厭氧膜生物反應(yīng)器在廢水處理中研究及發(fā)展方向
水資源短缺是全球面臨的一項難題，將廢水處理后回用可以有效緩解水資源的供需矛盾〔1, 2〕。在現(xiàn)有的各類廢水處理技術(shù)中，好氧生物處理技術(shù)因其發(fā)展較為成熟而占據(jù)了很大的優(yōu)勢，但其存在能耗高、污泥產(chǎn)量高以及資源回收率低等缺點。而傳統(tǒng)厭氧處理需滿足下列條件：(1)生物反應(yīng)器必須被加熱到中溫(30～40 ℃)或高溫(50～60 ℃)的溫度;(2)需要較長的污泥齡(SRT);(3)需要進(jìn)行后處理以確保出水達(dá)標(biāo)排放〔3, 4, 5〕。由于早期厭氧反應(yīng)器的處理條件較高，厭氧處理技術(shù)沒能較好地用于污水處理過程。隨著以UASB及EGSB為代表的第二、三代厭氧反應(yīng)器在高濃度有機廢水處理中的成功應(yīng)用，厭氧生物處理及其耦合技術(shù)日益受到研究人員的重視〔6〕。
厭氧膜生物反應(yīng)器(anaerobic membrane bioreactors，AnMBR)作為厭氧處理技術(shù)和膜生物反應(yīng)器的耦合，它同時具備了二者的優(yōu)缺點，盡管目前對AnMBR的研究大部分僅限于實驗室或小試規(guī)?！?, 8〕，但其已成為研究的一個熱點。筆者從AnMBR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AnMBR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。
1 AnMBR的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀
1.1 AnMBR的組成及分類
AnMBR通常由厭氧反應(yīng)器和膜過濾系統(tǒng)2部分組成，不考慮膜過濾系統(tǒng)，厭氧反應(yīng)器中最常用的是連續(xù)攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)(CSTR)。另外，UASB、EGSB、流化床系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用于其中。厭氧反應(yīng)器的設(shè)計必須保證有足夠的生物停留時間(SRT)，這樣在很大程度上可以減少懸浮生物質(zhì)與膜接觸的時間，避免膜污染的發(fā)生〔9〕。膜過濾系統(tǒng)有3種構(gòu)型存在：外部橫流、內(nèi)部浸沒和外部浸沒〔10〕，如圖 1所示。
（1）外部橫流式AnMBR反應(yīng)器；（2）內(nèi)部浸沒式AnMBR反應(yīng)器；（3）外部浸沒式AnMBR反應(yīng)器。
圖 1 3種AnMBR 結(jié)構(gòu)配置示意
在外部橫流結(jié)構(gòu)中，膜組件與生物反應(yīng)器是分開的，膜在滲透壓作用下正常運行，加壓泵將厭氧反應(yīng)器中的固體混合液打入膜組件的過濾端，通過壓力作用使混合液中的液體透過濾膜，大分子物質(zhì)則被濾膜截留，隨濃縮液直接回流到厭氧反應(yīng)器中。在內(nèi)部浸沒式膜結(jié)構(gòu)中，膜直接浸入在生物反應(yīng)器中的懸浮生物液中，通過施加于膜的真空度產(chǎn)生滲透壓進(jìn)行過濾。另外，膜組件也可位于獨立于主生物反應(yīng)器的外部腔室中，但仍淹沒在懸浮生物液中并在真空條件下進(jìn)行操作。
1.2 AnMBR膜材料和膜組件的研究
選擇合適的膜材料和膜組件是反應(yīng)器設(shè)計的關(guān)鍵。應(yīng)用于AnMBR的膜材料可分為3種形態(tài)：疏水性有機聚合膜、金屬膜和非金屬膜(陶瓷膜)〔11, 12, 13〕。其中，有機聚合膜因性能良好并具有經(jīng)濟性而得到廣泛應(yīng)用，最常用的疏水性有機聚合膜材料主要有聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚砜(PES)膜，占市場份額的75%以上〔14〕。平板膜、管狀膜和中空纖維膜是AnMBR中最常用的3種膜組件，其過濾特征如表 1所示〔6〕。
I. J. Kang等〔15〕研究了不同膜材料對膜污染的影響并對其污染特征進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機膜和非有機膜存在完全不同的污染特征。Y. He等〔16〕采用不同截留分子質(zhì)量的PES膜研究了膜孔徑對AnMBR過濾效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膜孔徑的大小對污染物的去除效果影響很小。
1.3 AnMBR與其他廢水處理技術(shù)的比較
將AnMBR與其他污水處理技
術(shù)進(jìn)行了比較，如表 2所示。
由表 2可以看出，AnMBR集合了傳統(tǒng)好氧、厭氧技術(shù)和好氧膜生物反應(yīng)器的諸多優(yōu)勢，它具有不耗能、可回收燃料氣體、產(chǎn)泥量少等眾多優(yōu)點〔17, 18〕。
1.4 AnMBR在城市生活污水處理中的應(yīng)用及研究
