厭氧膜生物反應器在污水處理的研究進展

      摘要：綜述了厭氧膜生物反應器中的微生物種群與分布特點、厭氧膜生物反應器在污水處理中的應用情況，討論了影響厭氧膜生物反應器性能的主要參數、膜的污染預防與控制等，最后探討和展望了厭氧膜生物反應器的應用前景，并指出了該領域今后的研究方向。

    關鍵詞：厭氧；膜生物反應器；生物種群；膜污染；污泥減量化

    厭氧膜生物反應器（AnMBR）是厭氧處理技術和膜技術有效結合的污水處理工藝。單純采用厭氧處理時其出水水質較差，而膜的引入可以代替其后續處理單元，通過膜截留作用，能顯著改善反應器固液分離效果，使反應器中微生物濃度維持在較高水平，較好地彌補了厭氧處理容積負荷低的缺點。另外，AnMBR由于可以維持較長的污泥停留時間，因此污泥產量低，甲烷轉化率高，出水水質好。近年來隨著膜組件成本的下降和膜性能的不斷提高，國外對AnMBR的研究日趨活躍，而國內的研究則剛剛起步。

    1AnMBR中的微生物

    系統內微生物種群數量是決定厭氧工藝處理能力的主要因素之一。除了廢水組成、操作條件外，反應器類型也影響產甲烷菌種群數量。在厭氧反應器中主要存在兩類產甲烷菌：甲烷八疊球菌和甲烷絲狀菌屬。

    1．1AnMBR中的微生物種群

    膜在厭氧反應器中的應用不但可以增加微生物的數量，還可以改變優勢種群。InceO等［1］研究AnMBR中微生物種群的變化時發現，從城市污水的消化池中接種污泥，其最具優勢的群落為甲烷球菌屬，其次分別為甲烷八疊球菌、短桿菌、中桿菌、絲狀菌以及長桿菌。而在AnMBR中發現優勢種群出現了變化，相應的順序為：中桿菌、短桿菌、甲烷八疊球菌、長桿菌以及絲狀菌。運行14周后，產甲烷菌和非產甲烷菌都相應增加了50%和20%，同時具有活性產甲烷菌急劇增加。自體熒光產甲烷菌與細菌總量的比值在6．7%到8．3%之間變化，具有生物活性的產甲烷菌增加了近20倍。

    1．2AnMBR中微生物濃度

    由于膜的截留作用，可以維持反應器中高濃度的微生物量，從而提高反應器的容積負荷。在AnMBR運行的前期，由于微生物的積累，污泥增長速率很快，MLVSS的質量濃度可達到數十g／L。同時膜對微生物濃度分布也有影響，ChooKH等［2］發現，在0．5m／s的流速、0．1MPa的壓力下，經過20d的運行，反應器內MLVSS的質量濃度從2410mg／L降低到920mg／L，而膜表面附著的微生物的質量濃度增加到20700mg／L，系統中約有16%的微生物轉移到了膜表面。

    2AnMBR的應用

    AnMBR的研究基本與膜生物反應器發展同步，1972年Shelf等開始了厭氧膜生物反應器的研究工作，隨著對AnMBR研究的不斷深入，其應用范圍也不斷擴大。

    2．1AnMBR在城市污水處理中的應用

    國內較早研究AnMBR在城市生活污水處理中的應用的是清華大學，在1999年，采用AnMBR處理城市污水，在溫度為12℃，水力停留時間為4h，出水的BOD5和TSS的質量濃度都小于30mg／L。國外的研究同樣表明，應用AnMBR處理城市污水，出水的水質較好。

    2．2AnMBR在工業廢水處理中的應用

    工業廢水水質差異很大，不像生活污水那樣具有較多的共同特點，因此，AnMBR在處理工業廢水具有相對優勢。南非Membratek公司在20世紀80年代研究了AnMBR用于高濃度工業廢水，特別是食品和釀造業的廢水處理。90年代初，美國在俄亥俄州建造了一套用于處理某汽車制造廠的工業廢水的AnMBR系統，處理規模為151m3／d，COD去除率達94%，絕大部分的油與油脂均被降解［3］。

    2．3AnMBR在脫氮中的運用

    EwaW等［4］采用AnMBR用于地下水脫氮，反應器采用固定床與膜組合，其中膜為毛細管纖維膜，水力停留時間0．2h時，反應器的脫氮效率可以達到10．2kg［NO3－］／（m·3d），處理后的出水NO3－的質量濃度不超過44mg／L。使用的毛細管膜去除水中的懸浮細菌，出水細菌濃度可以控制在幾個細菌每毫升，過濾后的水可以進一步處理后用于工業或飲用水等。

