厭氧膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

喬文廣 史會(huì)瑩

摘要：厭氧膜生物反應(yīng)器具有凈生產(chǎn)率高、出水水質(zhì)好、殘留污泥產(chǎn)量低的優(yōu)點(diǎn)，已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。自2006年以來(lái)，相關(guān)研究的數(shù)量逐年增加，特別是在過(guò)去的五年中，城市污水處理的文獻(xiàn)約占68%。本文綜述了厭氧膜反應(yīng)器的典型工藝類(lèi)型，操作效果和影響因素，最后指出了在城市污水處理和工業(yè)廢水處理中厭氧膜反應(yīng)器應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：厭氧膜生物反應(yīng)器;污水處理;運(yùn)作效果;膜污染

中圖分類(lèi)號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）07-00-01

Abstract：The anaerobic membrane bioreactor has the advantages of high net productivity， good effluent quality and low residual sludge yield， and has become a research hotspot in recent years. Since 2006， the number of related research has increased year by year， especially in the past five years， the literature on urban sewage treatment accounts for about 68%. This paper reviews the typical process types， operational effects and influencing factors of anaerobic membrane reactors， and finally points out the future development direction of anaerobic membrane reactor applications in urban wastewater treatment and industrial wastewater treatment.

Key words：Anaerobic membrane bioreactor;Sewage treatment;Operational effect;Membrane fouling

近些年，污水處理技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，污水的能源回收可以保障污水質(zhì)量。厭氧生物技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)污水凈化，還可以產(chǎn)生大量高熱值沼氣能源，在污水處理方面得到了廣泛的應(yīng)用。但是在現(xiàn)階段，諸如甲烷產(chǎn)率低，反應(yīng)器操作不穩(wěn)定以及難以滿(mǎn)足出水水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，需要進(jìn)一步進(jìn)行解決并完善。

1 厭氧膜生物反應(yīng)器的工藝操作效果及影響因素

1.1 厭氧膜生物反應(yīng)器的典型工藝

通過(guò)分離厭氧反應(yīng)器和膜形成厭氧膜生物反應(yīng)器。有四種常用的厭氧反應(yīng)器：分別是完全混合的厭氧反應(yīng)器，厭氧流化床、上流式厭氧污泥床和厭氧污泥膨脹床反應(yīng)器。完全混合厭氧反應(yīng)器與膜生物反應(yīng)器結(jié)合，操作較為簡(jiǎn)單，成本低，使用廣泛，但有著較差的出水質(zhì)量，造成的膜污染會(huì)比較嚴(yán)重。相比之下，完全混合厭氧反應(yīng)器與膜生物反應(yīng)器結(jié)合、上流式厭氧污泥床與膜生物反應(yīng)器結(jié)合這兩種形式，具有污泥顆粒較大，膜污染較少等特點(diǎn)，有機(jī)工業(yè)廢水濃度高，處理應(yīng)用程序的潛力很大。厭氧污泥膨脹床反應(yīng)器與膜生物反應(yīng)器結(jié)合，以及厭氧流化床與膜生物反應(yīng)器結(jié)合，這兩種形式由于添加載體而具有較低的懸浮污泥濃度，并且上清液中溶解的微生物產(chǎn)物含量低于完全混合的厭氧氧反應(yīng)器與膜生物反應(yīng)器結(jié)合形式，有著較低程度的膜污染。然而，由于載體膨脹所需的大量能量消耗，在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)選擇載體的類(lèi)型和顆粒的尺寸對(duì)膜污染和操作成本具有重大影響

1.2 去除污染物

由于膜的保留，與常規(guī)厭氧過(guò)程相比，厭氧膜生物反應(yīng)器在去除有機(jī)污染物以及固體懸浮固體方面具有很大的改進(jìn)。不同厭氧膜生物反應(yīng)器工藝，在對(duì)某些低濃度合成或者是高濃度有機(jī)廢水與城市實(shí)際廢水進(jìn)行處理的操作條件和操作效果。當(dāng)厭氧膜生物反應(yīng)器對(duì)濃度低的城市污水進(jìn)行處理時(shí)，有機(jī)負(fù)荷范圍為0.3～5.0kg氧氣需求/（m3·d），需求氧氣的平均去除率約為80%，高達(dá)95%，固體懸浮物的去除率會(huì)有99%。當(dāng)厭氧膜生物反應(yīng)器對(duì)濃度高的有機(jī)廢水進(jìn)行處理時(shí)，一般有機(jī)負(fù)荷高于5.0kg氧氣需求/（m3·d），穩(wěn)定運(yùn)行期間反應(yīng)器的氧氣去除率為80%～90%，最高達(dá)99%。高效的厭氧膜生物反應(yīng)器在去除城市污水中的大多數(shù)痕量有機(jī)污染物，有著比較好的效果，如藥物，個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品以及內(nèi)分泌干擾物。Dutta、Monsalvo等人應(yīng)用兩級(jí)厭氧流化床結(jié)合膜生物反應(yīng)器與上流式厭氧污泥床結(jié)合膜生物反應(yīng)器對(duì)城市污水進(jìn)行處理，一些微量有機(jī)物達(dá)到90%以上的去除率，該機(jī)制包括厭氧生物降解，生物載體或者是顆粒污泥的吸附，以及膜保留。但是，厭氧膜生物反應(yīng)器處理城市廢水中氮與磷的效果有限，需要通過(guò)后續(xù)工藝進(jìn)一步去除或再循環(huán)。

