CREST新文 | 伊斯坦布尔科技大学科研团队：用于污泥消化的厌氧膜生物反应器——现状与展望

导读

伊斯坦布尔科技大学科研团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“用于污泥消化的厌氧膜生物反应器——现状与展望（Anaerobic membrane bioreactors for sludge digestion: Current status and future perspectives, 2021, 51(18): 2119-2157）”的综述。

污水处理厂剩余污泥是实现能源中和的关键能源来源，而传统的厌氧消化池存在能耗高、出水水质差的缺点。厌氧膜生物反应器（Anaerobic membrane bioreactor，AnMBR）技术结合了厌氧消化和膜技术，在处理包括污泥在内的高浓度固体流方面很有前途。与传统的厌氧消化池相比，AnMBR可提高消化效率，在有限的占地面积下提高出水水质，且成本更低并能产生更多能源。此外，相比厌氧消化池中使用污泥上清液，AnMBR中养分回收或直接使用渗透液更可行。然而，膜污染会限制AnMBR处理污泥的可行性，这需要进一步研究。

图1 图文摘要

主要内容

厌氧消化过程将有机物转化为甲烷，在缺乏分子氧的情况下减少最终固体和致病微生物。目前，污水处理厂中高达50%的运营成本与处理和处置剩余污泥有关，但由于反应器占用空间大、水解和沼气产率低、工艺运行稳定困难，以及需要预浓缩以减小反应器尺寸和提高消化率，传统厌氧污泥消化工艺仍有改进的空间。

AnMBR可提高传统厌氧工艺效率，克服由于造粒不良而导致的生物量流失问题，用于处理具有高温、高盐度等极端特性的废水，是一种很有前途的处理城市污泥等高颗粒物废水/泥浆的技术。

为了实现AnMBR对污泥的高效处理和优化，需要更好地了解影响生物和处理性能的因素。文中总结了温度、污泥龄（SRT）、水力停留时间（HRT）、有机负载率（OLR）等设计参数和运行条件、污泥预处理、共消化以及添加吸附剂等因素对AnMBR生物性能的影响以及反应器配置、膜特性、操作条件和通量增强剂的添加对过滤性能的影响。

图2 研究内容

反应过程中温度升高后，产甲烷活性增加，导致产甲烷反应器中有机物去除效率提高。然而，在高温条件下，由于溶解速率的增加，会导致膜的渗透性能恶化。由于污泥龄(SRT)可以与水力停留时间(HRT)分离，AnMBR可以在更小的体积下运行，从而降低资本成本和热损失。此外，随着OLR的增加，COD去除率略有下降，但仍高于96%，这是由于膜将颗粒有机物全部保留在反应器中。

研究表明，淹没型AnMBR更适合于城市污水等低有机负荷污水。外部交叉流型似乎更常用于污泥消化，可以在高通量下操作，污垢控制更好，膜替换也更容易。此外，膜特性以及HRT、温度、模式等操作条件也会对渗透通量产生影响。

图3 污泥处理过程

在污泥处理过程中，AnMBR获得的替代产品有：（a）沼气，（b） 挥发性脂肪酸和（c）H2气体，得到的挥发性脂肪酸可用于强化反硝化和生物除磷，膜的一体化保留了发酵罐内的微生物和固体，从而更好地将有机物转化为挥发性脂肪酸。

然而，膜污染可能是影响AnMBR运行可行性的最关键的限制之一。膜清洗对于AnMBR的高效运行非常重要。根据污垢的性质，可以采用物理和/或化学膜清洗。物理清洗可用于去除可逆性污染，但不能有效防止不可逆污染，由于膜表面形成凝胶层，膜孔堵塞，需要化学清洗。

AnMBR与传统AD相比，由于更高的甲烷产量和更低的热损失，可能具有更有利的能量平衡。研究表明，综合考虑加热、泵送、混合、再循环所需的能量，AnMBR在各工况下的净能量平衡均优于传统厌氧消化池。

总结与展望

本综述评价了AnMBR处理废水污泥的研究现状，介绍AnMBR处理污泥的性能，并评价不同参数对生物反应器运行和膜过滤的影响。AnMBR技术有潜力克服传统厌氧消化池在污泥处理应用中遇到的局限性。通过解耦HRT和SRT, AnMBR可以实现小反应器占地面积和高渗透质量。此外，在AnMBR中保留固体和微生物将导致消化效率和甲烷产量的增加。但仍存在膜污染等问题，阻碍了AnMBR技术在污泥处理中的应用，且缺乏研究来论证AnMBR技术在污泥处理中的经济效益。在此背景下，应进一步研究中试和全规模AnMBR应用以及实验室研究。

第一和通讯作者简介

Amr Mustafa Abdelrahman，伊斯坦布尔技术大学环境工程系环境/环境卫生工程在读博士生，2018年于伊斯坦布尔技术大学获得理学硕士学位，曾获得2019年第六届MEMTEK国际膜技术与应用研讨会最佳口头报告奖。他目前的研究内容主要集中在废水和污泥处理、膜生物反应器等，已发表多篇SCI收录论文。

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|撰稿：李苏青

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

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