厌氧膜生物反应器在废水处理中研究及发展方向

时间:2017-02-27 来源:网络 作者:佚名 收藏到我的收藏夹
简介:水资源短缺是全球面临的一项难题,将废水处理后回用可以有效缓解水资源的供需矛盾〔1, 2〕。在现有的各类废水处理技术中,好氧生物处理技术因其发展较为成熟而占据了很大的优势,但其存在能耗高

参数难以控制,导致膜污染影响因素众多,膜污染比MBR更严重;(2)AnMBR中生物质气体能源的回收存在技术性困难;(3)由于缺乏对厌氧微生物生态学的微观认识,仅靠操作条件的改变不能从本质上优化反应器的处理性能。

2.1 膜污染的机理研究

膜污染是各类膜生物反应器技术都面临的难题之一,膜结垢可降低整个操作系统的稳定性和可靠性,减少膜通量,从而降低了反应器的处理效能。膜的结垢主要是由反应器中的组合物质(水溶性有机物、进料胶体粒子、细胞裂解和无机沉淀物)形成的。图 2总结了影响膜污染的多种因素,主要包括膜类型、工艺性能、生物系统、化学系统、水动力条件以及生物反应器的操作条件等。目前,对好氧膜生物反应器膜污染机理的研究较多,并取得了大量的成果,虽然AnMBR与MBR相似,但由于厌氧膜生物生长缓慢,反应器负荷较大,且存在操作环境的多变性,因此,关于AnMBR的膜污染机理存在着众多难点有待解决〔28〕。


图 2 影响膜污染的因素

2.2 膜污染的控制和管理

膜污染的控制措施对于整个反应器的运行效果至关重要,研究者通过采用不同的措施来缓解膜污染。如:在AnMBR启动过程中将其作为传统厌氧反应器短暂操作运行,可减少进水中细微颗粒物在膜面的附着〔29〕;又如:保持AnMBR膜组件错流运行,可以减少颗粒物在其上面的沉积,但高剪切流速同样会造成细颗粒物的流出,从而影响反应器的运行效果〔30〕。在采用AnMBR技术处理高盐含油废水中,将超声波清洗〔31〕应用于膜污染控制过程得到了良好效果,此外,将气体射流〔32〕、活性炭添加〔33〕、沸石-滤膜分析器〔34〕等技术应用到试验研究过程中也达到了良好的膜污染控制效果。

总体来说,减缓AnMBR膜结垢的方式主要有3种:(1)在高通量条件下短时间运行,然后采用强酸、强碱及氧化剂等进行反冲洗,清洗膜面附着物;(2)在“临界通量”水平操作条件下,只进行间歇性反冲洗和清洗;(3)可以尝试通过流体动力学条件来操作反应器,减少溶解性微生物产物(SMP)/胶体在反应器内的增量,从而减少膜结垢程度〔35〕。

2.3 操作运行参数的控制

AnMBR工艺中膜分离操作的主要影响因素有水力停留时间、污泥龄、膜面流速、温度、操作压力等。由于厌氧微生物生长缓慢,所以必须维持较长的污泥龄。成功的厌氧处理技术是将水力停留时间和污泥龄完全分离,这样不仅能维持反应器中高浓度的厌氧污泥,还可以减小反应器的尺寸。AnMBR工艺中的微生物会随时间以附着和悬浮2种形式增殖,微生物以悬浮形式增殖,对于其活性可起到促进作用,使得其产甲烷活性显著提高。同时,微生物产甲烷活性的增加也与温度有关,J. H. Ho 等〔36〕的研究表明,AnMBR在25 ℃条件下产甲烷菌的产甲烷效率比在15 ℃时更高,较长泥龄或较短的水力停留时间对产甲烷活性有积极的影响,但泥龄的增加会导致AnMBR中惰性固体积累。此外,S. I. Padmasiri等〔25〕的研究表明,增加错流速度,会导致厌氧消化性能变差。

2.4 AnMBR微生物生态学

厌氧消化过程中微生物区系复杂、种类繁多,同一反应器在不同操作条件下,同一颗粒污泥在不同发育阶段,微生物的生长增殖规律、环境适应性及生物活性都会影响其所占比例。厌氧消化过程正是由这些微生物所进行的一系列生物化学的耦合反应,由于厌氧反应器内部各区域生态位的差异,造成非产甲烷细菌、产甲烷细菌出现有规律的演替,通过各种群之间的相互利用、相互制约,构成一个稳定的生态系统,从而保证了生物代谢过程的正常进行。因此,AnMBRs是培养生长缓慢微生物的优秀系统。

AnMBRs内微生物种群的分布受滤饼层、反应器容积以及滤饼层深度的影响显著。随着滤饼层深度的增加,外滤饼层表面比内滤饼层表面会变得松散,易随生物液流出导致膜堵塞。随着滤饼层加厚及微生物种群的增加,膜结垢现象也逐渐增多。研究发现〔37〕,附着于滤饼层上的主要细菌种群中隶属于厚壁菌门的占到42.3%,α-变形菌占到30.8%,而古生菌主要是甲烷八叠球菌属和甲烷螺旋菌属。

3 AnMBR技术未来研究发展趋势

(1)多种条件下AnMBR膜污染机理的研究。膜污染涉及多个方面,关于膜污染机理的研究一直是AnMBR研究的关键和核心。由于溶解性有机质(SMPs)是影响膜污染的关键物质,未来应重点针对其组成和反应器中多种参数对其产量的影响进行研究。另外,针对膜形态、孔径组成、膜通量、厌氧微生物生态学以及操作运行参数对膜污染机理的影响研究也是未来研究的重点。

(2)不同膜材料和膜组件在AnMBR中的应用研究。膜材料和孔径的改变,会对膜通量和出水水质产生重要影响,但大多数情况下AnMBR中膜污染通常

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