段下的進(jìn)出水COD及去除率的變化情況。由圖3可以看出在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中AnMBR的進(jìn)水COD波動(dòng)較小，為108800~140000mg·L−1。第Ⅰ階段控制容積負(fù)荷為1.5kg·(m3·d)−1，由于接種污泥取自現(xiàn)場(chǎng)處理餐廚廢水的厭氧反應(yīng)器內(nèi)，活性較高，對(duì)原水有較好的適應(yīng)性，且膜對(duì)懸浮物質(zhì)和大分子有機(jī)物有截留作用，因此，處理效果較好，出水COD穩(wěn)定在700~1000mg·L−1，去除率達(dá)到99.0%。
隨后進(jìn)入第Ⅱ階段，當(dāng)容積負(fù)荷由3.0kg·(m3·d)−1逐漸升到7.5kg·(m3·d)−1，出水COD穩(wěn)定在700~1000mg·L−1；當(dāng)容積負(fù)荷由9.0kg·(m3·d)−1升高至10.5kg·(m3·d)−1，出水COD略有升高，由1000mg·L−1升高至1700mg·L−1左右，可能是由于進(jìn)水水量的變化引起容積負(fù)荷增加形成了沖擊負(fù)荷，導(dǎo)致出水COD有所升高。然而繼續(xù)提升容積負(fù)荷至12.0kg·(m3·d)−1，反應(yīng)器內(nèi)污泥通過(guò)不斷運(yùn)行馴化，最終出水COD穩(wěn)定在1000~1400mg·L−1，整個(gè)階段COD去除率＞98.5%。由此可見(jiàn)，沖擊負(fù)荷對(duì)AnMBR運(yùn)行產(chǎn)生影響后能在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，表明AnMBR具有較強(qiáng)的耐沖擊性和良好的COD去除效率。白玲采用AnMBR處理啤酒廢水，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有2次的容積負(fù)荷大幅度提高，分別由8.0kg·(m3·d)−1提升至15.0kg·(m3·d)−1和由10.0kg·(m3·d)−1提升至17.5kg·(m3·d)−1，但COD去除率一直穩(wěn)定在92%以上，且均在負(fù)荷提升12d后就上升至95%，也展現(xiàn)出了AnMBR優(yōu)秀的抗沖擊負(fù)荷能力。
當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到第100天時(shí)，發(fā)現(xiàn)污泥濃度不斷升高，膜污染加劇，因此，在第Ⅲ階段加大排泥，每日排泥1L控制SRT=40d。該階段出水COD無(wú)明顯變化，穩(wěn)定在850~1400mg·L−1。這說(shuō)明雖然加大了排泥量，更多生物量被排出，但其代謝活性沒(méi)有降低，COD去除率仍在98.9%以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了AnMBR具有良好的穩(wěn)定性和高效的處理率。相關(guān)研究表明，排泥可以通過(guò)排出體系內(nèi)的部分無(wú)機(jī)物質(zhì)和難降解有機(jī)物，從而有效改善微生物活性，提高厭氧消化能力。此外根據(jù)TANG等的研究，非致毒性的有機(jī)物僅在高濃度下會(huì)影響厭氧氨氧化菌的活性，在低濃度下有機(jī)物可能會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌有一定的益處。因此，該厭氧膜出水低COD和高氨氮的特性使其具有通過(guò)部分亞硝化/厭氧氨氧化工藝進(jìn)行深度脫氮的潛力。
3)物料平衡分析。
圖4反映了AnMBR運(yùn)行結(jié)束時(shí)(第120天，容積負(fù)荷為12.0kg·(m3·d)−1)進(jìn)出料COD之間的物料平衡。在長(zhǎng)期連續(xù)厭氧消化過(guò)程中，進(jìn)料的TCOD轉(zhuǎn)化為甲烷的COD、膜出水COD以及隨污泥排放的COD，其中轉(zhuǎn)化為甲烷的COD達(dá)到94.6%(甲烷產(chǎn)量/每天的進(jìn)水總COD)，膜出水與排泥所占COD分別為總進(jìn)料的0.6%和4.8%。由此可見(jiàn)，AnMBR發(fā)酵系統(tǒng)中大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為了甲烷，表明其具有良好的消化效率。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是由于膜的截留作用，反應(yīng)器內(nèi)能維持較高的微生物量，利于產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)，從而提高了有機(jī)質(zhì)降解效率。因此，基于物料平衡可知，AnMBR在處理高濃度餐廚廢水過(guò)程中具有高效的甲烷轉(zhuǎn)化率和良好的有機(jī)物去除效果。
