原標(biāo)題：

厭氧膜生物反應(yīng)器處理有機(jī)廢水研究進(jìn)展

摘 要：

高濃度及工業(yè)企業(yè)難降解有機(jī)廢水直接排放水體會嚴(yán)重危害環(huán)境安全和人類健康。 結(jié)合膜生物反應(yīng)器的使用，出現(xiàn)了將厭氧工藝和膜分離工藝結(jié)合在一起的新型廢水處理技術(shù) ——厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)，具有高效處理高濃度及工業(yè)有機(jī)廢水能力。針對 AnMBR 高效處理有機(jī)廢水相關(guān)問題，研究了影響反應(yīng)器降解有機(jī)物效率的因素和反應(yīng)器能量回收與 利用的情況，并對膜污染問題進(jìn)行了討論，展望了 AnMBR 綠色生物處理技術(shù)的發(fā)展前景。結(jié) 果表明，在生物降解過程中的胞外多聚物及一些可溶性微生物產(chǎn)物抵抗了對微生物的抑制作 用，通過對膜材料的改性、調(diào)節(jié)混合液的性質(zhì)以及采用動力學(xué)調(diào)控的方法可減緩膜污染。 AnMBR 可以有效地處理有機(jī)廢水，但仍然面臨著技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的巨大挑戰(zhàn)。將 AnMBR 與其 他工藝結(jié)合處理一般生物處理法難以處理的人工合成的化學(xué)物質(zhì)可產(chǎn)生可以回收利用的能 源，提高 AnMBR 商業(yè)化的可行性；這為以后 AnMBR 的廣泛應(yīng)用提供了新思路。

關(guān)鍵詞：

有機(jī)廢水；厭氧膜生物反應(yīng)器；厭氧工藝；膜污染；能量回收；影響因素；水環(huán)境 保護(hù)；水污染治理

作者簡介：

陶冉（1997-），女，碩士研究生，主要從事污廢水處理及其資源化方向研究。E-mail:942530525@qq.com;

賈學(xué)斌 （1971-），男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士，主要從事污廢水處理及其資源化方向研究。E-mail:jxb511@163.com;

基金：

黑龍江省自然科學(xué)基金聯(lián)合引導(dǎo)項(xiàng)目（LH2019E074);

0 引言

高濃度及工業(yè)企業(yè)有機(jī)廢水具有種類繁多、化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand, COD)值高、色度重、成分復(fù)雜、難降 解、酸堿性強(qiáng)等特點(diǎn) 。排入水體之后，可造成水中溶解氧減少，影響魚類和其他水生生物的生長，破壞水環(huán)境生態(tài)，危害環(huán)境 和人類安全。這類廢水通常采用傳統(tǒng)生物法進(jìn)行處理時，很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境水體要求 ，因此，選擇合適的方法處理有機(jī) 廢水，使其水質(zhì)達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)是十分有必要的 。高濃度及工業(yè)企業(yè)有機(jī)廢水來源包括養(yǎng)殖、屠宰、肉類加工及焦化廠廢 水、造紙廠廢水、制藥廠廢水、印染廠廢水 。有機(jī)廢水的分類如表1所列。

表1 有機(jī)廢水的分類

厭氧生物處理技術(shù)在處理高濃度及上述工業(yè)企業(yè)有機(jī)廢水時，比單純利用好氧生物處理技術(shù)相比更具有抵抗沖擊負(fù)荷、剩余污泥產(chǎn)量少、節(jié)約運(yùn)行成本、降低能源 消耗、回收可利用沼氣能源等優(yōu)勢 。

膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor, MBR)是將污水生物處理工藝和膜組件相結(jié)合的一種污水處理工藝，它同時具有兩種生物處理工藝和膜處理工藝的特點(diǎn)。MB R占地面積小、出水水質(zhì)質(zhì)量高，是處理有機(jī)廢水的新型工藝 。MBR最早是由GRETHLEIN等 將一個外置式膜組件引入到城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)處理城鎮(zhèn) 生活污水有機(jī)廢水，厭氧膜生物反應(yīng)器(Anaerobic Membrane Bioreactor, AnMBR)是一種將厭氧發(fā)酵工藝與膜分離工藝相結(jié)合的污水處理工藝，是由Shelf最早進(jìn)行 研究的 。此后，由于膜工藝?yán)碚撆c技術(shù)以及膜材料技術(shù)的限制，MBR理論及技術(shù)的研究推廣在一定時期內(nèi)相對處于停滯狀態(tài)。

