厌氧膜生物反应器在污水处理中的研究进展

Posted 2023-01-14 微生物

篇首语：殷殷之情俱系华夏，寸寸丹心皆为家国。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了厌氧膜生物反应器在污水处理中的研究进展相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要：综述了厌氧膜生物反应器中的微生物种群与分布特点、厌氧膜生物反应器在污水处理中的应用情况，讨论了影响厌氧膜生物反应器性能的主要参数、膜的污染预防与控制等，最后探讨和展望了厌氧膜生物反应器的应用前景，并指出了该领域今后的研究方向。

关键词：厌氧；膜生物反应器；生物种群；膜污染；污泥减量化

厌氧膜生物反应器（AnMBR）是厌氧处理技术和膜技术有效结合的污水处理工艺。单纯采用厌氧处理时其出水水质较差，而膜的引入可以代替其后续处理单元，通过膜截留作用，能显著改善反应器固液分离效果，使反应器中微生物浓度维持在较高水平，较好地弥补了厌氧处理容积负荷低的缺点。另外，AnMBR由于可以维持较长的污泥停留时间，因此污泥产量低，甲烷转化率高，出水水质好。近年来随着膜组件成本的下降和膜性能的不断提高，国外对AnMBR的研究日趋活跃，而国内的研究则刚刚起步。

1 AnMBR中的微生物

系统内微生物种群数量是决定厌氧工艺处理能力的主要因素之一。除了废水组成、操作条件外，反应器类型也影响产甲烷菌种群数量。在厌氧反应器中主要存在两类产甲烷菌：甲烷八叠球菌和甲烷丝状菌属。

1．1 AnMBR中的微生物种群

膜在厌氧反应器中的应用不但可以增加微生物的数量，还可以改变优势种群。Ince O等［1］研究 AnMBR中微生物种群的变化时发现，从城市污水的消化池中接种污泥，其最具优势的群落为甲烷球菌属，其次分别为甲烷八叠球菌、短杆菌、中杆菌、丝状菌以及长杆菌。而在AnMBR中发现优势种群出现了变化，相应的顺序为：中杆菌、短杆菌、甲烷八叠球菌、长杆菌以及丝状菌。运行14 周后，产甲烷菌和非产甲烷菌都相应增加了50% 和20%，同时具有活性产甲烷菌急剧增加。自体荧光产甲烷菌与细菌总量的比值在6．7%到8．3%之间变化，具有生物活性的产甲烷菌增加了近20倍。

1．2 AnMBR中微生物浓度

由于膜的截留作用，可以维持反应器中高浓度的微生物量，从而提高反应器的容积负荷。在 AnMBR运行的前期，由于微生物的积累，污泥增长速率很快，MLVSS的质量浓度可达到数十g／L。同时膜对微生物浓度分布也有影响，Choo K H等［2］发现，在0．5 m／s的流速、0．1 MPa的压力下，经过20 d的运行，反应器内MLVSS的质量浓度从 2 410 mg／L降低到920 mg／L，而膜表面附着的微生物的质量浓度增加到20 700 mg／L，系统中约有 16%的微生物转移到了膜表面。

2 AnMBR的应用

AnMBR的研究基本与膜生物反应器发展同步， 1972年Shelf等开始了厌氧膜生物反应器的研究工作，随着对AnMBR研究的不断深入，其应用范围也不断扩大。

2．1 AnMBR在城市污水处理中的应用

国内较早研究AnMBR在城市生活污水处理中的应用的是清华大学，在1999年，采用AnMBR 处理城市污水，在温度为12℃，水力停留时间为 4 h，出水的BOD5和TSS的质量浓度都小于30 mg／L。国外的研究同样表明，应用AnMBR处理城市污水，出水的水质较好。

2．2 AnMBR在工业废水处理中的应用

工业废水水质差异很大，不像生活污水那样具有较多的共同特点，因此，AnMBR在处理工业废水具有相对优势。南非Membratek公司在20世纪 80年代研究了AnMBR用于高浓度工业废水，特别是食品和酿造业的废水处理。90年代初，美国在俄亥俄州建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废水的AnMBR系统，处理规模为151 m3／d，COD 去除率达94%，绝大部分的油与油脂均被降解［3］。

