低碳水處理與資源化技術:厭氧膜生物反應器(AnMBR)的特性、應用與新技術簡介

溫漢泉, 潘 元, 俞漢青

(中國科學技術大學 環境科學與工程系, 安徽 合肥 230026)

0 引 言

清潔水的獲取對于人類健康和社會的發展至關重要。作為當代社會發展的關鍵基礎,污水治理在保障清潔水供應中發揮了不可或缺的作用。然而,隨著社會經濟的高速發展,全球水質持續下降已成為一個備受關注的問題[1]。為確保每個人都能獲得清潔的飲用水和良好的衛生設施,聯合國提出了17個可持續發展目標,其中之一是“確保人人享有清潔水和衛生設施”[2]。根據聯合國教科文組織的報告,每年有近83萬人因使用不安全水源導致的腹瀉等疾病而死亡。這一數據突顯了污水處理在保障人類健康和社會安全方面的重要性。

面對氣候變化和能源危機的雙重挑戰,傳統污水處理方式亟須轉變。中國在應對這些挑戰方面提出了“雙碳”目標,力求在2030年前達到碳排放峰值,并在2060年實現碳中和。在這一背景下,污水處理技術和理念正在發生深刻變革,污水管理模式逐漸從末端處理轉向綜合資源回收。這種轉變使得廢水處理系統的研發和優化朝更節能和經濟有效的方向發展[3]。廢水不再只是被視為污染物,而是作為能源、養分和水資源的重要來源[4-5]。低碳水處理與資源化技術因其減少環境污染和資源再利用的雙重優勢而受到全球關注。

好氧廢水處理技術作為一種主要的廢水處理方法,已歷經近一個世紀的應用。然而,此方法仍存在諸多缺陷,如能源密集、產生大量污泥,以及需要更大的空間和高昂的維護成本[6-7]。這些缺陷根源于好氧系統的一個內在矛盾:大量的能源被用于將生物易降解有機物氧化為二氧化碳以及微生物自身生長,而非污染物的有價值轉化[8]。這種能源使用的方向與廢水再利用的目標相背離[9],不利于低能耗污水處理和低碳排放。

相較于好氧處理,厭氧處理技術展現出顯著的可持續性優勢,其核心優勢在于較低的能量消耗,這主要歸因于厭氧過程將污水中的能量轉換為氣態能量載體甲烷(CH4),而非將能量完全用于有機物的礦化過程。該過程無需額外的曝氣能量輸入,極大地降低了運行成本[10-11]。此外,厭氧過程中微生物生長速度相對較慢,使得整個處理過程中產生的污泥量大為減少,從而降低了能量的旁路流失。特別是當結合膜技術的厭氧膜生物反應器技術,更是展現出了巨大的潛力[12]。膜技術的加入有效地分離了污泥齡(Sludge Retention Time, SRT)與水力停留時間(Hydraulic Retention Time, HRT),增強了反應器內活性微生物濃度,減少污泥流失。這不僅促進了厭氧生物技術在更廣泛的環境條件下的應用,也保證了更高的出水質量[13]。此外,與傳統廢水處理技術相比,采用AnMBR可顯著減少操作空間和單元操作的數量,并提供了選擇性分離和回收營養物質與資源的功能[14]。

綜上所述,AnMBR技術在當前環境保護和資源再利用的大背景下,與低碳和資源化水處理的核心目標高度一致,具有廣闊的應用前景。本文將詳細探討AnMBR的優勢、應用實踐及所面臨的挑戰,對該領域最新的技術進展進行概述,以全面展示其優勢與局限性,并展望其未來的發展方向。

1 AnMBR技術簡介

AnMBR技術作為厭氧消化技術與膜過濾技術的融合,能夠有效地將微生物與廢水分離[15]。相較于傳統的水處理技術,AnMBR可通過膜組件實現微生物分離,這一點與依賴微生物自然沉淀或形成生物膜等傳統方法(如活性污泥、生物膜、顆粒污泥)截然不同[16]。這種機制使得AnMBR系統能夠維持較高的生物量濃度,增強其處理能力并便于實現擴大化應用。AnMBR系統膜單元的可靈活組合遷移性質,也為廢水處理帶來了前所未有的創新潛力。

