厌氧生物反应器与膜处理单元耦合的厌氧膜生物反应器（AnMBR）凭借优异的出水水质、低污泥残留、完全的固液分离、高效的资源回收、更低的能源消耗及更小的占地面积，已成为最受欢迎的厌氧技术之一。目前，AnMBR工艺已广泛应用于高浓度工业废水如制药废水、糖果废水、酿酒废水、竹工业废水、乳品加工废水等的处理，展现出优异的处理性能及低能源消耗。因此，有必要总结分析其在工业废水处理中的研究进展情况。

简要介绍了AnMBR工艺的基本原理、发展及系统构型，重点总结了其处理工业废水的效能和能源需求分析，阐述了限制发展因素即膜污染及其防控方法，并梳理了微生物在该处理系统中的分布及作用，以期为AnMBR高效处理工业废水并保障其稳定运行提供参考。

1、AnMBR基本原理与构型

AnMBR是一种将膜处理单元与厌氧生物反应器耦合的新型处理工艺，属于厌氧消化领域，涉及水解、酸化、乙酸化、产甲烷化四个阶段，其降解及转化效率取决于微生物数量及种群间（发酵细菌、乙酸菌、氢营养产甲烷菌和乙酸营养产甲烷菌等）的协同作用。传统厌氧消化系统中产甲烷菌生长缓慢且易随出水流失，产甲烷效果不佳。然而，厌氧系统结合膜处理单元实现了水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）的完全分离，可以保留并富集产甲烷菌，实现更高的沼气产量。

1978年Grethlein提出以平板膜组件结合厌氧系统处理化粪池污水，AnMBR首次以膜外置应用形式出现在学者视野中，1988年Yamamoto等实现了浸没式AnMBR的成功应用，解决了膜处理技术的外置式高能耗问题。由此，AnMBR迎来了高速发展期，并衍生出外置浸没式AnMBR。外置浸没式AnMBR通过将膜单元浸没在与生物工作系统反应室分开的腔室，改进了膜单元的维护和清洁，极大减轻了膜污染程度。据报道，多项中试规模AnMBR研究中80%以上采用了外置浸没式两级构型。基于AnMBR技术的不断丰富与成熟，大量以AnMBR为核心的工业废水处理技术在全球范围内得到了推广与成功应用。

2、AnMBR处理效能

2.1 去除性能

近年来，AnMBR在处理工业废水和废物方面已得到广泛研究，许多实验室规模、中试规模及工程规模的AnMBR系统在各种操作条件下被用于处理不同种类的工业废水或废物（见表1）。例如，Svojitka等采用AnMBR处理制药废水，在温度为35~37℃、HRT为3.0~3.5d、SRT为120~450d、COD为4.20g/L的条件下，实现了高COD去除率（91%~97%）和高甲烷收益（甲烷产量为0.30~0.36L/gCOD）。Ye等采用AnMBR处理乳品加工废水，在温度为55℃、HRT为20~2.5d、COD为（63.19±2.71）g/L、有机负荷率（OLR）为26.3gCOD/（L·d）条件下，达到了98.2%~98.5%的COD去除率及约0.30L/gCOD的甲烷产量。此外，久保田株式会社在日本、北美等地区建立了超过20个工程规模的AnMBR装置，用于处理各种废水或废物。Ken’sFoods公司在北美建立的第一个AnMBR工程装置，主要用于处理沙拉酱和烧烤酱生产废水，实现了99.4%的COD去除率，COD浓度从39g/L降至0.21g/L。综合相关研究报道，得益于丰富的微生物量及膜的高效截留作用，AnMBR应用于高浓度工业废水/废物处理可实现优异的除污性能（COD去除率>95%）以及较好的甲烷收益（甲烷产量>0.30L/gCOD）。

