图1：浸没/浸没膜生物反应器(iMBR)原理图。
全文
简N Mburu1 *Jan Hoinkis2.保罗·M Njogu1.罗伯特Kinyua1.以法莲Gukelberger2.现场Atiye2.
1. 能源与环境技术研究所，Jomo Kenyatta农业技术大学，肯尼亚2. 德国卡尔斯鲁厄应用科学大学应用研究中心
*通讯作者:简·N·姆布鲁，肯尼亚乔莫·肯雅塔农业技术大学能源与环境技术研究所，电子邮件:janemburu53@gmail.com
本研究旨在测试和优化商用平膜聚醚砜(PES)在好氧膜生物反应器(MBR)中处理鱼类工艺废水的性能。废水样本从Makindi渔场(肯尼亚内罗毕)处理单元采集，并转移到jkuat化学实验室进行分析。对生物需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、pH、电导率进行了测试;处理前总溶解固体(TDS)、磷酸盐、铵和硝酸盐对废水进行表征。在容量为97 l的小型实验室MBR装置上进行了废水处理，并对MBR系统的运行条件进行了优化。实验分两个阶段进行。在1圣相，废水直接入MBR曝气池。在2nd阶段，引入90l反硝化池，以促进硝酸盐的还原。在146.6±9(L/m)范围内，PES组件的水渗透性(WP)基本一致2.*h*bar)和119.8±20(L/ m2.在有氧MBR中试过程中，对模块1和模块2分别进行了测试。然而，它们容易受到污垢的影响，导致WP降低，从而影响系统的效率。然而，通过化学清洗可以恢复渗透性。渗滤液的COD浓度略高于世界卫生组织(WHO)灌溉废水回用指南规定的最大允许浓度< 100 mg/L。德赢vwin首页网址然而，两个模块(线1和线2)的COD去除率均超过90%3.-N在5 ~ 30 mg/L的可接受范围内，而P-PO4.3－降低至≤5 mg/L的可接受范围，根据世界卫生组织的污水回用灌溉指南。德赢vwin首页网址研究发现，商用平板聚醚砜膜可以有效地生产用于农业灌溉的废水。然而，这种膜很容易被污染。因此，在后续研究中将研究一种新型的低污染膜。
膜生物反应器;Polyethersulfone (PES)膜;废水处理
废水处理、管理和再利用是东非维多利亚湖流域地区面临的主要挑战。该盆地的特点是人口密集的城市和城郊中心迅速发展。在大多数情况下，这些中心对雨水、农业径流、工业废水和城市市政污水排水系统的处置基础设施规划得很差。沿湖而建的鱼厂和渔场直接处理这些废物，不作任何处理。因此，该湖持续遭受污染和富营养化问题，并随着时间的推移而日益严重[4,5]。根据最近在该地区进行的研究，由于过度富营养化，水葫芦植物广泛生长，覆盖了该盆地的很大一部分。这导致[6]湖的氧气消耗和鱼类死亡。
该湖的渔业在该地区具有重要的经济意义，是家庭和商业用途的主要生计来源。重要的是要监测湖泊的水质，并制定措施，以减轻湖泊流域水资源不可持续使用所造成的影响。原因是良好的水质是维持所有生物生命的必要条件。它的可持续利用和保护是至关重要的。
维多利亚湖流域最常见的废水处理方法是使用滴滤器和简单的废水稳定池。然而，这些方法去除病原体的效率较低，只能在一定程度上处理废水。为了实现消毒，必须进行进一步的处理，如化学消毒或使用微滤（MF）/超滤（UF）膜。这有助于去除MF和UF范围内的一些成分，如粪便大肠菌群、链球菌和病毒[9]。膜生物反应器（MBR）该技术是一种替代性的废水处理工艺，补充了许多非洲国家普遍采用的活性污泥法（ASP），其出水水质优于从废水稳定池获得的出水水质[10].MBR技术使用孔径分别在MF和UF范围内为0.1-1和0.01-0.1µm的膜，以去除包括细菌和病毒在内的小颗粒，从而获得高质量的出水[10]。该技术目前已被许多国家采用，主要用于处理和再利用各种工业废水。在早些时候进行的一项关于处理人造模型纺织染料废水的研究中，使用平板膜组件实现了95%至97%的COD去除率[11]。