AnMBR技術的概念起源于20世紀70年代。GRETHLEIN[17]在1978年證實,結合膜技術的廢水厭氧處理系統能夠極大地提高廢水處理效果,可實現85%～95%的生化需氧量(BOD)去除率,以及72%和24%～85%的硝酸鹽和磷酸鹽去除率。這項技術一經問世,便因其出色的處理能力而迅速受到行業的青睞。雖然AnMBR技術在市場上的普及度可能不及其他顆粒污泥處理技術,如上流式厭氧污泥床(UASB)或內循環反應器(IC),但其通過膜組件實現固液分離,使得污水處理系統的SRT和HRT得以完全解耦,同時膜組件的額外過濾作用確保了更加優質的出水效果。這種獨有的競爭優勢讓AnMBR技術在水處理領域中脫穎而出。

AnMBR技術目前已成為行業研究的焦點和熱門議題。根據Web of Science核心數據庫顯示,截止到2022年12月31日,以“AnMBR”和“Anaerobic membrane bioreactor”為主題累計發表2 586篇相關文獻。文獻的發表數量如圖1所示,呈現出逐年上升的趨勢。此技術所表現出的持續研究興趣和發文增長,明確指出了其在未來環境工程和可持續性領域中的關鍵地位。隨著全球對低碳污水處理和資源回收技術的日益關注,AnMBR技術的研究和應用變得尤為重要。

圖1 關于AnMBR的SCI論文發表量Fig. 1 The published SCI papers about AnMBR

AnMBR主體處理過程為厭氧消化,其涉及多種微生物共同參與的復雜生物化學過程,可分為以下連續階段[18-19]。

1.1 水解階段

在水解階段,復雜的有機物被分解為更簡單的單體。這一過程是通過微生物產生的特定酶來實現的。例如,淀粉和纖維素被酶水解成麥芽糖、葡萄糖和糊精;蛋白質在蛋白酶的作用下降解為氨基酸;脂質被水解為脂肪酸和甘油。這些簡單的單體隨后為產酸菌所利用。

1.2 發酵產酸階段

在這一階段,水解得到的小分子有機物被進一步轉化為末端產物,主要是短鏈脂肪酸或醇,同時也伴隨著一定量的氫氣產生。這些短鏈脂肪酸是后續階段的關鍵前體物質。

1.3 產氫產乙酸階段

該階段由產乙酸菌主導,它們能夠將前兩個階段產生的小分子物質轉化為乙酸和一碳化合物。這一過程中,部分能量和還原力會轉化為氫氣。乙酸是后續產甲烷階段的關鍵物質。

1.4 產甲烷階段

產甲烷階段是厭氧消化過程中的核心。在這一階段,乙酸、一碳化合物和氫氣被專性產甲烷菌轉化為甲烷。這是一個緩慢的過程,因為產甲烷菌的代謝速率較慢且對生長環境有較高的要求,從而使其成為整個生物厭氧處理環節的限速步驟。

在厭氧消化過程中,維持生長緩慢的產甲烷菌是一個挑戰,而AnMBR技術中的膜單元可以高效截留產甲烷菌,既提高出水質量,又降低碳足跡和污泥產量。因此,AnMBR被視為用于處理廢水和回收甲烷的厭氧技術中的首選[20],產生的沼氣可以抵消廢水處理的能源需求[21],這是大多數處理工藝難以實現的優勢。

2 AnMBR的技術優勢

AnMBR技術結合了厭氧消化與膜分離的優勢,為廢水處理和資源回收提供了高效和創新的途徑?；诖思夹g的獨特設計和原理,以下列舉AnMBR技術的核心優勢和顯著特點。

2.1 維持高濃度生物量

AnMBR技術通過膜單元實現有效截留,使得HRT與SRT得到完全分離,形成系統內的高濃度生物量。這種高濃度環境顯著提高了微生物處理廢水的效率,特別是在面對高濃度的污染物質時,保證了處理系統的持續高效性。由于生物量完全保留,AnMBR工藝可以極大提高城市有機廢物的處理與資源回收能力[22],特別對于處理城市高固有機廢物如城市污泥、餐廚垃圾等有積極意義。