進(jìn)入到20世紀(jì)90年代后期，隨著膜材料技術(shù)飛躍發(fā)展，以及AnMBR工藝和理論技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，加之AnMBR工藝不需要曝氣，且產(chǎn)生剩余污泥較少，且 能夠產(chǎn)生甲烷，具有好氧MBR不具有的優(yōu)點(diǎn)，以及AnMBR可以處理好氧MBR難處理難降解的有機(jī)廢水，膜組件使用壽命相比好氧MBR更長一些，很多專家學(xué)者有重 新把目光重新關(guān)注到AnMBR的研究推廣上。KANAI M 等在研究處理食品垃圾廢水過程中，AnMBR的體積可以減小為傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵槽體積的1/5~1/3，并且可以 產(chǎn)生生物能支持可持續(xù)發(fā)展。LIN等 在關(guān)于AnMBR的應(yīng)用、膜污染問題及未來展望中指出，AnMBR在高濃度有機(jī)廢水的處理方面應(yīng)用前景非常好，但是大規(guī)模推 廣還需要有很多問題需要討論研究。

由于膜污染問題阻礙了AnMBR大規(guī)模推廣應(yīng)用。研究學(xué)者對膜污染的相關(guān)問題進(jìn)行了大量研究，通過對膜組件改性、調(diào)整反應(yīng)器組合方式、調(diào)整反應(yīng)器運(yùn)行參 數(shù)、與其他工藝結(jié)合等來控制或緩解膜污染，AnMBR工藝又可以大力研究和推廣使用了 。

表2 國內(nèi)外采用AnMBR處理有機(jī)廢水處理現(xiàn)狀

1 AnMBR性能

1.1 有機(jī)廢水的處理

近些年，國內(nèi)外學(xué)者分別對易降解有機(jī)廢水、難降解有機(jī)廢水和有毒有害型有機(jī)廢水的處理分別進(jìn)行了研究。國內(nèi)外采用AnMBR處理3種不同類型的有機(jī)廢水處理 如表2所列。AnMBR具備污泥濃度高、泥齡長、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在處理高濃度廢水、低能耗運(yùn)行方面具有好氧MBR無法替代的優(yōu)勢，已經(jīng)在高濃度和復(fù)雜有機(jī)廢水 處理方面展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。AnMBR中的膜組件有三種組合形式，即外部錯流式、內(nèi)部浸沒式、外部浸沒式 ，如圖1所示。

圖1 膜組件有三種組合形式

1.2 影響AnMBR反應(yīng)器去除有機(jī)物效率的因素

1.2.1 溫度

溫度是影響AnMBR去除有機(jī)物效能的重要因素。AnMBR可以在高溫(50~60℃)或中溫(30~40℃)條件下運(yùn)行 。如果AnMBR在低溫條件下運(yùn)行，生物量增長放 緩并且需要更長的固體停留時間(Solid Retention Time, SRT)來穩(wěn)定系統(tǒng) 。AnMBR啟動可以在適宜條件下相對較快地實(shí)現(xiàn) 。大多研究者都更傾向于研究具有普 適性的中溫條件下的AnMBR反應(yīng)器運(yùn)行。王浩宇 等在利用一體式AnMBR處理生活污水試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，AnMBR在35℃條件下的COD平均去除率是90%，在25℃條件 下的COD的平均去除率為77.1%。李玥 處理模擬苯并噻唑廢水時，觀察到35℃、25℃和15℃條件下，出水COD的去除率分別為89.9±1.1%、88.6±1.5%和69.3±2. 9mg/L，認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：厭氧污泥中的微生物對溫度感知比較敏感，溫度降低導(dǎo)致酶活性降低，影響了基質(zhì)的擴(kuò)散速率，導(dǎo)致反應(yīng)器對COD的去除率明 顯降低；當(dāng)將溫度從35℃調(diào)整至25℃時，COD去除率也比較穩(wěn)定這是因?yàn)閰捬跷勰嘧陨砭哂幸欢ǖ牡挚箿囟鹊哪芰?。Ferrari等 通過研究中溫條件下的微生物群落 結(jié)構(gòu)和活性如果AnMBR中的溫度由低溫狀態(tài)一旦恢復(fù)到23℃和35℃會增加中溫菌群的活性，中溫菌群在整個反應(yīng)過程中占主導(dǎo)地位。JAEHO 等 在保持其他條件 不變的情況下，將AnMBR分別在25℃和15℃下運(yùn)行，COD去除率分別為95%和85%，這說明了溫度降低對AnMBR的去除效率有較大的影響。曾慶鵬等 分別在溫 度為(14℃~27℃)和(30℃~32℃)下的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)由于溫度升高可以增強(qiáng)厭氧微生物的活性，COD去除率從75%增加到88.4%。

對比上述數(shù)據(jù)，可以明顯的看到，溫度是影響 AnMBR運(yùn)行的重要因素，因此，溫度降低導(dǎo)致酶活性降低，導(dǎo)致反應(yīng)器對COD的去除率明顯降低，在23℃~35℃條 件下，中溫菌群在整個反應(yīng)過程中占主導(dǎo)地位。因此，在合適的溫度范圍下，適當(dāng)提高溫度，可以提高AnMBR反應(yīng)器內(nèi)的微生物活性，提高反應(yīng)速率。

