溫漢泉, 潘 元, 俞漢青

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)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(fā)展至關(guān)重要。作為當(dāng)代社會發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ),污水治理在保障清潔水供應(yīng)中發(fā)揮了不可或缺的作用。然而,隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,全球水質(zhì)持續(xù)下降已成為一個備受關(guān)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(wèi)生設(shè)施,聯(lián)合國提出了17個可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),其中之一是“確保人人享有清潔水和衛(wèi)生設(shè)施”[2]。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織的報(bào)告,每年有近83萬人因使用不安全水源導(dǎo)致的腹瀉等疾病而死亡。這一數(shù)據(jù)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(jī)的雙重挑戰(zhàn),傳統(tǒng)污水處理方式亟須轉(zhuǎn)變。中國在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)方面提出了“雙碳”目標(biāo),力求在2030年前達(dá)到碳排放峰值,并在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。在這一背景下,污水處理技術(shù)和理念正在發(fā)生深刻變革,污水管理模式逐漸從末端處理轉(zhuǎn)向綜合資源回收。這種轉(zhuǎn)變使得廢水處理系統(tǒng)的研發(fā)和優(yōu)化朝更節(jié)能和經(jīng)濟(jì)有效的方向發(fā)展[3]。廢水不再只是被視為污染物,而是作為能源、養(yǎng)分和水資源的重要來源[4-5]。低碳水處理與資源化技術(shù)因其減少環(huán)境污染和資源再利用的雙重優(yōu)勢而受到全球關(guān)注。

好氧廢水處理技術(shù)作為一種主要的廢水處理方法,已歷經(jīng)近一個世紀(jì)的應(yīng)用。然而,此方法仍存在諸多缺陷,如能源密集、產(chǎn)生大量污泥,以及需要更大的空間和高昂的維護(hù)成本[6-7]。這些缺陷根源于好氧系統(tǒng)的一個內(nèi)在矛盾:大量的能源被用于將生物易降解有機(jī)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(jià)值轉(zhuǎn)化[8]。這種能源使用的方向與廢水再利用的目標(biāo)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(shù)展現(xiàn)出顯著的可持續(xù)性優(yōu)勢,其核心優(yōu)勢在于較低的能量消耗,這主要?dú)w因于厭氧過程將污水中的能量轉(zhuǎn)換為氣態(tài)能量載體甲烷(CH4),而非將能量完全用于有機(jī)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(yùn)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(chǎn)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(dāng)結(jié)合膜技術(shù)的厭氧膜生物反應(yīng)器技術(shù),更是展現(xiàn)出了巨大的潛力[12]。膜技術(shù)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(qiáng)了反應(yīng)器內(nèi)活性微生物濃度,減少污泥流失。這不僅促進(jìn)了厭氧生物技術(shù)在更廣泛的環(huán)境條件下的應(yīng)用,也保證了更高的出水質(zhì)量[13]。此外,與傳統(tǒng)廢水處理技術(shù)相比,采用AnMBR可顯著減少操作空間和單元操作的數(shù)量,并提供了選擇性分離和回收營養(yǎng)物質(zhì)與資源的功能[14]。

綜上所述,AnMBR技術(shù)在當(dāng)前環(huán)境保護(hù)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(biāo)高度一致,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將詳細(xì)探討AnMBR的優(yōu)勢、應(yīng)用實(shí)踐及所面臨的挑戰(zhàn),對該領(lǐng)域最新的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行概述,以全面展示其優(yōu)勢與局限性,并展望其未來的發(fā)展方向。

1 AnMBR技術(shù)簡介

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

AnMBR技術(shù)的概念起源于20世紀(jì)70年代。GRETHLEIN[17]在1978年證實(shí),結(jié)合膜技術(shù)的廢水厭氧處理系統(tǒng)能夠極大地提高廢水處理效果,可實(shí)現(xiàn)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(xiàng)技術(shù)一經(jīng)問世,便因其出色的處理能力而迅速受到行業(yè)的青睞。雖然AnMBR技術(shù)在市場上的普及度可能不及其他顆粒污泥處理技術(shù),如上流式厭氧污泥床(UASB)或內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(IC),但其通過膜組件實(shí)現(xiàn)固液分離,使得污水處理系統(tǒng)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(yōu)質(zhì)的出水效果。這種獨(dú)有的競爭優(yōu)勢讓AnMBR技術(shù)在水處理領(lǐng)域中脫穎而出。

