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【重慶水處理設(shè)備網(wǎng)http://wap.xachhh.cn/】研究背景

氣候變化同水、能源及資源危機的呈現(xiàn)推動了市政污水處置向綜合資源回收模式的轉(zhuǎn)變，碳中和逐漸成為未來污水處置的發(fā)展方向。與保守好氧活性污泥工藝相比，厭氧消化(Anaerobdigestion,AD具有較低的能量需求和污泥產(chǎn)量，污水中有機物能夠以甲烷形式進行能源回收，有望實現(xiàn)工藝運行能耗的自給自足。然而，低溫和較低的有機物濃度一直被認(rèn)為是AD工藝應(yīng)用于市政污水處置的主要障礙。一方面，低溫條件下厭氧微生物活性較低，對污水中有機物的降解效果有限，需要足夠長的污泥停留時間(Sludgretenttime,SRT來保證反應(yīng)器的運行效果。而另一方面，大量低濃度市政污水的處置需要較短的水力停留時間(Hydraulretenttime,HRT反應(yīng)器易呈現(xiàn)生物質(zhì)流失等問題，難以保證出水水質(zhì)。

厭氧膜生物反應(yīng)器(Anaerobmembranbioreactor,AnMBR為AD工藝在市政污水處置中的應(yīng)用提供了新的途徑。AnMBR能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)HRT與SRT完全分離。較短的HRT條件下，污泥和懸浮固體(SuspendSolid,SS將被膜組件截留在反應(yīng)器內(nèi)，生長緩慢的厭氧微生物能夠在較長的SRT條件下穩(wěn)定生長，維持反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度，從而能夠解決AD工藝在應(yīng)對有機物濃度低、溫度動搖大以及處置量大的市政污水時的缺乏。現(xiàn)階段許多小試和中試規(guī)模的AnMBR已經(jīng)投入運行，多數(shù)AnMBR能夠在進行市政污水處置的同時實現(xiàn)能源中和或能源盈余。然而值得注意的AnMBR市政污水處置中的應(yīng)用仍面臨著一系列挑戰(zhàn)，其中膜污染、溫度和市政污水中硫酸鹽的存在對于工藝穩(wěn)定運行的影響尤為顯著。為深入了解AnMBR工藝處置污水及回收能源的最新研究進展，綜述了AnMBR工藝在污水有機物去除、甲烷產(chǎn)量及污泥產(chǎn)量等三方面的表示，探討了膜污染、溫度和硫酸鹽作為當(dāng)前該工藝推廣應(yīng)用的制約因素及相應(yīng)解決措施，并展望了AnMBR工藝的潛在應(yīng)用領(lǐng)域與模式，為綜合了解AnMBR工藝在市政污水中的應(yīng)用提供參考。

摘 要

厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR以其優(yōu)良的出水水質(zhì)和較高的凈產(chǎn)能潛力逐漸成為市政污水處置的一項有力技術(shù)。然而，膜污染控制具有較高的工藝運行本錢，同時環(huán)境溫度條件下較低的運行溫度將導(dǎo)致厭氧微生物活性的降低和甲烷溶解度的升高，有利于能源的回收以及對溫室氣體排放的控制。此外，市政污水中硫酸鹽的廣泛存在對產(chǎn)甲烷過程也有較為顯著的影響。為全面了解AnMBR市政污水處置中的研究進展，本文從有機物去除、甲烷產(chǎn)量和污泥產(chǎn)量三個方面評價了工藝的運行效能，分析并討論了工藝應(yīng)用過程中主要的挑戰(zhàn)和解決方式，并在此基礎(chǔ)上展望AnMBR市政污水處置中的發(fā)展方向，旨在為推廣AnMBR處置低濃度市政污水，實現(xiàn)污水中資源及能源的回用提供參考。 成都GMP純化水設(shè)備

01AnMBR基本組成

A nMBR基本組成包括厭氧反應(yīng)器和膜組件兩部分，旨在通過膜分離裝置實現(xiàn)厭氧反應(yīng)中SRT和HRT完全分離，以實現(xiàn)更好地污水處置效果。根據(jù)膜組件裝置位置的不同，AnMBR分為內(nèi)壓外置式、吸引浸沒式和吸引外置浸沒式三種類型。雖然內(nèi)壓外置式AnMBR外部膜組件易于清洗和維護，但較高的跨膜壓差(TransmembranPressure,TMP和外表橫流速度造成了其較高的運行能耗。相比之下，浸沒式AnMBR不只對橫流速度和TMP需求較低，且膜表面截留的微生物能夠直接或間接地返回生物反應(yīng)器內(nèi)，與此同時，沼氣回流提供的剪切力也有利于膜污染控制，使其更加適合處置低濃度市政污水中的處置。