2．3 AnMBR在脱氮中的运用

Ewa W等［4］采用AnMBR用于地下水脱氮，反应器采用固定床与膜组合，其中膜为毛细管纤维膜，水力停留时间0．2 h时，反应器的脱氮效率可以达到10．2 kg［NO 3 －］／（m·3d），处理后的出水NO 3 －的质量浓度不超过44 mg／L。使用的毛细管膜去除水中的悬浮细菌，出水细菌浓度可以控制在几个细菌每毫升，过滤后的水可以进一步处理后用于工业或饮用水等。

Bioscan A／S公司开发了处理农业泥浆的 Biorek工艺。该工艺包括Aduf、氨氮去除以及反渗透单元。反渗透单元可将脱氨氮后的出水处理到饮用水程度［5］。Aduf工艺以猪粪为基质，HRT为6 d的情况下，COD去除率高于90%。Aduf工艺的无菌出水含有较多溶解性营养物，汽提除氨装置可去除95%以上的溶解性氨氮，使其与CO 2 形成碳酸氢铵肥料，同时可防止反渗透膜上结垢。

3.生物反应器的主要参数

操作参数不仅对膜的结垢影响很大，还与 AnMBR的性能如膜通量、COD去除率、出水水质等有很大的关系。参数的选择会严重影响到 AnMBR的整体效能的发挥。

3．1有机负荷

AnMBR的优势之一就是适宜处理高浓度有机废水。如果系统运行稳定，则挥发性脂肪酸也会保持在一定范围，一般把挥发性脂肪酸作为有机负荷的指示物。对不同的有机废水，有机负荷相差很大。从AnMBR处理各种废水的效果（见表1）可以看出AnMBR优良的性能，COD的去除率一般均超过90%，而有机负荷可以超过40 kg／（m3·d），甚至近70 kg／（m·3d）。

3．2温度

要达到较好的处理效果，AnMBR的操作温度通常需较高。温度较高时，可以降低溶解性微生物代谢产物（SMP）浓度（粘度也降低），使膜通量也提高。在一定的温度范围与压力条件下，温度每升高 1℃，膜通量增加1%～2%；然而最近有研究发现，在常温或低温条件下，AnMBR也能够取得较好的处理效果和较大的膜通量［11-12］。

4.膜系统主要参数

4．1膜材质

目前AnMBR使用的膜最好的是亲水性阴离子有机膜，膜的孔径在0．1μm左右，膜材质从早期的聚砜（PS）、聚丙烯睛（PAN）等超滤膜的使用发展到以聚烯烃（PE和PP）、聚偏氟乙烯（PVDF）为主的微滤膜。日本膜专家通过长期的研究和实践认为用于成分复杂的污水处理聚偏氟乙烯和聚烯烃有其优良的化学稳定性、抗氧化性和耐污染性，是最有前途的膜材料［13］。AnMBR中使用的膜组件有平板膜、管式膜和中空纤维膜，发展到目前以中空纤维膜为主。

4．2膜通量、压力和膜面流速

由于AnMBR本身的特点，目前都采用分置式 AnMBR和错流过滤的方式，压力和膜面流速是很重要的参数，因此对这两个参数进行了很多研究。 Beaubien A等［14］考察AnMBR的最佳操作条件时发现，压力与通量之间的关系明显出现两个截然不同的区域，即高压区和低压区，在低压区，透过流速主要与膜间压力有关；在高压区，水力条件则成为控制因素。在低压力区膜的渗透性和高压区的临界通量的影响因素主要是微生物的浓度。在比较高的错流流速下（大于3 m／s），并没有观察到膜通量的下降。临界通量的确定对于控制膜结垢相当重要，操作压力高于临界通量时结垢严重。在膜过滤器中设置折流板，可以减轻结垢，大幅提高膜通量［15］。

5 AnMBR膜结垢的影响因素

AnMBR在使用过程中，会出现浓差极化和膜污染，这两种情况都是不利于膜分离过程的因素，都将使膜的渗透流率下降，导致操作过程无法长时间地稳定运行，这直接制约着膜分离过程的应用。其中，膜的材料、污泥的组成等影响很大。

5．1膜材料

关于膜材料的影响，主要研究其对膜通量和膜结垢的影响。Choo K H等［16］对AnMBR的研究中得出通量的变化与所用膜的类型无关，但是对于不同材质的膜，粘附和孔堵塞引起的污染程度有很大的差别。Kang I J等［17］比较了有机和无机膜在厌氧反应器中的结垢特性发现，对于无机膜，鸟粪石（MgNH4PO4·6H2O）在膜孔中形成是膜通量下降的主要影响因素；然而，对于有机膜，微生物和鸟粪石共同沉积在膜表面形成较厚的垢层影响膜通量。

