Flux-Dependent Fouling Phenomena in Membrane Bioreactors under Different Food to Microorganisms (F/M) Ratios

This paper investigated the effect of food to microorganisms (F/M) ratios in the MBRs on membrane fouling propensities at fluxes of 10, 20, and 30 L/m² hr (LMH). The high F/M-MBR had different biomass properties, more soluble extracellular polymeric substances (EPS), and faster fouling rate compared to the low F/M-MBR. However, the fouling mechanisms at the three fluxes were dissimilar. At a low flux, the microbial flocs dominant cake layers facilitated catching the soluble EPS to increase resistance. At a high flux, the great accumulation of soluble EPS (especially soluble polysaccharides) to form gel-like cake layers predominantly induced membrane fouling. Supplemental materials are available for this article. Go to the publisher's online edition of Separation Science and Technology to view the free supplemental file.     

Influence of Mechanical Mixing Rates on Sludge Characteristics and Membrane Fouling in MBRs

Abstract

The influence of shear intensity (G) induced by mechanical mixing on activated sludge characteristics as well as membrane fouling propensity in membrane bioreactors (MBRs) was investigated. Four MBRs were operated at different mechanical mixing conditions. The control reactor (MBR₀) was operated with aeration only supplemented by mechanical stirring at 150, 300, and 450 rpm in MBR₁₅₀, MBR₃₀₀, and MBR₄₅₀, respectively. It was found that the MBR₃₀₀ demonstrated minimum rate of membrane fouling. The fouling potential of the MBR₃₀₀ mixed liquor was lowest characterized by the specific cake resistance and the normalized capillary suction time (CST_N). Moreover, it was found that the mean particle size reduced with an increase in the shear intensity. These results reveal that membrane fouling can be significantly mitigated by appropriate shear stress on membrane fibers induced by mechanical mixing condition.     

膜生物反应器污泥混合液对膜污染影响研究进展

膜生物反应器(membrane bioreactor,MBR)作为一种高效的污水处理及回用工艺,近年来备受关注,然而MBR的膜污染问题严重制约了该工艺进一步快速的商业化推广.本文综述了污泥混合液各组分对MBR膜分离的影响,包括溶解性微生物代谢产物(soluble microbial product,SMP)、胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)、污泥浓度(mixed liquor suspended solids,MLSS)、颗粒粒径及无机物对膜污染影响,并对该领域未来的研究方向进行了论述.     

Effects of influent C/N ratio,C/P ratio and volumetric exchange ratio on biological phosphorus removal in UniFed SBR process

BACKGROUND: UniFed SBR is a novel process that can achieve high levels of nitrogen and phosphorus removal simultaneously in a simple single SBR tank. In this study, effects of influent C/N ratio, influent C/P ratio and volumetric exchange ratio on biological phosphorus removal in UniFed SBR process were investigated in a lab‐scale UniFed apparatus treating real domestic wastewater. RESULTS: The results showed that phosphorus removal efficiency increased as C/N ratio increased from 27% at 2.8 to 88% at 5.7. For C/N ratios 6.5 and above, complete phosphorus removal could be achieved. When C/N ratios and volumetric exchange ratio were fixed at 6 and 33%, respectively, phosphorus removal efficiency remained at 100% for C/P ratios higher than 33; effluent phosphate concentration was below the detection limit. For C/P ratios lower than 33, phosphorus removal efficiency decreased linearly with C/P ratio. Under the same influent C/N ratio and C/P ratio, the following factors all contributed to better phosphorus removal performance: greater volumetric exchange ratio; more organic substrate for PAOs to utilize, less inhibition by NO_x^? of phosphorus release during the feed/decant period; more PHB synthesized; and more aerobic phosphate uptake. CONCLUSION: High influent C/N ratio, high C/P ratio and high volumetric exchange ratio were beneficial to phosphorus removal in this process. Copyright © 2008 Society of Chemical Industry     

