厌氧膜生物反应器处理垃圾渗滤液在高负荷下的连续运行性能研究*

姚军强，刘 媛，吴志跃，郑晓宇，古 创，董仁杰，乔 玮

厌氧膜生物反应器处理垃圾渗滤液在高负荷下的连续运行性能研究*

姚军强1,2，刘 媛3，吴志跃1,2，郑晓宇4，古 创4，董仁杰1,2，乔 玮1,2†

（1. 中国农业大学 工学院，北京 100083；2. 国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发（实验）中心（中国农业大学），北京 100083；3. 光大环保（中国）有限公司，广东 深圳 518033；4. 光大环保技术研究院（南京）有限公司，南京 210007）

为解决常规厌氧工艺在处理垃圾渗滤液的运行过程中存在微生物流失和出水水质较差等问题，考察了浸没式平板厌氧膜生物反应器处理垃圾渗滤液的运行性能。以垃圾填埋场新鲜渗滤液为研究对象，在中温(37±1)℃条件下进行连续厌氧消化试验，容积负荷为9.5 kgCOD/(m3∙d)，反应器运行67 d。实验表明，在水力停留时间为10 d的条件下，甲烷产率为217 mL/gCOD，化学需氧量（COD）平均去除率达88.7%，出水总挥发性脂肪酸为230 mg/L，pH稳定在7.83 ～ 8.19，系统具有良好的稳定性。膜通量设定为5 L/(m2∙h) 时，实验结束时未发生明显的膜污染，跨膜压差由2.6 kPa增长至4.1 kPa，系统运行良好。实验结果表明在处理垃圾渗滤液时，厌氧膜生物反应器可以在高负荷条件下稳定运行，膜在连续运行下的抗污染能力较好。

厌氧膜生物反应器；垃圾渗滤液；厌氧消化；膜污染；去除效率

0 引 言

截至2020年，我国城市生活垃圾年产量达到2.42亿t[1]，垃圾填埋或焚烧中产生大量的渗滤液，是需要严格处理的高浓度有机废水[2]。厌氧消化是去除垃圾渗滤液中化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）的主要单元。研究表明，厌氧工艺如升流式厌氧污泥床、全混合厌氧反应器、厌氧生物滤池等，在处理垃圾渗滤液中存在微生物流失和出水水质较差等问题，影响处理效率[3-4]。厌氧膜生物反应器可以有效地截留微生物，实现固体停留时间（sludge retention time, SRT）和水力停留时间（hydraulic retention time, HRT）的分离，过滤去除悬浮物，从而提高系统稳定性和出水水质。据研究报道，采用浸没式平板厌氧膜生物反应器（anaerobic membrane bioreactor, AnMBR）处理垃圾渗滤液，在有机负荷（organic load rate, OLR）为0.26 ～ 2.36 kgCOD/(m3∙d)条件下，COD去除率达到90%以上[5]。为了探究AnMBR处理垃圾渗滤液的可行性，BOHDZIEWICZ等[6]比较了不同OLR对污染物去除效率的影响，发现在OLR为0.7 ～ 4.9 kgCOD/(m3∙d)条件下，COD去除率为76% ～ 90%，其中最佳COD去除率出现在OLR为2.5 kgCOD/(m3∙d)。同时，研究也表明在OLR为5.6 kgCOD/(m3∙d)时采用AnMBR处理高COD浓度垃圾渗滤液，平均COD去除率约为90%[7]。据相关报道，在OLR高于2.5 kgCOD/(m3∙d)时，AnMBR具有良好的发酵性能[8]。但是，总体来看，以往的AnMBR处理垃圾渗滤液研究多集中在0.14 ～ 5.86 kgCOD/(m3∙d)的负荷条件下[9]。关于较高负荷下运行效果的研究存在许多空白，需要更多的研究来提高AnMBR工艺在垃圾渗滤液处理中可行性、经济性和高效性。

本文以某垃圾填埋场的新鲜渗滤液为处理对象，在中温(37±1)℃条件下研究AnMBR在高负荷启动与运行下的COD去除效果，同时观察较短SRT下的膜运行情况，为垃圾渗滤液处理的工程运行提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料与装置

垃圾渗滤液取自天津市某垃圾填埋场的新鲜渗滤液，取回后在4℃条件下保存。接种污泥取自北京高碑店污水处理厂的中温厌氧罐出泥，取回后在(37±1)℃的水浴锅中放置3 d，尽可能地去除残留有机物。垃圾渗滤液和接种污泥的基本性质见表1。

