微精选

第一作者：雷振 博士

通讯作者：陈荣 教授、李倩 教授

论文DOI: 10.1016/j.watres.2024.122371

图文摘要

成果简介

近日，西安建筑科技大学陈荣教授团队在Water Research上发表了题为“Synergic treatment of
domestic wastewater and food waste in an anaerobic membrane bioreactor demo
plant: Process performance, energy consumption, and greenhouse gas emissions”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2024.122371)，研究人员利用厌氧膜生物反应器（AnMBR）示范厂在环境温度（7~28℃）下协同处理生活污水和餐厨垃圾，考察了AnMBR装置的性能、能耗和温室气体排放。在环境温度，进水COD较低（320.5 ± 35.2 mg/L）的情况下，AnMBR实现了80.4% ± 3.9%的COD去除率，且性能稳定，这主要得益于膜截留延长了污泥停留时间，避免了高分子量有机物的流失。沼气和甲烷产量分别平均为63.4 ± 1.6 L/m³-_进水和0.264 ± 0.043 LCH₄/gCOD_去除。甲烷回收的电能可补偿AnMBR运行所需电能的49.4%～93.1%。在HRT 10 h下，净电能消耗和全球变暖潜势（GWP）仅为0.05 kWh/m³和0.051 kg CO₂-eq/m³。通过进一步优化，AnMBR有望实现能量平衡和碳中和。

全文速览

本研究探索了在环境温度下使用AnMBR技术对独立园区中生活污水（DWW）与餐厨垃圾（FW）进行协同处理的可行性，以实现能量回收最大化。研究结果证实了AnMBR在低强度废水能源回收与碳减排方面的优势，提出系统优化调控的关键参数。

引言

AnMBR 对DWW和FW进行协同处理的全面调查与评估，特别是在常温条件下的研究，目前尚未得到充分的探索。本研究中，生活污水和餐厨废水在源头收集混合，然后在位于独立校园内的AnMBR示范工厂中进行处理。研究了在不同操作条件下有机污染物去除效率、产甲烷特性和膜过滤性能，并计算了能量平衡和温室气体排放量。

图文导读

AnMBR污染物去除及产甲烷性能

Fig. 1. Process flow diagram (a) and photo (b) of the AnMBR
demo plant. Copyright 2024, Elsevier Inc.

Fig. 2. Overall pollutants removal and methane
production performance of the AnMBR, (a) operational temperature and HRT; (b)
COD removal efficiency; (c) correlation between COD removal efficiency and
operation temperature; (d) correlation between the concentration of dissolved
organics in the mixed liquor and operation temperature; (e) biogas production
and CH4 proportion; (f) methane yield at different stages. Copyright 2024,
Elsevier Inc.

运行稳定后，AnMBR在环境温度下（7~27℃）实现了稳定的COD去除效率（80.4% ± 3.9%），且COD去除效率与温度呈正相关（p<0.01）。此外，系统表现出稳定的产甲烷性能，表明环境温度下AnMBR协同处理DWW和FW能够实现稳定产沼气。然而，出水中的溶解甲烷（D-CH₄）浓度达到8.5~14.8 ml/L-_Infflent，占总甲烷产量的14.2%~28.1%，凸显了在环境温度下D-CH₄的重要性。

膜过滤性能

Fig. 3. Filtration performance of the AnMBR, (a) MWs distribution of dissolved
organics in the mixed liquor and permeate; (b) rejection efficiency of the
membrane to organics with different MWs at different fouling stages. (c)
rejection efficiency AnMBR to (c1) total dissolved organics, (c2) protein, and
(c3) carbohydrate in the mixed liquor at different
stages; (d) correlation between TMP and membrane
rejection efficiency to (d1) total dissolved organics, (d2) protein, and (d3)
carbohydrate in the mixed liquor. Copyright 2024, Elsevier Inc.

AnMBR（附有污染物的膜）对分子量100 kDa的有机物截留率超过98%，对0.5~10 kDa和小于0.5 kDa的有机物截留率较低（分别小于60%和40%），显著高于未受污染的膜，表明膜污染物在提高截留效率中起关键作用。不同有机组分而言，AnMBR截留效率依次为：碳水化合物 > 总有机物 > 蛋白质。

AnMBR膜污染控制

Fig. 4. Membrane fouling development at different operational
conditions. (a) overall TMP variation during the AnMBR operation; TMP variation in single filtration cycle at (b1) S_II,
(b2) S_IV, and (b3) S_V; (b4) the relation between flux/SGD_mratio and TMP at different flux. The star marked in figure (a) represents
chemical cleaning. Copyright 2024, Elsevier Inc.

