基于MABR的压裂返排液处理及微生物群落研究

压裂返排液含有多种复杂有机物,毒性高、盐度高以及可生化性差。设计了1个三级MABR系统用于压裂返排液的处理,该系统在最适宜运行参数下表现出优异的除碳脱氮性能,出水经过芬顿试剂处理后满足污水综合排放二级标准。MABR系统对COD、NH^(+)_(4)-N和TN的去除率分别达到79.30%、96.06%和75.61%。微生物分析表明MABR生物膜富集了丰富的功能菌群,Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)是生物膜中的优势菌群。阐明了MABR处理压裂返排液的技术可行性,为MABR在处理相关废水中的应用奠定了基础。

新型MABR生物脱氮过程研究进展

在膜曝气生物膜反应器(Membrane-Aerated Biofilm Reactor,MABR)内,底物的异向传质过程促进了生物膜独特结构的形成,凸显其在生物脱氮领域的技术优势.首先综述了氮素转化与脱除过程特点及相关优化改进,并通过总结归纳MABR运行机理及应用现状,进一步展望了该技术的发展趋势与方向.

生物膜层DO浓度对MABR中异养硝化-好氧反硝化的影响

高浓度氨氮(NH_(4)^(+)-N)废水的好氧生物处理是一个高氧需求过程.膜曝气生物膜反应器(membrane aerobic biofilm reactor,MABR)因其高氧利用率、低能耗优势在高氨氮废水处理中具有重要应用潜力.通过启动贯通式MABR接种异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification and aerobic denitrification,HN-AD)脱氮混合菌液处理高氨氮模拟废水,调节进气量实现生物膜层不同溶解氧(DO)浓度,考察生物膜层DO浓度对MABR脱氮性能、HN-AD菌多样性及其脱氮功能基因的影响.结果表明:①MABR中仅生物膜内层DO浓度随进气量的增加而提升,生物膜外层DO浓度始终保持为0 mg/L;高DO浓度下反应器NH_(4)^(+)-N、总氮(TN)去除率相比低DO浓度分别增加了28.15%和24.18%,提高生物膜内层DO浓度强化MABR脱氮性能.②高通量测序分析表明,HN-AD菌是MABR中的脱氮功能微生物,研究获得假黄褐藻属(Pseudofulvimonas)、脱氮副球菌属(Paracoccus)、鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)和不动杆菌属(Acinetobacter)等共13种HN-AD菌属,其总相对丰度在低、中和高DO浓度下分别为12.97%、19.05%和22.01%,说明提高生物膜内层DO浓度促进了HN-AD菌属的富集.③PICRUSt1功能基因预测发现,MABR中HN-AD菌的好氧反硝化功能基因(napA、napB)总相对丰度在低、中和高DO浓度下分别为0.00013‰、0.019‰和0.060‰,说明提高MABR生物膜内层DO浓度加快了HN-AD菌的好氧反硝化进程,促进了MABR中HN-AD过程的实现.研究显示,通过调节进气量实现生物膜内层不同DO浓度,可以强化MABR脱氮性能,提高HN-AD菌属富集程度,促进MABR中HN-AD过程的实现.

启动炭管膜曝气生物膜反应器实现全程自养脱氮

启动包裹无纺布的多微孔炭管为膜组件的膜曝气生物膜反应器(MABR),实现基于短程硝化和厌氧氨氧化的完全自养脱氮.首先接种普通硝化污泥启动反应器,在温度35℃,pH为7.9条件下,通过对膜内腔压力的适当控制逐步降低反应器溶解氧浓度,实现亚硝酸盐的积累.然后再次接种厌氧氨氧化污泥,使无纺布上形成好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌稳定共存的膜曝气生物膜,从而实现全程自养脱氮.结果表明,经过120 d连续运行,在膜内压力为0.015 MPa,水力停留时间6 h,进水NH4+-N为200 mg/L±10 mg/L条件下,NH4+-N转化率达到88.7%,出水总氮平均为48.65 mg/L,总氮去除率达到83.77%.荧光原位杂交(fluorescent in situ hybridization,FISH)分析表明,好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌作为主要功能菌群分别控制着靠近炭管膜/生物膜界面区域和靠近生物膜/液体界面区域.

