AnMBR｜打造下一代污水厂的厌氧工艺
话说年前笔者参加了由江苏(宜兴)环保产业研究院(JIEI)和瑞典环境科学研究院(IVL)联合举办的一场高规格的下一代污水处理厂webinar，记忆犹新。其中一位嘉宾，英国Severn Trent水务公司的技术创新主管Pete Vale先生，介绍了在英国一个主流厌氧膜生物反应器 (AnMBR) 项目的最新进展。本文就分享一下这个项目的近况吧！
未来的污水处理厂是不是不再需要曝气？Severn Trent的技术创新主管Pete Vale先生认为未来的污水处理依然需要曝气设备，但不用现在那么多了。
Vale先生于1995年毕业于英国的Cranfield大学，在Severn Trent公司也已经工作超过18年了。这些年他一直致力于传统活性污泥的拓展升级的研究，或者再说白一点，就是测试不同曝气系统，看如何对现有系统进行优化。
Pete Vale先生
他表示，尽管世界各地的污水厂基本都采用活性污泥法，无论它如何具备灵活性，也不能否认它的一个缺点，就是非常消耗能源。
他认为污水处理技术是有可能发生重大改变的，这个变化过程终将使污水处理实现能量盈余和最大化的资源回收。
英国的2030大计
当然，要使这个愿景成真，需要付出实践。在英国伯明翰旁边的一个小镇Redditch上，有一座叫Spernal的污水厂，最近它成为了污水处理界的明星，因为Severn Trent公司选择在这个污水厂进行多项创新工艺的中试甚至是大规模测试。
Spernal污水厂进行的这些项目，其实是Severn Trent公司兑现其“三重碳承诺”(“Triple Carbon Pledge”)的实践，所谓的三重承诺指在2030年前实现净零排放、100%的可再生能源回收和100%的电力自给。
为何一间水务公司要给自己下这样的'战书'呢？这是因为英国的水务公司联合制定一个充满雄心壮志的目标，就是要在2030年实现净零碳排放。
英国的Net Zero 2030大计 | 图源：AquaTech
掐指一算，2030年已经不远了。在Vale看来，要在2030年前实现净零排放以及污水的循环回用，必须要有技术的创新。他说：“为了实现这个承诺，Spernal污水厂已经成为各种创新技术和工艺的试验床了。”
Spernal污水厂的实景 | 图源：KWR
好氧转厌氧？
据统计，欧洲有约22000座污水厂。欧洲每年的电耗有1%用于运行这些污水厂。
1％听起来感觉不多，但换种算法你就不这么认为了——Vale先生介绍说，Severn Trent每年在活性污泥法的曝气能耗就要花费约1500万英镑。在他看来，就是花了一大笔钱往一个混凝土池里吹泡泡。
他一直在想：如何才能让污水厂实现能量盈余？
在他看来，其中一个可能就是让污水处理工艺从传统高能耗的有氧处理转向厌氧处理。
Spernal污水厂的厌氧工艺路线图 | 图源: NextGen；中文设计：瓦村农夫
厌氧MBR
厌氧膜生物反应器(AnMBR)是在Spernal污水厂测试的工艺之一。这里的测试被誉为欧洲最大的AnMBR案例。
Spernal污水厂鸟瞰图 | 图源：KWR
从1990年代初开始，AnMBR工艺首先出现在工业废水领域。AnMBRs (Anaerobic membrane bioreactor)， 顾名思义，就是结合了厌氧消化和膜技术，在实现优质出水的同时，回收污水里的能量。
AnMBR旨在取代红色虚线框内的经典活性污泥工艺
之前行业一般认为AnMBR更适于处理高浓度废水(有人认为进水COD需高于5000 mg/L)，而不合适于处理低浓度废水。它适合处理的工业污水包括了乳制品厂、啤酒厂、肉类加工厂、食品加工厂和生物燃料厂等等。
但因为使用厌氧工艺可以大大降低用于曝气的能耗，以及减少污泥产量和污泥处理的成本，正因如此，Severn Trent公司想考察AnMBR处理城市污水的表现潜力。
AnMBR系统渲染图 | 图源：NextGEN
如上图所示，这套AnMBR系统主要有三部分组成：
UASB厌氧反应器
·技术供应商Waterleau
·首个模块化UASB
·3个20尺集装箱叠加而成
·包含颗粒污泥和三相分离器
·出水进入超滤膜组件
·沼气传到集气袋
超滤膜单元
·技术供应商SFC/Trant
·由2个20尺集装箱组成
·去除UASB出水的固体
·出水进入膜接触单元进行脱气
膜接触脱气单元
·技术供应商3M (Membrane)
·去除水中的溶解甲烷
·甲烷被送去集气单元
·出水进入离子交换营养回收单元
AnMBR系统流程图 | 设计:瓦村农夫
这个系统由Severn Trent公司和Cranfield大学共同开发，他们要研究厌氧处理如何能够适应像英国这样的低温多变的天气。
他们选中WATERLEAU的UASB的原因是看中后者的模块化设计，能更加灵活地进行预制件。其实他们早在2019年就建造了多流试验床，由于新冠疫情影响，这套系统被延迟到今年2月投产。
