厌氧膜生物反应器处理高浓度有机废水的研究

· 136 · www.gdchem.com 第46卷总第390期

厌氧膜生物反应器处理高浓度有机废水的研究

(1．无锡马盛环境能源科技有限公司工程管理部，江苏 无锡 214000；2．江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122) [摘 要]目前厌氧膜生物处理技术被认为是处理高浓度有机废水的研究热点之一，它结合了厌氧生物处理与膜过滤系统，从而具有运营成本低、易于管理控制及剩余污泥产率少等优点。但是，也面临着诸如盐度积聚，抑制物质和膜污染等挑战。本文综述了厌氧膜生物反应器的基本原理和构造以及相关的影响因素，为高浓度有机废水的处理提供相关建议。 [关键词]厌氧膜生物反应器(AnMBR)；废水处理；高浓度有机废水 [中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2019)04-0136-02

王庭1，肖小兰1,2，邰勇2，王远飞1，阮文权1,2

Study on Treatment of High Concentration Organic Wastewater by Anaerobic

Membrane Bioreactor

Wang Ting, Xiao Xiaolan, Tai Yong1, Wang Yuanfei1, Ruan Wenquan1,2 (1. Wuxi Masun Environmental Energy Technology Co., Ltd., Wuxi 214000；

2. School of Environmental and Civil Engineering Jiangnan University, Wuxi 214122,China)

1

1,2

Abstract: Nowadays, anaerobic membrane biological treating technology for high-concentration organic wastewater treatment is increasingly becoming the research hotpot. It combines anaerobic biological treatment with membrane filtration system, which has the advantages as low operating cost, easy management and low residual sludge yield. However, it also faces some challenges such as salinity accumulating, substances inhibiting and membrane fouling. This review provides the basic principles, construction of anaerobic membrane bioreactors and related influencing factors, offering suggestions for the high concentration organic wastewater treatment.

Keywords: anaerobic membrane bioreactor；wastewater treatment；high concentration organic wastewater

1 介绍

近年来，高浓度有机废水的处理处置引起了人们广泛的关注，例如肠衣废水、猪粪废水、玉米乙醇生产废水、奶酪废水、屠宰场加工废水、肉类加工废水、棕榈油加工废水、羊毛洗涤废水和奶制品废水等。此类废水中具有有机物浓度高、成分复杂、有毒有害等特点，如未经处理直接排入水体将使水体遭受污染，对人类健康和生态环境构成严重威胁。因此，对于高浓度有机废水的处理是当今环境工程和环境科学领域研究的热点[1]。

目前，国内高浓度有机废水的研究多集中在厌氧生物处理[2]。厌氧生物处理是厌氧微生物利用高浓度有机废水中的有机质作为自身营养物质，在适宜的条件下(如合适的温度、pH等)，将其转化为沼气的过程。此过程不仅可以去除污水中的污染物，还可实现能源再生。传统厌氧生物处理具有投资省、运营成本低、易于管理控制及剩余污泥产率少等特点。

但是由于高浓度有机废水的复杂性，采用传统厌氧消化技术在其能源转化工程中遇到诸多问题，例如污泥上浮、污泥流失、VFAs累积等，最终导致运行的失败。AnMBR 是一种有机结合厌氧生物处理单元和膜分离技术的新型废水处理工艺，其不仅保留了厌氧技术的诸多优点，而且膜组件的引入可以将微生物完全截留，从而实现了SRT和HRT的有效分离。也正因如此，厌氧膜生物反应器具备污泥浓度高、泥龄长、耐冲击负荷能力强等优点[3]

，其在高浓度和复杂有机废水处理方面展现出很好的应用前景。虽然AnMBR有上述的许多优点，但是AnMBR在废水资源回收方面仍然面临着一些重大挑战，这些问题主要集中在温度，盐度积聚，抑制物质和膜污染。

则是通过填充如石英砂、活性炭、沸石这类细小的固体颗粒填料来净化出水[4]。

3 AnMBR处理性能的影响因素

3.1 温度

AnMBR可以在高温(50~60℃)或中温(30~40℃)条件下运行[7]

