1、天津市市政工程设计研究院 天津市 300392;2、天津市水务局 天津市 300392
摘要：厌氧膜生物反应器由厌氧技术与膜分离技术结合发展而来，目前用于处理生活污水的研究主要集中于小试及中试规模，进水多采用合成废水及实际生活污水，COD维持在200~700 mg/L，COD去除率多在70%~90%之间变化，去除效果受厌氧主体反应器构型、膜组件形式、外界环境、运行条件等因素影响。通过浅析厌氧膜生物反应器处理生活污水的试验研究，探讨用于实际工程的可行性。
关键词：厌氧膜生物反应器；生活污水；试验研究；
厌氧生物处理技术，目前多用于高浓度废水处理领域，诸如食品加工废水、酿造废水、屠宰废水、造纸废水等[1]非生活污水。在处理高浓度废水时，厌氧微生物无需曝气，更不需额外增加碳源，整个处理过程的剩余污泥产量少，设备投资、运行成本均低于好氧技术，同时还可产生沼气形式的能源。厌氧处理效果与厌氧主体反应器的构型有关，构型越复杂，处理效果越好，相应的运行维护管理难度越大，而随着膜分离技术的不断发展，厌氧膜生物反应器应运而生，膜的高效截留作用在简化厌氧反应器构型的同时也可维持反应器内较高的生物量。
1 厌氧反应器的发展
1895年世界上第一个厌氧化粪池的出现，标志着厌氧技术开始用于污水处理，经过上百年的时间，厌氧反应器的发展历经三代。1950s之前的厌氧反应器中厌氧污泥与待处理废水完全混合，污泥停留时间（Sludge Retention Time, SRT）与废水停留时间（Hydraulic Retention Time, HRT）相同，厌氧污泥浓度偏低，处理效果较差，第一代厌氧反应器仅适用于污泥与粪肥的消化。为了获取更好的处理效果，深挖厌氧技术的应用潜力，必须尽可能延长SRT并减小HRT，实现二者的分离。随着1960s微生物固定化技术的迅速发展，第二代厌氧反应器取得重大突破，上流式厌氧污泥床（Upflow Anaerobic Sludge Bed, UASB）更被认为是厌氧反应器发展史上的一个里程碑，它创造性地使反应器内的污泥保持颗粒状态，与厌氧滤器（Anaerobic filter, AF）相比，无需固体填料也可保持高浓度厌氧污泥，而后基于UASB又开发了厌氧固定膜膨胀床反应器（Anaerobic Expended Bed, AEB），厌氧流化床（Anaerobic Fluid Bed, AFB），第二代厌氧反应器实现了SRT与HRT的有效分离，可以满足高有机负荷工业废水的处理要求。但是气液上升流速过快、有机负荷过高时，第二代厌氧反应器内容易形成短流、造成堵塞，影响处理效果，为了满足化工、生化及生物工程工业等超高有机负荷工业废水的处理要求，对UASB进行再次设计和改进，发明了以厌氧升流式流化床（Upflow Anaerobic Bed Filter, UABF）反应器、折流式厌氧（Anaerobic Baffled Reactor, ABR）反应器、膨胀颗粒污泥床（Expanded Granular S1udge Bed, EGSB）反应器、内循环反应器（Interior Circulation, IC）为代表的第三代厌氧反应器，克服了高速气液上升流速的影响，使待处理废水与厌氧颗粒污泥接触更为充分，极大的缩短了运行HRT，使其远小于SRT，提高了反应器的有机负荷和处理效率。
关于厌氧技术用于处理工业废水的研究及案例已屡见不鲜，但厌氧技术不会局限于非生活污水的处理，厌氧技术的低成本优势正日益推动越来越多的学者从事生活污水的厌氧处理研究，这在能源日趋匮乏的形式下显得格外重要。
2 厌氧膜生物反应器
1978年Grethlein[2]首次提出厌氧膜生物反应器（Anaerobic Membrane Bioreactor，AnMBR）的概念，膜的高效截留作用实现了厌氧反应器SRT与HRT的完全分离，效果好过构型复杂的第三代厌氧反应器，同时膜技术的应用起到了传统污水处理工艺中二沉池的作用，简化了工艺流程。
AnMBR中膜的渗透出水有压力驱动和真空驱动两种方式，前者称为外置错流式，后者称为浸没式，浸没式又根据膜的浸没位置可分为内置浸没式与外置浸没式，膜组件与厌氧主体反应器共同组成厌氧膜生物反应器，因此影响AnMBR运行的因素可以概括为膜的运行特性和厌氧微生物生物活性两个方面。
2.1 厌氧膜生物反应器膜的运行特性
AnMBR中膜的运行特性不但受到膜自身固定参数、膜组件形式的影响，还与整个反应器的组态方式以及膜的运行方式有关。
膜自身固定参数包括膜材料、膜通量、过滤精度等。AnMBR用到的膜材料主要为聚合物如聚乙烯、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜，此外也有陶瓷膜，Smith A L等[3]在其综述中提到，膜材料不同，膜污染发生的类型及污染程度也不同。用于AnMBR的膜，根据膜孔径大小分微滤膜（孔径大于0.05 μm）和超滤膜（孔径在0.002~0.05 μm之间），超滤膜的渗透阻力大于微滤膜，运行能耗更大，因此多采用微滤膜。对于给定的膜，有标称的最大运行膜通量，实际运行膜通量低于此值，最终的运行膜通量由反应器运行参数而定。
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不同膜材料构成的膜组件不外乎平板膜、管状膜、中空纤维膜三种，而目前已报道的AnMBR处理生活污水的研究中没有采用管状膜的案例，中空纤维膜用的最多，平板膜用的较少， AnMBR的组态形式多为浸没式，其中厌氧主体反应器则以UASB、AFB以及完全搅拌混合式厌氧反应器为主。
AnMBR中膜的运行方式有连续运行和间歇运行两种。膜渗透出水仅可在短时间内以连续运行的方式进行，为降低能耗，延长因膜污染而发生的洗膜换膜周期，需采用间歇运行方式。膜的间歇运行由运行、停止（膜放松）、反冲洗三者构成，具体组合形式因具体研究而异。