1.2.2水力停留時間

水力停留時間(Hydraulic Retention Time, HRT)是指污水與MBR內(nèi)厭氧微生物作用的平均反應(yīng)時間。HRT的長短對AnMBR的處理效率是有一定的影響。BERKES SA等 在厭氧條件下，使用AnMBR反應(yīng)器去除MLSS濃度為22.00g/L的、MLVSS濃度為13.00 g/L的合成的高濃度有機(jī)廢水(葡萄糖(30.96g)，乙酸鈉(19.23g)，氯 化銨(4.30g)，磷酸氫二鉀(1.60g)，酵母提取物(1.00g)，其試驗(yàn)結(jié)果表明，HRT為47d，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時COD去除率> 98％，兩個反應(yīng)器的平均滲透通量分別達(dá)到5 8.70L/(m ·h)和54.00 L/(m ·h)，這是由于HRT增加，生物膜上的異養(yǎng)細(xì)菌氯氟沙星被還原，從而導(dǎo)致膜通量增加，說明長HRT對增加膜通量是有利的。朱凱 處理 高濃度啤酒人工合成廢水(第一階段COD含量為1000mg/L,第二階段COD含量為1500~4000mg/L)，觀察到當(dāng)HRT時間高于18h時改變HRT對AnMBR的影響不大，CO D的去除率增幅不大且相對穩(wěn)定；當(dāng)HRT小于18h時候，AnMBR對COD的去除率大幅減小，這是由于HRT若小于響應(yīng)面的中心點(diǎn)，反應(yīng)器有可能會出現(xiàn)揮發(fā)性脂肪酸 (Volatility Fat Acid, VFA)的累積進(jìn)而不斷影響AnMBR內(nèi)的菌群活性降低導(dǎo)致反應(yīng)器處理效率下降。WANDERA等 使用浸沒式平板厭氧膜生物反應(yīng)器處理生活污水 時，觀察了HRT與跨膜壓差(Transmembrane Pressure,TMP)剖面圖，從圖中發(fā)現(xiàn)當(dāng)HRT從20d到10d時，TMP從-3.91升至-5.8 L/（m ·h），斜率相對水平，此時可 以看出膜污染最小。EVANS等 處理篩選后的生活污水，COD有機(jī)負(fù)荷為1.3~1.4 kg ·m ·d 觀察到粒狀活性碳(Granular activated carbon, GAC)流態(tài)化AnMB R的HRT比氣體噴射AnMBR短65%，AnMBR中懸浮固體和膠體有機(jī)物的濃度更高。BURMAN等 根據(jù)以往對飼料廢水的研究發(fā)現(xiàn)在整個試驗(yàn)期間，反應(yīng)器的總HRT 保持在2d不變。除取樣目的外，在整個操作期間未抽出污泥樣品。由于該HRT對COD的去除率較高(89~90%)，可以將HRT優(yōu)化為2d。

基于AnMBR運(yùn)行泥水分離的運(yùn)行特點(diǎn)，也有學(xué)者對長時間保持SRT運(yùn)行及跨膜壓差的狀態(tài)進(jìn)行了研究。污泥停留時間（Sludge Retention Time, SRT）指曝氣池 微生物細(xì)胞的平均停留時間，表示為懸浮固體物質(zhì)從反應(yīng)器前后被排出的時間間隔，又稱為污泥齡 。SRT對維持微生物功能群的平衡，維持群落活性，提高固體廢 物向液相釋放有機(jī)物的效率起著重要作用 。GIMéNEZ等 利用AnMBR處理生活污水，HRT變化范圍為6h~20h，SRT為70d, 穩(wěn)定運(yùn)行期間COD的平均去除率為 87%，出水COD平均濃度為77mg/L。王浩宇 使用一體式AnMBR處理生活污水則觀察到當(dāng)HRT在0.25d~3d之間，當(dāng)HRT大于1d時，AnMBR內(nèi)的微生物菌群大部分 已經(jīng)發(fā)揮了最高的處理能力，增大HRT不會大幅度提高AnMBR對COD的去除率反而會增大能源消耗，保持AnMBR的SRT在300d，整個運(yùn)行期間AnMBR并未出現(xiàn)酸 現(xiàn)象。ADEM等 將AnMBR和AeMBR在SRT為無限、60d、30d的條件下研究了AnMBR處理紡織廢水的性能的影響，AnMBR的HRT控制在2.1±0.13d，AeMBR的H RT控制在1.55~1.0d, 發(fā)現(xiàn)由于生物質(zhì)濃度的降低，SRT降低使短時間內(nèi)平均COD去除率從86%下降至65%。

