文章信息
第一作者：刘紫微
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c09138
主要内容
然而，AnMBRs在主流（mainstream）处理市政污水面临三大挑战。首先，在5-35℃环境温度下，产生的甲烷有很大一部分（70-30%）溶解在膜出水中。这意味着潜在能源的损失，并增加了系统的直接碳排放。诚然，溶解性甲烷可以通过气提或膜接触器回收，但随之而来的高能耗/药剂和膜成本、相应的技术挑战是无法避免的。其次，由于市政污水中有机物含量低，直接用AnMBRs处理市政污水的能耗费效比 较高：一方面，其能源回收潜力有限；另一方面，其运行能耗较高，尤其在膜污染控制上。此外，AnMBRs在磷回收方面效果不佳，仅约16%可被微生物同化，这导致了磷资源的大量流失。因此，尽管现有的相关研究绝大多数集中在主流AnMBRs上，这些挑战使人质疑其充分回收能源和资源的可行性。
相比之下，化学强化预处理(CEPT)与侧流(sidestream)AnMBR的组合工艺(CEPT-AnMBR)可能是更适合资源导向的污水处理工艺。具体而言，原水中的有机物和磷通过混凝剂与水分离并浓缩。然后AnMBRs在侧流处理浓缩污泥（concentrated sludge）以回收能源和资源。侧流AnMBRs的膜出水并入主流，与CEPT上清液出水混合进行后续处理。据报道，CEPT可通过重力沉降实现城市污水>30倍的浓缩，通过机械浓缩实现>100倍的浓缩。投加0.3-0.6 mM FeCl3可从原污水中捕获70-75% COD、80-97% TP和10-20% TN，约90%的铁被截留在浓缩污泥中。虽然FeCl3对可溶性COD和氨氮的捕获效率较低，但CEPT实现的COD回收率高于高负荷活性污泥法（HRAS，去除率70-76%，但回收率仅为43-63%），这得益于CEPT没有曝气导致的有机物矿化。
由于膜出水体量小，侧流AnMBRs产生的溶解性甲烷比主流AnMBRs减少93-96%。溶解性甲烷减少有2个主要好处：（1）更大比例的甲烷可以从沼气中轻易捕获，增加能源总回收量（0.3-0.34 kWh/m3污水）。尽管CEPT上清液出水中的COD损失（30-35%）使得侧流AnMBRs的COD转化率（原水中COD转化为甲烷总量的比例）较低（42-48% V.S.主流AnMBRs的50-65%），但由于主流AnMBRs的溶解性甲烷产量占总甲烷产量的至少30%，使得侧流AnMBRs中原水COD转化为气态甲烷量的比例更高（41-47% V.S.主流AnMBRs的35-45%）。（2）溶解性甲烷导致的直接碳排放下降，提高了系统的环境可持续性。
与主流AnMBRs相比，侧流AnMBRs有更优越的能源效率。浓缩污泥的体量仅为原水的3%不到，显著降低了膜污染控制所需的能量。这种降低至关重要，因为膜污染控制能耗占主流AnMBRs运行能耗的80-90%。侧流AnMBRs的能耗约为0.15 kWh/m3污水（相比之下，主流AnMBRs为0.4 kWh/m3污水），考虑到每立方米原污水可产生约0.3 kWh的能量，侧流AnMBRs可实现正产能。若进一步考虑膜制造的间接能耗，这种优势变得更加显著。即使侧流AnMBRs的平均通量极低（3-4 LMH，仅为主流AnMBRs平均通量的20%），所需的膜面积也可以减少到主流AnMBRs所需膜面积的5-15%。
侧流AnMBRs在资源回收方面具有显著优势，特别是对于磷和铁的回收。CEPT中的FeCl3可从原水中去除>80%的P并在侧流得到浓缩，浓度可超过100 mg/L。这些P继续与Fe(II)、Fe(III)和一些有机物结合，在AnMBRs中进一步积累。同时，Fe在浓缩污泥中富集（>550 mg/L）并可在AnMBRs中累积到>2 g/L的水平。这些条件为P和Fe的回收创造了机会，主要可通过两种方法：第一种是从AnMBRs的剩余污泥中回收这些P和Fe。研究表明，将pH调至约1的化学酸化可使剩余污泥中的P和Fe近100%溶解。得到的富Fe酸性溶液可在CEPT工艺中重复使用，将化学药剂成本从$0.022降低到$0.007/m3污水。第二种方法（如图1b所示）利用两相厌氧消化工艺，其中P和Fe释放在水解酸化池的上清液中，随后通过电渗析提取。这种策略提供了额外的好处：酸性环境加上异化铁还原菌的铁还原作用，可以大大降低用酸的药剂成本。后续可将P以磷铁矿形态回收，同时多余的Fe可重复使用。此外，水解酸化池中的溶解过程可促进颗粒态COD水解为溶解态COD，从而可提高侧流AnMBRs中的产甲烷效率。P和Fe的同步回收不仅可减少环境影响，还通过生产有价资源带来潜在的经济效益。
(1) McCarty, P. L.; Bae, J.; Kim, J. Domestic wastewater treatment as a net energy producer−Can this be achieved? Environ. Sci. Technol.2011, 45 (17), 7100−7106.
(2) Chen, C.; Sun, M. Z.; Liu, Z. W.; Zhang, J.; Xiao, K.; Zhang, X.; Song, G. Q.; Chang, J.; Liu, G. L.; Wang, H.; Huang, X. Robustness of granular activated carbon-synergized anaerobic membrane bioreactor for pilot-scale application over a wide seasonal temperature change. Water Res. 2021, 189, 116552.
(3) Ren, Z. H.; Liu, Z. W.; Xu, C. Y.; Huang, X. A new efficient paradigm of energy and resource recovery from sewage: AnMBR treating chemically pre-precipitated concentrate in sidestream. Chem. Eng. J. 2023, 478, 147309.
作者介绍
黄霞，博士，清华大学环境学院教授，博士生导师，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室主任。国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者奖励计划特聘教授和创新团队带头人、首批环境保护部专业技术领军人才、国际水协会杰出会士（Distinguished Fellow）、Frontiers of Environmental Science & Engineering期刊执行副主编、Water Research X期刊Editor等。主要从事膜集成水处理技术、功能膜材料、生物电化学污水处理技术、污水资源化技术等研究。发表SCI收录论文400余篇，自2014年连续入选爱思维尔中国高被引学者；出版专著/教材5部；曾获国家科技进步二等奖3项、部级一等奖8项、Environ. Sci. & Technol.和ESWRT年度最佳论文奖。
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