在另一项研究中，将管状膜组件（孔径0.4µm）浸入60 L曝气反应器槽中，用于处理染料厂废水。实现的COD去除效率在89%至94%之间[12]。到目前为止，MBR技术尚未用于处理鱼类加工废水。因此，本研究的目的是调查使用MBR技术处理鱼类加工废水的有效性，该技术可在肯尼亚基苏木维多利亚湖地区引入和采用。具体而言，本研究的目的是在膜生物反应器（MBR）中处理商业级聚醚砜（PES）膜用于处理鱼加工废水的性能测试和优化。该实验在JOMO肯雅塔农业大学能源与环境技术研究所（JKUAT-IEET）进行。使用小型实验室规模MBR装置的实验室。
抽样
鱼类处理废水样本至少每周两次从肯尼亚内罗毕Makindi渔场的处理单元收集。样品被运送到JKUAT实验室进行分析，并使用MBR装置进行处理工艺研究。
实验设计
采用定量化学分析方法对马金地渔场处理单元处理前后的废水(饲料)进行了表征。
生物需氧量(BOD5):按照水质和废水检测的标准方法[13]对该废水进行5天生物需氧量(BOD5)分析。
化学需氧量(COD)对于饲料，使用Merck KGaA(德国)的细胞试验(ASTM D1252-06)对饲料的混合液悬浮固体(MLSS)和渗透进行测量。COD去除率计算如式1所示。
\ [\ % {\ rm {CODR}} \离开({移除率{\ rm{}}} \右){\ rm{=}} 100 - \离开({\压裂{{COPD}} {{CODF}}} \) \乘以100 \,\,\,\,\,\,\,\,\, 方程{\ rm {}} 1 \]
其中CODP:渗透物的COD; CODF:进料的COD
硝酸盐和磷酸盐分别用紫外/可见分光光度计(型号:UV-1800)在220 nm和830 nm波长下，按照标准方法进行分析[13,14]。
膜生物反应器规格及操作:本研究采用小型实验室浸膜生物反应器(iMBR)装置进行。iMBR系统由97 L聚氯乙烯(PVC)曝气池组成，两个膜模块各装有3个浸没膜包层，每个包层的总膜面积为0.33 m2.．所使用的聚醚砜膜的技术规格如表1所示。这些是由Microdyn-Nadir提供的。
| 技术数据 | 超滤膜 |
| 活性层 | PES |
| 支持层 | 宠物 |
| MWCO (kDa) | 150 kDa |
| 孔隙大小(µm) | ０．０４ |
| 透水性(L / m2.h酒吧) | > 280 |
表1:PES膜的技术规格由Microdyn-Nadir提供
为了使中试装置能够比较不同的膜组件，膜组件有两个独立的平行的出口渗透线。每条渗透管线都安装了一个模拟转子流量计，其体积流量指示器范围为0.5 - 5l /h，压力计和渗透(吸入)泵的速度控制范围为0.2 - 2l /h。在起泡器系统上连接100l /min流量的气泵，为生物反应器池提供空气进行生物降解过程，同时为膜模块提供空气支持膜交叉流，从而控制膜污染。iMBR系统有两个pH计，包括一个温度传感器，型号EGA 142和两个电导率电池模型:ltc0,35/23VP，范围从5µS/cm到500 mS/cm。在实验的第二阶段，一个90 L的反硝化池(配有数字搅拌器)被引入MBR处理单元，使废水在曝气池和反硝化池之间循环。图1和图2显示了MBR装置的原理图和实验中使用的中试装置的照片。
图2：浸没/浸没膜生物反应器(iMBR)中试装置照片。
实验室iMBR单元的操作条件得到了优化，并使用自来水进行了功能测试。让MBR在吸引模式下运行12分钟，然后放松2分钟，然后再次吸引12分钟，以此类推。表2显示了本实验研究中MBR的操作条件圣和2nd阶段。
| MBR的操作条件和工艺参数 | 使用自来水 | 1.圣阶段 | 2.nd阶段 |
| 气流(m3./小时) | 1±0.1 | 1±0.1 | 1±0.1 |
| 温度(°C) | 25±3 | 25±3 | 25±3 |
| TMP (mbar) | 45 - 55 | 45 - 55 | 45 - 55 |