摘要：綜述了厭氧膜生物反應器中的微生物種群與分布特點、厭氧膜生物反應器在污水處理中的應用情況，討論了影響厭氧膜生物反應器性能的主要參數、膜的污染預防與控制等，最后探討和展望了厭氧膜生物反應器的應用前景，并指出了該領域今后的研究方向。

    關鍵詞：厭氧；膜生物反應器；生物種群；膜污染；污泥減量化

    厭氧膜生物反應器（AnMBR）是厭氧處理技術和膜技術有效結合的污水處理工藝。單純采用厭氧處理時其出水水質較差，而膜的引入可以代替其后續處理單元，通過膜截留作用，能顯著改善反應器固液分離效果，使反應器中微生物濃度維持在較高水平，較好地彌補了厭氧處理容積負荷低的缺點。另外，AnMBR由于可以維持較長的污泥停留時間，因此污泥產量低，甲烷轉化率高，出水水質好。近年來隨著膜組件成本的下降和膜性能的不斷提高，國外對AnMBR的研究日趨活躍，而國內的研究則剛剛起步。

    1AnMBR中的微生物

    系統內微生物種群數量是決定厭氧工藝處理能力的主要因素之一。除了廢水組成、操作條件外，反應器類型也影響產甲烷菌種群數量。在厭氧反應器中主要存在兩類產甲烷菌：甲烷八疊球菌和甲烷絲狀菌屬。

    1．1AnMBR中的微生物種群

    膜在厭氧反應器中的應用不但可以增加微生物的數量，還可以改變優勢種群。InceO等［1］研究AnMBR中微生物種群的變化時發現，從城市污水的消化池中接種污泥，其最具優勢的群落為甲烷球菌屬，其次分別為甲烷八疊球菌、短桿菌、中桿菌、絲狀菌以及長桿菌。而在AnMBR中發現優勢種群出現了變化，相應的順序為：中桿菌、短桿菌、甲烷八疊球菌、長桿菌以及絲狀菌。運行14周后，產甲烷菌和非產甲烷菌都相應增加了50%和20%，同時具有活性產甲烷菌急劇增加。自體熒光產甲烷菌與細菌總量的比值在6．7%到8．3%之間變化，具有生物活性的產甲烷菌增加了近20倍。

    1．2AnMBR中微生物濃度

    由于膜的截留作用，可以維持反應器中高濃度的微生物量，從而提高反應器的容積負荷。在AnMBR運行的前期，由于微生物的積累，污泥增長速率很快，MLVSS的質量濃度可達到數十g／L。同時膜對微生物濃度分布也有影響，ChooKH等［2］發現，在0．5m／s的流速、0．1MPa的壓力下，經過20d的運行，反應器內MLVSS的質量濃度從2410mg／L降低到920mg／L，而膜表面附著的微生物的質量濃度增加到20700mg／L，系統中約有16%的微生物轉移到了膜表面。

    2AnMBR的應用

    AnMBR的研究基本與膜生物反應器發展同步，1972年Shelf等開始了厭氧膜生物反應器的研究工作，隨著對AnMBR研究的不斷深入，其應用范圍也不斷擴大。

    2．1AnMBR在城市污水處理中的應用

    國內較早研究AnMBR在城市生活污水處理中的應用的是清華大學，在1999年，采用AnMBR處理城市污水，在溫度為12℃，水力停留時間為4h，出水的BOD5和TSS的質量濃度都小于30mg／L。國外的研究同樣表明，應用AnMBR處理城市污水，出水的水質較好。

    2．2AnMBR在工業廢水處理中的應用

    工業廢水水質差異很大，不像生活污水那樣具有較多的共同特點，因此，AnMBR在處理工業廢水具有相對優勢。南非Membratek公司在20世紀80年代研究了AnMBR用于高濃度工業廢水，特別是食品和釀造業的廢水處理。90年代初，美國在俄亥俄州建造了一套用于處理某汽車制造廠的工業廢水的AnMBR系統，處理規模為151m3／d，COD去除率達94%，絕大部分的油與油脂均被降解［3］。