Waterleau的颗粒污泥
UASB中试反应器
营养回收
除了AnMBR常规水处理单元，Severn Trent公司在测试离子交换系统进行氮磷回收的表现。目前他们有一个10m³/天的反应器，有四个单元组成，包括了：
脱氮柱
·70L的沸石，接触时间10-30min
·出水氨氮>5mg/L后沸石需再生
·用NaCl或者KCl再生
除磷柱
·35L的混合阴离子树脂
·接触时间5-15min
·出水磷>2-3mg/L后需要再生
·用NaOH进行再生
氮回收
·使用氨气汽提或膜法分别生产浓度为3-5％的氨溶液或硫酸铵。再生剂被重复使用
磷回收
·加入氢氧化钙到再生剂中，生成磷酸钙沉淀
离子交换反应器-中试 | 版权: NextGEN
氮回收的沸石(左), 嵌入纳米粒子的离子交换材料用于磷回收(右)
运行表现
因为这个系统还没正式投产，他们目前只有UASB中试的运行数据，具体表现如下：
可以看到，这套模拟了Spernal大型系统的AnMBR系统系统的进水COD和BOD是比较低的，这使得UASB的运行变得很有挑战性， 毕竟厌氧反应一般需要较高的有机负荷。
可惜目前数据就这么多，因为MBR池的测试因为疫情的原因也被推迟了。另外他们虽然也有初步的甲烷产量数据，但他们认为目前的数据还不足以下任何结论。但总的来说，跟预期的目标还有一段距离。
农业联盟
除了对工艺性能进行优化，项目组还需要为回收的营养物寻找市场买家。目前来看，Severn Trent已经找到本地的买家了。
他们专门成立了一个农场联络小组，与该地区成熟的农业社区进行沟通。经厌氧消化后的污泥将被回收作土地利用，他们也会向当地的农民及时告知Severn Trent的最新研发进展。
“要发展循环经济，从一开始就需要将终端用户、农民和水务部门拉到一起进行对话，” Vale先生表示， “我们想搞清农民的需求，而不是我们可以生产什么。但可以肯定的是，当地农民已经意识到低碳农业的好处，而一些新资源(污水)可以帮助他们实现这一目标。”
Spernal污水厂AnMBR系统的储气池
资源回收创新中心
值得一提的是，除了AnMBR，还有其他几个创新水处理工艺在Spernal污水厂进行着测试，包括了基于DAF工艺的强化预处理、MABR工艺的中试、活性载体湿地除磷等。
这些项目都由Severn Trent的R2IC工作组统筹管理。R2IC是资源回收创新中心的缩写(Resource Recovery Innocation Center)，它是英国目前最大的污水创新测试基地，目的是寻求零排放的水处理技术。
另外，Spernal的AnMBR项目也属于NextGen十个示范项目之一。NextGen是一个欧盟地平线2020 (HORIZON 2020)资助的项目，其目标是通过10个示范项目，推动水循环方案的市场化。项目于2018年7月启动，为期四年，总预算达1138万欧元。
Christos Makropoulos是雅典国立技术大学的教授，同时也是荷兰KWR的首席科学家，后者是NextGen项目的牵头单位。他认为像Spernal这样的污水厂，完全有潜力成为当地的资源中心，不过前提是要解决一些来自法律法规的挑战，背后是供应链的问题。他希望到2030年，能看到每个成员国都有一个这样的示范污水厂，并成为数字时代新的商业模式。
但千里之行，始于足下，要实现碳中和，还是要从眼前的一座座污水厂做起。
参考资料
1.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0011916413000386?via%3Dihub
2.https://iwaponline.com/wpt/article/6/2/wpt2011032/21220/The-First-Two-Years-of-Full-Scale-Anaerobic
3.https://www.aquatechtrade.com/news/utilities/route-map-to-zero-carbon-for-uk-water/
4.http://www.fwr.org/wastewat/wransom42.htm
5.https://www.thembrsite.com/features/anaerobic-membrane-bioreactor-anmbr-process-control-1/
6.https://smartwatermagazine.com/news/kwr/building-nextgen-wastewater-treatment-systems
7.https://www.waterleau.com/en/news-events/news/the-birth-of-the-modular-uasb-get-smartlab-ready-with-waterleau