因此，從上述數(shù)據(jù)，可知長的HRT和SRT對AnMBR反應(yīng)器的整體是有利的，而且甚至在HRT超過最適HRT一定程度時，AnMBR反應(yīng)器依舊正常運(yùn)行只是能耗增 加，并且少有出現(xiàn)產(chǎn)酸現(xiàn)象，SRT的長短也影響AnMBR反應(yīng)器的處理效率，增加SRT的運(yùn)行時間會使得AnMBR系統(tǒng)穩(wěn)定。長的HRT的雖能提高去除率，但卻降低了 反應(yīng)器的運(yùn)行效能，因此解決增加SRT同時減少HRT的矛盾問題也是AnMBR亟待解決的操控問題。

1.2.3 有機(jī)負(fù)荷率

有機(jī)負(fù)荷率(Organic Load Rate, OLR)是指單位體積濾料(或池子)單位時間內(nèi)所能去除的有機(jī)物量，它是生物濾池(或曝氣池)設(shè)計和運(yùn)行的重要參數(shù) ，OLR對A nMBR中的微生物生長代謝和維持反應(yīng)器正常運(yùn)行十分重要。SVOJITKA等 研究用AnMBR處理制藥廢水和化學(xué)工業(yè)廢水，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證認(rèn)為，OLR為2.5 kgCOD· m ·d 時，COD去除率約為90%。XIAO等 利用中試規(guī)模的AnMBR，在OLR為4.7gCOD/(L·d)的強(qiáng)度條件下處理廚房廢水泥漿試驗(yàn)，結(jié)果表明在140d穩(wěn)定運(yùn)行且 無污泥排放的情況下，COD的去除效率可以達(dá)到78％。曹琦等 研究表明，使用AnMBR處理餐廚垃圾廢水，OLR為15.00 kg ·m ·d 時，各物質(zhì)的去除率、產(chǎn)氣 量和系統(tǒng)穩(wěn)定性都保持較高水平，COD去除率達(dá)98%。當(dāng)將OLR升高至20.00 kg ·m ·d 時，膜表面球形桿菌屬占40.23%，古菌屬含量為4.42%，膜表面微生物 豐度發(fā)生變化，OLR升高影響了膜表面的微生物豐度從而加劇膜污染。TOMOHIRO等 研究了正常運(yùn)行了120d的AnMBR，突然將OLR從2.3 kg ·m ·d 增加到1 1.6 kg ·m ·d 時的微生物群落動態(tài)變化情況，研究表明，OLR突然大幅度提高，VFA積累突增，產(chǎn)酸菌群占優(yōu)勢，使得產(chǎn)甲烷菌落被破壞。ARVIND 等 觀察 到，當(dāng)OLR從1.36 kg ·m ·d 增加到3.18 kg ·m ·d 時，出水COD去除率由94.1±2.5%降至90.2±1.4%，OLR過高處理效果會變差。

通過分析表明，AnMBR可以處理各種OLR濃度的有機(jī)廢水，OLR升高容易導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)VFA積累，甲烷菌無法及時利用造成累積影響AnMBR正常運(yùn)行，OLR升 高也影響了膜表面的微生物豐度加劇了膜污染，導(dǎo)致反應(yīng)器處理效果變差，因此，選取合適的OLR對AnMBR的運(yùn)行是十分重要的。

1.3 能量回收與成本

AnMBR與MBR相比，剩余污泥產(chǎn)量少，不需要向反應(yīng)器中鼓入氧氣并將可生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氣態(tài)能量載體CH 得以回收 ，JEISON等 通過運(yùn)行價 值50萬歐元/套及4.6萬歐元/套的凈水處理設(shè)備試驗(yàn)表明，目前的能量回收相對于膜材料及運(yùn)行成本來說不值得一提，但卻是趨勢和好的開始。Kim等 研究了AnMB R的產(chǎn)能問題，使用AnMBR反應(yīng)器處理高濃度(進(jìn)水總COD為513mg/L)易降解有機(jī)廢水，推斷出為維持反應(yīng)器流態(tài)所需的總能量大約占產(chǎn)生CH 的30%，數(shù)值為0.058 (kw·h)/m ，也即僅使用所產(chǎn)生的30％的甲烷就可以覆蓋該能量，其中AnMBR消耗0.028 (kw·h)/m 。Pretel等 使用AnMBR處理城市污水的研究發(fā)現(xiàn)其能源需求為 0.07 (kw·h)/m ，遠(yuǎn)低于MBR（0.3-0.55 (kw·h)/m ）和傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)(0.19 (kw·h)/m )，因此，就能量消耗而言，AnMBR工藝比其他當(dāng)代廢水處理技術(shù)更具能源 效率。MALEKI等 以2000 m /d的流量估算了一個在中溫條件下處理麥芽廢水的AnMBR反應(yīng)器的資本成本和運(yùn)營成本分別為360萬美元和420209美元/年。在低溫 過程中，將產(chǎn)生的沼氣在90%的高效冷凝爐中燃燒，每天可產(chǎn)生63383MJ的能量。所產(chǎn)生的能量可用于AnMBR裝置所需的能量。以每立方米甲烷0.5美元的價格出售 所生產(chǎn)的沼氣 ，每年可獲得323846美元的收入，這可以抵消很大一部分運(yùn)營成本。