2.2 在極端環境下的穩定性

膜的滯留機制在保證系統內高生物量維持的同時也提高了系統在極端環境下的穩定性。無論是在高鹽、高溫、低溫還是遭受毒性沖擊時,AnMBR都表現出了優越的處理性能[13],尤其在低溫地區得到廣泛應用[23]。傳統的厭氧生物系統顆粒物的水解過程仍然是厭氧消化的限速步驟,這一點在低溫條件下尤其明顯。膜系統的引入可以將高濃度的懸浮物截留在厭氧反應器內部,從而保證了充足的SRT來水解這部分顆粒態有機污染物,使其在低環境溫度下實現較好的處理效果[24]。

2.3 污泥產量的降低

在AnMBR系統中,厭氧微生物增長速度較慢,能量轉化效率較高,大部分能量被轉化為甲烷氣體而非生物質,顯著降低了生物固體(污泥)的產量。在傳統污水處理過程中,污泥的處理與處置是一個復雜,資金和能耗成本較高的環節,甚至可占據污水處理廠運行成本的60%[25]。AnMBR技術通過減少污泥的產生量,有助于降低整個污水處理系統的能耗和運營成本,對于實現低碳和可持續的污水處理目標具有至關重要的意義。

2.4 出水質量的提升

圖2 水處理過程及出水質量Fig. 2 Water treatment process and corresponding effluent quality

AnMBR技術利用先進的膜過濾系統,提供微米級別的細致凈化,從而確保了處理后水質達到高標準。鑒于中國在提升污水處理水平方面的努力,特別是將城市污水處理廠的排放標準提升至更嚴格的地表水“IV”類標準,AnMBR技術的應用顯得尤為重要。一般的污水處理設施通過兩級處理可達到一級A出水標準,但要進一步提高至IV類地表水質量通常需加入第三級處理(圖2)。AnMBR技術的一個顯著優勢是其能夠直接達到甚至超過這一嚴格水質標準,而無需進行附加的處理步驟。這不僅顯著減少了所需的占地面積和處理流程,也減輕了相應的經濟負擔。因此,在追求更嚴格水質標準的背景下,“IV類水看MBR”成為了AnMBR技術優越性的真實寫照,這反映了其在提高出水水質和經濟性方面的雙重優勢。如圖2所示,一級處理:機械處理(預處理階段),包括格柵、沉砂池、初沉池、氣浮池等;二級處理:生化處理(主體),包括活性污泥法、CASS工藝、A/A/O工藝、A/O工藝、SBR、氧化溝、水解酸化池等;三級處理:消毒及深度處理,包括催化氧化池、濾池、反滲透、消毒池等。

2.5 能源回收

AnMBR技術的另一核心優勢在于其可將廢水中的有機物轉化為CH4,實現能源資源化回收。在沼氣的組成中,CH4占據了80%以上[26],且隨著有機物負荷的提高,CH4產量也相應增長[27]。在適當運行條件下,AnMBR系統可將進水中約98%的化學需氧量(COD)轉化為CH4,其生成的能量遠超過系統運行所需的能量,可達到所需能量的7倍左右[28]。然而在實際操作中,受甲烷在污水中較高的溶解度以及其他抑制性物質的影響,實際的沼氣產量低于理論最大值。即便如此,在處理低強度廢水的情況下,AnMBR技術仍然有潛力成為一個凈能源的生產者[29]。通過對工藝的調節,例如實施分級AnMBR系統,可以進一步優化能源產出,除了CH4之外,還能生產出H2和揮發性脂肪酸等其他能源形式[30]。AnMBR技術在處理廢水的同時,能夠轉換和利用其中的有機物質,為可持續能源生產提供了一種有效途徑,展示了其在環保和能源可持續性方面的雙重價值。