中國人民大學(xué)王洪臣教授團隊：厭氧膜生物反應(yīng)器處置市政污水研究進展

圖1AnMBR構(gòu)型:a內(nèi)壓外置式;b吸引浸沒式;c吸引外置浸沒式

1.膜組件及膜材料

AnMBR實際運行過程中，膜組件和厭氧反應(yīng)器作為AnMBR兩大組成部分，對于工藝的運行效果具有直接影響。膜組件根據(jù)其材料的不同分為聚合膜和陶瓷膜兩大類。罕見的聚合膜資料包括聚偏氟乙烯(PolyvinylidenFluoride,PVDF聚醚砜(PolyethSulfone,PES和氯化聚乙烯(ChlorinPolyethylene,PE而陶瓷膜的資料則一般為氧化鋁(Al2O3二氧化硅(SiO2和二氧化鈦(TiO2現(xiàn)階段，聚合膜由于更低的制作本錢而被廣泛應(yīng)用于AnMBR構(gòu)建與運行中，其中PVDF應(yīng)用最為廣泛。但是膜污染問題導(dǎo)致其具有較高的運行本錢。與聚合膜相比，陶瓷膜擁有更高的處置效率和更好的抗污染性能，近年來備受關(guān)注。然而，高昂的制作本錢是制約陶瓷膜商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。為降低成本，葉臘石、白云石和高嶺土等天然礦物資料也被用于陶瓷膜的制作。此外，為進一步降低本錢，一些高孔隙率資料也被應(yīng)用于AnMBR構(gòu)建的探索中。實際應(yīng)用過程中，不同資料的膜被分別制作為中空纖維膜、平板膜和管式膜等結(jié)構(gòu)形式，以更好地實現(xiàn)與各類厭氧反應(yīng)器的耦合。 重慶純水設(shè)備

2.厭氧反應(yīng)器

對于厭氧反應(yīng)器，連續(xù)攪拌式反應(yīng)器(CompletStirTankReactor,CSP現(xiàn)階段AnMBR構(gòu)建中最常用的厭氧反應(yīng)器，被廣泛應(yīng)用于各類小試和中試規(guī)模的探索。CSP運行簡單、操作方便，但出水SS較高，膜污染情況較為嚴(yán)重。與此相比，升流式厭氧污泥床(UpflowAnaerobSludgBlanket,UA SB一定水平上已實現(xiàn)HRT與SRT分離，達到較好的污水處置效果，膜裝置的加入則對于其出水水質(zhì)有進一步的提升，使工藝的運行更加穩(wěn)定。隨著研究的進一步發(fā)展，厭氧流化床(AnaerobFluidizBedBioreactor,AFBR和膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器(ExpendGranularSludgBed,EGSB等反應(yīng)器也逐漸被用于AnMBR構(gòu)建中。其中，AFBR由于顆?；钚蕴康容d體資料對膜污染的控制作用受到廣泛的關(guān)注。此外，為降低膜污染控制的本錢，對一系列新型反應(yīng)器的研究，如厭氧浸沒式旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器(AnaerobSubmergRotatMembranBioreactor,AnSRMBR厭氧滲透膜生物反應(yīng)器(AnaerobOsmoticMembranBioreactor,AnOMBR和厭氧動態(tài)膜生物反應(yīng)器(AnaerobDynamMembranBioreactor,AnDMBR等，為AnMBR應(yīng)用提供了更多可能性。