2.2 厌氧微生物生物活性影响因素
AnMBR中厌氧微生物的生物活性受环境因素和反应器运行参数两个方面的影响，环境因素指的是厌氧反应器内的温度、pH、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）；反应器运行参数主要包括SRT、HRT、容积负荷率（Volume Loading Rate，VLR）。
2.2.1 环境因素
在35℃常温和55℃高温下，厌氧处理效果最好，厌氧微生物的生物活性在一定温度阈值内随温度升高而增加，过低的进水温度会影响厌氧处理效果，对低温废水进行预热会加大能耗，近年来不同学者在3~25℃的条件下开展了室温下AnMBR处理生活污水的运行特性和处理效果的研究，结果发现AnMBR处理合成废水和实际生活污水时，COD去除率最低为84%，最高可达到96%。
厌氧微生物生长最适宜的pH值在6.8~7.2之间，pH值超过8时,水解发酵菌和产氢产乙酸菌的活动会受到抑制[4]，从而影响产甲烷菌的生长和产甲烷活动。进水水质的波动会对AnMBR实际运行时系统内的pH值产生影响，因此需时常监测待处理废水水质的变化，以控制反应器内的pH值在合理范围内。
AnMBR系统内表征厌氧程度大小的参数是氧化还原电位（ORP），厌氧微生物体系的ORP值一般在-300 mV左右，属于低氧化还原电位体系，生存环境的温度高低及pH值大小会影响系统的ORP值。溶解氧（DO）的存在会与厌氧微生物细胞内及环境中的还原体系发生作用，升高ORP值，抑制厌氧微生物的生长活动，严重时会导致其死亡，因此需严格控制进水及厌氧体系内的DO值。
2.2.2 反应器运行因素
纵观厌氧反应器三代发展历程，不难发现厌氧技术的每一次革新都是将HRT与SRT进行更有效的分离，AnMBR因为膜的高效截留作用实现了SRT与HRT的完全分离，小试及中试规模的AnMBR处理生活污水时的SRT最短30~90 d，最长可达150~300 d。厌氧处理过程的污泥产量少，SRT的长短对污水处理效果的影响甚微，但过长的运行SRT会促进厌氧反应器内胞外多聚物以及溶解性微生物产物浓度的升高，进而影响膜污染。
HRT不但决定整个厌氧反应器的尺寸规模，也是AnMBR最重要的运行参数，目前AnMBR处理生活污水的研究案例中，HRT一般在3~24 h之间变化，小试规模的运行HRT多在12 h以下，目的在于验证低HRT下AnMBR处理生活污水的可行性。给定的AnMBR处理实际生活污水时，难免会出现水质波动情况，通过改变运行HRT可以提高或降低反应器的VLR，以确保获得良好的出水水质，生活污水相比工业废水而言有机物含量低，已报道的研究中，AnMBR处理实际生活污水时的运行VLR多集中在0.4~2.5 kgCOD/(m3·d)之间，而小试规模由于多采用合成废水，其运行VLR可达到12.50 kgCOD/(m3·d)。
运行HRT的改变不但可以影响污水处理效果，还会影响AnMBR中膜的跨膜压差（Transmembrane Pressure, TMP），通常用TMP值的变化趋势来表征膜污染发生周期的长短。HRT越短，TMP值短时间内升高越快，对应膜污染发生周期越短；HRT越长，TMP值短时间内的变化幅度越小，对应膜污染发生周期越长，研究[5]表明不同类型AnMBR的运行HRT对TMP的影响是相似的。
3 结论
AnMBR集成了厌氧技术和膜分离技术的优势，可以在低温环境、低运行HRT下有效去除生活污水中的COD，出水富含氮磷等营养元素，比较适用于农业发达的农村地区。AnMBR集约程度高，投入运行成本低，基于试验研究在未来应用于实际工程时需优化厌氧体系的环境以及反应器的运行条件，尽最大限度延缓膜污染发生周期，及时做好维护管理工作。
参考文献:
[1] 吴平,吴慧芳. 废水厌氧处理工艺的发展[J]. 工业安全与环保,2006,09:22-24.
[2] Grethlein H E. Anaerobic digestion and membrane separation of domestic wastewater[J]. Journal (Water Pollution Control Federation), 1978: 754-763.
[3] Smith A L, Stadler L B, Love N G, et al. Perspectives on anaerobic membrane bioreactor treatment of domestic wastewater: a critical review[J]. Bioresource technology, 2012, 122: 149-159.
[4] 钱泽澍. 沼气发酵微生物学. 杭州: 浙江科学技术出版社, 1986.
[5] Huang Z, Ong S L, Ng H Y. Submerged anaerobic membrane bioreactor for low-strength wastewater treatment: effect of HRT and SRT on treatment performance and membrane fouling[J]. Water research, 2011, 45(2): 705-713.
论文作者:荆延龙1,张平2
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/10
标签：反应器论文; 污水论文; 废水论文; 污泥论文; 微生物论文; 效果论文; 技术论文; 《防护工程》2019年第5期论文;