随着经济的快速发展以及城市化进程的推进，我国城市人口迅速增加，同时污水生成量也显著增长。传统活性污泥法(aonventionalactivatedsludge，CAS)作为国内所使用的主要污水处理工艺，其在维护水环境的稳定性方面发挥了重要作用，为保护水质、改善环境做出了巨大贡献。然而，CAS是一种能源密集型的处理工艺，其能耗占典型污水处理厂总能耗的50%以上。针对日益严峻的环境污染以及能源危机等问题，我国提出了“碳达峰碳中和”的战略目标，推动了污水处理模式向集有机物降解与能源回收为一体的低碳模式的转变。厌氧发酵因能同步实现有机质降解及能源再生，逐步成为废水能源回收的主流技术，并在处理高浓度废水中得到了较好的应用，但甲烷产量低、出水稳定性差等缺点依旧限制其推广。

厌氧膜生物反应器(anaerobicmembranebioreactor，AnMBR)作为一种新兴的废水处理技术，通过厌氧技术和膜分离技术的耦合，实现了水力停留时间(hydraulicretentiontime，HRT)和污泥停留时间(sludgeretentiontime，SRT)的分离，不仅有利于功能微生物的保留和有机物降解，而且可以降低能耗，减少污泥产量，是处理低浓度废水的一种很有前景的解决方案。但由于大多数厌氧处理工艺都是在中温或高温的条件下运行，在温带和寒冷气候中提供厌氧处理所需要的温度条件将会大大增加污水处理系统的能耗，因此，实现污水在环境温度下的高效厌氧处理，对提高其资源化利用具有重要意义。但运行温度过低不仅会降低微生物活性，影响AnMBR的处理性能，而且其会降低膜的过滤性能，增加运行成本。为了进一步推动AnMBR在实际生活污水资源回收方面的应用，探究环境温度对AnMBR运行效率的影响，将有助于更全面地了解该系统，并为其性能的优化提供更多信息。

本研究建立了一个实验室规模的AnMBR处理实际污水，研究了不同环境温度对AnMBR运行性能、膜过滤性能、微生物群落和运行效能的影响。为进一步提高环境温度下的能源回收效率提供建议，并为实现实际污水的高质量生物能源回收提供了技术参考。

1、材料与方法

1.1 实验原料

实验接种污泥取自基质同为实际污水的AnMBR。实验使用的污水为西安思源学院校园污水，污水的来源主要包括校园餐厅、洗浴、冲厕、生活排放污废水等。实验污水特性如表1所示。

1.2 实验装置

本研究反应器配置如图1所示，反应器有效容积为1.5L，膜组件为自制聚偏二氟乙烯平板膜(膜组件总面积0.0312m2，膜孔径0.2μm)。通过恒温槽(DHC-05-A)控制反应器运行温度。反应器进出水采用蠕动泵(BT100J-1A-DG-1A)进行控制，流速根据HRT进行调整。反应器产生的沼气由海得铝箔气体采气袋进行收集，并通过真空泵连接湿式气体流量计读取每日产气量。由真空泵(C30L-43X)从反应器顶端抽取生物气，通过反应器底部设置的气体分散孔进行气体循环，以提供水力剪切使污泥混合液充分混合并且冲洗膜组件。将膜压计(SIN-PX400)安装在膜组件和出水蠕动泵之间，实时监测跨膜压差(transmembranepressure，TMP)的变化。实验运行周期及参数如表2所示。