AnMBR技術(shù)有可能以靈活的方式與其他處理技術(shù)相結(jié)合，利用其工業(yè)企業(yè)中間副產(chǎn)物生產(chǎn)產(chǎn)品或回收能量，如PAN 等 使用乙醇和醋酸為原料(乙醇/醋酸=3)An MBR反應(yīng)器長期生產(chǎn)乙酸，生產(chǎn)可以利用的能源。PEYMAN等 利用細(xì)菌厭氧膜生物反應(yīng)器(PAnMBR)與紫外技術(shù)結(jié)合，即在紫外低照度下處理城市污水的光反應(yīng)， 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，比紅外和普通照明結(jié)合的技術(shù)能源成本最高可以降低高達(dá)97%。SERGI等 將AnMBR與正滲透(FO)、反滲透(RO)相結(jié)合處理城市污水并通過敏感性 分析表明，當(dāng)在閉環(huán)方案中將FO回收率限制為50％時，實(shí)現(xiàn)的最低廢水處理成本估計為0.81€m 。低FO膜通量被確定為限制因素，達(dá)到10 L/(m ·h)的FO通量將顯著 提高FO-RO-AnMBR系統(tǒng)在污水處理中的競爭力。AnMBR技術(shù)也可以通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)或工藝來減少能源消耗，如張淳之等 研究發(fā)現(xiàn)，AnMBR內(nèi)構(gòu)件的改造設(shè)計 與內(nèi)部流態(tài)特性的變化之間有很深且重要的聯(lián)系，通過改造反應(yīng)器內(nèi)的構(gòu)件設(shè)計來選擇合適的流態(tài)特性，可以降低運(yùn)行成本，提高反應(yīng)器去除效率，進(jìn)而提高出水水 質(zhì)。因此，盡管膜成本隨著科技的發(fā)展在慢慢減低，但它們?nèi)匀皇窍拗颇ど锓磻?yīng)器應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。

因此，AnMBR凈水能耗雖高于其他，但在回收甲烷技術(shù)，反應(yīng)器水力器結(jié)構(gòu)完善、膜技術(shù)的進(jìn)步，與其他工藝相結(jié)合處理廢水一定會大有發(fā)展。

2 膜污染問題

膜污染是由于顆粒物、膠體、可溶性有機(jī)物、無機(jī)物、微生物細(xì)胞等沉積在膜的表面、孔隙和孔隙內(nèi)壁，使得膜孔徑變小或者堵塞，從而造成膜通量降低和透膜壓 差升高的現(xiàn)象 。膜污染是MBR的主要缺點(diǎn)之一，它阻礙了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，影響了膜通量，增加了膜組件的成本。膜污染的獨(dú)特特征表明，厭氧消化過程中產(chǎn)生的 無機(jī)污染物和微生物膜表面的沉積量比好氧MBR膜表面低 ，但由于AnMBR通常在較低的膜滲透通量下運(yùn)行 ，且AnMBR的具有低污泥可過濾性的特點(diǎn)，這也 加劇了膜污染 。

2.1 影響膜污染的因素

膜污染一般是由于進(jìn)樣基質(zhì)中的各種成分之間以及這些成分和膜表面之間的復(fù)雜物理、化學(xué)和生物相互作用引起的 。膜污染機(jī)制主要有 ：（1）污染物 和膠體在膜表面和膜內(nèi)部的吸附；（2）污泥絮體沉積在膜表面；（3）膜表面泥餅層的形成；（4）形成凝膠層；（5）在系統(tǒng)長時間的運(yùn)行過程中，污染物組成的變 化。已有研究發(fā)現(xiàn)濾餅的形成是控制適用膜滲透通量 和臨界通量 的主要因素。膜污染會導(dǎo)致膜組件堵塞，膜的截留作用減小，使得膜壽命降低及運(yùn)行成本增加 等。AnMBR膜污染通常包括生物污染、有機(jī)污染和無機(jī)污染(氮、磷等無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)) 。影響其膜污染的因素有直接因素和間接因素，直接因素包括胞外多聚物(EP S)、粒徑分布(PSD)、可溶性微生物產(chǎn)物(SMP)污染等；間接因素是廢水特性及運(yùn)行因素帶來的膜污染，主要包括HRT、SRT、攪拌速度、OLR、溫度和pH值等 。 相關(guān)研究表明，高剪切應(yīng)力能夠降低微生物活性和生物絮凝作用，同時還可以增加混合液中SMP的釋放量，使膜污染程度減弱 。PEYMAN等 處理城市污水 時發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行過程中AnMBR反應(yīng)器中的污染物及中間過程產(chǎn)物很容易附著在膜表面，導(dǎo)致膜通量和分離效率顯著降低，同時也發(fā)現(xiàn)，橫流操作能夠減少膜上的顆粒沉 積，每當(dāng)橫流速度增加時，膜的性能都會得到改善 。BéRUBé等 研究發(fā)現(xiàn)，膜通量主要受TMP值和膜松弛持續(xù)時間的影響，剪切力在膜污染中起著非常重要的 作用。王順 研究AnMBR反應(yīng)器處理含酚廢水時也發(fā)現(xiàn)，錯流流速增大，大顆粒造成膜污染程度大大減小 。

