厭氧膜生物反應器在污水處理中的研究進(jìn)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(diǎn)、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(lǐng)域今后的研究方向。

關(guān)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(shù) 和膜技術(shù)有效結合的污水處理工藝。單純采用厭氧 處理時(shí)其出水水質(zhì)較差，而膜的引入可以代替其后 續處理單元，通過(guò)膜截留作用，能顯著(zhù)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(diǎn)。 另外，AnMBR由于可以維持較長(cháng)的污泥停留時(shí)間， 因此污泥產(chǎn)量低，甲烷轉化率高，出水水質(zhì)好。近年來(lái)隨著(zhù)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。

1 AnMBR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(lèi)型也影響產(chǎn)甲烷菌種群數量。在厭氧反應 器中主要存在兩類(lèi)產(chǎn)甲烷菌：甲烷八疊球菌和甲烷絲狀菌屬。

1．1 AnMBR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(yōu)勢種群。Ince O等［1］研究 AnMBR中微生物種群的變化時(shí)發(fā)現，從城市污水 的消化池中接種污泥，其最具優(yōu)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(cháng)桿菌。而在A(yíng)nMBR中發(fā)現優(yōu)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(cháng)桿菌以及絲狀菌。運行14 周后，產(chǎn)甲烷菌和非產(chǎn)甲烷菌都相應增加了50% 和20%，同時(shí)具有活性產(chǎn)甲烷菌急劇增加。自體熒 光產(chǎn)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(chǎn)甲烷菌增加了近20倍。

1．2 AnMBR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(cháng)速率很快，MLVSS的質(zhì)量濃度可達到數十g／L。 同時(shí)膜對微生物濃度分布也有影響，Choo K H等［2］ 發(fā)現，在0．5 m／s的流速、0．1 MPa的壓力下，經(jīng) 過(guò)20 d的運行，反應器內MLVSS的質(zhì)量濃度從 2 410 mg／L降低到920 mg／L，而膜表面附著(zhù)的微 生物的質(zhì)量濃度增加到20 700 mg／L，系統中約有 16%的微生物轉移到了膜表面。

2 AnMBR的應用

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

2．1 AnMBR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(xué)，在1999年，采用AnMBR 處理城市污水，在溫度為12℃，水力停留時(shí)間為 4 h，出水的BOD5和TSS的質(zhì)量濃度都小于30 mg／L。國外的研究同樣表明，應用AnMBR處理城 市污水，出水的水質(zhì)較好。

2．2 AnMBR在工業(yè)廢水處理中的應用

工業(yè)廢水水質(zhì)差異很大，不像生活污水那樣具 有較多的共同特點(diǎn)，因此，AnMBR在處理工業(yè)廢 水具有相對優(yōu)勢。南非Membratek公司在20世紀 80年代研究了AnMBR用于高濃度工業(yè)廢水，特別 是食品和釀造業(yè)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(chē)制造廠(chǎng)的工業(yè) 廢水的AnMBR系統，處理規模為151 m3／d，COD 去除率達94%，絕大部分的油與油脂均被降解［3］。

2．3 AnMBR在脫氮中的運用

Ewa W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(shí)間0．2 h時(shí)，反應器的脫氮效率可 以達到10．2 kg［NO 3 － ］／（m·3d），處理后的出水NO 3 － 的質(zhì)量濃度不超過(guò)44 mg／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(gè)細 菌每毫升，過(guò)濾后的水可以進(jìn)一步處理后用于工業(yè) 或飲用水等。

Bioscan A／S公司開(kāi)發(fā)了處理農業(yè)泥漿的 Biorek工藝。該工藝包括Aduf、氨氮去除以及反 滲透單元。反滲透單元可將脫氨氮后的出水處理到 飲用水程度［5］。Aduf工藝以豬糞為基質(zhì)，HRT為6 d的情況下，COD去除率高于90%。Aduf工藝的 無(wú)菌出水含有較多溶解性營(yíng)養物，汽提除氨裝置可 去除95%以上的溶解性氨氮，使其與CO 2 形成碳 酸氫銨肥料，同時(shí)可防止反滲透膜上結垢。