表1 垃圾渗滤液与接种污泥的基本性质

注：“/”表示未检测；”表示检测次数。

实验装置如图1所示，浸没式厌氧膜生物反应器外壳的材质为聚氯乙烯，长、宽、高分别为350 mm、250 mm、700 mm，有效容积25 L。反应器两侧设置水浴夹层，通过数显恒温搅拌循环水箱（HH-60，北京国华）控制发酵温度为(37±1)℃。内置平板膜组件（Kubota，日本），膜面积为0.116 m2，平均膜孔径为0.2 μm，膜材质为氯化聚乙烯。

AnMBR的工作方式如下：每天进料2.5 L，HRT为10 d，第1 ～ 7 d每天排泥0.1 L，膜出液2.4 L，SRT为250 d；第8 ～ 67 d每天排泥0.3 L，膜出液2.2 L，SRT为83.3 d。膜的运行方式为抽吸4 min，松弛1 min，包括膜松弛时间在内的膜平均通量为5 L/(m2∙h)。膜过滤压力由压力传感器（ESM-PS，西安闵波）实时监测。通过隔膜式气泵运输系统内生成的沼气至底部的扩散器，对膜表面进行冲刷，沼气循环流速为5 ～ 6 L/min。反应器中膜过滤系统每天24 h连续运行，在第14 ～ 67 d的稳定运行阶段每天（HRT 10 d, SRT 83.3 d）固定出料2.5 L，包括0.3 L排泥和2.2 L膜出液。厌氧发酵产生的沼气通过水封后被集气袋收集，通过湿式气体流量计（LML-1，北京金志业）测定气体量。

图 1 AnMBR反应器装置示意图

1.2 分析方法

COD采用重铬酸钾法测定[10]；挥发性脂肪酸（volatile fatty acid, VFA）（包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸和己酸等）采用气相色谱仪（GC-2010Plus,日本岛津）测定，色谱柱为RTX-WAX毛细色谱柱，载气为氮气，分压为0.4 MPa，气体流速为40.0 mL/min，分流比为30；沼气成分采用气相色谱仪（GC-8A，日本岛津）测定，色谱柱为10 mm × 2 m不锈钢色谱柱，载气为氢气，分压为0.38 MPa，流速为20 ～ 30 mL/min，标准气体组成为60% CH4和40% CO2；沼气产量用湿式气体流量计（LML-1，北京金志业）测定；pH采用酸度计（FE20，瑞士梅特勒−托利多）测定；TS和VS采用重量法测定[11]；碱度（以CaCO3计）采用滴定法测定。

1.3 计算公式

COD去除率的计算公式如式（1）所示：

膜渗透性是指单位膜面积上、单位时间内、单位跨膜压差下透过渗透液的体积，其计算公式如下：

式中：m为膜渗透性，L/(m2∙h)/kPa；为膜通量，L/(m2∙h)；Δ为跨膜压差，kPa。

2 结果与讨论

2.1 连续实验的COD去除性能

从图2a和图2b可以看出，反应器在较高进料浓度下启动运行，进水COD浓度平均为83 700 mg/L。在启动阶段，膜出液COD在前期出现上升趋势，第7 d达到30 470 mg/L，且COD去除率逐渐下降至62.4%。同时，由图2c和图2d，发酵液中VFA也呈上升趋势，乙酸和丙酸大幅度增至11 070 mg/L和1 290 mg/L，pH下降至7.72，出现VFA积累现象。由于垃圾渗滤液本身具有较高的碱度，发酵液中TA整体呈上升趋势，表明发酵系统具有较好的缓冲作用。第7 d之后，膜出液COD逐渐下降至15 810 mg/L，COD去除率提高至81.2%，且VFA和pH也分别呈现下降及上升趋势，系统逐渐恢复正常。发酵系统于第14 d后逐渐稳定，长期运行下的进水COD平均为94 550 mg/L，OLR平均为9.5 kgCOD/(m3∙d)，高于文献报道的5.6 kgCOD/(m3∙d)[7]和类似研究的6.3 kgCOD/(m3∙d)[12]。结果表明，AnMBR处理高浓度垃圾渗滤液可保持稳定运行，膜出水COD浓度和COD去除率稳定在10 530 mg/L和88.7%左右，TVFA平均为230 mg/L，乙酸和丙酸分别占54.1%和41.7%。

