厭氧膜生物反應(yīng)器及其膜污染探析

李崗，陳小光，周偉竹，王玉，徐垚（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 060；國(guó)家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 060）

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厭氧膜生物反應(yīng)器及其膜污染探析

李崗1，2，陳小光1，2，周偉竹1，王玉1，徐垚1
（1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2國(guó)家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620）

第一作者：李崗（1990—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：陳小光，博士，副教授，主要從事廢水生物處理過程及設(shè)備的研究。E-mail cxg@ dhu.edu.cn

摘要：厭氧膜生物反應(yīng)器（anaerobic membrane bioreactor，AnMBR）集厭氧生物技術(shù)和膜分離技術(shù)于一體，具有高負(fù)荷、低能耗、可回收沼氣和高效截留等優(yōu)點(diǎn)，在高濃度有機(jī)廢水治理領(lǐng)域潛力巨大。然而，國(guó)內(nèi)外關(guān)于AnMBR的工程運(yùn)行參數(shù)較為欠缺。此外，膜污染問題是阻礙該工藝應(yīng)用推廣的重要致因，故其一直是AnMBR的研究熱點(diǎn)。本文概述了AnMBR的工藝特征以及AnMBR的結(jié)構(gòu)、組合方式及其特點(diǎn)，指出當(dāng)前外置式應(yīng)用較多，內(nèi)置式因其特點(diǎn)也逐漸引起關(guān)注；綜述了AnMBR及其組合工藝在國(guó)內(nèi)外的工程應(yīng)用現(xiàn)狀，指出該技術(shù)多在實(shí)驗(yàn)室階段，且于工程化方面國(guó)內(nèi)落后于國(guó)外；探析了膜污染機(jī)理及其影響因素（膜組件、污泥特性和操作條件等影響因素）關(guān)于膜污染的作用機(jī)制；并總結(jié)了一些控制膜污染的典型預(yù)防和控制措施，以期為相關(guān)研究應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：厭氧膜生物反應(yīng)器；內(nèi)置式；外置式；工程應(yīng)用；膜污染

據(jù)《2014年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》報(bào)道[1]，2014年全國(guó)廢水中工業(yè)源所排放的化學(xué)需氧量（COD）總量高達(dá)311.3萬(wàn)噸（占總排放量的13.57%），氨氮排放總量高達(dá)23.2萬(wàn)噸（占總排放量的9.73%）。工業(yè)源中的主要污染物為高濃度有機(jī)廢水，是江河湖海水質(zhì)惡化的重要致因，因而其有效治理迫在眉睫。厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）是厭氧生物技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合的廢水處理工藝，越來越多地被應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水治理[2]，該工藝有望實(shí)現(xiàn)高濃度進(jìn)水和低濃度出水的雙重目標(biāo)。20世紀(jì)70年代，GRETHLEIN等將膜組件引入?yún)捬跆幚硐到y(tǒng)，由此產(chǎn)生AnMBR。AnMBR技術(shù)既具有厭氧生物技術(shù)的高濃度、高負(fù)荷、低能耗和可回收沼氣能源等優(yōu)點(diǎn)，又具備膜分離技術(shù)對(duì)懸浮固體、微生物等的高效截流作用，可實(shí)現(xiàn)污泥泥齡（SRT）和水力停留時(shí)間（HRT）的分離[3]。較長(zhǎng)的SRT保障了AnMBR始終維持較高的生物量，較短的HRT縮小了反應(yīng)器的體積，因而具有較高的負(fù)荷[4-5]。大量文獻(xiàn)報(bào)道，AnMBR的有機(jī)負(fù)荷（OLR）一般可達(dá)10kgCOD/(m3?d)以上，AnMBR的COD去除率一般可達(dá)90%以上。LEE等[6]處理食品廢水OLR達(dá)70.2～125.5kgCOD/(m3?d)，其中糖類降解率高達(dá)96%以上，且獲得較高的產(chǎn)氣率。白玲等[7]處理模擬啤酒廢水時(shí)[容積負(fù)荷（VLR）在4.97～12.48kgCOD/(m3?d)]，出水COD平均去除率高達(dá)95%，而且在遭遇兩次沖擊負(fù)荷時(shí)，去除率均能保持在92%以上，表明AnMBR還具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力。

近年來關(guān)于AnMBR的研究主要集中于該工藝在各行業(yè)廢水處理中的應(yīng)用研究和膜污染機(jī)理、影響因素及其預(yù)防與控制等方面。本文在梳理對(duì)該工藝相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)其典型工藝及工程應(yīng)用；分析影響AnMBR膜污染的主要因素，探討預(yù)防與控制膜污染的措施。

1　AnMBR工藝及工程應(yīng)用

1.1AnMBR工藝

AnMBR是可由多種厭氧反應(yīng)器和膜組件有機(jī)整合而成，具有高度集成特性。許多學(xué)者選擇了厭氧顆粒膨脹污泥床反應(yīng)器（EGSB）、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）、厭氧生物濾池（AF）等厭氧反應(yīng)器均能達(dá)到較好的處理效果。如2005年，初里冰等[8]利用EGSB與中空纖維膜組合處理生活污水，總有機(jī)碳（TOC）去除率達(dá)81%～94%；2006年，王國(guó)平和鄒聯(lián)沛[9]利用升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）與中空纖維膜組合處理抗生素廢水，COD去除率達(dá)96.47%。2008年，HUANG等[10]利用完全混合厭氧反應(yīng)器（CSTR）與平板膜組合處理低濃度廢水，COD去除率高達(dá)99%以上。除此之外，SHIN、REN和DUTTA[11-13]等將厭氧流化床反應(yīng)器、厭氧固定床反應(yīng)器等與中空纖維膜組合處理低濃度有機(jī)廢水，COD去除率均在90%以上。

