1、文章栏目：面向减污降碳协同增效的污水处理系统运行管理研究与实践专题DOI10.12030/j.cjee.202302103中图分类号X703.1文献标识码A王启镔,张艺磊,常风民,等.基于膜分离的原污水碳源浓缩与能量平衡分析J.环境工程学报，2023,17(6):1769-1777.WANGQibin,ZHANG Yilei,CHANG Fengmin,et al.Carbon source concentration and energy balance analysis of raw sewage based on membraneseparationJ.ChineseJournalofE
2、nvironmentalEngineering,2023,17(6):1769-1777.基于膜分离的原污水碳源浓缩与能量平衡分析王启镔1，张艺磊2，常风民1，高志永2，王凯军1，1.清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084；2.中持水务股份有限公司，北京100192摘要将污水中蕴含大量的有机物收集浓缩转化成甲烷等可利用能源，是污水资源化利用的重要方式。利用膜分离作用，将原污水的有机物直接收集浓缩，并探索最佳运行参数和操作策略。结果表明，截留有机物停留时间为 34d 较合适，耗氧污染物(以 COD 计)回收率超过 90%。能量平衡分析显示，通过回收有机物转化为甲
3、烷能量为 0.0876kWh1m3，回收量占总能耗的 33%。中孔纤维膜表面形成的吸附性滤饼层阻止有机物与膜紧密结合，提高了膜分离效率。进一步解析了膜污染控制机理，以探索提高耗氧污染物(以 COD 计)浓缩效率的优化方案。本研究结果可为污水碳源捕获方法的研究提供参考，对城市水务行业碳减排工作有积极意义。关键词市政污水；碳源浓缩；能源自给；膜污染控制活性污泥法操作简单、运行稳定，对有机物的去除效率较高，已被广泛应用于污水处理工艺中。然而，该工艺曝气环节能耗高，往往还需要投加大量药剂(外碳源、除磷剂等)，会造成巨大的能源消耗和温室气体排放。在化石燃料能源危机明显的情况下，研究者和环保工程师开始重视
4、对工艺的节能减排优化1-3。在双碳背景下，研究以节能降耗和资源回收为目标的可持续污水低碳处理技术很有必要4-6，并进一步设计绿色的污水处理技术路线7，以推动水务行业转型升级。我国污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的 128。污水处理的碳循环设计决定了污水处理厂的能源自给率及碳中和运行的实现9。由于城市污水中的有机碳源蕴含丰富的化学能和热能，如何高效提取污水中有机物的方法至关重要。奥地利斯特拉斯(Strass)污水处理厂以主流传统工艺(AB 法)与侧流现代工艺(厌氧氨氧化)相结合处理方式，最大化回收进水中有机物。在 2002年之前，该厂的厌氧消化工艺产出的 CH4转化电能最多只能满足该厂约 8
5、0%的用电量。在 2005 年该厂的脱氮工艺改造为自养脱氮工艺(DEMON)后，产 CH4后的发电量已超过耗电量10，使得该厂成为污水厂碳中和运行的先驱，为污水处理行业能源回收利用提供了成功范例。然而，由于该技术的运行过程繁琐，推广应用较困难。研究者通过化学强化城市污水预浓缩效果，并将浓缩液经过厌氧消化生成沼气，亦可作为能源加以利用11。但该方法式需投加大量铁盐和铝盐，且效率较低。李梅等12用生物吸附的方法研究了污水预浓缩效果，活性污泥对有机物吸附量不到 300mgg1，吸附量仍偏小，后续厌氧消化效率较低。GONG 等13将污水膜过滤技术应用在污水预处理中，以实现从污水中回收多种资源，包括高质
