厭氧膜生物反應器的基本原理和構造以及相關的影響因素
【www.fvqao.cn南京純水設備】目前厭氧膜生物處理技術被認為是處理高濃度有機廢水的研究熱點之一，它結合了厭氧生物處理與膜過濾系統(tǒng)，從而具有運營成本低、易于管理控制及剩余污泥產率少等優(yōu)點。但是，也面臨著諸如鹽度積聚，抑制物質和膜污染等挑戰(zhàn)。本文綜述了厭氧膜生物反應器的基本原理和構造以及相關的影響因素，為高濃度有機廢水的處理提供相關建議。
近年來，高濃度有機廢水的處理處置引起了人們廣泛的關注，例如腸衣廢水、豬糞廢水、玉米乙醇生產廢水、奶酪廢水、屠宰場加工廢水、肉類加工廢水、棕櫚油加工廢水、羊毛洗滌廢水和奶制品廢水等。此類廢水中具有有機物濃度高、成分復雜、有毒有害等特點，如未經處理直接排入水體將使水體遭受污染，對人類健康和生態(tài)環(huán)境構成嚴重威脅。南京去離子水處理設備因此，對于高濃度有機廢水的處理是當今環(huán)境工程和環(huán)境科學領域研究的熱點。
目前，國內高濃度有機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廢水中的有機質作為自身營養(yǎng)物質，在適宜的條件下(如合適的溫度、pH 等)，將其轉化為沼氣的過程。此過程不僅可以去除污水中的污染物，還可實現(xiàn)能源再生。傳統(tǒng)厭氧生物處理具有投資省、運營成本低、易于管理控制及剩余污泥產率少等特點。
但是由于高濃度有機廢水的復雜性，采用傳統(tǒng)厭氧消化技術在其能源轉化工程中遇到諸多問題，例如污泥上浮、污泥流失、VFAs 累積等，最終導致運行的失敗。AnMBR 是一種有機結合厭氧生物處理單元和膜分離技術的新型廢水處理工藝，其不僅保留了厭氧技術的諸多優(yōu)點，而且膜組件的引入可以將微生物完全截留，從而實現(xiàn)了 SRT 和 HRT 的有效分離。也正因如此，厭氧膜生物反應器具備污泥濃度高、泥齡長、耐沖擊負荷能力強等優(yōu)點，其在高濃度和復雜有機廢水處理方面展現(xiàn)出很好的應用前景。
雖然 AnMBR 有上述的許多優(yōu)點，但是 AnMBR 在廢水資源回收方面仍然面臨著一些重大挑戰(zhàn)，這些問題主要集中在溫度，鹽度積聚，抑制物質和膜污染。
1、厭氧膜生物反應器的基本原理和構造
AnMBR 是一種將厭氧生物處理技術與膜分離技術相結合的工藝。AnMBR 具有以下優(yōu)點：可將有機廢棄物轉化成甲烷再次利用，產生較小的剩余污泥、占地面積小、基建費用低、二次污染少，過濾性能好，有效攔截污染物和大分子有機物，對某些有毒物質去除效果好，出水水質理想。
根據(jù)厭氧處理的方式不同，AnMBR 也有不同的構造。常見厭氧生物反應器包括厭氧污泥床(UASB)，完全混合式反應器(CSTR)和厭氧流化床生物反應器(AFBR)。在這些反應器中，CSTR 是 AnMBR 常用的配置，其優(yōu)點在于構造和操作較為方便。UASB 可以在生物反應器的底部區(qū)域保留生物質，所以過膜的出水的懸浮固體濃度很低，減輕膜污染。同時，在 UASB 反應器中，可以通過氣/液/固分離器來收集產生的甲烷。AFBR 反應器則是通過填充如石英砂、活性炭、沸石這類細小的固體顆粒填料來凈化出水。
2、AnMBR 處理性能的影響因素
2.1 鹽度積累
高鹽含量被認為是嚴重抑制厭氧過程的因素之一，研究發(fā)現(xiàn)，當 AnMBR 在處理來自海產品加工和奶酪生產的高鹽廢水時，甲烷的產量和 COD 的去除率都會有明顯的降低。南京反滲透水處理設備較高鹽度會導致酶的活性受到抑制，細胞活性會隨之下降，厭氧微生物會發(fā)生質壁分離的現(xiàn)象，從而對厭氧消化過程產生負面影響。
2.2 溫度