因組合方式不同，可將AnMBR分為外置式和內(nèi)置式兩種結(jié)構(gòu)類型。外置式是目前AnMBR中最常用的組合方式，即把膜組件與厭氧反應(yīng)器分開設(shè)置。國(guó)外，SADDOUD等[14]利用分置式AnMBR處理乳品廢水，COD去除率達(dá) 98.5%。國(guó)內(nèi)，HE 等[15]利用分置式AnMBR處理高濃度食品廢水，COD去除率穩(wěn)定在81.3%～94.2%。但為減少污染物在膜表面的快速沉積，需提供較大的水流循環(huán)量，因而需要較高的能耗（膜每透過1m3水量需要25～80m3的混合液循環(huán)量）。

和外置式相對(duì)應(yīng)的是內(nèi)置式（即把膜組件置于厭氧反應(yīng)器內(nèi)部，浸沒于污泥混合液中），近年來已成為研究熱點(diǎn)。MARTINEZ-SOSA等[16]利用浸沒式厭氧膜生物反應(yīng)器（SAMBR）處理低濃度廢水，COD去除率達(dá) 94%。王志偉等[17]利用SAMBR處理酒廠廢水，COD的平均去除率達(dá) 95%。由于SAMBR系統(tǒng)內(nèi)微生物在代謝過程中，產(chǎn)生的難生物降解的溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）也被膜組件截留在反應(yīng)器內(nèi)，進(jìn)一步得到降解去除，從而獲得較好的出水水質(zhì)。如TEO等[18]利用SAMBR處理綜合污水，出水COD僅為30～36mg/L，COD去除率高達(dá)94.5%±0.5%。

比較而言，外置式AnMBR能夠在不曝氣沖刷的條件下完成泥水分離，且可以有效改善膜污染而成為最常用的結(jié)構(gòu)類型；內(nèi)置式AnMBR的膜污染問題尚未得到有效解決，因此其推廣阻力較大。但由于內(nèi)置式AnMBR具有能耗低、占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，其研究和應(yīng)用價(jià)值不言而喻。

1.2工程應(yīng)用

在國(guó)外，通過對(duì)AnMBR工藝大量研究和實(shí)踐探索（起步較早，始于20世紀(jì)70年代[19]），現(xiàn)已有許多成功工程案例。國(guó)外加拿大的澤能（Zenon）公司、日本的久保田（Kubota）公司和南非的Membratek公司等，他們已將AnMBR工藝應(yīng)用到工業(yè)廢水的處理上，并且取得較好的效果。1987年，南非成功地建成了世界上第一套AnMBR用于處理規(guī)模為500 m3/d的玉米加工廢水，COD去除率高達(dá)97%[20]；90年代初，美國(guó)俄亥俄州建造了一套用于處理規(guī)模為151m3/d汽車制造廠工業(yè)廢水的AnMBR系統(tǒng)，COD去除率達(dá) 94%[21]。近年來，國(guó)外研究者對(duì)于不同濃度的廢水，采用不同工藝和不同操作條件對(duì)AnMBR進(jìn)行了較廣泛的研究，并取得了較理想的處理效果（表1）。由表1可見，主要采用內(nèi)置式、外置式AnMBR和組合工藝處理不同濃度的廢水，在混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）＞5g/L，HRT的范圍較大（2.3h～19d），溫度多集中在中溫（20～42℃）等條件下，處理中、低濃度有機(jī)廢水（如城市廢水和生活廢水等，COD濃度在120～600mg/L），COD去除率在81%～99.1%，出水COD最低可達(dá)5.5mg/L；處理高濃度有機(jī)廢水（如屠宰場(chǎng)廢水、糖酒廢水和生物煉油廠廢水等，COD濃度在11000～18000mg/L），COD去除率在94.4%～99.0%，出水COD最低可達(dá)21mg/L。

在國(guó)內(nèi)，雖然對(duì)此技術(shù)的研究起步較晚（始于20世紀(jì)90年代中期），但也有把AnMBR工藝進(jìn)行工程中試，同樣獲得較理想的處理效果。1999—2005年，何義亮等[15，30]利用AnMBR處理高濃度食品廢水，COD負(fù)荷2～3kg/(m3?d)時(shí)，其去除率可達(dá)80%～90%，AnMBR對(duì)SS的去除率可達(dá)100%，色度去除率可達(dá)98%，細(xì)菌截留率可達(dá)99. 9%，隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，處理效果也得到了顯著提高，COD去除率可達(dá)81%～94%。近十年期間，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)不同的處理對(duì)象，采用不同工藝組合對(duì)AnMBR進(jìn)行了一些開拓性的研究，同樣取得了較理想的處理效果（表2）。由表2可見，對(duì)不同濃度的原水和不同的工藝，主要采用內(nèi)置式、外置式AnMBR和組合工藝處理不同進(jìn)料廢水，工藝在混合液懸浮固體濃度（MLSS）＞6g/L，HRT的范圍在4h～8d等條件下，處理中、低濃度有機(jī)廢水（如城市廢水和生活廢水等，COD濃度在200～900mg/L），COD去除率在75%～95%，出水COD最低可達(dá)7.5mg/L；處理高濃度有機(jī)廢水（如食品廢水、啤酒廢水和酒廠廢水等，COD濃度在2000～26000mg/L），COD去除率在80.2%～95%，出水COD最低可達(dá)120mg/L。

