厌氧膜生物反应器在污水处理中的研究进展
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）。
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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
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