AnMBR 可以在高溫(50~60℃)或中溫(30~40℃)條件下運行。低溫(＜20℃)下的 AnMBR 會面臨諸多挑戰(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。
當 AnMBR 內的溫度從 35℃降至20℃時，反應器中總懸浮固體含量和可溶性 COD 的濃度也會隨之增加，這將會導致嚴重的膜污染并且會降低甲烷的產量。當溫度降至20℃時，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用于攪拌水體。
2.3 抑制物質
AnMBR 易受廢水中如游離氨和硫酸鹽等抑制物質的影響。在厭氧消化的過程中，隨著生物降解反應的進行，廢水中的蛋白質會產生大量的游離氨。游離氨的毒性在于它可以穿透微生物的細胞膜，從而導致細胞穩(wěn)態(tài)失衡，破壞質子平衡。
研究發(fā)現(xiàn)較高的溫度和 pH 值會釋放更多游離氨來加劇這種抑制反應。高硫酸鹽濃度也會抑制 AnMBR 的性能。這是由于硫酸鹽還原菌與產甲烷菌之間對于碳的競爭所導致的。此外，硫酸鹽還原菌會產生硫化氫，硫化氫可以很容易地穿透微生物的細胞膜并使細胞質內的天然蛋白質變性，從而在多肽鏈之間產生硫化物和二硫化物。
研究發(fā)現(xiàn)，通過增加有機物的濃度可以減輕游離氨和硫酸鹽對 AnMBR 的抑制?？梢酝ㄟ^在 AnMBR中延長的SRT的方法使得微生物充分適應環(huán)境來抵抗氨的抑制效應 。研究發(fā)現(xiàn)，當進水 COD/SO42-高于 10時，AnMBR 的基本生物性能不受硫酸鹽濃度增加的影響。
2.4 膜污染
在污水處理過程中，無機或有機污染物會在膜孔、膜表面沉積，降低膜通量，增加跨膜壓差，因此需要及時化學清洗或更換濾膜。而鑒于膜材料成本昂貴，膜污染仍然是限制 AnMBR 廣泛應用的關鍵因素。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、附著的細胞和無機沉淀物。南京EDI水處理設備研究發(fā)現(xiàn)，在約 700 天長期運行的 AnMBR 中會生成由生物誘導效應而產生的礦物質結垢，而這種污染是一種不可逆污染，因此，需要化學清洗來恢復膜的通透性。
AnMBR 運行期間的膜污染主要取決于膜的性質、操作條件(例如溫度，水通量，HRT 和 SRT)、流體動力學和污泥特性。在相同的流體動力學條件下操作時，高溫條件下系統(tǒng)的過濾阻力會比中溫條件下系統(tǒng)的過濾阻力高約 5~10倍。這是由于在高溫條件下，SMP 和細小的絮凝物會大量累積。
隨著 HRT 的減少，SMP 會加速積累，而較長的SRT 會減少顆粒的絮凝度和粒徑，從而加劇膜污染。因此，通過優(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。
盡管目前已經具有一些有效控制膜污染的方法，但是膜清潔這個環(huán)節(jié)仍然是必不可少的。膜清潔包括物理法、化學法和生物法。物理法主要包括反沖洗，表面沖洗和超聲波處理。化學法是指運用特定的試劑(酸、堿和氧化劑)來去除膜的不可逆污染。值得一提的是，化學法需要消耗化學試劑，會不可避免地帶來二次污染等問題。生物法是指采用酶制劑來清洗膜污染中的有機污染物，酶制劑沒有二次污染，而且對膜不產生損害，但是，其高額的價格成本制約了進一步的應用。
相比傳統(tǒng)厭氧生物處理技術，AnMBR 具有污泥濃度高、泥齡長、耐沖擊負荷能力強等優(yōu)點，可以說 AnMBR 對高濃度有機廢水處理具有較大的應用前景。但是，目前的研究者們需要進一步解決與鹽度積聚，溫度，膜污染以及抑制物質等相關問題，這樣才能推進 AnMBR 在水處理和能源回收方面的實際應用。
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