6、量的水、生物能源和有价值的营养素。MEZOHEGYI 等14收稿日期：2023-02-20；录用日期：2023-04-24第一作者：王启镔(1983)，男，博士，高级工程师，；通信作者：王凯军(1960)，博士，教授，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:(010)62941074发现，曝气震动膜生物反应器在浓缩有机物的同时会造成生物降解导致耗氧污染物(以 COD 计)损失。杨媛15构建了两级动态膜反应器污水浓缩和厌氧发酵产能
7、工艺，通过污水处理和浓缩液厌氧发酵，可产生的能量折算为电能为 1.29kWhm3，高于系统自身的能耗，实现了可观的能量盈余。然而，膜污染严重导致跨膜压差(transmenbranepressure，TMP)快速增长，会引起膜通量下降和维护成本增加。为使废物资源化、环境效益与经济效益和社会效益相统一16，不能将研究局限在实验室规模。基于此，本课题组拟通过中试规模的研究来评价预浓缩有机物效果及膜污染控制情况，采用超滤膜浓缩装置预处理污水，进行有机物的浓缩回收，解析膜污染变化规律和膜污染控制原理，对浓缩回收的碳源作能源平衡分析，以期为探索污水有机物资源化途径提供参考。1材料与方法1.1实验装置本研究
8、采用的膜浓缩反应器如图 1所示。整套反应器设备高度集成，包括膜池、膜组件、中间水箱、泵阀系统、反洗系统、控制系统等。2 套膜浓缩反应器分别位于河北省 A 基地和 B 基地。A 基地采用浸没式超滤膜组件，膜材质为PVDF，膜孔径为 0.02m，膜丝内径和外径分别为1.00mm 和 2.00mm，总有效膜面积为434.0m2。膜池的水力停留时间(hydraulicretentiontime，HRT)约 1h，设计处理规模为 100m3d1。反应器的运行采用恒流操作方式，利用变频泵实现恒定流量产水。进出水管路中设置压力传感器，记录膜前和膜后的压力变化，并进行实时储存。B 基地膜池内安装1 套膜组件，
9、采用PVDF 材质，膜面积192.6m2，膜平均孔径为 0.1m，HRT 为 1.4h，设计处理规模为 60m3d1。中间水箱容积 1m3，用以储存反冲洗水。1.2污水原水水质及系统运行阶段A 实验基地位于河北省某市政污水厂。其设计处理规模为 5104m3d1，采取满负荷运行的方式。装置取水位置在污水厂细格栅之后，原水水质为：COD104168mgL1，NH+4-N26.338.6mgL1，TN30.643.6mgL1，TP1.14.0mgL1，SS4080mgL1。B 实验基地位于河北省某农村污水处理站。经过细格栅后的原水水质为：COD112378mgL1，NH+4-N19.649.6mgL
10、1，TN22.956.0mgL1，TP2.06.4mgL1，SS60210mgL1。表 1 列出了 3 个运行阶段的参数。表1膜浓缩装置运行阶段Table1Operationstageofmembraneconcentrationdevice阶段基地水源过滤模式运行模式及主要参数产水泵流量/(m3h1)阶段1A市政污水抽吸9min，停歇1min，脉冲曝气1min。污水原水直接过滤浓缩，浓缩过程不投加任何药剂，不排放浓缩液。水温约27。持续运行时间240h。4.0阶段2A市政污水抽吸9min，停歇1min，脉冲曝气1min。污水原水强化过滤浓缩，不排放浓缩液。投加复合阻塞剂30mgL1。水温约2
11、8。持续运行时间504h。4.0阶段3B村镇污水抽吸8min，脉冲曝气2min。污水原水强化过滤浓缩，每4d排泥一次。复合阻塞剂50mgL1。水温约28.已稳定运行2年多。2.5原水风机排泥（空）阀膜池超滤膜复合阻塞剂反洗阀产水阀止回阀止回阀产水泵流量计中间水箱反洗泵投酸泵投碱泵出水压力表图1碳源膜浓缩工艺流程图Fig.1Processflowchartofcarbonsourcewithmembraneconcentration1770环境工程学报第17卷1.3分析测试方法1)水质指标。COD、BOD5、NH+4-N、TN、MLSS、MLVSS 等指标均按国家水和废水检测分析标准方法测定17
