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李經理
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dvhb@163.com
西安高新區錦業路錦業時代A3-307室俞漢青，中國科技大學教授，中國污水處理概念廠專家委員會成員，國際知名的污水生物處理理論與技術專家，憑借在污水處理微生物聚集體（顆粒污泥）技術應用方面的杰出貢獻，俞漢青教授及團隊獲得了2014年度國家自然科學二等獎。本文為俞漢青教授及其助手黃寶成對厭氧膜生物反應器的發展所做的系統回顧，以及對未來廢水處理趨勢的展望。
未來的廢水處理趨勢已從原先單純的污染物去除朝著廢水中資源、能源回收的方向過渡和發展。厭氧膜生物反應器因其良好的出水水質以及高效的有機能回收效率正逐漸受到業界的青睞和期待，但是任何一項處理技術都有其固有的優缺點。對于厭氧膜生物反應器而言，其在處理有機廢水方面的可行性已得到證明，但其在廢水處理過程中的經濟性仍然還需要較為全面的評估。未來的工作如能在膜污染機制的解析及膜污染緩解手段的研發上獲得突破，那么厭氧膜生物反應器極有可能實現將廢水處理廠從能源消耗廠轉變為能源加工廠。
引言 /
最早的活性污泥技術是采用簡單的充排式的運行模式的。這種序批式的運行方式在當時并未獲得重視。相反地，人們覺得它運行操作繁瑣便引入了二沉池改為連續流的操作。直到20世紀70年代，美國Irvine教授和澳大利亞Goronzy教授重新發起了對序批式活性污泥法的研究后，人們才得以認識到SBR的優勢。其靈活多變的運行模式，使之在廢水處理領域大有用武之地。在經過20世紀80年代計算機自動化控制技術的迅猛發展后，SBR技術才真正得以遍地開花。
近年來，膜分離技術的出現和發展為傳統的生物處理工藝帶來了革新，它與生化處理單元的耦合不僅可以快速、高效地實現固液分離，而且其出水水質優異、穩定。隨著人們對原有廢水處理認識的不斷加深，現有的廢水處理思路已由能從廢水中去除什么向能從廢水中回收什么轉變，厭氧膜生物處理技術的出現為未來廢水處理廠能源中和運行提供了可能性。但是這項技術的問世和應用也并非一帆風順，在愈加注重廢水經濟高效處理的今天，等待它的又將會是怎樣的挑戰？
厭氧膜生物反應器/ 從興起到停滯
厭氧膜生物反應器概念的出現可追溯至上世紀的70年代，1978年Grethlein等人在將外置的膜組件應用到廢水厭氧處理過程中發現其可以獲得良好的處理效果（85%-95%的BOD去除率，72%的硝酸鹽去除率以及24%-85%的磷酸鹽去除率）。
這一技術自問世之初便獲得了人們的青睞，針對它的研發工作也相繼展開。20世紀80年代美國Dorr-Oliver公司在處理乳制品廢水的過程中成功應用了名為MARS的厭氧膜生物處理工藝，得到了良好的處理效果。但是MARS系統只進行了中試規模的實驗，并未獲得實際工程的應用。
與此同時，日本也成功應用厭氧膜生物反應器處理高濃度有機廢水，并且實現了水的再生利用。20世紀80年代末期在政府的鼓勵和支持下，日本啟動了為期6年的“水再生計劃”，正是在這一計劃的推動下，厭氧膜生物技術得到了較好的發展并在一定范圍內得到了應用。
從1987年開始，厭氧消化超濾膜系統在南非進行了工業廢水處理的應用研究并開展了一系列中試和實際工程項目。在這過程中，以預分離-厭氧消化超濾膜系統-氨吹脫-反滲透-氣體純化-產能為一體的能源資源回收工藝也得到了初步的研究和運行。