AnMBR技術(shù)目前已成為行業(yè)研究的焦點(diǎn)和熱門議題。根據(jù)Web of Science核心數(shù)據(jù)庫顯示,截止到2022年12月31日,以“AnMBR”和“Anaerobic membrane bioreactor”為主題累計(jì)發(fā)表2 586篇相關(guān)文獻(xiàn)。文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)量如圖1所示,呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢。此技術(shù)所表現(xiàn)出的持續(xù)研究興趣和發(fā)文增長,明確指出了其在未來環(huán)境工程和可持續(xù)性領(lǐng)域中的關(guān)鍵地位。隨著全球?qū)Φ吞嘉鬯幚砗唾Y源回收技術(shù)的日益關(guān)注,AnMBR技術(shù)的研究和應(yīng)用變得尤為重要。

圖1 關(guān)于AnMBR的SCI論文發(fā)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(fù)雜生物化學(xué)過程,可分為以下連續(xù)階段[18-19]。

1.1 水解階段

在水解階段,復(fù)雜的有機(jī)物被分解為更簡單的單體。這一過程是通過微生物產(chǎn)生的特定酶來實(shí)現(xiàn)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(zhì)在蛋白酶的作用下降解為氨基酸;脂質(zhì)被水解為脂肪酸和甘油。這些簡單的單體隨后為產(chǎn)酸菌所利用。

1.2 發(fā)酵產(chǎn)酸階段

在這一階段,水解得到的小分子有機(jī)物被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為末端產(chǎn)物,主要是短鏈脂肪酸或醇,同時也伴隨著一定量的氫氣產(chǎn)生。這些短鏈脂肪酸是后續(xù)階段的關(guān)鍵前體物質(zhì)。

1.3 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段

該階段由產(chǎn)乙酸菌主導(dǎo),它們能夠?qū)⑶皟蓚€階段產(chǎn)生的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為氫氣。乙酸是后續(xù)產(chǎn)甲烷階段的關(guān)鍵物質(zhì)。

1.4 產(chǎn)甲烷階段

產(chǎn)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(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為甲烷。這是一個緩慢的過程,因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌的代謝速率較慢且對生長環(huán)境有較高的要求,從而使其成為整個生物厭氧處理環(huán)節(jié)的限速步驟。

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

2 AnMBR的技術(shù)優(yōu)勢

AnMBR技術(shù)結(jié)合了厭氧消化與膜分離的優(yōu)勢,為廢水處理和資源回收提供了高效和創(chuàng)新的途徑。基于此技術(shù)的獨(dú)特設(shè)計(jì)和原理,以下列舉AnMBR技術(shù)的核心優(yōu)勢和顯著特點(diǎn)。

2.1 維持高濃度生物量

AnMBR技術(shù)通過膜單元實(shí)現(xiàn)有效截留,使得HRT與SRT得到完全分離,形成系統(tǒng)內(nèi)的高濃度生物量。這種高濃度環(huán)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(zhì)時,保證了處理系統(tǒng)的持續(xù)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(jī)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(jī)廢物如城市污泥、餐廚垃圾等有積極意義。

2.2 在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性

膜的滯留機(jī)制在保證系統(tǒng)內(nèi)高生物量維持的同時也提高了系統(tǒng)在極端環(huán)境下的穩(wěn)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(xiàn)出了優(yōu)越的處理性能[13],尤其在低溫地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[23]。傳統(tǒng)的厭氧生物系統(tǒng)顆粒物的水解過程仍然是厭氧消化的限速步驟,這一點(diǎn)在低溫條件下尤其明顯。膜系統(tǒng)的引入可以將高濃度的懸浮物截留在厭氧反應(yīng)器內(nèi)部,從而保證了充足的SRT來水解這部分顆粒態(tài)有機(jī)污染物,使其在低環(huán)境溫度下實(shí)現(xiàn)較好的處理效果[24]。

