AMBR在污水处理中的研究进展.doc

第一届全国环境污染防治应用技术交流会征文AMBR在污水处理中的研究进展作者简介：何爱江（1975），男，硕士，主要研究方向为工业水阻垢和缓蚀技术。何爱江，李正山，王晓莉，刘丽秀（四川大学建筑与环境学院，成都，610065）摘要：本文首先介绍了MBR在厌氧处理中的优点，接着介绍厌氧MBR中的生物种群，膜的结垢、预防和清洗以及运行参数如操作压力、流速等的研究进展。在两相厌氧处理中引入膜可以提高酸化率，强化相分离。由于AMBR的特点，在污泥减量化中也不错的效果。关键词：AMBR，生物种群，膜结垢，污泥减量化The Advances of AMBR in Wastewater TreatmentHe Aijiang,Li Zhengshan,Wang Xiaoli,Liu Lixiu（College of Architecture &.Environment，SCU，Chengdu，610065）Abstract: This review first points out the advantages of MBR in wastewater anaerobic treatment，and then relates the biological population in AMBR，the fouling and prevention and washing of the membrane，as well as the operation parameters such as pressure，velocity，etcIntroducing membrane into two-phase anaerobic treatment can effectively increase the acidification efficiency，strengthening the phase separationOwing to the characteristics of AMBR，it also performs quite well in sludge reductionKeywords:AMBR；biological population；fouling；sludge reduction厌氧膜生物反应器（Anaerobic Membrane Bioreactor，简写AMBR）是厌氧和膜技术有效的结合工艺。厌氧处理时出水水质较差，而膜的引入可以代替其后续处理单元，通过膜截留作用，可以使反应器中微生物浓度维持在较高水平，弥补了厌氧处理容积负荷低的缺点。由于可以维持较长的SRT，因此污泥产量低，同时出水水质好，甲烷转化率高。AMBR的研究基本与膜生物反应器发展同步的，1972年Shelf等开始了厌氧膜生物反应器的研究工作。1999年，在意大利Vicenza，研究人员经过中试，决定用AMBR来代替原来的处理工艺，产生的沼气作为能源供发电厂发电1。另外，AMBR商业化应用成功例子之一是Membratek公司的技术。1、 AMBR中微生物厌氧工艺处理能力主要因素之一是系统内微生物种群数量。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 AMBR中的微生物种群膜在厌氧反应器中的应用不但可以增加这类微生物的数量，还改变了优势种群。Ince O等2研究厌氧膜生物反应器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AMBR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二十倍。1.2 AMBR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，提高了反应器的容积负荷。在AMBR运行的前期，由于微生物的积累，污泥增长速度很快，MLVSS可以达到几十g/l。同时泵对微生物浓度分布也有影响，Choo K H等3发现，在0.5m/s的流速、0.1MPa的压力下，经过20天的运行，反应器内MLVSS从2410降低到920mg/l，而膜表面附着的微生物浓度增加到20700 mg/l，系统中约有16%的微生物转移到了膜表面。2. AMBR膜的结垢的影响因素2.1 膜的材料的影响研究的内容主要为膜的材料对膜通量和结垢的影响，Choo K H等4对AMBR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5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(MgNH4PO46H2O)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的表面形成较厚的垢层影响膜通量。2.2 污泥组成污泥组成也会对结垢有影响，不同废水其结垢的机理也有差别， Choo K H等4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（0.1m），此时微滤膜结垢最轻。由于微生物的活动会在污水中产生NH4+和PO43-离子，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条件溶度积的关系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5。2.3 其他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、操作压力也会影响结垢的程度。泵的高剪切力会使细菌从反应器中向膜表面聚集，也会引起膜的结垢。