20世紀90年代迎來了膜生物處理技術發展的第一個黃金期，但是厭氧膜生物處理系統卻并未在這一次技術更迭的浪潮中獲得大范圍的工程化應用，這主要受制于當時的技術發展水平和厭氧膜生物反應器自身的技術瓶頸。首先，雖然厭氧生物處理技術在當時已經取得了長足的進步和突破，但是其出水水質仍然無法與好氧技術相媲美，單一的厭氧處理單元尚無法圓滿完成有機污染物去除的任務。
其次，在厭氧處理過程中，廢水中的一部分營養物被微生物代謝吸收，但由于厭氧微生物世代周期長，對營養元素的去除能力非常有限。不僅如此，厭氧條件下的氨化作用會增加廢水的氨氮濃度，同時會釋放大量的磷酸。再者，厭氧生物處理系統尚無法在低溫條件下獲得良好的去除效果。厭氧系統的這些固有缺陷使得厭氧膜生物反應器的發展遇到了技術瓶頸。
與好氧膜生物反應器相比，厭氧膜系統的膜污染狀況更為嚴重。在厭氧系統中，膜表面形成的濾餅層更加致密，多孔透過性差從而加快了膜污染的速率。由于厭氧特殊的環境要求，在膜清洗的操作上厭氧系統比好氧的要求更高。此外，由于當時膜材料成本的居高不下，導致膜組件投資費用昂貴。因此，雖然厭氧膜生物反應系統在發明之初受到了熱捧，但是由于影響系統性能的上述幾個關鍵難題未獲得突破，研究人員便將重心轉向了好氧膜生物反應系統的研發和應用工作上了。
曲折中前行/厭氧膜生物反應器的再次起航
雖然研究人員更為側重好氧膜生物反應器的設計研發工作，但是卻并未完全放棄厭氧膜系統的研究工作。隨著近年來廢水“零廢物”處理概念以及資源化處理概念的提出，逐漸使得厭氧膜生物系統重新受到青睞。
2011年，斯坦福大學土木和環境工程系McCarty教授和韓國仁荷大學Bae教授課題組聯合在環境領域國際頂尖期刊《EnvironmentalScience&Technology》上發文報導了厭氧流化床-厭氧流化床膜生物反應器兩級串聯工藝應用于模擬城市廢水處理的研究工作，從而掀起了厭氧膜生物反應器新一輪的研究熱潮。他們通過在反應器內填充顆�；钚蕴孔鳛槲⑸锔街L的介質，提高系統的處理效率并且顆�；钚蕴吭诹骰筮�能對膜表面進行沖刷，顯著緩解膜污染。
其實驗室試驗結果表明在中溫運行條件下系統的出水中的COD濃度可低至7mg/L。該耦合體系的總耗能僅為0.058kWh/m3，該部分能量只占回收得到的甲烷能量值的30%，彰顯了厭氧膜處理系統在城市污水處理的巨大潛力。此后，他們對反應器的運行參數如溶解氧濃度和流化床填充介質種類等進行優化，并評估了該套系統在處理實際城市污水方面的效能。
2012年他們著手開展了規模為12m3/d的中試應用研究。當反應器啟動完成后，系統在冬天（氣溫為9℃）運行時其出水中COD在23mg/L以下，其處理效果完全達到了活性污泥法的水平。反應器內僅依靠顆�；钚蕴康臎_刷而無需化學藥劑的清洗便可將膜通量維持在一個較高的水平，系統的總能耗約為0.227kWh/m3。
圖1 厭氧流化床-厭氧硫化床膜生物反應器串聯系統
McCarty和Bae小組的工作為厭氧膜生物反應器的研發和應用帶來了新的生機，這從全球關于厭氧膜生物反應器的SCI發文量上便可窺知一二。在2010-2012年的三年間，關于厭氧膜生物體系的SCI發文量在145篇/年左右，而從2013-2015年間SCI發文量便上升了一個臺階平均達到了213篇/年。研究論文發表數量的提升從側面反映出了厭氧膜生物系統又重新獲得了研究人員的青睞，在愈發注重城市污水有機能回收的今天煥發出了新的生機。
圖2 1996-2015年間厭氧膜生物反應器的SCI發文量
城市污水處理
