ACMBR技術研究進展及在污水處理中的應用

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ACMBR技術研究進展及在污水處理中的應用

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本文主要介紹了活性載體膜生物反應器（ACMBR）工藝的基本特點、國內外研究及發展現狀以及該工藝在污水處理領域中的應用特點及未來的應用前景。重點闡述了活性載體膜生物反應器的運行工藝，并對今后的研究方向進行了展望。

活性載體膜生物反應器；廢水處理；膜技術

活性載體膜生物反應器（ACMBR）是近些年出現的一種集生物處理和膜分離于一體的新型高效生物處理技術。常用的膜包括微濾（MF）、超濾（UF）和納濾（NF）膜，該技術利用膜分離技術代替傳統的固液分離技術，具有其它生物處理工藝無法比擬的明顯優勢。根據膜組件在生物反應器中功能的不同，將ACMBR分為膜-曝氣生物反應器、膜萃取生物反應器、膜分離生物反應器。其中，膜分離生物反應器是目前應用最廣泛的一種ACMBR類型。

1 國內外研究及應用現狀

活性載體膜生物反應器自問世以來經歷了三個階段，第一階段：美國的Dorroliver公司首先將MBR技術應用于廢水處理的研究；Smith等將好氧活性污泥法與超濾膜相結合的ACMBR用于處理城市污水；1969年Budd等的分離式MBR技術獲得了美國專利。20世紀70年代初期，好氧分離式MBR處理城市污水的試驗規模進一步擴大，同時，厭氧MBR技術也得到了相應的推廣。第二階段：日本1985年開始的“水綜合再生利用系統90年代計劃”把MBR的研究在污水處理領域大大推進了一步。第三階段：20世紀90年代中后期，ACMBR技術更多用于生活污水和工業廢水的處理。加拿大的Zenon公司首先推出了超濾管式活性載體膜生物反應器，并將其應用于城市污水處理。

ACMBR技術是一種新型的膜生物處理技術?？蒲腥藛T采用中空纖維膜進行泥水分離技術的科學研究，利用 ACMBR處理污水及回用進行了研究，通過處理油墨廢水，檢驗了ACMBR的性質；邢傳宏等進行了平板超濾膜、管狀膜與活性污泥結合的活性載體膜生物反應器處理生活污水和模擬廢水性能的研究；生物反應器從活性污泥擴展到接觸氧化法、生物膜法等工藝；生物處理流程從好氧發展到厭氧，并且對不同污水的處理效果、系統的穩定運行、操作條件的優化進行了研究。我國活性載體膜生物反應器對城市廢水及生活污水的研究主要是探索不同生物處理工藝與膜分離單元的組合形式，生物處理工藝從活性污泥法擴展到接觸氧化法、生物膜法、活性污泥法和生物膜相結合的復合式工藝。劉銳等將活性載體膜生物反應器與傳統活性污泥工藝進行比較后發現，在條件一致情況下，活性載體膜生物反應器有更強的去除能力。張西旺等研究一體式活性載體膜生物反應器處理高氨氮小區生活污水發現，通過增設泥水回流和缺氧區可將氨氮去除率從60％提高到95％以上。

2 ACMBR污水處理工藝

在ACMBR研究初期，生物反應器的構型一般為好氧活性污泥反應器，其實際應用可達98％以上。近年來，隨著ACMBR技術的應用范圍的增大，一些改進的新型ACMBR工藝越來越多的應用于污水處理工程。

2.1 厭氧ACMBR工藝

ACMBR厭氧處理工藝即厭氧生物處理與膜分離相結合的工藝。各類厭氧反應器都可以與膜分離組合使用，如完全混合厭氧反應器、上流式厭氧污泥床(UASB)、膨脹污泥顆粒床(EGSB)等。膜分離的使用，可以不需設計嚴格的三相分離器，即可實現對生物污泥及大分子物質的有效截留，彌補了厭氧反應器由于三相分離器設計或運行不當帶來的生物流失和對懸浮性有機物處理不夠好的缺陷。除與單相厭氧反應器的組合以外，膜也可以與兩相厭氧反應器組合，即產酸反應器+膜分離+產甲烷反應器。在兩相厭氧ACMBR中，膜的加入不僅有利于產酸相和產甲烷相的分相，使產酸反應器的酸化率明顯提高，而且可使兩相厭氧消化系統的運行穩定性增加，用于處理淀粉人工配水時COD去除率達95％以上，產氣量和甲烷成分高于傳統兩相厭氧反應器。