綜合國(guó)內(nèi)外關(guān)于AnMBR工藝的研究大多在實(shí)驗(yàn)室探究階段，且國(guó)內(nèi)起步較晚，落后于國(guó)外。上述大量應(yīng)用案例表明AnMBR處理中、低濃度的生活廢水和高濃度、生化性較高的食品廢水、乳品廢水和釀酒廢水等方面優(yōu)勢(shì)明顯。但是，膜污染阻礙AnMBR的推廣應(yīng)用[37]，已是業(yè)界公認(rèn)的事實(shí)。

表1　國(guó)外厭氧膜生物反應(yīng)器工程應(yīng)用案例

2　膜污染

膜污染的具體體現(xiàn)是膜通量衰減或跨膜壓差（TMP）升高，是AnMBR效能的瓶頸。組分由于膜的篩分作用，被截留在膜表面富集、濃縮形成濾餅層，產(chǎn)生濾餅層阻力Rc；由于濃度梯度的存在，在濃度梯度的作用下產(chǎn)生一個(gè)由膜表面指向主體料液的濃差極化阻力Rp。進(jìn)料液在壓力的驅(qū)動(dòng)下，先后克服外部阻力（Rc和Rp）和內(nèi)部阻力（純膜阻力Rm和內(nèi)部污染阻力Ri），成為透過液，即獲得較理想的出水水質(zhì)。外部阻力即泥餅阻力和濃差極化阻力之和，是膜污染阻力的主要組成部分，AnMBR內(nèi)的污泥粒徑較小，形成的濾餅較為密實(shí)，因而濾餅層阻力所占比例較大[38]?？傋枇t是各阻力之和，膜污染一般用膜過濾過程中污染阻力來表征。根據(jù)達(dá)西定律可知膜通量J與TMP成正比，與總阻力Rt和混合液黏度μ成反比。而它們與膜組件、污泥特性和操作條件等息息相關(guān)。

表2　國(guó)內(nèi)厭氧膜生物反應(yīng)器工程應(yīng)用案例

2.1膜組件對(duì)膜污染的影響

膜組件主要由膜元件和框架組成。其中膜材質(zhì)、親水性、電荷性、粗糙度、孔徑、裝填密度等，是影響膜污染的關(guān)鍵因素。

膜元件的核心是膜材質(zhì)，其選擇應(yīng)具有高通量、耐污染等特點(diǎn)。目前已經(jīng)商品化的膜元件材料有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚醚砜（PES）、聚丙烯腈（PAN）和聚偏氟乙烯（PVDF）等。王志偉等[39]研究了SAMBR 3種不同膜材質(zhì)（PAN、PES和PVDF）的過濾性能表明，在同樣操作條件下，PAN 的J維持在較高水平，膜污染速度緩慢。親水性膜可以保持較高的透過量，蛋白質(zhì)和多糖是AnMBR的優(yōu)先污染物，兩者均屬憎水性物質(zhì)，所以親水性膜抗污染的能力較強(qiáng)，同時(shí)親水性膜表面與水的界面能較低，更利于清水通過。SHIMIZU等[40]研究厭氧發(fā)酵液過濾性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，帶負(fù)電荷的無機(jī)膜污染速度低于中性和正電荷的膜。這可能由于胞外聚合物（EPS）和污泥絮體帶負(fù)電，所以選擇表面帶負(fù)電的膜，防止污泥絮體在膜表面的沉積增大Rc。膜表面粗糙度是影響膜污染的重要因素，其表面粗糙度越大則越易吸附污染物，從而加速膜污染；但表面粗糙度進(jìn)一步增大時(shí)，膜元件表面的湍流程度增加，反過來容易脫附污染物，即延緩膜污染[41]。這表明膜表面粗糙度的選擇存在一個(gè)最佳值。

膜孔徑是影響膜污染的又一重要因素。MEIRELES等[42]指出，孔徑大通量高、孔隙率小的膜更易堵塞。根據(jù)孔徑的大小，膜元件可分為超濾膜和微濾膜，其孔徑大多在0.01～0.4μm。裝填密度直接決定相鄰膜間距的大小。BéRUBé等[43]證實(shí)膜的裝填密度顯著影響J，膜組件的裝填密度過高，無剪切作用的死區(qū)更多，從而加劇膜污染，合適的膜裝填密度是膜污染、產(chǎn)水量和空間利用率等因素綜合優(yōu)化的結(jié)果。目前AnMBR膜最佳系統(tǒng)組成是親水性陰離子有機(jī)膜，孔徑在0.1μm左右、材質(zhì)以PVDF為主的中空纖維膜。