目前關于厭氧膜生物反應器應用于城市污水處理的研究還停留在中試規模，尚無實際工程化案例，中試的結果表明其處理性能與小試規模下類似。除了前文提到的McCarty和Bae研究小組外，西班牙的一個小組也在中溫下采用厭氧膜生物系統處理生活污水，它由1個厭氧池和2個膜池組成，總體積為2.5m3，進水COD平均濃度為445mg/L左右，硫酸鹽平均濃度為99mg/L左右。處理結果表明系統COD平均去除率可以達到87％。
由于進水硫酸鹽濃度較高，硫酸鹽還原菌和甲烷菌競爭碳源，極大影響了沼氣產量，產氣中甲烷含量維持在55％左右。在中試試驗期間，膜組件的運行效果穩定，沒有出現不可逆污染，間歇出水、反沖洗和沼氣噴射有利于延緩膜污染。
圖3 Gimenez等人采用的厭氧膜生物反應器中試裝置
上述中試實驗是在中溫環境條件下進行的，而實際生活污水的水溫常因時、因地而變，若要將反應器維持在中溫條件需要消耗巨大的能量。因此，研究組將一個容積為160L的UASB和150L的膜反應器進行串聯，考察了該系統在低溫下對城市污水的長期處理效果。當在容積負荷為2-2.5kgCOD/m3運行時，系統COD去除率達到87%。
對比目前的幾個中試反應器運行結果，可以看出基于流化床反應器為核心的厭氧膜生物系統的性能最佳。與傳統的UASB 等厭氧反應器相比，流化床內的填料在流動時可以強化微生物與液相間的傳質，加速反應器過程從而提高去除效果。此外，填料與膜表面的碰撞剪切比單純的水力剪切力要大，可顯著緩解和改善膜污染問題，可謂達到了一舉兩得的功效。但是流化床反應器的運行也有弊端，由于長期高強度的回流，膜材料的損傷比其它系統的要嚴重得多，這降低了膜的使用壽命。
工業廢水處理
厭氧膜生物反應器的工程化應用城市污水處理圖21996-2015年間厭氧膜生物反應器的SCI發文量圖3Gimenez等人采用的厭氧膜生物反應器中試裝置對比目前的幾個中試反應器運行結果，可以看出基于流化床反應器為核心的厭氧膜生物系統的性能最佳。與傳統的UASB等厭氧反應器相比，流化床內的填料在流動時可以強化微生物與液相間的傳質，加速反應器過程從而提高去除效果。
此外，填料與膜表面的碰撞剪切比單純的水力剪切力要大，可顯著緩解和改善膜污染問題，可謂達到了一舉兩得的功效。但是流化床反應器的運行也有弊端，由于長期高強度的回流，膜材料的損傷比其它系統的要嚴重得多，這降低了膜的使用壽命。工業廢水處理厭氧膜生物系統應用在工業廢水處理的案例較多，很多公司和企業由于自身規模的擴張導致廢水處理需求的增大，這就需要在原有廢水處理設施的基礎上進行升級改造。
從節省占地以及出水水質的角度來說，厭氧膜生物系統提供了一個非常好的解決方案。其中的一個案例是位于美國馬薩諸塞州馬爾伯勒市一家食品制造企業，該企業由于業務擴張需要對原有的處理系統進行升級改造來提高處理能力。但是由于場地空間有限，這就要求升級改造需要在不顯著增加系統占地的情況下滿足新的處理要求，并且盡可能得節省運行能耗。
這家企業最終選擇了ADISystems公司開發的厭氧膜生物反應器作為他們改造項目的核心工藝，這也是在北美地區第一座生產性規模的厭氧膜生物反應器。厭氧膜生物反應器系統主要由一座8300m3的厭氧反應器以及四座膜過濾池組成，濾膜來自于日本久保田的浸沒式膜組件。該工程的設計規模為475m3/d，系統COD去除率達到了99%，TSS去除率接近100%（出水TSS濃度<2mg/L）。
此外，厭氧膜生物系統每天可產生沼氣5660m3，產生的沼氣一部分用于燃燒維持厭氧生物反應器在35℃，剩余部分則用于房屋的供暖。將沼氣循環曝入膜濾池可明顯改善和緩解膜污染，經過五年多的運行濾膜仍然表現出良好的性能。ADISystems公司設計運行的這套厭氧膜生物反應系統不僅圓滿完成了廢水處理任務，而且顯著降低了污泥脫水等帶來的處理處置成本。
