摘要：近年来，污水处理技术得到了进一步的发展，污水的能量回收可以保证污水的质量。厌氧生物技术不仅可以净化污水，而且可以产生大量高热值的甲烷能源，在污水处理中得到了广泛的应用。但目前还存在产甲烷量低、反应器运行不稳定、出水水质排放标准难以达标等问题。
关键词：厌氧膜生物反应器；污水处理；技术
一、厌氧生物处理技术基本原理
废水厌氧生物处理技术又称厌氧消化技术，是指在厌氧条件下多种专性厌氧或兼性厌氧微生物的共同作用使污水内的有机物分解转化为小分子有机物和无机物、同化为细胞物质并产生沼气（主要成分为二氧化碳和甲烷等）的过程，在自然界及人工指导控制下均普遍存在厌氧生物处理过程。
早在1630年Elmeut第一次发现了由生物质厌氧消化可产生可燃的甲烷气体的现象。但囿于当时技术手段匮乏，致使人们对于参与该过程的厌氧微生物的认识和研究不足，直至1934年Velekian和Hungute发明了厌氧培养技术，实现厌氧微生物的有效分离、培养和转化，为后续产甲烷菌的研究创造了基础条件，从而使Bryant在1967年将Omeliansky分离出的共生的奥氏甲烷杆菌分纯，得到甲烷杆菌MOH菌属，同时也证实了产甲烷菌和产氢菌间的相互关系，推动了厌氧微生物学的进展。
由于厌氧微生物的生长繁殖需要严格的厌氧条件及其分离、鉴定及分析过程均存在难度，因此直到1978年，我国科研人员及学者才开始厌氧微生物学的研究工作。1980年厌氧培养操作技术的发明者、美国学者Hungate教授来华讲学，促进了我国厌氧微生物学和厌氧生物处理技术的研究工作。自1980年以来，我国科研人员对厌氧微生物学和废水厌氧生物处理技术进行了大量的探索和研究工作，大大的提高了我国厌氧工艺水平。
现有针对厌氧生物处理过程的主流理论是由Bryant于1979年在已有厌氧微生物生化过程的研究基础上提出的“厌氧消化三阶段理论”。该理论认为，厌氧消化过程由水解阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段构成，产甲烷菌只能直接利用乙酸、H2、CO2和甲醇等小分子物质进行生理生化反应，长链脂肪酸等大分子有机物必须经过水解和产氢产乙酸过程转化为乙酸、H2和CO2等以后，才能被产甲烷菌利用。与此同时，Zeikus于同年在“第一届国际厌氧消化会议”上提出了“四类群学说”。该理论认为，复杂的有机物的厌氧消化过程有四个类群的厌氧微生物参与，分别为水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌（又称耗氢产乙酸菌）以及产甲烷菌。这两种理论相辅相成，共同构成了主流厌氧消化理论，具体如下图1所示。
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图1厌氧消化过程的“三阶段理论”和“四类群学说”
图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示三阶段理论；图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示四类群学说
二、厌氧膜生物反应器的工艺操作效果及影响因素
1、厌氧膜生物反应器的典型工艺