| pH值 | 7±0.5 | 7±0.5 | 7.50±0.5 |
| 渗透通量(L / m2.×h) | 2.3 - -6.9 | 3.78 - -7.6 | 6.80 - -7.6 |
| 透水性(L / m2.百巴) | 90.9 - -153.1 | 82.9 - -165.8 | 68.2 - -151.5 |
| 荷尔蒙替代疗法(h) | 21.6 - -64.7 | 21 - 168 | 18 - 20 |
| kg COD/(kg MLSS.d) | - | 1.2 - -4.7 | 1.5 - -2.0 |
| 有机负荷率(OLR)(Kg COD/m3..d) | - | 1.0 - -2.5 | 1.1 - -1.2 |
| 混合液悬浮固体(MLSS) (g/L) | - | 5.0 - -6.0 | 6.0 - -8.0 |
表2:MBR的操作条件。
在实验开始时，将鱼加工废水（饲料）泵入反应器槽中。然后在反应器槽中接种菌剂（活化）来自JKUAT水处理厂二级处理沉淀池的污泥。所有试验均在好氧模式下进行，同时向曝气池供应空气。在1圣和2nd分别于2018年1 - 5月和8 - 11月进行试验。启动后经过3周的适应期才开始数据收集。在2nd实验阶段，在系统中引入反硝化池，进水在曝气池和反硝化池之间循环，以促进处理系统中硝酸盐的去除。在此过程中产生的剩余污泥(约2-3 L)每隔30天通过固定在曝气池底部的出口阀排出。回收的污泥在农场里用作肥料。
鱼类加工废水的特点
对废水处理前的各项参数进行了分析，以确定其质量。所得结果分别如表3和表4所示
| 测量值 | 1月 | 2月 | 3月 | 4月 | 五月 |
| 干燥质量(g / L) | 1.26±0.1 | 0.25±0.5 | 0.24±0.4 | 0.67±0.5 | 0.19±0.3 |
| 鳕鱼(毫克/升) | 2349±0.3 | 1380±0.2 | 2100±0.4 | 960 ± 0.3 | 509±0.1 |
| 生化需氧量5.(毫克/升) | 320±0.5 | 260±0.9 | 300±0.6 | 204±0.9 | 200±0.1 |
| NH4.+-氮（毫克/升） | 4.4±0.04 | 6.5±0.04 | 7.6±0.04 | 3.3±0.04 | 4.4±0.04 |
| 没有3.-N(毫克/升) | 35.1±0.2 | 13.7±0.3 | 11.3±0.3 | 34.9±0.6 | 21.3±0.5 |
| P-PO4.－3(毫克/升) | 8.3±0.2 | 7.7±0.2 | 11.1±0.4 | 14.9±0.1 | 20.4±0.1 |
| pH值 | 7.0±0.5 | 6.6±0.5 | 6.90±0.5 | 6.7±0.5 | 6.3±0.5 |
| 电导率(µS /厘米) | 830±0.2 | 250±0.1 | 521±0.6 | 240±0.5 | 550 ± 0.1 |
| TDS(毫克/升) | 369±1 | 130.58±0.5 | 128±0.5 | 136±0.1 | 272±0.1 |
表3:鱼类加工废水的特点1圣2018年阶段。
| 鱼类加工废水鉴定(第二期6 - 11月) | ||||
| 测量值 | 6 - | 8月 | 9月 | 十月至十一月 |
| 干燥质量(g / L) | 1.43 ± 0.2 | 1.52±0.1 | 1.75±0.3 | 2.04±0.5 |
| 溶解氧（毫克/升） | 3.96±0.2 | 3.50±0.1 | 2.68±0.1 | 3.16±0.5 |
| 鳕鱼(毫克/升) | 1096±0.5 | 978 ± 0.5 | 1260±1.2 | 960 ± 0.4 |
| 生化需氧量5.(毫克/升) | 516±0.4 | 320±0.5 | 386±0.7 | 300±1.2 |