膜組件是 AnMBR的核心組成，膜材料、孔隙率、親水性等都會影響系統(tǒng)的整體性能 。膜組件可以按照膜材質(zhì)的不同，分為無機(jī)膜和有機(jī)膜。有機(jī)膜組件和無 機(jī)膜對比如表3所列。

表3 有機(jī)膜組件和無機(jī)膜對比

KANG等 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(jī)膜和無機(jī)膜存在完全不同的污染特征。ZHANG 等 研究發(fā)現(xiàn) EPS 與三種膜之間親和能力順序?yàn)? PAN＜PVDF＜PES，即 PAN 膜具有更強(qiáng)的抗污能力。GAO等 分別用聚偏氟乙烯膜(PVDF)和聚醚酰亞胺膜處理超濾區(qū)的廢水，結(jié) 果發(fā)現(xiàn)，后者比前者污染速度得更快 ；納米材料用于膜表面改性技術(shù)引起廣泛關(guān)注，比如將TiO 納米顆粒加入以PVDF為基膜的膜表面，該膜對蛋白質(zhì)有較好的抗 污染性 ，這證明了膜材料在結(jié)垢中的重要性。

以上資料表明，膜污染是影響AnMBR運(yùn)行效率及降低運(yùn)行成本的重要因素，膜材料及高剪切力的操作運(yùn)行對于膜污染的減緩與提高運(yùn)行周期及效率是重要的因 素，因此膜材料的技術(shù)發(fā)展及AnMBR機(jī)理及操控技術(shù)進(jìn)步是AnMBR是推廣和使用的最重要的技術(shù)支撐。

2.2 胞外多聚物和可溶性微生物產(chǎn)物

在AnMBR反應(yīng)器中，活性污泥與污水混合液特性決定了膜過濾的性能和出水水質(zhì)，而表征活性污泥與污水混合液特性的兩個重要因素有胞外多聚物(EPS)和可溶 性微生物產(chǎn)物(SMP) 。EPS是指通過不同的化學(xué)和物理方法提取的與細(xì)胞表面結(jié)合的有機(jī)高分子 ，起到維持活性污泥的形態(tài)和形狀 ，起到保護(hù)微生物的 作用 。SMP是指由于細(xì)胞溶解、EPS水解以及微生物與周圍環(huán)境相互作用而釋放到原來混合液中的微生物產(chǎn)物 ，大多研究者認(rèn)為，EPS和SMP的變化與膜污染 的加劇或緩解程度密切相關(guān)，并且隨著EPS和SMP濃度的增加，膜組件的過濾阻力也隨之增加 ，EPS的組成、微生物的活性都會受到剪應(yīng)力的影響，可能會影響S MP的后續(xù)釋放 。

EPS，SMP主要由多糖和蛋白質(zhì)組成 ，對膜污染影響可以通過比較其中的多糖和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況從而分析出微生物對有機(jī)物質(zhì)的耐受性。李碩等 研究發(fā)現(xiàn)，EPS在廢水處理的過程中起著重要的作用，EPS中多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的因質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同而影響EPS的帶電性和親水性，導(dǎo)致顆粒污泥的帶電性和親水性 的不同。柳鋒等 將生物接觸氧化法(Biological contact oxidation reactor,BCOR)與MBR結(jié)合，利用三維熒光光譜對上清液的SMP的微生物特性進(jìn)行研究，分析組 合工藝膜污染的變化原因，為合理控制膜污染提供新思路。賈學(xué)斌等 在對厭氧微生物降解苯酚過程中胞外蛋白（Protein, PN）及多糖（Polysaccharide, PS）變化 研究中發(fā)現(xiàn)，胞外多聚物(EPS)和可溶性微生物產(chǎn)物(SMP)是微生降解有機(jī)物過程中產(chǎn)生的耐受性應(yīng)激反應(yīng)，微生物為提高對苯酚毒性的耐受性，分泌大量的EPS和P N來抵抗苯酚毒性，當(dāng)苯酚濃度為100mg/L時，PN值增加2倍多。