02AnMBR市政污水處置中的應(yīng)用效果

1.COD去除效果

表1總結(jié)了近年來不同構(gòu)型和規(guī)模的AnMBR應(yīng)用于低濃度市政污水處置時的運行參數(shù)及運行效果。如表1所示，雖然各項研究中反應(yīng)器進水條件存在一定動搖，但AnMBR基本能夠在較短的HRT和環(huán)境溫度下實現(xiàn)85%以上的COD去除率，且在適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下，去除率能夠穩(wěn)定在90%以上?，F(xiàn)階段小試AnMBRHRT已基本降低至12h及以下，Aslam等甚至在25°C溫度和1hHRT情況下，實現(xiàn)了單級厭氧流化床陶瓷膜生物反應(yīng)器(AFCMBR穩(wěn)定運行，出水COD僅為26mg/L去除率高達90%而近年來，越來越多的中試AnMBR研究也進一步展開。Kong等構(gòu)建的大型吸引浸沒式CSP-A nMBR現(xiàn)階段AnMBR用于低濃度市政污水處置的最大規(guī)模。反應(yīng)器在25°C溫度條件下連續(xù)運行217dCOD去除率一直保持到90%以上，即使在6hHRT條件下，出水COD也僅為40.8mg/L而為了探究不同溫度條件下AnMBR運行的穩(wěn)定性，Chen等在5–35°C溫度條件下以顆?；钚蕴?GranularActivatCarbon,GA C為載體構(gòu)建了中試規(guī)模的GA C-A nMBR研究標(biāo)明，反應(yīng)器在10°C以下的低溫條件下也能夠?qū)崿F(xiàn)86%以上COD去除，出水COD維持在50mg/L以下，突出了AnMBR寒冷環(huán)境下的應(yīng)用潛力。然而，Shin等在構(gòu)建中試規(guī)模的分段式厭氧流化床膜生物反應(yīng)器(SA F-MBR時發(fā)現(xiàn)，實際污水中粒徑小于膜孔徑的COD會在HRT過短時流出，造成出水COD升高。因次，AnMBR實際應(yīng)用過程中，需要注意對進水水質(zhì)進行分析以選取合適的操作條件?？偠灾F(xiàn)階段不同構(gòu)型和規(guī)模的AnMBR均表示出良好的COD降解效果，為AnMBR市政污水處置領(lǐng)域的研究與工程化應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。 成都GMP純化水設(shè)備

表1AnMBR工藝處置低濃度鄉(xiāng)村生活污水的工況參數(shù)及運行效果

中國人民大學(xué)王洪臣教授團隊：厭氧膜生物反應(yīng)器處置市政污水研究進展

2.甲烷產(chǎn)量

沼氣是污水中化學(xué)能在AnMBR內(nèi)的一般轉(zhuǎn)化形式，由甲烷(CH4氫氣(H2一氧化碳(CO氮氣(N2和少量的硫化氫(H2S組成。一般情況下甲烷是沼氣的主要成分，占氣體總量的70-90%甲烷的回收對于能源需求緊張的緩解和碳排放量的減少均具有重要意義，其產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率是評價AnMBR運行效果的重要指標(biāo)。理論上來說，有機負(fù)荷(OrganicLoadRate,OLR較高的條件下會產(chǎn)生更多的甲烷，例如Foglia等在將AnMBROLR從1kgCOD/m3d提升到2kgCOD/m3d時，系統(tǒng)產(chǎn)甲烷量從0.13L/d提升到0.95L/d然而，現(xiàn)階段甲烷實際產(chǎn)率低于理論值的現(xiàn)象普遍存在根據(jù)表1中各AnMBR運行效能來看，其產(chǎn)甲烷率普遍在0.20LCH4/gCODremov左右，低于規(guī)范溫度和氣壓情況下的理論產(chǎn)率。低溫對微生物活性的抑制、甲烷的溶解以及硫酸鹽等抑制性物質(zhì)的存在均可能造成這種差別。不考慮上述抑制性條件的實驗室條件下，AnMBR能夠?qū)崿F(xiàn)0.30-0.35LCH4/gCODremov高甲烷產(chǎn)率。因此，市政污水處置中AnMBR能源的回收仍具有較大潛力和發(fā)展空間，后續(xù)研究中進一步提高AnMBR甲烷產(chǎn)率、實現(xiàn)污水中溶解性甲烷的高效回收，對于工藝的發(fā)展具有十分重要的意義。 重慶純水設(shè)備

3.污泥產(chǎn)量

微生物生命活動的進行往往隨同著剩余污泥的發(fā)生，且污水中不可生物降解的污染物會吸附在污泥當(dāng)中。因此，堆積的污泥需要進一步處置，以防止其中的污染物對生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。剩余污泥的處置處置往往需要較高的本錢，低污泥產(chǎn)量是厭氧反應(yīng)處置污水的另一大優(yōu)勢。表1中部分研究監(jiān)測了AnMBR處置市政污水時的污泥產(chǎn)量。結(jié)果顯示，各實驗結(jié)果均表示出較低的污泥產(chǎn)量，不同的反應(yīng)器構(gòu)型和工藝運行條件下，污泥產(chǎn)量的變化范圍為0.004-0.188gVSS/gCODremov遠低于保守活性污泥法的污泥產(chǎn)量。然而，也有局部研究存在污泥產(chǎn)量較高的問題。Gimenez等發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度下降時，反應(yīng)器污泥產(chǎn)量增加，甚至高達0.46gVSS/gCODremov但也有研究認(rèn)為，由于環(huán)境溫度下厭氧微生物代謝速率較慢，其污泥產(chǎn)量低于中溫或高溫條件。Shin和Bae通過對不同中試AnMBR裝置進行對比分析，指出污水的預(yù)處理是影響反應(yīng)器污泥產(chǎn)量的主要原因，對反應(yīng)器進水進行沉降等預(yù)處置可以明顯降低系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量?？偟膩碚f，AnMBR處置市政污水時基本能夠保證反應(yīng)器運行過程中較低的污泥產(chǎn)量，但需要更多大型中試研究去評估污泥產(chǎn)量的影響因素，為工藝的工程化應(yīng)用提供支持。 成都GMP純化水設(shè)備