由于城市生活污水中的污染物濃度較低，較短的水力停留時間難以保證厭氧顆粒污泥的緩慢生長，加之單純的厭氧處理技術(shù)難以滿足處理出水達(dá)標(biāo)排放，因此，長久以來鮮有研究者將厭氧處理技術(shù)單獨應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理中。AnMBR作為厭氧處理技術(shù)和膜處理技術(shù)的結(jié)合，既可以保證處理出水達(dá)標(biāo)排放，同時也可降低污泥的產(chǎn)量，成為一種可持續(xù)的污水生物處理技術(shù)。但近年來有關(guān)AnMBR在不同城鎮(zhèn)污水及其模擬廢水處理中的應(yīng)用研究結(jié)果表明〔19〕，經(jīng)傳統(tǒng)AnMBR處理，大部分污水的COD最大去除率>70%，由此可見，以傳統(tǒng)AnMBR處理技術(shù)來處理城鎮(zhèn)污水效果并不是很理想。因此，更多的研究偏向于將膜組件融合于新型厭氧處理技術(shù)中以達(dá)到對AnMBR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改良。厭氧折流板反應(yīng)器作為第三代新型高效反應(yīng)器具有諸多優(yōu)勢，Shaowei Hu等〔20〕將AnMBR與厭氧折流板反應(yīng)器進(jìn)行耦合應(yīng)用于城市生活污水處理中，在進(jìn)水COD為1 600 mg/L，NH4 -N 為80 mg/L的條件下，COD和NH4 -N去除率分別達(dá)到59.5%和83.5%。A. S.Kappell等〔21〕將好氧硝化膜組件置于厭氧連續(xù)攪拌反應(yīng)器中處理高濃度有機廢水，結(jié)果表明，COD去除率>90%，硝酸鹽氮去除率>95%。Yu Tao等〔22〕將膜組件應(yīng)用于厭氧SBR工藝中處理人工模擬廢水，使得厭氧氨氧化活性增加了19倍，顯示了膜反應(yīng)器在處理低速增殖有機物上的優(yōu)點。
1.5 AnMBR在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用及研究
目前，應(yīng)用AnMBR處理的工業(yè)廢水主要包括2大類：食品類工業(yè)廢水和非食品類工業(yè)廢水。非食品類工業(yè)廢水包括造紙、化工、制藥、石油、紡織等行業(yè)廢水，由于其組成復(fù)雜、污染物濃度高、毒性大，處理難度較大，而AnMBR在處理這類具有高鹽、高溫、高懸浮物濃度和高毒性的廢水方面具有較大優(yōu)勢。D. Y. Lee等〔23〕比較了浸沒式AnMBR和CSTR的產(chǎn)氫性能，通過比較發(fā)現(xiàn)，AnMBR的產(chǎn)氫速率為2.43～2.56 L/(L?d)，比CSTR的產(chǎn)氫速率高約2.6倍，說明AnMBR具有較高的產(chǎn)氫能力。A. Torres等〔24〕采用氣提式AnMBR處理啤酒廢水，結(jié)果表明，其具有高效產(chǎn)氫能力及較高的液體回流率，使得在控制膜污染方面更有效果。S. I. Padmasiri等〔25〕研究了在高剪切流速(0.9～2 m/s)條件下AnMBR處理豬糞廢水的性能，結(jié)果表明，盡管濾餅層阻力的降低可使膜的生物活性得到改善，但剪切速率的突然改變可能對其仍具有負(fù)面影響。
2 AnMBR在廢水處理中面臨的技術(shù)難題
截至目前為止，針對AnMBR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)?！?0, 26, 27〕，主要原因有3點：(1)AnMBR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MBR更嚴(yán)重;(2)AnMBR中生物質(zhì)氣體能源的回收存在技術(shù)性困難;(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。
2.1 膜污染的機理研究
膜污染是各類膜生物反應(yīng)器技術(shù)都面臨的難題之一，膜結(jié)垢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)(水溶性有機物、進(jìn)料膠體粒子、細(xì)胞裂解和無機沉淀物)形成的。圖 2總結(jié)了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)器膜污染機理的研究較多，并取得了大量的成果，雖然AnMBR與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AnMBR的膜污染機理存在著眾多難點有待解決〔28〕。
圖 2 影響膜污染的因素
2.2 膜污染的控制和管理
膜污染的控制措施對于整個反應(yīng)器的運行效果至關(guān)重要，研究者通過采用不同的措施來緩解膜污染。如：在AnMBR啟動過程中將其作為傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器短暫操作運行，可減少進(jìn)水中細(xì)微顆粒物在膜面的附著〔29〕;又如：保持AnMBR膜組件錯流運行，可以減少顆粒物在其上面的沉積，但高剪切流速同樣會造成細(xì)顆粒物的流出，從而影響反應(yīng)器的運行效果〔30〕。在采用AnMBR技術(shù)處理高鹽含油廢水中，將超聲波清洗〔31〕應(yīng)用于膜污染控制過程得到了良好效果，此外，將氣體射流〔32〕、活性炭添加〔33〕、沸石-濾膜分析器〔34〕等技術(shù)應(yīng)用到試驗研究過程中也達(dá)到了良好的膜污染控制效果。
總體來說，減緩AnMBR膜結(jié)垢的方式主要有3種：(1)在高通量條件下短時間運行，然后采用強酸、強堿及氧化劑等進(jìn)行反沖洗，清洗膜面附著物;(2)在“臨界通量”水平操作條件下，只進(jìn)行間歇性反沖洗和清洗;(3)可以嘗試通過流體動力學(xué)條件來操作反應(yīng)器，減少溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)/膠體在反應(yīng)器內(nèi)的增量，從而減少膜結(jié)垢程度〔35〕。