。低温(＜20℃)下的AnMBR会面临诸多挑战，包括膜污染的加剧，污染物去除速率的降低和在出水中甲烷溶解度的升高。Martinez-Sosa[8]观察到当AnMBR内的温度从35℃降至20℃时，反应器中总悬浮固体含量和可溶性COD的浓度也会随之增加，这将会导致严重的膜污染并且会降低甲烷的产量。当温度降至20℃时，出水中的甲烷的溶解度也在增加。此外，水体的粘度也随着温度的降低而增加，这就需要更多的能量来用于搅拌水体。 3.2盐度积累

高盐含量被认为是严重抑制厌氧过程的因素之一，Dereli[9]

研究发现，当AnMBR在处理来自海产品加工和奶酪生产的高盐废水时，甲烷的产量和COD的去除率都会有明显的降低。Chen[10]指出较高盐度会导致酶的活性受到抑制，细胞活性会随之下降，厌氧微生物会发生质壁分离的现象，从而对厌氧消化过程产生负面影响。 3.3抑制物质

AnMBR易受废水中如游离氨和硫酸盐等抑制物质的影响。Chen[11]指出，在厌氧消化的过程中，随着生物降解反应的进行，废水中的蛋白质会产生大量的游离氨。游离氨的毒性在于它可以穿透微生物的细胞膜，从而导致细胞稳态失衡，破坏质子平衡。Meabe[12]研究发现较高的温度和pH值会释放更多游离氨来加剧这种抑制反应。高硫酸盐浓度也会抑制AnMBR的性能。这是由于硫酸盐还原菌与产甲烷菌之间对于碳的竞争所导致的[19]。此外，硫酸盐还原菌会产生硫化氢，硫化氢可以很容易地穿透微生物的细胞膜并使细胞质内的天然蛋白质变性，从而在多肽链之间产生硫化物和二硫化物。

Meabe[12]研究发现，通过增加有机物的浓度可以减轻游离氨和硫酸盐对AnMBR的抑制。Tian[13]报道，可以通过在AnMBR中延长的SRT的方法使得微生物充分适应环境来抵抗氨的抑制效应。Wijekoon[14]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii /S0960852418312380 -b0355研究发现，当进水COD/SO42-高于10时，AnMBR的基本生物性能不受硫酸盐浓度增加的影响。 3.4膜污染

在污水处理过程中，无机或有机污染物会在膜孔、膜表面沉

2 厌氧膜生物反应器的基本原理和构造

AnMBR是一种将厌氧生物处理技术与膜分离技术相结合的工艺[5]。AnMBR具有以下优点：可将有机废弃物转化成甲烷再次利用，产生较小的剩余污泥、占地面积小、基建费用低、二次污染少，过滤性能好，有效拦截污染物和大分子有机物[6]，对某些有毒物质去除效果好，出水水质理想。

根据厌氧处理的方式不同，AnMBR也有不同的构造。常见厌氧生物反应器包括上流式厌氧污泥床(UASB)，完全混合式反应器(CSTR)和厌氧流化床生物反应器(AFBR)。在这些反应器中，CSTR是AnMBR最常用的配置，其优点在于构造和操作较为方便。UASB可以在生物反应器的底部区域保留生物质，所以过膜的出水的悬浮固体浓度很低，减轻膜污染。同时，在UASB反应器中，可以通过气/液/固分离器来收集产生的甲烷。AFBR反应器

[收稿日期] 2018-12-21

[基金项目] 厌氧膜生物反应器处理高浓度有机废水的膜污染控制关键技术研究及核心装备开发(WX03-01B0136-021800-47) [作者简介] 王庭(1982-)，男，无锡人，硕士研究生，主要研究方向为厌氧处理技术。

2019年 第4期 广 东 化 工 第46卷 总第390期 www.gdchem.com · 137 ·

积，降低膜通量，增加跨膜压差，因此需要及时化学清洗或更换滤膜。而鉴于膜材料成本昂贵，膜污染仍然是限制AnMBR广泛应用的关键因素。Smith[15]指出AnMBR中主要污染物包括可溶性微生物(SMP)、胞外聚合物(EPS)、胶状固体、附着的细胞和无机沉淀物。Jun[18]研究发现，在约700天长期运行的AnMBR中会生成由生物诱导效应而产生的矿物质结垢，而这种污染是一种不可逆污染，因此，需要化学清洗来恢复膜的通透性。