图 2 （a）进出水COD浓度；（b）COD去除率；（c）VFA浓度；（d）总碱度和pH

由图3a可以看出，在长期连续厌氧发酵过程中，进料的颗粒性COD（particulate chemical oxygen demand, PCOD）所占比例较大，达到33.3%。基于物料平衡可知，发酵系统中84.4%的COD转化为甲烷，出水中SCOD仅剩13.6%，表明发酵系统具有较好的有机物去除率。同时，TS、VS和SS等的去除率也是评价厌氧系统中有机污染物去除效果的重要参数。如图3b，进水的TS和VS平均为56.3 g/L和26.9 g/L，而SS和VSS浓度较小，分别为2.1 g/L和1.3 g/L；膜出液的TS和VS分别为20.8 g/L和15.7 g/L，而SS和VSS在出水中未检测到，无悬浮物。如图3c所示，进一步分析发现膜出水的SCOD中VFA仅占15.4%，乙酸和丙酸分别占8.3%和6.4%，表明厌氧过程中大部分的VFA被转化，系统的甲烷化程度较高。

由图4a可知，发酵系统的沼气产率和甲烷产率在启动前期呈现稳定上升趋势，于第11 d分别达到425.9 mL/gCOD,in和338.1 mL/gCOD,in，之后由于积累的多余有机物被降解，两者小幅度降低后趋于稳定，表明反应器启动效果较好。在长期连续运行过程中，系统的沼气产率和甲烷产率基本保持不变，分别为283.4 mL/gCOD,in和218.7 mL/gCOD,in左右，且沼气成分从第9 d后基本稳定，CH4、CO2和N2的比例分别为77.2%、18.3%和4.5%，结果如图4b所示。同时，由图4c可知，发酵系统稳定后甲烷、出水和排泥中的COD占比分别为84.2%、13.8%和2.0%，较多的有机物被转化为甲烷。可以看出，AnMBR处理高浓度垃圾渗滤液具有较好的产气性能，甲烷浓度较高。

图 3 物料平衡分析：（a）进出水COD浓度比例；（b）进出水污泥浓度；（c）出水SCOD浓度比例

2.2 膜过滤性能

图5a中，在第1 ～ 6 d的膜压呈下降趋势，原因可能是泵管老化导致产水下降。在第6 d换新管后，膜通量恢复至设定值，膜压缓慢增长，于第13 d达到3.1 kPa，增长速率为0.063 kPa/d，渗透率逐渐从1.92 L/(m2∙h∙kPa)下降至1.61 L/(m2∙h∙kPa)。在之后的运行时间膜通量保持不变，跨膜压差（transmembrane pressure, TMP）和渗透率基本维持稳定，分别为3.2 kPa和1.57 L/(m2∙h∙kPa)左右。第50 d开始，膜压呈增长趋势，在第66 d达到4.4 kPa，平均增长速率为0.065 kPa/d，渗透率也呈现下降趋势，最低降至1.22 L/(m2∙h∙kPa)。原因可能是长时间的连续运行导致混合液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子在膜表面（外部）和膜孔内（内部）吸附聚集，造成膜孔堵塞并促使孔隙率变小，引起过滤压力升高和渗透率下降。有研究表明，恒通量操作条件下膜污染包括初始污染（第一阶段）、缓慢污染（第二阶段）和TMP跃升（第三阶段）三阶段[13]。其中，初始阶段由于胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）和溶解性微生物产物（soluble microbial product, SMP）的作用形成生物膜，导致TMP呈迅速增长趋势；第二阶段由于污泥絮体、胶体和溶解性物质开始在膜表面沉积，形成凝胶层和滤饼层，导致TMP呈缓慢上升趋势[14]；第三阶段由于滤饼层被进一步压实，导致TMP呈快速增长趋势。可以看出，本实验中的膜压变迁结果与三阶段理论吻合，与之前的研究报道规律类似[15]。但是，本试验中膜压和渗透率的变化趋势较小，膜压平均增长速率为0.033 kPa/d，渗透率平均下降速率为0.015 L/(m2∙h∙kPa∙d)，反应器表现出较好的膜运行效果，未出现明显的膜污染。