2.3 污泥產(chǎn)量的降低

在AnMBR系統(tǒng)中,厭氧微生物增長速度較慢,能量轉(zhuǎn)化效率較高,大部分能量被轉(zhuǎn)化為甲烷氣體而非生物質(zhì),顯著降低了生物固體(污泥)的產(chǎn)量。在傳統(tǒng)污水處理過程中,污泥的處理與處置是一個復(fù)雜,資金和能耗成本較高的環(huán)節(jié),甚至可占據(jù)污水處理廠運(yùn)行成本的60%[25]。AnMBR技術(shù)通過減少污泥的產(chǎn)生量,有助于降低整個污水處理系統(tǒng)的能耗和運(yùn)營成本,對于實(shí)現(xiàn)低碳和可持續(xù)的污水處理目標(biāo)具有至關(guān)重要的意義。

2.4 出水質(zhì)量的提升

圖2 水處理過程及出水質(zhì)量Fig. 2 Water treatment process and corresponding effluent quality

AnMBR技術(shù)利用先進(jìn)的膜過濾系統(tǒng),提供微米級別的細(xì)致凈化,從而確保了處理后水質(zhì)達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)提升至更嚴(yán)格的地表水“IV”類標(biāo)準(zhǔn),AnMBR技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要。一般的污水處理設(shè)施通過兩級處理可達(dá)到一級A出水標(biāo)準(zhǔn),但要進(jìn)一步提高至IV類地表水質(zhì)量通常需加入第三級處理(圖2)。AnMBR技術(shù)的一個顯著優(yōu)勢是其能夠直接達(dá)到甚至超過這一嚴(yán)格水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),而無需進(jìn)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(yīng)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此,在追求更嚴(yán)格水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的背景下,“IV類水看MBR”成為了AnMBR技術(shù)優(yōu)越性的真實(shí)寫照,這反映了其在提高出水水質(zhì)和經(jīng)濟(jì)性方面的雙重優(yōu)勢。如圖2所示,一級處理:機(jī)械處理(預(yù)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(shù)的另一核心優(yōu)勢在于其可將廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CH4,實(shí)現(xiàn)能源資源化回收。在沼氣的組成中,CH4占據(jù)了80%以上[26],且隨著有機(jī)物負(fù)荷的提高,CH4產(chǎn)量也相應(yīng)增長[27]。在適當(dāng)運(yùn)行條件下,AnMBR系統(tǒng)可將進(jìn)水中約98%的化學(xué)需氧量(COD)轉(zhuǎn)化為CH4,其生成的能量遠(yuǎn)超過系統(tǒng)運(yùn)行所需的能量,可達(dá)到所需能量的7倍左右[28]。然而在實(shí)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(zhì)的影響,實(shí)際的沼氣產(chǎn)量低于理論最大值。即便如此,在處理低強(qiáng)度廢水的情況下,AnMBR技術(shù)仍然有潛力成為一個凈能源的生產(chǎn)者[29]。通過對工藝的調(diào)節(jié),例如實(shí)施分級AnMBR系統(tǒng),可以進(jìn)一步優(yōu)化能源產(chǎn)出,除了CH4之外,還能生產(chǎn)出H2和揮發(fā)性脂肪酸等其他能源形式[30]。AnMBR技術(shù)在處理廢水的同時,能夠轉(zhuǎn)換和利用其中的有機(jī)物質(zhì),為可持續(xù)能源生產(chǎn)提供了一種有效途徑,展示了其在環(huán)保和能源可持續(xù)性方面的雙重價(jià)值。

