厭氧膜生物反應器處理技術應用研究

[摘要]厭氧膜生物反應器作為厭氧生物處理技術和膜分離技術的耦合，它同時具備了二者的優(yōu)缺點，盡管目前對厭氧膜生物反應器的研究大部分僅限于實驗室或小試規(guī)模，但其已成為研究的一個熱點。筆者從厭氧膜生物反應器技術組成、膜結構形態(tài)、應用、膜污染原因、厭氧微生物生態(tài)學等方面介紹了厭氧膜生物反應器技術的最新研究狀況，指出其面臨的難題及今后的發(fā)展方向，以期為后續(xù)研究以及實際應用提供理論參考。

[關鍵詞]厭氧膜生物反應器；處理技術；應用研究

膜生物反應器（簡稱MBR）技術是一種新型高效的生物處理技術和綠色技術，具有許多其他生物處理技術無法比擬的明顯優(yōu)勢，其主要優(yōu)點是：系統(tǒng)處理效率高、高負荷率、占地面積小、節(jié)省空間，因而得到了人們越來越多的重視。

1、厭氧膜生物反應器在廢水處理中面臨的技術難題

截至目前為止，針對厭氧膜生物反應器在廢水處理中的應用研究絕大多數(shù)仍處于實驗室或中試規(guī)模，主要原因有三點：（1）厭氧膜生物反應器中的運行參數(shù)難以控制，導致膜污染影響因素眾多，膜污染比好氧MBR更嚴重；（2）厭氧膜生物反應器中生物質氣體能源的回收存在技術l生困難；（3）由于缺乏對厭氧微生物生態(tài)學的微觀認識，僅靠操作條件的改變不能從本質上優(yōu)化反應器的處理性能。

1.1膜污染的機理研究

膜污染是各類膜生物反應器技術都面臨的難題之一，其可降低整個操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少膜通量，從而降低了反應器的處理效能。膜的結垢主要是由反應器中的組合物質（水溶性有機物、進料膠體粒子、細胞裂解和無機沉淀物）形成的。影響膜污染的多種因素，主要包括膜類型、工藝性能、生物系統(tǒng)、化學系統(tǒng)、水動力條件以及生物反應器的操作條件等。目前，對好氧膜生物反應器膜污染機理的研究較多，并取得了大量的成果，雖然厭氧膜生物反應器與好氧MBR相似，但由于厭氧膜生物生長緩慢，反應器負荷較大，且存在操作環(huán)境的多變性，因此，關于厭氧膜生物反應器的膜污染機理存在著眾多難點有待解決。

1.2操作運行參數(shù)的控制

厭氧膜生物反應器工藝中膜分離操作的主要影響因素有水力停留時間、污泥齡、膜面流速、溫度、操作壓力等。由于厭氧微生物生長緩慢，所以必須維持較長的污泥齡。成功的厭氧處理技術是將水力停留時間和污泥齡完全分離，這樣不僅能維持反應器中高濃度的厭氧污泥，還可以減小反應器的尺寸。厭氧膜生物反應器工藝中的微生物會隨時間以附著和懸浮兩種形式增殖，微生物以懸浮形式增殖，對于其活眭可起到促進作用，使得其產甲烷活性顯著提高。同時，微生物產甲烷活性的增加也與溫度有關。研究表明，厭氧膜生物反應器在25℃條件下產甲烷菌的產甲烷效率比在15℃時更高，較長泥齡或較短的水力停留時間對產甲烷活性有積極的影響，但泥齡的增加會導致厭氧膜生物反應器中惰性固體積累。此外，增加錯流速度，會導致厭氧消化性能變差。