2.6 營養物質的回收

AnMBR技術不但可實現廢水中有機碳的能量資源轉化,而且其處理過程不涉及脫氮和除磷過程,可更大程度保留廢水中的有價值營養物質。AnMBR的獨特設計和操作方式減少了過量污泥的產生,也進一步保證了廢水中營養物質的完整性。因此,AnMBR不僅為廢水提供了高效的處理,還為營養物質資源化回收利用提供了新的契機。例如,營養物質經過適當的處理和回收后,可以直接作為肥料使用,為農業和園藝提供了有價值的資源[31]。這不僅增加了廢水處理的環境效益,還提供了一種可持續的資源循環利用方式。

2.7 新興污染物和微污染物的去除

新興污染物,如抗生素、消炎藥、止痛藥、內分泌干擾物、殺蟲劑、染料等一系列合成有機化學物質,它們在城市污水系統中不斷積累,對生態環境和人類健康構成了潛在的威脅。AnMBR技術通過膜組件提供了有效的污染物截留能力。此外,AnMBR系統的高生物量密度與長SRT特性,在增強對微污染物的吸附作用的同時,提供了充分的時間實現微生物的定向馴化與新興污染物降解,進而顯著提高處理效率。AnMBR系統在降解新興和微污染物方面顯示出了其獨特的處理優勢,使其成為一個在環境保護和公共健康方面都具有重要意義的污水處理技術[32-34]。

2.8 靈活性和擴展性

AnMBR技術通過其高度集成與精簡化的操作步驟及處理單元,極大地簡化了整個污水處理過程,為大規模工業應用提供了便利。這種技術的設計優化使得AnMBR不僅易于擴展和部署,而且能夠無縫地與現有的污水處理技術整合,從而增加了系統的適用性和靈活性。這些特性使AnMBR成為一個高效、可擴展的污水處理解決方案,尤其適合那些尋求技術升級和提高處理效率的大型水處理設施。

3 AnMBR的工程應用

得益于AnMBR技術的眾多優勢,其已在各個領域得到了廣泛應用。特別是在處理高有機負荷和高懸浮物負荷的廢水方面,如食品加工業(包括酸菜、谷物、棕櫚油加工)、乳品加工業以及釀酒業等,AnMBR系統表現出卓越的處理能力。這些行業產生的高濃度有機廢水,通過AnMBR系統不僅可以有效去除COD,還能同時產生能源,為廢水處理提供了附加的經濟價值[4]。目前,已有許多全尺寸的AnMBR工廠投入使用,專門處理各類工業廢水[35]。同時,用于低強度污水處理的AnMBR系統也已在中試規模上得到應用[36]。特別值得注意的是AnMBR技術在氣候寒冷地區的適用性,它能在低溫條件下穩定運行,從而減少了加熱需求和相關能源消耗。這在傳統的水處理系統中通常是一個挑戰。隨著技術的不斷完善和處理規模的擴大,AnMBR已成為許多污水處理設施的首選技術。據MBR專業統計網站(https://www.thembrsite.com/)所示,全球范圍內的AnMBR應用正在快速增長,這一趨勢不僅證明了其在小規模設施中的效能,也標志著其在大規模水處理工廠中的逐步普及。下面是兩個采用AnMBR作為主要技術的大型污水處理設施的案例。

3.1 Spernal污水處理廠

Spernal污水處理廠位于英國,為大約9.2萬人提供污水處理服務。工廠旱季每小時處理能力達1 150噸,日處理量可達27 000噸。其核心處理技術為AnMBR系統,并配備了初級沉淀池、活性污泥系統、固定膜濾池、腐殖質沉淀池和砂濾池,可實現在較低溫度(18 ℃)環境中穩定運行(圖3)。

Spernal污水處理廠的AnMBR出水通過離子交換技術進一步處理,從而生產出具有重要農業應用價值的硫酸銨和羥基磷灰石。在硫酸銨的生產方面,該技術的成熟度已達到6級。該系統過程包括應用濃縮氨的離子交換器和中空纖維膜接觸器,這些技術的氮回收率極高,超過76%,能夠從全規模系統中回收相當于88%的污水處理廠氮負荷流入量。離子交換技術同樣用于濃縮磷酸鹽,以便在后續步驟中以羥基磷灰石的形式沉淀磷酸鹽。這一技術的技術成熟度為7級,其磷回收率達到了全規模系統80%。這些磷以磷酸鈣的形式進行試點回收,用于農業生產。

