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厌氧膜生物反应器AnMBR在废水处理中研究及发展方向

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发表于 2017-2-8 15:29:57 | 显示全部楼层 |阅读模式

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。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、污泥产量高以及资源回收率低等缺点。而传统厌氧处理需满足下列条件:(1)生物反应器必须被加热到中温(30~40℃)或高温(50~60℃)的温度;(2)需要较长的污泥龄(SRT);(3)需要进行后处理以确保出水达标排放。

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由于早期厌氧反应器的处理条件较高,厌氧处理技术没能较好地用于污水处理过程。随着以UASB及EGSB为代表的第二、三代厌氧反应器在高浓度有机废水处理中的成功应用,厌氧生物处理及其耦合技术日益受到研究人员的重视。

厌氧膜生物反应器(anaerobicmembranebioreactors,AnMBR)作为厌氧处理技术和膜生物反应器的耦合,它同时具备了二者的优缺点,尽管目前对AnMBR的研究大部分仅限于实验室或小试规模,但其已成为研究的一个热点。笔者从AnMBR技术组成、膜结构形态、应用、膜污染原因、厌氧微生物生态学等方面介绍了AnMBR技术的最新研究状况,指出其面临的难题及今后的发展方向,以期为后续研究以及实际应用提供理论参考。

1、AnMBR的应用及研究现状

1.1、AnMBR的组成及分类

AnMBR通常由厌氧反应器和膜过滤系统2部分组成,不考虑膜过滤系统,厌氧反应器中最常用的是连续搅拌反应器系统(CSTR)。另外,UASB、EGSB、流化床系统也逐渐应用于其中。厌氧反应器的设计必须保证有足够的生物停留时间(SRT),这样在很大程度上可以减少悬浮生物质与膜接触的时间,避免膜污染的发生。膜过滤系统有3种构型存在:外部横流、内部浸没和外部浸没,如图1所示。

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(1)外部横流式AnMBR反应器;(2)内部浸没式AnMBR反应器;(3)外部浸没式AnMBR反应器。

图1:3种AnMBR结构配置示意

在外部横流结构中,膜组件与生物反应器是分开的,膜在渗透压作用下正常运行,加压泵将厌氧反应器中的固体混合液打入膜组件的过滤端,通过压力作用使混合液中的液体透过滤膜,大分子物质则被滤膜截留,随浓缩液直接回流到厌氧反应器中。在内部浸没式膜结构中,膜直接浸入在生物反应器中的悬浮生物液中,通过施加于膜的真空度产生渗透压进行过滤。另外,膜组件也可位于独立于主生物反应器的外部腔室中,但仍淹没在悬浮生物液中并在真空条件下进行操作。

1.2、AnMBR膜材料和膜组件的研究

选择合适的膜材料和膜组件是反应器设计的关键。应用于AnMBR的膜材料可分为3种形态:疏水性有机聚合膜、金属膜和非金属膜(陶瓷膜)。其中,有机聚合膜因性能良好并具有经济性而得到广泛应用,最常用的疏水性有机聚合膜材料主要有聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚砜(PES)膜,占市场份额的75%以上。平板膜、管状膜和中空纤维膜是AnMBR中最常用的3种膜组件,其过滤特征如表1所示。

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I.J.Kang等研究了不同膜材料对膜污染的影响并对其污染特征进行了比较,结果发现,有机膜和非有机膜存在完全不同的污染特征。Y.He等采用不同截留分子质量的PES膜研究了膜孔径对AnMBR过滤效果的影响,结果发现,膜孔径的大小对污染物的去除效果影响很小。

1.3、AnMBR与其他废水处理技术的比较

将AnMBR与其他污水处理技术进行了比较,如表2所示。

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由表2可以看出,AnMBR集合了传统好氧、厌氧技术和好氧膜生物反应器的诸多优势,它具有不耗能、可回收燃料气体、产泥量少等众多优点。

1.4、AnMBR在城市生活污水处理中的应用及研究

由于城市生活污水中的污染物浓度较低,较短的水力停留时间难以保证厌氧颗粒污泥的缓慢生长,加之单纯的厌氧处理技术难以满足处理出水达标排放,因此,长久以来鲜有研究者将厌氧处理技术单独应用于城镇污水处理中。

AnMBR作为厌氧处理技术和膜处理技术的结合,既可以保证处理出水达标排放,同时也可降低污泥的产量,成为一种可持续的污水生物处理技术。但近年来有关AnMBR在不同城镇污水及其模拟废水处理中的应用研究结果表明,经传统AnMBR处理,大部分污水的COD最大去除率>70%,由此可见,以传统AnMBR处理技术来处理城镇污水效果并不是很理想。

因此,更多的研究偏向于将膜组件融合于新型厌氧处理技术中以达到对AnMBR技术进行优化和改良。厌氧折流板反应器作为第三代新型高效反应器具有诸多优势,ShaoweiHu等将AnMBR与厌氧折流板反应器进行耦合应用于城市生活污水处理中,在进水COD为1600mg/L,NH4+-N为80mg/L的条件下,COD和NH4+-N去除率分别达到59.5%和83.5%。

A.S.Kappell等将好氧硝化膜组件置于厌氧连续搅拌反应器中处理高浓度有机废水,结果表明,COD去除率>90%,硝酸盐氮去除率>95%。YuTao等将膜组件应用于厌氧SBR工艺中处理人工模拟废水,使得厌氧氨氧化活性增加了19倍,显示了膜反应器在处理低速增殖有机物上的优点。

1.5、AnMBR在工业废水处理中的应用及研究

目前,应用AnMBR处理的工业废水主要包括2大类:食品类工业废水和非食品类工业废水。非食品类工业废水包括造纸、化工、制药、石油、纺织等行业废水,由于其组成复杂、污染物浓度高、毒性大,处理难度较大,而AnMBR在处理这类具有高盐、高温、高悬浮物浓度和高毒性的废水方面具有较大优势。


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