2.6 營養(yǎng)物質(zhì)的回收

AnMBR技術(shù)不但可實(shí)現(xiàn)廢水中有機(jī)碳的能量資源轉(zhuǎn)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(jià)值營養(yǎng)物質(zhì)。AnMBR的獨(dú)特設(shè)計(jì)和操作方式減少了過量污泥的產(chǎn)生,也進(jìn)一步保證了廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的完整性。因此,AnMBR不僅為廢水提供了高效的處理,還為營養(yǎng)物質(zhì)資源化回收利用提供了新的契機(jī)。例如,營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗突厥蘸?可以直接作為肥料使用,為農(nóng)業(yè)和園藝提供了有價(jià)值的資源[31]。這不僅增加了廢水處理的環(huán)境效益,還提供了一種可持續(xù)的資源循環(huán)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(nèi)分泌干擾物、殺蟲劑、染料等一系列合成有機(jī)化學(xué)物質(zhì),它們在城市污水系統(tǒng)中不斷積累,對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了潛在的威脅。AnMBR技術(shù)通過膜組件提供了有效的污染物截留能力。此外,AnMBR系統(tǒng)的高生物量密度與長SRT特性,在增強(qiáng)對微污染物的吸附作用的同時,提供了充分的時間實(shí)現(xiàn)微生物的定向馴化與新興污染物降解,進(jìn)而顯著提高處理效率。AnMBR系統(tǒng)在降解新興和微污染物方面顯示出了其獨(dú)特的處理優(yōu)勢,使其成為一個在環(huán)境保護(hù)和公共健康方面都具有重要意義的污水處理技術(shù)[32-34]。

2.8 靈活性和擴(kuò)展性

AnMBR技術(shù)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(guī)模工業(yè)應(yīng)用提供了便利。這種技術(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化使得AnMBR不僅易于擴(kuò)展和部署,而且能夠無縫地與現(xiàn)有的污水處理技術(shù)整合,從而增加了系統(tǒng)的適用性和靈活性。這些特性使AnMBR成為一個高效、可擴(kuò)展的污水處理解決方案,尤其適合那些尋求技術(shù)升級和提高處理效率的大型水處理設(shè)施。

3 AnMBR的工程應(yīng)用

得益于AnMBR技術(shù)的眾多優(yōu)勢,其已在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。特別是在處理高有機(jī)負(fù)荷和高懸浮物負(fù)荷的廢水方面,如食品加工業(yè)(包括酸菜、谷物、棕櫚油加工)、乳品加工業(yè)以及釀酒業(yè)等,AnMBR系統(tǒng)表現(xiàn)出卓越的處理能力。這些行業(yè)產(chǎn)生的高濃度有機(jī)廢水,通過AnMBR系統(tǒng)不僅可以有效去除COD,還能同時產(chǎn)生能源,為廢水處理提供了附加的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(yè)廢水[35]。同時,用于低強(qiáng)度污水處理的AnMBR系統(tǒng)也已在中試規(guī)模上得到應(yīng)用[36]。特別值得注意的是AnMBR技術(shù)在氣候寒冷地區(qū)的適用性,它能在低溫條件下穩(wěn)定運(yùn)行,從而減少了加熱需求和相關(guān)能源消耗。這在傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)中通常是一個挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷完善和處理規(guī)模的擴(kuò)大,AnMBR已成為許多污水處理設(shè)施的首選技術(shù)。據(jù)MBR專業(yè)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)站(https://www.thembrsite.com/)所示,全球范圍內(nèi)的AnMBR應(yīng)用正在快速增長,這一趨勢不僅證明了其在小規(guī)模設(shè)施中的效能,也標(biāo)志著其在大規(guī)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(shù)的大型污水處理設(shè)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(wù)。工廠旱季每小時處理能力達(dá)1 150噸,日處理量可達(dá)27 000噸。其核心處理技術(shù)為AnMBR系統(tǒng),并配備了初級沉淀池、活性污泥系統(tǒng)、固定膜濾池、腐殖質(zhì)沉淀池和砂濾池,可實(shí)現(xiàn)在較低溫度(18 ℃)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行(圖3)。