圖3 Spernal污水處理廠Fig. 3 Spernal wastewater treatment plant

相比英國傳統市政污水處理廠,Spernal污水處理廠利用AnMBR進行厭氧處理城市污水,在運營成本上更為經濟。所節約的能源和減少的污泥處理成本可以有效抵消任何額外的化學品或材料成本。此外,以磷酸鈣形式進行的磷回收試點顯示,土壤或地下水生態系統即便長期施用也不會受到重金屬的高風險影響,這些重金屬含量均低于檢測限。

總體而言,AnMBR系統作為Spernal污水處理廠的核心組成部分,不僅在環保效益方面表現卓越,還在經濟可持續性和資源回收方面提供了創新的解決方案,展示了現代污水處理技術的潛力。

3.2 Pikeville污水處理廠

除在生活污水處理中得到應用,AnMBR在工業廢水處理中取得了更大成功,例如全球知名食品公司家樂氏公司。該公司在美國肯塔基州Pikeville的工廠面臨產能擴張導致的廢水處理挑戰,ADI系統公司為其提供了有效的廢水處理升級方案。

自20世紀90年代末期起,ADI系統公司便開始為家樂氏Pikeville工廠提供廢水處理解決方案。隨著生產規模的擴大,工廠的廢水處理系統也于1999至2000年進行了首次升級,包括了一個ADI混合厭氧反應器和一個序批式反應器(SBR)。然而,隨著產量的進一步增加,工廠需要提高處理流量和有機負荷能力,并提高出水水質。

為了滿足這些新的需求,家樂氏公司采納了ADI系統公司的建議,將現有的厭氧和好氧廢水處理設施升級為更為先進的ADI厭氧膜生物反應器和ADI膜生物反應器。升級后的系統包括厭氧預處理,內設一個連續攪拌槽反應器和一個AnMBR池。隨后是好氧系統,包括一個預曝氣池和一個MBR池。AnMBR池和MBR池安裝在分區模塊化池中(圖4)。

圖4 Pikeville污水處理廠Fig. 4 Pikeville wastewater treatment plant

此次升級不僅增加了處理能力,還大幅提高了出水水質。新的廢水處理廠設計流量為95 t/d,設計有機負荷為3.3 t/d,平均COD濃度為34 500 mg/L。通過AnMBR工藝,工廠廢水得到了高效的厭氧消化,出水COD濃度降至平均160 mg/L,懸浮物含量微乎其微。此外,該工藝產生的沼氣可用于污水廠供熱系統,以減少天然氣成本。

MBR系統對厭氧處理后的水進行進一步凈化,通過加氯和除氯罐進行消毒后,直接排放到當地水體中。出水水質指標如COD、BOD、TSS、氨氮、油脂、溶解氧和大腸桿菌等均達到了嚴格的排放標準,整體COD去除率超過99.5%。此外,升級后的系統使設計流量和設計有機負荷分別提高了25%和44%,顯著降低了運營和維護成本。

Pikeville工廠未來還計劃處理目前外部處理的廢渣,進一步節省成本。AnMBR技術在這一過程中發揮了關鍵作用,不僅滿足了工廠廢水處理的需求,更為環境保護和資源循環利用做出了貢獻。

4 AnMBR的挑戰

AnMBR已有諸多優勢,并且得到了認可和廣泛應用,但不能否認AnMBR這一技術在實際應用中仍面臨多種挑戰。

4.1 甲烷溶解、回收和產生的問題

在寒冷地區進行污水處理時,低溫環境對溶解性甲烷的影響顯得尤為重要[37]。LIU等[38]的研究發現,隨著溫度的降低,污水中溶解的甲烷濃度會增加,這不利于甲烷的回收并增加溫室氣體的排放。例如,在溫度低于15 ℃的條件下,多達50%的甲烷可能會溶解在出水中(圖5)。因此,開發有效策略以回收這些溶解性甲烷,減少能源損失和減輕對環境的影響,變得尤為迫切[29]。

圖5 不同溫度和鹽度下甲烷在水中的溶解度[38]Fig. 5 Methane solubility in water at different temperature and salinity[38]

