废物污泥最小化和材料回收
废水生物处理过程中产生的废污泥的处理是昂贵而费力的。在本章中，介绍了与废渣减量和废水中物质回收有关的一些问题。
当我们考虑降低成本的时候污泥处理，废污泥最小化技术非常有吸引力。目前已经报道了不同的废污泥最小化方法，例如:臭氧化、热处理、膜分离。在这里，Yamamoto回顾了膜分离的研究活性污泥法为尽量减少废渣减量。
在废渣中尽量减少有机物质影响废水主要转化为二氧化碳。另一方面，另一种思路是通过某种方法利用进水废水中的有机物。例如，废污泥长期以来一直被用于生产甲烷气体作为燃料。但在这里，van Loosdrecht等人和Satoh等人最近报道了将废水中的有机材料转化为可生物降解塑料的试验。Nakajima等人正在研究利用光合微生物将废水中的有机物质转化为单细胞蛋白质和PHA。
在所有这些研究中，人们认为对微生物群落结构的详细了解是实现最佳工艺性能的必要条件。
这一页故意留白
膜生物反应器污水深度处理/再生技术及其在过剩污泥最小化中的作用
山本k .
东京大学环境科学中心，东京文教区本乡7-3-1，日本东京113-0033
本文首先从一种独特的混合系统的角度，总结了膜生物反应器应用于污水深度处理或再生的性能。过剩污泥最小化，然后讨论，因为膜生物反应器工艺的最突出的优势之一是，该工艺有可能实现零排放方面固体废物从他们。
1.膜生物反应器-混合高级处理系统1.1简介
人们关注的与水有关的环境问题正迅速扩大到各个方面;例如，富营养化和相关的气味/味道或内毒素问题饮用水、地下水中的硝酸盐污染、消毒副产物及其前体、自然和人为重金属污染，以及微污染物如致癌和致突变化合物、挥发性有机化合物、持久性有机污染物、内分泌干扰物等，除了传统的水污染由有机物引起。隐孢子虫卵囊污染水的供应对饮用水的卫生安全进行了综述。生态健康以及人类健康和水的有益利用也在考虑之中。传统的水和废水处理技术很难对上述问题给出充分的技术解决方案。因此，为了特别控制水和废水中的微污染物，对高级处理的需求正在增加。
此外，还需要全面的水棚管理，强调可持续发展水资源开发、合理有效用水，促进中水回用。废水直接回用和间接回用被认为是稳定的水资源，可以实现水的各种有益利用，也可以用于景观灌溉，恢复良好的水环境。从这个角度来看，必须根据各种有益的再利用目的以及人类和环境健康方面考虑先进处理。当处理后的废水用于修复城市裂缝和创造水环境时，这一点尤其重要。
膜技术被认为是合理有效地满足上述水和废水处理与回用需要的创新和先进技术之一。
1.2.膜生物反应器作为一种混合系统
膜技术与生物处理相结合，合理地应用于有机废水，其中很大一部分是可生物降解的。活性污泥法是最典型的悬浮生长生物处理工艺，通常通过该工艺实现固液分离重力沉降．MSAS(膜分离活性污泥工艺)是膜生物反应器的一种，是指通过膜分离实现固液分离的活性污泥工艺。膜分离通常采用超滤(UF)或微滤(MF)，这两种方法不会引起盐对微生物的抑制积累。
由于膜分离取代了重力沉降，在大多数情况下，膜应用于废水处理，它永远不会成为能源效率作为一个单元过程固液分离。如果不考虑先进或高性能的处理需求，这种膜的应用空间是相当困难的。值得注意的是，膜分离技术是一种适用于废水回用和处理的技术。
原则上，达到任何品质都是可能的回收废水采用仅膜技术，因为有多种膜可根据所需水质选用。但是，如果精矿不经过处理，这就不是处理，而只是分离。无论如何，废水必须处理;因此，混合膜系统在大多数情况下与生物和/或其他物理化学处理工艺结合使用。
MSAS是一种混合膜系统，从生物处理的角度来看，它与膜分离相结合具有以下优点:
1)自悬浮物通过膜分离完全消除沉降性对处理后水的质量完全没有影响。
2)长污泥停留时间(SRT)可促进生长速率较低的微生物的增殖，如硝化细菌[l]、原生动物和后生动物[2]等高营养水平的微生物。它还可以最大限度地减少污泥的产生，或者换句话说，污泥矿化是可能的。捕食者的作用在污泥减量中也很重要。
3)可提高生物可处理性的整体性能，可以在生物反应器中保持较高的微生物浓度，同时保持微生物分散在相对较小的絮凝体[4]中，
4)高浓度污泥为“内源性”反硝化创造了良好的环境，从而保证了氮的高效去除[5,6];
5)还提高了处理效率，可以保留未分解的聚合物物质，直到其降解[7]。
6)膜本身和/或动态膜效果主要由于饼/凝胶的形成可以实现足够高的去除细菌和病毒，尽管膜对它们并不是完全的屏障[8,9]。
