水資源短缺是面臨的一項難題，將廢水處理后回用可以有效緩解水資源的供需矛盾。在現(xiàn)有的各類廢水處理技術(shù)中，好氧生物處理技術(shù)因其發(fā)展較為成熟而占據(jù)了很大的優(yōu)勢，但其存在能耗高、污泥產(chǎn)量高以及資源回收率低等缺點。而傳統(tǒng)厭氧處理需滿足下列條件：(1)生物反應(yīng)器必須被加熱到中溫(30～40 ℃)或高溫(50～60 ℃)的溫度；(2)需要較長的污泥齡(SRT)；(3)需要進行后處理以確保出水達(dá)標(biāo)排放。由于早期厭氧反應(yīng)器的處理條件較高，厭氧處理技術(shù)沒能較好地用于污水處理過程。隨著以UASB及EGSB為代表的第二、三代厭氧反應(yīng)器在高濃度有機廢水處理中的成功應(yīng)用，厭氧生物處理及其耦合技術(shù)日益受到研究人員的重視。

厭氧膜生物反應(yīng)器(anaerobic membrane bioreactors，AnMBR)作為厭氧處理技術(shù)和膜生物反應(yīng)器的耦合，它同時具備了二者的優(yōu)缺點，盡管目前對AnMBR的研究大部分于實驗室或小試規(guī)模，但其已成為研究的一個熱點?？屏秩A特技術(shù)部從AnMBR技術(shù)組成、膜結(jié)構(gòu)形態(tài)、應(yīng)用、膜污染原因、厭氧微生物生態(tài)學(xué)等方面介紹了AnMBR技術(shù)的研究狀況，指出其面臨的難題及今后的發(fā)展方向，以期為后續(xù)研究以及實際應(yīng)用提供理論參考。

1 AnMBR的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

1.1 AnMBR的組成及分類

AnMBR通常由厭氧反應(yīng)器和膜過濾系統(tǒng)2部分組成，不考慮膜過濾系統(tǒng)，厭氧反應(yīng)器中常用的是連續(xù)攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)(CSTR)。另外，UASB、EGSB、流化床系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用于其中。厭氧反應(yīng)器的設(shè)計必須保證有足夠的生物停留時間(SRT)，這樣在很大程度上可以減少懸浮生物質(zhì)與膜接觸的時間，避免膜污染的發(fā)生。膜過濾系統(tǒng)有3種構(gòu)型存在：外部橫流、內(nèi)部浸沒和外部浸沒，如圖 1所示：

圖1

（1）外部橫流式AnMBR反應(yīng)器；（2）內(nèi)部浸沒式AnMBR反應(yīng)器；（3）外部浸沒式AnMBR反應(yīng)器。

圖1三種AnMBR結(jié)構(gòu)配置示意

在外部橫流結(jié)構(gòu)中，膜組件與生物反應(yīng)器是分開的，膜在滲透壓作用下正常運行，加壓泵將厭氧反應(yīng)器中的固體混合液打入膜組件的過濾端，通過壓力作用使混合液中的液體透過濾膜，大分子物質(zhì)則被濾膜截留，隨濃縮液直接回流到厭氧反應(yīng)器中。在內(nèi)部浸沒式膜結(jié)構(gòu)中，膜直接浸入在生物反應(yīng)器中的懸浮生物液中，通過施加于膜的真空度產(chǎn)生滲透壓進行過濾。另外，膜組件也可位于獨立于主生物反應(yīng)器的外部腔室中，但仍淹沒在懸浮生物液中并在真空條件下進行操作。

1.2 AnMBR膜材料和膜組件的研究

選擇合適的膜材料和膜組件是反應(yīng)器設(shè)計的關(guān)鍵。應(yīng)用于AnMBR的膜材料可分為3種形態(tài)：疏水性有機聚合膜、金屬膜和非金屬膜(陶瓷膜)。其中，有機聚合膜因性能良好并具有經(jīng)濟性而得到廣泛應(yīng)用，常用的疏水性有機聚合膜材料主要有聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚砜(PES)膜，占*的75%以上。平板膜、管狀膜和中空纖維膜是AnMBR中常用的3種膜組件，其過濾特征如表 1所示。

我公司研究了不同膜材料對膜污染的影響并對其污染特征進行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機膜和非有機膜存在*不同的污染特征。我公司采用不同截留分子質(zhì)量的PES膜研究了膜孔徑對AnMBR過濾效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膜孔徑的大小對污染物的去除效果影響很小。

