AnMBR（厭氧膜生物反應(yīng)器）工藝簡(jiǎn)介

水資源短缺是面臨的一項(xiàng)難題，將廢水處理后回用可以有效緩解水資源的供需矛盾。在現(xiàn)有的各類廢水處理技術(shù)中，好氧生物處理技術(shù)因其發(fā)展較為成熟而占據(jù)了很大的優(yōu)勢(shì)，但其存在能耗高、污泥產(chǎn)量高以及資源回收率低等缺點(diǎn)。而傳統(tǒng)厭氧處理需滿足下列條件：(1)生物反應(yīng)器必須被加熱到中溫(30～40 ℃)或高溫(50～60 ℃)的溫度；(2)需要較長(zhǎng)的污泥齡(SRT)；(3)需要進(jìn)行后處理以確保出水達(dá)標(biāo)排放。由于早期厭氧反應(yīng)器的處理?xiàng)l件較高，厭氧處理技術(shù)沒(méi)能較好地用于污水處理過(guò)程。隨著以UASB及EGSB為代表的第二、三代厭氧反應(yīng)器在高濃度有機(jī)廢水處理中的成功應(yīng)用，厭氧生物處理及其耦合技術(shù)日益受到研究人員的重視。

厭氧膜生物反應(yīng)器(anaerobic membrane bioreactors，AnMBR)作為厭氧處理技術(shù)和膜生物反應(yīng)器的耦合，它同時(shí)具備了二者的優(yōu)缺點(diǎn)，盡管目前對(duì)AnMBR的研究大部分于實(shí)驗(yàn)室或小試規(guī)模，但其已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。科林華特技術(shù)部從AnMBR技術(shù)組成、膜結(jié)構(gòu)形態(tài)、應(yīng)用、膜污染原因、厭氧微生物生態(tài)學(xué)等方面介紹了AnMBR技術(shù)的研究狀況，指出其面臨的難題及今后的發(fā)展方向，以期為后續(xù)研究以及實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。

1 AnMBR的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

1.1 AnMBR的組成及分類

AnMBR通常由厭氧反應(yīng)器和膜過(guò)濾系統(tǒng)2部分組成，不考慮膜過(guò)濾系統(tǒng)，厭氧反應(yīng)器中常用的是連續(xù)攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)(CSTR)。另外，UASB、EGSB、流化床系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用于其中。厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)必須保證有足夠的生物停留時(shí)間(SRT)，這樣在很大程度上可以減少懸浮生物質(zhì)與膜接觸的時(shí)間，避免膜污染的發(fā)生。膜過(guò)濾系統(tǒng)有3種構(gòu)型存在：外部橫流、內(nèi)部浸沒(méi)和外部浸沒(méi)，如圖 1所示：

圖1

（1）外部橫流式AnMBR反應(yīng)器；（2）內(nèi)部浸沒(méi)式AnMBR反應(yīng)器；（3）外部浸沒(méi)式AnMBR反應(yīng)器。

圖1三種AnMBR結(jié)構(gòu)配置示意

在外部橫流結(jié)構(gòu)中，膜組件與生物反應(yīng)器是分開的，膜在滲透壓作用下正常運(yùn)行，加壓泵將厭氧反應(yīng)器中的固體混合液打入膜組件的過(guò)濾端，通過(guò)壓力作用使混合液中的液體透過(guò)濾膜，大分子物質(zhì)則被濾膜截留，隨濃縮液直接回流到厭氧反應(yīng)器中。在內(nèi)部浸沒(méi)式膜結(jié)構(gòu)中，膜直接浸入在生物反應(yīng)器中的懸浮生物液中，通過(guò)施加于膜的真空度產(chǎn)生滲透壓進(jìn)行過(guò)濾。另外，膜組件也可位于獨(dú)立于主生物反應(yīng)器的外部腔室中，但仍淹沒(méi)在懸浮生物液中并在真空條件下進(jìn)行操作。

1.2 AnMBR膜材料和膜組件的研究

選擇合適的膜材料和膜組件是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。應(yīng)用于AnMBR的膜材料可分為3種形態(tài)：疏水性有機(jī)聚合膜、金屬膜和非金屬膜(陶瓷膜)。其中，有機(jī)聚合膜因性能良好并具有經(jīng)濟(jì)性而得到廣泛應(yīng)用，常用的疏水性有機(jī)聚合膜材料主要有聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚砜(PES)膜，占*的75%以上。平板膜、管狀膜和中空纖維膜是AnMBR中常用的3種膜組件，其過(guò)濾特征如表 1所示。

我公司研究了不同膜材料對(duì)膜污染的影響并對(duì)其污染特征進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機(jī)膜和非有機(jī)膜存在*不同的污染特征。我公司采用不同截留分子質(zhì)量的PES膜研究了膜孔徑對(duì)AnMBR過(guò)濾效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膜孔徑的大小對(duì)污染物的去除效果影響很小。