2.2 操作条件

2.2.1 HRT

操作条件（如HRT、OLR、SRT等）的变化会显著影响AnMBR的处理性能。Chen等研究发现，HRT的降低（从36h降至12h）并不影响AnMBR对制药废水中间甲酚的总去除效果（去除率为93.6%~96.0%），但会使间甲酚的生物去除效果变差，其去除率从（86.3±1.9）%降至（62.9±3.7）%，而相对的物理去除效率即膜截留率从（9.2±2.6）%提高到（31.7±3.9）%。Liu等的研究进一步证实了该现象，同时也揭示出HRT的降低（从72h降至48h）会导致溶解性COD含量显著增加，去除率下降（从80.1%降至67.4%）。此外，基于生物降解效率的降低和膜截留效率的升高，HRT下降通常会带来甲烷产量的降低和膜污染速率的增大。Hu等发现，HRT从96h降至24h，甲烷产量从0.22L/gCODremoved降至0.16L/gCODremoved；Kong等研究发现，HRT从18h缩短到8h，跨膜压差（TMP）从0.24～0.47kPa显著升至12.99kPa，膜污染速率增大。综合考虑污染物的去除效果、甲烷生成量、膜污染等情况，采用AnMBR处理工业废水时HRT宜在18~48h之间。

2.2.2 OLR

OLR是影响AnMBR处理性能的关键因素之一。Chen等研究了AnMBR处理合成抗生素溶剂废水性能的变化，发现OLR从3.9gCOD/（L·d）增加到12.7gCOD/（L·d），间甲酚总去除率稳定在94.0%以上，而间甲酚生物去除率降至67.9%、膜物理去除率明显提高至22.0%。这表明OLR的上升会给AnMBR内部微生物带来冲击，影响微生物活性。Hu等研究发现，当OLR>10.0gCOD/（L·d）时，抗生素溶剂废水中四氢呋喃的生物去除率会降至70.8%，进一步明确了膜物理去除具有重要作用。此外，OLR的适度提升会给AnMBR内微生物带来更多的底物，从而增加沼气产量。Gökhan等在利用AnMBR处理糖果废水试验中发现，沼气产量随着OLR的增大不断增加，当OLR从1.1gCOD/（L·d）分别升至2.2、4.4、6.6、7.9gCOD/（L·d）时，沼气产量从1.5L/d分别增至3.0、5.8、8.3、9.7L/d。进一步地，Hu等发现，当OLR>10.0gCOD/（L·d）时，沼气产量大幅降低，分析认为OLR过高会降低微生物活性、加快膜污染速率并加重膜污染程度。

因此，综合考虑COD去除效果、甲烷产量及膜污染等情况，推荐AnMBR的运行OLR5gCOD/（L·d）

2.2.3 SRT

通常，较长的SRT有利于AnMBR系统中污染物的去除。Yurtsever等研究发现，SRT从无限分别缩短至60、30d时，AnMBR对纺织废水COD的去除效果变差，COD去除率从86%分别降至72%、65%。这归因于SRT的减小使得AnMBR系统中可溶性微生物产物（SMP）的量增加。然而，当AnMBR处于低HRT（<18h）、高OLR>(5gCOD/（L·d）)环境中，其内部污泥活性受影响较大，长SRT反而效能不佳，补充部分接种污泥会有利于其降解性能的提升。因此，应综合考虑HRT、OLR的影响，SRT并非越长越好，可适当缩短SRT。

2.3 能源平衡分析

能源经济性是AnMBR工艺的优势之一。AnMBR的能源消耗主要来自膜污染控制及系统运行（包括泵、沼气内循环等），其中膜污染控制一般占能源消耗的70%以上。能源收益主要来自沼气利用（燃烧加热、发电等）。经调查，浸没式AnMBR的能源消耗为0.038~5.680kW·h/m3，可获得的能源收益达到2.0kW·h/kgCODremoved或以上。因而在多数高浓度有机废水处理中，AnMBR工艺可实现高能源收益，甚至是净能量平衡，如Galib等利用AnMBR处理肉类加工废水，实现了0.16~1.83kW·h/m3的净能源收益。这说明AnMBR工艺不仅能实现电能平衡，还能实现能量输出。此外，Kong等对比了传统活性污泥（CAS）工艺和AnMBR工艺处理含N，N-二甲基甲酰胺工业废水的经济成本，发现AnMBR较CAS工艺节省能耗4.16kW·h/m3，且减少57.8%的CO2排放量，这表明AnMBR工艺的应用更符合碳减排与碳中和的绿色发展理念。

3、膜污染及控制

3.1 膜污染

膜污染由进料中各成分之间及各成分与膜表面之间的复杂物理化学作用引起，会导致TMP的上升、膜通量的减少，造成运维成本的提升。膜污染演变过程如图2所示，包括膜污染形成、生长、压实等，其中伴随着典型的TMP跳跃变化。

