论文部分内容阅读
[摘要]厌氧膜生物反应器作为厌氧生物处理技术和膜分离技术的耦合，它同时具备了二者的优缺点，尽管目前对厌氧膜生物反应器的研究大部分仅限于实验室或小试规模，但其已成为研究的一个热点。笔者从厌氧膜生物反应器技术组成、膜结构形态、应用、膜污染原因、厌氧微生物生态学等方面介绍了厌氧膜生物反应器技术的最新研究状况，指出其面临的难题及今后的发展方向，以期为后续研究以及实际应用提供理论参考。
[关键词]厌氧膜生物反应器；处理技术；应用研究
膜生物反应器（简称MBR）技术是一种新型高效的生物处理技术和绿色技术，具有许多其他生物处理技术无法比拟的明显优势，其主要优点是：系统处理效率高、高负荷率、占地面积小、节省空间，因而得到了人们越来越多的重视。
1、厌氧膜生物反应器在废水处理中面临的技术难题
截至目前为止，针对厌氧膜生物反应器在废水处理中的应用研究绝大多数仍处于实验室或中试规模，主要原因有三点：（1）厌氧膜生物反应器中的运行参数难以控制，导致膜污染影响因素众多，膜污染比好氧MBR更严重；（2）厌氧膜生物反应器中生物质气体能源的回收存在技术l生困难；（3）由于缺乏对厌氧微生物生态学的微观认识，仅靠操作条件的改变不能从本质上优化反应器的处理性能。
1.1膜污染的机理研究
膜污染是各类膜生物反应器技术都面临的难题之一，其可降低整个操作系统的稳定性和可靠性，减少膜通量，从而降低了反应器的处理效能。膜的结垢主要是由反应器中的组合物质（水溶性有机物、进料胶体粒子、细胞裂解和无机沉淀物）形成的。影响膜污染的多种因素，主要包括膜类型、工艺性能、生物系统、化学系统、水动力条件以及生物反应器的操作条件等。目前，对好氧膜生物反应器膜污染机理的研究较多，并取得了大量的成果，虽然厌氧膜生物反应器与好氧MBR相似，但由于厌氧膜生物生长缓慢，反应器负荷较大，且存在操作环境的多变性，因此，关于厌氧膜生物反应器的膜污染机理存在着众多难点有待解决。
1.2操作运行参数的控制
厌氧膜生物反应器工艺中膜分离操作的主要影响因素有水力停留时间、污泥龄、膜面流速、温度、操作压力等。由于厌氧微生物生长缓慢，所以必须维持较长的污泥龄。成功的厌氧处理技术是将水力停留时间和污泥龄完全分离，这样不仅能维持反应器中高浓度的厌氧污泥，还可以减小反应器的尺寸。厌氧膜生物反应器工艺中的微生物会随时间以附着和悬浮两种形式增殖，微生物以悬浮形式增殖，对于其活眭可起到促进作用，使得其产甲烷活性显著提高。同时，微生物产甲烷活性的增加也与温度有关。研究表明，厌氧膜生物反应器在25℃条件下产甲烷菌的产甲烷效率比在15℃时更高，较长泥龄或较短的水力停留时间对产甲烷活性有积极的影响，但泥龄的增加会导致厌氧膜生物反应器中惰性固体积累。此外，增加错流速度，会导致厌氧消化性能变差。
2、厌氧膜生物反应器技术未来研究发展趋势
2.1多种条件下厌氧膜生物反应器膜污染机理的研究
膜污染涉及多个方面，关于膜污染机理的研究一直是厌氧膜生物反应器研究的关键和核心。由于溶解性有机质（SMPs）是影响膜污染的关键物质，未来应重点针对其组成和反应器中多种参数对其产量的影响进行研究。另外，针对膜形态、孔径组成、膜通量、厌氧微生物生态学以及操作运行参数对膜污染机理的影响研究也是未来研究的重点。
2.2不同膜材料和膜组件在厌氧膜生物反应器中的应用研究
膜材料和孔径的改变，会对膜通量和出水水质产生重要影响，但大多數情况下厌氧膜生物反应器中膜污染通常会发生在表层膜结构上，因此对表层膜结构的改性和选择实用新型原材料来构建更适合厌翱奠生物反应器的膜结构将成为研究热点。同时，靠滤层生物量形成的非实体动态膜和激发性膜的增殖状况、细菌增殖条件、处理效率和运行机理也将是研究的重点。
2.3极端环境条件下厌氧膜生物反应器技术的应用研究
