水資源短缺是面臨的一項(xiàng)難題,將廢水處理后回用可以有效緩解水資源的供需矛盾。在現(xiàn)有的各類(lèi)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(shì),但其存在能耗高、污泥產(chǎn)量高以及資源回收率低等缺點(diǎn)。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(zhǎng)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。由于早期厭氧反應(yīng)器的處理?xiàng)l件較高,厭氧處理技術(shù)沒(méi)能較好地用于污水處理過(guò)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(jī)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。
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(shí)具備了二者的優(yōu)缺點(diǎn),盡管目前對(duì)AnMBR的研究大部分于實(shí)驗(yàn)室或小試規(guī)模,但其已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)??屏秩A特技術(shù)部從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(shí)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(lèi)
AnMBR通常由厭氧反應(yīng)器和膜過(guò)濾系統(tǒng)2部分組成,不考慮膜過(guò)濾系統(tǒng),厭氧反應(yīng)器中常用的是連續(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(jì)必須保證有足夠的生物停留時(shí)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(shí)間,避免膜污染的發(fā)生。膜過(guò)濾系統(tǒng)有3種構(gòu)型存在:外部橫流、內(nèi)部浸沒(méi)和外部浸沒(méi),如圖 1所示:
圖1
(1)外部橫流式AnMBR反應(yīng)器;(2)內(nèi)部浸沒(méi)式AnMBR反應(yīng)器;(3)外部浸沒(méi)式AnMBR反應(yīng)器。
圖1三種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(kāi)的,膜在滲透壓作用下正常運(yùn)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(guò)濾端,通過(guò)壓力作用使混合液中的液體透過(guò)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(méi)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(guò)施加于膜的真空度產(chǎn)生滲透壓進(jìn)行過(guò)濾。另外,膜組件也可位于獨(dú)立于主生物反應(yīng)器的外部腔室中,但仍淹沒(méi)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(jì)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(jī)聚合膜、金屬膜和非金屬膜(陶瓷膜)。其中,有機(jī)聚合膜因性能良好并具有經(jīng)濟(jì)性而得到廣泛應(yīng)用,常用的疏水性有機(jī)聚合膜材料主要有聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚砜(PES)膜,占*的75%以上。平板膜、管狀膜和中空纖維膜是AnMBR中常用的3種膜組件,其過(guò)濾特征如表 1所示。
我公司研究了不同膜材料對(duì)膜污染的影響并對(duì)其污染特征進(jìn)行了比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),有機(jī)膜和非有機(jī)膜存在*不同的污染特征。我公司采用不同截留分子質(zhì)量的PES膜研究了膜孔徑對(duì)AnMBR過(guò)濾效果的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),膜孔徑的大小對(duì)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(shì),它具有不耗能、可回收燃料氣體、產(chǎn)泥量少等眾多優(yōu)點(diǎn)。
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(shí)間難以保證厭氧顆粒污泥的緩慢生長(zhǎng),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(zhǎng)久以來(lái)鮮有研究者將厭氧處理技術(shù)單獨(dú)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(shí)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(lái)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,經(jīng)傳統(tǒng)AnMBR處理,大部分污水的COD大去除率>70%,由此可見(jiàn),以傳統(tǒng)AnMBR處理技術(shù)來(lái)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(duì)AnMBR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改良。厭氧折流板反應(yīng)器作為第三代新型反應(yīng)器具有諸多優(yōu)勢(shì),我公司將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1600 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%。我公司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(jī)廢水,結(jié)果表明,COD去除率>90%,硝酸鹽氮去除率>95%。我公司將膜組件應(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(jī)物上的優(yōu)點(diǎn)。
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(lèi):食品類(lèi)工業(yè)廢水和非食品類(lèi)工業(yè)廢水。非食品類(lèi)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(lèi)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(shì)。我公司比較了浸沒(méi)式AnMBR和CSTR的產(chǎn)氫性能,通過(guò)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(shuō)明AnMBR具有較高的產(chǎn)氫能力。我公司采用氣提式AnMBR處理啤酒廢水,結(jié)果表明,其具有產(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。我公司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(duì)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(duì)AnMBR在廢水處理中的應(yīng)用研究絕大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室或中試規(guī)模,主要原因有3點(diǎn):(1)AnMBR中的運(yùn)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(duì)厭氧微生物生態(tài)學(xué)的微觀認(rèn)識(shí),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(jī)理研究
膜污染是各類(lèi)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(gè)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(jī)物、進(jìn)料膠體粒子、細(xì)胞裂解和無(wú)機(jī)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(lèi)型、工藝性能、生物系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)、水動(dòng)力條件以及生物反應(yīng)器的操作條件等。目前,對(duì)好氧膜生物反應(yīng)器膜污染機(jī)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(zhǎng)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(jī)理存在著眾多難點(diǎn)有待解決。