生物膜厚度对膜曝气生物膜反应器硝化性能的影响

在设定的膜内压力下(2 k Pa)启动并运行膜曝气生物膜反应器(MABR),对生物膜生长过程中的硝化性能及生物膜组成变化进行了分析。实验结果表明,在生物膜厚度增长到(293.3±5.8)μm的过程中,生物膜内的总氧通量先增加后减少,最高可达21.3 g O2?m?2?d?1,证实了生物膜的存在可增强MABR的氧传质能力。在生物膜厚度增长的过程中,氨氮表面去除负荷也是先增加后减少,最高可达4.91 g N?m?2?d?1,表明在MABR硝化过程中存在最佳的生物膜厚度,根据所研究最佳生物膜厚度为(119.0±3.0)μm,此时MABR具有最高的氧通量和氨氮表面去除负荷,硝化性能最好。生物膜内胞外聚合物(EPS)成分分析结果表明,随着生物膜厚度的增加,生物膜内层紧密型EPS的含量增加,导致氧传质阻力增加,这是生物膜内氧通量及氨氮去除负荷随生物膜厚度先增加后下降的内在原因。

无泡曝气膜生物反应器去除生活污水有机物的研究

以聚丙烯中空纤维作为无泡曝气膜生物反应器（MABR）生物膜载体,采用循环挂膜法进行聚丙烯中空纤维表面生物膜的培养,研制出一台小型MABR实验装置.在对生活污水的实验研究中获得了对化学需氧量（COD）和固体悬浮物（SS）良好的去除效果.研究表明：中空纤维内腔氧气压力在0.02-0.1 MPa的范围内对MABR去除COD的能力具有较小的影响;当反应器中污水的循环次数达到7.5次/h时,污水的循环流速对MABR的COD降解效果没有显著影响.在适宜的条件下,HRT为10 h时,MABR能够较容易地使污水的出水COD保持在50 mg/L以下,SS保持在15 mg/L以下.

膜曝气生物膜反应器生物膜影响因素分析

膜曝气生物膜反应器(MABR)是一种利用透气膜进行曝气,可以实现同步硝化反硝化的污水生物处理新工艺。本文阐述了膜曝气生物反应器生物膜的原理和特点,总结了国内外在该领域的研究成果,重点介绍了C/N、氧气压力、流速、生物膜厚度、温度和pH对生物膜性能的影响。

一种改进型MABR系统的增氧性能评估

治理城市黑臭水体的关键之一在于提高水体含氧量。膜曝气生物膜反应器(MABR)低压无泡特点常导致受处理水体溶解氧(DO)分布不均,从而降低MABR系统整体增氧性能并影响黑臭水体处理效果。针对该问题,对MABR系统进行改进,在MABR系统的中空纤维膜组件中设置可制造气泡的特殊中空纤维膜丝,改进后的MABR系统可形成气泡羽流,气泡羽流的搅拌特性可使MABR系统在保持高氧转移效率的同时提高其增氧均匀性,提高黑臭水体处理效果。通过模拟试验分析了改进后的MABR系统在模拟黑臭水体中的增氧效果及均匀性。结果表明:改进型MABR系统增氧效果随曝气压力的增加而增加,与未曝气(0 kPa)试验24 h内DO饱和率均值相比,10、20和30 kPa下,河水DO饱和率均值在水平试验中的增幅为-2.8%、17.7%和29.4%,在水深试验中的增幅为13.6%、6.6%和32.1%。同时,水平与水深试验中河水DO饱和率的分布随曝气压力的增大而更均匀,与0 kPa试验相比(水平与水深试验中河水DO饱和率的方差均值分别为1.7和13.5),10、20和30 kPa下,河水DO饱和率的方差均值在水平试验中为0.3、3.9和0.4,在水深试验中为9.8、18.4和3.4。改进后的MABR系统可实现对水体良好的增氧效果与均匀性,为解决我国城市河道黑臭水体难题提供了技术支撑。

