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​厌氧膜生物反应器AnMBR研究进展分析
更新时间:2021-01-07 来源:IWA国际水协会

  污水的能量回收目前仍以污泥厌氧消化为主,回收甲烷进行热电联产。从上世纪90年代初开始,在工业废水领域出现了一种叫AnMBR的工艺。AnMBR,即厌氧膜生物反应器(英文全称Anaerobic membrane bioreactors), 结合了厌氧消化和膜技术,在实现优质出水的同时,可以回收污水里的能量。

  总的来说,与传统活性污泥工艺相比,AnMBR有出水水质更好、剩余污泥少、运行成本低等优点。但另一方面也存在严重膜污染、沼气甲烷含量低、甲烷溶解率高、氮磷去除率低等问题。

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  图. AnMBR的工艺流程示意图,它旨在取代红色虚线框内的工序设备和占地面积

  面对上述问题,在过去几年里AnMBR工艺有没有什么发展呢?我们推荐大家在一个叫The MBR Site的博客中寻找答案。博客的主人Simon Judd教授是MBR领域的专家,目前在英国Cranfield University任职。最近他在博客了写了一篇文章,汇总了十篇关于AnMBR的综述论文,这些论文都发表在经同行评审的期刊上。我们觉得这些综述非常值得一读,所以在本期的微信推送里带来简介。若有欠妥之处,敬请指正。

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  图. Simon Judd 教授和他的博客

  这十篇文章都是近两年才出版的综述论文,其中六篇出自同一期刊《Bioresource Technology》。内容涵盖关键应用(例如填埋渗滤液、非饮用回用、产氢和生物精炼)、工艺设计(模型、能耗和反应器构造等)。这样看来,AnMBR的研究已经有一定规模了。

  我们现在按照时间顺序,从最新发表的文章来带大家做回顾。

  1. A review of anaerobic membrane bioreactors (AnMBR) for the treatment of highly contaminated landfill leachate and biogas production: Effectiveness, limitations and future perspectives

  作者:Abuabdou, S. M. A., Ahmad, W., Aun, N. C., & Bashir, M. J. K. (2020).

  本文的作者来自马来西亚拉曼大学(Universiti Tunku Abdul Rahman),原文发表在《Journal of Cleaner Production》上。本文总结了AnMBR技术在处理填埋场渗滤液以及生产生物沼气方面的应用情况,包括其效率、受限因素和对未来的展望。作者们指出目前世界绝大部分的城市固废都是未经处理就扔到垃圾填埋场里,这些填埋场会产生渗滤液。AnMBR技术为这些高浓度废水的处理开辟了新的工艺思路。

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  图. 影响AnMBR工艺表现的潜在因素

  该文回顾评估了AnMBR处理渗滤液的应用潜力及其近年的技术发展情况,介绍了一个实验室规模的案例成果。同时,他们也审视AnMBR在此细分领域的局限性和支撑其未来发展的因素,例如膜污染问题是限制AnMBR大规模应用的主要障碍之一。总的来说,他们认为基于AnMBR的垃圾产能符合循环经济理念,值得进一步研究。

  2. Anaerobic Membrane Bioreactors for Nonpotable Water Reuse and Energy Recovery

  作者:Bing Wu, Ph.D; and Jeonghwan Kim, (2020).

  本文作者分别来自冰岛大学和韩国仁荷大学,原文刊登在美国的《Journal of Environmental Engineering》上。AnMBR在能耗方面的优势大家都已知一二,但它的出水回用效果如何呢?这篇综述就对此进行了总结。文献显示AnMBR出水的COD值在4-170mg/L之间,而且不可避免会遇到膜结垢的问题,单位能耗在0.1-2.6 kWh/m3之间。另外作者认为如果AnMBR要成为真正的可再生水回用技术,还要解决出水的甲烷回收问题,毕竟甲烷是比二氧化碳更强的温室气体。作者们考察了传统的集中式AnMBR、分散式AnMBR和混合式AnMBR,尤其对混合式AnMBR的出水质量和能量回收效果进行比较分析。关注AnMBR能耗表现的读者可能会对这篇综述感兴趣。

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  图. 混合AnMBR处理合成或实际污水的出水质量 (COD和BOD5): (a) AnMBRs + 搅拌颗粒; (b) AnMBRs + 吸附剂; (c) AnMBRs + 正渗透; (d) AnMBRs + 化学品; (e) AnMBRs + 电化学; (f) 前处理 + AnMBRs; (g) AnMBRs + 后处理。

  3. Anaerobic membrane bioreactor towards biowaste biorefinery and chemical energy harvest: Recent progress, membrane fouling and future perspectives.