5．2污泥组成

污泥组成也会对膜结垢产生显著影响，而不同废水其结垢的机理也有差别。Choo K H等［16］发现消化液上层清液中少量微小胶体是引起结垢的主要原因，同时在消化液组成一定时存在一个最优的膜孔径（0．1μm），此时微滤膜结垢最轻。由于微生物的活动会在污水中产生NH 4 ＋和PO 4 3－，如果污水中 Mg2＋的浓度较高时，就会在膜表面形成无机沉降物鸟粪石，而鸟粪石的形成遵循溶度积的关系［3］。在很多情况下，鸟粪石和微生物沉积在一起形成很硬的垢层，严重影响了膜通量。污泥的颗粒尺寸对膜通量也有很大的影响，厌氧污泥颗粒变小会形成更多的污垢，引起膜通量呈数量级下降［17］。

5．3其它原因

膜的结垢主要是由于微生物引起的结垢，而操作方式如错流过滤流速、操作压力同样会影响结垢的程度。泵的高剪切力会使细菌从反应器中向膜表面聚集，这也会引起膜的结垢。

5．4结垢的预防及清洗

目前结垢的预防研究主要集中在选择操作方式、反应器结构以及改变污泥组成。操作条件方面主要为采用错流过滤并选择恰当的流速以及压力。适当改变AnMBR的形式，如Lee S M等［18］在膜处理前设置孔径为63μm的预过滤器，对于减轻膜的结垢、长时间运行有很好的效果。通过改变污泥组成也可减轻结垢，Izzet O等［19］在处理含高氨氮（ρ（NH4＋）＝2 240 mg／L）垃圾渗滤液时，按m（Mg2＋）∶ m（NH4＋）∶m（PO43－）＝1∶1∶1投加镁盐和磷酸盐，控制pH值在9．2时，反应后形成MgNH 4 PO4沉淀而除去氨氮，去除率可达85%。

膜的清洗方法通常可分为物理方法和化学方法。物理方法一般是指用高流速水进行冲洗，或将膜组件提升至水面上用喷嘴喷水冲洗，用海绵球机械擦洗和反洗（尤其适用于单皮层中空纤维膜）等。它们的特点是简单易行，费用低。近来新发展的抽吸清洗方法具有不添加新设备、清洗效果好的优点，受到人们青睐。另外，电场过滤、脉冲清洗、脉冲电解清洗及电渗透反洗研究也十分活跃，具有很好效果。

化学清洗通常是使用化学清洗剂，如稀酸、稀碱、酶、表面活性剂、络合剂和氧化剂等。它们的作用主要是通过化学反应破坏膜面的凝胶层和膜孔内的有机物，溶出结合在有机大分子中的金属离子。Lee S M等［18］采用一定浓度碱和酸，先后进行碱洗和酸洗，膜通量可以恢复到新膜的89%。

6 AnMBR的发展与建议

AnMBR目前还未广泛应用，除了成本过高外，在技术上仍有些问题需要解决。

6．1膜的污染

膜的污染或结垢会造成膜通量迅速下降，导致处理能力和能耗升高。建议：①开发能够耐污染的膜；②采用预处理如污水在进入膜之前进行预过滤，降低污水的污染度；③针对具体的AnMBR 工艺开发出特效清洗工艺。

6．2温度控制

目前AnMBR的运行温度相对较高（30～55 ℃），如果要在我国使用该技术，则需要外加能量维持温度。要进一步研究常温或低温处理技术，扩大使用范围，同时以降低能耗。

7.结语

目前国内对AnMBR处理污水的研究才刚刚起步，而它在污水（尤其是高浓度污水）处理中具有独特的优势，随着膜制造技术的不断进步和成本的下降，只要解决好膜的结垢问题，AnMBR将会在厌氧生物法中占有一席之地。因此，针对不同的污水，我们应该研究反应器类型、操作条件以及污水组成对处理效果、结垢的影响，为AnMBR在污水中的实际应用积累有用的基础数据与降解规律。

参考文献：略作者: 俞慧玲