厌氧膜生物反应器处理含油餐厨废水的效能及其微观机制研究

发布时间：2020-07-18 00:00

【摘要】：餐厨废水是餐厨垃圾经过高温蒸煮、油提取和固液分离后的高浓度有机废水,含有丰富的碳水化合物、蛋白质和脂肪,若不经过处理直接排放于水体中将引起严重的环境污染,影响人类健康。采用厌氧消化技术将其转化为能源是实现餐厨废水无害化、减量化和能源化的有效途径。然而由于餐厨废水中含有高浓度的脂肪,其在厌氧过程中产生的特征水解产物长链脂肪酸(Long Chain Fatty Acids,LCFAs)对微生物活性具有一定的抑制作用,加上其表面疏水性的特性,易造成污泥上浮和流失,从而导致传统厌氧反应器失稳甚至运行失败。采用厌氧膜生物反应器(Anaerobic Membrane Bioreactor,AnMBR)能够有效的避免此问题。由于膜对微生物的完全截留作用,AnMBR系统内能维持较高的微生物量,提高系统的处理能力并保证良好的处理效果。因此,本论文以外置式AnMBR为依托,以实际餐厨废水为研究对象,考察AnMBR在高脂肪餐厨废水处理过程中的厌氧消化特性及膜污染行为;同时,通过合理的过程调控强化厌氧消化性能,改善污泥过滤特性并减缓膜污染;此外,对厌氧消化过程中的特征性产物LCFAs进行跟踪测定,探究其代谢过程、累积效应及抑制机理;并采用16S rRNA高通量测序分析AnMBR内微生物群落结构变化,阐明产氢产乙酸菌和嗜氢产甲烷菌的互营关系,明确微生物应激反应机制;最后,借助三维荧光(Excitation-emission Matrix Spectroscopy,EEM)、共聚焦光学显微镜(Confocal Laser Scanning Microscopy,CLSM)、傅里叶红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)、扫描电镜-能谱分析(Scanning Electron Microscope-energy Dispersive X-ray Spectroscopy,SEM-EDX)等手段解析膜污染成分性质及分析膜面污染物特征,并提供一种高效的膜清洗方法,为AnMBR处理餐厨废水工程化应用提供理论指导和技术支撑。主要的研究结果如下:(1)考察传统全混式厌氧消化反应器(Continuous Stirred-tank Reactor,CSTR)处理餐厨废水的运行效能及面临问题,并确定以CSTR反应器内厌氧消化污泥为过滤介质的膜运行参数。当CSTR有机负荷(Organic Loading Rate,OLR)为4 kg-COD/(m~3·d)左右时,沼气产量为16000 m~3/d,化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)去除效率为90%,出水混合液悬浮固体浓度(Mix Liquid Suspended Solid,MLSS)达到5 g/L,污泥上浮及流失严重。采用CSTR内的厌氧消化污泥进行长期的膜过滤实验,确定最佳的膜运行参数为运行压力0.23 Mpa,错流速率为2.2 m/s,长期运行下获得稳定的膜通量为32 L/(m~2·h),且膜对MLSS和大分子物质有很好的截留作用。(2)根据相关参数构建AnMBR并成功启动运行反应器后,评价其厌氧消化性能和膜污染情况,分析其存在的潜在问题。采用AnMBR处理餐厨废水可获得良好的出水水质,COD去除效率达到99%,挥发性有机酸(Volatile Fatty Acid,VFA)低于200 mg/L。稳定运行时OLR为4.5-4.9 kg-COD/(m~3·d),沼气生产量为2.2 m~3/d左右,消化效率在后期运行过程中逐渐降低。此外,原水中较高浓度的脂肪导致了其水解产物-LCFAs累积,可能对消化效率和污泥性质产生不利影响。同时在运行过程中发现污泥体积平均粒径从26.5μm下降至6.5μm,而可溶性微生物产物(Soluble Microbial Products,SMP)浓度则由47.7 mg/g-VSS累积至98 mg/g-VSS,以及污泥相对疏水性从28.2%上升至68.1%。污泥性质发生恶化,进一步加剧了膜污染,致使平均膜通量从32 L/(m~2·h)衰减至10 L/(m~2·h)。皮尔逊相关性测试表明,膜通量与污泥粒径存在显著的正相关关系,而与SMP和污泥相对疏水性存在较强的负相关关系。(3)通过控制污泥停留时间(Solid Retention Times,SRT)以减缓LCFAs累积,考察不同SRT条件下AnMBR的过程稳定性、微生物群落变化、污泥性质及膜污染情况。当SRT为50 d、30 d和20 d时,OLR分别为5.9 kg-COD/(m~3·d)、7.5 kg-COD/(m~3·d)和9.3 kg-COD/(m~3·d),其对应的甲烷产量分别为1630 L/d、2150 L/d和2760 L/d,消化效率分别为78.1%、81.5%和84.4%,表明缩短SRT可以提高消化效率。此外改变SRT对出水没有明显影响,COD均保持在1500 mg/L。当SRT改变时,VFA均保持在300 mg/L以下,pH值稳定在7.5左右,证实了AnMBR具有强健的稳定性。当SRT从50 d缩短至20 d时,LCFAs累积效应降低,水解酶活性增强,淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶分别提高了1.7倍、1.9倍和2.3倍。SRT的改变对AnMBR内细菌没有显著的影响,但是对古菌有明显的影响,优势微生物从Methanobacterium逐渐迁移到Methanosaeta。此外,当SRT改变时,污泥性质逐渐改善,在较短的SRT条件下能获得更高的膜通量,因此在本研究中,控制最佳的SRT为20 d。(4)为了有效的回收能源,针对餐厨废水温度高的特点,研究以中温m-AnMBR内消化污泥为接种污泥的高温t-AnMBR启动运行特性,并与中温m-AnMBR效能进行比较。此外,对比t-AnMBR和m-AnMBR反应器内LCFAs累积效应和生物毒性,考察不同温度下微生物群落结构的差异性。在高温条件下(55℃),AnMBR能保持稳定运行的OLR为7.5 kg-COD/(m~3·d),而在中温条件下(39℃),OLR达到12.0 kg-COD/(m~3·d)时仍具有良好的稳定性。相比于中温厌氧,LCFAs在高温厌氧下生物毒性增强,累积速率增大,对系统耐受负荷和稳定性具有明显影响。温度改变对系统内微生物多样性差异影响较为明显,在从中温升为高温的过程中,非耐高温性细菌Bacteroidales和Anaerolineales逐渐消失,且在高温条件下出现了新物种-MBA08。在中温AnMBR中,主要的产甲烷途径为以乙酸和氢气为底物产甲烷,而在高温AnMBR中,主要的产甲烷途径为以氢气为底物产甲烷。此外,高温对污泥性质影响较大,膜污染加剧。(5)针对外置式AnMBR具有高错流速率的特点,研究不同错流速率下AnMBR的厌氧消化性能,污泥对高剪切力的抵御反馈机制以及产氢产乙酸菌和嗜氢产甲烷菌的互营关系。当错流速率为1.0±0.27 m/s、2.5±0.17 m/s和4.0±0.22 m/s时,AnMBR可耐受的OLR分别10.3 kg-COD/(m~3·d)、12.4 kg-COD/(m~3·d)和18.1 kg-COD/(m~3·d),对应的沼气产量为190 L/d、300 L/d和520 L/d,COD去除效率分别为86.2%、90.4%和96.3%,VFA含量分别为6860 mg/L、4780 mg/L和1690 mg/L。较高的错流速率并没有打破微生物间的空间毗邻关系,微生物可通过改变自身分泌物的含量,维持自身絮体结构,增强对外部剪切力的抵御能力。相反的,高错流速率提高了体系的混合强度,加快了种间氢转移速率,增强了质子互营乙酸菌和产甲烷菌的相互关系,提高了LCFAs的降解速率。此外Methanobacterium和Clostridiales的相对丰度的增加非常有利于LCFAs的互营代谢,从而降低了其累积速率。(6)膜清洗通量的恢复是保证AnMBR能否正常运行的关键,本研究分析AnMBR主要污染源成分性质及膜面污染特征,并提供一种有效的清洗方法。SMP是反应器内主要的有机污染物,由于超滤膜的截留作用,其容易在反应器内累积,在膜表面形成凝胶层,堵塞膜孔。EEM表明SMP主要的成分为色氨酸类蛋白质和F420。此外,进水中高浓度的钙离子是主要的无机污染,其在运行过程中易生成沉淀累积在反应器内。FTIR和CLSM表明膜面主要污染物质为多糖、蛋白质和微生物,SEM-EDX分析膜面主要的无机污染元素为钙离子。采用组合试剂次氯酸钠+盐酸+乙二胺四乙酸钠(Ethylenediamine Traacetic Acid,EDTA)可获得良好的清洗效果。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X799
【图文】：

