厌氧膜生物反应器（AnMBRs）能实现污水厂碳平衡？美西联合团队用LCA分析成功关键何在
厌氧膜生物反应器（AnMBRs）的英文全称为Anaerobic Membrane Bioreactors。该工艺结合了厌氧消化和膜技术，在实现优质出水的同时，回收了污水里的能量。AnMBRs不合适于处理低浓度污水水，而是适合处理高浓度污水。一般说来，需要的进水COD不低于5000 mg/L，流量不低于100m3/天。同时，AnMBR也可处理高盐度或者高脂肪污水，如来自乳制品厂、啤酒厂、肉类加工厂、食品加工厂和生物燃料厂的工业污水。
GE公司开发的 AnMBR工艺流程
理论上，AnMBRs工艺克服了污水处理实现真正意义可持续发展所面临的几大技术障碍，能实现无好氧曝气，污泥量少、能量回收等。不少知名工程公司也已经在世界各地进行工程应用，其中包括了GE、Pentair、威立雅等行业巨头。
Veolia Biothane曾于 Pentair X-Flow共同研发的Memthane工艺，一种外置式AnMBR。上图显示了Memthane工艺在丹麦著名乳制品公司Arla位于英国的一座牛奶厂的运行情况。该乳品厂年产牛奶10亿升，是欧洲第一个AnMBR污水处理系统。系统于2013年投入运行，出水质量很高，COD去除率高达99.5%（（有些文献显示，传统厌氧反应器只能达到80%），沼气转化率可达99%，产生的甲烷满足了牛奶厂10%的能量需求，据说这个位于英国的Arla工厂是世界上第一个实现碳平衡的乳品厂。
经过10余年的发展，在美国、欧洲和南非已有10多个污水厂采用Memthane技术。 业内人士介绍，Memthane目前已经发展到第二代，膜污染得到了很好的控制，主要有以下三个关键改进点：
➔ 更好的预处理；
➔ X-Flow改用垂直管式膜系统，有别于第一代的水平系统，垂直系统更便于操作以控制膜污染；
➔ X-Flow螺旋结构通量增强技术(Helix)，让其设计通量提高一倍，进一步降低AnMBRs的安装和运行费用。
Memthane的工艺流程简图
从上述个案来看，AnMBRs的产能水平和能效表现都是很突出的。但总的来说AnMBRs工艺缺乏更多的实际工程运行数据，其运行表现还有许多的不确定性，普遍存在的膜污染也阻碍了它的进一步发展和普及。
如果要提高AnMBRs工艺的表现，哪些设计和运行参数是关键的呢？对于这个问题，美国的伊利诺伊大学香槟分校和西班牙的瓦伦西亚理工大学的四位科学家尝试用生命周期分析(LCA)的可量化方法来阐述细部设计和运行参数是如何影响整个浸入式AnMBRs系统在其完整生命周期的技术、环境和经济可持续性。
他们的研究包括以下参数：
固体停留时间(SRT)
混合液悬浮固体浓度(MLSS)
污泥回流率(r)
膜通量(J)
单位膜面积的需气量 (SGD)
同时，甲烷产量、产率、营养物回收、和污泥的最终去向(土地利用、填埋或焚烧)等情况也是研究人员的评估对象。
研究团队运用量化可持续设计框架(QSD)来对上述因素进行分析。QSD设计框架整合了三种分析方法：a) 考虑了季节温度变化的静态运行模型(数据来自中试实验和DESASS软件的模拟)，b) LCC生命周期成本分析 和 c) 生命周期评估LCA。通过分析发现，在某些设计和运行条件下，浸入式AnMBRs是可以实现能量自给甚至是盈余产能的。研究团队的研究报告中的AnMBRs指的是浸入式(submerged)的工艺，但是并没有明确指明是内置浸入式还是外置浸入式。为此，我们找到了内置和外置两种形式的工艺流程图供读者参考。
图 a是内部浸入式 AnMBRs，图 b是外部浸入式 AnMBRs
研究团队围绕以下四个方面对结果进行了分析，展示了量化可持续设计(QSD)在优化污水处理技术、能源和营养物质回收技术上面的应用前景。
单个设计和运行参数的相对重要性
不同因素的权衡分析
AnMBR工艺的优化
解释每个设计和运行参数是如何影响系统的可持续性
研究报告的结果和讨论部分主要围绕设计参、运行成本以及生命周期环境影响的关系展开。研究人员使用GWP100作为焦点指示参数来评估其广义的环境影响。WP100指的是其100年内的全球变暖潜力值(global warming potential with a 100 year time horizon)。
如上图所示，通过Monte Carlo模型作出的分析表明在LCC和LCA分析中混合液悬浮固体浓度（MLSS）对建造和运行的影响都是最大的。SRT在LCA的建造成本中有明显影响，因为处理量直接影响了反应器的体积，这决定了建材用料量。由于同样的理由，污泥回流率（r）在LCC成本影响因素分析中排名第二。单位膜面积的需气量（SGD）则在LCA的运行管理影响分析中排名第二，因为它反映的是风机运行的耗电量。膜通量（J）则在LCC运行管理影响分析中排名首位，因为它反映了膜运行的寿命和更换维修产生的费用。
通过上述的分析，研究人员得出了初步结论为：池容和用于沼气反洗膜所需的风机电耗是AnMBRs系统的环境影响的主要因素，而池容和膜的数量则是建造成本的主要因素。这些结果对相关决策者非常有帮助，能帮助决策者根据当地的实际情况对工艺设计和运行进行最合适的选择。
AnMBRs工艺的主要挑战在于优化工艺的设计和运行，以提高其技术的可持续性。未来AnMBRs可能适用于大部分的市政污水，因为这种工艺1.) 能实现高质量的出水，2.) 由于不需要曝气，能耗更少，3.) 能通过产生的生物沼气实现能量回收。
虽然研究团队通过模拟计算，展现了通过使用AnMBRs工艺实现污水厂碳平衡的可能性，但是在实际工程应用AnMBRs工艺依然面临很多困难。膜堵塞等污染问题依然是阻碍该工艺进一步推广应用的重要致因。虽然AnMBR要在能耗方面优胜于传统活性污泥工艺，但反应器的建造和均匀搅拌等问题上仍有挑战。另外，在实际运行中，如何最大化地回收生物沼气也是另一个有待解决的难题。
参考文献
R. Pretel, B.D. Shoener, J. Ferrer, J.S. Guest, Navigating environmental, economic, and technological trade-offs in the design and operation of submerged anaerobic membrane, Water Research, Volume 87, 15 December 2015, P 531–541