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(duì)于整個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行效果至關(guān)重要,研究者通過(guò)采用不同的措施來(lái)緩解膜污染。如:在AnMBR啟動(dòng)過(guò)程中將其作為傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器短暫操作運(yùn)行,可減少進(jìn)水中細(xì)微顆粒物在膜面的附著;又如:保持AnMBR膜組件錯(cuò)流運(yùn)行,可以減少顆粒物在其上面的沉積,但高剪切流速同樣會(huì)造成細(xì)顆粒物的流出,從而影響反應(yīng)器的運(yùn)行效果。在采用AnMBR技術(shù)處理高鹽含油廢水中,將超聲波清洗應(yīng)用于膜污染控制過(guò)程得到了良好效果,此外,將氣體射流、活性炭添加、沸石-濾膜分析器等技術(shù)應(yīng)用到試驗(yàn)研究過(guò)程中也達(dá)到了良好的膜污染控制效果。
總體來(lái)說(shuō),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(shí)間運(yùn)行,然后采用強(qiáng)酸、強(qiáng)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(guò)流體動(dòng)力學(xué)條件來(lái)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。
2.3 操作運(yùn)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(shí)間、污泥齡、膜面流速、溫度、操作壓力等。由于厭氧微生物生長(zhǎng)緩慢,所以必須維持較長(zhǎng)的污泥齡。成功的厭氧處理技術(shù)是將水力停留時(shí)間和污泥齡*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(huì)隨時(shí)間以附著和懸浮2種形式增殖,微生物以懸浮形式增殖,對(duì)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(shí),微生物產(chǎn)甲烷活性的增加也與溫度有關(guān),我公司技術(shù)部的研究表明,AnMBR在25 ℃條件下產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷效率比在15 ℃時(shí)更高,較長(zhǎng)泥齡或較短的水力停留時(shí)間對(duì)產(chǎn)甲烷活性有積極的影響,但泥齡的增加會(huì)導(dǎo)致AnMBR中惰性固體積累。此外,我公司技術(shù)部的研究表明,增加錯(cuò)流速度,會(huì)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(guò)程中微生物區(qū)系復(fù)雜、類(lèi)型繁多,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(zhǎng)增殖規(guī)律、環(huán)境適應(yīng)性及生物活性都會(huì)影響其所占比例。厭氧消化過(guò)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(guò)各種群之間的相互利用、相互制約,構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng),從而保證了生物代謝過(guò)程的正常進(jìn)行。因此,AnMBRs是培養(yǎng)生長(zhǎng)緩慢微生物的系統(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(huì)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),附著于濾餅層上的主要細(xì)菌種群中隸屬于厚壁菌門(mén)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(lái)研究發(fā)展趨勢(shì)
(1)多種條件下AnMBR膜污染機(jī)理的研究。膜污染涉及多個(gè)方面,關(guān)于膜污染機(jī)理的研究一直是AnMBR研究的關(guān)鍵和核心。由于溶解性有機(jī)質(zhì)(SMPs)是影響膜污染的關(guān)鍵物質(zhì),未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)其組成和反應(yīng)器中多種參數(shù)對(duì)其產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究。另外,針對(duì)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(yùn)行參數(shù)對(duì)膜污染機(jī)理的影響研究也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。
(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(huì)對(duì)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(huì)發(fā)生在表層膜結(jié)構(gòu)上,因此對(duì)表層膜結(jié)構(gòu)的改性和選擇實(shí)用新型原材料來(lái)構(gòu)建更適合AnMBR的膜結(jié)構(gòu)將成為研究熱點(diǎn)〔38〕。同時(shí),靠濾層生物量形成的非實(shí)體動(dòng)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(yùn)行機(jī)理也將是研究的重點(diǎn)。
(3)環(huán)境條件下AnMBR技術(shù)的應(yīng)用研究。由于厭氧菌生長(zhǎng)速率緩慢,厭氧過(guò)程操作適溫度為35 ℃,溫度的變化會(huì)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(huì)更多,但該過(guò)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(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)厭氧菌種,同時(shí)針對(duì)環(huán)境條件的改變?cè)O(shè)計(jì)適合甲烷氣體收集的新型反應(yīng)器來(lái)滿足實(shí)際研究和工程需要將是AnMBR技術(shù)一個(gè)新的研究方向。
(4)AnMBR反應(yīng)動(dòng)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(kāi)發(fā),目前仍停留在試驗(yàn)和中試規(guī)模上,鮮有對(duì)AnMBR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。AnMBR中涉及的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要有基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)、生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、膜生長(zhǎng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)以及污泥增殖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究AnMBR技術(shù)的重要理論基礎(chǔ),加強(qiáng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究將復(fù)雜生化過(guò)程和動(dòng)力學(xué)過(guò)程轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)方程,這對(duì)于數(shù)值模擬、模型的開(kāi)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(shí)驗(yàn)效果來(lái)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,采用厭氧反應(yīng)器來(lái)替代普通厭氧反應(yīng)器,對(duì)膜反應(yīng)器的構(gòu)型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),將會(huì)很大程度上改善AnMBR的出水水質(zhì)。
(6)AnMBR技術(shù)在痕量有機(jī)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(jī)污染物是城鎮(zhèn)污水處理中的熱點(diǎn)和難點(diǎn),研究通過(guò)AnMBR及其相關(guān)耦合技術(shù)處理該類(lèi)廢水,通過(guò)污染物的去除過(guò)程模擬其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律并對(duì)其進(jìn)行生態(tài)毒理學(xué)評(píng)價(jià)將是研究的熱點(diǎn)。
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