2.2污泥特性對(duì)膜污染的影響

污泥特性如EPS、SMP、MLSS、混合液黏度及污泥的粒徑分布等會(huì)對(duì)膜污染產(chǎn)生重要影響。

膜污染主要由EPS和SMP引起的[44]，二者均屬微生物次生級(jí)代謝產(chǎn)物，EPS和SMP的簡(jiǎn)化示意如圖1所示[45]?；旌弦褐械腅PS來源于微生物的代謝活動(dòng)和內(nèi)源呼吸的細(xì)胞自溶，主要由多糖和蛋白質(zhì)組成[46]。據(jù)流變性雙層空間結(jié)構(gòu)的分布，可將EPS 分為松散附著EPS（LB-EPS）和緊密黏附EPS （TB-EPS）[47]。其中LB-EPS對(duì)濾餅層污泥比阻的影響程度較TB-EPS深，由于這類EPS有很好的結(jié)合水的能力，因此它是污泥脫水性和沉降性能的下降重要致因，增大TMP，同時(shí)促進(jìn)濾餅層阻力增大[48]。LI和YANG[49]通過設(shè)置6組不同實(shí)驗(yàn)規(guī)模的反應(yīng)器，研究LB-EPS對(duì)沉降性能的影響，結(jié)果顯示LB-EPS阻礙泥水分離，是影響污泥絮凝、沉降和脫水性能的決定性因素?；旌弦褐械腟MP來源于基質(zhì)利用過程和微生物的內(nèi)源呼吸過程，在膜孔道堵塞、運(yùn)行性能等方面均起到至關(guān)重要的作用[50]。BARKER 等[51]發(fā)現(xiàn)，SMP對(duì)微生物表現(xiàn)出的毒性不利于微生物的活性，對(duì)金屬的螯合性不利于污泥的絮凝性能和沉降性能，形成較高的膜過濾阻力Rt。

圖1　EPS和SMP的簡(jiǎn)化示意[45]

混合液的污泥濃度（MLSS）是影響膜污染的重要因素，由于污泥絮體是濾餅層的主要組成部分。相關(guān)報(bào)道表明， MLSS濃度較低時(shí)（<6g/L），增加MLSS濃度可降低污染程度， MLSS濃度高于15g/L時(shí)，增加MLSS濃度會(huì)加劇膜污染，一般MLSS濃度在6～12g/L之間[45]。原因可能有兩個(gè)，一是因懸浮污泥濃度影響濾餅層的形成，而直接影響膜污染;二是因其濃度變化引起AnMBR系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境變化影響EPS和SMP的產(chǎn)生，而間接影響膜污染?；旌弦吼ざ圈梯^低時(shí)，所形成的濾餅層比較松散同時(shí)容易去除，對(duì)水的透過性能較好。但在某些情況下，活性污泥μ的降低代表了生物活性的降低，而影響整個(gè)系統(tǒng)的處理效果，此時(shí)黏度μ對(duì)膜污染的影響將比較復(fù)雜。吳志超等[41]指出，顆粒粒徑大小與形成的泥餅層阻力Rc有關(guān)，顆粒粒徑越小，形成越致密的濾餅層，Rt越大。平均粒徑大且均勻的顆粒污泥，造成膜污染的程度相對(duì)較低，粒徑與膜孔徑相當(dāng)?shù)念w粒，沉積時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2.3操作條件對(duì)膜污染的影響

操作條件作為AnMBR的運(yùn)行效果和膜污染的重要影響因素，與AnMBR膜污染有關(guān)的操作條件主要包括進(jìn)水水質(zhì)、溫度、HRT、SRT、操作壓力和pH值等。

進(jìn)水水質(zhì)對(duì)膜污染也存在一定影響，可能會(huì)引起污泥中絲狀菌含量增加。絲狀菌把顆粒污泥束縛在其立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，致使濾餅結(jié)構(gòu)更加緊密，增加了膜污染阻力Rt。此外，絲狀菌還將污染物牢牢地固定在膜表面，從而增強(qiáng)了其抗沖刷的能力，致使膜污染加劇[52]。同時(shí)，進(jìn)水水質(zhì)會(huì)影響懸浮生物物理化學(xué)性質(zhì)的變化，如當(dāng)難處理的廢水作為進(jìn)料時(shí)，膜污染通常會(huì)更加嚴(yán)重[53]。

溫度對(duì)AnMBR的運(yùn)行效果和膜污染都有著重要的影響，分為低溫（0～20℃）、中溫（20～42℃）和高溫（42～75℃）三個(gè)類別[54]。SMITH等[55]對(duì)低溫AnMBR研究，在15℃時(shí)處理生活污水COD的平均去除率達(dá)到(92±5)%，該研究還指出中溫接種適合嗜寒性AnMBR播種。同年，MEABE等[56]研究中溫和高溫對(duì)AnMBR運(yùn)行性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)污泥流變特性有很大影響，較高的溫度導(dǎo)致更小的顆粒粒徑和較低的黏度μ，SRT是由操作溫度和污泥中大部分惰性固體限制，較短的SRT應(yīng)該采用中溫系統(tǒng)。GAO等[57]連續(xù)觀察416d溫度和溫度波動(dòng)對(duì)SAMBR中濾餅層結(jié)構(gòu)和膜污染的影響，發(fā)現(xiàn)EPS、SMP和膠體含量隨著溫度的升高而增加，溫度波動(dòng)暫時(shí)污染阻力會(huì)變小。嗜熱系統(tǒng)中觀察到更好的過濾性能，在較長(zhǎng)的SRT下可實(shí)現(xiàn)更大的通量和較低的黏度μ。然而，隨著溫度的升高污泥中EPS、SMP和膠體的含量也會(huì)增加，所以在較高的溫度下會(huì)產(chǎn)生更多加的不可逆污染物[56-57]。同時(shí)溫度也影響EPS和SMP中蛋白質(zhì)和糖類的含量，進(jìn)而影響膜污染狀況，一般厭氧過程的最佳運(yùn)行溫度在中溫（35℃）階段[56，58]。