AnMBR运行期间的膜污染主要取决于膜的性质、操作条件(例如温度，水通量，HRT和SRT)、流体动力学和污泥特性。例如，Lin[16]研究报道，在相同的流体动力学条件下操作时，高温条件下系统的过滤阻力会比中温条件下系统的过滤阻力高约5~10倍。这是由于在高温条件下，SMP和细小的絮凝物会大量累积。Huang[17]报道，随着HRT的减少，SMP会加速积累，而较长的SRT会减少颗粒的絮凝度和粒径，从而加剧膜污染。因此，通过优化操作条件，可以在一定程度上有效地减轻AnMBR中的膜污染。

尽管目前已经具有一些有效控制膜污染的方法，但是膜清洁这个环节仍然是必不可少的。膜清洁包括物理法、化学法和生物法。物理法主要包括反冲洗，表面冲洗和超声波处理。化学法是指运用特定的试剂(酸、碱和氧化剂)来去除膜的不可逆污染。值得一提的是，化学法需要消耗化学试剂，会不可避免地带来二次污染等问题。生物法是指采用酶制剂来清洗膜污染中的有机污染物，酶制剂没有二次污染，而且对膜不产生损害，但是，其高额的价格成本制约了进一步的应用。

[6]Xie M，Nghiem L D，Price W E，et al．A forward osmosis-membrane distillation hybrid process for direct sewer mining：system performance and limitations．Environ Sci Technol，2013，47(23)：13486-13493．

[7]赵毅，朱法华，庞庚林，等．高浓度有机废水处理技术[J]．电力科技与环保，2003，19(3)：46-48．

[8]Maleki E，Catalan L J J，Liao B．Effect of organic loading rate on the performance of a submerged anaerobic membrane bioreactor (SAnMBR) for malting wastewater treatment and biogas production．J Chem Technol Biotechnol，2018，93(6)：1636-1647． [9]Dereli R K，Ersahin M E，Ozgun H，et al．Potentials of anaerobic membrane bioreactors to overcome treatment limitations induced by industrial wastewaters．Bioresou Technol，2012，122：160-170．

[10]Chen L，Gu Y，Cao C，et al．Performance of a submerged anaerobic membrane bioreactor with forward osmosis membrane for lowstrength wastewater treatment．Water Res，2014，50：114-123．

[11]Chen Y，Cheng J J，Creamer K S．Inhibition of anaerobic digestion process：a review．Bioresour Technol，2008，99(10)：4044-4064．

[12]Meabe E，Déléris S，Soroa S，et al．Performance of anaerobic membrane bioreactor for sewage sludge treatment：mesophilic and thermophilic processes．J Membr Sci，2013，446：26-33．

[13]Tian H，Fotidis I A，Mancini E，et al．2018．Acclimation to extremely high ammonia levels in continuous biomethanation process and the associated microbial community dynamics．Bioresour Technol，2018，247：616-623． [14]Wijekoon K C，McDonald J A，Khan S J，et al．Development of a predictive framework to assess the removal of trace organic chemicals by anaerobic membrane bioreactor．Bioresour Technol，2015，189：391-398． [15]Smith A L，Stadler L B，Love N G，et al．Perspectives on anaerobic membrane bioreactor treatment of domestic wastewater：a critical review．Bioresour Technol，2012，122：149-159．

[16]Lin H，Peng W，Zhang M，et al．A review on anaerobic membrane bioreactors：applications，membrane fouling and future perspectives．Desalination，2013，314：169-188．

[17]Huang Z，Ong S L，Ng H Y．Submerged anaerobic membrane bioreactor for lowstrength wastewater treatment：effect of HRT and SRT on treatment performance and membrane fouling．Water Res，2011，45(2)：705-713． [18]Jun D，Kim Y，Hafeznezami S，et al．Biologically induced mineralization in anaerobic membrane bioreactors：assessment of membranescaling mechanisms in a long-term pilot study．J Membr Sci，2017，543：342-350． [19]Koppelaar R H E M，Weikard H P．Assessing phosphate rock depletion andphosphorus recycling options．Global Environ Change，2013，23(6)：1454-1466．

