电强化厌氧膜生物反应器抗膜污染及其水处理性能研究

摘要

厌氧膜生物反应器（anaerobic membrane bioreactor,AnMBR）结合了厌氧生物技术与膜分离技术，具有出水水质好，占地面积小等特点因此得到广泛研究。然而，由于存在严重的膜污染和由此带来的运行和替换成本升高问题，以及甲烷产率不高制约了其实际应用。针对膜污染严重和甲烷产率低的问题，本研究设计并构建了微生物电解池耦合的厌氧膜生物反应器（AnEMBR），以导电碳纳米管中空纤维膜（CNT-HFM）作为电极起过滤和生物催化的双重作用。而未施加电压的开路反应器作为对照组运行，考察外加电压在处理模拟生活污水的过程中对膜污染的控制和水处理性能的影响。实验得到的主要的成果如下： 一方面，在恒通量连续运行模式下，在膜表面施加-1.0V电偏压有效减缓了跨膜压差（TMP）的增长，TMP在AnEMBR中的增长速率为0.0196bar/d，仅为对照的1/2。电偏压不但能够抑制污染物在膜表面聚集，而且能够减缓膜孔堵塞。此外，通过对污泥性状的分析发现，在外加电压的作用下，AnEMBR中污泥平均粒径由44.1μm增大到了51.4μm；细胞代谢产生的污染物在膜表面减少而在膜周围悬浮液中有所增加；膜周围污泥的zeta电位由-15.2mV降至-19.0mV。正是由于电场对污泥性状引起的变化，使得污泥和污染物与膜表面之间的作用力减小，因此减缓了膜污染，降低运行能耗。 另一方面，外加电压在水处理过程中对于有机物去除和生物气产生也有积极影响。在进水化学需氧量（COD）浓度为500±50mg/L条件下，反应器在6-12h水力停留时间下的出水COD为36.1-58.8mg/L，COD去除率为87.8-93.1%，与对照组相比提高了3.1-3.3%。尽管外加电压对COD去除率影响不大，但是其对甲烷的转化有较明显的促进作用。AnEMBR中最终的甲烷转化量达到了74.8mLCH4/gCOD，为对照组的1.3倍，表明外加电压在能源气体的回收方面具有优势。运行结束后分别取两个反应器中膜表面和沉积污泥进行古菌和细菌的高通量测序分析，结果表明CNT膜表面的耗氢甲烷杆菌Methanobacterium在电压刺激下其丰度高达82.4%，为对照的3.2倍。这是由于碳纳米管膜的存在抑制了丝状菌在膜表面的附着，尤其是在外加电压条件下，缓解了膜污染。此外，耗乙酸甲烷丝状菌Methanothrix在沉积污泥中丰度的在电场的刺激下也有所提高，由对照组中的68.4%增至73.2%。两种产甲烷机制在AnEMBR体系中共存，共同促进了有机物的降解和甲烷生成。而膜电极上富集的电活性细菌中，不动杆菌Acinetobacter和弓形杆菌Arcobacter的含量分别为对照的3.1和2.5倍，它们具有胞外电子传递的功能，说明外加电压能促进这些微生物的生长，因此提高有机物的转化效率。

目录

第一个书签之前