厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBRs）能實(shí)現(xiàn)污水廠碳平衡？

由于好氧曝氣工藝能耗巨大，厭氧工藝在污水處理中收到了越來(lái)越多的關(guān)注。除了近來(lái)的探討熱點(diǎn)主流厭氧氨氧化，厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBRs）也吸引了不少公司企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，并對(duì)其進(jìn)行了不同程度的工程應(yīng)用嘗試。

厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBRs）的英文全稱為AnaerobicMembraneBioreactors。該工藝結(jié)合了厭氧消化和膜技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)出水的同時(shí)，回收了污水里的能量。AnMBRs不合適于處理低濃度污水水，而是適合處理高濃度污水。一般說(shuō)來(lái)，需要的進(jìn)水COD不低于5000mg/L，流量不低于100m3/天。同時(shí)，AnMBR也可處理高鹽度或者高脂肪污水，如來(lái)自乳制品廠、啤酒廠、肉類加工廠、食品加工廠和生物燃料廠的工業(yè)污水。

GE公司開發(fā)的AnMBR工藝流程©GE

理論上，AnMBRs工藝克服了污水處理實(shí)現(xiàn)真正意義可持續(xù)發(fā)展所面臨的幾大技術(shù)障礙，能實(shí)現(xiàn)無(wú)好氧曝氣，污泥量少、能量回收等。不少知名工程公司也已經(jīng)在世界各地進(jìn)行工程應(yīng)用，其中包括了GE、Pentair、威立雅等行業(yè)巨頭。

VeoliaBiothane曾于PentairX-Flow共同研發(fā)的Memthane工藝，一種外置式AnMBR。上圖顯示了Memthane工藝在丹麥著名乳制品公司Arla位于英國(guó)的一座牛奶廠的運(yùn)行情況。該乳品廠年產(chǎn)牛奶10億升，是歐洲第一個(gè)AnMBR污水處理系統(tǒng)。系統(tǒng)于2013年投入運(yùn)行，出水質(zhì)量很高，COD去除率高達(dá)99.5%（（有些文獻(xiàn)顯示，傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器只能達(dá)到80%），沼氣轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%，產(chǎn)生的甲烷滿足了牛奶廠10%的能量需求，據(jù)說(shuō)這個(gè)位于英國(guó)的Arla工廠是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)碳平衡的乳品廠。

經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展，在美國(guó)、歐洲和南非已有10多個(gè)污水廠采用Memthane技術(shù)。業(yè)內(nèi)人士介紹，Memthane目前已經(jīng)發(fā)展到第二代，膜污染得到了很好的控制，主要有以下三個(gè)關(guān)鍵改進(jìn)點(diǎn)：

?更好的預(yù)處理；

?X-Flow改用垂直管式膜系統(tǒng)，有別于第一代的水平系統(tǒng)，垂直系統(tǒng)更便于操作以控制膜污染；

?X-Flow螺旋結(jié)構(gòu)通量增強(qiáng)技術(shù)(Helix)，讓其設(shè)計(jì)通量提高一倍，進(jìn)一步降低AnMBRs的安裝和運(yùn)行費(fèi)用。

Memthane的工藝流程簡(jiǎn)圖©VeoliaandPentair

從上述個(gè)案來(lái)看，AnMBRs的產(chǎn)能水平和能效表現(xiàn)都是很突出的。但總的來(lái)說(shuō)AnMBRs工藝缺乏更多的實(shí)際工程運(yùn)行數(shù)據(jù)，其運(yùn)行表現(xiàn)還有許多的不確定性，普遍存在的膜污染也阻礙了它的進(jìn)一步發(fā)展和普及。

AnMBRs的生命周期分析研究

如果要提高AnMBRs工藝的表現(xiàn)，哪些設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)是關(guān)鍵的呢？對(duì)于這個(gè)問題，美國(guó)的伊利諾伊大學(xué)香檳分校和西班牙的瓦倫西亞理工大學(xué)的四位科學(xué)家嘗試用生命周期分析(LCA)的可量化方法來(lái)闡述細(xì)部設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)是如何影響整個(gè)浸入式AnMBRs系統(tǒng)在其完整生命周期的技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。

他們的研究包括以下參數(shù)：

固體停留時(shí)間(SRT)

混合液懸浮固體濃度(MLSS)

污泥回流率(r)

膜通量(J)

單位膜面積的需氣量(SGD)

