厌氧膜生物反应器在污水处理中的研究进展

发布时间:2010-4-28 14:24:51

摘要:综述了厌氧膜生物反应器中的微生物种群与分布特点、厌氧膜生物反应器在污水处理中的应用情况, 讨论了影响厌氧膜生物反应器性能的主要参数、膜的污染预防与控制等,最后探讨和展望了厌氧膜生物反应器的 应用前景,并指出了该领域今后的研究方向。

关键词:厌氧;膜生物反应器;生物种群;膜污染;污泥减量化

厌氧膜生物反应器(AnMBR)是厌氧处理技术 和膜技术有效结合的污水处理工艺。单纯采用厌氧 处理时其出水水质较差,而膜的引入可以代替其后 续处理单元,通过膜截留作用,能显著改善反应器 固液分离效果,使反应器中微生物浓度维持在较高 水平,较好地弥补了厌氧处理容积负荷低的缺点。 另外,AnMBR由于可以维持较长的污泥停留时间, 因此污泥产量低,甲烷转化率高,出水水质好。近年来随着膜组件成本的下降和膜性能的不断提高, 国外对AnMBR的研究日趋活跃,而国内的研究则 刚刚起步。

1 AnMBR中的微生物

系统内微生物种群数量是决定厌氧工艺处理能 力的主要因素之一。除了废水组成、操作条件外, 反应器类型也影响产甲烷菌种群数量。在厌氧反应 器中主要存在两类产甲烷菌:甲烷八叠球菌和甲烷丝状菌属。

1.1 AnMBR中的微生物种群

膜在厌氧反应器中的应用不但可以增加微生物 的数量,还可以改变优势种群。Ince O等[1]研究 AnMBR中微生物种群的变化时发现,从城市污水 的消化池中接种污泥,其最具优势的群落为甲烷球 菌属,其次分别为甲烷八叠球菌、短杆菌、中杆 菌、丝状菌以及长杆菌。而在AnMBR中发现优势 种群出现了变化,相应的顺序为:中杆菌、短杆 菌、甲烷八叠球菌、长杆菌以及丝状菌。运行14 周后,产甲烷菌和非产甲烷菌都相应增加了50% 和20%,同时具有活性产甲烷菌急剧增加。自体荧 光产甲烷菌与细菌总量的比值在6.7%到8.3%之 间变化,具有生物活性的产甲烷菌增加了近20倍。

1.2 AnMBR中微生物浓度

由于膜的截留作用,可以维持反应器中高浓度 的微生物量,从而提高反应器的容积负荷。在 AnMBR运行的前期,由于微生物的积累,污泥增 长速率很快,MLVSS的质量浓度可达到数十g/L。 同时膜对微生物浓度分布也有影响,Choo K H等[2] 发现,在0.5 m/s的流速、0.1 MPa的压力下,经 过20 d的运行,反应器内MLVSS的质量浓度从 2 410 mg/L降低到920 mg/L,而膜表面附着的微 生物的质量浓度增加到20 700 mg/L,系统中约有 16%的微生物转移到了膜表面。

2 AnMBR的应用

AnMBR的研究基本与膜生物反应器发展同步, 1972年Shelf等开始了厌氧膜生物反应器的研究工作,随着对AnMBR研究的不断深入,其应用范围 也不断扩大。

2.1 AnMBR在城市污水处理中的应用

国内较早研究AnMBR在城市生活污水处理中 的应用的是清华大学,在1999年,采用AnMBR 处理城市污水,在温度为12℃,水力停留时间为 4 h,出水的BOD5和TSS的质量浓度都小于30 mg/L。国外的研究同样表明,应用AnMBR处理城 市污水,出水的水质较好。

2.2 AnMBR在工业废水处理中的应用

工业废水水质差异很大,不像生活污水那样具 有较多的共同特点,因此,AnMBR在处理工业废 水具有相对优势。南非Membratek公司在20世纪 80年代研究了AnMBR用于高浓度工业废水,特别 是食品和酿造业的废水处理。90年代初,美国在 俄亥俄州建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业 废水的AnMBR系统,处理规模为151 m3/d,COD 去除率达94%,绝大部分的油与油脂均被降解[3]。