Spernal污水處理廠的AnMBR出水通過離子交換技術(shù)進(jìn)一步處理,從而生產(chǎn)出具有重要農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值的硫酸銨和羥基磷灰石。在硫酸銨的生產(chǎn)方面,該技術(shù)的成熟度已達(dá)到6級。該系統(tǒng)過程包括應(yīng)用濃縮氨的離子交換器和中空纖維膜接觸器,這些技術(shù)的氮回收率極高,超過76%,能夠從全規(guī)模系統(tǒng)中回收相當(dāng)于88%的污水處理廠氮負(fù)荷流入量。離子交換技術(shù)同樣用于濃縮磷酸鹽,以便在后續(xù)步驟中以羥基磷灰石的形式沉淀磷酸鹽。這一技術(shù)的技術(shù)成熟度為7級,其磷回收率達(dá)到了全規(guī)模系統(tǒng)80%。這些磷以磷酸鈣的形式進(jìn)行試點(diǎn)回收,用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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

相比英國傳統(tǒng)市政污水處理廠,Spernal污水處理廠利用AnMBR進(jìn)行厭氧處理城市污水,在運(yùn)營成本上更為經(jīng)濟(jì)。所節(jié)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(xué)品或材料成本。此外,以磷酸鈣形式進(jìn)行的磷回收試點(diǎn)顯示,土壤或地下水生態(tài)系統(tǒng)即便長期施用也不會受到重金屬的高風(fēng)險(xiǎn)影響,這些重金屬含量均低于檢測限。

總體而言,AnMBR系統(tǒng)作為Spernal污水處理廠的核心組成部分,不僅在環(huán)保效益方面表現(xiàn)卓越,還在經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性和資源回收方面提供了創(chuàng)新的解決方案,展示了現(xiàn)代污水處理技術(shù)的潛力。

3.2 Pikeville污水處理廠

除在生活污水處理中得到應(yīng)用,AnMBR在工業(yè)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(chǎn)能擴(kuò)張導(dǎo)致的廢水處理挑戰(zhàn),ADI系統(tǒng)公司為其提供了有效的廢水處理升級方案。

自20世紀(jì)90年代末期起,ADI系統(tǒng)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(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,工廠的廢水處理系統(tǒng)也于1999至2000年進(jìn)行了首次升級,包括了一個ADI混合厭氧反應(yīng)器和一個序批式反應(yīng)器(SBR)。然而,隨著產(chǎn)量的進(jìn)一步增加,工廠需要提高處理流量和有機(jī)負(fù)荷能力,并提高出水水質(zhì)。

為了滿足這些新的需求,家樂氏公司采納了ADI系統(tǒng)公司的建議,將現(xiàn)有的厭氧和好氧廢水處理設(shè)施升級為更為先進(jìn)的ADI厭氧膜生物反應(yīng)器和ADI膜生物反應(yīng)器。升級后的系統(tǒng)包括厭氧預(yù)處理,內(nèi)設(shè)一個連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器和一個AnMBR池。隨后是好氧系統(tǒng),包括一個預(yù)曝氣池和一個MBR池。AnMBR池和MBR池安裝在分區(qū)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(zhì)。新的廢水處理廠設(shè)計(jì)流量為95 t/d,設(shè)計(jì)有機(jī)負(fù)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(chǎn)生的沼氣可用于污水廠供熱系統(tǒng),以減少天然氣成本。

MBR系統(tǒng)對厭氧處理后的水進(jìn)行進(jìn)一步凈化,通過加氯和除氯罐進(jìn)行消毒后,直接排放到當(dāng)?shù)厮w中。出水水質(zhì)指標(biāo)如COD、BOD、TSS、氨氮、油脂、溶解氧和大腸桿菌等均達(dá)到了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn),整體COD去除率超過99.5%。此外,升級后的系統(tǒng)使設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)有機(jī)負(fù)荷分別提高了25%和44%,顯著降低了運(yùn)營和維護(hù)成本。

Pikeville工廠未來還計(jì)劃處理目前外部處理的廢渣,進(jìn)一步節(jié)省成本。AnMBR技術(shù)在這一過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用,不僅滿足了工廠廢水處理的需求,更為環(huán)境保護(hù)和資源循環(huán)利用做出了貢獻(xiàn)。