03面臨的挑戰(zhàn)

A nMBR工程化和商業(yè)化推廣面臨著許多挑戰(zhàn)，膜污染、溶解性甲烷的存在溫度、pH和堿度以及進水中硫化物的存在等問題均對AnMBR穩(wěn)定運行有著不同水平的負(fù)面影響。當(dāng)AnMBR應(yīng)用于低濃度市政污水處置時，膜污染、溫度以及市政污水中硫酸鹽的存在等問題尤為突出。本文圍繞以上三點對AnMBR應(yīng)用于市政污水處置時所面臨的問題與挑戰(zhàn)展開論述。

1.膜污染

1膜污染機理。

膜污染會造成膜組件運行通量下降，對整個AnMBR運行和維護都有直接影響，現(xiàn)階段制約AnMBR應(yīng)用的主要因素。目前認(rèn)為，膜污染物一般分為有機污染物、無機污染物和微生物。其中，有機污染物包括多糖、蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)等，以溶解性微生物產(chǎn)物(SolublMicrobiProducts,SMP和胞外聚合物(ExtracellularPolymerSubstances,EPS形式存在由于反應(yīng)器中混合液成分的復(fù)雜性，膜污染的形成難以用單一機制進行表述。這些污染物中，疏水性腐殖質(zhì)由于吸附作用易附著在膜外表或膜孔內(nèi)，引起膜外表孔徑分布的改變和外表疏水性的增加，促進膜污染的發(fā)生，被認(rèn)為是不可逆污染發(fā)生的主要原因。多糖具有大分子、凝膠化和低生物降解速率等特性，且易與二價或多價陽離子等無機污染物發(fā)生絡(luò)合作用，膜外表形成易于微生物附著的凝膠層，被認(rèn)為是引起膜污染的關(guān)鍵物質(zhì)。同時，蛋白質(zhì)與多糖結(jié)合形成的非共價網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使膜污染的結(jié)構(gòu)和組成更加復(fù)雜，微生物的附著協(xié)同其它污染物之間的相互作用將促使膜外表污染向濾餅層進一步發(fā)展。膜污染形成過程的時空分布如圖2所示。值得注意的SMP一般在膜污染初期發(fā)揮主要作用，而后期的膜污染以微生物分泌的EPS為主。此外，污染物在連續(xù)過濾過程中向膜外表流動所形成的濃差極化”現(xiàn)象也是膜污染的一種，通常以薄液體層的形式聚集在膜的外表。成都GMP純化水設(shè)備 

中國人民大學(xué)王洪臣教授團隊：厭氧膜生物反應(yīng)器處置市政污水研究進展

圖2膜污染時空分布及清洗操作

2膜污染控制手段。

膜污染的形成與AnMBR運行狀態(tài)密切相關(guān)，合理選擇AnMBR運行參數(shù)對于膜污染的控制至關(guān)重要。作為最重要的經(jīng)濟參數(shù)之一，HRT縮短有利于工藝建設(shè)與運行成本的控制，但膜污染速率也會隨著HRT縮短而增加。例如，Kong等在8h及以上的HRT運行中試AnMBR時，能夠維持穩(wěn)定的膜通量運行，而將HRT縮短至6h時，膜污染問題則開始頻繁呈現(xiàn)。較長的SRT能夠維持反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度以保證工藝運行效果。但較高的SRT易造成反應(yīng)器出水中SMP和EPS濃度的升高，加速膜污染進程。溫度對于膜污染速率也具有較大影響，市政污水溫度隨環(huán)境變化動搖較大，低溫易造成污水粘度的增加，致使膜污染問題加劇，而中溫及高溫條件的維持又會造成大量的熱能的損失。根據(jù)反應(yīng)器運行狀況合理選擇運行參數(shù)，有利于實現(xiàn)膜污染控制。環(huán)境溫度下運行AnMBR同時，盡可能地縮小HRT增加SRT有利于控制運行本錢，因此通過其他途徑緩解膜污染至關(guān)重要。