2、厭氧膜生物反應器技術未來研究發(fā)展趨勢

2.1多種條件下厭氧膜生物反應器膜污染機理的研究

膜污染涉及多個方面，關于膜污染機理的研究一直是厭氧膜生物反應器研究的關鍵和核心。由于溶解性有機質（SMPs）是影響膜污染的關鍵物質，未來應重點針對其組成和反應器中多種參數(shù)對其產量的影響進行研究。另外，針對膜形態(tài)、孔徑組成、膜通量、厭氧微生物生態(tài)學以及操作運行參數(shù)對膜污染機理的影響研究也是未來研究的重點。

2.2不同膜材料和膜組件在厭氧膜生物反應器中的應用研究

膜材料和孔徑的改變，會對膜通量和出水水質產生重要影響，但大多數(shù)情況下厭氧膜生物反應器中膜污染通常會發(fā)生在表層膜結構上，因此對表層膜結構的改性和選擇實用新型原材料來構建更適合厭翱奠生物反應器的膜結構將成為研究熱點。同時，靠濾層生物量形成的非實體動態(tài)膜和激發(fā)性膜的增殖狀況、細菌增殖條件、處理效率和運行機理也將是研究的重點。

2.3極端環(huán)境條件下厭氧膜生物反應器技術的應用研究

由于厭氧菌生長速率緩慢，中溫厭氧消化過程操作最適溫度為35℃，溫度的變化會導致產氣量降低；另外，有研究表明產甲烷菌在低溫條件下的甲烷產軍仍然較高，但該過程中溶解性甲烷比例升高，導致甲烷氣體回收利用難度較大，且容易造成溫室氣體排放量的增加。培養(yǎng)能夠在嗜熱（>55℃）或嗜冷（<10℃）環(huán)境條件下生長的優(yōu)勢厭氧菌種，同時針對環(huán)境條件的改變設計適合甲烷氣體收集的新型反應器來滿足實際研究和工程需要將是厭氧膜生物反應器技術一個新的研究方向。

2.4厭氧膜生物反應器反應動力學及數(shù)值模擬技術的研究

厭氧膜生物反應器反應器的研究與開發(fā)，目前仍停留在試驗和中試規(guī)模上，鮮有對厭氧膜生物反應器反應動力學進行研究。厭氧膜生物反應器中涉及的反應動力學主要有基質降解動力學、生化反應動力學、多相反應動力學、膜生長反應動力學、產氣動力學以及污泥增殖反應動力學等。反應動力學是研究厭氧膜生物反應器技術的重要理論基礎，加強反應動力學的研究將復雜生化過程和動力學過程轉換為數(shù)學方程，這對于數(shù)值模擬、模型的開發(fā)和優(yōu)化有很好的促進作用。

2.5厭氧膜生物反應器與其他反應器耦合技術的研究

從目前的研究和實驗效果來看，單純的厭氧膜生物反應器技術在出水水質方面的處理效果并不很理想。將厭氧膜生物反應器與其他處理工藝相耦合，采用高效厭氧反應器來替代普通厭氧反應器，對膜反應器的構型進行創(chuàng)新設計，將會很大程度上改善厭氧膜生物反應器的出水水質。

2.6厭氧膜生物反應器技術在痕量有機物污染控制上的應用研究

以抗生素和醫(yī)藥產品的代謝產物為代表的痕量有機污染物是城鎮(zhèn)污水處理中的熱點和難點，研究通過厭氧膜生物反應器及其相關耦合技術處理該類廢水，通過污染物的去除過程模擬其遷移轉化規(guī)律并對其進行生態(tài)毒理學評價將是研究的熱點。

結語：

綜上所述，可持續(xù)污水處理技術及資源管理的核心就是降低能耗、回收資源以減輕環(huán)境影響。厭氧膜生物反應器具有能耗低、產泥率低、沼氣能源回收等優(yōu)點。本文從厭氧膜生物反應器技術組成、膜結構形態(tài)、應用、膜污染原因、厭氧微生物生態(tài)學等方面介紹了厭氧膜生物反應器技術的最新研究狀況，指出其面臨的難題及今后的發(fā)展方向，以期為后續(xù)研究以及實際應用提供理論參考。