3.生物反應器的主要參數

操作參數不僅對膜的結垢影響很大，還與 AnMBR的性能如膜通量、COD去除率、出水水質(zhì) 等有很大的關(guān)系。參數的選擇會(huì )嚴重影響到 AnMBR的整體效能的發(fā)揮。

3．1有機負荷

AnMBR的優(yōu)勢之一就是適宜處理高濃度有機 廢水。如果系統運行穩定，則揮發(fā)性脂肪酸也會(huì )保 持在一定范圍，一般把揮發(fā)性脂肪酸作為有機負荷 的指示物。對不同的有機廢水，有機負荷相差很 大。從AnMBR處理各種廢水的效果（見(jiàn)表1）可以 看出AnMBR優(yōu)良的性能，COD的去除率一般均超 過(guò)90%，而有機負荷可以超過(guò)40 kg／（m3·d），甚至 近70 kg／（m·3d）。

3．2溫度

要達到較好的處理效果，AnMBR的操作溫度 通常需較高。溫度較高時(shí)，可以降低溶解性微生物 代謝產(chǎn)物（SMP）濃度（粘度也降低），使膜通量也提 高。在一定的溫度范圍與壓力條件下，溫度每升高 1℃，膜通量增加1%～2%；然而最近有研究發(fā) 現，在常溫或低溫條件下，AnMBR也能夠取得較好的處理效果和較大的膜通量［11-12］。

4.膜系統主要參數

4．1膜材質(zhì)

目前AnMBR使用的膜最好的是親水性陰離子 有機膜，膜的孔徑在0．1μm左右，膜材質(zhì)從早期 的聚砜（PS）、聚丙烯睛（PAN）等超濾膜的使用發(fā)展 到以聚烯烴（PE和PP）、聚偏氟乙烯（PVDF）為主 的微濾膜。日本膜專(zhuān)家通過(guò)長(cháng)期的研究和實(shí)踐認為 用于成分復雜的污水處理聚偏氟乙烯和聚烯烴有 其優(yōu)良的化學(xué)穩定性、抗氧化性和耐污染性，是最 有前途的膜材料［13］。AnMBR中使用的膜組件有平板膜、管式膜和中空纖維膜，發(fā)展到目前以中空纖 維膜為主。

4．2膜通量、壓力和膜面流速

由于A(yíng)nMBR本身的特點(diǎn)，目前都采用分置式 AnMBR和錯流過(guò)濾的方式，壓力和膜面流速是很 重要的參數，因此對這兩個(gè)參數進(jìn)行了很多研究。 Beaubien A等［14］考察AnMBR的最佳操作條件時(shí)發(fā) 現，壓力與通量之間的關(guān)系明顯出現兩個(gè)截然不同 的區域，即高壓區和低壓區，在低壓區，透過(guò)流速 主要與膜間壓力有關(guān)；在高壓區，水力條件則成為 控制因素。在低壓力區膜的滲透性和高壓區的臨界 通量的影響因素主要是微生物的濃度。在比較高的 錯流流速下（大于3 m／s），并沒(méi)有觀(guān)察到膜通量的 下降。臨界通量的確定對于控制膜結垢相當重要， 操作壓力高于臨界通量時(shí)結垢嚴重。在膜過(guò)濾器中 設置折流板，可以減輕結垢，大幅提高膜通量［15］。

5 AnMBR膜結垢的影響因素

AnMBR在使用過(guò)程中，會(huì )出現濃差極化和膜 污染，這兩種情況都是不利于膜分離過(guò)程的因素， 都將使膜的滲透流率下降，導致操作過(guò)程無(wú)法長(cháng)時(shí) 間地穩定運行，這直接制約著(zhù)膜分離過(guò)程的應用。 其中，膜的材料、污泥的組成等影響很大。