圖4 厭氧膜生物反應器應用于食品加工廢水處理
另一個關于厭氧膜生物反應器成功應用的工程案例位于美國賓夕法尼亞州，它同樣也是由ADISystems公司設計建造的。該州的一家糖果制造廠原有的一條廢水處理線只能去除約60%的BOD，滿足不了排放要求，且污泥的沉降性能差，敞開的厭氧池還伴隨有惡臭氣體的散發問題。
該廢水處理路線由一座調節池，三座厭氧反應器，一座脫氣塔以及一座二沉池構成。隨著該廠規模的擴增，高濃度有機物廢水量急劇增加，原有處理工藝已達到最大負荷不可能再提高處理能力�；诖�，ADISystems公司將原有的一座厭氧生物反應池改造為厭氧全混合生物反應器并且額外增加了兩座膜濾池。
這樣就精簡了廢水處理流程，并且解決了污泥沉降性能差以及惡臭氣體四處飄散的問題。利用厭氧過程產生的沼氣能源，厭氧膜生物反應器的運行溫度可以維持在中溫（35℃）。改造后的系統處理規模可以達到155m3/d，其對COD、BOD以及TSS的去除率分別可以達到97%、97%以及100%。
圖5 厭氧膜生物反應器應用糖果廠廢水處理
除了上述ADISystems公司外，美國通用電器集團以及威立雅水務集團也在大力發展和推廣厭氧膜生物系統，但目前還無生產性規模的裝置運行。從反應器系統的設計上看，這幾家公司之間的區別并不大，目前大都應用于高濃度有機廢水的處理。厭氧膜生物系統在處理廢水產生高質量出水的同時，最大限度地獲得可再生能源，處理后的水還可被回用或直接排放，與常規技術相比大大降低了運行成本。
簡單、獨立且全自動的反應器系統為遠程控制提供了可能。厭氧系統產生富含甲烷的沼氣可滿足廢水處理廠絕大部分的電力和供熱需求，在釀造行業甚至能滿足全部的能源需求。
厭氧膜生物反應器的未來之路/任重而道遠
厭氧膜生物反應器適用對象分析
廢水處理工藝是由廢水特性決定的，一種廢水處理工藝或者單元不可能適用于所有不同特性廢水的處理，厭氧膜生物系統不外乎如此。由于厭氧系統對氨氮和磷酸鹽等營養元素的去除能力差，所以可以根據廢水中SS和COD濃度將廢水分成四大類，即圖6中的a、b、c和d四個區域。
圖6 厭氧膜生物系統適用的不同特性廢水分析
厭氧生物處理系統經過近一個世紀的發展，現如今的高效厭氧系統已經完全實現了水力停留時間和污泥停留時間的分離，UASB、EGSB以及IC反應器的開發和應用大大提高了處理效率。此外，隨著近年來顆粒污泥的研究和應用，厭氧系統中可以維持更高的生物量，處理負荷得到了極大的提升。厭氧膜生物系統是在厭氧生物系統的基礎上拓展而來的，膜系統最大的優勢是可以實現微生物的100%截留并且確保出水SS濃度無后顧之憂。
從這點上來看，厭氧膜生物系統在高COD和SS濃度的廢水處理上（圖6中b區域）存在著一定的優勢。這主要是傳統的厭氧生物系統顆粒物的水解過程仍然是厭氧消化圖5厭氧膜生物反應器應用糖果廠廢水處理圖6厭氧膜生物系統適用的不同特性廢水分析的限速步驟，這一點在低溫條件下尤其明顯。膜濾系統的引入可以將高濃度的SS截留在厭氧反應器內部，從而保證了充足的污泥停留時間來水解這部分顆粒態有機污染物。
對于高COD濃度低SS濃度的廢水而言（圖6中d區域），現有的厭氧生物處理系統基本可以實現較高的有機物去除效率，因此除了對出水SS有特殊處理要求的情況，沒有必要非要引入膜單元。如此一來不僅省去了復雜的膜組件運行控制設備，而且也降低了處理系統的能耗。針對低COD濃度水質（圖6中a和c區域），相比傳統厭氧生物處理工藝，厭氧膜生物系統的處理效果更具優勢。雖然目前有研究表明，厭氧膜系統在處理低強度有機廢水（如城市生活污水）時也能獲得滿意的出水水質，但其離實際工程應用尚還有一段距離。鑒于厭氧膜生物系統在處理廢水的同時可以回收一部分甲烷等能源氣體，在處理低濃度有機廢水時還需要視具體的水質進行全面評估后才能確定。