4 AnMBR的挑戰(zhàn)

AnMBR已有諸多優(yōu)勢,并且得到了認(rèn)可和廣泛應(yīng)用,但不能否認(rèn)AnMBR這一技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨多種挑戰(zhàn)。

4.1 甲烷溶解、回收和產(chǎn)生的問題

在寒冷地區(qū)進(jìn)行污水處理時,低溫環(huán)境對溶解性甲烷的影響顯得尤為重要[37]。LIU等[38]的研究發(fā)現(xiàn),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(dá)50%的甲烷可能會溶解在出水中(圖5)。因此,開發(fā)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(huán)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(qū)水廠的首選技術(shù)之一,由溶解性甲烷導(dǎo)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(jīng)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(chǎn)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(fā)現(xiàn),隨著廢水的有機(jī)負(fù)荷率增加,溶解的甲烷濃度會降低,并將其歸因于在高有機(jī)負(fù)荷率下產(chǎn)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(dǎo)致全球變暖,因?yàn)镃H4的溫室效應(yīng)比CO2高25倍。這與低碳和資源化水處理的目標(biāo)背道而馳。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn),提出了如真空包裝塔、氣泡塔和強(qiáng)制通風(fēng)曝氣器等技術(shù),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(shù)在回收溶解甲烷方面顯示出高效能,但這些技術(shù)仍面臨經(jīng)濟(jì)可行性和操作安全性的挑戰(zhàn)[4]。

4.2 膜污染與清潔問題

在AnMBR的運(yùn)行中,膜污染和清潔問題較為關(guān)鍵。堵塞問題主要由微生物生物膜、溶質(zhì)、膠體和細(xì)胞碎片積累造成,這不僅嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的處理效率,也提高了運(yùn)營成本[41-42]。據(jù)研究,膜的堵塞和清潔可占據(jù)整個工藝能量消耗的70%至80%[36]。MARTIN等[43]的研究發(fā)現(xiàn),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(tǒng)處理的污泥通常濃度較高,結(jié)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(jī)理依然不清晰,這一現(xiàn)象與操作條件、污泥特性及膜特性等多個因素密切相關(guān)。因此,為應(yīng)對與膜污染相關(guān)的操作挑戰(zhàn),已經(jīng)開發(fā)了各種物理和化學(xué)清潔策略,例如反沖洗、松弛循環(huán)和化學(xué)清潔?？刂颇の廴镜挠行Р呗詫nMBR技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要,因?yàn)檫@些清潔和維護(hù)過程構(gòu)成了其主要的運(yùn)營成本,持續(xù)優(yōu)化這些策略是提高AnMBR經(jīng)濟(jì)可行性的關(guān)鍵途徑。

4.3 實(shí)際處理的復(fù)雜性

廢水處理的復(fù)雜性對AnMBR技術(shù)的城市應(yīng)用造成了額外的挑戰(zhàn),特別是廢水成分的復(fù)雜性對系統(tǒng)的影響不容忽視。有機(jī)物質(zhì)和營養(yǎng)物的低濃度,以及鹽度積聚、各種抑制性物質(zhì)的存在,都對AnMBR系統(tǒng)的效能和穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了挑戰(zhàn)。特別是硫酸鹽的含量在城市污水處理中成為一個關(guān)鍵,它限制了AnMBR技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)效益。硫酸鹽還原菌通過將硫酸鹽還原成硫化物,并將COD轉(zhuǎn)化CO2,減少了可用于CH4生成的COD量,進(jìn)而影響工藝的效率和成本[45]。硫化物的產(chǎn)生不但降低了膜的通量和壽命,而且其腐蝕性質(zhì)會損壞設(shè)備,需要耐腐蝕的材料和氣味控制措施,導(dǎo)致更高的建造成本和維護(hù)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(yùn)行的一個重要考量因素。

