029-86747156
李經(jīng)理
13505181093
dvhb@163.com
西安高新區(qū)錦業(yè)路錦業(yè)時(shí)代A3-307室俞漢青，中國(guó)科技大學(xué)教授，中國(guó)污水處理概念廠(chǎng)專(zhuān)家委員會(huì)成員，國(guó)際知名的污水生物處理理論與技術(shù)專(zhuān)家，憑借在污水處理微生物聚集體（顆粒污泥）技術(shù)應(yīng)用方面的杰出貢獻(xiàn)，俞漢青教授及團(tuán)隊(duì)獲得了2014年度國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。本文為俞漢青教授及其助手黃寶成對(duì)厭氧膜生物反應(yīng)器的發(fā)展所做的系統(tǒng)回顧，以及對(duì)未來(lái)廢水處理趨勢(shì)的展望。
未來(lái)的廢水處理趨勢(shì)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(guò)渡和發(fā)展。厭氧膜生物反應(yīng)器因其良好的出水水質(zhì)以及高效的有機(jī)能回收效率正逐漸受到業(yè)界的青睞和期待，但是任何一項(xiàng)處理技術(shù)都有其固有的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于厭氧膜生物反應(yīng)器而言，其在處理有機(jī)廢水方面的可行性已得到證明，但其在廢水處理過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性仍然還需要較為全面的評(píng)估。未來(lái)的工作如能在膜污染機(jī)制的解析及膜污染緩解手段的研發(fā)上獲得突破，那么厭氧膜生物反應(yīng)器極有可能實(shí)現(xiàn)將廢水處理廠(chǎng)從能源消耗廠(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉醇庸S(chǎng)。
引言 /
最早的活性污泥技術(shù)是采用簡(jiǎn)單的充排式的運(yùn)行模式的。這種序批式的運(yùn)行方式在當(dāng)時(shí)并未獲得重視。相反地，人們覺(jué)得它運(yùn)行操作繁瑣便引入了二沉池改為連續(xù)流的操作。直到20世紀(jì)70年代，美國(guó)Irvine教授和澳大利亞Goronzy教授重新發(fā)起了對(duì)序批式活性污泥法的研究后，人們才得以認(rèn)識(shí)到SBR的優(yōu)勢(shì)。其靈活多變的運(yùn)行模式，使之在廢水處理領(lǐng)域大有用武之地。在經(jīng)過(guò)20世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展后，SBR技術(shù)才真正得以遍地開(kāi)花。
近年來(lái)，膜分離技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為傳統(tǒng)的生物處理工藝帶來(lái)了革新，它與生化處理單元的耦合不僅可以快速、高效地實(shí)現(xiàn)固液分離，而且其出水水質(zhì)優(yōu)異、穩(wěn)定。隨著人們對(duì)原有廢水處理認(rèn)識(shí)的不斷加深，現(xiàn)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(zhuǎn)變，厭氧膜生物處理技術(shù)的出現(xiàn)為未來(lái)廢水處理廠(chǎng)能源中和運(yùn)行提供了可能性。但是這項(xiàng)技術(shù)的問(wèn)世和應(yīng)用也并非一帆風(fēng)順，在愈加注重廢水經(jīng)濟(jì)高效處理的今天，等待它的又將會(huì)是怎樣的挑戰(zhàn)？
厭氧膜生物反應(yīng)器/ 從興起到停滯
厭氧膜生物反應(yīng)器概念的出現(xiàn)可追溯至上世紀(jì)的70年代，1978年Grethlein等人在將外置的膜組件應(yīng)用到廢水厭氧處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)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(shù)自問(wèn)世之初便獲得了人們的青睞，針對(duì)它的研發(fā)工作也相繼展開(kāi)。20世紀(jì)80年代美國(guó)Dorr-Oliver公司在處理乳制品廢水的過(guò)程中成功應(yīng)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(tǒng)只進(jìn)行了中試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，并未獲得實(shí)際工程的應(yīng)用。
