MABR工艺：污水厂实现能耗自给的可能性
现在市政污水处理所需能耗只是污水自身蕴含能量总量的25%-50%。目前的处理技术和工程实践并没有把这部分潜能完全开发出来，污水处理的能耗依然巨大。在英国，能耗占了整个水行业运行成本的15%；在美国，污水处理则占了整个国家耗电量的3%。随着发展中国家在公共卫生方面的完善以及发达国家对排放标准不断提高，可以预见污水处理的能耗需求将继续上涨。
大家都期盼着实现能量平衡的污水处理厂的出现。如何实现这个目标？一般认为有两条线同时走：
1. 污染物去除所需的能耗最小化
2. 有机物质转化为能源的效率最大化
这两条路线线的发展都需要技术的创新。IWA微信公众号曾分享过文章《水处理中的生物膜技术：趋势与挑战》，文中介绍了一种叫MBfR的工艺(Membrane Biofilm Reactor), 它是基于膜传导的生物膜反应器。美国的GE公司当年收购了Andrew Benedek的ZENON（泽能）后，利用ZENON的ZeeWeed膜，研发了一套基于MBfR工艺的市政污水解决方案。GE认为这是一套能实现能量平衡的方案，他们在2016年的IWA期刊Water Practice & Technology上发表了题为The role of innovative technologies in achieving energy-neutral wastewater treatment的文章，将这套方案与传统的活性污泥法进行了比较。他们的结果显示该处理方案的电耗减少了40%，而产能则增加了18%。
基于膜传导的生物膜反应器 (MBfR)中的气体通过膜（管式、中空纤维、平板）输送液相中，生物膜生长在膜的外部表面。目前有两种系统得到推广:
第一种是基于氢气的MBfR，它传送氢气作为电子供体到生物膜。
▲ MBfR的逆扩散传质原理图
另一种是基于氧气/空气的MBfR，传送氧气作为电子受体到生物膜。它另一个更为人熟知的名字叫MABR (membrane aerated biofilm reactor)。MBfR被认为能更好地控制电子传递，这使同步好氧/缺氧工艺（例如亚硝化/厌氧氨氧化）能通过清晰的氧化还原分层的生物膜得以实现。基于氧气/空气的MABR工艺的主要生厂商有GE的 ZeeLung™ 和爱尔兰的 OxyMem™.
▲ ZeeLung的反应器设计原理图
ZeeLung工艺很好地结合了COD/BOD的去除、硝化/反硝化和厌氧氨氧化。ZeeLung的其中一个用于三级硝化示范项目位于芝加哥的O’Brien再生水厂，规模为2300PE。而OxyMem™ 据称至少有9个工程应用案例，处理不同情况的的进水和出水，分布在日本、瑞典、西班牙、英国、爱尔兰和巴西等国。
▲ OxyMem的MABR组件
减能降耗、利用厌氧消化以及CHP热电联产技术回收能源是世界各地污水厂尝试实现能量自给的主要关注点。著名的奥地利Strass污水厂早在10年前就实现了能耗自给。另外在追求能量自给的同时，不能以牺牲水质为代价。厌氧消化的高氨氮出水依旧是一个挑战。尽管有短程反硝化和厌氧氨氧化等新工艺的出现，但是GE研究团队认为这些技术有以下的有待解决的问题：
1. 工艺条件：厌氧氨氧化尽管已经证明能处理高浓度的侧流消化液，但并未真正成功实现主流厌氧氨氧化，困难包括了低温、NOB菌的抑制等；
2. 工艺控制：传统的DO控制是不够的，还需在线的无机氮监测；
3. 出水和温室气体：目前这些工艺不能很好应对低氨氮浓度环境，这导致出水的亚硝态氮浓度增高，另外高亚硝态氮会释出一氧化二氮这个比二氧化碳强300倍的温室气体；
4. 成本：如果只用A/B工艺这种利用悬浮生长的双污泥系统来最大化捕捉碳源，成本会很高，而且也有文献认为侧流厌氧氨氧化的节能效率的效益可能并不是那么高；
5. 运行维护：因为厌氧氨氧化工艺较新，其运行维护的实际数据还有待时间验证。
上图就是研究团队提议的能实现能量自给的方案流程图。第一部分是强化的初沉处理，将一部分的有机物进行收集送入污泥处置环节。运用的设备是回转带式筛（rotating belt sieving）。这个环节的作用不是要将有机物质的收集最大化，因为还要为后续的反硝化脱氮工序提供足够碳源。这里会配备传统初沉池没有的工艺控制设备来调节有机物的去除率。
第二部分就是混合型MABR工艺 （Hybrid MABR）。它有点像用于浸入式MBR的中空纤维膜。空气通过从中空膜的孔径传递到外部的生物膜里，重点是不会形成气泡。这个工艺的关键亮点在于得到充分硝化的生物膜浸入在一个缺氧的悬浮生物质(anoxic suspended biomass)环境中。这种混合型MABR通过生物膜进行硝化，而通过反应器里悬浮生长微生物进行反硝化以及COD的去除。那些没被前端强化预沉池去除的有机固体有可能还没被氧化就跳过生物处理阶段进入污泥处置端。这时可以沿用已有的二沉池作固液分离，当然也可以用膜过滤系统来满足更高的出水要求。