1.3 分析方法

化学需氧量(chemicaloxygendemand，COD)、溶解性化学需氧量(solublechemicaloxygendemand，SCOD)、总氮(totalnitrogen，TN)、氨氮(ammonianitrogen，NH4+-N)、总磷(totalphosphorus，TP)、磷酸盐(phosphate，PO43−)、总悬浮固体(totalsuspendedsolids，TSS)、挥发性悬浮固体(volatilesuspendedsolids，VSS)、多糖、蛋白和碱度的测定方法参照《水和废水监测分析方法》(第4版)。反应器产生的沼气组分使用气相色谱法测定；pH采用pH计(哈希，HQ2100)进行测定；挥发性脂肪酸(volatilefattyacid，VFA)的测定使用高效液相色谱仪(岛津，LC-20A)。对污泥的可溶性微生物产物(solublemicrobialproducts，SMP)、松散附着型胞外聚合物(looseextracellularpolymericsubstances，LBEPS)和紧密附着胞外聚合物(tightextracellularpolymericsubstances，TB-EPS)进行提取，具体提取步骤参照之前的研究，以其主要成分多糖和蛋白来近似表示其值。委托上海生物工程公司采用高通量测序技术对不同运行条件下的厌氧污泥样品进行微生物群落分析。

计算反应器在各运行条件下的COD平衡。CODtot是指在一段时间内随进水进入反应器的总有机物。输出COD包括随出水流失的COD(CODper)、气态及溶解甲烷COD(、)、用于反应器污泥增长的COD(CODbiom)以及COD的其他损失(CODother包括硫酸盐还原菌用于硫酸盐还原COD等)，参照之前的研究对其进行测量计算。

1.4 膜组件过滤实验

当膜组件不能满足出水需求时，取出膜组件清洗并进行过滤实验，膜阻力根据式(1)计算。根据非原位过滤实验结果，对污染膜的清洗措施分为3个部分，首先用自来水对膜表面进行冲洗，同时用沾水的海绵对膜表面进行擦洗，将膜组件浸泡在0.1%的次氯酸钠溶液中24h，清除掉膜孔内的有机污染物，最后再将膜组件放入10g·L−1的柠檬酸溶液中浸泡4h，以去除膜孔内的无机污染物。分别对清洗前后的膜组件在超纯水中进行膜过滤实验，以确定膜阻力值分布情况。

式中：J为膜通量，m3·(m2·s)−1；P为跨膜压差，pa；μ为渗滤液黏度，pa·s；Rt为膜总阻力，m−1；Rcake、gel为膜表面滤饼层和凝胶层阻力值，m−1；Rp-org为膜孔的有机物堵塞阻力值，m−1；Rp-inorg为膜孔的无机物堵塞阻力值，m−1；Rresi为膜清洗后的剩余阻力值，m−1。

2、结果与讨论

2.1 厌氧消化性能

1)污染物去除性能。

反应器内出水COD和VFA的变化情况如图2所示。在相同运行温度下调节HRT，COD去除率并未因HRT的减少而下降，甚至在温度为20℃时，HRT为8h的COD去除率略优于HRT为12h的去除率。在运行的3个阶段，反应器中COD的平均去除率分别为(81.9±2.1)%、(82.9±3.8)%和(73.5±4.9)%。当运行温度>15℃时，反应器COD去除率较高，出水COD稳定在50mg·L−1左右。这是由于膜组件可以有效截留大分子有机物，并且在维护出水稳定方面发挥着重要作用。然而当温度为15℃时，COD去除率出现了显著的下降。这可能是低温抑制了微生物的代谢活性，导致小分子有机物未得到充分降解而随出水流失。反应器中的VFA测量结果如图2(b)所示，在第3阶段，污泥以及出水中所含的VFA上升明显。以上结果表明，当温度为15℃时，反应器的COD去除率由于系统内VFA的增加明显下降，可能是由于产甲烷菌的活性受到了抑制，导致部分小分子水解产物在反应器内积累。

2)产气性能。

反应器产气性能如图2(c)所示。相同温度条件下调节HRT，反应器的产气量以及气体成分均保持稳定。此外，在第1阶段，HRT为12h和8h的最高甲烷产率分别为0.21L·g−1和0.15L·g−1，HRT为12h时的甲烷转化率更高，其他阶段也具有相同特征。反应器的产气量并没有因为有机负荷的增加而提高，同时最高甲烷产率有所下降。随着运行温度的降低，反应器产气量逐渐下降。当温度为25℃时，反应器的产气量为(0.20±0.01)L·d−1，最高甲烷产率为0.21L·g−1。以25℃的产气量为准，20℃和15℃对应的气体产量分别下降了15.50%和55.25%；最高甲烷产率分别减少了14.29%和61.90%。因此，当温度低于20℃时，低温对微生物活性的抑制所引起的生物转化效率低下是无法实现高效运行的主要因素。

