?厭氧膜生物反應(yīng)器AnMBR研究進(jìn)展--推薦十篇綜述文章
總的來說，與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，AnMBR有出水水質(zhì)更好、剩余污泥少、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。但另一方面也存在嚴(yán)重膜污染、沼氣甲烷含量低、甲烷溶解率高、氮磷去除率低等問題。
圖. AnMBR的工藝流程示意圖，它旨在取代紅色虛線框內(nèi)的工序設(shè)備和占地面積
面對上述問題，在過去幾年里AnMBR工藝有沒有什么發(fā)展呢？我們推薦大家在一個叫The MBR Site的博客中尋找答案。博客的主人Simon Judd教授是MBR領(lǐng)域的專家,目前在英國Cranfield University任職。最近他在博客了寫了一篇文章，匯總了十篇關(guān)于AnMBR的綜述論文，這些論文都發(fā)表在經(jīng)同行評審的期刊上。我們覺得這些綜述非常值得一讀，所以在本期的微信推送里帶來簡介。若有欠妥之處，敬請指正。
圖. Simon Judd 教授和他的博客
這十篇文章都是近兩年才出版的綜述論文，其中六篇出自同一期刊《Bioresource Technology》。內(nèi)容涵蓋關(guān)鍵應(yīng)用(例如填埋滲濾液、非飲用回用、產(chǎn)氫和生物精煉)、工藝設(shè)計(jì)(模型、能耗和反應(yīng)器構(gòu)造等)。這樣看來，AnMBR的研究已經(jīng)有一定規(guī)模了。我們現(xiàn)在按照時間順序，從最新發(fā)表的文章來帶大家做回顧。
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).
本文的作者來自馬來西亞拉曼大學(xué)(Universiti Tunku Abdul Rahman)，原文發(fā)表在《Journal of Cleaner Production》上。本文總結(jié)了AnMBR技術(shù)在處理填埋場滲濾液以及生產(chǎn)生物沼氣方面的應(yīng)用情況，包括其效率、受限因素和對未來的展望。作者們指出目前世界絕大部分的城市固廢都是未經(jīng)處理就扔到垃圾填埋場里，這些填埋場會產(chǎn)生滲濾液。AnMBR技術(shù)為這些高濃度廢水的處理開辟了新的工藝思路。
圖. 影響AnMBR工藝表現(xiàn)的潛在因素
該文回顧評估了AnMBR處理滲濾液的應(yīng)用潛力及其近年的技術(shù)發(fā)展情況，介紹了一個實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的案例成果。同時，他們也審視AnMBR在此細(xì)分領(lǐng)域的局限性和支撐其未來發(fā)展的因素，例如膜污染問題是限制AnMBR大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙之一。總的來說，他們認(rèn)為基于AnMBR的垃圾產(chǎn)能符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，值得進(jìn)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).
本文作者分別來自冰島大學(xué)和韓國仁荷大學(xué)，原文刊登在美國的《Journal of Environmental Engineering》上。AnMBR在能耗方面的優(yōu)勢大家都已知一二，但它的出水回用效果如何呢？這篇綜述就對此進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)顯示AnMBR出水的COD值在4-170mg/L之間，而且不可避免會遇到膜結(jié)垢的問題，單位能耗在0.1-2.6 kWh/m3之間。另外作者認(rèn)為如果AnMBR要成為真正的可再生水回用技術(shù)，還要解決出水的甲烷回收問題，畢竟甲烷是比二氧化碳更強(qiáng)的溫室氣體。作者們考察了傳統(tǒng)的集中式AnMBR、分散式AnMBR和混合式AnMBR，尤其對混合式AnMBR的出水質(zhì)量和能量回收效果進(jìn)行比較分析。關(guān)注AnMBR能耗表現(xiàn)的讀者可能會對這篇綜述感興趣。
圖. 混合AnMBR處理合成或?qū)嶋H污水的出水質(zhì)量 (COD和BOD5): (a) AnMBRs + 攪拌顆粒; (b) AnMBRs + 吸附劑; (c) AnMBRs + 正滲透; (d) AnMBRs + 化學(xué)品; (e) AnMBRs + 電化學(xué); (f) 前處理 + AnMBRs; (g) AnMBRs + 后處理。
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.