SRT和HRT是厭氧膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)。HUANG等[59]通過設(shè)置不同參數(shù)，研究HRT和SRT對(duì)處理效果和膜污染的影響，發(fā)現(xiàn)在所有的操作條件下，均能實(shí)現(xiàn)COD的去除率在97%以上，較短的HRT或較長(zhǎng)的SRT，由于有機(jī)負(fù)荷和產(chǎn)甲烷菌的增加，促使沼氣產(chǎn)量的增加。較短的HRT意味著較小的反應(yīng)器體積和較高的容積效能以滿足經(jīng)濟(jì)目的，HRT的范圍一般在2.6h～14d，較長(zhǎng)的SRT意味著較低的污泥產(chǎn)量需要處理[54，58]。但過短的HRT引起的微生物量增加和SMP的累積加速膜污染；過長(zhǎng)的SRT（＞50d）會(huì)使污泥黏度增加，導(dǎo)致膜滲透性降低、Rt迅速增加和EPS的含量減少，降低顆粒物的絮凝性能，進(jìn)一步加劇膜污染[58，60]。SRT一般控制在20～50d比較利于SMP的控制，從而有利于抑制膜污染。

除上述操作條件外，操作壓力、pH值等也通過的各自特點(diǎn)對(duì)該工藝有重要影響。如BEAUBIEN 等[61]探究AnMBR 的最佳操作條件時(shí)發(fā)現(xiàn)，壓力與通量之間的關(guān)系明顯出現(xiàn)兩個(gè)截然不同的區(qū)域，即低壓區(qū)（小于80kPa） 和高壓區(qū)（大于100kPa），在低壓區(qū)，透過流速主要取決于TMP；在高壓區(qū)，水力條件則成為控制因素。在低壓力區(qū)膜的滲透性和高壓區(qū)的臨界通量的影響因素主要是微生物的濃度。最大部分的操作壓力被滲透壓占用，滲透壓是膜污染的重要影響因素[62]。GAO等[63]研究高pH值沖擊對(duì)SAMBR性能的影響表明，pH值的升高引起污泥絮體分散，導(dǎo)致污泥懸浮液中的懸浮膠體和生物聚合物積累，這些物質(zhì)顯著影響Rt。

2.4膜污染的預(yù)防與控制

通過以上對(duì)膜污染的因素分析可知，其預(yù)防與控制應(yīng)考慮影響膜污染的瓶頸因子，進(jìn)而采取相應(yīng)措施，以降低膜污染從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效果。

在預(yù)防措施方面，通?？赏ㄟ^對(duì)膜表面改性及膜組件優(yōu)化、調(diào)節(jié)料液及污泥混合液的性質(zhì)和優(yōu)化操作條件等措施預(yù)防膜污染。MBR未受到膜污染或污染較輕時(shí)，引入其他技術(shù)對(duì)預(yù)防或減輕膜污染起到顯著效果。如YU等[64]利用聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）增大懸浮固體的顆粒粒徑；YU等[63]利用超聲波與AnMBR的結(jié)合，通過控制濃差極化從而減小Rp。此外，VRIEZE 等[26]利用AnMBR系統(tǒng)內(nèi)沼氣循環(huán)引起的膜振動(dòng)和KOLA 等[66]利用低頻橫向膜振動(dòng)，延緩濾餅層的形成作為緩解膜污染的策略減少Rt，均取得較好的效果。

在控制措施方面，當(dāng)MBR運(yùn)行一段時(shí)間后導(dǎo)致膜污染發(fā)生，此時(shí)就必須對(duì)膜組件進(jìn)行清洗，膜清洗常用的方法有物理清洗和化學(xué)清洗。黃霞等[67]對(duì)污染膜進(jìn)行物理清洗實(shí)驗(yàn)表明，常規(guī)物理清洗可使濾餅層大部分脫落。物理清洗會(huì)把膜表面的一部分濾餅沖洗掉，但是有些吸附在膜表面的物質(zhì)卻不會(huì)被洗掉，這時(shí)有必要對(duì)膜進(jìn)行化學(xué)清洗。RAMOS 等[68]在研究化學(xué)清洗AnMBR處理食品廠廢水的膜時(shí)，利用浸沒式化學(xué)清洗法在500mg/kg下僅3h，整體凈化效率高達(dá)91%以上。盡管如此，在MBR運(yùn)行過程中應(yīng)盡量避免進(jìn)行化學(xué)清洗，一方面，化學(xué)清洗消耗藥劑，造成二次污染；另一方面，化學(xué)清洗會(huì)給實(shí)際工程帶來諸多不便。但是從膜污染的角度來看，MBR經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，利用化學(xué)清洗恢復(fù)膜通量的措施仍然是必不可少的。

3　結(jié)　語(yǔ)

（1）膜組件可與多種反應(yīng)器組合成AnMBR，分外置式和內(nèi)置式，前者因在不曝氣沖刷的條件下完成泥水分離，且可有效改善膜污染而較為常用；后者由于能耗低、占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)而具有較好的應(yīng)用前景，可能是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）AnMBR工藝是厭氧生物技術(shù)（各種形式的高效厭氧反應(yīng)器）和膜技術(shù)（中空纖維膜或平板膜等）的高度集成，它在處理中、低濃度的生活廢水和高濃度、可生化性較高的食品廢水等方面有許多成功工程案例，其去除率基本上維持在90%以上。

（3）影響膜污染的因素主要有膜組件（膜材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和組件結(jié)構(gòu)等）、污泥特性（EPS和SMP等）和操作條件（進(jìn)水水質(zhì)、溫度、HRT等），在分析膜污染各因素之間影響機(jī)理和相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了膜污染的預(yù)防與控制措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部. 2014年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[EB/OL]. (2015-06-04)[2015-7-20]. http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/ 201506/t20150604_302942.htm.