2.2、AnMBR厭氧穩(wěn)定性能分析
1)pH、VFA和ALK。pH、揮發(fā)性脂肪酸(volatilefattyacid,VFA)和堿度(alkalinity,ALK)是衡量厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。根據(jù)LIU等的報(bào)道，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，厭氧消化過(guò)程極易酸化，從而抑制有機(jī)物的去除效率。因此通過(guò)對(duì)這些指標(biāo)的跟蹤監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)了解AnMBR的運(yùn)行狀況，從而做出相應(yīng)的反饋和調(diào)控，保證反應(yīng)器的正常運(yùn)行。
圖5反映了AnMBR在3個(gè)階段下的pH、VFA、ALK的變化。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，AnMBR體系內(nèi)VFA質(zhì)量濃度均低于300mg·L−1，ALK由6000mg·L−1左右逐漸升至9000mg·L−1左右并穩(wěn)定在9000~10000mg·L−1，VFA/ALK的值低于0.04。有研究表明，VFA/ALK的值可以用來(lái)判斷厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其安全范圍為VFA/ALK<0.4，在此范圍內(nèi)系統(tǒng)酸化風(fēng)險(xiǎn)低；而當(dāng)VFA/ALK在0.4~1.0時(shí)，厭氧體系產(chǎn)甲烷過(guò)程受到影響，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，存在酸化甚至崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。在3個(gè)階段中，高ALK使得體系內(nèi)VFA/ALK的值始終低于0.04，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于失穩(wěn)值0.4。這說(shuō)明盡管餐廚廢水中有機(jī)質(zhì)濃度很高，但是AnMBR較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力依然可以保證發(fā)酵體系的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，雖然原水pH在3.3~3.9，且不經(jīng)調(diào)節(jié)直接進(jìn)入反應(yīng)器，然而在AnMBR穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，厭氧系統(tǒng)的pH基本可以維持在7.83±0.36，表明AnMBR系統(tǒng)中的高生物量能夠迅速將原水中自然酸化產(chǎn)生的VFA轉(zhuǎn)化成甲烷，從而有效避免了反應(yīng)器酸化的可能性。白玲等在采用浸沒(méi)式厭氧膜生物反應(yīng)器處理啤酒廢水時(shí)VFA/ALK的值低于0.25；亓金鵬等在采用厭氧膜生物反應(yīng)器處理高鹽榨菜廢水的研究中pH保持在7.1以上，VFA/ALK的值始終低于0.15；姚軍強(qiáng)等在采用浸沒(méi)式厭氧膜生物反應(yīng)器處理垃圾滲濾液時(shí)pH保持在7.95左右，VFA/ALK的值低于0.02。以上研究均未出現(xiàn)酸化的現(xiàn)象，這也充分證明了AnMBR具有良好的穩(wěn)定性和抗沖擊負(fù)荷能力。
2)氨氮質(zhì)量濃度變化。
高濃度有機(jī)廢水中含有一定量的蛋白質(zhì)、氨基酸等有機(jī)氮源，一部分有機(jī)氮在厭氧消化過(guò)程中用于合成細(xì)胞物質(zhì)，而絕大部分則被生物降解為氨氮。張存勝研究表明，發(fā)酵液中一定量的氨氮可以中和VFA的酸性，有助于維持厭氧消化穩(wěn)定性能，但過(guò)高的氨氮會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用，尤其是產(chǎn)甲烷菌，從而抑制厭氧消化效率。有鑒于此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)出水氨氮進(jìn)行了跟蹤測(cè)定，結(jié)果如圖6所示。整個(gè)厭氧消化過(guò)程的進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度在280~370mg·L−1。出水氨氮在第Ⅰ階段(1~10d)為860mg·L−1左右，無(wú)明顯變化；但是在第Ⅱ階段(11~100d)，氨氮隨著容積負(fù)荷增加而穩(wěn)步增加，最終在12.0kg·(m3·d)−1的容積負(fù)荷下穩(wěn)定在2650mg·L−1左右；在第Ⅲ階段(101~120d)，氨氮穩(wěn)定在2680mg·L−1左右，無(wú)明顯增加。結(jié)合本文2.1.2節(jié)中的COD降解效率分析，可以認(rèn)為該廢水中的有機(jī)氮在厭氧消化過(guò)程中得到了充分轉(zhuǎn)化。