不同C/N下SBBR脱氮过程N2O释放及胞外多聚物变化

在(20±2.0)℃条件下,利用序批式生物膜反应器（sequencing batch biofilm reactor,SBBR）,考察不同碳氮比（C/N=3.0、5.0、8.0和10.0）下同步脱氮（simultaneous nitrification and denitrification,SND）过程N₂O释放及胞外聚合物（extracellular polymeric substance,EPS）变化。C/N由3.0增至10.0,异养菌大量增殖,曝气阶段DO降低,系统硝化性能受到抑制,SBBR系统出水NH₄⁺由0.5 mg/L以下增至（7.85±1.42）mg/L,N₂O产量由（2.68±0.17）mg/L降至（1.02±0.12）mg/L。C/N=8.0,TN去除率最大为80.4%±3.5%。反应初期,微生物体内聚β-羟基烷酸酯（PHA）增加,可为后续反硝化过程提供电子供体。AOB好氧反硝化和低氧条件下异养菌反硝化过程均可导致N₂O产生。C/N降低,SBBR内部缺氧区域减少,N₂O还原过程减弱,释放量增加;C/N增加,N₂O扩散进入生物膜内缺氧区域,促进其减量。C/N由3.0增至10.0,微生物EPS分泌由（57.6±5.6）mg / g VSS降至（32.7±3.2）mg / g VSS,其中,TB-EPS含量占65.8%~68.8%。低C/N下,紧密型EPS（TB-EPS）中多糖（PS）含量增加,生物膜更加密实,N₂O扩散进入缺氧区阻力增加,释放量增加。     

碳氮比对SBR系统硝化过程及EPS三维荧光光谱特性的影响

以人工模拟废水为研究对象,采用4组间歇式活性污泥（SBR）反应器（R₀、R₅、R₁₀和R₁₅）,探究了硝化过程中碳氮比（C/N）对NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N去除和胞外聚合物（EPS）含量的影响。同时采用三维荧光光谱技术（3D-EEM）结合积分区域法（FRI）,分析进出水时EPS各组分所占比例及变化情况。结果表明,4种C/N系统均获得了较高的NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N去除率,且氨氧化速率与C/N呈负相关;C/N升高（0→15）,进出水时的EPS及其组分含量随之增大,其中C/N对PS含量影响尤为显著,且硝化过程中多糖（PS）积累。根据荧光区域积分法（FRI）分析,不同C/N条件下EPS各荧光区域强度百分比存在显著差异,其中荧光区域V（腐殖酸类物质,46%~57%）的强度百分比值（P_i,n）最高。此外,蛋白质类物质酪氨酸和色氨酸以及溶解性微生物代谢产物在硝化过程中均被微生物所利用。     

不同氮磷比对藻类生长及水环境因子的影响

试验研究了不同氮磷比对水体藻类生长以及对水环境因子的影响。通过设置水样的氮磷质量比(m(N)/m(P))分别为3、5、10、20、30、50,并对其进行长期连续观测,结果表明,当m(N)/m(P)为3.0～10.0时,有利于藻类的生长;m(N)/m(P)大于10.0时,将抑制藻类生长。在适合藻类生长的培养水体中,磷是限制藻类生长的主要因素。不同m(N)/m(P)对于藻类生长周期各个阶段出现的时间和持续时间影响效果不显著;藻类暴发前pH值与DO浓度都会出现峰值,据此可以建立藻类暴发预警系统。     

碳氮比对A-O-N工艺脱氮效果的影响

研究了A-O-N生物脱氮工艺中,污水的碳氮比对脱氮的影响。试验结果表明,由于A-O-N工艺将异养菌和自养硝化菌分别置于两个反应器中,使其在各自适宜的环境中生存,两者之间不存在竞争问题,硝化率不受进水碳氮比的影响,进水碳氮质量比为5.1时脱氮效果最佳,继续增大进水碳氮比,硝化率和脱氮率均不受影响,进水碳氮质量比在2.2￣9.8变化时,TN去除率与碳氮比呈正相关性(R2为0.999)。     

颗粒粒径和膜孔径对陶瓷膜微滤微米级颗粒悬浮液的影响

通过测定颗粒悬浮液通过陶瓷微滤膜时的参透通量及污染阻力,确定了陶瓷膜处理微米级颗粒悬浮液时,颗粒粒径和膜孔径对微滤过程的影响和膜污染机理,获得了微米级颗粒悬浮液微滤过程中膜孔径的选择方法。     