[2] 王志偉，吳志超，顧國(guó)維，等. 厭氧膜-生物反應(yīng)器抽吸模式對(duì)膜過濾性能的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：535-539.

[3] GANDER M，JEFFERSON B，JUDD S. Aerobic MBRs for domestic wastewater treatment：a review with cost considerations[J]. Separation and Purification Technology，2000，18：119-130.

[4]HO Jaeho， SUNG Shihwu. Methanogenic activities in anaerobic membrane bioreactors (AnMBR) treating synthetic municipal wastewater[J]. Bioresource Technology，2010，101（7）：2191-2196.

[5] ZHANG Xinying， WANG Zhiwei， WU Zhichao，et al. Formation of dynamic membrane in an anaerobic membrane bioreactor for municipal wastewater treatment[J]. Chemical Engineering Journal，2010，165：175-183.

[6] LEE Dong-Yeol， XU Kai-Qin， KOBAYASHI Takuro，et al. Effect of organic loading rate on continuous hydrogen production from food waste in submerged anaerobic membrane bioreactor[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2014，39：16863-16871.

[7] 白玲，劉超，胡侃，等. 浸沒式雙軸旋轉(zhuǎn)厭氧膜生物反應(yīng)器的污泥特性研究[J]. 水處理技術(shù)，2009，35（8）：39-43.

[8] 初里冰，楊鳳林，張興文，等. 厭氧膜-EGSB反應(yīng)器處理生活污水的研究[J]. 膜科學(xué)與技術(shù)，2005，25（3）：58-62.

[9] 王國(guó)平，鄒聯(lián)沛. UASB-膜生反應(yīng)器處理抗生素廢水的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29（9）：96-97.

[10] HUANG Z，ONG S L，NG H Y. Feasibility of submerged anaerobic membrane bioreactor (SAMBR) for treatment of low-strength wastewater[J]. Water Science & Technology，2008，58：1925-1931.

[11] SHIN Chungheon，MCCARTY Perry L，KIM Jeonghwan，et al. Pilot-scale temperate-climate treatment of domestic wastewater with a staged anaerobic fluidized membrane bioreactor (SAF-MBR)[J]. Bioresource Technology，2014，59：95-103.

[12] REN Lijiao，AHN Yongtae，LOGAN Bruce E. A two-stage microbial fuel cell and anaerobic fluidized bed membrane bioreactor (MFC-AFMBR) system for effective domestic wastewater treatment[J].Environmental Science & Technology，2014，48：4199-4206.

[13] DUTTA Kasturi，LEE MingYi，LAI Webber Wei-Po，et al. Removal of pharmaceuticals and organic matter from municipal wastewater using two-stage anaerobic fluidized membrane bioreactor[J]. Bioresource Technology，2014，165：42-49.

[14] SADDOUD Ahlem，HASSA?RI Ilem，SAYADI Sami. Anaerobic membrane reactor with phase separation for the treatment of cheese whey[J]. Bioresource Technology，2007，98：2102-2108.

[15] HE Yiliang，XU Pei，LI Chunjie，et al. High-concentration food wastewater treatment by an anaerobic membrane bioreactor[J]. Water Research，2005，39：4110-4118.

[16] MARTINEZ-SOSA David，HELMREICH Brigitte，HORN Harald. Anaerobic submerged membrane bioreactor (AnSMBR) treating low-strength wastewater under psychrophilic temperature conditions[J]. Process Biochemistry，2012，47：792-798.

[17] 王志偉，吳志超，顧國(guó)維，等. 一體式厭氧平板膜生物反應(yīng)器處理酒廠廢水的研究[J]. 給水排水，2006，32（2）：51-53.

[18] TEO Chee Wee，WONG Philip Chuen Yung. Enzyme augmentation of an anaerobic membrane bioreactor treating sewage containing organic particulates[J]. Water Research，2014，48：335-344.

[19] GRETHLEIN Hans E. Anaerobic digestion and membrane separation of domestic wastewater[J]. Journal of Water Pollution Control Federation，1978，50（4）：754-763.

[20] 白玲. 浸沒式雙軸旋轉(zhuǎn)厭氧膜生物反應(yīng)器的研究[D]. 南昌：南昌大學(xué)，2008.

[21] 王浩宇. 一體式厭氧膜生物反應(yīng)器在生活污水處理中的應(yīng)用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[22] YOOA Rihye，KIMA Jeonghwan，MCCARTYA Perry L，et al. Anaerobic treatment of municipal wastewater with a staged anaerobic fluidized membrane bioreactor (SAF-MBR) system[J]. Bioresource Technology，2012，120：133-139.

[23] LEW B，TARRE S，BELIAVSKI M，et al. Anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) for domestic wastewater treatment[J]. Desalination，2009，243：251-257.

[24]TRZCINSKI Antoine P，STUCKEY David C. Treatment of municipal solid waste leachate using a submerged anaerobic membrane bioreactor at mesophilic and psychrophilic temperatures：analysis of recalcitrants in the permeate using GC–MS[J]. Water Research，2010，44：671-680.

[25] PRIETO Ana Lucia，F(xiàn)UTSELAAR Harry，LENS Piet N L，et al. Development and start up of a gas-lift anaerobic membrane bioreactor(Gl-AnMBR) for conversion of sewage to energy，water and nutrients[J]. Journal of Membrane Science，2013，441：158-167.

