厌氧膜生物反应器（AnMBR）膜污染控制及组合工艺研究与讨论论文

　　摘要：厌氧膜生物反应器（AnMBR）作为一种新型污水处理技术，有望在主流城市的污水处理领域实现全面推广。但其目前仍需要解决一些难题，以确保AnMBR在技术和经济上的可行性。文章主要针对四种旨在优化污垢控制的新型AnMBR组合工艺的优缺点展开探讨，其中包括膜技术与CSTR或上流消化器的结合，以及冲刷颗粒的利用。总的来说，需要综合考虑膜过滤、厌氧消化性能和经济可行性等因素，以寻找到一个折中的解决方案。

 

　　关键词：厌氧消化,AnMBR,膜污染,组合工艺

 

　　气候变迁与资源消耗正在促使城市污水治理模式由终端处置向综合资源化转变。在此背景下，新计划把污水视作能源和水源，而非污染源[1]。厌氧生物处理技术是一种生物降解技术，其可持续发展程度远高于传统的生物活性污泥技术。CAS技术作为一项能源密集型处理技术，它在传统污水处理厂中的能量消耗超过了50%。然而，这种能源却被用于把有机物质转变成CO2以及生物降解能力较差的微生物。此外，厌氧消化还具有一定的优势，例如可以生产可再生的甲烷能源，减少生物量，并且不需要通气。故而厌氧生物处理是一种新型城市生活污水处理技术[2]。

 

 

　　上流式厌氧污泥床（UASB）和膨胀颗粒污泥床（EGSB）是污水处理中最主要的厌氧工艺，这些技术也被称作快速厌氧反应器。其竞争优势体现为其可以在反应器中保持生物量，使水力保持时间（HRT）与固态滞留时间（SRT）分离。UASB技术在巴西、印度、中东等地区得到了广泛应用[3]。但在很多场合下，全尺寸UASB工艺对城市废水处理的效果并不尽如人意，COD去除率仅在60%左右。追根到底是因为其运行和维修过程不完善，设计不合理。UASB技术可以生产出高浓度的生物降解废水，并对其进行需氧后处理[4]。

 

　　AnMBR技术克服了传统UASB技术的缺陷，其在城市污水处理中的应用能力得到了进一步提升。超滤和微过滤膜均能将水滞留时间和固态滞留时间完全分离，使得消化器内的生物质得到很好的控制，并且能够得到高品质的排出液，其中不含悬浮的固体和病原体。高品质的输水是比UASB工艺更具竞争力的因素。但是，由于主流AnMBR排放标准不满足养分（N，P，S）排放标准，所以需要进行一些后期处理。需要注意的是，AnMBR出水的营养物质的含量往往高于进水，这主要归因于有机物降解[5]。

 

　　到2019年，已有数个配备了AnMBR技术的中试和示范工厂在城市废水治理方面取得了显著成效。大量研究表明，作为一种潜在的能源生产方式，AnMBR可以为污水处理厂提供一种中立或积极的能源，但其在技术和经济方面仍存在一定的问题。因此，需要解决这些挑战，使AnMBR能够作为一种新型城市生活污水处理技术得到运用[6]。

 

 

　　膜污染已经成为制约AnMBR技术推广的一个重要因素，虽然人们对此进行了大量的研究，但是仍尚未理清其背后的机理。膜污染的产生与HRT、SRT、温度、生物量特性（如污垢类型、污垢大小）以及薄膜特性（如材料、孔径、类型）等诸多因素密切相关。为解决膜污染带来的各种操作难题，已经发展出了各种物理和化学清洁策略（如反冲洗、松弛循环、化学试剂）以及污染防治等[7]。由于膜污染是AnMBR的主要操作费用来源，因此膜污染的控制策略尤为重要。目前，水下膜污染治理主要采用气体喷射技术进行。然而，新的AnMBR结构将会被部分或全部替代，并会对AnMBR工艺进行进一步优化。

 

　　当前，已经有大量中型和实验室级AnMBR装置对城市废水进行了处理，这些AnMBR技术可以被大致分成两类，即CSTR和UASB。这两种体系中使用最多的是气体喷射技术。但是，气体喷射需要消耗大量能源，所以减少能源消耗和相关运行费用至关重要。

 

 

　　3.1旋转膜

 