单级MABR纯生物膜法处理市政污水的应用研究

为了研究膜曝气生物反应器(MABR)在污水处理过程中的应用前景,探索氧气传质和脱氮规律,以昆山市某污水处理厂为研究对象,搭建了单级式MABR纯生物膜中试装置,在不同负荷条件下探究了MABR对污染物的去除效果,并对MABR在污水中的传氧性能进行了分析。结果表明,MABR在保证传氧的同时能够大幅降低曝气能耗,脱氮过程中有明显的同步硝化反硝化反应发生,而且污染物浓度越高越利于氧的高效利用;16S rDNA测序结果显示,MABR生物膜具有丰富的生物相,且以好氧微生物为主。

膜曝气生物膜反应器耦合厌氧氨氧化工艺处理低C/N比生活污水

我国生活污水具有低碳氮比的特点,传统硝化-反硝化反应碳源不足,生物脱氮难度大,且常规微孔曝气装置存在过量曝气、亚硝化反应难以控制等问题.因此,本研究构建了膜曝气生物膜反应器(Membrane aerated biofilm reactor,MABR),接种了厌氧氨氧化污泥,采用厌氧-间歇曝气的序批式运行方式处理低碳氮比生活污水.结果表明,在处理模拟废水时(阶段1),进水C/N比为3.02,COD、NH_(4)^(+)-N和TN去除率分别为90.21%、91.74%和79.92%;处理实际生活污水时(阶段2),C/N比为1.81,COD、NH_(4)^(+)-N和TN去除率分别为78.61%、98.40%和80.54%,实现了碳氮污染物的高效去除.两阶段内碳源转化率分别为44.15%和27.02%,其中,阶段一进水采用乙酸钠配制有利于内碳源的转化.反应器出水中有机物主要包含难降解有机物和微生物产物.^(15)N同位素示踪结果表明,两阶段厌氧氨氧化脱氮贡献分别为66%和75%.上述结果表明,采用MABR耦合厌氧氨氧化工艺分别处理模拟废水和实际生活污水,单一与复杂有机物组分条件下,均可实现碳、氮污染物的高效去除,厌氧氨氧化脱氮贡献稳定.

膜曝气生物膜反应器同步硝化反硝化研究

炭膜作为膜曝气生物膜反应器膜组件处理人工合成废水,在单一反应器内实现了同时去碳脱氮.结果表明,当进水COD和NH4+-N浓度分别为338mg/L和75mg/L,HRT为14h,炭膜腔内压力为13.6kPa时,COD、NH4+-N和TN的去除效率分别为82.5%、95.1%和84.2%.但是在反应器运行的后期TN去除效率明显下降,主要是因为高有机负荷导致无纺布上的微生物过度繁殖,严重影响了硝化过程的进行.通过荧光原位杂交和扫描电镜技术观察生物膜微生物结构,得出厌氧或兼氧菌主要分布在生物膜外层的缺氧区,而氨氧化菌主要分布在生物膜内层的好氧区.硝化细菌和反硝化细菌在生物膜内的共存实现了炭膜曝气生物膜反应器的同步硝化反硝化.

