[摘 要]目前厭氧膜生物處理技術(shù)被認(rèn)為是處理高濃度有機(jī)廢水的研究熱點(diǎn)之一，它結(jié)合了厭氧生物處理與膜過(guò)濾系統(tǒng)，從而具有運(yùn)營(yíng)成本低、易于管理控制及剩余污泥產(chǎn)率少等優(yōu)點(diǎn)。但是，也面臨著諸如鹽度積聚，抑制物質(zhì)和膜污染等挑戰(zhàn)。本文綜述了厭氧膜生物反應(yīng)器的基本原理和構(gòu)造以及相關(guān)的影響因素，為高濃度有機(jī)廢水的處理提供相關(guān)建議。

[關(guān)鍵詞]厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)；廢水處理；高濃度有機(jī)廢水

1 介紹

近年來(lái)，高濃度有機(jī)廢水的處理處置引起了人們廣泛的關(guān)注，例如腸衣廢水、豬糞廢水、玉米乙醇生產(chǎn)廢水、奶酪廢水、屠宰場(chǎng)加工廢水、肉類(lèi)加工廢水、棕櫚油加工廢水、羊毛洗滌廢水和奶制品廢水等。此類(lèi)廢水中具有有機(jī)物濃度高、成分復(fù)雜、有毒有害等特點(diǎn)，如未經(jīng)處理直接排入水體將使水體遭受污染，對(duì)人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)于高濃度有機(jī)廢水的處理是當(dāng)今環(huán)境工程和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)高濃度有機(jī)廢水的研究多集中在厭氧生物處理。厭氧生物處理是厭氧微生物利用高濃度有機(jī)廢水中的有機(jī)質(zhì)作為自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在適宜的條件下(如合適的溫度、pH 等)，將其轉(zhuǎn)化為沼氣的過(guò)程。此過(guò)程不僅可以去除污水中的污染物，還可實(shí)現(xiàn)能源再生。傳統(tǒng)厭氧生物處理具有投資省、運(yùn)營(yíng)成本低、易于管理控制及剩余污泥產(chǎn)率少等特點(diǎn)。

但是由于高濃度有機(jī)廢水的復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)在其能源轉(zhuǎn)化工程中遇到諸多問(wèn)題，例如污泥上浮、污泥流失、VFAs 累積等，最終導(dǎo)致運(yùn)行的失敗。AnMBR 是一種有機(jī)結(jié)合厭氧生物處理單元和膜分離技術(shù)的新型廢水處理工藝，其不僅保留了厭氧技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且膜組件的引入可以將微生物完全截留，從而實(shí)現(xiàn)了 SRT 和 HRT 的有效分離。也正因如此，厭氧膜生物反應(yīng)器具備污泥濃度高、泥齡長(zhǎng)、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其在高濃度和復(fù)雜有機(jī)廢水處理方面展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。

雖然 AnMBR 有上述的許多優(yōu)點(diǎn)，但是 AnMBR 在廢水資源回收方面仍然面臨著一些重大挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題主要集中在溫度，鹽度積聚，抑制物質(zhì)和膜污染。

2 厭氧膜生物反應(yīng)器的基本原理和構(gòu)造

AnMBR 是一種將厭氧生物處理技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合的工藝。AnMBR 具有以下優(yōu)點(diǎn)：可將有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化成甲烷再次利用，產(chǎn)生較小的剩余污泥、占地面積小、基建費(fèi)用低、二次污染少，過(guò)濾性能好，有效攔截污染物和大分子有機(jī)物[6]，對(duì)某些有毒物質(zhì)去除效果好，出水水質(zhì)理想。

根據(jù)厭氧處理的方式不同，AnMBR 也有不同的構(gòu)造。常見(jiàn)厭氧生物反應(yīng)器包括上流式厭氧污泥床(UASB)，完全混合式反應(yīng)器(CSTR)和厭氧流化床生物反應(yīng)器(AFBR)。在這些反應(yīng)器中，CSTR 是 AnMBR 最常用的配置，其優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)造和操作較為方便。UASB 可以在生物反應(yīng)器的底部區(qū)域保留生物質(zhì)，所以過(guò)膜的出水的懸浮固體濃度很低，減輕膜污染。同時(shí)，在 UASB 反應(yīng)器中，可以通過(guò)氣/液/固分離器來(lái)收集產(chǎn)生的甲烷。AFBR 反應(yīng)器則是通過(guò)填充如石英砂、活性炭、沸石這類(lèi)細(xì)小的固體顆粒填料來(lái)凈化出水。

3 AnMBR 處理性能的影響因素

3.1 溫度

AnMBR 可以在高溫(50~60℃)或中溫(30~40℃)條件下運(yùn)行。低溫(<20℃)下的 AnMBR 會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)，包括膜污染的加劇，污染物去除速率的降低和在出水中甲烷溶解度的升高。

Martinez-Sosa觀察到當(dāng) AnMBR 內(nèi)的溫度從 35℃降至 20℃時(shí)，反應(yīng)器中總懸浮固體含量和可溶性 COD 的濃度也會(huì)隨之增加，這將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的膜污染并且會(huì)降低甲烷的產(chǎn)量。當(dāng)溫度降至20℃時(shí)，出水中的甲烷的溶解度也在增加。此外，水體的粘度也隨著溫度的降低而增加，這就需要更多的能量來(lái)用于攪拌水體。