由于厌氧菌生长速率缓慢，中温厌氧消化过程操作最适温度为35℃，温度的变化会导致产气量降低；另外，有研究表明产甲烷菌在低温条件下的甲烷产军仍然较高，但该过程中溶解性甲烷比例升高，导致甲烷气体回收利用难度较大，且容易造成温室气体排放量的增加。培养能够在嗜热（>55℃）或嗜冷（<10℃）环境条件下生长的优势厌氧菌种，同时针对环境条件的改变设计适合甲烷气体收集的新型反应器来满足实际研究和工程需要将是厌氧膜生物反应器技术一个新的研究方向。
2.4厌氧膜生物反应器反应动力学及数值模拟技术的研究
厌氧膜生物反应器反应器的研究与开发，目前仍停留在试验和中试规模上，鲜有对厌氧膜生物反应器反应动力学进行研究。厌氧膜生物反应器中涉及的反应动力学主要有基质降解动力学、生化反应动力学、多相反应动力学、膜生长反应动力学、产气动力学以及污泥增殖反应动力学等。反应动力学是研究厌氧膜生物反应器技术的重要理论基础，加强反应动力学的研究将复杂生化过程和动力学过程转换为数学方程，这对于数值模拟、模型的开发和优化有很好的促进作用。
2.5厌氧膜生物反应器与其他反应器耦合技术的研究
从目前的研究和实验效果来看，单纯的厌氧膜生物反应器技术在出水水质方面的处理效果并不很理想。将厌氧膜生物反应器与其他处理工艺相耦合，采用高效厌氧反应器来替代普通厌氧反应器，对膜反应器的构型进行创新设计，将会很大程度上改善厌氧膜生物反应器的出水水质。
2.6厌氧膜生物反应器技术在痕量有机物污染控制上的应用研究
以抗生素和医药产品的代谢产物为代表的痕量有机污染物是城镇污水处理中的热点和难点，研究通过厌氧膜生物反应器及其相关耦合技术处理该类废水，通过污染物的去除过程模拟其迁移转化规律并对其进行生态毒理学评价将是研究的热点。
结语：
综上所述，可持续污水处理技术及资源管理的核心就是降低能耗、回收资源以减轻环境影响。厌氧膜生物反应器具有能耗低、产泥率低、沼气能源回收等优点。本文从厌氧膜生物反应器技术组成、膜结构形态、应用、膜污染原因、厌氧微生物生态学等方面介绍了厌氧膜生物反应器技术的最新研究状况，指出其面临的难题及今后的发展方向，以期为后续研究以及实际应用提供理论参考。
[关键词]厌氧膜生物反应器；处理技术；应用研究
膜生物反应器（简称MBR）技术是一种新型高效的生物处理技术和绿色技术，具有许多其他生物处理技术无法比拟的明显优势，其主要优点是：系统处理效率高、高负荷率、占地面积小、节省空间，因而得到了人们越来越多的重视。
1、厌氧膜生物反应器在废水处理中面临的技术难题
截至目前为止，针对厌氧膜生物反应器在废水处理中的应用研究绝大多数仍处于实验室或中试规模，主要原因有三点：（1）厌氧膜生物反应器中的运行参数难以控制，导致膜污染影响因素众多，膜污染比好氧MBR更严重；（2）厌氧膜生物反应器中生物质气体能源的回收存在技术l生困难；（3）由于缺乏对厌氧微生物生态学的微观认识，仅靠操作条件的改变不能从本质上优化反应器的处理性能。
1.1膜污染的机理研究
膜污染是各类膜生物反应器技术都面临的难题之一，其可降低整个操作系统的稳定性和可靠性，减少膜通量，从而降低了反应器的处理效能。膜的结垢主要是由反应器中的组合物质（水溶性有机物、进料胶体粒子、细胞裂解和无机沉淀物）形成的。影响膜污染的多种因素，主要包括膜类型、工艺性能、生物系统、化学系统、水动力条件以及生物反应器的操作条件等。目前，对好氧膜生物反应器膜污染机理的研究较多，并取得了大量的成果，虽然厌氧膜生物反应器与好氧MBR相似，但由于厌氧膜生物生长缓慢，反应器负荷较大，且存在操作环境的多变性，因此，关于厌氧膜生物反应器的膜污染机理存在着众多难点有待解决。
1.2操作运行参数的控制