由于AnMBR是低溫地區水廠的首選技術之一,由溶解性甲烷導致的能源損失尤其顯著。AnMBR在處理低濃度污水時,可觀察到大量的甲烷經過出水流失,因此降低了處理過程的能效并增加了溫室氣體的排放[29]。例如,在溫度為30 ℃時處理COD為200 mg/L的城市污水,溶解在出水中的甲烷量可占產生的總甲烷量的45%[38]。YEO等[27]觀察到在AnMBR處理過程中,24%～58%的總生成甲烷溶解在出水中,YUE等[39]證明AnMBR可以去除城市污水中86%～88%的COD,但生成的甲烷有67%溶解在混合液中,然后通過出水釋放出來。GALIB等[40]發現,隨著廢水的有機負荷率增加,溶解的甲烷濃度會降低,并將其歸因于在高有機負荷率下產生的甲烷總量的增加。

出水中溶解性甲烷不僅會降低AnMBR處理的能效,還會導致全球變暖,因為CH4的溫室效應比CO2高25倍。這與低碳和資源化水處理的目標背道而馳。為應對這一挑戰,提出了如真空包裝塔、氣泡塔和強制通風曝氣器等技術,以及最近的膜分離工藝,以去除厭氧處理出水中的溶解甲烷[37]。例如,中空纖維膜接觸器等技術在回收溶解甲烷方面顯示出高效能,但這些技術仍面臨經濟可行性和操作安全性的挑戰[4]。

4.2 膜污染與清潔問題

在AnMBR的運行中,膜污染和清潔問題較為關鍵。堵塞問題主要由微生物生物膜、溶質、膠體和細胞碎片積累造成,這不僅嚴重降低了系統的處理效率,也提高了運營成本[41-42]。據研究,膜的堵塞和清潔可占據整個工藝能量消耗的70%至80%[36]。MARTIN等[43]的研究發現,AnMBR在能源消耗上顯示出巨大的波動,能耗范圍0.03～5.70 kW·h/m3。

AnMBR系統處理的污泥通常濃度較高,結合較長的HRT和SRT,加劇了膜的污染問題,從而降低了過濾通量[26]。與好氧MBR相比,AnMBR的過濾通量明顯較低,通常在5～12 L/(m2·h)之間,相較于好氧MBR的20～30 L/(m2·h)的通量[44],其工作效率有所不足。

此外,盡管膜堵塞問題已有廣泛的研究,但其機理依然不清晰,這一現象與操作條件、污泥特性及膜特性等多個因素密切相關。因此,為應對與膜污染相關的操作挑戰,已經開發了各種物理和化學清潔策略,例如反沖洗、松弛循環和化學清潔?？刂颇の廴镜挠行Р呗詫nMBR技術的經濟性至關重要,因為這些清潔和維護過程構成了其主要的運營成本,持續優化這些策略是提高AnMBR經濟可行性的關鍵途徑。

4.3 實際處理的復雜性

廢水處理的復雜性對AnMBR技術的城市應用造成了額外的挑戰,特別是廢水成分的復雜性對系統的影響不容忽視。有機物質和營養物的低濃度,以及鹽度積聚、各種抑制性物質的存在,都對AnMBR系統的效能和穩定運行構成了挑戰。特別是硫酸鹽的含量在城市污水處理中成為一個關鍵,它限制了AnMBR技術的可行性和經濟效益。硫酸鹽還原菌通過將硫酸鹽還原成硫化物,并將COD轉化CO2,減少了可用于CH4生成的COD量,進而影響工藝的效率和成本[45]。硫化物的產生不但降低了膜的通量和壽命,而且其腐蝕性質會損壞設備,需要耐腐蝕的材料和氣味控制措施,導致更高的建造成本和維護成本。在含硫量高的城市污水處理中,可能需要額外的脫硫步驟以降低沼氣中硫化氫的濃度,這也是AnMBR運行的一個重要考量因素。