1.3 AnMBR與其他廢水處理技術(shù)的比較

將AnMBR與其他污水處理技術(shù)進行了比較，如表 2所示。

由表 2可以看出，AnMBR集合了傳統(tǒng)好氧、厭氧技術(shù)和好氧膜生物反應(yīng)器的諸多優(yōu)勢，它具有不耗能、可回收燃料氣體、產(chǎn)泥量少等眾多優(yōu)點。

1.4 AnMBR在城市生活污水處理中的應(yīng)用及研究

由于城市生活污水中的污染物濃度較低，較短的水力停留時間難以保證厭氧顆粒污泥的緩慢生長，加之單純的厭氧處理技術(shù)難以滿足處理出水達(dá)標(biāo)排放，因此，長久以來鮮有研究者將厭氧處理技術(shù)單獨應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理中。AnMBR作為厭氧處理技術(shù)和膜處理技術(shù)的結(jié)合，既可以保證處理出水達(dá)標(biāo)排放，同時也可降低污泥的產(chǎn)量，成為一種可持續(xù)的污水生物處理技術(shù)。但近年來有關(guān)AnMBR在不同城鎮(zhèn)污水及其模擬廢水處理中的應(yīng)用研究結(jié)果表明，經(jīng)傳統(tǒng)AnMBR處理，大部分污水的COD大去除率>70%，由此可見，以傳統(tǒng)AnMBR處理技術(shù)來處理城鎮(zhèn)污水效果并不是很理想。因此，更多的研究偏向于將膜組件融合于新型厭氧處理技術(shù)中以達(dá)到對AnMBR技術(shù)進行優(yōu)化和改良。厭氧折流板反應(yīng)器作為第三代新型反應(yīng)器具有諸多優(yōu)勢，我公司將AnMBR與厭氧折流板反應(yīng)器進行耦合應(yīng)用于城市生活污水處理中，在進水COD為1600 mg/L，NH4+-N 為80 mg/L的條件下，COD和NH4+-N去除率分別達(dá)到59.5%和83.5%。我公司將好氧硝化膜組件置于厭氧連續(xù)攪拌反應(yīng)器中處理高濃度有機廢水，結(jié)果表明，COD去除率>90%，硝酸鹽氮去除率>95%。我公司將膜組件應(yīng)用于厭氧SBR工藝中處理人工模擬廢水，使得厭氧氨氧化活性增加了19倍，顯示了膜反應(yīng)器在處理低速增殖有機物上的優(yōu)點。

1.5 AnMBR在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用及研究

目前，應(yīng)用AnMBR處理的工業(yè)廢水主要包括2大類：食品類工業(yè)廢水和非食品類工業(yè)廢水。非食品類工業(yè)廢水包括造紙、化工、制藥、石油、紡織等行業(yè)廢水，由于其組成復(fù)雜、污染物濃度高、毒性大，處理難度較大，而AnMBR在處理這類具有高鹽、高溫、高懸浮物濃度和高毒性的廢水方面具有較大優(yōu)勢。我公司比較了浸沒式AnMBR和CSTR的產(chǎn)氫性能，通過比較發(fā)現(xiàn)，AnMBR的產(chǎn)氫速率為2.43～2.56 L/(L•d)，比CSTR的產(chǎn)氫速率高約2.6倍，說明AnMBR具有較高的產(chǎn)氫能力。我公司采用氣提式AnMBR處理啤酒廢水，結(jié)果表明，其具有產(chǎn)氫能力及較高的液體回流率，使得在控制膜污染方面更有效果。我公司研究了在高剪切流速(0.9～2 m/s)條件下AnMBR處理豬糞廢水的性能，結(jié)果表明，盡管濾餅層阻力的降低可使膜的生物活性得到改善，但剪切速率的突然改變可能對其仍具有負(fù)面影響。

2 AnMBR在廢水處理中面臨的技術(shù)難題

截至目前為止，針對AnMBR在廢水處理中的應(yīng)用研究絕大多數(shù)仍處于實驗室或中試規(guī)模，主要原因有3點：(1)AnMBR中的運行參數(shù)難以控制，導(dǎo)致膜污染影響因素眾多，膜污染比MBR更嚴(yán)重；(2)AnMBR中生物質(zhì)氣體能源的回收存在技術(shù)性困難；(3)由于缺乏對厭氧微生物生態(tài)學(xué)的微觀認(rèn)識，僅靠操作條件的改變不能從本質(zhì)上優(yōu)化反應(yīng)器的處理性能。