12、。2)膜比通量。膜组件的运行效果采用膜比通量进行表征。即用当前跨膜压差下单位时间、单位膜面积的产水量来表征膜污染程度。通过计算膜清洗前后的膜比通量判断清洗方案是否有效。膜比通量计算公式见式(1)。q=Q/(TMPS)(1)式中：q 为膜比通量，L(hm2Kpa)1；TMP 为跨膜压差，kPa；S 为膜面积，m2。3)膜浓缩效果评估。通过 COD 平衡计算评估碳源浓缩情况(式(2)，并根据中试装置进水、出水及膜池内的 COD 计算耗氧有机物(以 COD 计)回收效率(式(3)(5)。反应器池壁及膜丝上泥饼层携带的耗氧有机物(以 COD 计)不考虑。这是由于长期实验中，这部分耗氧有机物(以COD
13、计)的量很小，可忽略不计。COD净=(CODinfCODeff)Q/100024T1/T2(2)CODT=n1M净(3)CODL=MMV/1000(4)R=CODL/CODT(5)式中：M净为每天净输入耗氧有机物(以 COD 计)的质量，kg；CODinf、CODeff分别为进水、出水COD，gm3；Q 为抽吸泵流量，m3h1；T1为每个周期抽吸时间，min；T2为每个周期的总时间，min；CODT为运行时间内累计净输入耗氧有机物(以 COD 计)的质量，kg；n 为运行天数，d；ML为膜池中耗氧有机物(以 COD 计)的质量，kg；MM为膜池内的 COD 值，mgL1；V 为膜池容积，m3；
14、R 为耗氧有机物(以 COD 计)的回收率。2结果与讨论2.1运行过程中耗氧有机物(以 COD 计)的回收情况考察了不同工况下膜浓缩反应器中耗氧有机物(以 COD 计)的浓缩情况(图 2)。在运行阶段1 和阶段 2，净累计输入耗氧有机物(以 COD 计)随着膜过滤时间增长而增加。在前 72h，累计回收耗氧有机物(以 COD 计)逐渐增多，并在第 72 小时达到峰值，且超过 90%。随后，耗氧有机物(以COD 计)的回收率总体呈下降趋势。而至运行阶段 3，在前 96h，膜池不排泥，净累计输入及累计回收耗氧有机物(以 COD 计)的量逐渐增多，而回收率有较小幅度降低，由 94%降至 87%。在总体
15、运行的前 96h，累计回收耗氧有机物(以 COD 计)的量逐渐增多；在运行 96h 后，累计回收耗氧有机物(以 COD 计)的量变化不明显。这可能与膜池内存在的微生物有关，在复合阻塞剂与厌氧条件共同作用下，微生物更倾向于矿化溶解性有机物3，从而导致有机物损失。因此，截留有机物停留时间设置 34d 为宜。这与 JIN 等2发现基本一致，其研究在一个有效容积为 3.5L 的反应器中进行，内含膜孔径为 0.33m 的超滤膜。在浓缩进行 93h 后，碳源质量浓度高达 20000mgL1，碳源回收率约 70%。2.2运行过程中 TMP变化规律在膜系统运行中，膜污染程度表现为通量下降或 TMP 升高。在本
16、中试装置中，出水流量为恒流量模式，TMP 的变化情况能直观反映膜污染情况。3 个阶段的 TMP 随时间变化情况见图 3。阶段 1 为污水直接过滤阶段。在前 1800min，TMP 最大不超过5kPa；在 18002200min，TMP 呈上第6期王启镔等：基于膜分离的原污水碳源浓缩与能量平衡分析1771升趋势，最大值不超过 6kPa。随着过滤的进行，浓缩液的 COD 不断上升，TMP 逐渐升高，最大值接近 30kPa。而在总体趋势上，TMP 逐渐增大，并出现周期性变化，约 23 个周期后，TMP 出现周期性局部最大值。阶段 2 为强化混凝过滤阶段。在初期，TMP 最大不超过 3kPa。随着过滤的进行，浓缩液的 COD 不断上升，TMP 逐渐升高。在运行 28800min 后，TMP 最大值不超过 14kPa。随着过滤时间增加，TMP 逐渐增大，并出现周期性变化。约 10 个周期后，TMP 出现周期性最大值。在总体变化趋势上，3 个阶段 TMP 均表现为逐渐升高；在过滤周期内，随着过滤时间增加，阶段 1 和阶段 2 的 TMP 均为逐渐升高的趋势。而在阶段 3 的过滤周期内，TMP 变化