2.3 AnMBR在脱中的运用

Ewa W等[4]采用AnMBR用于地下水脱,反 应器采用固定床与膜组合,其中膜为毛细纤维 膜,水力停留时间0.2 h时,反应器的脱效率可 以达到10.2 kg[NO 3 - ]/(m·3d),处理后的出水NO 3 - 的质量浓度不超过44 mg/L。使用的毛细膜去除 水中的悬浮细菌,出水细菌浓度可以控制在几个细 菌每毫升,过滤后的水可以进一步处理后用于工业 或饮用水等。

Bioscan A/S公司开发了处理农业泥浆的 Biorek工艺。该工艺包括Aduf、氨去除以及反 渗透单元。反渗透单元可将脱氨后的出水处理到 饮用水程度[5]。Aduf工艺以猪粪为基质,HRT为6 d的情况下,COD去除率高于90%。Aduf工艺的 无菌出水含有较多溶解性营养物,汽提除氨装置可 去除95%以上的溶解性氨,使其与CO 2 形成碳 酸氢铵肥料,同时可防止反渗透膜上结垢。

3.生物反应器的主要参数

操作参数不仅对膜的结垢影响很大,还与 AnMBR的性能如膜通量、COD去除率、出水水质 等有很大的关系。参数的选择会严重影响到 AnMBR的整体效能的发挥。

3.1有机负荷

AnMBR的优势之一就是适宜处理高浓度有机 废水。如果系统运行稳定,则挥发性脂肪酸也会保 持在一定范围,一般把挥发性脂肪酸作为有机负荷 的指示物。对不同的有机废水,有机负荷相差很 大。从AnMBR处理各种废水的效果(见表1)可以 看出AnMBR优良的性能,COD的去除率一般均超 过90%,而有机负荷可以超过40 kg/(m3·d),甚至 近70 kg/(m·3d)。

3.2温度

要达到较好的处理效果,AnMBR的操作温度 通常需较高。温度较高时,可以降低溶解性微生物 代谢产物(SMP)浓度(粘度也降低),使膜通量也提 高。在一定的温度范围与压力条件下,温度每升高 1℃,膜通量增加1%~2%;然而最近有研究发 现,在常温或低温条件下,AnMBR也能够取得较好的处理效果和较大的膜通量[11-12]。

4.膜系统主要参数

4.1膜材质

目前AnMBR使用的膜最好的是亲水性阴离子 有机膜,膜的孔径在0.1μm左右,膜材质从早期 的聚砜(PS)、聚丙烯睛(PAN)等超滤膜的使用发展 到以聚烯烃(PE和PP)、聚偏乙烯(PVDF)为主 的微滤膜。日本膜专家通过长期的研究和实践认为 用于成分复杂的污水处理聚偏乙烯和聚烯烃有 其优良的化学稳定性、抗氧化性和耐污染性,是最 有前途的膜材料[13]。AnMBR中使用的膜组件有平板膜、式膜和中空纤维膜,发展到目前以中空纤 维膜为主。

4.2膜通量、压力和膜面流速

由于AnMBR本身的特点,目前都采用分置式 AnMBR和错流过滤的方式,压力和膜面流速是很 重要的参数,因此对这两个参数进行了很多研究。 Beaubien A等[14]考察AnMBR的最佳操作条件时发 现,压力与通量之间的关系明显出现两个截然不同 的区域,即高压区和低压区,在低压区,透过流速 主要与膜间压力有关;在高压区,水力条件则成为 控制因素。在低压力区膜的渗透性和高压区的临界 通量的影响因素主要是微生物的浓度。在比较高的 错流流速下(大于3 m/s),并没有观察到膜通量的 下降。临界通量的确定对于控制膜结垢相当重要, 操作压力高于临界通量时结垢严重。在膜过滤器中 设置折流板,可以减轻结垢,大幅提高膜通量[15]。

5 AnMBR膜结垢的影响因素

AnMBR在使用过程中,会出现浓差极化和膜 污染,这两种情况都是不利于膜分离过程的因素, 都将使膜的渗透流率下降,导致操作过程无法长时 间地稳定运行,这直接制约着膜分离过程的应用。 其中,膜的材料、污泥的组成等影响很大。

5.1膜材料

关于膜材料的影响,主要研究其对膜通量和 膜结垢的影响。Choo K H等[16]对AnMBR的研究 中得出通量的变化与所用膜的类型无关,但是对于 不同材质的膜,粘附和孔堵塞引起的污染程度有很 大的差别。Kang I J等[17]比较了有机和无机膜在厌 氧反应器中的结垢特性发现,对于无机膜,鸟粪石 (MgNH4PO4·6H2O)在膜孔中形成是膜通量下降的主要影响因素;然而,对于有机膜,微生物和鸟粪 石共同沉积在膜表面形成较厚的垢层影响膜通量。