低温条件下AnMBR的稳定运行高度依赖于膜污染控制。在恒定膜通量下，TMP与Flux/SGD_m比线性相关。随着膜通量增加，增加该比率对膜污染控制更为有效。建议在设计和操作AnMBR时采用Flux/SGD_m比作为指导参数。在设计阶段，通过实验室研究或查阅文献建立最不利操作条件，确定最大沼气循环流量。

能量平衡

Fig. 5. Energy (a) consumption and (b) recovery potential of the AnMBR at
different operation stages. Copyright 2024, Elsevier Inc.

Fig. 6. (a) NEP_e, (b) NEP_h, and (c) NEP
of the AnMBR at different operation stages. Copyright 2024, Elsevier Inc.

AnMBR运行的电能消耗在0.261~0.425 kW·h/m³间，其中生物气曝气的能耗占总能耗的49.9%–68.0%，为最耗能的单元。若使用膜接触器回收D-CH₄，则能耗增加到0.269至0.433 kW·h/m³。甲烷用于热电联产时AnMBR的净能量（NEP）为-0.044~0.336 kW·h/m³，净电能（NEP_e）为–（0.050~0.225） kW·h/m³，且有0.253–0.370 kW·h/m³的净热能剩余（NEP_h）。基于COD去除率和膜性能，本研究推荐AnMBR处理低浓度废水的HRT为10 h，此时NEP_e和NEP_h分别为-0.050和0.280 kW·h/m³，NEP为0.137 kW·h/m³。

温室气体排放

Fig. 7. (a) Global warming potential of the AnMBR and (b) sensitivity analysis. Copyright 2024, Elsevier Inc.

AnMBR的总GWP为0.202~0.406 kgCO₂-eq/m³，远低于传统活性污泥（CAS）系统。电能消耗占GWP的52.1%~69.3%，D-CH₄溢出贡献12.7%~15.5%。膜清洗相关过程占GWP的4.5%~10.3%。通过热电联产（CHP）回收电能和热能可使AnMBR的净GWP降至0.181 kgCO₂-eq/m³以下，最低达到0.051 kgCO2-eq/m³，较传统好氧处理工艺降低85%。SGD_m、OLR、膜通量和温度是影响GWP的主要因素，在HRT 10 h，当SGD_m降至0.60 m³/m²/h时，AnMBR有望实现碳中和。

小结

本工作探讨了AnMBR协同处理DWW和FW示范工厂的发酵效能及膜污染控制策略，评估了该系统的能量平衡和温室气体排放。证实了AnMBR在低强度有机废水处理与能源回收方面的优势，明确了AnMBR处理低强度废水系统高效运行的关键参数，为系统的优化设计与运行提供了重要参考。

作者介绍

雷振：西安建筑科技大学师资博士后，硕士生导师，入选西安市青年人才托举计划。从事污水资源化领域的研究和教学工作，主持国家自然科学青年基金、国家博士后基金等项目5项，在Water
Research等期刊发表第一作者SCI一区论文10篇，授权/受理发明专利7项。获陕西省科技进步一等奖、陕西高校科学技术特等奖、一等奖等。

李倩：西安建筑科技大学环境与市政工程学院教授，博士生导师，入选陕西高校青年杰出人才、陕西省科技新星。担任国际水协（IWA）青年指导委员会委员、IWA中国青年委员会副主席、日本学术振兴会（JSPS）海外特别研究员、Frontiers
of Environmental Science & Engineering青年编委、环境工程学报青年编委。从事废水/废弃物资源化领域的研究，以一作/通讯发表论文40余篇，授权国家发明专利3项，主编团体标准1部。获陕西省科技进步一等奖1项（第二）、陕西高校科学技术特等奖2项（第一，第二）、陕西环保青年科技奖1项。

陈荣：西安建筑科技大学副校长，教授，博士生导师，国际水协会（IWA）会士。国家杰出青年科学基金、陕西青年科技奖获得者。现任西北水资源与环境生态教育部重点实验室主任，同时担任H2Open
Journal期刊主编、Journal of Water Process
Engineering期刊副主编、中国环境科学学会理事等。从事污废水资源化领域的研究和教学工作，先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划等科研项目20余项，发表第一/通讯作者SCI论文60余篇，授权发明专利8项。获国家科技进步二等奖、陕西省科技进步一等奖、IWA全球项目创新奖、陕西高等学校科学技术特等奖等。

备注：

Permissions
for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright
2024, Elsevier Inc

参考文献：

Zhen
Lei, Jiale Zheng, Jiale Liu, Qian Li, Jingjing Xue, Yuan Yang, Zhe Kong, Yu-You
Li, Rong Chen, Synergic treatment of domestic wastewater and food waste in an
anaerobic membrane bioreactor demo plant: Process performance, energy
consumption, and greenhouse gas emissions, Water Research, 2024, 266:122371

文章链接: 

https://www./science/article/pii/S0043135424012703