同時(shí)，甲烷產(chǎn)量、產(chǎn)率、營(yíng)養(yǎng)物回收、和污泥的最終去向(土地利用、填埋或焚燒)等情況也是研究人員的評(píng)估對(duì)象。

研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用量化可持續(xù)設(shè)計(jì)框架(QSD)來(lái)對(duì)上述因素進(jìn)行分析。QSD設(shè)計(jì)框架整合了三種分析方法：a)考慮了季節(jié)溫度變化的靜態(tài)運(yùn)行模型(數(shù)據(jù)來(lái)自中試實(shí)驗(yàn)和DESASS軟件的模擬)，b)LCC生命周期成本分析和c)生命周期評(píng)估LCA。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在某些設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件下，浸入式AnMBRs是可以實(shí)現(xiàn)能量自給甚至是盈余產(chǎn)能的。

研究團(tuán)隊(duì)的研究報(bào)告中的AnMBRs指的是浸入式(submerged)的工藝，但是并沒有明確指明是內(nèi)置浸入式還是外置浸入式。為此，我們找到了內(nèi)置和外置兩種形式的工藝流程圖供讀者參考。

圖a是內(nèi)部浸入式AnMBRs，圖b是外部浸入式AnMBRs

研究團(tuán)隊(duì)圍繞以下四個(gè)方面對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，展示了量化可持續(xù)設(shè)計(jì)(QSD)在優(yōu)化污水處理技術(shù)、能源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收技術(shù)上面的應(yīng)用前景。

單個(gè)設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)的相對(duì)重要性

不同因素的權(quán)衡分析

AnMBR工藝的優(yōu)化

解釋每個(gè)設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)是如何影響系統(tǒng)的可持續(xù)性

研究報(bào)告的結(jié)果和討論部分主要圍繞設(shè)計(jì)參、運(yùn)行成本以及生命周期環(huán)境影響的關(guān)系展開。研究人員使用GWP100作為焦點(diǎn)指示參數(shù)來(lái)評(píng)估其廣義的環(huán)境影響。WP100指的是其100年內(nèi)的全球變暖潛力值(globalwarmingpotentialwitha100yeartimehorizon)。

如上圖所示，通過(guò)MonteCarlo模型作出的分析表明在LCC和LCA分析中混合液懸浮固體濃度（MLSS）對(duì)建造和運(yùn)行的影響都是最大的。SRT在LCA的建造成本中有明顯影響，因?yàn)樘幚砹恐苯佑绊懥朔磻?yīng)器的體積，這決定了建材用料量。由于同樣的理由，污泥回流率（r）在LCC成本影響因素分析中排名第二。單位膜面積的需氣量（SGD）則在LCA的運(yùn)行管理影響分析中排名第二，因?yàn)樗从车氖秋L(fēng)機(jī)運(yùn)行的耗電量。膜通量（J）則在LCC運(yùn)行管理影響分析中排名首位，因?yàn)樗从沉四み\(yùn)行的壽命和更換維修產(chǎn)生的費(fèi)用。

通過(guò)上述的分析，研究人員得出了初步結(jié)論為：池容和用于沼氣反洗膜所需的風(fēng)機(jī)電耗是AnMBRs系統(tǒng)的環(huán)境影響的主要因素，而池容和膜的數(shù)量則是建造成本的主要因素。這些結(jié)果對(duì)相關(guān)決策者非常有幫助，能幫助決策者根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況對(duì)工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行最合適的選擇。

AnMBRs與污水廠碳平衡

AnMBRs工藝的主要挑戰(zhàn)在于優(yōu)化工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，以提高其技術(shù)的可持續(xù)性。未來(lái)AnMBRs可能適用于大部分的市政污水，因?yàn)檫@種工藝1.)能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的出水，2.)由于不需要曝氣，能耗更少，3.)能通過(guò)產(chǎn)生的生物沼氣實(shí)現(xiàn)能量回收。

雖然研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬計(jì)算，展現(xiàn)了通過(guò)使用AnMBRs工藝實(shí)現(xiàn)污水廠碳平衡的可能性，但是在實(shí)際工程應(yīng)用AnMBRs工藝依然面臨很多困難。膜堵塞等污染問題依然是阻礙該工藝進(jìn)一步推廣應(yīng)用的重要致因。雖然AnMBR要在能耗方面優(yōu)勝于傳統(tǒng)活性污泥工藝，但反應(yīng)器的建造和均勻攪拌等問題上仍有挑戰(zhàn)。另外，在實(shí)際運(yùn)行中，如何最大化地回收生物沼氣也是另一個(gè)有待解決的難題。