    2．3AnMBR在脫氮中的運用

    EwaW等［4］采用AnMBR用于地下水脫氮，反應器采用固定床與膜組合，其中膜為毛細管纖維膜，水力停留時間0．2h時，反應器的脫氮效率可以達到10．2kg［NO3－］／（m·3d），處理后的出水NO3－的質量濃度不超過44mg／L。使用的毛細管膜去除水中的懸浮細菌，出水細菌濃度可以控制在幾個細菌每毫升，過濾后的水可以進一步處理后用于工業或飲用水等。

5．2污泥組成

    污泥組成也會對膜結垢產生顯著影響，而不同廢水其結垢的機理也有差別。ChooKH等［16］發現消化液上層清液中少量微小膠體是引起結垢的主要原因，同時在消化液組成一定時存在一個最優的膜孔徑（0．1μm），此時微濾膜結垢最輕。由于微生物的活動會在污水中產生NH4＋和PO43－，如果污水中Mg2＋的濃度較高時，就會在膜表面形成無機沉降物鳥糞石，而鳥糞石的形成遵循溶度積的關系［3］。在很多情況下，鳥糞石和微生物沉積在一起形成很硬的垢層，嚴重影響了膜通量。污泥的顆粒尺寸對膜通量也有很大的影響，厭氧污泥顆粒變小會形成更多的污垢，引起膜通量呈數量級下降［17］。

    5．3其它原因

    膜的結垢主要是由于微生物引起的結垢，而操作方式如錯流過濾流速、操作壓力同樣會影響結垢的程度。泵的高剪切力會使細菌從反應器中向膜表面聚集，這也會引起膜的結垢。

    5．4結垢的預防及清洗

    目前結垢的預防研究主要集中在選擇操作方式、反應器結構以及改變污泥組成。操作條件方面主要為采用錯流過濾并選擇恰當的流速以及壓力。適當改變AnMBR的形式，如LeeSM等［18］在膜處理前設置孔徑為63μm的預過濾器，對于減輕膜的結垢、長時間運行有很好的效果。通過改變污泥組成也可減輕結垢，IzzetO等［19］在處理含高氨氮（ρ（NH4＋）＝2240mg／L）垃圾滲濾液時，按m（Mg2＋）∶m（NH4＋）∶m（PO43－）＝1∶1∶1投加鎂鹽和磷酸鹽，控制pH值在9．2時，反應后形成MgNH4PO4沉淀而除去氨氮，去除率可達85%。

    膜的清洗方法通?？煞譃槲锢矸椒ê突瘜W方法。物理方法一般是指用高流速水進行沖洗，或將膜組件提升至水面上用噴嘴噴水沖洗，用海綿球機械擦洗和反洗（尤其適用于單皮層中空纖維膜）等。它們的特點是簡單易行，費用低。近來新發展的抽吸清洗方法具有不添加新設備、清洗效果好的優點，受到人們青睞。另外，電場過濾、脈沖清洗、脈沖電解清洗及電滲透反洗研究也十分活躍，具有很好效果。

    化學清洗通常是使用化學清洗劑，如稀酸、稀堿、酶、表面活性劑、絡合劑和氧化劑等。它們的作用主要是通過化學反應破壞膜面的凝膠層和膜孔內的有機物，溶出結合在有機大分子中的金屬離子。LeeSM等［18］采用一定濃度堿和酸，先后進行堿洗和酸洗，膜通量可以恢復到新膜的89%。

    6AnMBR的發展與建議

    AnMBR目前還未廣泛應用，除了成本過高外，在技術上仍有些問題需要解決。

    6．1膜的污染

    膜的污染或結垢會造成膜通量迅速下降，導致處理能力和能耗升高。建議：①開發能夠耐污染的膜；②采用預處理如污水在進入膜之前進行預過濾，降低污水的污染度；③針對具體的AnMBR工藝開發出特效清洗工藝。

    6．2溫度控制

    目前AnMBR的運行溫度相對較高（30～55℃），如果要在我國使用該技術，則需要外加能量維持溫度。要進一步研究常溫或低溫處理技術，擴大使用范圍，同時以降低能耗。

    7.結語

    目前國內對AnMBR處理污水的研究才剛剛起步，而它在污水（尤其是高濃度污水）處理中具有獨特的優勢，隨著膜制造技術的不斷進步和成本的下降，只要解決好膜的結垢問題，AnMBR將會在厭氧生物法中占有一席之地。因此，針對不同的污水，我們應該研究反應器類型、操作條件以及污水組成對處理效果、結垢的影響，為AnMBR在污水中的實際應用積累有用的基礎數據與降解規律。