與此同時(shí)，日本也成功應(yīng)用厭氧膜生物反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)廢水，并且實(shí)現(xiàn)了水的再生利用。20世紀(jì)80年代末期在政府的鼓勵(lì)和支持下，日本啟動(dòng)了為期6年的“水再生計(jì)劃”，正是在這一計(jì)劃的推動(dòng)下，厭氧膜生物技術(shù)得到了較好的發(fā)展并在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。
從1987年開(kāi)始，厭氧消化超濾膜系統(tǒng)在南非進(jìn)行了工業(yè)廢水處理的應(yīng)用研究并開(kāi)展了一系列中試和實(shí)際工程項(xiàng)目。在這過(guò)程中，以預(yù)分離-厭氧消化超濾膜系統(tǒng)-氨吹脫-反滲透-氣體純化-產(chǎn)能為一體的能源資源回收工藝也得到了初步的研究和運(yùn)行。
20世紀(jì)90年代迎來(lái)了膜生物處理技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)黃金期，但是厭氧膜生物處理系統(tǒng)卻并未在這一次技術(shù)更迭的浪潮中獲得大范圍的工程化應(yīng)用，這主要受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展水平和厭氧膜生物反應(yīng)器自身的技術(shù)瓶頸。首先，雖然厭氧生物處理技術(shù)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和突破，但是其出水水質(zhì)仍然無(wú)法與好氧技術(shù)相媲美，單一的厭氧處理單元尚無(wú)法圓滿(mǎn)完成有機(jī)污染物去除的任務(wù)。
其次，在厭氧處理過(guò)程中，廢水中的一部分營(yíng)養(yǎng)物被微生物代謝吸收，但由于厭氧微生物世代周期長(zhǎng)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)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(huì)增加廢水的氨氮濃度，同時(shí)會(huì)釋放大量的磷酸。再者，厭氧生物處理系統(tǒng)尚無(wú)法在低溫條件下獲得良好的去除效果。厭氧系統(tǒng)的這些固有缺陷使得厭氧膜生物反應(yīng)器的發(fā)展遇到了技術(shù)瓶頸。
與好氧膜生物反應(yīng)器相比，厭氧膜系統(tǒng)的膜污染狀況更為嚴(yán)重。在厭氧系統(tǒng)中，膜表面形成的濾餅層更加致密，多孔透過(guò)性差從而加快了膜污染的速率。由于厭氧特殊的環(huán)境要求，在膜清洗的操作上厭氧系統(tǒng)比好氧的要求更高。此外，由于當(dāng)時(shí)膜材料成本的居高不下，導(dǎo)致膜組件投資費(fèi)用昂貴。因此，雖然厭氧膜生物反應(yīng)系統(tǒng)在發(fā)明之初受到了熱捧，但是由于影響系統(tǒng)性能的上述幾個(gè)關(guān)鍵難題未獲得突破，研究人員便將重心轉(zhuǎn)向了好氧膜生物反應(yīng)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用工作上了。
曲折中前行/厭氧膜生物反應(yīng)器的再次起航
雖然研究人員更為側(cè)重好氧膜生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，但是卻并未完全放棄厭氧膜系統(tǒng)的研究工作。隨著近年來(lái)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(tǒng)重新受到青睞。
2011年，斯坦福大學(xué)土木和環(huán)境工程系McCarty教授和韓國(guó)仁荷大學(xué)Bae教授課題組聯(lián)合在環(huán)境領(lǐng)域國(guó)際頂尖期刊《EnvironmentalScience&Technology》上發(fā)文報(bào)導(dǎo)了厭氧流化床-厭氧流化床膜生物反應(yīng)器兩級(jí)串聯(lián)工藝應(yīng)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(yīng)器新一輪的研究熱潮。他們通過(guò)在反應(yīng)器內(nèi)填充顆�；钚蕴孔鳛槲⑸锔街L(zhǎng)的介質(zhì)，提高系統(tǒng)的處理效率并且顆�；钚蕴吭诹骰筮�能對(duì)膜表面進(jìn)行沖刷，顯著緩解膜污染。
其實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明在中溫運(yùn)行條件下系統(tǒng)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(tǒng)在城市污水處理的巨大潛力。此后，他們對(duì)反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)如溶解氧濃度和流化床填充介質(zhì)種類(lèi)等進(jìn)行優(yōu)化，并評(píng)估了該套系統(tǒng)在處理實(shí)際城市污水方面的效能。