通过分离厌氧反应器和膜形成厌氧膜生物反应器。有四种常用的厌氧反应器：分别是完全混合的厌氧反应器，厌氧流化床、上流式厌氧污泥床和厌氧污泥膨胀床反应器。完全混合厌氧反应器与膜生物反应器结合，操作较为简单，成本低，使用广泛，但有着较差的出水质量，造成的膜污染会比较严重。相比之下，完全混合厌氧反应器与膜生物反应器结合、上流式厌氧污泥床与膜生物反应器结合这两种形式，具有污泥颗粒较大，膜污染较少等特点，有机工业废水浓度高，处理应用程序的潜力很大。厌氧污泥膨胀床反应器与膜生物反应器结合，以及厌氧流化床与膜生物反应器结合，这两种形式由于添加载体而具有较低的悬浮污泥浓度，并且上清液中溶解的微生物产物含量低于完全混合的厌氧氧反应器与膜生物反应器结合形式，有着较低程度的膜污染。然而，由于载体膨胀所需的大量能量消耗，在设计反应器时选择载体的类型和颗粒的尺寸对膜污染和操作成本具有重大影响
2、去除污染物
由于膜的保留，与常规厌氧过程相比，厌氧膜生物反应器在去除有机污染物以及固体悬浮固体方面具有很大的改进。不同厌氧膜生物反应器工艺，在对某些低浓度合成或者是高浓度有机废水与城市实际废水进行处理的操作条件和操作效果。当厌氧膜生物反应器对浓度低的城市污水进行处理时，有机负荷范围为0.3～5.0kg氧气需求/（m3·d），需求氧气的平均去除率约为80%，高达95%，固体悬浮物的去除率会有99%。当厌氧膜生物反应器对浓度高的有机废水进行处理时，一般有机负荷高于5.0kg氧气需求/（m3·d），稳定运行期间反应器的氧气去除率为80%～90%，最高达99%。高效的厌氧膜生物反应器在去除城市污水中的大多数痕量有机污染物，有着比较好的效果，如药物，个人护理产品以及内分泌干扰物。Dutta、Monsalvo等人应用两级厌氧流化床结合膜生物反应器与上流式厌氧污泥床结合膜生物反应器对城市污水进行处理，一些微量有机物达到90%以上的去除率，该机制包括厌氧生物降解，生物载体或者是颗粒污泥的吸附，以及膜保留。但是，厌氧膜生物反应器处理城市废水中氮与磷的效果有限，需要通过后续工艺进一步去除或再循环。
3、影响因素
用于城市废水处理的类型不同反应器的典型工艺参数，其中有污泥停留时间、有机负载、水力停留时间和温度。厌氧膜生物反应器在污泥停留时间长的条件下操作（大于30d），而类型不同的反应器水力停留时间范围不同。全混合厌氧反应器结合膜生物反应器运行需要较长的水力停留时间较长（大于10h）;上流式厌氧污泥覆盖结合膜生物反应器在水力停留时间通常是10h左右;厌氧流化床结合膜生物反应器具有最短的水力停留时间，可稳定运行，不超过8h。随着水力停留时间的减少，污泥负荷将增加，这可能影响氧气需求去除率，甲烷产率以及厌氧膜生物反应器的纯度。然而，一些研究表明，水力停留时间的减少对流出物的需氧量几乎没有影响，这主要是因为膜的保留。在厌氧生物的降解过程中温度会对其造成很大影响。在高温下，微生物有较高活性，温度降低，微生物就会随之降低活性，水解速率也会因此降低，就会降低需氧量去除率以及甲烷产率。特别是当温度降到15℃以下时，甲烷在水中的溶解度增加，导致甲烷回收率下降。然而，一些研究发现，长期低温操作能够改变厌氧生物反应器中的微生物结构，主导细菌是氢型产甲烷菌，可以实现稳定的甲烷产生。不只考虑水力停留时间和温度，甲烷回收率也受到进水需氧量和硫酸盐比率的影响。为了将甲烷产率提高，可以对温度和水力停留时间进行调整，进而减少进水硫酸盐。
结束语
厌氧膜生物反应器以其能耗低、剩余污泥少、能量回收高、出水水质好等优点近年来备受关注。然而，对操作条件、微生物结构、膜污染处理和厌氧膜生物反应器工艺之间相互作用的研究还不全面。但在现阶段，该技术已被广泛关注，加强研究和应用，该技术将具有很好的应用前景和研究空间。
参考文献
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论文作者:李艳丽
论文发表刊物:《城镇建设》2020年 1期
论文发表时间:2020/3/17
标签：甲烷论文; 生物反应器论文; 反应器论文; 污泥论文; 微生物论文; 水力论文; 乙酸论文; 《城镇建设》2020年 1期论文;