　　旋转膜组件被认为是气体喷射的可能性替代方案，这种结构涉及将薄膜连接到转动轴线上，所述转动轴线产生剪切应力。有学者将常规气体喷射系统与膜污染控制的旋转系统在实验室尺度的短期分析中进行了对比。后者是一个空心的光纤组件，可以在330~100 r/min转动，以确保薄膜表面能够被冲洗。此外，还在中试规模上对两种组合工艺（即传统气体喷射系统和旋转系统）进行了比较，发现旋转膜系统表现出了比气体喷射更强的性能，这也证实了他们的实验室规模结果。具体而言，旋转系统的临界通量会比气体喷射高出20%左右。在其后续研究中，配备旋转中空纤维模块系统的，实验室规模的AnMBR允许在340 r/min下通过长期分析（400 h）获得6.7 L/m2/h（LMH）的稳定通量[7]。

 

　　尽管改进了膜旋转系统的污染控制，但该技术的主要关注点仍集中在能耗上。中试规模的AnMBR的能耗为0.30 kWh/m3，高于其他中试规模所使用的气体喷射控制结垢的AnMBRs的能耗。因此，需要通过探索不同的混合模式和强度来优化以旋转膜为污染控制策略的AnMBR的能耗。最后，关于高转速对工艺性能、稳定性以及微生物群落容量的影响尚有待探索。研究表明，在冲击负荷或消化过程的启动期间，密集混合尤其会产生反作用。

 

　　3.2厌氧渗透膜生物反应器

 

　　当前，正渗透（FO）工艺受到了广泛关注，用于减少AnMBR和AeMBR中的污垢。这是因为与UF和MF膜相比，其污垢含量更少，对溶解污染物的截留率更高。FO由盐水提取溶液产生的渗透梯度所驱动，该渗透梯度能促使水从渗透压较低的区域（混合液）渗透到渗透压较高的区域（提取溶液）。因此，FO系统不需要依靠压力实现水渗透。在AnMBR系统中安装FO膜，被称为与FO-AnOMBR耦合的厌氧膜生物反应器。

 

　　研究表明，膜通量不仅会受到溶液中盐分积累的影响，还必须考虑其他因素（如生物性能、操作条件、膜材料）。不过，这些因素对膜污染的相对重要性尚待挖掘。无论如何，盐度和离子强度对微生物群落的形态、结构和容量都有影响，关系到絮凝物的组成和粒度分布。因此，成功的AnOMBR操作需要在膜性能和生物过程之间找到折中的解决方案。

 

　　尽管关于AnOMBR的研究已经取得了较大的进展，但AnOMBR的实施仍面临一定的挑战。要想明确盐度对该技术长期可行性的影响，就需要对厌氧消化和膜性能展开深入探讨。AnMF OMBR系统标志着克服盐度限制的一大进步。然而，在生物反应器中使用两种膜工艺的必要性大大阻碍了该方法的技术和经济前景（即较高的资本和运营成本、更复杂的物理和化学清洗程序以及抽吸溶液再生等）。总体而言，开发能够实现高水通量和低反向溶质通量的FO膜对于降低AnOMBR的资本和运营成本至关重要。

 

 

　　4.1膜耦合在AnMBR-UASB顶部

 

　　最常见的AnMBR-UASB组合工艺包括外罐或UASB反应器顶部的膜组件。需要注意的是，如果管理不善，这种组合工艺会导致膜池中的固体积聚，并加剧膜污染程度。当从膜罐到UASB的再循环流量不够高或系统设计不合理时，膜罐中的细固体就会积聚。离开UASB并进入膜罐的悬浮生物质的沉降特性较差，这一点尤其值得关注。

 

　　研究表明，较低的背向运输，导致这些颗粒倾向于在膜组件附近积聚。AnMBR系统的设计能够通过气体喷射与其他污染缓解备选方案结合，在膜表面提供高剪切条件。这对于减少细固体的积累和改善AnMBR-UASB系统中的膜污染控制极其必要。因此，优化UASB与膜模块之间的再循环流以及在膜罐中提供足够的湍流是该组合工艺中污染控制的重要因素。有学者提出了一种新型中试装置系统。其中，膜组件浸没在反应器顶部，而不是外部膜罐中。该系统的新颖之处在于，AnMBR-UASB由两个不同区域组成，即位于UASB底部的生物区和位于UASB顶部的过滤区。在过滤区中，通过膜组件底部再循环的沼气喷射，从膜组件底部到生物区的再循环流以及在过滤区和三相分离器之间使用两个挡板，实现了高度混合。开启再循环时，过滤区的COD累积率从239~702 mg·COD/L/d降低到了90~119 mg·COD/L/d。该结果表明，需要进行适当的混合以防止固体累积和膜污染。

 

　　4.2厌氧流化膜床生物反应器

 

　　颗粒活性炭（GAC）用作污垢控制方法的操作引起了AnMBRs的关注。在该组合工艺中，GAC颗粒被流化并用于膜冲刷。流态化是能量密集型处理模式，尽管其能量消耗低于气体喷射所需能量。