由以上分析和研究表明，胞外多聚物(EPS)和可溶性微生物產(chǎn)物(SMP)是微生降解有機(jī)物過程中產(chǎn)生的耐受性應(yīng)激反應(yīng)，由此對膜過濾性能造成不利及污染加劇， 這是AnMBR運(yùn)行效能的兩面性，因此，解決控制EPS和SMP濃度與膜過濾性能矛盾，也是決定AnMBR能否快速推廣使用的重要的一方面。

2.3 膜污染的減緩措施

通常情況下，膜污染分為可去除污染、不可去除污染和不可逆污染?？扇コ廴臼怯伤缮⒏街奈勰嘈跄镌谀け砻嫔闲纬蔀V餅層造成的，它可以通過物理清洗方 法(如反沖洗)去除；不可去除污染是由于膜孔堵塞和過濾期間膜表面強(qiáng)烈附著的污泥引起的，歸因于膜孔堵塞，它可以通過化學(xué)清洗方法(如酸性清洗)去除 。而不可 逆污染則是永久性污染 ，現(xiàn)有技術(shù)方法都無法將其徹底消除。TOMOHIRO 等 采用高通量測序的方法研究了AnMBR膜組件的微生物組分，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由原核生 物和真核生物組成的附著生物膜，膜最下層的污垢呈網(wǎng)狀，由絲狀的微生物或有機(jī)物組成，膜上層的污垢通過沉積形成了濾餅層，主要是非細(xì)胞區(qū)域，分析表明，膜材 料上的微生物與污泥中的微生物不盡相同，膜材料上的微生物上的微生物形成不利于減緩膜污染。LIAO等 在反應(yīng)器運(yùn)行過程中，利用AnMBR短期階段性的操作， 可以有效減少膜污染，分析表明，反應(yīng)器階段性的短期運(yùn)行，膜表面污垢并未成型，可以有效減少膜污染。

有些學(xué)者更傾向于改變膜材料表面性能或在反應(yīng)器投加吸附及絮凝材料從而提高膜材料的特性，減輕膜污染的研究。KOCHKODAN等 在膜表面利用UV/氧化 還原引發(fā)的接枝聚合和用親水性聚合物層對膜進(jìn)行物理涂覆改性的方法，通過調(diào)整膜粗糙度、膜親水性和膜電荷等參數(shù)，可以很好地減少膜的微生物污染。PENG等 利用熱誘導(dǎo)相分離(TIPS)技術(shù)對β相聚偏二氟乙烯(PVDF)平板膜進(jìn)行澆鑄，然后進(jìn)行高壓極化處理，使PVDF膜具有壓電特性，并在AnMBR處理廢水同時施加電場 時，壓電β-PVDF膜可有效地減輕膜污染。ZHEN等 利用在AnMBR反應(yīng)器中投加聚氯化鋁(Poly Aluminum Chloride，PAC)處理合成污水(COD為500±50 mg/L， 氨氮為40±5 mg/L，總磷為5.0±0.5 mg/L，沒有添加懸浮固體)時，發(fā)現(xiàn)即便是在長期運(yùn)行(超過140d)后，仍能有效控制膜污染，且在HRT為8h時，膜污染的速率從3.1 2kPa/d降低至0.89 kPa/d。ZHANG等 利用在MBR反應(yīng)器中添加PAC，試驗(yàn)得到PAC最佳補(bǔ)充比率為1.67％時，可以有效的膜污染緩解和增強(qiáng)的優(yōu)勢細(xì)菌結(jié)構(gòu)。 考慮PAC是推進(jìn)AnMBR應(yīng)用的一種有前途的方法。降低膜污染的效果。同樣，YANG等 研究也發(fā)現(xiàn)，投加PAC進(jìn)行吸附可以減少25％的膜清洗和膜組件更換費(fèi) 用。

也有學(xué)者通過生物群體猝滅(Quorum-quenching, QQ)和超聲波等技術(shù)方法，來研究膜污染的機(jī)理，以期獲得較好的減緩膜污染的效果。XU等 研究了AnMBR 生物群體猝滅對膜污染機(jī)制和生物產(chǎn)能的影響，研究表明，QQ能改變EPS濃度和減緩濾餅層(Cake layer，CL)的形成，且對COD去除和甲烷回收沒有造成任何影響。 在王珂等 研究AnMBR厭氧消化反應(yīng)過程時，也發(fā)現(xiàn)膜組件上主要污染物質(zhì)來自于濾餅層，并使用原位在線超聲波控制技術(shù)來控制和減緩濾餅層的污染，借助高能 超聲波脈沖，將膜材料與其污染物分離，較好地減緩了膜污染程度。