2.1 膜污染的機理研究

膜污染是各類膜生物反應(yīng)器技術(shù)都面臨的難題之一，膜結(jié)垢可降低整個操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少膜通量，從而降低了反應(yīng)器的處理效能。膜的結(jié)垢主要是由反應(yīng)器中的組合物質(zhì)(水溶性有機物、進料膠體粒子、細(xì)胞裂解和無機沉淀物)形成的。圖 2總結(jié)了影響膜污染的多種因素，主要包括膜類型、工藝性能、生物系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)、水動力條件以及生物反應(yīng)器的操作條件等。目前，對好氧膜生物反應(yīng)器膜污染機理的研究較多，并取得了大量的成果，雖然AnMBR與MBR相似，但由于厭氧膜生物生長緩慢，反應(yīng)器負(fù)荷較大，且存在操作環(huán)境的多變性，因此，關(guān)于AnMBR的膜污染機理存在著眾多難點有待解決。

圖 2 影響膜污染的因素

2.2 膜污染的控制和管理

膜污染的控制措施對于整個反應(yīng)器的運行效果至關(guān)重要，研究者通過采用不同的措施來緩解膜污染。如：在AnMBR啟動過程中將其作為傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器短暫操作運行，可減少進水中細(xì)微顆粒物在膜面的附著；又如：保持AnMBR膜組件錯流運行，可以減少顆粒物在其上面的沉積，但高剪切流速同樣會造成細(xì)顆粒物的流出，從而影響反應(yīng)器的運行效果。在采用AnMBR技術(shù)處理高鹽含油廢水中，將超聲波清洗應(yīng)用于膜污染控制過程得到了良好效果，此外，將氣體射流、活性炭添加、沸石-濾膜分析器等技術(shù)應(yīng)用到試驗研究過程中也達(dá)到了良好的膜污染控制效果。

總體來說，減緩AnMBR膜結(jié)垢的方式主要有3種：(1)在高通量條件下短時間運行，然后采用強酸、強堿及氧化劑等進行反沖洗，清洗膜面附著物；(2)在“臨界通量"水平操作條件下，只進行間歇性反沖洗和清洗；(3)可以嘗試通過流體動力學(xué)條件來操作反應(yīng)器，減少溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)/膠體在反應(yīng)器內(nèi)的增量，從而減少膜結(jié)垢程度。

2.3 操作運行參數(shù)的控制

AnMBR工藝中膜分離操作的主要影響因素有水力停留時間、污泥齡、膜面流速、溫度、操作壓力等。由于厭氧微生物生長緩慢，所以必須維持較長的污泥齡。成功的厭氧處理技術(shù)是將水力停留時間和污泥齡*分離，這樣不僅能維持反應(yīng)器中高濃度的厭氧污泥，還可以減小反應(yīng)器的尺寸。AnMBR工藝中的微生物會隨時間以附著和懸浮2種形式增殖，微生物以懸浮形式增殖，對于其活性可起到促進作用，使得其產(chǎn)甲烷活性顯著提高。同時，微生物產(chǎn)甲烷活性的增加也與溫度有關(guān)，我公司技術(shù)部的研究表明，AnMBR在25 ℃條件下產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷效率比在15 ℃時更高，較長泥齡或較短的水力停留時間對產(chǎn)甲烷活性有積極的影響，但泥齡的增加會導(dǎo)致AnMBR中惰性固體積累。此外，我公司技術(shù)部的研究表明，增加錯流速度，會導(dǎo)致厭氧消化性能變差。

2.4 AnMBR微生物生態(tài)學(xué)

厭氧消化過程中微生物區(qū)系復(fù)雜、類型繁多，同一反應(yīng)器在不同操作條件下，同一顆粒污泥在不同發(fā)育階段，微生物的生長增殖規(guī)律、環(huán)境適應(yīng)性及生物活性都會影響其所占比例。厭氧消化過程正是由這些微生物所進行的一系列生物化學(xué)的耦合反應(yīng)，由于厭氧反應(yīng)器內(nèi)部各區(qū)域生態(tài)位的差異，造成非產(chǎn)甲烷細(xì)菌、產(chǎn)甲烷細(xì)菌出現(xiàn)有規(guī)律的演替，通過各種群之間的相互利用、相互制約，構(gòu)成一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，從而保證了生物代謝過程的正常進行。因此，AnMBRs是培養(yǎng)生長緩慢微生物的系統(tǒng)。