厌氧膜生物反应器运行中污泥浓度直接影响膜的运行效果，是引起膜污染的重要因素。研究表明，反应器中污泥浓度的快速增加将导致膜污染的迅速发生[16]。如图5b所示，试验启动时的混合液悬浮固体（mixed liquor suspended solids, MLSS）和VSS分别为13.6 g/L和9.3 g/L，在SRT 250 d的条件下，两者出现增长，且膜压呈现上升趋势。为此，在第10 d缩短反应器的SRT为83.3 d，通过增加排泥量来降低SS浓度，MLSS在第16 d降至最低6.0 g/L，VSS在第13 d降至最低3.3 g/L。随着反应器的连续运行，VSS在第31 d增长至14.7 g/L，之后基本维持在13.4 g/L左右；而MLSS呈持续上升趋势，最高达到80.3 g/L，这一结果与文献的研究结果相近[17]。同时，可知整个运行过程中MLSS的增长量为490%，混合液中悬浮颗粒的积累较为明显，体现了厌氧膜生物反应器对悬浮物和微生物的较好截留作用。

图 6 TMP与不同因素之间的关系

影响膜污染发生的因素较多，如水力停留时间、污泥浓度和曝气强度等。主成分分析法（principal component analysis, PCA）作为一种常用的多元数据分析方法，可以利用相关性对数据集进行分析，判断膜污染的主要影响因素[18]。如图6所示，第一主成分（PC1）、二主成分（PC2）的累计贡献指数达到76.0%（> 70%），表明可以有效表征TMP与其他因素（污泥浓度、进水COD、SS等）的相关性。可以看出，TMP与运行时间的相关性最大，其次为污泥浓度、TVFA和进水SCOD。随着运行时间的延长，TMP有一定的增加，是形成膜污染的一个重要原因。但是，由于污泥浓度、进水SCOD等因素的影响尚不显著，连续运行过程中膜片运行状况较好，未出现膜污染现象。

3 结 论

采用浸没式厌氧平板膜生物反应器处理垃圾渗滤液，在9.5 kgCOD/(m3∙d)的较高负荷条件下可以在14 d的较短时间内启动反应器。厌氧发酵系统在HRT 10 d的条件下长期稳定运行，甲烷产量为217 mL/gCOD，COD去除率达到88.7%，膜出水SCOD为10 530 mg/L，总挥发性脂肪酸为230 mg/L，以乙酸和丙酸为主。基于物料平衡计算，84.4%的COD被转化为甲烷，出水中SCOD仅占13.6%，厌氧系统具有较好的有机物去除率。膜过滤系统在通量5 L/(m2∙h)的条件下具有良好的运行效果，随着污泥浓度的逐渐增加，运行中的TMP和渗透率仅表现出较小的变化，反应器未出现明显的膜污染现象，表明本试验的平板膜有较好的抗污染能力。

[1] 国家统计局. 中国统计年鉴[M]. 北京: 中国统计出版社, 2020.

[2] 姚军强, 吴志跃, 郑晓宇, 等. 垃圾焚烧厂渗滤液厌氧处理的研究进展[J]. 新能源进展, 2021, 9(2): 143-150. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2021.02.008.

[3] 李亮, 徐代平, 詹爱平. 垃圾焚烧厂渗滤液处理系统的设计与调试运行[J]. 中国给水排水, 2013, 29(10): 48-50. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4602.2013.10.013.

[4] DACANAL M, BEAL L L. Anaerobic filter associated with microfiltration membrane treating landfill leachate[J]. Engenharia sanitaria e ambiental, 2010, 15(1): 11-18.

[5] TRZCINSKI A P, STUCKEY D C. Effect of sparging rate on permeate quality in a submerged anaerobic membrane bioreactor (SAMBR) treating leachate from the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW)[J]. Journal of environmental management, 2016, 168: 67-73. DOI: 10.1016/j.jenvman.2015.11.055.

[6] BOHDZIEWICZ J, NECZAJ E, KWARCIAK A. Landfill leachate treatment by means of anaerobic membrane bioreactor[J]. Desalination, 2008, 221(1/3): 559-565. DOI: 10.1016/j.desal.2007.01.117.

[7] WU Z Y, LIU Y, YAO J Q, et al. The materials flow and membrane filtration performance in treating the organic fraction of municipal solid waste leachate by a high solid type of submerged anaerobic membrane bioreactor[J]. Bioresource technology, 2021, 329: 124927. DOI: 10.1016/j.biortech.2021.124927.

[8] LIN H J, PENG W, ZHANG M J, et al. A review on anaerobic membrane bioreactors: applications, membrane fouling and future perspectives[J]. Desalination, 2013, 314: 169-188. DOI: 10.1016/j.desal.2013.01.019.

[9] ABUABDOU S M A, AHMAD W, AUN N C, et al. A review of anaerobic membrane bioreactors (AnMBR) for the treatment of highly contaminated landfill leachate and biogas production: effectiveness, limitations and future perspectives[J]. Journal of cleaner production, 2020, 255: 120215. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.120215.