2012年他們著手開(kāi)展了規(guī)模為12m3/d的中試應(yīng)用研究。當(dāng)反應(yīng)器啟動(dòng)完成后，系統(tǒng)在冬天（氣溫為9℃）運(yùn)行時(shí)其出水中COD在23mg/L以下，其處理效果完全達(dá)到了活性污泥法的水平。反應(yīng)器內(nèi)僅依靠顆粒活性炭的沖刷而無(wú)需化學(xué)藥劑的清洗便可將膜通量維持在一個(gè)較高的水平，系統(tǒng)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(yīng)器串聯(lián)系統(tǒng)
McCarty和Bae小組的工作為厭氧膜生物反應(yīng)器的研發(fā)和應(yīng)用帶來(lái)了新的生機(jī)，這從全球關(guān)于厭氧膜生物反應(yīng)器的SCI發(fā)文量上便可窺知一二。在2010-2012年的三年間，關(guān)于厭氧膜生物體系的SCI發(fā)文量在145篇/年左右，而從2013-2015年間SCI發(fā)文量便上升了一個(gè)臺(tái)階平均達(dá)到了213篇/年。研究論文發(fā)表數(shù)量的提升從側(cè)面反映出了厭氧膜生物系統(tǒng)又重新獲得了研究人員的青睞，在愈發(fā)注重城市污水有機(jī)能回收的今天煥發(fā)出了新的生機(jī)。
圖2 1996-2015年間厭氧膜生物反應(yīng)器的SCI發(fā)文量
城市污水處理
目前關(guān)于厭氧膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于城市污水處理的研究還停留在中試規(guī)模，尚無(wú)實(shí)際工程化案例，中試的結(jié)果表明其處理性能與小試規(guī)模下類(lèi)似。除了前文提到的McCarty和Bae研究小組外，西班牙的一個(gè)小組也在中溫下采用厭氧膜生物系統(tǒng)處理生活污水，它由1個(gè)厭氧池和2個(gè)膜池組成，總體積為2.5m3，進(jìn)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(jié)果表明系統(tǒng)COD平均去除率可以達(dá)到87％。
由于進(jìn)水硫酸鹽濃度較高，硫酸鹽還原菌和甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)碳源，極大影響了沼氣產(chǎn)量，產(chǎn)氣中甲烷含量維持在55％左右。在中試試驗(yàn)期間，膜組件的運(yùn)行效果穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)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(yīng)器中試裝置
上述中試實(shí)驗(yàn)是在中溫環(huán)境條件下進(jìn)行的，而實(shí)際生活污水的水溫常因時(shí)、因地而變，若要將反應(yīng)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(gè)容積為160L的UASB和150L的膜反應(yīng)器進(jìn)行串聯(lián)，考察了該系統(tǒng)在低溫下對(duì)城市污水的長(zhǎng)期處理效果。當(dāng)在容積負(fù)荷為2-2.5kgCOD/m3運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)COD去除率達(dá)到87%。
對(duì)比目前的幾個(gè)中試反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)果，可以看出基于流化床反應(yīng)器為核心的厭氧膜生物系統(tǒng)的性能最佳。與傳統(tǒng)的UASB 等厭氧反應(yīng)器相比，流化床內(nèi)的填料在流動(dòng)時(shí)可以強(qiáng)化微生物與液相間的傳質(zhì)，加速反應(yīng)器過(guò)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(wèn)題，可謂達(dá)到了一舉兩得的功效。但是流化床反應(yīng)器的運(yùn)行也有弊端，由于長(zhǎng)期高強(qiáng)度的回流，膜材料的損傷比其它系統(tǒng)的要嚴(yán)重得多，這降低了膜的使用壽命。
工業(yè)廢水處理