厭氧ACMBR主要應用于一些高濃度的有機廢水，由于不能像在好氧ACMBR中，可以通過曝氣對膜面的紊動來控制膜污染，因此，在厭氧ACMBR中膜容易被污染，運行周期較短。因而膜污染的有效控制在厭氧ACMBR中顯得更為重要，也是厭氧ACMBR的重要研究課題。吳志超等針對厭氧ACMBR處理高濃度有機廢水，分析了污泥組分與膜污染之間的關系，發現污泥混合液中的顆粒粒徑比好氧ACMBR的小，混合液中懸浮固體顆粒所造成的阻力占總阻力的70％。

2.2 復合ACMBR工藝

將生物膜法或生物接觸氧化法與活性污泥法結合而構成的復合生物反應器(Hybridbioreactor，HBR)與膜分離的聯用工藝。在HBR-ACMBR工藝中，附著生長的生物膜和懸浮生長的活性污泥2種形式的微生物共存，二者發揮各自的優勢，共同承擔去除污染物的作用，使得出水水質得以提升，出水氨氮濃度低于活性污泥ACMBR，同時抗沖擊負荷的能力得到增強。因生物載體的介入而形成的生物膜具有多層結構，從外至內因氧傳遞阻力的增加而形成氧濃度梯度，進而構成外層以好氧為主、而內層以缺氧或厭氧為主的微環境，有利于提高系統的生物脫氮除磷能力。另外，復合生物反應器中微生物群落結構多樣化，生物的食物鏈長，可有效改善污泥性狀，提高其處理能力。與傳統高濃度的活性污泥工藝相比，HBR-ACMBR工藝由于總生物量中懸浮污泥濃度的減少而有利于減緩膜污染，提高系統運行的穩定性。

2.3 好氧顆粒污泥ACMBR工藝

好氧顆粒污泥是在好氧條件下自發形成的細胞固定化顆粒，因其具有良好的沉降性能、較高的生物量和在高容積負荷下降解高濃度有機廢水的良好生物活性，可以形成具有同步硝化反硝化能力的微環境等特點而倍受關注。在好氧顆粒污泥ACMBR工藝中，好氧顆粒污泥濃度可維持在14～16 g·L-1，較高的污泥濃度和顆粒污泥內部缺氧、厭氧環境的存在，使ACMBR中硝化和反硝化過程并存。在運行過程中好氧顆粒污泥的生物活性略有降低，但由于顆粒污泥中菌體結合緊密，對環境表現出良好的承受能力，從而其生物活性變化幅度并不顯著。與絮狀污泥ACMBR相比，顆粒污泥ACMBR的膜通量衰減速度下降50％以上，且通過空氣反沖或用水清洗即可基本恢復膜通量。

3 展望

迄今為止，我國ACMBR技術雖然在學術研究和工業應用中取得了相當大的成績，但ACMBR技術欲在應用中進一步提高競爭力，仍面臨著諸多技術研究和發展的挑戰，主要有以下幾點：

1）膜材料和膜組件性能：目前國外膜材料和膜組件在中國占有很大市場份額，國產膜材料和膜組件性能方面還有待提高，開發壽命長、強度好、抗污染、價格低的膜材料和膜組件迫在眉睫。研究工作應朝著處理能力大、能耗低的方向發展。

2）膜污染及其控制：膜污染是長期伴隨膜技術發展的問題，需要繼續深入研究。尤其是成分復雜的工業廢水處理，利用分子生物學、顯微可視化方法等深入研究膜污染機理，探索更為有效和簡便的方法控制和減緩膜污染。

3）ACMBR運行能耗問題。浸沒式ACMBR與傳統的外置式ACMBR相比在能耗方面已有明顯降低，但仍高于傳統的活性污泥工藝。通過研發更為高效的反應器和膜組件，發展新型氣水錯流技術，進一步降低能耗，使ACMBR技術更具競爭力。

4）ACMBR工藝的優化。從污染物處理效果和膜污染控制雙重角度，優化ACMBR整體工藝，保證ACMBR的處理效果和穩定運行。

5）ACMBR處理規模的擴大。需要及時總結擴大ACMBR處理規模應用中出現的問題，不斷積累設計、建設和運行經驗。

李啟龍（1978-），男（漢），山東.上海交通大學:環境工程.上?？凳h保能源科技有限公司。