  作者:Zhen, G., Pan, Y., Lu, X., Li, Y. -., Zhang, Z., Niu, C., . . . Xu, K.

  该文发表在2019年的《Renewable and Sustainable Energy Reviews》上,作者是来自中国、日本和韩国高校的学者,包括华东师范大学的甄广印博士、日本东北大学的李玉友教授和国立环境研究所的徐开钦教授。

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  图. IMBP工艺的概念流程图

  这篇综述总结了截至2019年的AnMBR研究进展和商业应用情况。

  作者们介绍了一个名叫IMBP(Integrated Multistage Bio-Process)的新一代AnMBR工艺。它包括了太阳能驱动的生物电化学系统(BES)、AnMBR、短程亚硝化/厌氧氨氧化(PN/A)、通过厌氧甲烷氧化(AOM)的硝态氮还原,以及生物/化学磷沉淀等工艺单元。这种由多种先进生物工艺整合而成的系统,能对产生的甲烷进行升级净化、并实现对膜污染的原位控制,还解决了脱氮除磷和溶解性甲烷的问题。作者们认为混合式AnMBR的发展前景更值得看好。

  4. Anaerobic membrane bioreactors for wastewater treatment: Novel configurations, fouling control and energy considerations

  作者:Maaz, M., Yasin, M., Aslam, M., Kumar, G., Atabani, A. E., Idrees, M., . . . Kim, J.

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  图. 作者总结的AnMBR工艺的挑战与机遇

  这篇文章发表在2019年的《Bioresource Technology》上,作者们来自巴基斯坦、挪威、土耳其、韩国和法国等国家。本文的亮点在于从污水厌氧消化的基础原理出发来分析目前AnMBR工艺遇到的问题和挑战,并就膜污染问题提出了一些策略建议。他们也讨论了各种创新的AnMBR反应器设计,并就该工艺技术如何推广表达了自己的看法。

  5. Rapid anaerobic digestion of organic solid residuals for biogas production using flocculating bacteria and membrane bioreactors – a critical review

  作者:Rachma Wikandari  Mohammad J. Taherzadeh

  该文刊于2019年的《Biofuels, Bioproducts and Biorefining》,两位作者来自瑞典Bor?s大学的瑞典资源回收中心。作者指出AnMBR的厌氧菌生长缓慢,一般HRT长达20-60天,他们介绍了一种两段式的 AnMBR工艺,它引入了沉降性能更好的颗粒污泥,用于处理有机固废。第一段通过水解细菌溶解水中的固体物质,然后过膜滤去不能降解的物质,这些物质有时会抑制其他菌的生长。过滤后的污水进入第二段工艺,该反应器是含有颗粒污泥的MBR,以保护敏感且生长缓慢的产甲烷菌。第一段水解消化可能会遇到木质素等难降解的生物质,又有可能遇到易降解物质导致过快酸化的问题,他们就这些问题提出了解决建议。最后,他们对各种高密度颗粒污泥反应器的原理、优劣进行了对比分析。

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  图. 四种厌氧颗粒污泥生物反应器系统的原理图

  6. Resource recovery from wastewater by anaerobic membrane bioreactors: Opportunities and challenges.

  作者:Song, X., Luo, W., Hai, F. I., Price, W. E., Guo, W., Ngo, H. H., & Nghiem, L. D.