厭氧膜生物反應(yīng)器的工程化應(yīng)用城市污水處理圖21996-2015年間厭氧膜生物反應(yīng)器的SCI發(fā)文量圖3Gimenez等人采用的厭氧膜生物反應(yīng)器中試裝置對(duì)比目前的幾個(gè)中試反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)果，可以看出基于流化床反應(yīng)器為核心的厭氧膜生物系統(tǒng)的性能最佳。與傳統(tǒng)的UASB等厭氧反應(yīng)器相比，流化床內(nèi)的填料在流動(dòng)時(shí)可以強(qiáng)化微生物與液相間的傳質(zhì)，加速反應(yīng)器過(guò)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(wèn)題，可謂達(dá)到了一舉兩得的功效。但是流化床反應(yīng)器的運(yùn)行也有弊端，由于長(zhǎng)期高強(qiáng)度的回流，膜材料的損傷比其它系統(tǒng)的要嚴(yán)重得多，這降低了膜的使用壽命。工業(yè)廢水處理厭氧膜生物系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)廢水處理的案例較多，很多公司和企業(yè)由于自身規(guī)模的擴(kuò)張導(dǎo)致廢水處理需求的增大，這就需要在原有廢水處理設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造。
從節(jié)省占地以及出水水質(zhì)的角度來(lái)說(shuō)，厭氧膜生物系統(tǒng)提供了一個(gè)非常好的解決方案。其中的一個(gè)案例是位于美國(guó)馬薩諸塞州馬爾伯勒市一家食品制造企業(yè)，該企業(yè)由于業(yè)務(wù)擴(kuò)張需要對(duì)原有的處理系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造來(lái)提高處理能力。但是由于場(chǎng)地空間有限，這就要求升級(jí)改造需要在不顯著增加系統(tǒng)占地的情況下滿(mǎn)足新的處理要求，并且盡可能得節(jié)省運(yùn)行能耗。
這家企業(yè)最終選擇了ADISystems公司開(kāi)發(fā)的厭氧膜生物反應(yīng)器作為他們改造項(xiàng)目的核心工藝，這也是在北美地區(qū)第一座生產(chǎn)性規(guī)模的厭氧膜生物反應(yīng)器。厭氧膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)主要由一座8300m3的厭氧反應(yīng)器以及四座膜過(guò)濾池組成，濾膜來(lái)自于日本久保田的浸沒(méi)式膜組件。該工程的設(shè)計(jì)規(guī)模為475m3/d，系統(tǒng)COD去除率達(dá)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(tǒng)每天可產(chǎn)生沼氣5660m3，產(chǎn)生的沼氣一部分用于燃燒維持厭氧生物反應(yīng)器在35℃，剩余部分則用于房屋的供暖。將沼氣循環(huán)曝入膜濾池可明顯改善和緩解膜污染，經(jīng)過(guò)五年多的運(yùn)行濾膜仍然表現(xiàn)出良好的性能。ADISystems公司設(shè)計(jì)運(yùn)行的這套厭氧膜生物反應(yīng)系統(tǒng)不僅圓滿(mǎn)完成了廢水處理任務(wù)，而且顯著降低了污泥脫水等帶來(lái)的處理處置成本。
圖4 厭氧膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于食品加工廢水處理
另一個(gè)關(guān)于厭氧膜生物反應(yīng)器成功應(yīng)用的工程案例位于美國(guó)賓夕法尼亞州，它同樣也是由ADISystems公司設(shè)計(jì)建造的。該州的一家糖果制造廠(chǎng)原有的一條廢水處理線(xiàn)只能去除約60%的BOD，滿(mǎn)足不了排放要求，且污泥的沉降性能差，敞開(kāi)的厭氧池還伴隨有惡臭氣體的散發(fā)問(wèn)題。
該廢水處理路線(xiàn)由一座調(diào)節(jié)池，三座厭氧反應(yīng)器，一座脫氣塔以及一座二沉池構(gòu)成。隨著該廠(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)增，高濃度有機(jī)物廢水量急劇增加，原有處理工藝已達(dá)到最大負(fù)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(yīng)池改造為厭氧全混合生物反應(yīng)器并且額外增加了兩座膜濾池。
這樣就精簡(jiǎn)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(wèn)題。利用厭氧過(guò)程產(chǎn)生的沼氣能源，厭氧膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行溫度可以維持在中溫（35℃）。改造后的系統(tǒng)處理規(guī)模可以達(dá)到155m3/d，其對(duì)COD、BOD以及TSS的去除率分別可以達(dá)到97%、97%以及100%。
圖5 厭氧膜生物反應(yīng)器應(yīng)用糖果廠(chǎng)廢水處理
除了上述ADISystems公司外，美國(guó)通用電器集團(tuán)以及威立雅水務(wù)集團(tuán)也在大力發(fā)展和推廣厭氧膜生物系統(tǒng)，但目前還無(wú)生產(chǎn)性規(guī)模的裝置運(yùn)行。從反應(yīng)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上看，這幾家公司之間的區(qū)別并不大，目前大都應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水的處理。厭氧膜生物系統(tǒng)在處理廢水產(chǎn)生高質(zhì)量出水的同時(shí)，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(guī)技術(shù)相比大大降低了運(yùn)行成本。