| NH4.+-氮（毫克/升） | 20.8±0.32 | 5.6±0.06 | 4.8±0.08 | 3.8±0.02 |
| 没有3.-N(毫克/升) | 3.6 ± 0.04 | 2.07±0.2 | 3.8±0.1 | 4.2±0.2 |
| P-PO4.－3(毫克/升) | 6.9±5 | 7.2±0.4 | 7.3±0.1 | 5.5±0.3 |
| pH值 | 7.5±0.2 | 7.7±0.5 | 7.7±0.5 | 6.4±0.5 |
| 电导率(µS /厘米) | 362±0.1 | 420±0.3 | 440±0.1 | 360±0.6 |
表4:鱼类加工废水的特点2nd2018年阶段。
其中加/减(±)表示标准差值
水渗透率(WP)、通量和跨膜压力(TMP)随操作时间的变化
对MBR装置的水渗透性(WP)、通量和跨膜压力(TMP)进行了工艺研究。从处理过程中测试的其他参数是COD、铵、硝酸盐和磷酸盐的去除率。图3显示了在1圣这个实验的阶段。
图3:水渗透性(WP)、通量和跨膜压力(TMP)随操作时间(天)变化圣阶段。
图3显示了WP、TMP和通量随操作时间(天)的变化。在1的开头圣在本实验阶段，为优化系统的适应期，为模块1和模块2设置初始渗透流量为1.5 L/h。如图3所示，启动实验的特征是TMP的高波动，范围在20±1到36±4 mbar。两种渗透线的WP均在56.8±8 L/m之间2.h bar, 54.1±6 L/m2.百巴分别。这是由于在适应阶段，当膜开始适应环境时，系统的不稳定性。这一发现也被其他作者[15]证实。作者研究了商用膜在侧流和淹没式膜生物反应器中处理模型纺织废水的性能。第21天，将流量调整到5 L/h，使系统稳定。从第25天开始，TMP的稳定值分别为模块1和模块2的40-55和45-50 mbar。WP也从60.6增加到110.2 (L/m)2.h bar)和60.6 ~ 95.7(L/m2.h bar)，而渗透线1和渗透线2的通量分别在4.5 ~ 5.8 L/m²*h和5.1 ~ 6.8 L/m²*h之间。然而，当废水被改变或加满时，可湿性粉剂在两个渗透线上都有波动。正如其他作者[15]所指出的那样，这可能是由于给水特性的差异造成的。然而，作者的工作是纺织染料废水。值得注意的是，对于该系统，可湿性粉剂增加，而通量和TMP保持相对恒定的期间，测试进行。最后，两种膜的渗透率在140-150 L/m之间达到了相似的值2.h酒吧。这表明膜在1圣实验的阶段。本实验第二阶段以(5 L/h)的流速连续进行90天。观察到的结果如图4所示。
图4:水渗透性（WP）、通量和跨膜压力（TMP）随运行时间（天）的变化nd阶段。
如图4所示，从实验一开始，两个模块的TMP常量就在45-50 mbar之间变化。然而，从第80天一直到实验结束，模块1和模块2在85-250和60-200 mbar的范围内都有显著的上升。值得注意的是，由于2号线结垢增加，导致1号线和2号线的透水性有较大差异。从第80天到试验结束，两个品系的WP也显著下降。这是由于膜的突然污染。在这一点上，对膜进行化学清洗，以回收最初的TMP。该过程是在从MBR中取出模块后在一个额外的槽中进行的。采用12%次氯酸钠溶液和50%柠檬酸溶液分别去除污垢和结垢。清洗膜后，用双氧水灭活残留的氯。
COD去除效率
试验期间分别进行了109天和90天的COD去除率试验圣和2nd这个实验的阶段。采集饲料样品进行COD测定。从线1和线2的渗透液也被收集在单独的容器中用于测定COD。图5表示在第1阶段，线1和线2观察到的进料、渗透和平均COD去除率圣这个实验的阶段。
图5:进水COD及出水COD去除率圣阶段。
实验开始至第14天，CODR(去除率)较低(蓝线为15-28%)。这归因于驯化所需的时间，即需氧菌在MBR反应器内的复制和生长。COD稳定值R然而，在接下来的一段时间内观察到排斥反应(去除率)。进水COD浓度在2349.0±0.5 mg/L和509.0±0.5 mg/L之间波动，渗透膜COD浓度在187±0.3 mg/L和63.0±0.1 mg/L之间波动。