示意图,β-氧化,长链脂肪酸,示意图

细胞膜的结构组成差异也是导致厌氧消化系统在不同温度下对LCFAs抑制作用耐受程度不同的原因。图1.2 长链脂肪酸的β-氧化示意图[52]Fig. 1.2 Sketch of β-oxidation pathway involved in long chainfatty acid degradation尽管LCFAs的降解被认为是含油餐厨废水产甲烷的限速步骤[53]，但是其仍可通过产氢产乙酸菌和嗜氢产甲烷微生物的联合作用，实现LCFAs的厌氧消化[54]。自发进行的产

膜污染,影响因素

图1.3 AnMBR膜污染影响因素[70]Fig. 1.3 Factors of affecting membrane fouling in AnMBRs 温度度对膜污染的影响主要是由于温度可以改变污泥的粘性，从而改变其过滤和 van Lier[71]的研究发现，相比于中温 AnMBR，高温 AnMBR 在短期运行的临界膜通量，由于较高的温度可以降低污泥的粘性。然而在接下来的试nMBR 的膜通量比中温 AnMBR 降低了 2-3 倍[72]，很可能为温度改变了微从而影响了污泥过滤性能。因此，温度对污泥中微生物生理效应的影响比性能及粘性的影响更高。 SRT般来说，在高效厌氧反应器内，SRT 需要等于或大于微生物倍增时间的 3虑到乙酸甲烷菌的倍增时间为 4-10d，中温厌氧反应器内的 SRT 一般需要实际工程厌氧反应器内其 SRT 一般达到 100-200 d 甚至更长。相比于其他应器，AnMBR 内能做到 SRT 和 HRT 的分离控制，而不需要考虑污泥的

在线清洗,膜污染,膜组件

江南大学博士学位论文期的运行中膜污染是不可避免的，研究者们仍然在如何减缓力，包括有效的运行及控制手段等[74, 79-81]。此外，有效的膜关键[82]。根据清洗时膜组件是置于反应器内还是置于反应器清洗和离线清洗[83]。而根据污染物去除机制和所用清洗试剂、化学清洗和生物清洗。清洗和离线清洗所示，在线清洗主要包括间歇式过滤、在线超声清洗、颗粒生物/生物化学清洗、化学强化反洗（CEB）、曝气清洗（CIA）将膜组件从反应池中取出，再进行物理和化组合清洗。，在线清洗比离线清洗更方便，可以提高在线清洗频率。离年[84]，而在线清洗间隔时间根据膜污染程度及清洗方法可以。

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