1.3 AnMBR與其他廢水處理技術(shù)的比較

將AnMBR與其他污水處理技術(shù)進(jìn)行了比較，如表 2所示。

由表 2可以看出，AnMBR集合了傳統(tǒng)好氧、厭氧技術(shù)和好氧膜生物反應(yīng)器的諸多優(yōu)勢(shì)，它具有不耗能、可回收燃料氣體、產(chǎn)泥量少等眾多優(yōu)點(diǎn)。

1.4 AnMBR在城市生活污水處理中的應(yīng)用及研究

由于城市生活污水中的污染物濃度較低，較短的水力停留時(shí)間難以保證厭氧顆粒污泥的緩慢生長(zhǎng)，加之單純的厭氧處理技術(shù)難以滿足處理出水達(dá)標(biāo)排放，因此，長(zhǎng)久以來(lái)鮮有研究者將厭氧處理技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理中。AnMBR作為厭氧處理技術(shù)和膜處理技術(shù)的結(jié)合，既可以保證處理出水達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)也可降低污泥的產(chǎn)量，成為一種可持續(xù)的污水生物處理技術(shù)。但近年來(lái)有關(guān)AnMBR在不同城鎮(zhèn)污水及其模擬廢水處理中的應(yīng)用研究結(jié)果表明，經(jīng)傳統(tǒng)AnMBR處理，大部分污水的COD大去除率>70%，由此可見，以傳統(tǒng)AnMBR處理技術(shù)來(lái)處理城鎮(zhèn)污水效果并不是很理想。因此，更多的研究偏向于將膜組件融合于新型厭氧處理技術(shù)中以達(dá)到對(duì)AnMBR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改良。厭氧折流板反應(yīng)器作為第三代新型反應(yīng)器具有諸多優(yōu)勢(shì)，我公司將AnMBR與厭氧折流板反應(yīng)器進(jìn)行耦合應(yīng)用于城市生活污水處理中，在進(jìn)水COD為1600 mg/L，NH4+-N 為80 mg/L的條件下，COD和NH4+-N去除率分別達(dá)到59.5%和83.5%。我公司將好氧硝化膜組件置于厭氧連續(xù)攪拌反應(yīng)器中處理高濃度有機(jī)廢水，結(jié)果表明，COD去除率>90%，硝酸鹽氮去除率>95%。我公司將膜組件應(yīng)用于厭氧SBR工藝中處理人工模擬廢水，使得厭氧氨氧化活性增加了19倍，顯示了膜反應(yīng)器在處理低速增殖有機(jī)物上的優(yōu)點(diǎn)。

1.5 AnMBR在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用及研究

目前，應(yīng)用AnMBR處理的工業(yè)廢水主要包括2大類：食品類工業(yè)廢水和非食品類工業(yè)廢水。非食品類工業(yè)廢水包括造紙、化工、制藥、石油、紡織等行業(yè)廢水，由于其組成復(fù)雜、污染物濃度高、毒性大，處理難度較大，而AnMBR在處理這類具有高鹽、高溫、高懸浮物濃度和高毒性的廢水方面具有較大優(yōu)勢(shì)。我公司比較了浸沒(méi)式AnMBR和CSTR的產(chǎn)氫性能，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，AnMBR的產(chǎn)氫速率為2.43～2.56 L/(L•d)，比CSTR的產(chǎn)氫速率高約2.6倍，說(shuō)明AnMBR具有較高的產(chǎn)氫能力。我公司采用氣提式AnMBR處理啤酒廢水，結(jié)果表明，其具有產(chǎn)氫能力及較高的液體回流率，使得在控制膜污染方面更有效果。我公司研究了在高剪切流速(0.9～2 m/s)條件下AnMBR處理豬糞廢水的性能，結(jié)果表明，盡管濾餅層阻力的降低可使膜的生物活性得到改善，但剪切速率的突然改變可能對(duì)其仍具有負(fù)面影響。

2 AnMBR在廢水處理中面臨的技術(shù)難題

截至目前為止，針對(duì)AnMBR在廢水處理中的應(yīng)用研究絕大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室或中試規(guī)模，主要原因有3點(diǎn)：(1)AnMBR中的運(yùn)行參數(shù)難以控制，導(dǎo)致膜污染影響因素眾多，膜污染比MBR更嚴(yán)重；(2)AnMBR中生物質(zhì)氣體能源的回收存在技術(shù)性困難；(3)由于缺乏對(duì)厭氧微生物生態(tài)學(xué)的微觀認(rèn)識(shí)，僅靠操作條件的改變不能從本質(zhì)上優(yōu)化反應(yīng)器的處理性能。