丝状菌对膜生物反应器中溶解性有机物及膜污染的影响

该文以处理超市废水实际MBR工程为基础,通过对污泥膨胀过程中进出水、溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)中的溶解性有机物(DOM)特性的研究,发现SMP和进出水的DOM主要以蛋白质为主,且SMP较EPS含有更多大分子物质;同时发现SMP比EPS和进出水中含有更多50～100 kDa、100～500 kDa和...     

进水C/P比对A2/O工艺性能的影响

我国当前面临着严重的水体富营养化问题,A²/O工艺是一种有效的同步脱氮除磷工艺,但其中进水C/P比是其运行效果的重要影响因素,为深入考察不同进水C/P比对A²/O工艺运行性能的影响,试验设计了4种进水C/P比 (55、45、34、23),研究了A²/O工艺中COD、总氮、磷和污泥特性的变化.实验结果表明,当进水C/P比小于32时,磷的去除效果随C/P比的降低而线性降低;当进水C/P比高于32时,磷的去除效果稳定在90%～98%,出水磷浓度小于0.5 mg•L^-1.但是C/P比的变化,对COD和总氮的去除率影响较小,平均去除率分别高于90%和75%.而剩余污泥中磷含量则随C/P比的下降而增加.实验发现,不同C/P比系统均存在反硝化除磷现象,可以实现“一碳两用”,有利于氮磷去除效果的提高.     

同步硝化反硝化SBBR处理低C/N比生活污水的启动与稳定运行

以低C/N比实际生活污水为处理对象,聚氨酯海绵填料为生物载体（填料填充率25%）,采用逐步提高氮负荷的方式,在较短的时间内（98 d）成功启动了同步硝化反硝化（simultaneous nitrification and denitrification,SND）的序批式生物膜反应器（sequencing batch biofilm reactor,SBBR）。实时定量PCR（real-time qualitative polymerase chain reaction,real-time qPCR）结果表明系统内硝化菌得到富集。在稳定运行期间,系统对有机物及氮的去除效果良好,平均出水COD、NH₄⁺-N、TN分别为38.28 mg·L^-1、1.23 mg·L^-1、8.23 mg·L^-1。微生物将大部分碳源以聚羟基脂肪酸酯（poly-β-hydroxyalkanoate,PHA）的形式储存至体内,系统内NO₃^--N的去除主要通过内源反硝化作用,且反硝化过程基本无NO₂^--N积累,平均SND率为70.57%,TN去除率高达82.95%。由于硝化反应和反硝化反应在同一反应器内同时进行,反硝化过程产生的碱度可补充硝化过程消耗的碱度,维持系统内pH的相对稳定。此外,可以通过DO和pH的变化判断SND的进行状态,有效地控制反应时间,节省动力消耗。     

低C/N比异养硝化-好氧反硝化菌筛选及硝化特性

针对生物法处理低C/N比废水存在碳源不足、脱氮效率不高问题,从石化废水处理厂活性污泥中分离得到一株低C/N比异养硝化-好氧反硝化菌株WUST-7。通过形态学观察、生理生化试验和16S rDNA序列分析,鉴定其为假单胞菌属（Pseudomonas sp.）。通过单因素实验,考察碳源种类、培养温度、初始pH和摇床转速对菌株硝化性能的影响,确定最优异养硝化培养条件为：丁二酸钠为碳源、培养温度30～35℃、初始pH8.0～9.0、摇床转速150～200r/min。在最优异养硝化条件下培养9h,可将初始浓度为107.52mg/L的氨氮去除90.64%,并且在整个培养过程中没有亚硝酸盐氮的积累,硝酸盐氮含量也始终低于3.5mg/L,总氮的去除率达88.63%。实验结果表明,菌株WUST-7在利用氨氮进行硝化反应的同时,还可以利用硝酸盐氮进行反硝化,具有良好的同步硝化反硝化潜能。     