PROCHAZKA等研究發(fā)現(xiàn)氨氮質(zhì)量濃度為50~200mg·L−1時(shí)利于厭氧消化；200~1000mg·L−1時(shí)沒(méi)有明顯拮抗作用；在1500~3000mg·L−1會(huì)受到抑制，尤其在高pH厭氧體系；超過(guò)3000mg·L−1，厭氧消化過(guò)程在任何pH條件下微生物均會(huì)受到不同程度的抑制。LI等報(bào)道，當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度為2500mg·L−1時(shí)，甲烷產(chǎn)率從83%降至28%。然而在本研究中，盡管AnMBR內(nèi)氨氮質(zhì)量濃度高達(dá)2600mg·L−1以上，但是有機(jī)物的去除和沼氣生產(chǎn)強(qiáng)度依然保持在較高水平，其承受的容積負(fù)荷仍能達(dá)到12.0kg·(m3·d)−1，甲烷產(chǎn)率穩(wěn)定在330mL·g−1左右，COD去除率＞98.5%，VFAs/ALK小于0.04。由此可見(jiàn)，AnMBR不僅對(duì)外界環(huán)境變化有著較好的緩沖能力，而且對(duì)消化體系的內(nèi)源性抑制因素也有著良好的耐受能力。
2.3、污泥性質(zhì)變化分析
MLVSS/MLSS的值可表征厭氧活性污泥分解有機(jī)物的能力，即污泥活性，正常范圍為0.4~0.85，過(guò)高則污泥絮凝性較差、易漂浮流失，過(guò)低則活性太低、體系厭氧消化性能下降。由于餐廚廢水中含有一定量的懸浮性固體，伴隨著每天的連續(xù)進(jìn)水，部分固體有機(jī)成分被迅速水解和降解，未降解的懸浮物性固體易造成反應(yīng)器內(nèi)MLSS和MLVSS的累積；此外，污泥生物量的緩慢增殖和累積以及膜對(duì)污泥的截留作用也均會(huì)引起MLSS和MLVSS質(zhì)量濃度的變化，因此，對(duì)反應(yīng)器啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中MLSS和MLVSS質(zhì)量濃度進(jìn)行了跟蹤測(cè)定。
MLSS、MLVSS以及MLVSS/MLSS比值的變化情況如圖7所示。在第Ⅰ階段，由于進(jìn)水負(fù)荷較低，反應(yīng)器內(nèi)MLSS和MLVSS增加緩慢，其質(zhì)量濃度分別由10.11g·L−1和8.69g·L−1升高至11.56g·L−1和9.68g·L−1；MLVSS/MLSS較高，在0.85左右。從第Ⅱ階段開(kāi)始，盡管排泥400mL控制SRT=100d，但是由于微生物的快速生長(zhǎng)和富集，MLSS和MLVSS仍保持逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，其質(zhì)量濃度分別由13.39g·L−1和9.44g·L−1升高至45.59g·L−1和33.28g·L−1，其平均增長(zhǎng)速率分別為0.366g·(L·d)−1和0.271g·(L·d)−1。MLVSS緩慢增加可能是由于原水中的有機(jī)懸浮固體物質(zhì)得到有效降解沒(méi)有發(fā)生顯著積累，而MLSS較MLVSS升高較快可能是由于膜對(duì)無(wú)機(jī)物的截留導(dǎo)致其在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生累積。MLVSS的緩慢增加和MLSS的快速增加導(dǎo)致了MLVSS/MLSS較第Ⅰ階段有所下降，穩(wěn)定在0.70左右。
由于在第Ⅱ階段MLSS和MLVSS的累積增加了膜過(guò)濾阻力，從而降低了膜通量。為了緩解MLSS和MLVSS的增加，減輕膜過(guò)濾阻力，在第Ⅲ階段加大排泥，排泥1L控制SRT=40d。運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)MLSS和MLVSSS呈降低趨勢(shì)，分別穩(wěn)定在45.27g·L−1和32.82g·L−1左右，進(jìn)一步證明加大排泥量有利于緩解污泥濃度地增加。POLLICE等研究也表明縮短SRT可以有效控制反應(yīng)系統(tǒng)中的污泥濃度。然而MLVSS/MLSS較第Ⅱ階段末期有所上升，穩(wěn)定在約0.725，說(shuō)明加大排泥可以減緩無(wú)機(jī)物累積。綜上可知，AnMBR在處理高濃度、高有機(jī)物的餐廚廢水時(shí)，需要定期排泥防止無(wú)機(jī)物累積及有機(jī)質(zhì)降解不完全，以維持厭氧穩(wěn)定性。
2.4、膜性能變化分析