膜污染控制方法從整體上可分為物理、化學(xué)和生物三種途徑。其中，物理清洗與化學(xué)清洗是常用的膜污染控制手段，已較多的應(yīng)用于中試規(guī)模的探究。一般情況下，通過物理清洗可以去除的污染稱為可逆污染，通過化學(xué)清洗去除的污染則稱為不可逆污染，而在膜的連續(xù)使用過程中經(jīng)清洗后仍不能恢復(fù)的膜通量則被稱為不可恢復(fù)污染。 重慶純水設(shè)備

A nMBR物理清洗的主要途徑為增加膜外表剪切力和反沖洗。外表剪切力的增加主要有增加膜外表流速和機械輔助沖刷兩種途徑。沼氣噴射是控制AnMBR中膜污染最常用的方法，即通過對厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣進行回流噴射，實現(xiàn)對膜污染速率的控制。Lei等通過對之前研究的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用沼氣噴射控制膜污染時，膜污染速率可以從1.16kPa/d降低至0.25kPa/d此外，反應(yīng)器運行過程中將膜組件進行旋轉(zhuǎn)或振動也是增加膜外表剪切力的有效途徑。膜表面的機械輔助沖刷通過投加載體資料實現(xiàn)，活性炭和生物炭等均為常用的載體資料，載體資料的吸附作用在一定水平上進一步抑制了膜污染速率。例如，Kim等利用GA C構(gòu)建的AFMBR膜污染控制方面表示出優(yōu)異的性能。反沖洗可通過出水回流的沖刷作用去除膜表面污垢，對于膜外表可逆污染的去除也十分重要。

化學(xué)清洗是恢復(fù)膜性能的常用方法，通過使用酸、堿、氧化劑等化學(xué)試劑去除AnMBR運行過程中膜組件的不可逆污染，對于膜的再生非常重要。罕見的化學(xué)清洗試劑中，酸處置能夠?qū)崿F(xiàn)無機金屬污染物的沉淀，堿處置能夠?qū)崿F(xiàn)大分子有機污染物的水解，氧化劑則通過氧化作用去除有機和生物污染物。此外，金屬螯合劑和外表活性劑等化學(xué)藥品也被用于膜組件的清洗。金屬螯合劑能夠與金屬離子形成絡(luò)合物，從而破壞生物聚合物內(nèi)部及膜外表分子結(jié)構(gòu)，進而破壞其凝膠層結(jié)構(gòu)。外表活性劑分子則能夠通過其親疏水局部與不同成分的相互作用，破壞膜污染中有機污染物與金屬離子之間的結(jié)合。由于膜污染組成的復(fù)雜性，需要聯(lián)合使用多種化學(xué)試劑對被污染膜進行清洗，次氯酸鈉和檸檬酸的混合便被廣泛應(yīng)用于AnMBR膜污染物的去除。但值得注意的化學(xué)清洗會對膜外表發(fā)生損傷，降低膜的使用壽命，導(dǎo)致膜更換成本的增加，且在膜的原位清洗的過程中，化學(xué)試劑的添加對于反應(yīng)器內(nèi)微生物的活性也存在一定影響。因此，化學(xué)清洗一般僅用于膜通量的恢復(fù)，而不是AnMBR日常運行中膜污染的控制。為防止化學(xué)清洗劑使用對環(huán)境的負(fù)面影響，可生物降解膜污染清洗劑的開發(fā)與清潔劑使用規(guī)范的確立也需要進一步推進。

近年來，一些生物方法也被用于AnMBR膜污染控制中。群體感應(yīng)(QuorumSensing,QS污水處置中生物膜形成的重要機制，與高絲氨酸內(nèi)酯(N-acylHomoserinLactone,AHL合成密切相關(guān)。因此，QS基礎(chǔ)上提出的群體淬滅(QuorumQuenching,QQ則能夠添加酶或具有QQ功能微生物的方式降解厭氧微生物發(fā)生的AHL干擾生物膜形成的QS系統(tǒng)，從而緩解膜污染。與好氧膜生物反應(yīng)器(Aerobmembranbioreactor,AeMBR相比，QQ應(yīng)用于AnMBR膜污染控制的研究較少。Ma等研究了厭氧顆粒污泥中AHL多樣性、分布和功能，推測出QS同樣存在于AnMBR膜污染過程中。Liu等[61]通過兼性QQ微生物實現(xiàn)了小試規(guī)模AnMBR處置合成廢水過程中膜污染的緩解。Xu等分離出的兼性群體淬滅聯(lián)合體(FacultQuorumQuenchConsortium,FQQ提高了QQ微生物在AHL降解過程中的降解性和存活性，此基礎(chǔ)上將其系統(tǒng)地用于AnMBR并評估其長期的運行性能，指出QQ可能通過降低反應(yīng)器中EPS蛋白質(zhì)和多糖含量以實現(xiàn)較明顯的膜污染控制效果。