从第60天开始，渗透液中的COD水平低于世界卫生组织(WHO)灌溉废水回用指南[16]规定的最大允许浓度< 100 mg/L。德赢vwin首页网址平均鳕鱼R在第1和第2行采集的混合样品中，观察到的差异在85.0和95.9%之间。
图6表示在2期间，线1和线2观察到的进料COD、渗透COD和平均COD去除率nd这个实验的阶段。
图6:进水COD和出水COD的去除率nd阶段。
在2nd阶段，从实验开始到整个实验期间观察到CODR的稳定值。进水COD浓度在1268±0.5 mg/L ~ 960.0±0.1 mg/L之间，渗透1线和2线COD浓度在121.2±0.5 mg/L ~ 100.0±0.4 mg/L之间。该水平略高于世界卫生组织(WHO)灌溉废水再利用指南规定的最大允许浓度< 100 mg/L。德赢vwin首页网址这主要发生在饲料COD从1000 mg/L上升到1200 mg/L的时期。从第70天开始，渗透膜的COD在100 mg/L左右波动。模块1和模块2的平均CODR在87.4- 92%之间变化。除了在MBR池重新填充期间出现的波动外，两种商业模块的生物降解性能都很好。
对含氮化合物的去除效率
为了评价MBR处理出水的水质，通过测定出水中硝酸盐(NO .)的浓度，测定出水对含氮化合物的去除效果3.-N)和氨氮(NH4.-N)的饲料和渗透。在1圣实验阶段如图7所示。
图7:硝酸盐(NO3.-N)和氨氮(NH4.-N)在饲料和渗透期间圣阶段。
在1圣硝酸盐(NO3.-N)的浓度范围分别为34.9±0.06 mg/L ~ 10.8±0.02 mg/L和23.2±0.16 mg/L ~ 7.0±0.34 mg/L。氨氮(NH4.-N） 饲料和渗透液中的NO含量分别为13.7±0.03 mg/L至4.0±0.05 mg/L和5.7±0.05 mg/L至2.0±0.02 mg/L3.-N在可接受的范围内5 ~ 30 mg/L，根据世界卫生组织指导方针废水再利用灌溉[16]。德赢vwin首页网址但在第60天，NO增加3.- n。这主要发生在水被替换的时期。NO的增加3.-N在渗透过程中去除率低，且在饲料中添加量增加。提出了在MBR处理系统中引入反硝化池的必要性，作为促进NO去除的一种纠正措施3.-N通过反硝化过程。过量NO3.-N对鱼没有直接影响;然而，它支持池塘中水生杂草的生长，导致溶解氧的极端波动，从而导致鱼类死亡。
图8显示了在2nd本研究的阶段。NO的浓度3.-N的变化范围为13.0±0.03 mg/L ~ 7.5±0.04 mg/L，出水(渗透)的变化范围为6.1±0.05 mg/L ~ 3.6±0.04 mg/L。NH4.-N的浓度在13.7±0.05 mg/L ~ 4.0±0.04 mg之间，出水为5.7±0.02 mg/L ~ 2.0±0.05 mg。NO的水平3.-N显著高于NH4 -N。这主要是因为废水样品直接从处理单元的排水系统中采集，而不是从稳定池中采集。NO的水平3.-N在可接受范围内5 ~ 30 mg/L，根据世界卫生组织指导方针废水再利用灌溉[16]。德赢vwin首页网址NO的还原浓度3.- n和NH4.-N来源于废水在曝气池与反硝化(缺氧池)之间循环流动时，处理单元中发生的硝化反硝化过程。
图8:硝酸盐(NO3.-N)和氨氮(NH4.-N)在饲料中和在渗透过程中nd阶段。
硝化作用是在曝气池中进行的，在曝气池中，空气供给悬浮微生物进行代谢。在这种情况下，好氧硝化细菌通过两步将废水中的氨转化为硝酸盐。在第一步中，亚硝基单胞菌的活性将铵氧化为亚硝酸盐，随后硝化细菌氧化为硝酸盐。在第二步反硝化过程中，异养细菌在缺氧条件下以硝酸盐为电子受体代谢可生物降解的底物。在这个过程中，硝酸盐被还原为气态氮(N2.)，然后以惰性气体的形式逃逸到大气中。没有3.- n和NH4.本实验得到的-N去除率与其他作者[17]的结果一致。
