厭氧膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)應(yīng)用研究

[摘要]厭氧膜生物反應(yīng)器作為厭氧生物處理技術(shù)和膜分離技術(shù)的耦合，它同時具備了二者的優(yōu)缺點，盡管目前對厭氧膜生物反應(yīng)器的研究大部分僅限于實驗室或小試規(guī)模，但其已成為研究的一個熱點。筆者從厭氧膜生物反應(yīng)器技術(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)等方面介紹了厭氧膜生物反應(yīng)器技術(shù)的最新研究狀況，指出其面臨的難題及今后的發(fā)展方向，以期為后續(xù)研究以及實際應(yīng)用提供理論參考。

[關(guān)鍵詞]厭氧膜生物反應(yīng)器；處理技術(shù)；應(yīng)用研究

膜生物反應(yīng)器（簡稱MBR）技術(shù)是一種新型高效的生物處理技術(shù)和綠色技術(shù)，具有許多其他生物處理技術(shù)無法比擬的明顯優(yōu)勢，其主要優(yōu)點是：系統(tǒng)處理效率高、高負(fù)荷率、占地面積小、節(jié)省空間，因而得到了人們越來越多的重視。

1、厭氧膜生物反應(yīng)器在廢水處理中面臨的技術(shù)難題

截至目前為止，針對厭氧膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的應(yīng)用研究絕大多數(shù)仍處于實驗室或中試規(guī)模，主要原因有三點：（1）厭氧膜生物反應(yīng)器中的運行參數(shù)難以控制，導(dǎo)致膜污染影響因素眾多，膜污染比好氧MBR更嚴(yán)重；（2）厭氧膜生物反應(yīng)器中生物質(zhì)氣體能源的回收存在技術(shù)l生困難；（3）由于缺乏對厭氧微生物生態(tài)學(xué)的微觀認(rèn)識，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。

1.1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，其可降低整個操作系統(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)胞裂解和無機(jī)沉淀物）形成的。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)、水動力條件以及生物反應(yīng)器的操作條件等。目前，對好氧膜生物反應(yīng)器膜污染機(jī)理的研究較多，并取得了大量的成果，雖然厭氧膜生物反應(yīng)器與好氧MBR相似，但由于厭氧膜生物生長緩慢，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)于厭氧膜生物反應(yīng)器的膜污染機(jī)理存在著眾多難點有待解決。

1.2操作運行參數(shù)的控制

厭氧膜生物反應(yīng)器工藝中膜分離操作的主要影響因素有水力停留時間、污泥齡、膜面流速、溫度、操作壓力等。由于厭氧微生物生長緩慢，所以必須維持較長的污泥齡。成功的厭氧處理技術(shù)是將水力停留時間和污泥齡完全分離，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。厭氧膜生物反應(yīng)器工藝中的微生物會隨時間以附著和懸浮兩種形式增殖，微生物以懸浮形式增殖，對于其活眭可起到促進(jìn)作用，使得其產(chǎn)甲烷活性顯著提高。同時，微生物產(chǎn)甲烷活性的增加也與溫度有關(guān)。研究表明，厭氧膜生物反應(yīng)器在25℃條件下產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷效率比在15℃時更高，較長泥齡或較短的水力停留時間對產(chǎn)甲烷活性有積極的影響，但泥齡的增加會導(dǎo)致厭氧膜生物反應(yīng)器中惰性固體積累。此外，增加錯流速度，會導(dǎo)致厭氧消化性能變差。

2、厭氧膜生物反應(yīng)器技術(shù)未來研究發(fā)展趨勢

2.1多種條件下厭氧膜生物反應(yīng)器膜污染機(jī)理的研究

膜污染涉及多個方面，關(guān)于膜污染機(jī)理的研究一直是厭氧膜生物反應(yīng)器研究的關(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)，未來應(yīng)重點針對其組成和反應(yīng)器中多種參數(shù)對其產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究。另外，針對膜形態(tài)、孔徑組成、膜通量、厭氧微生物生態(tài)學(xué)以及操作運行參數(shù)對膜污染機(jī)理的影響研究也是未來研究的重點。

2.2不同膜材料和膜組件在厭氧膜生物反應(yīng)器中的應(yīng)用研究

膜材料和孔徑的改變，會對膜通量和出水水質(zhì)產(chǎn)生重要影響，但大多數(shù)情況下厭氧膜生物反應(yīng)器中膜污染通常會發(fā)生在表層膜結(jié)構(gòu)上，因此對表層膜結(jié)構(gòu)的改性和選擇實用新型原材料來構(gòu)建更適合厭翱奠生物反應(yīng)器的膜結(jié)構(gòu)將成為研究熱點。同時，靠濾層生物量形成的非實體動態(tài)膜和激發(fā)性膜的增殖狀況、細(xì)菌增殖條件、處理效率和運行機(jī)理也將是研究的重點。

2.3極端環(huán)境條件下厭氧膜生物反應(yīng)器技術(shù)的應(yīng)用研究

由于厭氧菌生長速率緩慢，中溫厭氧消化過程操作最適溫度為35℃，溫度的變化會導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低；另外，有研究表明產(chǎn)甲烷菌在低溫條件下的甲烷產(chǎn)軍仍然較高，但該過程中溶解性甲烷比例升高，導(dǎo)致甲烷氣體回收利用難度較大，且容易造成溫室氣體排放量的增加。培養(yǎng)能夠在嗜熱（>55℃）或嗜冷（<10℃）環(huán)境條件下生長的優(yōu)勢厭氧菌種，同時針對環(huán)境條件的改變設(shè)計適合甲烷氣體收集的新型反應(yīng)器來滿足實際研究和工程需要將是厭氧膜生物反應(yīng)器技術(shù)一個新的研究方向。

2.4厭氧膜生物反應(yīng)器反應(yīng)動力學(xué)及數(shù)值模擬技術(shù)的研究

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

2.5厭氧膜生物反應(yīng)器與其他反應(yīng)器耦合技術(shù)的研究

從目前的研究和實驗效果來看，單純的厭氧膜生物反應(yīng)器技術(shù)在出水水質(zhì)方面的處理效果并不很理想。將厭氧膜生物反應(yīng)器與其他處理工藝相耦合，采用高效厭氧反應(yīng)器來替代普通厭氧反應(yīng)器，對膜反應(yīng)器的構(gòu)型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，將會很大程度上改善厭氧膜生物反應(yīng)器的出水水質(zhì)。

2.6厭氧膜生物反應(yīng)器技術(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)污水處理中的熱點和難點，研究通過厭氧膜生物反應(yīng)器及其相關(guān)耦合技術(shù)處理該類廢水，通過污染物的去除過程模擬其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律并對其進(jìn)行生態(tài)毒理學(xué)評價將是研究的熱點。

結(jié)語：

綜上所述，可持續(xù)污水處理技術(shù)及資源管理的核心就是降低能耗、回收資源以減輕環(huán)境影響。厭氧膜生物反應(yīng)器具有能耗低、產(chǎn)泥率低、沼氣能源回收等優(yōu)點。本文從厭氧膜生物反應(yīng)器技術(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)等方面介紹了厭氧膜生物反應(yīng)器技術(shù)的最新研究狀況，指出其面臨的難題及今后的發(fā)展方向，以期為后續(xù)研究以及實際應(yīng)用提供理論參考。