1.3 影響因素

用于城市廢水處理的類(lèi)型不同反應(yīng)器的典型工藝參數(shù)，其中有污泥停留時(shí)間、有機(jī)負(fù)載、水力停留時(shí)間和溫度。厭氧膜生物反應(yīng)器在污泥停留時(shí)間長(zhǎng)的條件下操作（大于30d），而類(lèi)型不同的反應(yīng)器水力停留時(shí)間范圍不同。全混合厭氧反應(yīng)器結(jié)合膜生物反應(yīng)器運(yùn)行需要較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間較長(zhǎng)（大于10h）;上流式厭氧污泥覆蓋結(jié)合膜生物反應(yīng)器在水力停留時(shí)間通常是10h左右;厭氧流化床結(jié)合膜生物反應(yīng)器具有最短的水力停留時(shí)間，可穩(wěn)定運(yùn)行，不超過(guò)8h。隨著水力停留時(shí)間的減少，污泥負(fù)荷將增加，這可能影響氧氣需求去除率，甲烷產(chǎn)率以及厭氧膜生物反應(yīng)器的純度。然而，一些研究表明，水力停留時(shí)間的減少對(duì)流出物的需氧量幾乎沒(méi)有影響，這主要是因?yàn)槟さ谋Ａ簟Ｔ趨捬跎锏慕到膺^(guò)程中溫度會(huì)對(duì)其造成很大影響。在高溫下，微生物有較高活性，溫度降低，微生物就會(huì)隨之降低活性，水解速率也會(huì)因此降低，就會(huì)降低需氧量去除率以及甲烷產(chǎn)率。特別是當(dāng)溫度降到15℃以下時(shí)，甲烷在水中的溶解度增加，導(dǎo)致甲烷回收率下降。然而，一些研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期低溫操作能夠改變厭氧生物反應(yīng)器中的微生物結(jié)構(gòu)，主導(dǎo)細(xì)菌是氫型產(chǎn)甲烷菌，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的甲烷產(chǎn)生。不只考慮水力停留時(shí)間和溫度，甲烷回收率也受到進(jìn)水需氧量和硫酸鹽比率的影響。為了將甲烷產(chǎn)率提高，可以對(duì)溫度和水力停留時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而減少進(jìn)水硫酸鹽。

2 厭氧膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用前景

在近幾年，很多研究證明了厭氧膜生物反應(yīng)器工藝，在城市處理污水中的應(yīng)用具有經(jīng)濟(jì)性和可操作性。但是城市污水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)素未被有效去除，這就是厭氧膜生物反應(yīng)器的在城市污水處理中應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。在這樣的情況下，研究人員嘗試將其他技術(shù)結(jié)合厭氧膜生物反應(yīng)器，以達(dá)到去除和回收氮、磷的目的：（1）結(jié)合厭氧氨氧化技術(shù)。厭氧氨氧化技術(shù)把NO2-N當(dāng)做電子受體，將污水中的氨氮氧直接化成氮?dú)狻Ｔ诘蜏貤l件下，氨氮（大于80%）與總氮去除率（大于75%）更高，應(yīng)用在污水脫氮方面有良好的潛力。（2）結(jié)合光合自養(yǎng)技術(shù)。厭氧膜生物反應(yīng)器的出水含有很多氮和磷營(yíng)養(yǎng)物，能夠成為光合生長(zhǎng)微藻的基質(zhì)，生物固氮因此實(shí)現(xiàn)，微藻也能作為能源再循環(huán)利用。（3）結(jié)合生物電化學(xué)系統(tǒng)。對(duì)氧氣需求進(jìn)行去除時(shí)，通過(guò)生物電化學(xué)方法以無(wú)機(jī)沉淀的形式回收污水中的氮和磷，能夠用作農(nóng)業(yè)肥料，去除氨氮效率會(huì)有83.4%。去除磷的效率約為52.4%。

3 結(jié)論

厭氧膜生物反應(yīng)器近年來(lái)因能耗低，殘留污泥少，能量回收率高，出水水質(zhì)好而備受關(guān)注。然而，對(duì)操作條件，微生物結(jié)構(gòu)，膜污染處理和厭氧膜生物反應(yīng)器過(guò)程間相互作用的研究并不完善。但在現(xiàn)階段這一技術(shù)已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注，加強(qiáng)研究和應(yīng)用，這一技術(shù)會(huì)有非常良好的應(yīng)用前景和研究空間。

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收稿日期：2019-01-26

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)涛膹V（1989-），男，漢族，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向?yàn)楣虖U綜合利用與污染治理。