AnMBR是一种将厌氧生物技术与膜技术相结合用来处理污水的新型设备。该技术具有厌氧生物处理中高负荷低能耗,以及厌氧条件下产甲烷气体回收再利用等优点,膜分离技术可根据膜孔径的大小实现对悬浮物、微生物的截留等优良特性。与传统污水处理工艺相比,AnMBR具有出水水质好、剩余污泥量低和能源可回收利用等优点[1]。在强调可持续发展理念的今天,这种与时俱进的工艺更加赢得人们青睐。但价格较高的膜组件和严重且无法有效控制的膜污染一度限制了AnMBR的研究,随着相关工艺的进展及成本的降低,AnMBR在近几年里得到飞速发展,其研究成果也越来越多,目前关于该技术的研究主要集中在技术应用及膜污染防治问题的解决方面[2]。

本文将基于AnMBR技术的相关研究,概述其当前所应用到的工艺；对目前较受关注的膜污染问题进行总结,分析其影响因素和目前一些控制方案；针对AnMBR未来的发展提出在膜组件部分采用无机金属膜来替换以往所用的有机高分子膜并给出其可行性分析。

1 AnMBR工作原理

AnMBR是厌氧生物处理技术与膜分离技术相结合的产物[3]。AnMBR可将有机废物转化成甲烷再次利用,同时剩余污泥量少、占地面积小、基建费用低、二次污染少,过滤性能好,有效拦截污染物和大分子有机物[4],对某些有毒物质去除效果好,出水水质理想。

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依据膜组件的放置方式,AnMBR可分为外置式和浸没式。膜组件与反应器分开放置时称为外置式,利用泵使污泥混合液在膜组件中循环通过,减轻膜污染,但能耗较大。膜组件长期浸没在反应器内部的污泥混合液中称为浸没式,需不断曝气减缓膜污染,膜通量相对小,但能耗较低。

2 AnMBR工艺研究现状

2.1 国外研究现状

尽管目前UASB和EGSB在厌氧反应器的应用上占据主导,但当研究内容对反应器处理污水效果要求不高时,厌氧接触工艺作为第一代反应器,操作手法简单,依旧得到青睐。2006年,隋鹏哲等[11]在研究超声控制膜污染时采用厌氧接触式反应器,分置式MBR。

如今,膜污染是制约AnMBR发展的重要问题。就设计工艺而言,膜污染影响因素包括几个方面,反应器的类型,操作条件,膜组件性质等。

2.2 国内研究现状

膨胀污泥床反应器(EGSB)作为第三代反应器,在UASB基础上增加了循环回流的设计,污泥与进水混合效果更好。2010年,孙凯等[10]将EGSB与外置管式超滤膜组成AnMBR处理高浓度豆制品废水,EGSB由有机玻璃制成,外层包裹循环恒温水管和保温层来控温,外置PVDF管式超滤膜,COD去除率达94%以上。管式膜组件相比于平板膜可以在湍流流动时,减少堵塞,便于清洗,在研究膜污染问题时应用管式组件也更加适合膜污染及反向试验多次进行。

(3)膜组件性质的影响。目前AnMBR绝大多数都是厌氧反应器与有机高分子材料膜组件耦合而成。SHIMIZU等[27]研究表明,相比于带正电或中性的膜,带负电的无机膜污染速度更低。膜表面的粗糙程度也影响着膜污染速率,膜表面越粗糙,膜通量下降越快,清洗后恢复率越低[18]。

统计1970—1998年和1999—2016年Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区相对湿度、日平均温度、日照时间和日平均风速年序列，由图4可知，相对湿度随海拔增加而减小，海拔低于1500 m的区域相对湿度约为80%，而在1500 m以上区域，相对湿度降至60%~65%；日平均温度随海拔升高而降低；日照时间和风速则随海拔增加而增加，且日照时间随海拔变化的变化幅度和相对湿度变化较为一致。

我国关于AnMBR的研究虽然起步较晚,但发展速度很快。AnMBR由于是两种技术耦合而成,故而其发展也体现着厌氧反应器和膜科学的发展。厌氧滤池作为早期的厌氧反应器,工艺较成熟,一般优先考虑。2003年,陈明等[7]将厌氧滤池与MBR耦合处理垃圾渗滤液,膜组件为中空纤维膜,主要去除工艺段为厌氧滤池,结果表明该工艺去除有机氯农药残留效果较好。

随着研究不断深入,膜组件改进成为热点。2008年,白玲[16]提出SDRAnMBR,内置平板超滤膜,膜组件双轴同向旋转,形成湍流可削弱膜表面滤饼层的形成,在处理高悬浮物含量及中高浓度的料液时均表现良好。严滨等[17]对此做出改进,轴底部增加搅拌片,提高混合效率,而且,在无模板交错部位增加导流条,增强湍流。Wang等[19-21]在进行AnMBR处理城市污水和垃圾渗滤液时运用了动态微网膜材料,动态膜可以有效固液分离,出水无明显悬浮颗粒物[22]。2016年,田林等[23]研究了一体式厌氧无机陶瓷平板膜生物反应器在中温条件下处理高浓度有机废水,COD去除率高,抗冲击负荷能力强。