膜污染的发生通常以初始孔阻塞和随后的滤饼层形成为特征，其可归因于污染物、微生物、代谢产物、无机杂质等的沉积。其中，滤饼层是膜污染的主要贡献者之一，如Maleki研究了AnMBR处理麦芽厂工业废水时膜污染贡献的分布，结果显示滤饼层贡献了56.9%，有机污染贡献了23.1%。然而，由于处理对象、系统构造等的差异，膜污染成分的贡献度也会发生变化。Ye等利用AnMBR处理乳品加工废水，发现有机污染物是膜污染的主要贡献者（贡献率为68.0%~81.0%），其次是滤饼/凝胶层（贡献率为13.1%~26.6%）。此外，滤饼层中主要的污染成分为胞外聚合物（EPS）和SMP等微生物代谢物，其与膜污染物质的结合性最强，远胜于其他影响因素（如MLSS、絮凝体尺寸、粒度分布等），这可归因于SMP和EPS在膜上或膜中的保留和吸附会促进布朗扩散的发生，形成更强的渗透阻力。同时，多数研究还聚焦于SMP、EPS中的蛋白质、多糖含量与比例对膜污染的影响机制。研究表明，由蛋白质和多糖形成的非共价网络具有较高的膜污染潜力，其中蛋白质具备高疏水性和强黏附力，可极大促进不可逆污染的发生。Kudisi等探究了AnMBR处理合成对苯二甲酸废水的膜污染过程，发现EPS中蛋白质浓度的突然增加与TMP的快速增大一致。然而，基于厌氧环境污染形成的复杂性，膜污染通常是多种污染物的协同作用结果，不同基质、不同环境条件下污染物的相互作用也存在差异性。针对实际应用废水，可采用耗散型石英晶体微天平（QCM-D）与原子力显微镜（AFM）等技术揭示AnMBR运行过程中更复杂的污染物相互作用现象，如混合液中滤饼层与污染物之间的相互作用。

3.2 膜污染控制

基于膜污染对AnMBR工艺的限制影响，目前已开发了多种膜污染控制策略，如化学清洗、操作参数调控、工艺组合、膜改性等。其中化学清洗是AnMBR工程运行中最常用、起效最快的膜污染控制方法，经过NaClO、柠檬酸清洗可实现80%以上膜通量的恢复，但随着清洗次数的增多，不可逆污染占比会逐渐增大。针对工业废水的高浓污染物特性，有人开展了相应的膜污染控制策略研究。例如，Deng等将电化学引入AnMBR中，利用阳极铁絮凝作用来吸附污染物、增加污泥的絮体尺寸和孔隙率，不仅显著改善了处理效果（磷酸盐去除率提升55%），还有效缓解了膜污染（TMP降低50%）。类似地，电化学-AnMBR在处理农药废水时也显著降低了30%以上的膜污染速率，同时进一步提升了COD去除率（5%）、毒性削减率（7.8%~47.7%）并降低了运行成本（38.9%）。流化载体（填料、聚合物）的添加也可以改善污泥性状，减少滤饼结垢，显著缓解膜污染。Chen等在AnMBR处理制药废水系统中加入具有生物聚合物吸附能力的生物炭，促进了EPS中蛋白质的转化，致使TMP上升速率降低56%，并提升了COD向甲烷的转化率。Nabi等将石墨添加至AnMBR中，也实现了膜污染速率的减缓与甲烷产量的提升。此外，动态膜与群体淬灭技术也是缓解AnMBR处理工业废水膜污染的有效措施，动态膜可将滤饼结垢层用作有效分离的过滤介质，直接将膜污染转化为竞争优势；而群体淬灭技术可通过抑制生物质产生的N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）来延缓EPS等的产生，从而减缓膜污染速率。然而，由于这两项技术目前仍多停留在理论研究阶段，其在工程中的稳定应用仍需进一步研究。

4、微生物分析

鉴于参与污染物降解的厌氧微生物复杂性，深入了解微生物种群分布及其功能对于AnMBR的有效调控至关重要。AnMBR中的微生物主要由水解、发酵和产甲烷微生物组成，多种微生物协同作用实现了有机物的有效降解。参与有机物降解代谢的微生物概况如图3所示。