4.4 后處理需求

AnMBR系統(tǒng)由于不含氧化區(qū),無法經(jīng)歷脫氮處理過程,常常導(dǎo)致出水中氮和磷含量較高。根據(jù)接納水體的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn),出水可能需要進(jìn)行后續(xù)處理以去除或回收這些營養(yǎng)物。針對這一需求,目前已經(jīng)開發(fā)了多種技術(shù)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(yǎng)技術(shù)(能同時去除氮和磷并有生物質(zhì)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(fā)現(xiàn),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(shù)發(fā)展方向[46]。這些集成解決方案的設(shè)計(jì),對于實(shí)現(xiàn)更高標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)凈化和資源回收,具有顯著的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義。

5 AnMBR新技術(shù)突破

隨著材料的發(fā)展和機(jī)制的深入研究,針對AnMBR技術(shù)創(chuàng)新不斷涌現(xiàn),擴(kuò)大了AnMBR的應(yīng)用范圍,并增強(qiáng)了其在廢水處理領(lǐng)域的優(yōu)勢。以下簡單介紹一些AnMBR中出現(xiàn)的新技術(shù)。

5.1 正滲透厭氧膜生物反應(yīng)器(FO-AnMBR)

處理城市污水中的有機(jī)負(fù)荷較低(通常在260～900 mg/L COD)是AnMBR面臨的挑戰(zhàn)之一,限制了厭氧處理的效率。低COD濃度導(dǎo)致從厭氧消化過程中產(chǎn)生的甲烷無法高效轉(zhuǎn)化為能源,通常只能滿足污水處理設(shè)施總能源需求的一部分(50%)[47]。城市污水的預(yù)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(fèi)用,并且增加COD濃度,從而提高AnMBR系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

正滲透技術(shù)(Forward Osmosis, FO)是一種有效濃縮城市污水的方法。與傳統(tǒng)的壓力驅(qū)動膜分離過程不同,FO利用自然的滲透壓作為驅(qū)動力,從而可能實(shí)現(xiàn)較低的能耗。通過選擇合適的汲取溶液,FO能夠更加經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)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(shù)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(zhuǎn)輸至其他淡水制備工藝中,進(jìn)一步降低了整個工藝的成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,經(jīng)過FO處理后,進(jìn)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(nèi),可達(dá)3.0～7.4 L/(m2·h)。因此,利用FO技術(shù)預(yù)處理城市污水,在AnMBR處理流程中具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境潛力,它不僅提升了廢水處理效率,還為可持續(xù)能源生產(chǎn)提供了可行性。

5.2 厭氧動態(tài)膜生物反應(yīng)器(Anaerobic Dynamic Membrane Bioreactors, AnDMBR)

膜堵塞是AnMBR系統(tǒng)中面臨的主要問題,其來源于固體顆粒(如微生物細(xì)胞、細(xì)胞外有機(jī)物和無機(jī)沉淀物)在膜表面的積累。隨著時間的推移,這些物質(zhì)在膜表面形成的濾餅層變得密實(shí),導(dǎo)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(shù)中的核心問題。

動態(tài)膜(Dynamic Membrane, DM)技術(shù)是應(yīng)對膜堵塞問題的創(chuàng)新解決方案[49]。與傳統(tǒng)的孔隙結(jié)構(gòu)膜不同,這種技術(shù)利用具有較大孔徑的支撐材料表面形成一層可動態(tài)更新的濾餅層,即DM層。這層濾餅可以有效地充當(dāng)過濾層,實(shí)現(xiàn)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(jīng)濟(jì)和有效的過濾方法。這一層膜被稱為“動態(tài)”是因?yàn)樗男纬珊褪且粋€不斷循環(huán)的過程。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)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(qiáng)度廢水,實(shí)現(xiàn)了超過99%的COD去除率,表明動態(tài)膜技術(shù)能夠獲得穩(wěn)定且高質(zhì)量的出水,是一種可靠且有效的處理高強(qiáng)度廢水的技術(shù)[50]。

AnDMBR表現(xiàn)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(yōu)點(diǎn),可以在降低運(yùn)營成本的同時提升廢水處理的性能和可持續(xù)性。因此這項(xiàng)技術(shù)在廢水處理和資源回收方面展現(xiàn)出巨大的潛力和前景。