从膜分离的角度来看，与生物处理相结合的可能优势包括以下几个方面。
1)单靠膜分离无法去除的溶解的低分子量有机物，可被微生物吸收、分解、气化或转化为聚合物作为细菌细胞的组成部分，从而提高处理水的质量。
2)膜中残留的聚合物物质如果仍然是可生物降解的，就可以被分解，这意味着在处理过程中不会有无止境的物质积累。然而，这需要在产量和降解率之间取得平衡。高有机负载可能会使中间聚合物代谢产物的生成速率高于降解速率，从而导致它们的积累。中间代谢物的积累可能降低微生物的活动在反应堆[10]中。
表1总结了MBR处理废水的预期性能。
综上所述，膜生物反应器因其杂化特性而获得多种优点。此外，我们可以预期，悬浮固体自由流出物给后处理(如活性炭吸附，紫外线照射等)，如果考虑。无论如何，膜分离在混合系统中的作用大于固液分离。
1.3.MSAS的表现
如上所述，MSAS通常会导致高浓度活性污泥的运行，活性污泥容易吸收冲击负荷，具有非常稳定的可处理性。膜本身的不可逆变化或膜内部或表面的污染可能会影响MSAS的性能。渗透倾向于主要是由于饼/凝胶层的形成。由于滤饼/凝胶层的形成控制了分离，超滤膜和微滤膜的实际排异率通常是相似的。
表1
MBR处理废水的预期性能
预期的性能
悬浮固体完全去除
污泥沉降性对出水水质无影响颗粒结合微污染物去除
病毒，细菌，原生动物
除垢可靠，动态膜保留，高去除率和SS保留
氮
稳定的硝化，因硝化菌滞留量高温度硝化获得
由于浮冰相对较小，在硝化方面具有较高的有效因子
内生反硝化作用是由于生物质浓度高，因此备受期待
污泥稳定尽量减少由于长SRT产生的过量污泥
污泥处理与污水处理相结合是可行的，利用较高的生物活性水平有望控制污泥
对于难以降解的有害物质，选择性生长的特定微生物有望降解
几乎纯培养系统操作简单
当污泥浓度超过一定限度后，由于污泥混合物粘度急剧上升，渗透通量迅速下降。活性污泥的过滤极限浓度为30000 - 40000 mg/L[11,12]，实际应用大多在20000 mg/L以下运行。现场生活污水[13]的淹没式MSAS建议指导值为10,000 -20,000 mg/L。当污泥浓度低于阈值时，污泥浓度与渗透通量之间的相关性不明显。胶体或可溶性物质，不能测量在污泥混合物中的污泥浓度，将变得更加重要。
不像过滤纯水时，不能保证操作压力与渗透通量之间存在线性关系。压力的增加有时会导致渗透通量的下降，这可能是由于饼层压实造成的。滤饼层的控制在减少污垢中起着重要的作用，因为膜表面的滤饼层主导着过滤。众所周知的一种方法是通过增加切向流速来改善冲刷效果，但这种方法有增大的缺点能源消耗．临界通量概念是控制结垢的另一种方法[14,15,16]，理想情况下，临界通量定义为不发生结垢的通量。减少饼层的压实也很重要。低收入压滤因此，间歇性过滤似乎提供了一种实现这一目标的有效手段。
1.4.水下MSAS用于国内和工业废水处理和回收
新一代的MSAS是水下型膜模块直接浸泡在曝气池中。通过消除常规MSAS[4]中通常安装的大型循环泵，可以显著降低能源消耗。
对于浸没式MSAS，大多数情况下采用中空纤维和微滤范围内的板型和火焰型模块。在工业废水处理、现场生活废水处理(Jokaso)、城市废水处理、夜间处理等方面的应用越来越多土壤处理以此类推[17、18、19、20、21、22、23]。
在水下模块下方提供曝气，在模块内部产生向上流动，防止致命的污染，以及为生物反应提供氧气。对于中空纤维，还利用曝气使纤维振荡运动，认为这对洗涤纤维和控制纤维间堵塞是有效的。为了延长膜的使用寿命，并减少对小型处理厂运行尤其重要的维护需求，水下MSAS的运行特点是相对低压和低通量运行，这是由临界通量理论支持的。在许多水下MSAS装置中，实际采用的是吸水泵间歇过滤。重力头过滤也适用[13]。
将水下MSAS应用于过时的污水处理厂的改造会更容易，其中曝气坦克而且沉积坦克只需在罐体中增加膜组件即可加以利用和改进。加拿大[22]采用浸没式中空光纤模块系统对城市污水处理厂进行了改造。
值得注意的是，在日本传统的家庭废水处理系统(老式的Jokaso)的改造和改进中，一种紧凑的水下MSAS装置被认为是很有前途的，该系统只处理厕所冲水，未经处理的灰水在日本许多水体中造成了水污染问题。迫切需要对系统进行改进，实现包含灰水的处理，但对于典型的个人拥有的房屋而言，额外处理的空间相当有限，因此一个紧凑的水下MSAS将会有很大帮助。此外，高质量的膜出水有可能被重复使用或渗透到单个住宅规模。