[10] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 再生水中化学需氧量的测定重铬酸钾法: GB/T 22597-2014[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.

[11] 中华人民共和国建设部. 城市污水水质检验方法标准: CJ/T 51-2004[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005.

[12] ZAYEN A, MNIF S, ALOUI F, et al. Anaerobic membrane bioreactor for the treatment of leachates from Jebel Chakir discharge in Tunisia[J]. Journal of hazardous materials, 2010, 177(1/3): 918-923. DOI: 10.1016/j. jhazmat.2010.01.004.

[13] CHO B D, FANE A G. Fouling transients in nominally sub-critical flux operation of a membrane bioreactor[J]. Journal of membrane science, 2002, 209(2): 391-403. DOI: 10.1016/S0376-7388(02)00321-6.

[14] 程磊, 陈文清. 浸没式MBR工艺在工程化应用中膜污染的三阶段特征研究[J]. 四川环境, 2010, 29(2): 28-31, 43. DOI: 10.14034/j.cnki.schj.2010.02.015.

[15] JIANG M M, WU Z Y, YAO J Q, et al. Enhancing the performance of thermophilic anaerobic digestion of food waste by introducing a hybrid anaerobic membrane bioreactor[J]. Bioresource technology, 2021, 341: 125861. DOI: 10.1016/j.biortech.2021.125861.

[16] 晏习鹏, 肖小兰, 亓金鹏, 等. 中试厌氧膜生物反应器对剩余污泥的消化效果[J]. 中国给水排水, 2020, 36(19): 1-8. DOI: 10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2020.19.001.

[17] 肖小兰, 亓金鹏, 刘皓, 等. AOA-MBR处理高盐榨菜废水厌氧膜生物反应器出水的效能[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 3057-3066. DOI: 10.12030/j.cjee.202105095.

[18] JAHIRUL M I, RASUL M G, BROWN R J, et al. Investigation of correlation between chemical composition and properties of biodiesel using principal component analysis (PCA) and artificial neural network (ANN)[J]. Renewable energy, 2021, 168: 632-646. DOI: 10.1016/j. renene.2020.12.078.

Process Performance of a Submerged Anaerobic Membrane Bioreactor Treating Leachate from OFMSW under High Organic Loading Rate

YAO Jun-qiang1,2, LIU Yuan3, WU Zhi-yue1,2, ZHENG Xiao-yu4,GU Chuang4, DONG Ren-jie1,2, QIAO Wei1,2

(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;2. R&D Center for Efficient Production and Comprehensive Utilization of Biobased Gaseous Fuels, Energy Authority, National Development and Reform Committee (BGFuels) at China Agricultural University Laboratory, Beijing 100083, China;3. Everbright Environmental Protection (China) Co., Ltd., Shenzhen 518033, Guangdong, China;4. Everbright Environmental Protection Technology Research Institute (Nanjing) Co., Ltd., Nanjing 210007, China)

In order to solve the problems of microbial loss and poor effluent quality during the operation of landfill leachate treated by conventional anaerobic process, the operation performance of submerged plate anaerobic membrane bioreactor was investigated. A continuous anaerobic digestion experiment was carried out on fresh leachate from a landfill site at a medium temperature of (37±1)oC with a volume load of 9.5 kgCOD/(m3∙d). The reactor was operated for 67 d. The experimental results showed that under the condition of hydraulic retention time of 10 d, the methane production rate was 217 mL/gCOD, the average chemical oxygen demand (COD) removal rate was 88.7%, the total volatile fatty acids of effluent water was 230 mg/L, and the pH was stable between 7.83 and 8.19. The system displayed good stability. When the membrane flux was 5 L/(m2∙h), no obvious membrane pollution occurred during the experiment. The transmembrane pressure difference increased from 2.6 kPa to 4.1 kPa, indicating that the system worked well. The experimental results showed that the anaerobic membrane bioreactor can operate stably under high load condition, and the membrane has good anti-pollution ability under continuous operation.

anaerobic membrane bioreactor; landfill leachate; anaerobic digestion; membrane fouling; removal efficiency

2095-560X（2022）01-0027-07

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.01.005

2021-11-22

2021-12-22

国家自然科学基金项目（51778616）

乔 玮，E-mail：qiaowei@cau.edu.cn

姚军强（1997-），男，硕士研究生，主要从事厌氧膜生物反应器研究。

乔 玮（1979-），男，博士，教授，主要从事厌氧环境生物技术研究。