AnMBR技术第一次出现是在20世纪70年代[5],厌氧处理工艺与膜法结合处理有机污水,取得的处理效果较好氧优势明显,随后20年里,相继出现AnMBR处理系统,COD处理效果都相当好,充分说明该技术的巨大优势。但由于当时材料科学发展的水平还不足以支持AnMBR的进一步发展以及厌氧膜生物系统本身具有技术上难以攻克的问题,最终发展的黄金期被迫中断。随着膜材料科学的进展,研究成本不断下降,同时越来越多的人提出将 “废物”资源化这一概念,AnMBR重新得到关注。Martinez-Sosa等[6]应用完全混合连续式反应器(CSTR)和外超滤膜(UF)耦合的AnMBR处理城市污水,得过滤水用于农业灌溉。

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3 AnMBR膜污染研究进展

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(1)反应器的影响。对于不同类型的反应器,膜组件与污泥混合液的接触情况不同。比如分置式反应器中悬浮物在膜表面的沉积明显少于一体式。与EGSB相比,UASB在降低SS负荷从而减轻由滤饼层引起的膜污染方面优势更大[12-15]。反应器内部结构影响着水动力条件,污泥混合液冲刷膜表面的形式不同,膜污染程度也不同,如旋转膜组件,加导流条等。

(2)操作条件的影响。Robles等[24]研究表明,温度变化影响微生物活性,EPS、SMP的浓度以及污泥颗粒粒径,而EPS和SMP又是引起膜污染的主要物质[25]。不同的HRT下,EPS和SMP含量及污泥粒径不同,说明了HRT也影响着膜污染[26]。故优化反应器内部水力条件,通过水浴、加保温层等控制反应器温度在一定范围内,找到最佳的HRT和SRT对系统正常运行意义重大。

2005年,吴志超等[8]应用的一体式厌氧-平板膜生物反应器(MCAB)所用膜材质为聚偏氟乙烯(PVDF),膜组件位于反应器中心,利用污泥循环泵确保反应器内污泥混合均匀。同样地,王旭等[9]在处理酒厂废水时,膜组件与沉淀区一同置于反应器上方,污泥区在下方。这两个试验厌氧反应器和膜材料相同,后者的改进在于,将膜组件的位置由反应器中心升至上方,可有效减少有机物附着,从而在相同的运行时间内减轻膜污染。

目前,针对膜污染问题,除了防治,还有物理清洗和化学清洗方法。对于厌氧反应器,由于其启动时间较长,将膜单独取出进行机械清洗或化学试剂浸泡的方式都会影响反应器的正常运行。许颖等[1]提出间歇运行的方式,利用厌氧产气或过滤水进行反冲洗等物理办法,隋鹏哲等[11]利用超声产生声空化效应使污染物脱离膜表面来控制膜污染或进行内部膜清洗,对改善泥饼层淤积情况效果较好。化学试剂比较常用的有次氯酸钠、氢氧化钠、盐酸、EDTA等[28],但应考虑如何降低二次污染。

4 厌氧金属膜生物反应器前景展望

膜污染问题是制约AnMBR发展的重要因素,现在研究大多数AnMBR都选用的是高分子有机膜,其强度低、不利于反冲洗、抗污染能力差,而金属膜材料韧性好、强度高,可以采用反冲洗、刮擦等多种减轻膜污染的措施,例如谢元华等[29]实验证明,通过在线药洗和机械清洗,金属膜表面滤饼层可以被有效去除。张寿通[30]实验表明金属膜不仅对悬浮颗粒、胶体及溶解性大分子有机物截留作用突出,而且还在脱氮方面发挥重要作用,除此之外,金属膜耐腐耐热特性也较为突出,在渗透通量、清洗等方面都优于有机膜。鉴于金属膜的独特优点,本课题组拟将金属膜材料装载到旋转错流式膜分离设备(课题组的专利技术)[31]。

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图1 旋转错流式金属平板膜示意图Fig.1 Schematic diagram of rotary cross-flow metal flat film

如图1所示,旋转错流式金属膜厌氧反应器中的金属膜组件是程序控制高速旋转运行的,依靠旋转产生的离心力、切向力及水流的湍动对膜表面的冲刷,减轻膜污染,同时该设备设置反冲洗系统,进一步消除膜表面的泥饼层,该设备的研发极具应用价值。

5 结 语

AnMBR在处理生活污水方面优势明显,前景广阔,虽然吸引众多学者竞相研究,但目前仅停留在实验室阶段,距离大规模应用还有很长一段路要走。未来研究的重点应放在探索缓解膜污染方法、根据污水种类确定反应器类型、扩大反应器适宜温度区间、提高能源回收效率等问题上,为AnMBR技术的成熟应用提供具有参考价值的数据材料,这对未来的污水处理事业意义重大。

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