2.2 膜的运行性能

1)过滤性能。

实验过程中的TMP变化情况如图3(a)所示。当TMP超过30kPa时，更换膜组件，对阶段Ⅰ~Ⅲ中的膜污染速率进行分析，当HRT为12h时，3个阶段的膜污染速率分别为0.06、0.11和0.44kPa·d−1；HRT为8h时，膜污染速率分别提高了为31.33、25和5.91倍。一方面，随着运行温度的降低，膜污染速率加快。另一方面，在环境温度中，AnMBR难以实现在低HRT下的长期稳定运行。因此，环境温度下的高膜污染速率，是导致AnMBR无法实现高效利用的另一因素。胞外聚合物是造成膜污染的重要物质，图3(b)为不同温度下AnMBR混合液中SMP和EPS的含量。可见，其中TB-EPS质量浓度最高，其次是SMP，而LB-EPS最低。以25℃为例，SMP、LB-EPS、TB-EPS中蛋白质量浓度分别为75.42、71.86、196.41mg·L−1，多糖质量浓度分别为29.67、20.36、56.47mg·L−1，这一结果表明EPS主要是以紧密结合的形式存在。随着温度降低，SMP以及EPS含量显著提升，这与低温条件下的膜污染速率更快的结果一致。

2)对污染膜阻力分布的影响。

为量化每一个污染因子对总阻力的贡献，对污染膜的阻力分布进行分析。图4为HRT为12h时AnMBR在不同运行温度下膜过滤阻力分布状况。可见，在3个不同的温度条件下，Rc均在膜污染过程起主导作用，其占比分别为80.21%、73.94%和60.72%，但随着运行温度的降低，Rc占比逐渐下降，同时Rp-org对膜污染的占比上升。3个阶段中Rp-org占比分别为12.99%、19.36%和32.64%，这可能与低温导致污泥混合液EPS的升高有关，EPS的增加更容易发生严重的膜孔堵塞，导致膜污染速率的增长。而且滤饼层所引起的污染相对容易通过物理清洗进行控制，但有机物造成的膜孔堵塞一般是不可逆污染，只能通过化学清洗去除。

2.3 微生物分析

1)古菌群落。

古菌群落通过消耗厌氧细菌的代谢中间体并将其转化为甲烷和二氧化碳，在厌氧消化体系中发挥着重要作用。图5(a)反映了不同运行温度下污泥样品中古菌群落的丰富程度，其主要由甲烷丝菌属(Methanothrix)、甲烷砾菌属(Methanoregula)和甲烷细菌属(Methanobacterium)组成，是一种以乙酸营养型为主的乙酸营养型产甲烷菌和氢营养型产甲烷菌共存的古菌体系。Methanothrix为乙酸营养型产甲烷菌，是AnMBR研究中最重要的产甲烷菌，主要利用乙酸和甲基化合物作为碳源。Methanothrix在3种运行温度下的相对丰度分别为58.94%、58.35%、50.67%，25℃和20℃的相对丰度差别不大，15℃时其相对丰度有所下降，说明低温条件下乙酸营养型产甲烷菌受到了一定的抑制，这与第III阶段下发生VFA积累的变化情况一致，但乙酸营养型产甲烷依旧是反应器中的主要产甲烷途径。氢营养型产甲烷菌主要由Methanoregula和Methanobacterium组成，随着温度的降低，Methanobacterium的相对丰度由4.12%升至10.84%。据报道，Methanobacterium在中温和嗜热条件下均有较好的活性，其对温度变化的适应性很高。