[26] DE VRIEZE Jo，HENNEBEL Tom，VAN DEN BRANDE Jens，et al. Anaerobic digestion of molasses by means of a vibrating and non-vibrating submerged anaerobic membrane bioreactor[J]. Biomass and Bioenergy，2014，68：95-105.

[27] TORRES A，HEMMELMANN A，VERGARA C，et al. Application of two-phase slug-flow regime to control flux reduction on anaerobic membrane bioreactors treating wastewaters with high suspended solids concentration[J]. Separation and Purification Technology，2011，79（1）：20-25.

[28] TAINá MOTA Vera，SANTOS Fábio S，AMARAL Míriam C S. Two-stage anaerobic membrane bioreactor for the treatment of sugarcane vinasse：assessment on biological activity and filtration performance[J]. Bioresource Technology，2013，146：494-503.

[29] SADDOUD Ahlem，SAYADI Sami. Application of acidogenic fixed-bed reactor prior to anaerobic membrane bioreactor for sustainable slaughter house wastewater treatment[J]. Journal of Hazardous Materials，2007，149：700-706.

[30] 何義亮，吳志超，李春杰，等. 厭氧膜生物反應(yīng)器處理高濃度食品廢水的應(yīng)用[J]. 環(huán)境科學(xué)，1999，20（6）：53-55.

[31] GAO Da-Wen，HU Qi，YAO Chen，et al. Integrated anaerobic fluidized-bed membrane bioreactor for domestic wastewater treatment[J]. Chemical Engineering Journal，2014，240：362-368.

[32] LIN Hongjun，CHEN Jianrong，WANG Fangyuan，et al. Feasibility evaluation of submerged anaerobic membrane bioreactor for municipal secondary wastewater treatment[J]. Desalination，2011，280：120-126.

[33] 陳志祥. 浸沒式厭氧膜生物反應(yīng)器在乳品廢水處理中的應(yīng)用研究[D]. 上海：東華大學(xué)，2010.

[34] WANG Wei，YANG Qi，ZHENG Shuangshuang，et al. Anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) for bamboo industry wastewater treatment[J]. Bioresource Technology，2013，149：292-300.

[35] 白玲，劉超，胡侃，等. 浸沒式雙軸旋轉(zhuǎn)厭氧膜生物反應(yīng)器處理啤酒廢水試驗(yàn)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（9）：1813-1819.

[36] XU Meilan，WEN Xianghua，YU Zhiyong，et al. A hybrid anaerobic membrane bioreactor coupled with online ultrasonic equipment for digestion of waste activated sludge[J]. Bioresource Technology，2011，102：5617-5625.

[37] MARTINEZ-SOSA David，HELMREICH Brigitte，NETTER Thomas，et al. Anaerobic submerged membrane bioreactor (AnSMBR) for municipal wastewater treatment under mesophilic and psychrophilic temperature conditions[J]. Bioresource Technology，2011，102：10377-10385.

[38] 王志偉，吳志超，顧國(guó)維，等. 厭氧膜生物反應(yīng)器膜污染特性研究[J]. 膜科學(xué)與技術(shù)，2006，26（1）：11-14.

[39] 王志偉，吳志超，顧國(guó)維，等. 一體式厭氧膜生物反應(yīng)器膜材質(zhì)選擇的試驗(yàn)研究[J]. 膜科學(xué)與技術(shù)，2006，26（2）：18-21.

[40] SHIMIZU Yasutoshi，ROKUDAI Minoru，TOHYA Sachio，et al. Filtration characteristics of charged alumina membranes for methanogenic waste[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan，1989，22（6）：635-641.

[41] 吳志超，王志偉，顧國(guó)維，等. 厭氧膜生物反應(yīng)器污泥組分對(duì)膜污染的影響[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2005，25（2）：226-230.

[42] MEIRELES Martine，AIMAR Pierre，SANCHEZ Victor. Effects of protein fouling on the apparent pore size distribution of sieving membranes[J]. Journal of Membrane Science，1991，56：13-28.

[43] BéRUBé P R，LEI E. The effect of hydrodynamic conditions and system configurations on the permeate flux in a submerged hollowfiber membrane system[J]. Journal of Membrane Science，2006，271：29-37.

[44] LUNA H J，BAêTA B E L，AQUINO S F，et al. EPS and SMP dynamics at different heights of a submerged anaerobic membrane bioreactor (SAMBR)[J]. Process Biochemistry，2014，49：2241-2248.

[45] 李安峰，潘濤，駱堅(jiān)平. 膜生物反應(yīng)器技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：107-109.

[46] 趙立健，趙婷婷，王曙光. 厭氧自生動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理生活污水的研究[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，45（3）：10-14.

[47] 唐朝春，劉名，陳惠民，等. 廢水生物處理系統(tǒng)中胞外多聚物的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2014，33（6）：1576-1581.

[48] MIKKELSEN Lene Haugaard，KEIDING Kristian. Physico-chemical characteristics of full scale sewage sludges with implications to dewatering[J]. Water Research，2002，36（10）：2451-2462.

[49] LI X Y，YANG S F. Influence of loosely bound extracellular polymeric substances (EPS) on the flocculation，sedimentation and dewaterability of activated sludge[J]. Water Research，2007，41：1022-1030.

[50] BENYAHIA B，SARI T，CHERKI B，et al. Anaerobic membrane bioreactor modeling in the presence of Soluble Microbial Products (SMP)——the Anaerobic Model AM2b[J]. Chemical Engineering Journal，2013，228：1011-1022.