磷酸盐的去除效率
磷酸(P-PO)的分析4.3.对MBR处理工艺出水进行了质量评价。在第一阶段观察到的结果如图9所示。
图9:磷酸(P-PO4.3.-)在饲料和渗透期间1圣阶段。
如图9所示，P-PO4.3.-在饲料中浓度为14.9±0.05 mg/L ~ 7.1±0.04 mg/L，在渗透中浓度为21.8±0.04 mg/L ~ 4.5±0.02 mg/L。P-PO浓度增加4.3.-在渗透液中发现，表明处理系统中存在低去除效率和积累的可能性4.3.-渗滤液浓度超过了世界卫生组织(WHO)用于灌溉废水回用[16]的可接受范围(≤5 mg/L)。德赢vwin首页网址极大量的P-PO4.3.-水体中的水草生长会导致溶解氧的极端波动。这可能导致富营养化，影响环境，也会导致水生生物死亡。一种絮凝剂（水合硫酸铝/明矾）因此，作为一种纠正措施，有助于降低废水中的磷酸盐。其他作者也证实了这些结果[15]。图10显示了在处理系统中使用明矾后获得的结果。
图10:磷酸(P-PO4.3.-)在饲料和渗透期间2nd阶段
在2nd在本实验的相中，以55.2 mg/L的明矾作为硫酸铝2.(所以4.)3..18小时2.当废水更换[18]时，继续向反硝化池中加入O，持续30分钟。废水以每分钟300转的速度不断搅拌。废水的pH值在6.5 ~ 7.0之间变化。在试验期间，废水在曝气池和缺氧池之间循环流动。饲料中P-PO4 3-的含量为10.0±0.05 ~ 6.1±0.05 mg/L，渗透中P-PO4 3-的含量为5.2±0.25 mg/L ~ 3.8±0.1 mg/L。P-PO4.3.-渗透水平降低到≤5 mg/L的可接受范围，根据世界卫生组织指导方针废水再利用灌溉[16]。德赢vwin首页网址减少P-PO4.3.浓度与化学混凝剂AI的加入有关2.(所以4.)3.到废水中去。金属离子加入废水后水解形成带正电荷的金属水解物。这些物质有助于中和P-PO的负电荷4.3.-从而使它们相互吸引，从而粘在一起形成大颗粒(不溶磷复合物)。这将留在活性污泥中，并与剩余污泥[19]一起去除。
在好氧MBR中试试验中，两种商用平板膜PES组件的水渗透性表现相当相似。然而，它们很容易受到结垢的影响，导致水渗透性(WP)降低，从而影响系统的效率。然而，通过化学清洗可以恢复渗透性。渗透液的COD浓度略高于世界卫生组织(WHO)灌溉废水回用指南[16]规定的最大允许浓度< 100 mg/L。德赢vwin首页网址然而，超过90%的CODR(去除率)均达到了(线1和线2)3.-N在5 ~ 30 mg/L的可接受范围内，而P-PO4.3.-降低到≤5 mg/L的可接受范围，根据世卫组织指导方针废水再利用灌溉[16]。德赢vwin首页网址研究发现，商用平板聚醚砜膜可以有效地生产用于农业灌溉的废水。然而，这种膜很容易被污染。因此，在后续工作中，其中一个膜组件将被新开发的低污染膜取代，并以商业膜为基准。实验将在相同工况下进行，从WP和污垢阻力两个方面对其性能进行评价和比较。
这项研究已经获得了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助，该计划的授权协议编号为689427，涉及VicInAqua项目。
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文章类型:研究文章
引用:Mburu JN, Hoinkis J, Njogu PM, Kinyua R, Gukelberger E, et al.(2019)利用膜生物反应器技术处理鱼类加工废水的聚醚砜膜试验和优化试验。国际给水排水5(1):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.158
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