1.5.膜生物反应器视角
历史上，UF膜生物反应器最早应用于废水处理，MF膜生物反应器紧随其后。由于膜的主要功能是分离处理后废水中的固体颗粒，UF滤液和MF滤液的出水水质基本相同，因此使用紧密UF作为生物反应器的固液分离装置没有特殊的原因。因此，将会有使用MF或更大孔径的超滤膜的趋势，而不是使用紧密的超滤膜，以获得较高的过滤性能。
另一方面指出，今后对进一步去除溶解性和小分子有机物的高级处理的需求将会增加，那么UF和MF都是不够的。为此目的，可能需要对膜生物反应器排出物进行后处理。纳滤(NF)是后处理的候选方法之一。纳滤膜生物反应器也是值得研究的，其中必须考虑纳滤膜具有低盐保留率但有机物保留率高。
2.膜生物反应器中过量污泥的最小化
如上所述，典型的膜生物反应器的长SRT可以最大限度地减少过剩污泥的产生。这一点也不特别;任何实现长SRT的过程都应该给出类似的结果。但值得注意的是，膜生物反应器即使在高有机物负荷下也容易满足长SRT条件，而不会因为膜分离而恶化出水质量，也不会因为膜分离而损失污泥，从而始终保持较高的污泥浓度。这似乎很难通过利用重力沉降进行固液分离的传统活性污泥工艺获得。
2.1理论方面(基础)
假设生长产量和内生衰减系数是常数，传统的稳态动力学给出了观测产量的估计:
其中，Yobs:由8 XJ 8 S定义的观察产量8 XJ 8 S:过剩生物质量(污泥)的比率
去除到有机底物的SRT:污泥滞留时间，d b:总内生衰变系数，d" 1y:异养微生物的生长产量
Y的值膜生物反应器据报道约0.6 [12,24]，b的典型值约为0.05 d"1[3]，使用这些值，我们可以很容易地绘制出Yobs与SRT之间的关系，如图1所示。
虽然上述关系过于简单，无法涵盖膜生物反应器中实际必然发生的复杂现象，但我们可以清楚地理解，我们需要一个很长的SRT，可能大于500天，这样我们才能实现几乎零剩余污泥的产生。
2.2污泥矿化增强
考虑SRT很长的情况，并假设基底去除100%，我们可以得到近似方程:
式中，F/M:食品-微生物比，kg/(kg d)
X:生物质量浓度，kg/m3 L:有机体积负荷，kg/(m3 d)通常，b的数量级是Y的十分之一，F/M必须在0.1 d"1的数量级。报道的膜生物反应器中得到的F/M值在0.05 ~ 0.24 d”1[5,11,12,24,25]之间，假设L为2 kg/(m3 d)， X根据F/M的变化在8300 mg/L ~ 40000 mg/L之间变化。如前所述，MLSS建议不超过20,000 mg/L[13]，因此，控制F/M，也就是b/Y是非常重要的。生长产量Y变化不大，则F/M的显著变化主要是由与污泥矿化率有关的整体内生衰减系数b引起的。b的值必须依赖于
-
- 图1。说明性的例子之间的关系Yobs和SRT。曲线由式(l)绘制，实圆为膜生物反应器实验数据，参考文献[5,12,21]，
如溶解氧浓度，pH值、温度等，或环境条件变化引起的压力。此外，膜生物反应器中微生物生态系统的香料结构也一定会影响b。
Zhang[3]指出了捕食者在污泥矿化中的作用，通过建立和运用细菌、原生动物和后生动物之间的捕食关系生态系统模型，模拟了捕食者的贡献可使X降低40%。
然而，捕食者有时波动很大[2]，甚至有报道称没有观察到捕食者[25]。Luxmy et al.[26]认为捕食者种群的波动受生物反应器中分散细菌的可用性影响(图2)。目前尚不清楚哪种条件下捕食者的稳定增长有助于显著的污泥矿化。
关于这一点，还有很大的研究空间。3.总结
膜技术与生物处理相结合，合理地应用于有机废水，其中很大一部分是可生物降解的。原则上，仅使用膜技术就可以实现任何质量的再生废水，因为根据所需的水质有各种不同的膜。但是，如果精矿不经过处理，这就不是处理，而只是分离。无论如何，废水必须处理;因此，混合膜系统在大多数情况下与生物和/或其他物理化学处理工艺结合使用。膜生物反应器以其混合性获得了多种优点。此外，如果考虑到悬浮物自由流出物，我们可以预期它对后处理(如活性炭吸附、紫外线照射等)有另一个优势。无论如何，膜分离在混合系统中的作用大于固液分离。
一个典型的膜生物反应器的长SRT可以最大限度地减少过剩
污泥产量。这一点也不特别;任何实现长SRT的过程都应该给出类似的结果。值得注意的是，膜生物反应器很容易满足较长的SRT
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