5.2污泥组成

污泥组成也会对膜结垢产生显著影响,而不同 废水其结垢的机理也有差别。Choo K H等[16]发现 消化液上层清液中少量微小胶体是引起结垢的主要 原因,同时在消化液组成一定时存在一个最优的膜 孔径(0.1μm),此时微滤膜结垢最轻。由于微生物 的活动会在污水中产生NH 4 +和PO 4 3- ,如果污水中 Mg2+的浓度较高时,就会在膜表面形成无机沉降物 鸟粪石,而鸟粪石的形成遵循溶度积的关系[3]。在 很多情况下,鸟粪石和微生物沉积在一起形成很硬 的垢层,严重影响了膜通量。污泥的颗粒尺寸对膜 通量也有很大的影响,厌氧污泥颗粒变小会形成更 多的污垢,引起膜通量呈数量级下降[17]。

5.3其它原因

膜的结垢主要是由于微生物引起的结垢,而操 作方式如错流过滤流速、操作压力同样会影响结垢 的程度。的高剪切力会使细菌从反应器中向膜表 面聚集,这也会引起膜的结垢。

5.4结垢的预防及清洗

目前结垢的预防研究主要集中在选择操作方 式、反应器结构以及改变污泥组成。操作条件方面 主要为采用错流过滤并选择恰当的流速以及压力。 适当改变AnMBR的形式,如Lee S M等[18]在膜处 理前设置孔径为63μm的预过滤器,对于减轻膜 的结垢、长时间运行有很好的效果。通过改变污泥 组成也可减轻结垢,Izzet O等[19]在处理含高氨 (ρ(NH4+)=2 240 mg/L)垃圾渗滤液时,按m(Mg2+)∶ m(NH4+)∶m(PO43-)=1∶1∶1投加镁盐和磷酸盐, 控制pH值在9.2时,反应后形成MgNH 4 PO4沉淀 而除去氨,去除率可达85%。

膜的清洗方法通常可分为物理方法和化学方 法。物理方法一般是指用高流速水进行冲洗,或将 膜组件提升至水面上用喷嘴喷水冲洗,用海绵球机 械擦洗和反洗(尤其适用于单皮层中空纤维膜)等。 它们的特点是简单易行,费用低。近来新发展的抽 吸清洗方法具有不添加新设备、清洗效果好的优 点,受到人们青睐。另外,电场过滤、脉冲清洗、 脉冲电解清洗及电渗透反洗研究也十分活跃,具有 很好效果。

化学清洗通常是使用化学清洗剂,如稀酸、稀 碱、酶、表面活性剂、络合剂和氧化剂等。它们的 作用主要是通过化学反应破坏膜面的凝胶层和膜孔 内的有机物,溶出结合在有机大分子中的金属离 子。Lee S M等[18]采用一定浓度碱和酸,先后进行 碱洗和酸洗,膜通量可以恢复到新膜的89%。

6 AnMBR的发展与建议

AnMBR目前还未广泛应用,除了成本过高外, 在技术上仍有些问题需要解决。

6.1膜的污染

膜的污染或结垢会造成膜通量迅速下降,导致 处理能力和能耗升高。建议:①开发能够耐污染 的膜;②采用预处理如污水在进入膜之前进行预 过滤,降低污水的污染度;③针对具体的AnMBR 工艺开发出特效清洗工艺。

6.2温度控制

目前AnMBR的运行温度相对较高(30~55 ℃),如果要在我国使用该技术,则需要外加能量 维持温度。要进一步研究常温或低温处理技术,扩 大使用范围,同时以降低能耗。

7.结语

目前国内对AnMBR处理污水的研究才刚刚起步,而它在污水(尤其是高浓度污水)处理中具有独特的优势,随着膜制造技术的不断进步和成本的下降,只要解决好膜的结垢问题,AnMBR将会在厌氧生物法中占有一席之地。因此,针对不同的污水,我们应该研究反应器类型、操作条件以及污水组成对处理效果、结垢的影响,为AnMBR在污水中的实际应用积累有用的基础数据与降解规律。来源:谷腾水网

参考文献:略 作者: 俞慧玲

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