2.1 膜污染的機(jī)理研究

膜污染是各類膜生物反應(yīng)器技術(shù)都面臨的難題之一，膜結(jié)垢可降低整個(gè)操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少膜通量，從而降低了反應(yīng)器的處理效能。膜的結(jié)垢主要是由反應(yīng)器中的組合物質(zhì)(水溶性有機(jī)物、進(jìn)料膠體粒子、細(xì)胞裂解和無(wú)機(jī)沉淀物)形成的。圖 2總結(jié)了影響膜污染的多種因素，主要包括膜類型、工藝性能、生物系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)、水動(dòng)力條件以及生物反應(yīng)器的操作條件等。目前，對(duì)好氧膜生物反應(yīng)器膜污染機(jī)理的研究較多，并取得了大量的成果，雖然AnMBR與MBR相似，但由于厭氧膜生物生長(zhǎng)緩慢，反應(yīng)器負(fù)荷較大，且存在操作環(huán)境的多變性，因此，關(guān)于AnMBR的膜污染機(jī)理存在著眾多難點(diǎn)有待解決。

圖 2 影響膜污染的因素

2.2 膜污染的控制和管理

膜污染的控制措施對(duì)于整個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行效果至關(guān)重要，研究者通過(guò)采用不同的措施來(lái)緩解膜污染。如：在AnMBR啟動(dòng)過(guò)程中將其作為傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器短暫操作運(yùn)行，可減少進(jìn)水中細(xì)微顆粒物在膜面的附著；又如：保持AnMBR膜組件錯(cuò)流運(yùn)行，可以減少顆粒物在其上面的沉積，但高剪切流速同樣會(huì)造成細(xì)顆粒物的流出，從而影響反應(yīng)器的運(yùn)行效果。在采用AnMBR技術(shù)處理高鹽含油廢水中，將超聲波清洗應(yīng)用于膜污染控制過(guò)程得到了良好效果，此外，將氣體射流、活性炭添加、沸石-濾膜分析器等技術(shù)應(yīng)用到試驗(yàn)研究過(guò)程中也達(dá)到了良好的膜污染控制效果。

總體來(lái)說(shuō)，減緩AnMBR膜結(jié)垢的方式主要有3種：(1)在高通量條件下短時(shí)間運(yùn)行，然后采用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及氧化劑等進(jìn)行反沖洗，清洗膜面附著物；(2)在“臨界通量"水平操作條件下，只進(jìn)行間歇性反沖洗和清洗；(3)可以嘗試通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)條件來(lái)操作反應(yīng)器，減少溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)/膠體在反應(yīng)器內(nèi)的增量，從而減少膜結(jié)垢程度。

2.3 操作運(yùn)行參數(shù)的控制

AnMBR工藝中膜分離操作的主要影響因素有水力停留時(shí)間、污泥齡、膜面流速、溫度、操作壓力等。由于厭氧微生物生長(zhǎng)緩慢，所以必須維持較長(zhǎng)的污泥齡。成功的厭氧處理技術(shù)是將水力停留時(shí)間和污泥齡*分離，這樣不僅能維持反應(yīng)器中高濃度的厭氧污泥，還可以減小反應(yīng)器的尺寸。AnMBR工藝中的微生物會(huì)隨時(shí)間以附著和懸浮2種形式增殖，微生物以懸浮形式增殖，對(duì)于其活性可起到促進(jìn)作用，使得其產(chǎn)甲烷活性顯著提高。同時(shí)，微生物產(chǎn)甲烷活性的增加也與溫度有關(guān)，我公司技術(shù)部的研究表明，AnMBR在25 ℃條件下產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷效率比在15 ℃時(shí)更高，較長(zhǎng)泥齡或較短的水力停留時(shí)間對(duì)產(chǎn)甲烷活性有積極的影響，但泥齡的增加會(huì)導(dǎo)致AnMBR中惰性固體積累。此外，我公司技術(shù)部的研究表明，增加錯(cuò)流速度，會(huì)導(dǎo)致厭氧消化性能變差。

2.4 AnMBR微生物生態(tài)學(xué)

厭氧消化過(guò)程中微生物區(qū)系復(fù)雜、類型繁多，同一反應(yīng)器在不同操作條件下，同一顆粒污泥在不同發(fā)育階段，微生物的生長(zhǎng)增殖規(guī)律、環(huán)境適應(yīng)性及生物活性都會(huì)影響其所占比例。厭氧消化過(guò)程正是由這些微生物所進(jìn)行的一系列生物化學(xué)的耦合反應(yīng)，由于厭氧反應(yīng)器內(nèi)部各區(qū)域生態(tài)位的差異，造成非產(chǎn)甲烷細(xì)菌、產(chǎn)甲烷細(xì)菌出現(xiàn)有規(guī)律的演替，通過(guò)各種群之間的相互利用、相互制約，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，從而保證了生物代謝過(guò)程的正常進(jìn)行。因此，AnMBRs是培養(yǎng)生長(zhǎng)緩慢微生物的系統(tǒng)。