AnMBRs內(nèi)微生物種群的分布受濾餅層、反應(yīng)器容積以及濾餅層深度的影響顯著。隨著濾餅層深度的增加，外濾餅層表面比內(nèi)濾餅層表面會變得松散，易隨生物液流出導(dǎo)致膜堵塞。隨著濾餅層加厚及微生物種群的增加，膜結(jié)垢現(xiàn)象也逐漸增多。研究發(fā)現(xiàn)，附著于濾餅層上的主要細(xì)菌種群中隸屬于厚壁菌門的占到42.3%，α-變形菌占到30.8%，而古生菌主要是甲烷八疊球菌屬和甲烷螺旋菌屬。

3 AnMBR技術(shù)未來研究發(fā)展趨勢

(1)多種條件下AnMBR膜污染機理的研究。膜污染涉及多個方面，關(guān)于膜污染機理的研究一直是AnMBR研究的關(guān)鍵和核心。由于溶解性有機質(zhì)(SMPs)是影響膜污染的關(guān)鍵物質(zhì)，未來應(yīng)重點針對其組成和反應(yīng)器中多種參數(shù)對其產(chǎn)量的影響進行研究。另外，針對膜形態(tài)、孔徑組成、膜通量、厭氧微生物生態(tài)學(xué)以及操作運行參數(shù)對膜污染機理的影響研究也是未來研究的重點。

(2)不同膜材料和膜組件在AnMBR中的應(yīng)用研究。膜材料和孔徑的改變，會對膜通量和出水水質(zhì)產(chǎn)生重要影響，但大多數(shù)情況下AnMBR中膜污染通常會發(fā)生在表層膜結(jié)構(gòu)上，因此對表層膜結(jié)構(gòu)的改性和選擇實用新型原材料來構(gòu)建更適合AnMBR的膜結(jié)構(gòu)將成為研究熱點〔38〕。同時，靠濾層生物量形成的非實體動態(tài)膜和繼發(fā)性膜的增殖狀況、細(xì)菌增殖條件、處理效率和運行機理也將是研究的重點。

(3)環(huán)境條件下AnMBR技術(shù)的應(yīng)用研究。由于厭氧菌生長速率緩慢，厭氧過程操作適溫度為35 ℃，溫度的變化會導(dǎo)致膜通量降低；另外，有研究表明產(chǎn)甲烷菌在低溫條件下產(chǎn)生的甲烷量會更多，但該過程中產(chǎn)生的甲烷氣體回收利用難度較大。培養(yǎng)能夠在嗜熱(>55 ℃)或嗜冷(<10 ℃)環(huán)境條件下生長的優(yōu)勢厭氧菌種，同時針對環(huán)境條件的改變設(shè)計適合甲烷氣體收集的新型反應(yīng)器來滿足實際研究和工程需要將是AnMBR技術(shù)一個新的研究方向。

(4)AnMBR反應(yīng)動力學(xué)及數(shù)值模擬技術(shù)的研究。AnMBR反應(yīng)器的研究與開發(fā)，目前仍停留在試驗和中試規(guī)模上，鮮有對AnMBR反應(yīng)動力學(xué)進行研究。AnMBR中涉及的反應(yīng)動力學(xué)主要有基質(zhì)降解動力學(xué)、生化反應(yīng)動力學(xué)、多相反應(yīng)動力學(xué)、膜生長反應(yīng)動力學(xué)、產(chǎn)氣動力學(xué)以及污泥增殖反應(yīng)動力學(xué)等。反應(yīng)動力學(xué)是研究AnMBR技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，加強反應(yīng)動力學(xué)的研究將復(fù)雜生化過程和動力學(xué)過程轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)方程，這對于數(shù)值模擬、模型的開發(fā)和優(yōu)化有很好的促進作用。

(5)AnMBR與其他反應(yīng)器耦合技術(shù)的研究。從目前的研究和實驗效果來看，單純的AnMBR技術(shù)在出水水質(zhì)方面的處理效果并不很理想。將AnMBR與其他處理工藝相耦合，采用厭氧反應(yīng)器來替代普通厭氧反應(yīng)器，對膜反應(yīng)器的構(gòu)型進行創(chuàng)新設(shè)計，將會很大程度上改善AnMBR的出水水質(zhì)。

(6)AnMBR技術(shù)在痕量有機物污染控制上的應(yīng)用研究。以抗生素和醫(yī)藥產(chǎn)品的代謝產(chǎn)物為代表的痕量有機污染物是城鎮(zhèn)污水處理中的熱點和難點，研究通過AnMBR及其相關(guān)耦合技術(shù)處理該類廢水，通過污染物的去除過程模擬其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律并對其進行生態(tài)毒理學(xué)評價將是研究的熱點。