總的來說，膜污染的形成機理與控制手段仍處于不時地探索當(dāng)中，低能耗且環(huán)境友好的膜污染控制手段的開發(fā)與應(yīng)用對于AnMBR進步與發(fā)展至關(guān)重要。 重慶純水設(shè)備

2.溫度

市政污水的溫度會隨著環(huán)境溫度的變化而變化，冬季污水的溫度能降至5-10°C因此AnMBR處置市政污水時往往需要在不受控制的環(huán)境溫度下運行。厭氧消化工藝對于溫度的變化十分敏感，許多研究標(biāo)明，溫度對于COD去除率和膜污染均具有顯著影響，且低溫將導(dǎo)致甲烷的溶解度增加，有利于甲烷回收。

1溫度對COD去除率的影響。

溫度動搖以及小于10°C溫度是AnMBR用于市政污水處置的兩個重要挑戰(zhàn)。例如，Plevri等發(fā)現(xiàn)AnMBR夏季出水COD濃度普遍低于冬季，出水COD濃度差別最大的一年中，夏季和冬季的出水COD濃度分別為51mg/L和105mg/LCOD去除率分別為89%和76%Watanab等在10-25°C溫度條件下運行AnMBR發(fā)現(xiàn)當(dāng)10°C時反應(yīng)器出水COD濃度明顯增高，達134mg/L研究標(biāo)明，溫度對污染物降解速率和厭氧微生物群落結(jié)構(gòu)均有影響。環(huán)境溫度變化對水解過程的影響是整個厭氧消化過程的限速方法，產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷過程也會受到不同水平的影響。低溫狀態(tài)下，產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制，且由于反應(yīng)平衡常數(shù)的減小和H2溶解度的升高，揮發(fā)性脂肪酸(VolatilFattiAcids,VFA 降解較為緩慢，易造成反應(yīng)體系中pH積累和酸堿度的變化，從而進一步影響產(chǎn)甲烷過程。 成都GMP純化水設(shè)備

A nMBR能夠很大水平上實現(xiàn)環(huán)境溫度下市政污水的有效處置。Lim等在12.7-31.5°C環(huán)境溫度下對生活污水進行處置，實現(xiàn)了25-58mg/LCOD出水水質(zhì)。Chen等在5-35°C環(huán)境溫度下利用AnMBR處置市政污水，上清液COD濃度隨溫度降低而明顯上升，但反應(yīng)器出水COD濃度均低于50mg/L一方面，AnMBR中膜分離作用能夠?qū)崿F(xiàn)對固體物質(zhì)的截留，通過反應(yīng)器中混合液懸浮固體濃度(MixLiquorSuspendSolid,MLSS增加彌補微生物活性缺乏的缺點。另一方面，Smith等指出，由于低溫狀態(tài)下較高的H2溶解度，甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷過程可能在低溫狀態(tài)下發(fā)揮主要作用，H2可作為電子供體用于甲烷的合成。但是近年來局部研究發(fā)現(xiàn)低溫狀態(tài)下乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌仍為優(yōu)勢菌群。因此，需要更多的研究了解溫度對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。此外，局部研究指出膜組件對COD具有分離作用，膜外表生物膜的存在對于COD去除同樣具有一定效果。因此，AnMBR膜組件上生物膜的結(jié)構(gòu)和組成需要進一步研究與探索。

2溶解性甲烷。

溶解性甲烷的存在一直是AnMBR發(fā)展的一大限制因素，且由于低溫狀態(tài)下甲烷溶解度的增加，AnMBR市政污水處置中的應(yīng)用進一步受到制約。一方面，溶解性甲烷的存在有利于污水中能源的有效利用，另一方面，出水中大量的溶解性甲烷是溫室氣體的重要來源，有利于碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。大量的研究對AnMBR處置市政污水時溶解性甲烷的發(fā)生與回收進行了評估。Smith等指出與其他污水處置工藝相比，AnMBR將對全球變暖產(chǎn)生更大的影響，出水中溶解性甲烷的存在對這一影響的貢獻可達70%Dolej等對低溫下AnMBR處置合成污水的出水溶解性甲烷進行測定，15°C時反應(yīng)器出水的溶解性甲烷可達到104mg/L占總甲烷產(chǎn)量的40-50%同樣，Lim等發(fā)現(xiàn)在15-20°C運行條件下，47%甲烷溶解在出水中。因此，最大限度的減少或回收溶解性甲烷對于AnMBR技術(shù)在市政污水處置中的應(yīng)用至關(guān)重要。

