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厌氧膜生物反应器(AnMBR)技术发展史及其在工业废水中的应用案例
更新时间:2021-09-24 来源: IWA国际水协会 作者: IWA国际水协会

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  2021年8月31日上午,由国际水协会主办的“AnMBR技术发展报告线上发布会暨第二期Water Tech Talk”网络研讨会成功举办。此次发布会邀请到日本东北大学教授李玉友、清华大学教授黄霞、西安建筑科技大学教授陈荣、苏伊士水务技术与方案中国区工艺工程总监罗敏博士以及滨特尔(Pentair)北美技术经理王付林博士,分享了AnMBR技术在工业废水和市政污水处理领域的发展、应用和挑战,并探讨了实现污水厂向能源工厂转变的机遇和解决路径。此次线上发布会共吸引国内外近600位同行参与,参会人员分布覆盖内地27个省市区和港澳地区以及部分海外国家。

  AnMBR是应对全球气候挑战的重要解决途径之一

  保持环境可持续性是我们目前面临的最严峻的挑战之一,气候变化、水资源短缺、能源资源匮乏等现象无一不加剧了这一挑战难度。长期以来,市政污水好氧微生物处理一直被认为是一个相对高能耗的过程。传统以“能耗换水质”的污水处理技术已经无法满足我们实现全球可持续发展的新需求。先进有效的污水技术不仅应满足去除水中污染物的要求,还能成为实现循环经济模式的重要手段,厌氧技术和膜分离相结合的厌氧膜生物反应器AnMBR技术被视为能实现上述多目标的重要技术路线之一。

  AnMBR技术发展的里程碑和现状

  AnMBR的概念最早于1978年由美国学者H.E.Grethlein提出,他首次使用外部错流式膜过滤技术处理化粪池污水,在实现生物质浓度增加的同时去除了 85-95% 的BOD。经过 2-3年的发展,AnMBR 系统的优势得到充分证明,开始在工业废水处理领域崭露头角。认识到 AnMBR 的价值后,美国政府和私营部门开始大量投资AnMBR 系统,其中,Dorr-Oliver公司于 1980 年代开发了全球首个商业化的 AnMBR 系统,称为“膜厌氧反应器系统 (MARS)” ,主要用于高浓度食品加工废水处理。1985年,日本政府启动了为期6年的国家研发项目——“水复兴90”(Aqua-Renaissance 90),聚焦工业与城市污水处理开发各种构型的AnMBR系统,并开展了7个场地试验。同一时期(1987年),“厌氧消化超滤 (ADUF)”技术的中试与工程规模的项目在南非落地。上述这些 AnMBR 系统主要基于外部错流配置实现,直到 1990年代,浸没式好氧MBR的成功极大地鼓励了浸没式 AnMBR(SAnMBR)的探索,研究也开始集中在系统性能、过滤特性、膜材料开发、膜污染识别与表征以及膜污染控制上。

  2000年4月,日本久保田公司(Kubota)开发了一种名为“KSAMBR”的 SAnMBR 工艺,首次实现了世界范围内的SAnMBR工程应用(TS浓度=30000-40000mg/L,高温条件设计膜通量=0.1m/d)。在之后的2006-2008年间,久保田公司相继建成了五座生产规模的AnMBR系统,用于处理高浓度的酿酒废水。类似地,美国ADI Systems公司(现被Evoqua收购)开发了专门用于食品废水处理的 ADI®️-AnMBR 系统,并于2008年升级Ken’s Foods马尔堡厂的厌氧工艺,设计建造了北美地区首个生产规模(378 m3/d)的AnMBR处理系统,COD 去除率高达 99.4%。近十年,一些国际水务巨头也相继推出以AnMBR为核心的工业废水处理方案并在全球范围内成功应用。

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1. AnMBR技术发展历史

  根据陈荣教授和李玉友教授提供的统计数据显示,有关AnMBR及主要方向研究的文献累计发表量自2012年之后迅速并持续增长,与之相关的公开专利数也呈上升趋势。AnMBR在工业废水处理领域,特别是高浓度有机废水(如食品加工废水、制浆造纸厂废水、纺织印染废水)方面已有很多成功的工程案例,但在市政污水处理领域仍未有大规模的应用。早在2011年,Perry McCarty教授就提出了AnMBR技术处理市政污水实现能耗中和的愿景,并在2016年进行了为期2年的市政污水全流程中试运行。

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2. Perry McCarty教授认为AnMBR技术处理市政污水能实现能耗中和 (陈荣, 2021)

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3. 2000-2019间有关AnMBR研究的论文数量 (Hu et al., 2020)

  AnMBR技术原理与构型

  AnMBR是一种集成厌氧消化和膜过滤技术的高度紧凑型生物反应器,可以同时实现污染物的去除和污泥分离。AnMBR的构型简单来说就是由厌氧消化单元和膜组件两部分组成。其中膜组件主要以三种不同的形式与厌氧生物反应器集成(图4):(1)内压外置式(external membrane filtration);(2)吸引浸没式(internal submerged membrane filtration);以及(3)吸引外置-浸没式(external submerged membrane filtration)。通常,外置式能提供更直接的膜污染流体动力学控制、高膜通量以及更方便的滤膜更换,但代价是频繁的膜清洁和高能耗。与外部配置相比,浸没式配置直接将膜组件放置于水体中,利用重力或泵实现过滤功能,其明显优势是能耗较低。吸引外置-浸没式AnMBR是前两种构型的结合,近年来收到了越来越多的研究关注。