氨氮负荷对膜曝气生物膜反应器部分亚硝化性能的影响

对不同进水氨氮负荷下中试膜曝气生物膜反应器（MABR）部分亚硝化性能进行了考察,旨在确定在MABR中启动、优化和维持稳定亚硝化的控制策略.在进水氨氮表面负荷由（4.9＆#177;0.4）g·m-2·d-1（以N计,下同）升至（9.1＆#177;0.5）g·m-·2d-1的过程中,MABR氨氮去除负荷可以达到（5.7＆#177;0.5）g·m-2·d-1.当进水氨氮负荷为7.4 g·m-2·d-1时,本试验MABR部分亚硝化效果最佳,亚硝化率可达96.3％.部分亚硝化的维持需要控制合适的生物膜厚度,当生物膜厚度在110- 170 μm之间时,MABR亚硝化率在90％左右,能够有效实现对亚硝酸盐氧化菌（NOB）的抑制和亚硝酸盐的积累.利用微生物比氧利用率（SOURAOB）来反映生物膜中氨氧化菌（AOB）的活性,发现MABR生物膜的SOURAOB可达（133.9＆#177;31.1） mg·g-1·h-1（以每g SS利用的O2量（mg）计）.实时定量PCR结果也表明AOB为MABR生物膜中的优势菌群,其微生物丰度比接种污泥高出3个数量级.通过调控进水氨氮负荷和生物膜厚度,维持AOB的种群优势和高活性并同时抑制NOB的活性,可以实现MABR的稳定部分亚硝化.

厌氧折流板反应器与膜曝气生物膜反应器耦合作用的试验研究

利用膜曝气生物膜外层的厌氧状态与厌氧折流板反应器内部环境相融合的特性,分别启动驯化厌氧折流板反应器和膜曝气生物膜反应器,将驯化好的膜组件置入运行稳定的厌氧隔室内构成耦合反应器.当进水COD和NH+4-N浓度分别为1 600mg/L和80 mg/L时,膜组件置入后反应器出水中的COD和VFA含量分别降低了59.5%和68.1%,对含氮污染物的去除率达到83.5%.当进水有机负荷提高50%时,耦合反应器出水COD浓度仍处于60 mg/L以下,具有良好的抗有机负荷冲击能力.因为流入液体中有机底物的减少和硝态氮的增加,使得3号隔室的沼气产量和甲烷含量均明显减少,但是取而代之的是更为稳定和优良的出水水质.此工艺实现了单一反应器处理中高浓度有机含氮废水的同时去碳脱氮功效.

膜曝气生物膜反应器运行单级自养脱氮工艺功能型菌群特性研究

基于16S rDNA基因的分子生物学方法,对运行单级自养脱氮工艺的膜曝气生物膜反应器(membrane-aerated biofilmbioreactor,MABR)内的2个主要效应菌群(氨氧化菌和厌氧氨氧化菌)之间的协同作用关系和在生物膜上可能的空间分布进行研究.荧光原位杂交结果显示,试验的曝气生物膜主要存在2个明显的功能层,一个是靠近曝气膜和生物膜交界的氨氧化菌聚集层,另一个是靠近生物膜与水体交界的厌氧氨氧化菌聚集层.氨氧化菌和厌氧氨氧化菌群为曝气生物膜上的2个主要功能菌群,它们之间的合作共生和协同作用是膜曝气生物膜实现单级自养脱氮的基础.

膜传氧生物膜反应器在污水厂升级改造中的应用

ZeeLungTM膜传氧生物膜反应器工艺(ZeeLungTM MABR工艺)在美国伊利诺斯州YBSD污水处理厂成功应用,成为目前世界上最大的MABR污水处理厂。ZeeLungTM MABR工艺将原有的好氧活性污泥系统改造成A2 O工艺系统,ZeeLungTM膜箱安装于改造后的缺氧池,在不新建生化构筑物的条件下,即可满足日益增长的有机负荷及新的出水总磷指标要求(低于1 mg/L,通过生物除磷即可实现)。为期1年的运行数据表明,升级后系统的出水水质可稳定达到目标要求,实现了生物除磷及ZeeLungTM池内的同步硝化反硝化。ZeeLungTM生物膜优先进行硝化,平均传氧速率为12.0 g/(m^2·d),在平均硝化速率为2.1 g/(m^2·d)的条件下,80%的传氧用于硝化,在保持传氧能力的前提下确保氨氮及总氮的同步去除效果。半经验动力学模型可用于模拟ZeeLungTM的硝化速率,其温度系数接近于1,表明水温对ZeeLungTM硝化速率的影响很小。