現(xiàn)階段對于溶解性甲烷的回收仍處于探索階段，可能實現(xiàn)的技術(shù)包括曝氣、氣提和膜接觸器。與傳統(tǒng)的曝氣和氣提技術(shù)相比，基于膜接觸器從AnMBR出水中回收溶解性甲烷的方法受到越來越多的關(guān)注。現(xiàn)有膜接觸器的工作原理可分為脫氣膜和基于溶劑的回收方法兩類。其中，脫氣膜利用吹掃氣體或真空條件提供的驅(qū)動力實現(xiàn)水中溶解性甲烷的解吸，而基于溶劑的膜接觸器則利用溶劑所提供的濃度梯度實現(xiàn)溶解性甲烷的分離。目前為止，相關(guān)研究多集中在脫氣膜接觸器的使用上。Evan等指出，與環(huán)境能源效益相比，脫氣膜的運行能耗可以忽略不計。Lim等在0.008kWh/m3能耗條件下實現(xiàn)了75%溶解性甲烷的回收，回收能量可達到0.052kWh/m3但是Li等指出通過脫氣膜分離的甲烷中仍含有大量的水蒸氣，仍需要較高的本錢進行分離。Kong等指出，綜合考慮溶解性甲烷的回收，其成本最高可達到0.133kWh/m3未來需要更多的研究綜合考量溶解性甲烷的回收問題。 重慶純水設(shè)備

3.硫酸鹽

市政污水中硫酸鹽的存在對于厭氧消化和膜分離過程均存在顯著影響。硫酸鹽還原菌(Sulphatreducbacteria,SRB能夠利用有機化合物和H2作為電子供體將硫酸鹽轉(zhuǎn)換為硫化物。因此，硫酸鹽存在情況下，SRB將與產(chǎn)甲烷菌競爭相同的底物，降低產(chǎn)甲烷菌的底物利用率，同時，SRB代謝過程中硫化物的生成將對產(chǎn)甲烷菌的發(fā)生抑制，從而進一步降低系統(tǒng)甲烷產(chǎn)率。此外，沼氣中H2S存在會對儀表、設(shè)備發(fā)生腐蝕作用，降低膜組件的使用壽命。因此，污水中硫酸鹽的濃度對AnMBR經(jīng)濟可行性具有直接影響。

對于AnMBR運行效益而言，Shin等的調(diào)查結(jié)果顯示，中試規(guī)模AnMBR處置低小于17mg/L低硫酸鹽濃度市政污水時甲烷產(chǎn)量為0.22LCH4/gCOD而在處置高于99mg/L高硫酸鹽濃度污水時則僅為0.08-0.15LCH4/gCODPretel等在環(huán)境溫度下處置富含硫酸鹽的市政污水，硫酸鹽的存在極大地影響了AnMBR最終甲烷產(chǎn)量，從而影響了總能源消耗與平衡。Petropoulo等估計，進水中120.4mg/L硫酸鹽濃度可以消耗高達50%COD若不考慮硫酸鹽的抑制作用，系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率能夠從0.09LCH4/gCODremov增加到0.18LCH4/gCODremov此外，硫酸鹽轉(zhuǎn)化形成的H2S會對沼氣造成污染，有利于甲烷的回收與利用。除了影響能源的回收問題之外，硫酸鹽對于AnMBR運行本錢也有較大的影響。Kobayashi等報告稱，大于200mg/L高濃度硫酸鹽濃度可能會增加UA SB內(nèi)SMP和EPS釋放，引起AnMBR膜污染進程的加劇。Song等則在后續(xù)實驗中證明，當(dāng)污水中硫酸鹽濃度從200mg/L增加到300mg/L時，膜污染速率快速增加?，F(xiàn)階段關(guān)于硫化物對微生物群落活性、粒度分布、EPS組成以及膜污染特征的探究還較少，需要更多地了解硫酸鹽濃度對AnMBR運行的影響。 成都GMP純化水設(shè)備

使用化學(xué)混凝的方法去除AnMBR中的硫酸鹽是現(xiàn)階段可能實現(xiàn)的方式，但Harclerod等認(rèn)為與AnMBR運行能耗及甲烷的回收相比，化學(xué)混凝劑的投加將會對環(huán)境造成更大的影響。污水中COD/SO42--S控制是限制硫酸鹽濃度對AnMBR運行效能影響的一個可能途徑，當(dāng)污水中COD/SO42--S大于10時，能夠維持較好的厭氧消化和產(chǎn)甲烷性能。但是膜污染以及沼氣中H2S去除仍是不可防止的問題，罕見市政污水中COD/SO42--S比值的范圍也需要廣泛的調(diào)查與研究。 重慶純水設(shè)備