AnMBRs內(nèi)微生物種群的分布受濾餅層、反應(yīng)器容積以及濾餅層深度的影響顯著。隨著濾餅層深度的增加，外濾餅層表面比內(nèi)濾餅層表面會(huì)變得松散，易隨生物液流出導(dǎo)致膜堵塞。隨著濾餅層加厚及微生物種群的增加，膜結(jié)垢現(xiàn)象也逐漸增多。研究發(fā)現(xiàn)，附著于濾餅層上的主要細(xì)菌種群中隸屬于厚壁菌門的占到42.3%，α-變形菌占到30.8%，而古生菌主要是甲烷八疊球菌屬和甲烷螺旋菌屬。

3 AnMBR技術(shù)未來(lái)研究發(fā)展趨勢(shì)

(1)多種條件下AnMBR膜污染機(jī)理的研究。膜污染涉及多個(gè)方面，關(guān)于膜污染機(jī)理的研究一直是AnMBR研究的關(guān)鍵和核心。由于溶解性有機(jī)質(zhì)(SMPs)是影響膜污染的關(guān)鍵物質(zhì)，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)其組成和反應(yīng)器中多種參數(shù)對(duì)其產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究。另外，針對(duì)膜形態(tài)、孔徑組成、膜通量、厭氧微生物生態(tài)學(xué)以及操作運(yùn)行參數(shù)對(duì)膜污染機(jī)理的影響研究也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

(2)不同膜材料和膜組件在AnMBR中的應(yīng)用研究。膜材料和孔徑的改變，會(huì)對(duì)膜通量和出水水質(zhì)產(chǎn)生重要影響，但大多數(shù)情況下AnMBR中膜污染通常會(huì)發(fā)生在表層膜結(jié)構(gòu)上，因此對(duì)表層膜結(jié)構(gòu)的改性和選擇實(shí)用新型原材料來(lái)構(gòu)建更適合AnMBR的膜結(jié)構(gòu)將成為研究熱點(diǎn)〔38〕。同時(shí)，靠濾層生物量形成的非實(shí)體動(dòng)態(tài)膜和繼發(fā)性膜的增殖狀況、細(xì)菌增殖條件、處理效率和運(yùn)行機(jī)理也將是研究的重點(diǎn)。

(3)環(huán)境條件下AnMBR技術(shù)的應(yīng)用研究。由于厭氧菌生長(zhǎng)速率緩慢，厭氧過(guò)程操作適溫度為35 ℃，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致膜通量降低；另外，有研究表明產(chǎn)甲烷菌在低溫條件下產(chǎn)生的甲烷量會(huì)更多，但該過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷氣體回收利用難度較大。培養(yǎng)能夠在嗜熱(>55 ℃)或嗜冷(<10 ℃)環(huán)境條件下生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)厭氧菌種，同時(shí)針對(duì)環(huán)境條件的改變?cè)O(shè)計(jì)適合甲烷氣體收集的新型反應(yīng)器來(lái)滿足實(shí)際研究和工程需要將是AnMBR技術(shù)一個(gè)新的研究方向。

(4)AnMBR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及數(shù)值模擬技術(shù)的研究。AnMBR反應(yīng)器的研究與開發(fā)，目前仍停留在試驗(yàn)和中試規(guī)模上，鮮有對(duì)AnMBR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。AnMBR中涉及的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要有基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)、生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、膜生長(zhǎng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)以及污泥增殖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究AnMBR技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，加強(qiáng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究將復(fù)雜生化過(guò)程和動(dòng)力學(xué)過(guò)程轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)方程，這對(duì)于數(shù)值模擬、模型的開發(fā)和優(yōu)化有很好的促進(jìn)作用。

(5)AnMBR與其他反應(yīng)器耦合技術(shù)的研究。從目前的研究和實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，單純的AnMBR技術(shù)在出水水質(zhì)方面的處理效果并不很理想。將AnMBR與其他處理工藝相耦合，采用厭氧反應(yīng)器來(lái)替代普通厭氧反應(yīng)器，對(duì)膜反應(yīng)器的構(gòu)型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將會(huì)很大程度上改善AnMBR的出水水質(zhì)。

(6)AnMBR技術(shù)在痕量有機(jī)物污染控制上的應(yīng)用研究。以抗生素和醫(yī)藥產(chǎn)品的代謝產(chǎn)物為代表的痕量有機(jī)污染物是城鎮(zhèn)污水處理中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，研究通過(guò)AnMBR及其相關(guān)耦合技術(shù)處理該類廢水，通過(guò)污染物的去除過(guò)程模擬其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律并對(duì)其進(jìn)行生態(tài)毒理學(xué)評(píng)價(jià)將是研究的熱點(diǎn)。