由图3可以看出，AnMBR处理制药废水、垃圾渗滤液、糖果生产废水、甲醇废水等工业废水时，Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes、Chloroflexi等占主要优势，其相对丰度为60%或以上。研究表明，该类微生物在厌氧消化过程中负责有机酸、多糖等的降解转化，因而改变该类微生物的种群丰度，可显著影响系统的处理效果与甲烷产量。例如，Chen等采用添加生物炭措施，通过富集Proteobacteria、Bacteroidetes等微生物丰度，强化了制药废水有机污染物的降解转化效果，COD去除率进一步提升（从89.2%升至93.8%）。Chloroflexi对复杂环境的耐受性较强，可以利用复杂有机污染物作为生长的底物，提升其丰度有利于去除复杂工业废水的特征污染物。然而，Chloroflexi也是EPS产生的主要贡献者之一，在处理高浓度工业废水时，Chloroflexi丰度的上升也会加速AnMBR中的生物污染。特别是Arcobacter被认为具有生物膜形成功能，多数研究显示降低其丰度可显著减缓膜污染速率。同样也有研究认为Tissierella、Ignatzscheria等微生物可以降解复杂的有机物并减轻膜污染。此外，向AnMBR系统中添加部分特定微生物可以强化某些特征污染物的降解，如添加Oliephilussp.、Thermohalobactersp.可强化多环芳烃等有机物的去除，添加Syntrophorhabdusaromaticivorans可强化苯酚的降解转化，添加N，N-二甲基甲酰胺（DMF）水解细菌可强化DMF的分解。

产甲烷菌是厌氧体系中最重要的一类微生物，直接关系甲烷或氢气等能源的转化。根据代谢行为及功能性，将产甲烷菌分为3类：①乙酸型产甲烷菌，如Methanosaeta、Methanoregula可将乙酸转化为甲烷；②氢营养型产甲烷菌，如Methanolinea、Methanobacterium、Methanothermobactertenebrarum、Methanothermobacterwolfeii、Methanoculleusbourgensis可将H2/CO2转化为甲烷；③多功能产甲烷菌，如Methanosarcina、Methanomethylovorans可利用甲基化合物作为碳和能量来源。常规AnMBR处理工业废水过程中，占主导位置的产甲烷菌为Methanosaeta，该类微生物的主要问题是底物（乙酸）甲烷化效率低、能源收益不佳。而氢营养型产甲烷菌较乙酸型产甲烷菌具有更高的底物利用率、生长速率和细胞产量，更能适应环境变化，在高氨浓度等条件下对污染物的转化效果更佳、甲烷产量也更高。由于工业废水成分的复杂特性，多功能产甲烷菌（甲基营养型）的重要性开始凸显，如Methanomethylovorans可直接将甲醇转化为甲烷；Methanomethylovorans、Methanomassiliicoccus和Methanolobus可以有效代谢转化DMF中间体。此外，Geobacter等细菌也可通过间接电子传递作用强化产甲烷菌的甲烷产生量，提高能源转化率。综上，微生物群落对AnMBR系统运行具有积极影响，通过调控富集微生物特定种群可显著提升系统运行效能。然而，仍需要更深入的研究来揭示不同微生物在具体工业废水中的作用机制，以更好地指导AnMBR系统在工业废水处理中的运行与管理。

5、结论

AnMBR工艺在工业废水中的应用已被证实具有令人满意的污染物去除效率及沼气等能源转化率，并符合我国绿色、低碳发展理念。主要结论如下：

①最佳操作参数（HRT、OLR、SRT等）随工业废水特性、应用工艺流程差异、系统使用构造等的改变而改变，应根据试验调整优化。同时，应考虑工业废水中高值营养物质的再利用。

②AnMBR系统与多种工艺的组合应用技术成为提高污染物处理效能、缓解膜污染、降低运行成本等的有效手段，在工业废水处理中可以考虑采用流化载体+AnMBR工艺、电化学-AnMBR组合工艺等，统筹利用各项技术优势，强化污染物去除效能。

③微生物种群丰度变化直接影响AnMBR工艺的运行效能，如何有效调控、富集特定微生物种群是未来研究的主要难点之一。此外，群体感应淬灭技术的提出也为AnMBR发展提供了新视角，但该技术在实际工程中应用较少，仍需更深入的研究来揭示其作用机制。