2.3 操作運行參數(shù)的控制
AnMBR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。AnMBR工藝中的微生物會隨時間以附著和懸浮2種形式增殖，微生物以懸浮形式增殖，對于其活性可起到促進(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)，J. H. Ho 等〔36〕的研究表明，AnMBR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AnMBR中惰性固體積累。此外，S. I. Padmasiri等〔25〕的研究表明，增加錯流速度，會導(dǎo)致厭氧消化性能變差。
2.4 AnMBR微生物生態(tài)學(xué)
厭氧消化過程中微生物區(qū)系復(fù)雜、種類繁多，同一反應(yīng)器在不同操作條件下，同一顆粒污泥在不同發(fā)育階段，微生物的生長增殖規(guī)律、環(huán)境適應(yīng)性及生物活性都會影響其所占比例。厭氧消化過程正是由這些微生物所進(jìn)行的一系列生物化學(xué)的耦合反應(yīng)，由于厭氧反應(yīng)器內(nèi)部各區(qū)域生態(tài)位的差異，造成非產(chǎn)甲烷細(xì)菌、產(chǎn)甲烷細(xì)菌出現(xiàn)有規(guī)律的演替，通過各種群之間的相互利用、相互制約，構(gòu)成一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，從而保證了生物代謝過程的正常進(jìn)行。因此，AnMBRs是培養(yǎng)生長緩慢微生物的優(yōu)秀系統(tǒng)。
AnMBRs內(nèi)微生物種群的分布受濾餅層、反應(yīng)器容積以及濾餅層深度的影響顯著。隨著濾餅層深度的增加，外濾餅層表面比內(nèi)濾餅層表面會變得松散，易隨生物液流出導(dǎo)致膜堵塞。隨著濾餅層加厚及微生物種群的增加，膜結(jié)垢現(xiàn)象也逐漸增多。研究發(fā)現(xiàn)〔37〕，附著于濾餅層上的主要細(xì)菌種群中隸屬于厚壁菌門的占到42.3%，α-變形菌占到30.8%，而古生菌主要是甲烷八疊球菌屬和甲烷螺旋菌屬。
3 AnMBR技術(shù)未來研究發(fā)展趨勢
(1)多種條件下AnMBR膜污染機理的研究。膜污染涉及多個方面，關(guān)于膜污染機理的研究一直是AnMBR研究的關(guān)鍵和核心。由于溶解性有機質(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)對膜污染機理的影響研究也是未來研究的重點。
(2)不同膜材料和膜組件在AnMBR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AnMBR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AnMBR的膜結(jié)構(gòu)將成為研究熱點〔38〕。同時，靠濾層生物量形成的非實體動態(tài)膜和繼發(fā)性膜的增殖狀況、細(xì)菌增殖條件、處理效率和運行機理也將是研究的重點。
(3)極端環(huán)境條件下AnMBR技術(shù)的應(yīng)用研究。由于厭氧菌生長速率緩慢，厭氧過程操作最適溫度為35 ℃，溫度的變化會導(dǎo)致膜通量降低;另外，有研究表明產(chǎn)甲烷菌在低溫條件下產(chǎn)生的甲烷量會更多，但該過程中產(chǎn)生的甲烷氣體回收利用難度較大。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AnMBR技術(shù)一個新的研究方向。
(4)AnMBR反應(yīng)動力學(xué)及數(shù)值模擬技術(shù)的研究。AnMBR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AnMBR反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行研究。AnMBR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AnMBR技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，加強反應(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。
(5)AnMBR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AnMBR技術(shù)在出水水質(zhì)方面的處理效果并不很理想。將AnMBR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AnMBR的出水水質(zhì)。
(6)AnMBR技術(shù)在痕量有機物污染控制上的應(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污染物是城鎮(zhèn)污水處理中的熱點和難點，研究通過AnMBR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。
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