5．1膜材料

關(guān)于膜材料的影響，主要研究其對膜通量和 膜結垢的影響。Choo K H等［16］對AnMBR的研究 中得出通量的變化與所用膜的類(lèi)型無(wú)關(guān)，但是對于 不同材質(zhì)的膜，粘附和孔堵塞引起的污染程度有很 大的差別。Kang I J等［17］比較了有機和無(wú)機膜在厭 氧反應器中的結垢特性發(fā)現，對于無(wú)機膜，鳥(niǎo)糞石 （MgNH4PO4·6H2O）在膜孔中形成是膜通量下降的主要影響因素；然而，對于有機膜，微生物和鳥(niǎo)糞 石共同沉積在膜表面形成較厚的垢層影響膜通量。

5．2污泥組成

污泥組成也會(huì )對膜結垢產(chǎn)生顯著(zhù)影響，而不同 廢水其結垢的機理也有差別。Choo K H等［16］發(fā)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(shí)在消化液組成一定時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)的膜 孔徑（0．1μm），此時(shí)微濾膜結垢最輕。由于微生物 的活動(dòng)會(huì )在污水中產(chǎn)生NH 4 ＋和PO 4 3－ ，如果污水中 Mg2＋的濃度較高時(shí)，就會(huì )在膜表面形成無(wú)機沉降物 鳥(niǎo)糞石，而鳥(niǎo)糞石的形成遵循溶度積的關(guān)系［3］。在 很多情況下，鳥(niǎo)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(huì )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(guò)濾流速、操作壓力同樣會(huì )影響結垢 的程度。泵的高剪切力會(huì )使細菌從反應器中向膜表 面聚集，這也會(huì )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(guò)濾并選擇恰當的流速以及壓力。 適當改變AnMBR的形式，如Lee S M等［18］在膜處 理前設置孔徑為63μm的預過(guò)濾器，對于減輕膜 的結垢、長(cháng)時(shí)間運行有很好的效果。通過(guò)改變污泥 組成也可減輕結垢，Izzet O等［19］在處理含高氨氮 （ρ（NH4＋）＝2 240 mg／L）垃圾滲濾液時(shí)，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(shí)，反應后形成MgNH 4 PO4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(xué)方 法。物理方法一般是指用高流速水進(jìn)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(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，費用低。近來(lái)新發(fā)展的抽 吸清洗方法具有不添加新設備、清洗效果好的優(yōu) 點(diǎn)，受到人們青睞。另外，電場(chǎng)過(guò)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(xué)清洗通常是使用化學(xué)清洗劑，如稀酸、稀 堿、酶、表面活性劑、絡(luò )合劑和氧化劑等。它們的 作用主要是通過(guò)化學(xué)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。Lee S M等［18］采用一定濃度堿和酸，先后進(jìn)行 堿洗和酸洗，膜通量可以恢復到新膜的89%。

6 AnMBR的發(fā)展與建議

AnMBR目前還未廣泛應用，除了成本過(guò)高外， 在技術(shù)上仍有些問(wèn)題需要解決。

6．1膜的污染

膜的污染或結垢會(huì )造成膜通量迅速下降，導致 處理能力和能耗升高。建議：①開(kāi)發(fā)能夠耐污染 的膜；②采用預處理如污水在進(jìn)入膜之前進(jìn)行預 過(guò)濾，降低污水的污染度；③針對具體的AnMBR 工藝開(kāi)發(fā)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(shù)，則需要外加能量 維持溫度。要進(jìn)一步研究常溫或低溫處理技術(shù)，擴 大使用范圍，同時(shí)以降低能耗。

7.結語(yǔ)

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(yōu)勢，隨著(zhù)膜制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的下降，只要解決好膜的結垢問(wèn)題，AnMBR將會(huì )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(lèi)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(shí)際應用積累有用的基礎數據與降解規律。來(lái)源：谷騰水網(wǎng)

參考文獻：略 作者: 俞慧玲