該文發(fā)表在2019年的《Renewable and Sustainable Energy Reviews》上，作者是來自中國、日本和韓國高校的學(xué)者，包括華東師范大學(xué)的甄廣印博士、日本東北大學(xué)的李玉友教授和國立環(huán)境研究所的徐開欽教授。
圖. IMBP工藝的概念流程圖
這篇綜述總結(jié)了截至2019年的AnMBR研究進(jìn)展和商業(yè)應(yīng)用情況。作者們介紹了一個名叫IMBP(Integrated Multistage Bio-Process)的新一代AnMBR工藝。它包括了太陽能驅(qū)動的生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)、AnMBR、短程亞硝化/厭氧氨氧化(PN/A)、通過厭氧甲烷氧化(AOM)的硝態(tài)氮還原，以及生物/化學(xué)磷沉淀等工藝單元。這種由多種先進(jìn)生物工藝整合而成的系統(tǒng)，能對產(chǎn)生的甲烷進(jìn)行升級凈化、并實(shí)現(xiàn)對膜污染的原位控制，還解決了脫氮除磷和溶解性甲烷的問題。作者們認(rèn)為混合式AnMBR的發(fā)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.
圖. 作者總結(jié)的AnMBR工藝的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
這篇文章發(fā)表在2019年的《Bioresource Technology》上，作者們來自巴基斯坦、挪威、土耳其、韓國和法國等國家。本文的亮點(diǎn)在于從污水厭氧消化的基礎(chǔ)原理出發(fā)來分析目前AnMBR工藝遇到的問題和挑戰(zhàn)，并就膜污染問題提出了一些策略建議。他們也討論了各種創(chuàng)新的AnMBR反應(yīng)器設(shè)計(jì)，并就該工藝技術(shù)如何推廣表達(dá)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
該文刊于2019年的《Biofuels, Bioproducts and Biorefining》，兩位作者來自瑞典Bor?s大學(xué)的瑞典資源回收中心。作者指出AnMBR的厭氧菌生長緩慢，一般HRT長達(dá)20-60天，他們介紹了一種兩段式的 AnMBR工藝，它引入了沉降性能更好的顆粒污泥，用于處理有機(jī)固廢。第一段通過水解細(xì)菌溶解水中的固體物質(zhì)，然后過膜濾去不能降解的物質(zhì)，這些物質(zhì)有時會抑制其他菌的生長。過濾后的污水進(jìn)入第二段工藝，該反應(yīng)器是含有顆粒污泥的MBR，以保護(hù)敏感且生長緩慢的產(chǎn)甲烷菌。第一段水解消化可能會遇到木質(zhì)素等難降解的生物質(zhì)，又有可能遇到易降解物質(zhì)導(dǎo)致過快酸化的問題，他們就這些問題提出了解決建議。最后，他們對各種高密度顆粒污泥反應(yīng)器的原理、優(yōu)劣進(jìn)行了對比分析。
圖. 四種厭氧顆粒污泥生物反應(yīng)器系統(tǒng)的原理圖
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.