2.4 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AMBR的形式，如Lee S M等7在膜处理前设置孔径为63m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8在处理含高氨氮（NH4+2240mg/L）垃圾渗滤液时，加入适量的镁盐和磷酸盐，使Mg2+：NH4+：PO43-1：1：1，控制pH在9.2时，它们反应后形成MgNH4PO4沉淀而除去，氨氮的去除率可达到85。膜的清洗包括物理清洗和化学清洗，物理清洗能够恢复膜通量有限，很多情况下没有效果。化学清洗有酸洗和碱洗。采用不同的清洗方式也会有不同的效果。Lee S M等7采用一定浓度碱和酸，先后进行碱洗和酸洗，通量可以恢复到新膜的89。3. AMBR强化相分离在两相厌氧处理之间加入膜，利用分离截留作用，使产酸反应器中的产酸菌浓度增加，增强了水解发酵能力，同时膜将大分子有机物截留在产酸反应器中使之水解发酵，保持较高的酸化率。Yoshinori Y等9采用三种方法处理大豆废水，其中两相AMBR比常规厌氧消化或者在厌氧消化后设膜分离具有更好的效果。合成废水的COD负荷在3.0 kg/m3.d时，COD的去除率为92.4，甲烷产率为83.4。管运涛等10也研究了AMBR利用强化相分离处理有机废水，COD 去除率达到95% ,SS 去除率在92% 以上, 酸化率为60% 80% , 甲烷产率在80% 90% 左右。Lee S M等7采用浸膜式膜反应器作为酸化反应器处理养猪废水，采用预过滤和空气反冲洗减轻膜的结垢。经过长期的运行，COD去除率为80，甲烷产率为0.32m3/kg COD。4. 操作参数操作参数不仅对膜的结垢影响很大，它还对AMBR的性能如膜通量、COD去除率、出水水质等有很大的关系。参数的选择影响到AMBR的整体性能。4.1有机负荷和水力停留时间AMBR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。从下表可以看出，有机负荷可以超过40gL-1d-1，而且COD的去除率一般能超过90，显示出了AMBR优良的性能，下表为AMBR处理各种废水的效果。废水类型有机负荷，kg/m3dCOD去除率，%MLVSS，g/l备注有机废水20大于9011泡菜废水8大于90屠宰废水68大于90棕榈油废水39.968.391.794.2404512食品废水23809013酿酒废水28.5大于97103生活污水0.512.5大于971621.514淀粉废水42497.2%154.2膜通量、压力和膜面流速由于AMBR本身的特点，目前都采用分置式AMBR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16考察厌氧膜生物反应器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；然而在高压区，水力条件成为控制因素。在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3m/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17。5. AMBR在脱氮中的运用Ewa W等18在采用AMBR用于地下水脱氮，反应器采用固定床与膜的组合，膜毛细管纤维膜，水力停留时间0.2h时，反应器的脱氮效率可以达到10.2 kg NO3-m3 day，处理后的出水硝酸盐浓度不超过44 mg NO3-L。使用的毛细管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cm3，过滤后的水可以进一步处理用于工业或饮用水等目的。6. AMBR污泥减量化由于AMBR内膜的截留作用下，污泥浓度很高，为污泥的减量化创造料条件。在AMBR的短期运行中，反应器内的污泥浓度基本稳定，可以实现不排泥。但是长时间的运行会出现污泥的累积，这时就需要对污泥进行处理。Takahima M 19采用碱加热处理污泥，破坏污泥难降解组分，然后把处理后的污泥返回反应器，实现了污泥的完全停留。7. 结束语目前国内对AMBR处理废水的研究还很少，而它在废水（尤其是高浓度废水）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，AMBR将会在厌氧生物法中占有一席之地。因此，针对不同的废水，我们应该研究反应器类型、操作条件以及废水组成对处理效果、结垢的影响，为AMBR在废水中的应用摸索出有用的数据。参考文献：1. Jasmine C,Francesco S.Application of membrane systems for Cod removal and reuse of waste water from anaerobic digestors,Desalination,1999,126,293-3002. Ince O，Anderson G K，Kasapgil B. Composition of the microbial population in a membrane anaerobic reactor system during start-upJ, Water Research,1997,31(1),1-103. Choo K H，Lee C H. Membrane fouling mechanisms in the membrane-coupled anaerobic bioreactorJ, Water Research,1996,30(8),1771-17804. Choo K H，Lee C H. 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