簡(jiǎn)單、獨(dú)立且全自動(dòng)的反應(yīng)器系統(tǒng)為遠(yuǎn)程控制提供了可能。厭氧系統(tǒng)產(chǎn)生富含甲烷的沼氣可滿(mǎn)足廢水處理廠(chǎng)絕大部分的電力和供熱需求，在釀造行業(yè)甚至能滿(mǎn)足全部的能源需求。
厭氧膜生物反應(yīng)器的未來(lái)之路/任重而道遠(yuǎn)
厭氧膜生物反應(yīng)器適用對(duì)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(tǒng)不外乎如此。由于厭氧系統(tǒng)對(duì)氨氮和磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)元素的去除能力差，所以可以根據(jù)廢水中SS和COD濃度將廢水分成四大類(lèi)，即圖6中的a、b、c和d四個(gè)區(qū)域。
圖6 厭氧膜生物系統(tǒng)適用的不同特性廢水分析
厭氧生物處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)如今的高效厭氧系統(tǒng)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間的分離，UASB、EGSB以及IC反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用大大提高了處理效率。此外，隨著近年來(lái)顆粒污泥的研究和應(yīng)用，厭氧系統(tǒng)中可以維持更高的生物量，處理負(fù)荷得到了極大的提升。厭氧膜生物系統(tǒng)是在厭氧生物系統(tǒng)的基礎(chǔ)上拓展而來(lái)的，膜系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)微生物的100%截留并且確保出水SS濃度無(wú)后顧之憂(yōu)。
從這點(diǎn)上來(lái)看，厭氧膜生物系統(tǒng)在高COD和SS濃度的廢水處理上（圖6中b區(qū)域）存在著一定的優(yōu)勢(shì)。這主要是傳統(tǒng)的厭氧生物系統(tǒng)顆粒物的水解過(guò)程仍然是厭氧消化圖5厭氧膜生物反應(yīng)器應(yīng)用糖果廠(chǎng)廢水處理圖6厭氧膜生物系統(tǒng)適用的不同特性廢水分析的限速步驟，這一點(diǎn)在低溫條件下尤其明顯。膜濾系統(tǒng)的引入可以將高濃度的SS截留在厭氧反應(yīng)器內(nèi)部，從而保證了充足的污泥停留時(shí)間來(lái)水解這部分顆粒態(tài)有機(jī)污染物。
對(duì)于高COD濃度低SS濃度的廢水而言（圖6中d區(qū)域），現(xiàn)有的厭氧生物處理系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)較高的有機(jī)物去除效率，因此除了對(duì)出水SS有特殊處理要求的情況，沒(méi)有必要非要引入膜單元。如此一來(lái)不僅省去了復(fù)雜的膜組件運(yùn)行控制設(shè)備，而且也降低了處理系統(tǒng)的能耗。針對(duì)低COD濃度水質(zhì)（圖6中a和c區(qū)域），相比傳統(tǒng)厭氧生物處理工藝，厭氧膜生物系統(tǒng)的處理效果更具優(yōu)勢(shì)。雖然目前有研究表明，厭氧膜系統(tǒng)在處理低強(qiáng)度有機(jī)廢水（如城市生活污水）時(shí)也能獲得滿(mǎn)意的出水水質(zhì)，但其離實(shí)際工程應(yīng)用尚還有一段距離。鑒于厭氧膜生物系統(tǒng)在處理廢水的同時(shí)可以回收一部分甲烷等能源氣體，在處理低濃度有機(jī)廢水時(shí)還需要視具體的水質(zhì)進(jìn)行全面評(píng)估后才能確定。
厭氧膜生物反應(yīng)器的展望
相比好氧處理技術(shù)，厭氧膜生物反應(yīng)器在低溫、短水力停留時(shí)間條件下也可實(shí)現(xiàn)廢水的有效處理，同時(shí)產(chǎn)生能源物質(zhì)——沼氣�？梢哉f(shuō)厭氧膜生物系統(tǒng)對(duì)有機(jī)廢水的處理展現(xiàn)出了巨大的前景，不過(guò)在大規(guī)模投入應(yīng)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(wèn)題很大程度上決定了厭氧膜生物系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)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(gòu)造都對(duì)膜污染有重要影響。雖然目前主流觀(guān)點(diǎn)仍為膜表面濾餅層的形成是導(dǎo)致膜通量下降的主要原因，但由于厭氧膜生物反應(yīng)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(fù)雜。濾餅層是由大量的微生物、胞外聚合物、無(wú)機(jī)鹽以及其它微小顆粒物組成，具有多層孔隙結(jié)構(gòu)，目前針對(duì)它的研究還不夠深入。因此對(duì)膜污染機(jī)理的探究是從源頭解決膜污染問(wèn)題的關(guān)鍵。