  发表在2018年的《Bioresource Technology》,作者来自澳洲的卧龙岗大学、悉尼理工大学和中国农业大学。这篇文章考察了以AnMBR作为核心技术实现污水中能量、营养物和水资源同时回收的潜力。并指出如果想用AnMBR工艺处理市政污水,有必要采取预浓缩的手段来促进氮磷的回收。这也意味着要解决盐度和抑制物的累积、膜污染和膜的稳定性等问题。因此,本文作者也认为和其他互补工艺的结合是解决AnMBR一些内在问题的关键,并就此给出了后续研究的建议路线图。

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  图. 各种AnMBR反应器构造 (A: UASB; B: CSTR; C: AFBR;(D) 侧流 (E) 浸入式 (F) 外置式 是和C整合的三种膜分离工艺

  7. A review on anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) focused on modelling and control aspects

  作者:Robles, á., Ruano, M. V., Charfi, A., Lesage, G., Heran, M., Harmand, J., . . . Ferrer, J

  这是一篇发表在2018年《Bioresource Technology》上的综述文章,联名作者来自西班牙、韩国、法国和澳大利亚四国的大学。本文的关注点放在了AnMBR的工艺模型和控制上。作者认为若要优化AnMBR工艺,需要打造更成熟、具体的模型,以便加深对膜污染的认识。他们认为需要加强对微生物因素的考虑,因为它是膜污染的重要成因。在此基础之上,建立更好的反馈控制策略,最终达到优化工艺的目的。

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  图. AnMBR模型结合了生物模型ADM1, SMP(溶解性微生物产物)动力学 和过滤模型

  8. Anaerobic membrane bioreactors for biohydrogen production: Recent developments, challenges and perspectives

  作者:Aslam, M., Ahmad, R., Yasin, M., Khan, A. L., Shahid, M. K., Hossain, S., . . . Kumar, G

  这篇文章也刊登在2018年的《Bioresource Technology》里,作者来自巴基斯坦、韩国、马来西亚和挪威的大学。本文主要评估了AnMBR工艺用于生物产氢的实用性,对目前的研究进展和遇到新问题进行批判性的探讨。针对这些问题,作者介绍了一些可能可以克服这些障碍的技术。最后他们还就该理念的经济可行性进行了展望。

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  9. Anaerobic membrane bioreactors for antibiotic wastewater treatment: Performance and membrane fouling issues

  作者:Cheng, D., Ngo, H. H., Guo, W., Liu, Y., Chang, S. W., Nguyen, D. D., . . . Ni, B

  同样是一篇于2018年发表在《Bioresource Technology》的文章 。联名作者主要来自澳洲悉尼理工大学,也有天津城建大学、韩国京畿大学、越南维新大学的参与。去除污水中的抗生素是这篇综述的主题。作者评估了不同的AnMBR工艺去除抗生素的表现,以及抗生素对膜污染的影响。结果显示AnMBR能通过生物降解有效处理含有抗生素的污水,但抗生素的存在会加剧AnMBR的膜污染问题,例如影响污泥颗粒的体积、胞外聚合物(EPS)的分泌、溶解性微生物产物(SMP)的浓度以及微生物群落的组成。作者考察了生物膜载体和生物电化学系统两种辅助工艺,认为这种结合了辅助工艺的AnMBR是可行的,能有效抑制膜污染。

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  10. Application of anaerobic membrane bioreactors to municipal wastewater treatment at ambient temperature: A review of achievements, challenges, and perspectives.

  作者:Lei, Z., Yang, S., Li, Y. -., Wen, W., Wang, X. C., & Chen, R.

  最后一篇文章也是出自2018年的《Bioresource Technology》,作者来自西安建筑科技大学、东北大学。这篇文章主要考察了AnMBR用于市政污水常温处理的表现。结果显示AnMBR工艺的COD去除效率高,污泥产量低,只有0.04–0.09 g VSS/g COD。他们还对AnMBR中试项目进行调研,结果显示,虽然膜清洗需要消耗0.08–0.35 kWh/m3的能量,但这些中试反应器还可以实现能量盈余。这展示了AnMBR用于市政污水的潜力。尽管如此,作者认为还有一些问题尚待解决,例如膜污染控制、出水中的溶解性甲烷、低COD/硫酸态硫比,以及碱度不足等。最后作者对此提出了未来研究方向的建议。

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  小结

  通过这10篇较新的综述文章,大家能够对AnMBR的概况有一个比较清楚的认识。我们可以看到,膜污染问题是该工艺尚待解决的关键问题,而许多学者都认为结合了其他辅助技术的混合式AnMBR是可行的应对方法。目前真正的AnMBR商业案例也不多,感兴趣的读者可以搜索一下Veolia公司的Memthane(和Pentair合作)和Evoqua公司的ADI的资料作进一步了解。


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