2)细菌群落。

图5(b)为AnMBR处理实际污水时在不同运行温度下科水平的细菌群落分布情况。细菌群落分布受温度影响波动较大，随着运行温度的降低，优势菌群逐渐由厌氧绳菌科(Anaerolineaceae)转化为红环菌科(Rhodocyclaceae)。其中Anaerolineaceae在25~15℃下的相对丰度分别为42.18%、23.52%和10.72%。Anaerolineaceae科的细菌具有多样的代谢途径，可以降解各种有机物，包括有机酸、蛋白、脂肪和多糖，是污水厌氧处理中重要的功能菌。其相对丰度的降低说明在较低温度下，水解酸化过程随着温度的降低也受到一定的抑制。随着运行温度的降低，Rhodocyclaceae的相对丰度逐渐从0.96%上升至13.58%，Rhodocyclaceae的细菌可以产生特定的酶，可以降解胞外聚合物，特别是多糖类物质。其丰度的增加可能是由于低温状态下污泥混合液内胞外聚合物的含量上升。

2.4 反应器效能分析

对反应器不同运行条件下的COD平衡进行计算，评估反应器的运行情况，结果如图6所示。不同温度条件下，调节HRT对COD平衡的影响具有相同的特征。当温度为25℃时，当HRT为12h时气态甲烷占比为61.75%，溶解性甲烷占比为13.44%；当HRT为8h时气态甲烷占比为53.01%，溶解性甲烷占比为19.74%。可见，气态甲烷的占比因HRT的降低而呈下降趋势，其减少的部分中72.08%以溶解性甲烷的形式存在。这是由于出水通量增加的同时也为溶解性甲烷提供了流失途径，不利于进一步的资源回收。可以通过采用动态膜、微滤膜等过滤方式对污水预浓缩，通过减少污水处理量以达到有效降低溶解性甲烷排放量的目的。

HRT为12h时，对不同运行温度条件下的COD平衡进行分析。当环境温度≥20℃时，气态甲烷占比均>50%，出水COD占比在13%左右，溶解性甲烷的COD占比在15%左右，气态甲烷的生成是COD转化的主要途径。然而当环境温度为15℃时，占比发生了很大变化，气态甲烷仅为20.43%、出水COD和溶解性甲烷的占比分别为22.05%和23.87%。阶段Ⅰ~Ⅲ中溶解性甲烷产量与总甲烷的比值分别为17.82%、23.81%和53.72%，温度下降导致溶解性甲烷占比增大，15℃时超过50%的甲烷随出水流失，不仅不利于能源回收其还会加快全球变暖的速度。不同运行阶段，污泥增值的占比分别为12.04%、17.54%和32.62%，这是由于温度的降低抑制了颗粒污染物的水解导致产泥率的升高，反应器的性能受到了抑制。因此较低的环境温度下，厌氧发酵的过程被抑制以及甲烷溶解量的增加是限制AnMBR高效运行的主要因素。

3、结论

1)当温度为20℃和25℃时，AnMBR具有较良好厌氧发酵性能。而当温度下降到15℃时，COD去除率和最高甲烷产率明显下降。乙酸营养型产甲烷菌的丰度明显减少，微生物活性降低是处理效率降低的主要原因。运行温度≥20℃时，反应器具有更佳的处理性能。

2)在不同环境温度(15、20和25℃)条件下，HRT为8h时，反应器的膜污染速率是HRT为12h时的5.91~31.33倍，系统难以实现在低HRT条件下的长期稳定运行。实现膜污染的有效控制是推动AnMBR在污水资源回收方面广泛应用的重要因素。

3)根据COD平衡分析，在15、20和25℃下，厌氧发酵被抑制以及溶解性甲烷的增加是限制AnMBR高效运行的关键。

4)结合反应器的产气性能、膜过滤性能以及COD平衡分析，AnMBR处理实际生活污水的运行温度不宜低于20℃。