4 结论

相比传统厌氧生物处理技术，AnMBR具有污泥浓度高、泥龄长、耐冲击负荷能力强等优点，可以说AnMBR对高浓度有机废水处理具有较大的应用前景。但是，目前的研究者们需要进一步解决与盐度积聚，温度，膜污染以及抑制物质等相关问题，这样才能推进AnMBR在水处理和能源回收方面的实际应用。

参考文献

[1]Shannon M A，Bohn P W，Elimelech M，et al．Science and technology for water purification in the coming decades．Nature，2008，452(7185)：301-310． [2]Doyle J D，Oldring K，Churchley J，et al．Struvite formation and the fouling propensity of different materials．Water Res，2002，36：3971-3978．

[3]Judd S J．The status of industrial and municipal effluent treatment with membrane bioreactor technology．Chem Eng J，2016，305：37-45．

[4]Muyzer G，Stams AJ．The ecology and biotechnology of sulphate-reducing bacteria．Nat Rev Microbiol，2008，6(6)：441-454．

[5]Kim H C，Shin J，Won S，et al．Membrane distillation combined with an anaerobic moving bed biofilm reactor for treating municipal wastewater．Water Res，2015，71：97-106．

(本文文献格式：王庭，肖小兰，邰勇，等．厌氧膜生物反应器处理高浓度有机废水的研究[J]．广东化工，2019，46(4)：136-137)

(上接第125页)

4 结论

针对医药化工行业产生过程中产生的氟化、氯化、NOX及甲

醇废气特点，本工程采用“碱吸收+臭氧氧化+活性炭吸附”组合工艺净化处理。排气筒出口非甲烷总烃的浓度为17.1 mg/m3，排放速率为0.2241 kg/h，去除率达93.3 %，满足《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)中新污染源的二级标准。工程实例证明在医药化工有机废气治理过程中，采用“碱吸收+臭氧氧化+活性炭吸附”组合净化工艺在技术上是成熟可行的，运行上也是稳定可靠的，且运行费用相对节约。

参考文献

[1]肖静，范建国．医药化工企业废气处理技术的探究[J]．化工管理，2018，22：109-110．

[2]周翔．浅议医药化工行业的有机废气处理[J]．云南化工，2018，45(2)：182-183．

[3]陶进平，袁地长，涂舜恒，等．工业源VOCs污染治理存在的问题及对策建议[J]．广东化工，2018，45(15)：151-152．

[4]张斌．冷凝-吸附技术在苯罐区废气治理中的应用[J]．山东化工，2018，47(19)：184-185． [5]徐波．吸收法在治理合成革有机废气中的应用研究[J]．资源节约与环保，2016，2：140．

[6]李蕾，王学华，王浩，等．吸附浓缩-催化燃烧工艺处理低浓度大风量有机废气[J]．环境工程学报，2015，9(11)：5555-5561．

[7]张长平，曹自青，杜玲改，等．低温下臭氧氧化甲苯气体的催化体系研究[J]．化学与生物工程，2018，35(10)：41-43+59．

[8]竹涛，何绪文，徐东耀，等．吸附增效低温等离子体法去除甲苯废气的研究[J]．环境污染与防治，2010，32(2)：37-40+45．

[9]裴多斐，于丽平，王志伟，等．影响活性炭吸附VOCs效果的因素分析[J]．环境与发展，2018，30(11)：39+41．

[10]刘艳中．增加除雾塔治理喷碱[J]．福建化工，2005，4：27-30．

[11]黄娟，赵卫伟，陈乐清，等．吸收法处理苯系VOCs气体的应用[J]．广东化工，2011，38(11)：79-80．

(本文文献格式：蔡少卿，陈煜泉，陶佳，等．医药化工行业有机废气净化工程实例[J]．广东化工，2019，46(4)：124-125)