厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBRs）能實現(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越多的關(guān)注。除了近來的探討熱點主流厭氧氨氧化，厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBRs）也吸引了不少公司企業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注，并對其進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)，在實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)出水的同時，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。一般說來，需要的進水COD不低于5000mg/L，流量不低于100m3/天。同時，AnMBR也可處理高鹽度或者高脂肪污水，如來自乳制品廠、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，能實現(xiàn)無好氧曝氣，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位于英國的一座牛奶廠的運行情況。該乳品廠年產(chǎn)牛奶10億升，是歐洲第一個AnMBR污水處理系統(tǒng)。系統(tǒng)于2013年投入運行，出水質(zhì)量很高，COD去除率高達99.5%（（有些文獻顯示，傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器只能達到80%），沼氣轉(zhuǎn)化率可達99%，產(chǎn)生的甲烷滿足了牛奶廠10%的能量需求，據(jù)說這個位于英國的Arla工廠是世界上第一個實現(xiàn)碳平衡的乳品廠。

經(jīng)過10余年的發(fā)展，在美國、歐洲和南非已有10多個污水廠采用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，主要有以下三個關(guān)鍵改進點：

?更好的預處理；

?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)通量增強技術(shù)(Helix)，讓其設(shè)計通量提高一倍，進一步降低AnMBRs的安裝和運行費用。

Memthane的工藝流程簡圖©VeoliaandPentair

從上述個案來看，AnMBRs的產(chǎn)能水平和能效表現(xiàn)都是很突出的。但總的來說AnMBRs工藝缺乏更多的實際工程運行數(shù)據(jù)，其運行表現(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)計和運行參數(shù)是關(guān)鍵的呢？對于這個問題，美國的伊利諾伊大學香檳分校和西班牙的瓦倫西亞理工大學的四位科學家嘗試用生命周期分析(LCA)的可量化方法來闡述細部設(shè)計和運行參數(shù)是如何影響整個浸入式AnMBRs系統(tǒng)在其完整生命周期的技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟可持續(xù)性。

他們的研究包括以下參數(shù)：

固體停留時間(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，甲烷產(chǎn)量、產(chǎn)率、營養(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估對象。

研究團隊運用量化可持續(xù)設(shè)計框架(QSD)來對上述因素進行分析。QSD設(shè)計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)運行模型(數(shù)據(jù)來自中試實驗和DESASS軟件的模擬)，b)LCC生命周期成本分析和c)生命周期評估LCA。通過分析發(fā)現(xiàn)，在某些設(shè)計和運行條件下，浸入式AnMBRs是可以實現(xiàn)能量自給甚至是盈余產(chǎn)能的。

研究團隊的研究報告中的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

研究團隊圍繞以下四個方面對結(jié)果進行了分析，展示了量化可持續(xù)設(shè)計(QSD)在優(yōu)化污水處理技術(shù)、能源和營養(yǎng)物質(zhì)回收技術(shù)上面的應(yīng)用前景。

單個設(shè)計和運行參數(shù)的相對重要性

不同因素的權(quán)衡分析

AnMBR工藝的優(yōu)化

解釋每個設(shè)計和運行參數(shù)是如何影響系統(tǒng)的可持續(xù)性

研究報告的結(jié)果和討論部分主要圍繞設(shè)計參、運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作為焦點指示參數(shù)來評估其廣義的環(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）對建造和運行的影響都是最大的。SRT在LCA的建造成本中有明顯影響，因為處理量直接影響了反應(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的運行管理影響分析中排名第二，因為它反映的是風機運行的耗電量。膜通量（J）則在LCC運行管理影響分析中排名首位，因為它反映了膜運行的壽命和更換維修產(chǎn)生的費用。

通過上述的分析，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機電耗是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)果對相關(guān)決策者非常有幫助，能幫助決策者根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況對工藝設(shè)計和運行進行最合適的選擇。

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)計和運行，以提高其技術(shù)的可持續(xù)性。未來AnMBRs可能適用于大部分的市政污水，因為這種工藝1.)能實現(xiàn)高質(zhì)量的出水，2.)由于不需要曝氣，能耗更少，3.)能通過產(chǎn)生的生物沼氣實現(xiàn)能量回收。

雖然研究團隊通過模擬計算，展現(xiàn)了通過使用AnMBRs工藝實現(xiàn)污水廠碳平衡的可能性，但是在實際工程應(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，在實際運行中，如何最大化地回收生物沼氣也是另一個有待解決的難題。