厭氧膜生物反應器的展望
相比好氧處理技術，厭氧膜生物反應器在低溫、短水力停留時間條件下也可實現廢水的有效處理，同時產生能源物質——沼氣。可以說厭氧膜生物系統對有機廢水的處理展現出了巨大的前景，不過在大規模投入應用之前，仍然存在著較多的難題有待研究和解決。
（1）膜污染的控制及緩解
膜污染問題很大程度上決定了厭氧膜生物系統的經濟性和實用性。膜污染的影響因素很多，污泥組成、操作條件、膜組件的材料和構造都對膜污染有重要影響。雖然目前主流觀點仍為膜表面濾餅層的形成是導致膜通量下降的主要原因，但由于厭氧膜生物反應器中污泥特性與好氧情況有著極大的不同，膜污染情況往往更復雜。濾餅層是由大量的微生物、胞外聚合物、無機鹽以及其它微小顆粒物組成，具有多層孔隙結構，目前針對它的研究還不夠深入。因此對膜污染機理的探究是從源頭解決膜污染問題的關鍵。
前文提及的幾座厭氧膜生物反應器實際工程，在設計上均采用外置式，即通過厭氧生物反應器與膜單元的串聯。工程上之所以采用這種操作方式，其主要的原因是厭氧生物反應器內部的水力擾動不足以沖刷膜表面從而改善膜污染。這就需要通過外置的膜單元，利用水泵或者氣泵來進行液體循環或者氣體擾動以改善污染狀況。
但是這樣的操作在一定程度上弱化了膜技術的優勢，增加了系統的占地，如何在單池內實現污染物去除及膜的高效穩定過濾具有更為高效經濟的實際意義。雖然利用生物填料在流化床內可以實現膜污染物緩解的問題，但是流化狀態下的填料會損傷膜材料，降低膜組件的使用壽命。因此，研究和開發內置式的厭氧膜生物反應器并通過合理的水力學設計來改善和緩解膜污染顯得尤為必要。
膜材料是膜生物系統的核心，隨著近年來對膜處理技術研究的不斷深入，膜材料正不斷得到更新與發展，不論是水通量還是膜材料成本上都有了極大的改善。但是由于厭氧下的膜污染比好氧的更為嚴重，對膜材料進行改進并研發出具有高親水性、經濟耐用的膜材料是緩解膜污染的關鍵。
（2）甲烷的回收
利用厭氧生物處理系統最大的優勢是可以從廢水處理過程中回收甲烷等能源物質，從而在一定程度上抵消系統的運行能耗甚至在高濃度有機廢水處理過程中可以實現凈產能。由于目前膜污染問題還沒有得到充分的解決，因此在實際運行過程中各種緩解膜污染形成的措施和手段仍然消耗著極大的能量。這部分能量的消耗使得厭氧膜生物系統在處理低濃度有機廢水（如城市污水、生活污水）時失去了優勢。
由于在低溫條件下，大量的甲烷氣體會溶解在水中隨著出水排出系統，因此在處理低濃度有機廢水時如何最大限度地回收出水中的溶解態甲烷對系統的總能耗平衡而言就顯得極為重要。目前針對這一塊的研究尚處于起步階段，逐步開發出了吹脫及脫氣膜技術來回收甲烷。但是針對這些技術在甲烷回收效率以及回收過程的能量平衡上還需要優化和全面的評估。
（3）工程化應用參數的獲取
由于厭氧膜生物反應器的研究不多，尤其是在國內，所以對各種不同行業的廢水處理的經驗參數缺乏，例如停留時間、有機負荷等等。這就要求具備一定規模的中試實驗的支持，然后對各種行業廢水的處理參數進行總結。在好氧膜生物系統原有控制理論和參數基礎上，獲取過膜壓力、反沖洗頻率以及膜清洗時間等關鍵參數的最佳組合。
此外，由于厭氧膜生物系統可以實現有機碳的回收，但對氮磷污染物去除效果差，為了使廢水能夠達標排放，這就決定了厭氧膜生物反應器后必須進行脫氮除磷。因此，考察厭氧膜生物系統與各種營養元素去除工藝的耦合工藝的脫氮除磷效果也是未來需要加強研究的工作之一。