前文提及的幾座厭氧膜生物反應(yīng)器實(shí)際工程，在設(shè)計(jì)上均采用外置式，即通過(guò)厭氧生物反應(yīng)器與膜單元的串聯(lián)。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(yīng)器內(nèi)部的水力擾動(dòng)不足以沖刷膜表面從而改善膜污染。這就需要通過(guò)外置的膜單元，利用水泵或者氣泵來(lái)進(jìn)行液體循環(huán)或者氣體擾動(dòng)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(shù)的優(yōu)勢(shì)，增加了系統(tǒng)的占地，如何在單池內(nèi)實(shí)現(xiàn)污染物去除及膜的高效穩(wěn)定過(guò)濾具有更為高效經(jīng)濟(jì)的實(shí)際意義。雖然利用生物填料在流化床內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)膜污染物緩解的問(wèn)題，但是流化狀態(tài)下的填料會(huì)損傷膜材料，降低膜組件的使用壽命。因此，研究和開(kāi)發(fā)內(nèi)置式的厭氧膜生物反應(yīng)器并通過(guò)合理的水力學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)改善和緩解膜污染顯得尤為必要。
膜材料是膜生物系統(tǒng)的核心，隨著近年來(lái)對(duì)膜處理技術(shù)研究的不斷深入，膜材料正不斷得到更新與發(fā)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(yán)重，對(duì)膜材料進(jìn)行改進(jìn)并研發(fā)出具有高親水性、經(jīng)濟(jì)耐用的膜材料是緩解膜污染的關(guān)鍵。
（2）甲烷的回收
利用厭氧生物處理系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)是可以從廢水處理過(guò)程中回收甲烷等能源物質(zhì)，從而在一定程度上抵消系統(tǒng)的運(yùn)行能耗甚至在高濃度有機(jī)廢水處理過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)凈產(chǎn)能。由于目前膜污染問(wèn)題還沒(méi)有得到充分的解決，因此在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(tǒng)在處理低濃度有機(jī)廢水（如城市污水、生活污水）時(shí)失去了優(yōu)勢(shì)。
由于在低溫條件下，大量的甲烷氣體會(huì)溶解在水中隨著出水排出系統(tǒng)，因此在處理低濃度有機(jī)廢水時(shí)如何最大限度地回收出水中的溶解態(tài)甲烷對(duì)系統(tǒng)的總能耗平衡而言就顯得極為重要。目前針對(duì)這一塊的研究尚處于起步階段，逐步開(kāi)發(fā)出了吹脫及脫氣膜技術(shù)來(lái)回收甲烷。但是針對(duì)這些技術(shù)在甲烷回收效率以及回收過(guò)程的能量平衡上還需要優(yōu)化和全面的評(píng)估。
（3）工程化應(yīng)用參數(shù)的獲取
由于厭氧膜生物反應(yīng)器的研究不多，尤其是在國(guó)內(nèi)，所以對(duì)各種不同行業(yè)的廢水處理的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)缺乏，例如停留時(shí)間、有機(jī)負(fù)荷等等。這就要求具備一定規(guī)模的中試實(shí)驗(yàn)的支持，然后對(duì)各種行業(yè)廢水的處理參數(shù)進(jìn)行總結(jié)。在好氧膜生物系統(tǒng)原有控制理論和參數(shù)基礎(chǔ)上，獲取過(guò)膜壓力、反沖洗頻率以及膜清洗時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)的最佳組合。
此外，由于厭氧膜生物系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳的回收，但對(duì)氮磷污染物去除效果差，為了使廢水能夠達(dá)標(biāo)排放，這就決定了厭氧膜生物反應(yīng)器后必須進(jìn)行脫氮除磷。因此，考察厭氧膜生物系統(tǒng)與各種營(yíng)養(yǎng)元素去除工藝的耦合工藝的脫氮除磷效果也是未來(lái)需要加強(qiáng)研究的工作之一。