 

　　该工艺的早期阶段，主要包括两个分离的反应器，即一个厌氧流化床反应器（AFBR）和一个厌氧流化膜床反应器（ABMBR）。两个反应器均填充有GAC颗粒，旨在为生物质附着提供载体表面、冲刷膜以及吸附膜表面的可溶性和胶体物质。将AFBR-AFMBR系统用于污水处理和沼气生产并开展短期实验表明，GAC流化是一种减少污染的有效方法；而长期实验表明，添加GAC能够将膜通量在10 LMH下保持40 d，仅轻微增加TMP（0.02 bar）。

 

　　随着技术的发展，一些研究开始考虑使用单级系统（即仅AFMBR）而不是两级系统（AFBR-AFMBR）的可能性了，并在相似的操作条件下对两种系统进行了比较，得出如下结论：两种系统表现出了相似的COD去除效率（93%~96%）和TMP（0.1 bar）。

 

　　4.2.1替代材料

 

　　目前，已经有替代材料用于污垢控制。对比GAC和粉末活性炭（PAC）发现，PAC可能是比GAC更好的污垢控制材料。这两种材料都能够减少滤饼层的形成，而GAC性能略优于PAC。此外，还测试了添加聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚偏氟乙烯（PVDF）作为冲刷材料的性能，可知当气体喷射与PET颗粒结合时，SGD降低了67%。

 

　　4.2.2膜耐久性

 

　　与冲刷颗粒持续接触的膜的耐久性对于AFMBR技术的应用至关重要。有学者在中试规模上运行了两年，并报告称，由于连续接触流化GAC，膜受到了严重损坏。其观察到，由于与更密集的颗粒接触，膜的中部和底部受到了严重损坏。较大的颗粒比较小的颗粒对膜的破坏更大，但污染控制效果更好。因此，选择合适的粒度对膜的性能和完整性至关重要。

 

　　最近，陶瓷膜凭借更高的耐磨性而受到了关注。同时，这类膜具有优异的膜通量性能。研究表明，使用配备有氧化铝（Al2O3）组成的陶瓷膜的单级AFMBR在长期运行中实现了较高COD去除率和17 LMH的膜通量。在随后的研究中，通过在AFBR-AFMBR系统中使用陶瓷膜达到了更高的膜通量（~22 LMH）。然而，需要进一步研究以更好地理解AFMBR和AFBR-AFMBR系统之间的膜性能差异。

 

 

　　厌氧膜生物反应器作为一种具有良好生产性能并且能生产可再生甲烷能源的城市生活污水处理技术，具有良好的发展和应用前景。但是，若想让AnMBR在技术和经济上都具备竞争优势，仍面临许多技术难题。研究新型AnMBR组合工艺与操作条件，改善CSTR和UASB反应器中的污垢控制，给气体喷射之外的污垢控制带来了新的机会。因此，进一步推广AnMBR技术的关键点在于在不妨碍生物工艺或工艺经济可行性的前提下提高膜性能。

 

 

　　［1］王洪臣.污水资源化是突破经济社会发展水资源瓶颈的根本途径［J］.给水排水,2021,57(4):1-5,52.

 

　　［2］张博,邓蕾,钱江枰,等.厌氧生物处理技术的研究进展及其绿色化发展［J］.浙江化工,2020,51(10):42-46,50.

 

　　［3］CHERNICHARO CAL,VAN LIER JB,NOYOLA A,et al.Anaerobic sewage treatment:state of the art,constraints and challenges［J］.Reviews in Environmntal Science and Biotechnology 2015,14:649-679.

 

　　［4］VAN LIER JB,VASHI A,VAN DER LUBBE J,et al.Anaerobic sewage treatment using UASB reactors:Engineering and operational aspects［M］.Environmental Anaerobic Technology:Applications,2010:59-89.

 

　　［5］许颖,夏俊林,黄霞.厌氧膜生物反应器污水处理技术的研究现状与发展前景［J］.膜科学与技术,2016,36(4):139-149.

 

　　［6］SHIN C,BAE J.Current status of the pilot-scale anaerobic membrane bioreactor treatments of domestic wastewaters:A critical review［J］.Bioresource Technology:Biomass,Bioenergy,Biowastes,Conversion Technologies,Biotransformations,Production Technologies,2018,247:1038-1046.

 

　　［7］牛承鑫,潘阳,陆雪琴,等.厌氧膜生物反应器(AnMBR)膜污染过程及控制方法研究进展［J］.环境化学,2019,38(12):2851-2859.