ACMBR技術(shù)研究進(jìn)展及在污水處理中的應(yīng)用

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ACMBR技術(shù)研究進(jìn)展及在污水處理中的應(yīng)用

李啟龍1孔 慧2/上海康盛環(huán)保能源科技有限公司

本文主要介紹了活性載體膜生物反應(yīng)器（ACMBR）工藝的基本特點(diǎn)、國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀以及該工藝在污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用特點(diǎn)及未來的應(yīng)用前景。重點(diǎn)闡述了活性載體膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行工藝，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。

活性載體膜生物反應(yīng)器；廢水處理；膜技術(shù)

活性載體膜生物反應(yīng)器（ACMBR）是近些年出現(xiàn)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(shù)。常用的膜包括微濾（MF）、超濾（UF）和納濾（NF）膜，該技術(shù)利用膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固液分離技術(shù)，具有其它生物處理工藝無法比擬的明顯優(yōu)勢(shì)。根據(jù)膜組件在生物反應(yīng)器中功能的不同，將ACMBR分為膜-曝氣生物反應(yīng)器、膜萃取生物反應(yīng)器、膜分離生物反應(yīng)器。其中，膜分離生物反應(yīng)器是目前應(yīng)用最廣泛的一種ACMBR類型。

1 國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

活性載體膜生物反應(yīng)器自問世以來經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一階段：美國的Dorroliver公司首先將MBR技術(shù)應(yīng)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(jié)合的ACMBR用于處理城市污水；1969年Budd等的分離式MBR技術(shù)獲得了美國專利。20世紀(jì)70年代初期，好氧分離式MBR處理城市污水的試驗(yàn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)，厭氧MBR技術(shù)也得到了相應(yīng)的推廣。第二階段：日本1985年開始的“水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計(jì)劃”把MBR的研究在污水處理領(lǐng)域大大推進(jìn)了一步。第三階段：20世紀(jì)90年代中后期，ACMBR技術(shù)更多用于生活污水和工業(yè)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(yīng)器，并將其應(yīng)用于城市污水處理。

ACMBR技術(shù)是一種新型的膜生物處理技術(shù)?？蒲腥藛T采用中空纖維膜進(jìn)行泥水分離技術(shù)的科學(xué)研究，利用 ACMBR處理污水及回用進(jìn)行了研究，通過處理油墨廢水，檢驗(yàn)了ACMBR的性質(zhì)；邢傳宏等進(jìn)行了平板超濾膜、管狀膜與活性污泥結(jié)合的活性載體膜生物反應(yīng)器處理生活污水和模擬廢水性能的研究；生物反應(yīng)器從活性污泥擴(kuò)展到接觸氧化法、生物膜法等工藝；生物處理流程從好氧發(fā)展到厭氧，并且對(duì)不同污水的處理效果、系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、操作條件的優(yōu)化進(jìn)行了研究。我國活性載體膜生物反應(yīng)器對(duì)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(kuò)展到接觸氧化法、生物膜法、活性污泥法和生物膜相結(jié)合的復(fù)合式工藝。劉銳等將活性載體膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)活性污泥工藝進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，在條件一致情況下，活性載體膜生物反應(yīng)器有更強(qiáng)的去除能力。張西旺等研究一體式活性載體膜生物反應(yīng)器處理高氨氮小區(qū)生活污水發(fā)現(xiàn)，通過增設(shè)泥水回流和缺氧區(qū)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(yīng)器的構(gòu)型一般為好氧活性污泥反應(yīng)器，其實(shí)際應(yīng)用可達(dá)98％以上。近年來，隨著ACMBR技術(shù)的應(yīng)用范圍的增大，一些改進(jìn)的新型ACMBR工藝越來越多的應(yīng)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(jié)合的工藝。各類厭氧反應(yīng)器都可以與膜分離組合使用，如完全混合厭氧反應(yīng)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(shè)計(jì)嚴(yán)格的三相分離器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物污泥及大分子物質(zhì)的有效截留，彌補(bǔ)了厭氧反應(yīng)器由于三相分離器設(shè)計(jì)或運(yùn)行不當(dāng)帶來的生物流失和對(duì)懸浮性有機(jī)物處理不夠好的缺陷。除與單相厭氧反應(yīng)器的組合以外，膜也可以與兩相厭氧反應(yīng)器組合，即產(chǎn)酸反應(yīng)器+膜分離+產(chǎn)甲烷反應(yīng)器。在兩相厭氧ACMBR中，膜的加入不僅有利于產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的分相，使產(chǎn)酸反應(yīng)器的酸化率明顯提高，而且可使兩相厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性增加，用于處理淀粉人工配水時(shí)COD去除率達(dá)95％以上，產(chǎn)氣量和甲烷成分高于傳統(tǒng)兩相厭氧反應(yīng)器。