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图 4.  AnMBR的三种典型构型 (陈荣, 2021)

  在AnMBR处理市政污水的实验室和中试规模的研究中,商业有机膜和陶瓷膜常与不同类型的厌氧生物反应器结合以开发新型 AnMBR系统。有机膜(0.018-0.4μm)在 AnMBR 系统中是首选,多由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成。与陶瓷膜相比,它们成本更低,填充密度更高,适用性更广泛。凭借其基本特性,有机膜可用于制造平板膜(flat-sheet)和中空纤维膜(hollow-fiber),陶瓷膜多用于制造管状膜(tubular membrane)。但随着材料科学的进步,一些新的膜构型不断被开发和应用,如 PVDF/PES 管状膜和平板陶瓷膜。

  作为一个集成系统,厌氧生物反应器与膜过滤装置的兼容性对于 AnMBR 的运行和维护很重要。常见的厌氧生物反应器包括完全混合厌氧反应器(CSTR)、升流式厌氧污泥床(UASB)、颗粒污泥膨胀床(EGSB)、厌氧流化床(AFB)等。CSTR 和 UASB 是AnMBR处理市政污水实验室规模和中试规模研究中最常用的厌氧生物反应器。CSTR系统中,滤膜直接暴露在大量污泥中;而在 UASB 系统中,主要是污泥上清液接触滤膜,膜污染问题不如 CSTR 系统严重。除了广泛的研究的CSTR和UASB厌氧消化反应器,近年来其他生物反应器,如 EGSB、AFB也被用于AnMBR的开发。基于 AFB 的 AnMBR 工艺已在不同规模上得到广泛研究,颗粒状活性炭的添加不仅可以支持微生物的附着生长,也可以在反应器内冲刷膜表面减轻污染。

  AnMBR在工业废水处理中的优势

  AnMBR在工业废水中成功应用突显了它的几大优势,包括:

  低浊度、低COD的高品质出水(COD去除率稳定>98%)

  通过膜解耦SRT和HRT,可实现长SRT,提高微生物的稳定性,保障出水水质

  高效截留悬浮固体和与脂质,提升了能源回收效率,降低了污泥产量,还避免了传统AD系统因污泥大量流失导致的系统处理不稳定问题

  可实现高负荷(10-15 kgCOD/m3/d)下的稳定运行,大幅度降低了占地面积

  后续好氧处理系统的剩余污泥可回流至AnMBR进行厌氧消化处理

  无需考虑污泥颗粒化问题,降低了系统启动与运行难度

  有机质甲烷化,CO2排放大幅减少,有望实现能源中和和碳减排

  在低温条件下可以维持较高的活性生物量,具有较稳定的处理效果

  污水中的营养物质不会被破坏,可考虑回收或直接再利用

  AnMBR的工业应用案例

  1. 美国密歇根州大溪城污水处理厂

  AnMBR在美国密歇根州大溪城污水处理厂的应用主要为处理其中1520m3/d的工业废水。该部分工业废水COD浓度高达1000-8000mg/L,如果直接排入市政污水厂将会造成很大的COD负荷冲击。另一方面,通过AnMBR还能实现能源回收资源化。苏伊士水务技术与方案的罗敏博士介绍,该项目于2020年年底建成,经AnMBR处理后,工业废水进入污水厂的COD小于500mg/L,且保证了较低的TSS水平。

  2. AnMBR在食品加工厂的应用

  滨特尔(Pentair)北美技术经理王付林博士介绍了AnMBR在美国南达科他州Jack Link牛肉干加工厂(以下简称JL厂)的应用案例。该案例中采用的是滨特尔外置式AnMBR工艺(图5)。外置膜为管式超滤膜,该环节的污泥回流至厌氧反应器,同时起到搅拌作用。考虑到甲烷的可燃可爆性和回收沼气中H2S气体的腐蚀性,滨特尔外置式AnMBR采用的是反冲洗方式而非沼气曝气来清洁膜。该控制膜污染的方式有两点主要的益处,一来降低了沼气曝气控制膜污染而产生的额外能耗,二来降低了设备的抗腐蚀等级要求从而降低关键设备的投资和维护成本。

  为了减少膜污染,滨特尔还开发申请了HELIX专利(图6)——管式膜内腔表面突起结构能够使通过的水流产生更多的湍流,水中的颗粒物更难吸附到膜表面从而减少膜污染。

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图 5.  Pentair X-Flow AnMBR工艺流程图 (王付林, 2021)

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6.  普通管式膜水流与HELIX管式膜水流对比 (王付林, 2021)

  在升级为AnMBR工艺之前,JL厂废水处理采用的是好氧曝气。随着JL厂的产量不断增加,产生的废水量和COD浓度不断升高,好氧曝气已无法满足处理需求。因此,JL厂选择了AnMBR工艺对系统进行升级改造。该项目的设计进水量为350t/d,进水COD浓度为14000mg/L,TSS浓度约3000-6000mg/L。经过处理,COD去除率可达到98%以上。近期由于JL厂产量再次增加,实际处理水量达到了400t/d,但目前的AnMBR系统仍能承载该负荷并有效运转。

  未完待续

  参考文献

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