不同进水碳氮比对水平潜流人工湿地脱氮效果的影响

在不同条件下对3种湿地植物枯落物进行水解,以获得相应的植物碳源。利用提取的植物碳源,研究了进水碳氮比对水平潜流人工湿地脱氮效果的影响。结果表明,对以硝态氮为氮源的反硝化过程,补充碳源对硝态氮和总氮的去除有明显的促进作用;对以氨氮和硝态氮为氮源的脱氮过程,随碳氮比的升高,硝态氮和总氮去除率增大,而氨氮由于受到溶解氧的制约,其去除率下降,并最终制约了总氮去除率的增大程度。     

好氧移动床动态膜生物反应器处理高氨氮、低碳/氮废水

将好氧移动床工艺与动态膜生物反应相结合,用于处理高氨氮、低碳/氮废水,试验结果表明,反应器具有良好的处理效果,在整个试验期间,出水COD、氨氮和浊度分别在50 mg/L、50 mg/L和8 NTU以下,反应器对COD、氨氮和浊度的平均去除率分别为80%、75%和80%。同时,本次试验还对系统的稳定性进行了研究,结果表明,好氧移动床动态膜生物反应器具有很好的抗流量冲击和有机物浓度冲击的能力;而且低温(10℃左右)和水力停留时间(13～18 h之间波动)对系统的影响不明显。     

基于消耗碳氮比进行底物分配和油脂得率预测

微生物油脂作为胞内代谢产物,其脂肪酸组成和植物油类似,是生物柴油和油脂工业理想替代原料。为了进一步了解底物中碳氮比对油脂合成的影响,通过恒化培养的方法,研究了圆红冬孢酵母在不同稀释率条件下,消耗碳氮比和底物在油脂和非油生物量之间的分配以及和油脂得率之间的关系。通过碳、氢、氧和氮的化学反应计量学分析,并根据不同稀释率稳态时所消耗C/N比,构建了底物碳在油脂和非油生物量之间的分配模型。利用实验数据确定了模型参数:最大油脂碳得率Y_L^max为0.51 mol C·(mol C)^-1,最大菌体碳得率Y_L^max为0.52 mol C·(mol C)^-1,促使油脂合成的临界C/N比为12.1 mol C·(mol C)^-1。利用该分配模型预测不同消耗C/N比的油脂得率,预测值为实验值的 95.2%～116.7%,表明模型可靠性较好。     

进水碳氮比对连续流双污泥系统氮磷去除的影响

采用连续流双污泥系统模拟污水处理中试试验,通过改变碳源投加量实现不同C/N比,探究连续流双污泥系统C/N比对污染物去除效果的影响及作用机制。结果表明:连续流双污泥系统在不同进水C/N下,均能取得稳定的脱氮除磷效果;随C/N比升高,反硝化作用增强,TN去除率相应升高,C/N比值为5、6时,平均去除率可达86%;C/N比对氨氮去除效果影响较小;C/N比对TP去除效果影响显著,C/N比值为3时TP去除率最高,平均去除率为93%,随C/N比增高去除率逐渐下降,C/N比值为6时TP平均去除率仅为61%。可见,连续流双污泥系统对进水C/N比偏低的生活污水有着更好的处理效果。     

木质填料床A/O系统处理低C/N比养猪废水的效能与脱氮机制

针对干清粪式养猪废水 浓度高和低C/N比的特点构建了四格室木质填料床A/O处理系统,通过调控运行探讨其除氮效能和机制。结果表明,在HRT 18.7 h、32℃、硝化液回流比200%、好氧区DO 1.5 mg·L^-1等条件下,即便进水 高达307.7 mg·L^-1,COD/TN平均为0.47,系统对COD、 和TN的去除率仍能维持在66.5%、93.6%和89.0%左右,TN去除负荷达到0.22 kg·m^-3·d^-1以上。系统对COD和TN的去除表现出一定的空间分区特征,其中前三厌氧格室是去除COD主要功能区,末端好氧格室是脱氮功能区。系统的脱氮机制以短程硝化反硝化为主,枯木填料的腐解为反硝化提供了必要的碳源。