厭氧ACMBR主要應(yīng)用于一些高濃度的有機(jī)廢水，由于不能像在好氧ACMBR中，可以通過曝氣對(duì)膜面的紊動(dòng)來控制膜污染，因此，在厭氧ACMBR中膜容易被污染，運(yùn)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(duì)厭氧ACMBR處理高濃度有機(jī)廢水，分析了污泥組分與膜污染之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)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(fù)合ACMBR工藝

將生物膜法或生物接觸氧化法與活性污泥法結(jié)合而構(gòu)成的復(fù)合生物反應(yīng)器(Hybridbioreactor，HBR)與膜分離的聯(lián)用工藝。在HBR-ACMBR工藝中，附著生長(zhǎng)的生物膜和懸浮生長(zhǎng)的活性污泥2種形式的微生物共存，二者發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，共同承擔(dān)去除污染物的作用，使得出水水質(zhì)得以提升，出水氨氮濃度低于活性污泥ACMBR，同時(shí)抗沖擊負(fù)荷的能力得到增強(qiáng)。因生物載體的介入而形成的生物膜具有多層結(jié)構(gòu)，從外至內(nèi)因氧傳遞阻力的增加而形成氧濃度梯度，進(jìn)而構(gòu)成外層以好氧為主、而內(nèi)層以缺氧或厭氧為主的微環(huán)境，有利于提高系統(tǒng)的生物脫氮除磷能力。另外，復(fù)合生物反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣化，生物的食物鏈長(zhǎng)，可有效改善污泥性狀，提高其處理能力。與傳統(tǒng)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(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)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(fā)形成的細(xì)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(fù)荷下降解高濃度有機(jī)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(huán)境等特點(diǎn)而倍受關(guān)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(nèi)部缺氧、厭氧環(huán)境的存在，使ACMBR中硝化和反硝化過程并存。在運(yùn)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(jié)合緊密，對(duì)環(huán)境表現(xiàn)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(fù)膜通量。

3 展望

迄今為止，我國ACMBR技術(shù)雖然在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用中取得了相當(dāng)大的成績(jī)，但ACMBR技術(shù)欲在應(yīng)用中進(jìn)一步提高競(jìng)爭(zhēng)力，仍面臨著諸多技術(shù)研究和發(fā)展的挑戰(zhàn)，主要有以下幾點(diǎn)：

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(chǎng)份額，國產(chǎn)膜材料和膜組件性能方面還有待提高，開發(fā)壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度好、抗污染、價(jià)格低的膜材料和膜組件迫在眉睫。研究工作應(yīng)朝著處理能力大、能耗低的方向發(fā)展。

2）膜污染及其控制：膜污染是長(zhǎng)期伴隨膜技術(shù)發(fā)展的問題，需要繼續(xù)深入研究。尤其是成分復(fù)雜的工業(yè)廢水處理，利用分子生物學(xué)、顯微可視化方法等深入研究膜污染機(jī)理，探索更為有效和簡(jiǎn)便的方法控制和減緩膜污染。

3）ACMBR運(yùn)行能耗問題。浸沒式ACMBR與傳統(tǒng)的外置式ACMBR相比在能耗方面已有明顯降低，但仍高于傳統(tǒng)的活性污泥工藝。通過研發(fā)更為高效的反應(yīng)器和膜組件，發(fā)展新型氣水錯(cuò)流技術(shù)，進(jìn)一步降低能耗，使ACMBR技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

4）ACMBR工藝的優(yōu)化。從污染物處理效果和膜污染控制雙重角度，優(yōu)化ACMBR整體工藝，保證ACMBR的處理效果和穩(wěn)定運(yùn)行。

5）ACMBR處理規(guī)模的擴(kuò)大。需要及時(shí)總結(jié)擴(kuò)大ACMBR處理規(guī)模應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，不斷積累設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

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