04

展望

近年來，AnMBR市政污水中的應(yīng)用取得了顯著的進展，各類小試與中試裝置在COD降解、甲烷產(chǎn)量和污泥產(chǎn)量等方面的運行效能為工藝的工程化應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。然而，AnMBR運行過程中能源中和的實現(xiàn)及污水中資源的回收利用仍值得進一步的研究與探討。

首先，能源中和的實現(xiàn)直接取決于甲烷的產(chǎn)率及其回收效率。然而，市政污水有機濃度低、抑制性物質(zhì)的存在以及低溫等特點都在制約著甲烷產(chǎn)率的提升。以正滲透(ForwardOsmosis,FO為代表的預(yù)濃縮技術(shù)為甲烷產(chǎn)率的提升提供了新的思路，但在實際應(yīng)用過程中仍存在經(jīng)濟與技術(shù)上的挑戰(zhàn)。因此，如何提高甲烷的產(chǎn)率仍需要進一步的思考與探索。與此同時，溶解性甲烷的存在能源回收效率低下的重要原因，甲烷回收效率的提升將會是AnMBR發(fā)展的關(guān)鍵。另一方面，膜污染是AnMBR運行過程中能源消耗的主要來源，降低膜污染控制造成的能源消耗對于能源中和的實現(xiàn)至關(guān)重要。隨著技術(shù)的進步與發(fā)展，AnMBR膜污染發(fā)生過程有望得到更加全面的理解與認(rèn)識。因此，未來的研究需要對AnMBR運行及清洗戰(zhàn)略進行調(diào)整和優(yōu)化，同時開發(fā)能耗更低的膜污染控制方法和抗污染性能更強的膜組件。

其次，AnMBR出水中豐富的氮磷為污水中資源的回收利用提供了廣闊的空間。農(nóng)業(yè)灌溉是同時實現(xiàn)污水中氮磷資源與水資源利用的最佳方式之一。然而，非灌溉季節(jié)AnMBR出水的貯存面臨水體富營養(yǎng)化和貯存空間等問題的限制，反應(yīng)器出水與灌溉用水在時間和空間上的平衡，需要開展相應(yīng)的實踐與討論。不能保證反應(yīng)器出水的直接回用時，需要對污水中殘留的氮磷進行去除或回收以滿足市政污水的排放規(guī)范。因此，AnMBR與不同水處置工藝之間聯(lián)合應(yīng)用的處置效果需要更多的探索與評價，為AnMBR處置市政污水提供更多可能的應(yīng)用模式。

中國人民大學(xué)王洪臣教授團隊：厭氧膜生物反應(yīng)器處置市政污水研究進展

圖3以AnMBR為中心的污水資源化和污染控制系統(tǒng)展望

05

結(jié)論

通過對AnMBR工藝在市政污水處置中的研究進展進行梳理，得到以下結(jié)論：

1多數(shù)小試或中試AnMBR均已能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境溫度下市政污水的有效處置，COD去除率基本達到90%以上，污泥產(chǎn)量較小，且能夠?qū)崿F(xiàn)污水中有機物向甲烷的轉(zhuǎn)換，具有低能耗下同步進行污水處置和資源回收的巨大潛力。 成都GMP純化水設(shè)備

2膜污染是制約AnMBR應(yīng)用的主要障礙，約70%以上的能量用于膜污染控制過程。后續(xù)的研究中，需要對現(xiàn)階段膜污染控制方法進行優(yōu)化，同時開發(fā)更加低能耗的膜污染控制方法，降低膜污染控制本錢。

3市政污水的溫度動搖從COD降解效果、膜污染速率和溶解性甲烷三個方面影響AnMBR運行。甲烷在低溫狀態(tài)下溶解度的增加是亟需解決的問題，提高溶解性甲烷的回收能夠在實現(xiàn)能源回收的同時有效減少溫室氣體的排放。 重慶純水設(shè)備

4市政污水中大量存在硫酸鹽會造成硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌的競爭，降低甲烷產(chǎn)量，H2S發(fā)生也會影響沼氣的組成。合理控制污水中COD/SO42--S比值可能是緩解硫酸鹽影響的有效途徑。

5市政污水的處置需考慮污水中氮磷的去除，農(nóng)業(yè)灌溉可能是AnMBR出水的最佳利用方式。不能實現(xiàn)污水的直接回用需要進行進一步的處置。

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