膜的運(yùn)行性能是評(píng)價(jià)厭氧膜生物反應(yīng)器運(yùn)行效能的重要參數(shù)。圖8反映了AnMBR運(yùn)行期間膜通量變化情況。據(jù)楊磊報(bào)道，混合液中的污泥直接與膜表面接觸，其濃度大小代表了混合液中的微生物、代謝產(chǎn)物的多少，所以污泥濃度是影響膜污染最直接的因素之一。在運(yùn)行初期階段(第Ⅰ階段，1~10d)，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度較低，為10.11g·L−1，因此，初始通量較高，為33.74L·(m2·h)−1。隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，MLSS由10.11g·L−1逐漸升高至11.56g·L−1，膜過(guò)濾阻力增加，膜通量不斷下降，第10天降至28.66L·(m2·h)−1，平均下降速率為0.51L·(m2·h·d)−1。隨后第11天(第Ⅱ階段)開(kāi)始排泥0.4L控制SRT=100d，隨著反應(yīng)器運(yùn)行，膜通量稍有改善，提升至29.38L·(m2·h)−1，且下降速率減緩，第11~21天平均下降速率為0.29L·(m2·h·d)−1，說(shuō)明排泥有利于緩解膜污染。第22~39天，隨著MLSS升高膜通量下降速率逐漸增大；然而第40天膜通量下降速率顯著增大，甚至達(dá)到1L·(m2·h·d)−1，可能是由于排泥量較少，MLSS仍以較快速率增長(zhǎng)，由18g·L−1迅速升高至25g·L−1，從而導(dǎo)致膜污染變嚴(yán)重。研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致污泥中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子在膜表面和膜孔內(nèi)吸附聚集，并且反應(yīng)器中污泥濃度的快速增加會(huì)導(dǎo)致膜污染迅速發(fā)生，與本研究現(xiàn)象相同。由圖8可以看出，前3次膜清洗后平均膜通量下降速率持續(xù)增加，由0.53L·(m2·h·d)−1增加到0.78L·(m2·h·d)−1，因此，在第4次膜清洗(第Ⅲ階段，101d)后通過(guò)加大排泥量嘗試緩解膜通量衰減速率，每日排泥增加至1L。第101~120天MLSS呈降低趨勢(shì)，由45.59g·L−1降低至45.27g·L−1，平均膜通量下降速率顯著降低，由0.78L·(m2·h·d)−1降低到0.42L·(m2·h·d)−1，說(shuō)明排泥有利于改善污泥性質(zhì)，緩解膜污染。其原因可能是體系內(nèi)污泥濃度下降并且某些引起膜污染的特征性物質(zhì)(如絲狀菌等)被排出了系統(tǒng)，從而減緩了膜污染。
本研究為了保證足夠的進(jìn)水負(fù)荷，當(dāng)膜組件的通量低于10.00L·(m2·h)−1時(shí)進(jìn)行在線膜清洗，清洗方式為30min清水+60min0.5%NaClO溶液+10min清水+60min0.5%鹽酸溶液+30min清水。由圖8可見(jiàn)，AnMBR的膜組件在120d內(nèi)共清洗了4次，第44、68、87和101天清洗后的膜通量分別恢復(fù)到27.23、23.59、20.18和16.66L·(m2·h)−1，平均膜通量下降速率分別為0.53、0.69、0.75、0.78和0.42L·(m2·h·d)−1。由此可見(jiàn)，每次清洗后膜的初始通量均有所下降，且清洗周期顯著變短，膜通量下降速率也逐漸增大。這說(shuō)明不可逆污染加強(qiáng)。每次清洗后的5d內(nèi)膜通量均會(huì)迅速下降，可能是酸堿清洗只對(duì)膜起到了一個(gè)即時(shí)清洗效果，而反應(yīng)器內(nèi)微生物的生長(zhǎng)和富集使膜面有機(jī)污染物迅速累積，導(dǎo)致膜污染加劇，造成了膜過(guò)濾阻力的增加，引起膜通量明顯下降。第Ⅲ階段平均膜通量下降速率的降低說(shuō)明排泥可以有效緩減膜污染，因此，在AnMBR處理高濃度餐廚廢水時(shí)需要及時(shí)排泥，從而提高膜過(guò)濾性能。
3、結(jié)論
1)中試規(guī)模AnMBR對(duì)餐廚廢水表現(xiàn)出良好的處理性能，在最大容積負(fù)荷為12.0kg·(m3·d)−1時(shí)，COD去除率和甲烷產(chǎn)率分別達(dá)到98.5%和330mL·g−1以上，且AnMBR出水低COD、低COD/N的特性使其具備通過(guò)部分亞硝化/厭氧氨氧化工藝進(jìn)行深度脫氮的潛力。
2)AnMBR具有良好的厭氧穩(wěn)定性能，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程VFA/ALK保持在0.04以下，且對(duì)氨氮有良好的耐受能力。
3)增大排泥量可以有效減緩AnMBR內(nèi)無(wú)機(jī)物的累積，改善微生物活性和污泥性質(zhì)，從而緩解膜污染，降低膜污染速率。（來(lái)源：江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，無(wú)錫馬盛環(huán)境能源科技有限公司）