厌氧膜生物反应器工艺中膜分离操作的主要影响因素有水力停留时间、污泥龄、膜面流速、温度、操作压力等。由于厌氧微生物生长缓慢，所以必须维持较长的污泥龄。成功的厌氧处理技术是将水力停留时间和污泥龄完全分离，这样不仅能维持反应器中高浓度的厌氧污泥，还可以减小反应器的尺寸。厌氧膜生物反应器工艺中的微生物会随时间以附着和悬浮两种形式增殖，微生物以悬浮形式增殖，对于其活眭可起到促进作用，使得其产甲烷活性显著提高。同时，微生物产甲烷活性的增加也与温度有关。研究表明，厌氧膜生物反应器在25℃条件下产甲烷菌的产甲烷效率比在15℃时更高，较长泥龄或较短的水力停留时间对产甲烷活性有积极的影响，但泥龄的增加会导致厌氧膜生物反应器中惰性固体积累。此外，增加错流速度，会导致厌氧消化性能变差。
2、厌氧膜生物反应器技术未来研究发展趋势
2.1多种条件下厌氧膜生物反应器膜污染机理的研究
膜污染涉及多个方面，关于膜污染机理的研究一直是厌氧膜生物反应器研究的关键和核心。由于溶解性有机质（SMPs）是影响膜污染的关键物质，未来应重点针对其组成和反应器中多种参数对其产量的影响进行研究。另外，针对膜形态、孔径组成、膜通量、厌氧微生物生态学以及操作运行参数对膜污染机理的影响研究也是未来研究的重点。
2.2不同膜材料和膜组件在厌氧膜生物反应器中的应用研究
膜材料和孔径的改变，会对膜通量和出水水质产生重要影响，但大多數情况下厌氧膜生物反应器中膜污染通常会发生在表层膜结构上，因此对表层膜结构的改性和选择实用新型原材料来构建更适合厌翱奠生物反应器的膜结构将成为研究热点。同时，靠滤层生物量形成的非实体动态膜和激发性膜的增殖状况、细菌增殖条件、处理效率和运行机理也将是研究的重点。
2.3极端环境条件下厌氧膜生物反应器技术的应用研究
由于厌氧菌生长速率缓慢，中温厌氧消化过程操作最适温度为35℃，温度的变化会导致产气量降低；另外，有研究表明产甲烷菌在低温条件下的甲烷产军仍然较高，但该过程中溶解性甲烷比例升高，导致甲烷气体回收利用难度较大，且容易造成温室气体排放量的增加。培养能够在嗜热（>55℃）或嗜冷（<10℃）环境条件下生长的优势厌氧菌种，同时针对环境条件的改变设计适合甲烷气体收集的新型反应器来满足实际研究和工程需要将是厌氧膜生物反应器技术一个新的研究方向。
2.4厌氧膜生物反应器反应动力学及数值模拟技术的研究
厌氧膜生物反应器反应器的研究与开发，目前仍停留在试验和中试规模上，鲜有对厌氧膜生物反应器反应动力学进行研究。厌氧膜生物反应器中涉及的反应动力学主要有基质降解动力学、生化反应动力学、多相反应动力学、膜生长反应动力学、产气动力学以及污泥增殖反应动力学等。反应动力学是研究厌氧膜生物反应器技术的重要理论基础，加强反应动力学的研究将复杂生化过程和动力学过程转换为数学方程，这对于数值模拟、模型的开发和优化有很好的促进作用。
2.5厌氧膜生物反应器与其他反应器耦合技术的研究
从目前的研究和实验效果来看，单纯的厌氧膜生物反应器技术在出水水质方面的处理效果并不很理想。将厌氧膜生物反应器与其他处理工艺相耦合，采用高效厌氧反应器来替代普通厌氧反应器，对膜反应器的构型进行创新设计，将会很大程度上改善厌氧膜生物反应器的出水水质。
2.6厌氧膜生物反应器技术在痕量有机物污染控制上的应用研究
以抗生素和医药产品的代谢产物为代表的痕量有机污染物是城镇污水处理中的热点和难点，研究通过厌氧膜生物反应器及其相关耦合技术处理该类废水，通过污染物的去除过程模拟其迁移转化规律并对其进行生态毒理学评价将是研究的热点。
结语：
综上所述，可持续污水处理技术及资源管理的核心就是降低能耗、回收资源以减轻环境影响。厌氧膜生物反应器具有能耗低、产泥率低、沼气能源回收等优点。本文从厌氧膜生物反应器技术组成、膜结构形态、应用、膜污染原因、厌氧微生物生态学等方面介绍了厌氧膜生物反应器技术的最新研究状况，指出其面临的难题及今后的发展方向，以期为后续研究以及实际应用提供理论参考。