[51] BARKER Dunean J，STUCKEY David C. A review of soluble microbial products (SMP) in waste water treatment systems[J]. Water Research，1999，33（14）：3063-3082.

[52] 紀(jì)磊，周集體，張秀紅，等. 膜生物反應(yīng)器中進(jìn)水組成對(duì)膜污染的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2007（1）：131-136.

[53] 邵佳慧，何義亮，顧國(guó)維，等. 膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究和應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：156-160.

[54] LIN Hongjun，PENG Wei，ZHANG Meijia，et al. A review on anaerobic membrane bioreactors：applications，membrane fouling and future perspectives[J]. Desalination，2013，314：169-188.

[55]SMITH Adam L，SKERLOS Steven J，RASKIN Lutgarde. Psychrophilic anaerobic membrane bioreactor treatment of domestic wastewater[J]. Water Research，2013，47（4）：1655-1665.

[56]MEABE E，DéLéRIS S，SOROA S，et al. Performance of anaerobic membrane bioreactor for sewage sludge treatment：mesophilic and thermophilic processes[J]. Journal of Membrane Science，2013，446：26-33.

[57] GAO W J，Qu X，LEUNG K T，et al. Influence of temperature and temperature shock on sludge properties，cake layer structure，and membrane fouling in a submerged anaerobic membrane bioreactor[J]. Journal of Membrane Science，2012，421-422：131-144.

[58] STUCKEY David C. Recent developments in anaerobic membrane reactors[J]. Bioresource Technology，2012，122：137-148.

[59] HUANG Zhi，ONG Say L，NG How Y. Submerged anaerobic membrane bioreactor for low-strength wastewater treatment：effect of HRT and SRT on treatment performance and membrane fouling[J]. Water Research，2011，45（2）：705-713.

[60] CHARFI Amine，BEN AMAR Nihel，HARMAND Jér?me. Analysis of fouling mechanisms in anaerobic membrane bioreactors[J]. Water Research，2012，46：2637-2650.

[61] BEAUBIEN A，BATY M，JEANNOT F，et al．Design and operation of anaerobic membrane bioreactors：development of a filtration testing strategy[J]. Journal of Membrane Scienc，1996，109（2）：173-184.

[62] CHEN Jianrong，ZHANG Meijia，WANG Aijun，et al. Osmotic pressure effect on membrane fouling in a submerged anaerobic membrane bioreactor and its experimental verification[J]. Bioresource Technology，2012，125：97-101.

[63] GAO JANE W J，LIN H J，LEUNG K T，et al. Influence of elevated pH shocks on the performance of a submerged anaerobic membrane bioreactor[J]. Process Biochemistry，2010，45：1279-1287.

[64] YU Zhiyong，SONG Zhehua，WEN Xianghua，et al. Using polyaluminum chloride and polyacrylamide to control membrane fouling in a cross-flow anaerobic membrane bioreactor[J]. Journal of Membrane Science，2015，479：20-27.

[65]YU Zhiyong，WEN Xianghua，XU Meilan，et al. Characteristics of extracellular polymeric substances and bacterial communities in an anaerobic membrane bioreactor coupled with online ultrasound equipment[J]. Bioresource Technology，2012，117：333-340.

[66]KOLA Anusha，YE Yun，LE-CLECH Pierre，et al. Transverse vibration as novel membrane fouling mitigation strategy in anaerobic membrane bioreactor applications[J]. Journal of Membrane Science，2014，455：320-329.

[67]黃霞，莫罹. MBR在凈水工藝中的膜污染特征及清洗[J]. 中國(guó)給水排水，2003，19（5）：8-12.

[68]RAMOS C，ZECCHINO F，EZQUERRA D，et al. Chemical cleaning of membranes from an anaerobic membrane bioreactor treating food industry wastewater[J]. Journal of Membrane Science，2014，458：179-188.

綜述與專論

A study on anaerobic membrane bioreactor and its membrane fouling

LI Gang1，2，CHEN Xiaoguang1，2，ZHOU Weizhu1，WANG Yu1，XU Yao1
（1College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry，Shanghai 201620，China）

Abstract：Anaerobic membrane bioreactor（AnMBR） integrates anaerobic biotechnology with membrane separation technology. It has the advantages of high loading rate，low energy consumption，biogas production and high-rate interception. Thus，it has a great potential in the treatment of high concentration organic wastewater. However，the engineering operation parameters of the AnMBR in the world were still limited. Moreover，the membrane pollution is the major cause preventing AnMBR from application，so the pollution has been the research hot spot these years. In this paper，the features of the process and the structure of the AnMBR were outlined，and the application status of the projects at home and abroad was summarized. At present the external type was popular in application. And the built-in type has been receiving attention due to its distinctive features. The engineering application status of the AnMBR and its combination process were reviewed，such technology was partly in the lab-scale. The domestic application of engineering of AnMBR was fallen behind that at abroad. The membrane fouling mechanism was explored，so as the effects of other elements（membrane components，sludge characteristics and operation conditions）contributing to membrane fouling. Furthermore，the prevention and controlling measures of the membrane fouling were put forward tobook=270,ebook=277provide the references for the relative researches and applications.

Key words：anaerobic membrane bioreactor；built-in；external type；engineering application；membrane pollution

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.037

中圖分類號(hào)：X 703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）01–0269–08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51208087）、教育部新教師基金（20120075120001）及中央高?；痦?xiàng)目。

收稿日期：2015-07-27；修改稿日期：2015-10-05。