3.2 鹽度積累

高鹽含量被認(rèn)為是嚴(yán)重抑制厭氧過(guò)程的因素之一，Dereli研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) AnMBR 在處理來(lái)自海產(chǎn)品加工和奶酪生產(chǎn)的高鹽廢水時(shí)，甲烷的產(chǎn)量和 COD 的去除率都會(huì)有明顯的降低。Chen指出較高鹽度會(huì)導(dǎo)致酶的活性受到抑制，細(xì)胞活性會(huì)隨之下降，厭氧微生物會(huì)發(fā)生質(zhì)壁分離的現(xiàn)象，從而對(duì)厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.3 抑制物質(zhì)

AnMBR 易受廢水中如游離氨和硫酸鹽等抑制物質(zhì)的影響。Chen指出，在厭氧消化的過(guò)程中，隨著生物降解反應(yīng)的進(jìn)行，廢水中的蛋白質(zhì)會(huì)產(chǎn)生大量的游離氨。游離氨的毒性在于它可以穿透微生物的細(xì)胞膜，從而導(dǎo)致細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失衡，破壞質(zhì)子平衡。

Meabe研究發(fā)現(xiàn)較高的溫度和 pH 值會(huì)釋放更多游離氨來(lái)加劇這種抑制反應(yīng)。高硫酸鹽濃度也會(huì)抑制 AnMBR 的性能。這是由于硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌之間對(duì)于碳的競(jìng)爭(zhēng)所導(dǎo)致的。此外，硫酸鹽還原菌會(huì)產(chǎn)生硫化氫，硫化氫可以很容易地穿透微生物的細(xì)胞膜并使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的天然蛋白質(zhì)變性，從而在多肽鏈之間產(chǎn)生硫化物和二硫化物。

Meabe研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加有機(jī)物的濃度可以減輕游離氨和硫酸鹽對(duì) AnMBR 的抑制。Tian報(bào)道，可以通過(guò)在 AnMBR中延長(zhǎng)的SRT的方法使得微生物充分適應(yīng)環(huán)境來(lái)抵抗氨的抑制效應(yīng) 。 Wijekoon研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水 COD/SO42-高于 10時(shí)，AnMBR 的基本生物性能不受硫酸鹽濃度增加的影響。

3.4 膜污染

在污水處理過(guò)程中，無(wú)機(jī)或有機(jī)污染物會(huì)在膜孔、膜表面沉積，降低膜通量，增加跨膜壓差，因此需要及時(shí)化學(xué)清洗或更換濾膜。而鑒于膜材料成本昂貴，膜污染仍然是限制 AnMBR 廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。Smith指出 AnMBR 中主要污染物包括可溶性微生物(SMP)、胞外聚合物(EPS)、膠狀固體、附著的細(xì)胞和無(wú)機(jī)沉淀物。Jun[18]研究發(fā)現(xiàn)，在約 700 天長(zhǎng)期運(yùn)行的 AnMBR 中會(huì)生成由生物誘導(dǎo)效應(yīng)而產(chǎn)生的礦物質(zhì)結(jié)垢，而這種污染是一種不可逆污染，因此，需要化學(xué)清洗來(lái)恢復(fù)膜的通透性。

AnMBR 運(yùn)行期間的膜污染主要取決于膜的性質(zhì)、操作條件(例如溫度，水通量，HRT 和 SRT)、流體動(dòng)力學(xué)和污泥特性。例如，Lin[16]研究報(bào)道，在相同的流體動(dòng)力學(xué)條件下操作時(shí)，高溫條件下系統(tǒng)的過(guò)濾阻力會(huì)比中溫條件下系統(tǒng)的過(guò)濾阻力高約 5~10倍。這是由于在高溫條件下，SMP 和細(xì)小的絮凝物會(huì)大量累積。

Huang報(bào)道，隨著 HRT 的減少，SMP 會(huì)加速積累，而較長(zhǎng)的SRT 會(huì)減少顆粒的絮凝度和粒徑，從而加劇膜污染。因此，通過(guò)優(yōu)化操作條件，可以在一定程度上有效地減輕 AnMBR 中的膜污染。

盡管目前已經(jīng)具有一些有效控制膜污染的方法，但是膜清潔這個(gè)環(huán)節(jié)仍然是必不可少的。膜清潔包括物理法、化學(xué)法和生物法。物理法主要包括反沖洗，表面沖洗和超聲波處理。化學(xué)法是指運(yùn)用特定的試劑(酸、堿和氧化劑)來(lái)去除膜的不可逆污染。值得一提的是，化學(xué)法需要消耗化學(xué)試劑，會(huì)不可避免地帶來(lái)二次污染等問(wèn)題。生物法是指采用酶制劑來(lái)清洗膜污染中的有機(jī)污染物，酶制劑沒(méi)有二次污染，而且對(duì)膜不產(chǎn)生損害，但是，其高額的價(jià)格成本制約了進(jìn)一步的應(yīng)用。

4 結(jié)論

相比傳統(tǒng)厭氧生物處理技術(shù)，AnMBR 具有污泥濃度高、泥齡長(zhǎng)、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以說(shuō) AnMBR 對(duì)高濃度有機(jī)廢水處理具有較大的應(yīng)用前景。但是，目前的研究者們需要進(jìn)一步解決與鹽度積聚，溫度，膜污染以及抑制物質(zhì)等相關(guān)問(wèn)題，這樣才能推進(jìn) AnMBR 在水處理和能源回收方面的實(shí)際應(yīng)用。