污水资源回收厂新尝试：厌氧膜生物反应器（AnMBR） 微藻膜反应器（MPBR）

好消息是，AnMBR反应器出水中的营养成分可以用来饲喂微藻，后者是一种生物质，通过水热液化(hydrothermal liquefaction)可以将它转化成生物燃料。很多研究都显示藻类可以吸收污水中的营养物。在净化污水的同时，又能生成有用的生物质，藻类因此成为近几年污水处理的一个新兴热点。

如果将AnMBR工艺的回收能量的优点和微藻膜反应器脱氮除磷的能力相结合，是否可以打造一个三合一的污水处理系统，通过它来同时实现污水净化、能量回收和资源回收？

悉尼科技大学和越南阮必成大学(Nguyen Tat Thanh University)的联合团队就搭建了一套厌氧膜生物反应器(AnMBR)+微藻膜式光生物反应器(MPBR)的组合系统，并对AnMBR的去除COD和产沼气的能力以及MPBR的脱氮除磷表现进行评估。他们的研究成果发表在进行2020年第19期的《环境技术与创新 (Environmental Technology & Innovation)》上。

设计理念
下图是这套系统的一个工艺流程图，污水先进入AnMBR反应器进行厌氧反应，将有机质转化成沼气(主要为甲烷和二氧化碳)，然后用泵将出水送至下一级的藻膜光生物反应器(MPBR)，又叫微藻膜反应器(MMR)。富含营养的AnMBR废水进入MMR反应器后，会生成小球藻，通过投加聚合物就可以对这些微藻进行提取富集。两个反应器里都装有超滤膜。

图1. AnMBR+MMR系统的流程图

AnMBR反应器设置
在这次实验里，研究团队用一个3L的玻璃反应器作为发酵罐（见下图），采用浸入式的中空超滤膜，材质为PVDF，表面积为0.02㎡。他们用实验室附近的一个污水处理厂的厌氧消化污泥来接种污泥，反应器进水为人工合成。关键参数见下表。
图2. 实验使用的AnMBR外观(左)
表1. AnMBR反应器主要参数

膜过滤采用9分钟过滤，1分钟静置的模式。研究人员对生成的沼气进行连续收集，并记录沼气的流量和主要成分的含量，尤其是甲烷、二氧化碳和氢气的浓度。能量回收率通过计算，他们假设沼气的含热量为22 MJ/m3（6.1kWh/m3），电转化效率为35％。

MPBR反应器设置

为了使微藻可以适应AnMBR的出水，他们用一个体积为1L的反应器来培养普通小球藻（Chlorella vulgaris），主要参数见下表。外观如上图2所示。

表2. 微藻培养池主要参数

MPBR部分采用的是一个1.5L的圆柱形玻璃反应器，也装有浸入式的中空超滤膜，膜通量为3.15 L/㎡/h 。主要参数见下表。

表3. MPBR反应器主要参数
图3. MPBR反应器的外观

MPBR一共运行了两个周期，每个周期时间为13天。他们投加聚丙烯酰胺聚合物，通过藻类的絮凝沉降来提取收集藻类生物质。

AnMBR的表现

结果显示，AnMBR 的COD去除率超过97%，沼气产率为 4.7±0.15 L/d，甲烷平均含量为64%。这相当于能从去除的每克COD中产出0.19L的甲烷，比理论最大值(0.35 L CH4/g COD)的一半多一点。

图4. AnMBR 的COD去除率（%）和沼气产率 (L/d)

这次实验的甲烷产量高于初始污泥或初始污泥+剩余污泥混合物的预期值，原因是实验回用的合成废水中生物可降解的有机碳含量很高。按照给定的沼气热值和电转化率，这个系统的能量产率相当于每天2.4 kWh / kg COD。

AnMBR出水氨氮和磷酸盐的浓度分别是进水的1.9和1.4倍，而且如下图5所示，两者浓度随时间逐渐增加。

图5. AnMBR出水的氮磷含量

微藻膜反应器的表现

如下图6所示，在12天的运行时间里，微藻的生物质浓度范围在450-700 mg/L之间：首先在前六天稳定增长，随后下降。产率在最初的140mg/L/天逐步降低至零。

研究者认为产率的持续下降很有可能是HRT偏低(24h)。此前对相同藻类的研究显示HRT要超过两天。另外，与常规污水处理一样，想要有稳定的去除效果，需要维持系统的营养平衡，也就是合适的C：N：P比。

他们认为将沼气从AnMBR阶段导入MPBR，可能有助实现系统的碳平衡，因为沼气中有足够CO2。但CO2可能会引起藻类生物质的酸化，以及甲烷的部分损失，后者会被部分溶解。

如下图6B所示，产率的下降会从营养物去除率上反映出来，尤其是氨氮。在开头的11天里，磷的去除率一直维持在80％以上，而同期的氮去除率则从约80％逐渐下降至约65％。而在第12天，氮磷的去除率均有显着下降。氮磷去除率的数据似乎显示了藻类生物质的生物积累需要持续的养分更新，没有发生生物同化，因为后者一般可以维持自身的生长。

图6. MPBR 的生物质浓度和产率(a)和营养物的去除效率(b)
投加阳离子聚合物是一种回收微藻生物质的有效手段。如下图7所示，研究人员对两种不同牌子商用阳离子聚合物的投加量对回收效果的影响进行比较，结果显示投加量都为36mg/g干重聚合物的回收率最高，为80-90%。具体的操作流程可参考下面的视频。
图7. 两种聚合物的生物质回收率对比
小结

总的来说，这项研究仍处于早期阶段，但初步结果表明：

  • 浸入式的厌氧膜生物反应器 (AnMBR) 可以有效回收高浓度废水中的能量， 能量产率高 2.4 kWh/kg COD(进料)/天;

  • AnMBR的COD去除率稳定在97%；

  • AnMBR出水的氮磷水平很高，可以作为下游培养微藻的膜光生物反应器(MPBR)的进料底物， 但要实现长时间的稳定运行，还需要对运行参数进行优化；

  • 商用的阳离子聚合物能有效回收生成的微藻生物质，回收率高达90%。

研究团队下一步工作的重点是对MPBR这部分进行优化，以实现一个真正可行的两段式工艺来回收水，能量和养分，打造新一代的污水资源回收工厂。

参考资料

A hybrid anaerobic and microalgal membrane reactor for energy and microalgal biomass production from wastewater, Minh T.Vu, Hang P.Vu,  Luong N.Nguyen, Galilee U.Semblante, Md Abu HasanJohir, Long D.Nghiem, Environmental Technology & Innovation, Volume 19, August 2020, 100834

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