發(fā)表在2018年的《Bioresource Technology》，作者來自澳洲的臥龍崗大學(xué)、悉尼理工大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)。這篇文章考察了以AnMBR作為核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)污水中能量、營養(yǎng)物和水資源同時回收的潛力。并指出如果想用AnMBR工藝處理市政污水，有必要采取預(yù)濃縮的手段來促進(jìn)氮磷的回收。這也意味著要解決鹽度和抑制物的累積、膜污染和膜的穩(wěn)定性等問題。因此，本文作者也認(rèn)為和其他互補(bǔ)工藝的結(jié)合是解決AnMBR一些內(nèi)在問題的關(guān)鍵，并就此給出了后續(xù)研究的建議路線圖。
圖. 各種AnMBR反應(yīng)器構(gòu)造 (A: UASB; B: CSTR; C: AFBR；(D) 側(cè)流 (E) 浸入式 (F) 外置式 是和C整合的三種膜分離工藝
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
這是一篇發(fā)表在2018年《Bioresource Technology》上的綜述文章，聯(lián)名作者來自西班牙、韓國、法國和澳大利亞四國的大學(xué)。本文的關(guān)注點(diǎn)放在了AnMBR的工藝模型和控制上。作者認(rèn)為若要優(yōu)化AnMBR工藝，需要打造更成熟、具體的模型，以便加深對膜污染的認(rèn)識。他們認(rèn)為需要加強(qiáng)對微生物因素的考慮，因?yàn)樗悄の廴镜闹匾梢颉Ｔ诖嘶A(chǔ)之上，建立更好的反饋控制策略，最終達(dá)到優(yōu)化工藝的目的。
圖. AnMBR模型結(jié)合了生物模型ADM1, SMP(溶解性微生物產(chǎn)物)動力學(xué) 和過濾模型
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
這篇文章也刊登在2018年的《Bioresource Technology》里，作者來自巴基斯坦、韓國、馬來西亞和挪威的大學(xué)。本文主要評估了AnMBR工藝用于生物產(chǎn)氫的實(shí)用性，對目前的研究進(jìn)展和遇到新問題進(jìn)行批判性的探討。針對這些問題，作者介紹了一些可能可以克服這些障礙的技術(shù)。最后他們還就該理念的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了展望。
作者：Cheng, D., Ngo, H. H., Guo, W., Liu, Y., Chang, S. W., Nguyen, D. D., . . . Ni, B
同樣是一篇于2018年發(fā)表在《Bioresource Technology》的文章 。聯(lián)名作者主要來自澳洲悉尼理工大學(xué)，也有天津城建大學(xué)、韓國京畿大學(xué)、越南維新大學(xué)的參與。去除污水中的抗生素是這篇綜述的主題。作者評估了不同的AnMBR工藝去除抗生素的表現(xiàn)，以及抗生素對膜污染的影響。結(jié)果顯示AnMBR能通過生物降解有效處理含有抗生素的污水，但抗生素的存在會加劇AnMBR的膜污染問題，例如影響污泥顆粒的體積、胞外聚合物(EPS)的分泌、溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的濃度以及微生物群落的組成。作者考察了生物膜載體和生物電化學(xué)系統(tǒng)兩種輔助工藝，認(rèn)為這種結(jié)合了輔助工藝的AnMBR是可行的，能有效抑制膜污染。
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》，作者來自西安建筑科技大學(xué)、東北大學(xué)。這篇文章主要考察了AnMBR用于市政污水常溫處理的表現(xiàn)。結(jié)果顯示AnMBR工藝的COD去除效率高，污泥產(chǎn)量低，只有0.04–0.09 g VSS/g COD。他們還對AnMBR中試項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果顯示，雖然膜清洗需要消耗0.08–0.35 kWh/m3的能量，但這些中試反應(yīng)器還可以實(shí)現(xiàn)能量盈余。這展示了AnMBR用于市政污水的潛力。盡管如此，作者認(rèn)為還有一些問題尚待解決，例如膜污染控制、出水中的溶解性甲烷、低COD/硫酸態(tài)硫比，以及堿度不足等。最后作者對此提出了未來研究方向的建議。
通過這10篇較新的綜述文章，大家能夠?qū)nMBR的概況有一個比較清楚的認(rèn)識。我們可以看到，膜污染問題是該工藝尚待解決的關(guān)鍵問題，而許多學(xué)者都認(rèn)為結(jié)合了其他輔助技術(shù)的混合式AnMBR是可行的應(yīng)對方法。目前真正的AnMBR商業(yè)案例也不多，感興趣的讀者可以搜索一下Veolia公司的Memthane(和Pentair合作)和Evoqua公司的ADI的資料作進(jìn)一步了解。