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

5.3 溫?zé)嵴{(diào)控膜涂層技術(shù)

膜表面改性技術(shù)也是緩解AnMBR系統(tǒng)膜污染的有效方法,特別是親水性聚合物涂層的應(yīng)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(yùn)行導(dǎo)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(nóng)村地區(qū),這一挑戰(zhàn)尤為顯著。因?yàn)樵谶@些地區(qū),使用傳統(tǒng)化學(xué)清洗劑(如氧化劑和強(qiáng)酸)進(jìn)行膜清洗通常難以實(shí)現(xiàn),從而增加了處理這一問題的難度。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn),學(xué)者們探索了通過接枝熱響應(yīng)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(fā)生構(gòu)象變化,這種變化有助于通過簡單的溫度調(diào)節(jié)來清除膜上的污染物[53]。此方法的一個重要優(yōu)勢是僅需使用溫水清洗,這在大多數(shù)環(huán)境中均為可行的選項(xiàng)。在這一領(lǐng)域的研究前沿,KIM教授及其團(tuán)隊(duì)通過精細(xì)調(diào)控?zé)嶂律炜s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(jié)構(gòu)來增強(qiáng)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(yīng)器(Anaerobic Membrane Distillation Bioreactors, AnMDBR)

膜蒸餾(Membrane Distillation, MD)是一項(xiàng)利用熱能的分離工藝,通過在兩側(cè)水溶液的溫差驅(qū)動下,使水蒸氣穿越疏水性膜,從而實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)水和熱量的有效分離。

在追求低碳環(huán)境與資源循環(huán)利用的當(dāng)下,膜蒸餾技術(shù)展現(xiàn)出與厭氧處理過程相結(jié)合的巨大潛力,尤其是能夠回收和利用厭氧過程中產(chǎn)生的熱能[56]。此技術(shù)進(jìn)一步提升了水處理后的水質(zhì),特別是在去除氮、磷、有機(jī)物質(zhì)以及微污染物和懸浮微粒方面表現(xiàn)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(zhì)的0.2 μm疏水膜,研究比較其出水時的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在連續(xù)45 h的運(yùn)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(wěn)定。特別值得一提的是,在使用PVDF膜的長期蒸餾實(shí)驗(yàn)中,總磷被完全去除,溶解性有機(jī)碳的去除率亦達(dá)到98%以上。這一發(fā)現(xiàn)顯著指出了膜蒸餾在提高出水質(zhì)量,特別是在有機(jī)物去除方面的高效能力。

6 結(jié) 論

AnMBR作為一項(xiàng)低碳水處理與資源化技術(shù),顯著促進(jìn)了污水處理和資源回收的效率,同時在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)方面也起到了重要作用。通過生物降解與膜分離技術(shù)的結(jié)合,AnMBR不但能夠有效處理高濃度工業(yè)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(xiàn)。這種技術(shù)的進(jìn)步對推動可持續(xù)水資源管理和循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義,并與追求碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)緊密相連。AnMBR的優(yōu)化過程充分體現(xiàn)了其在提高水回用率和促進(jìn)能源及水資源循環(huán)利用方面的潛力。盡管存在膜污染和運(yùn)營管理等挑戰(zhàn),但新材料的研發(fā)、操作優(yōu)化以及與其他技術(shù)如膜蒸餾的集成等科研進(jìn)展,為該技術(shù)的未來發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

展望未來,加深科研與產(chǎn)業(yè)界的協(xié)同作用,不斷的技術(shù)革新和系統(tǒng)優(yōu)化是關(guān)鍵。這些努力將有助于應(yīng)對現(xiàn)有挑戰(zhàn),推動AnMBR技術(shù)向規(guī)?；蜕虡I(yè)化邁進(jìn)。AnMBR技術(shù)的進(jìn)步對于提升水資源管理的效率和可持續(xù)性具有重要意義,在支持全球環(huán)境持續(xù)性方面的作用不容忽視。