4.4 后處理需求

AnMBR系統由于不含氧化區,無法經歷脫氮處理過程,常常導致出水中氮和磷含量較高。根據接納水體的環境標準,出水可能需要進行后續處理以去除或回收這些營養物。針對這一需求,目前已經開發了多種技術方案,包括但不限于鳥糞石沉淀法(用于磷的去除和回收)、微藻培養技術(能同時去除氮和磷并有生物質能源潛力),以及離子交換方法[31]。特別值得注意的是,直接氨氧化以及厭氧氨氧化的發現,不僅提高了氮的去除效率,還有望成為未來城市廢水處理的重要技術發展方向[46]。這些集成解決方案的設計,對于實現更高標準的水質凈化和資源回收,具有顯著的環境和經濟意義。

5 AnMBR新技術突破

隨著材料的發展和機制的深入研究,針對AnMBR技術創新不斷涌現,擴大了AnMBR的應用范圍,并增強了其在廢水處理領域的優勢。以下簡單介紹一些AnMBR中出現的新技術。

5.1 正滲透厭氧膜生物反應器(FO-AnMBR)

處理城市污水中的有機負荷較低(通常在260～900 mg/L COD)是AnMBR面臨的挑戰之一,限制了厭氧處理的效率。低COD濃度導致從厭氧消化過程中產生的甲烷無法高效轉化為能源,通常只能滿足污水處理設施總能源需求的一部分(50%)[47]。城市污水的預處理和濃縮能夠有效縮減處理所需體積,減少土地占用及加熱費用,并且增加COD濃度,從而提高AnMBR系統的應用價值。

正滲透技術(Forward Osmosis, FO)是一種有效濃縮城市污水的方法。與傳統的壓力驅動膜分離過程不同,FO利用自然的滲透壓作為驅動力,從而可能實現較低的能耗。通過選擇合適的汲取溶液,FO能夠更加經濟高效地濃縮廢水。ZHANG等[48]使用了濃度為3.5%的合成海水作為汲取液,成功實現了城市污水的高效濃縮。海水作為一種無成本且易于獲取的汲取溶液,增添了該技術的吸引力。處理后稀釋的海水可以選擇性地排回大海,或者轉輸至其他淡水制備工藝中,進一步降低了整個工藝的成本。實驗結果顯示,經過FO處理后,進料污水中的COD濃縮率超過300%,雖然隨著過濾時間的增長膜通量有所降低,但依然保持在一個較為理想的范圍內,可達3.0～7.4 L/(m2·h)。因此,利用FO技術預處理城市污水,在AnMBR處理流程中具有巨大的經濟和環境潛力,它不僅提升了廢水處理效率,還為可持續能源生產提供了可行性。

5.2 厭氧動態膜生物反應器(Anaerobic Dynamic Membrane Bioreactors, AnDMBR)

膜堵塞是AnMBR系統中面臨的主要問題,其來源于固體顆粒(如微生物細胞、細胞外有機物和無機沉淀物)在膜表面的積累。隨著時間的推移,這些物質在膜表面形成的濾餅層變得密實,導致通量下降和過濾效率減少,因而濾餅層的控制和管理成為AnMBR技術中的核心問題。

動態膜(Dynamic Membrane, DM)技術是應對膜堵塞問題的創新解決方案[49]。與傳統的孔隙結構膜不同,這種技術利用具有較大孔徑的支撐材料表面形成一層可動態更新的濾餅層,即DM層。這層濾餅可以有效地充當過濾層,實現固液分離(圖6)。由于DM層可以輕松地從支撐材料上移除,并且可以迅速重新形成,因此它提供了一種經濟和有效的過濾方法。這一層膜被稱為“動態”是因為它的形成和失效是一個不斷循環的過程。荷蘭代爾夫特理工大學VAN LIER教授的研究表明,使用單絲編織物作為支撐材料,AnDMBR能夠有效處理高強度廢水,實現了超過99%的COD去除率,表明動態膜技術能夠獲得穩定且高質量的出水,是一種可靠且有效的處理高強度廢水的技術[50]。

AnDMBR表現出對于污垢控制的高效性、低成本的支撐材料使用、高滲透流量、以及低能耗和高處理能力的優點,可以在降低運營成本的同時提升廢水處理的性能和可持續性。因此這項技術在廢水處理和資源回收方面展現出巨大的潛力和前景。