由貼近膜材料的絲狀微生物和有機(jī)物組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及其之上的沉淀污垢形成的濾餅層，是膜污染及通過性阻力的主要因素，可通過膜材料熱誘導(dǎo)相分離及高壓極化 處理改性、反應(yīng)器投加聚氯化鋁和粉末活性炭、生物群體猝滅及高能超聲波脈沖等方式，可以有效改善膜過濾性和膜污染現(xiàn)象，提高膜的使用壽命及水處理的成本降 低。

3 結(jié)論

（1）AnMBR是一種將厭氧發(fā)酵工藝與膜分離工藝相結(jié)合的污水處理新型工藝，具備污泥濃度高、泥齡長、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，隨著膜工藝?yán)碚撆c技術(shù)以及 膜材料技術(shù)的進(jìn)步，在高濃度廢水和復(fù)雜有機(jī)廢水的處理、低能耗運(yùn)行方面一定展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景，必將成為一種有前途的綠色生物處理技術(shù)。

（2）溫度、HRT及OLR等是影響AnMBR反應(yīng)器去除效率及減輕膜污染的重要操控因素。合適溫度范圍下適當(dāng)提高溫度，可以提高微生物活性，提高反應(yīng)速率。 適當(dāng)長的HRT和SRT對AnMBR反應(yīng)器的去除效率提高是有利的，且少有出現(xiàn)產(chǎn)酸現(xiàn)象，但長的HRT對于去除效能不利；OLR升高容易導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)VFA積累，也影響 了膜表面的微生物豐度，加劇了膜污染。因此，解決減小HRT與運(yùn)行效能之間的矛盾，以及提高反應(yīng)器高OLR下的膜污染問題，對于AnMBR反應(yīng)器推廣使用和運(yùn)行是 較為重要的研究內(nèi)容。

（3）目前的AnMBR反應(yīng)器的能量回收相對于膜材料及運(yùn)行成本雖不值得一提，但在解決膜材料性能、AnMBR反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)水利條件及與紫外技術(shù)、滲透技術(shù) 及其他工藝等結(jié)合后一定會大有發(fā)展的。

（4）膜污染是影響AnMBR運(yùn)行效率及降低運(yùn)行成本的重要因素。貼近膜材料的絲狀微生物和有機(jī)物組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及其之上的沉淀污垢形成的濾餅層，是膜污染及 通過性阻力的主要原因；胞外多聚物(EPS)和可溶性微生物產(chǎn)物(SMP)有利于加強(qiáng)微生在降解有毒有害的物質(zhì)，但也能對膜過濾性能造成不利及污染加劇。因此，解決 控制EPS和SMP濃度與膜過濾性能矛盾，是決定AnMBR能否快速推廣使用的重要的一方面。

（5）利用UV/氧化還原引發(fā)的接枝聚合、用親水性聚合物層對膜進(jìn)行物理涂覆改性、熱誘導(dǎo)相分離（TIPS）技術(shù)對β相聚偏二氟乙烯（PVDF）平板膜進(jìn)行澆鑄及 高壓極化處理等方法改變膜材料表面性能及高剪切力的階段性短期操作運(yùn)行或投加聚氯化鋁和粉末活性炭、群體猝滅及高能超聲波脈沖等方式，可以有效改善膜過濾性 和膜污染現(xiàn)象，提高膜的使用壽命及水處理的成本降低，這是決定能否使AnMBR反應(yīng)器快速推廣使用的技術(shù)關(guān)鍵。

4 展望

AnMBR是一種處理有機(jī)廢水有前途的綠色生物工藝，具有產(chǎn)生可在生能源的巨大潛力。AnMBR工藝的推廣和使用具有很大的發(fā)展前景。

（1）在膜材料技術(shù)及AnMBR反應(yīng)器生物降解機(jī)理研究有了長足進(jìn)步之后，水處理建設(shè)成本及運(yùn)行成本一定會大大降低。

（2）在解決了溫度、HRT及OLR等操控因素的最佳技術(shù)參數(shù)之后，AnMBR反應(yīng)器一定會在運(yùn)行效能和能量回收方面有長足進(jìn)步。

水利水電技術(shù)

水利部《水利水電技術(shù)》雜志是中國水利水電行業(yè)的綜合性技術(shù)期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內(nèi)外公開發(fā)行。本刊以介紹我國水資源的開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護(hù)，以及水利水電工程的勘測、設(shè)計、施工、運(yùn)行管理和科學(xué)研究等方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)為主，同時也報道國外的先進(jìn)技術(shù)。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建筑、工程施工、工程基礎(chǔ)、水力學(xué)、機(jī)電技術(shù)、泥沙研究、水環(huán)境與水生態(tài)、運(yùn)行管理、試驗(yàn)研究、工程地質(zhì)、金屬結(jié)構(gòu)、水利經(jīng)濟(jì)、水利規(guī)劃、防汛抗旱、建設(shè)管理、新能源、城市水利、農(nóng)村水利、水土保持、水庫移民、水利現(xiàn)代化、國際水利等。