虽然这种脱氮形式看上去与众不同，但实际上它的原理早已得到了验证，其实就是传统的自养硝化和异养反硝化的结合。只不过传统的硝化反硝化的一些限制通过混合MABR得到了解决：
1. 将氨氮转化为硝态氮是个高能耗过程。一般的微孔曝气的氧气传递效率是1-2kg氧气/kWh，而MABR的气体传递膜可以超过6kg氧气/kWh。相当于能效提高4倍。
2. 硝化自养微生物的生长速率缓慢，这意味着SRT的延长，最终要求更大的反应池。MABR通过生物膜来富集硝化菌，让这个过程可以在更短的SRT完成，所以反应器体积可以减小。
3. 曝气其实是微生物争夺溶解氧的过程。完全硝化也导致了大量COD的氧化。MABR反应器维持在缺氧(anoxic)的状态，这既限制了碳源的氧化，又为协同反硝化创造了有利环境。
4. 传统的反硝化需要外加碳源来满足严格的出水总氮要求。混合型MABR工艺的初沉出水COD能为后续反硝化所用，这减少了甚至去除了外加碳源的需要。
第三部分是对初沉池和二沉池的污泥进行混合厌氧消化。上述的回转带式筛能对污泥进行浓缩，是对污泥厌氧消化的积极补充。
第四部分就是CHP热电联产系统。
研究报告对这个基于混合型MABR的新方案与传统CAS活性污泥系统进行对比。参照物是一个日平均流量为18,925 m³/d的污水厂，关键进水参数是 BOD/SS/TN/TP = 220/220/40/7 mg/L。假设点包括：小时峰值流量是日平均的两倍，月峰值符合是平均值的1.35倍，冬天设计温度为15 °C。出水标准是 BOD/SS/TN/TP =15/15/10/1.0 mg/L。两个系统都包括完全硝化工序。两者运行组成对比总结为下表：
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组成部分 |
CAS 流程图 |
新能量自给系统流程图 |
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初沉处理 |
初始沉降 |
回转带式筛（RBS） |
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生物处理 |
CAS |
混合MABR |
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污泥处理 |
浓缩+厌氧消化(AD) |
剩余污泥与RBS的协同浓缩+AD |
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能量回收 |
CHP系统 |
CHP系统 |
工艺模拟程序通过Hydromantis公司的GPS-X软件进行，采用软件系统的默认参数。工艺模拟结果详情见下表。
污水厂总电耗如下表，这里指的电耗不包括泵的提升运输。
CAS生物处理和混合MABR的反应池平面图对比：
电耗平衡
CAS系统的单位电耗为0.29 kWh/m³。这跟他们参照的0.35-0.65 kWh/m³ 范围值要低。研究报告中认为有两个原因。第一是这里的能耗分析没包含泵输送的能耗；第二是这里假设污水厂的使用率是100%，而实际上很多污水厂都做不到。新的方案实现能量平衡，主要靠应用生物处理法能耗的减少（60%）以及生物沼气产量的提高(26%)。在CAS系统里，氧气传递效率和微生物的分离是不兼容的。有文献就显示SRT小于5天的时候，标准氧气传递效率就会大幅下降。
成本考虑
之前曾有研究人员用Hydromantis 公司的CapdetWorks软件来对包含MABR的处理系统和CAS系统进行成本分析。结果显示MABR系统的能耗大幅下降，影响成本效率的主要因素跟膜相关，例如膜的成本、寿命等。但GE团队的报告中并没将他们的新方案与CAS方案进行成本对比。他们也承认MABR膜的开发会增加项目的成本，但它能在一下方面节省投资成本：
· 减少生物反应池的体积(≈ 25%)
· 不再需要微孔曝气器
· 风机的体积可以减少(≈ 75%)
· 可以取消硝态氮的回流
· 可以无需外加碳源的投药设备
· 减少污水厂的总占地
另外在运行维护方面，实现能量自给和去除外加碳源的需要，这都能降低运行成本。
小结
这个基于MABR的解决方案似乎能在实现能量自给和保证优质出水之间找到很好的平衡点，而且能在基建方面，跟已有工艺设备线兼容，例如沿用传统的初沉池和二沉池，也可以和新型的盘式过滤机等膜过滤深度处理系统相结合。不过它在实际大型污水厂的表现会如何，还需真正的工程案例来证明。
参考资料
J. Peetersa, G. Vicevica, G. H. Koopsa and P. Côtéb, The role of innovative technologies in achieving energy-neutral wastewater treatment, Water Practice & Technology, Vol.11, No. 4