圖6 動態膜形成過程[49]Fig. 6 Demonstration of the dynamic cake layer [49]

5.3 溫熱調控膜涂層技術

膜表面改性技術也是緩解AnMBR系統膜污染的有效方法,特別是親水性聚合物涂層的應用,已被廣泛研究以改善膜的抗污染能力[51]。然而,由于長期運行導致的膜表面改性效果逐漸降低,膜的堵塞仍然是一個不可避免的問題[52]。在中低收入國家的農村地區,這一挑戰尤為顯著。因為在這些地區,使用傳統化學清洗劑(如氧化劑和強酸)進行膜清洗通常難以實現,從而增加了處理這一問題的難度。

為應對這一挑戰,學者們探索了通過接枝熱響應聚合物來改性膜表面的方法。這些聚合物在低于臨界溶液溫度時發生構象變化,這種變化有助于通過簡單的溫度調節來清除膜上的污染物[53]。此方法的一個重要優勢是僅需使用溫水清洗,這在大多數環境中均為可行的選項。在這一領域的研究前沿,KIM教授及其團隊通過精細調控熱致伸縮聚合物和親水聚合物單體的排列,研究了兩者的最佳共聚形式[54]。通過這種方法,他們在不改變原有聚合物的聚合度和接枝密度的前提下,成功地將不同單體排列的共聚物接枝至聚醚砜超濾膜上。這一突破提出了利用定制的熱致伸縮聚合物結構來增強膜的防污染能力和清潔可逆性的新可能性,為AnMBR低成本處理膜堵塞問題提供了新的方案。

5.4 厭氧膜蒸餾生物反應器(Anaerobic Membrane Distillation Bioreactors, AnMDBR)

膜蒸餾(Membrane Distillation, MD)是一項利用熱能的分離工藝,通過在兩側水溶液的溫差驅動下,使水蒸氣穿越疏水性膜,從而實現分離[55]。這一過程通常用于海水淡化和廢水高級處理,其核心在于使用疏水性的多孔膜作為物理障礙,實現水和熱量的有效分離。

在追求低碳環境與資源循環利用的當下,膜蒸餾技術展現出與厭氧處理過程相結合的巨大潛力,尤其是能夠回收和利用厭氧過程中產生的熱能[56]。此技術進一步提升了水處理后的水質,特別是在去除氮、磷、有機物質以及微污染物和懸浮微粒方面表現出色。SONG等[57]探討了AnMDBR的潛力,通過測試聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)材質的0.2 μm疏水膜,研究比較其出水時的性能。實驗結果表明,在連續45 h的運行后,PTFE膜的透水通量降至初始值的84%,PVDF和PP膜的通量保持穩定。特別值得一提的是,在使用PVDF膜的長期蒸餾實驗中,總磷被完全去除,溶解性有機碳的去除率亦達到98%以上。這一發現顯著指出了膜蒸餾在提高出水質量,特別是在有機物去除方面的高效能力。

6 結 論

AnMBR作為一項低碳水處理與資源化技術,顯著促進了污水處理和資源回收的效率,同時在實現雙碳目標方面也起到了重要作用。通過生物降解與膜分離技術的結合,AnMBR不但能夠有效處理高濃度工業廢水,而且在降低處理過程中的碳排放和資源回收方面具有突出表現。這種技術的進步對推動可持續水資源管理和循環經濟具有重要意義,并與追求碳中和、碳達峰目標緊密相連。AnMBR的優化過程充分體現了其在提高水回用率和促進能源及水資源循環利用方面的潛力。盡管存在膜污染和運營管理等挑戰,但新材料的研發、操作優化以及與其他技術如膜蒸餾的集成等科研進展,為該技術的未來發展和應用奠定了堅實的基礎。

展望未來,加深科研與產業界的協同作用,不斷的技術革新和系統優化是關鍵。這些努力將有助于應對現有挑戰,推動AnMBR技術向規?；蜕虡I化邁進。AnMBR技術的進步對于提升水資源管理的效率和可持續性具有重要意義,在支持全球環境持續性方面的作用不容忽視。