污水的能量回收目前仍以污泥厭氧消化為主，回收甲烷進行熱電聯(lián)產(chǎn)。從上世紀90年代初開始，在工業(yè)廢水領域出現(xiàn)了一種叫AnMBR的工藝。AnMBR，即厭氧膜生物反應器(英文全稱Anaerobic membrane bioreactors)， 結合了厭氧消化和膜技術，在實現(xiàn)優(yōu)質出水的同時，可以回收污水里的能量。
　　總的來說，與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，AnMBR有出水水質更好、剩余污泥少、運行成本低等優(yōu)點。但另一方面也存在嚴重膜污染、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的工序設備和占地面積
　　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》。內容涵蓋關鍵應用(例如填埋滲濾液、非飲用回用、產(chǎn)氫和生物精煉)、工藝設計(模型、能耗和反應器構造等)。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(Universiti Tunku Abdul Rahman)，原文發(fā)表在《Journal of Cleaner Production》上。本文總結了AnMBR技術在處理填埋場滲濾液以及生產(chǎn)生物沼氣方面的應用情況，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處理滲濾液的應用潛力及其近年的技術發(fā)展情況，介紹了一個實驗室規(guī)模的案例成果。同時，他們也審視AnMBR在此細分領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)模應用的主要障礙之一?？偟膩碚f，他們認為基于AnMBR的垃圾產(chǎn)能符合循環(huán)經(jīng)濟理念，值得進一步研究。
　　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和韓國仁荷大學，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？這篇綜述就對此進行了總結。文獻顯示AnMBR出水的COD值在4-170mg/L之間，而且不可避免會遇到膜結垢的問題，單位能耗在0.1-2.6 kWh/m3之間。另外作者認為如果AnMBR要成為真正的可再生水回用技術，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的出水質量和能量回收效果進行比較分析。關注AnMBR能耗表現(xiàn)的讀者可能會對這篇綜述感興趣。
　　
　　圖. 混合AnMBR處理合成或實際污水的出水質量 (COD和BOD5): (a) AnMBRs + 攪拌顆粒; (b) AnMBRs + 吸附劑; (c) AnMBRs + 正滲透; (d) AnMBRs + 化學品; (e) AnMBRs + 電化學; (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者，包括華東師范大學的甄廣印博士、日本東北大學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
　　這篇綜述總結了截至2019年的AnMBR研究進展和商業(yè)應用情況。
　　作者們介紹了一個名叫IMBP(Integrated Multistage Bio-Process)的新一代AnMBR工藝。它包括了太陽能驅動的生物電化學系統(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/化學磷沉淀等工藝單元。這種由多種先進生物工藝整合而成的系統(tǒng)，能對產(chǎn)生的甲烷進行升級凈化、并實現(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. 作者總結的AnMBR工藝的挑戰(zhàn)與機遇
　　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。本文的亮點在于從污水厭氧消化的基礎原理出發(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反應器設計，并就該工藝技術如何推廣表達了自己的看法。
　　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，用于處理有機固廢。第一段通過水解細菌溶解水中的固體物質，然后過膜濾去不能降解的物質，這些物質有時會抑制其他菌的生長。過濾后的污水進入第二段工藝，該反應器是含有顆粒污泥的MBR，以保護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素等難降解的生物質，又有可能遇到易降解物質導致過快酸化的問題，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器的原理、優(yōu)劣進行了對比分析。
　　
　　圖. 四種厭氧顆粒污泥生物反應器系統(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、悉尼理工大學和中國農業(yè)大學。這篇文章考察了以AnMBR作為核心技術實現(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，有必要采取預濃縮的手段來促進氮磷的回收。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，本文作者也認為和其他互補工藝的結合是解決AnMBR一些內在問題的關鍵，并就此給出了后續(xù)研究的建議路線圖。
　　
　　圖. 各種AnMBR反應器構造 (A: UASB; B: CSTR; C: AFBR；(D) 側流 (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。本文的關注點放在了AnMBR的工藝模型和控制上。作者認為若要優(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識。他們認為需要加強對微生物因素的考慮，因為它是膜污染的重要成因。在此基礎之上，建立更好的反饋控制策略，最終達到優(yōu)化工藝的目的。
　　
　　圖. AnMBR模型結合了生物模型ADM1, SMP(溶解性微生物產(chǎn)物)動力學 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。本文主要評估了AnMBR工藝用于生物產(chǎn)氫的實用性，對目前的研究進展和遇到新問題進行批判性的探討。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。最后他們還就該理念的經(jīng)濟可行性進行了展望。
　　
　　9. Anaerobic membrane bioreactors for antibiotic wastewater treatment: Performance and membrane fouling issues
　　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，也有天津城建大學、韓國京畿大學、越南維新大學的參與。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系統(tǒng)兩種輔助工藝，認為這種結合了輔助工藝的AnMBR是可行的，能有效抑制膜污染。
　　
　　10. Application of anaerobic membrane bioreactors to municipal wastewater treatment at ambient temperature: A review of achievements, challenges, and perspectives.
　　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、東北大學。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中試項目進行調研，結果顯示，雖然膜清洗需要消耗0.08–0.35 kWh/m3的能量，但這些中試反應器還可以實現(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。
　　
　　小結
　　通過這10篇較新的綜述文章，大家能夠對AnMBR的概況有一個比較清楚的認識。我們可以看到，膜污染問題是該工藝尚待解決的關鍵問題，而許多學者都認為結合了其他輔助技術的混合式AnMBR是可行的應對方法。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的資料作進一步了解。