减污降碳专题 ▏清华大学王凯军团队利用膜分离技术实现原污水碳源浓缩方面取得新进展

以活性污泥法为主的污水处理工艺，需要高能耗的曝气环节去除有机物，造成巨大的能源消耗和温室气体排放，特别是在全球化石燃料能源危机明显的情况下，这种工艺的缺陷越来越得到研究者和环保工程师的重视。污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1~2％。另一方面，污水中蕴含着大量潜在可利用资源，特别是含量可观有机物，经过碳源浓缩及厌氧消化之后产生能量（CH4）。在国家双碳战略下，需要从碳减排和资源利用的角度来设计思考污水处理技术路线，推动水务行业转型升级。

 

图1传统污水处理模式（a）和新型城市污水资源化处理模式（b）

城市污水中的有机碳源蕴含丰富的化学能和热能，高效提取污水中有机物的方法至关重要。碳循环的设计直接决定了污水处理厂能源自给率和碳中和运行情况。有机污染物作为污水中的重要组分，首先以厌氧消化为核心的新途径污水处理模式，对污水中的有机物等组分进行针对性的分离和后续资源化利用，是从工艺设计理念和技术组合上实现污水处理与全面资源化的新途径，是污水处理领域减污降碳协调增效的一项创新型技术。已有研究表明，膜分离技术能够很好的实现对有机物的富集，然而，我国在污水有机物提取利用方面属于起步阶段，多数的研究局限在实验室规模，较大规模的膜分离碳源浓缩方面的研究较少。

研究主旨

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理论支持和技术参考。

在运行的3个阶段，前96 h，累计回收COD量逐渐增多，96 h后累计回收COD量变化不明显。这可能与膜池内存在微生物有关，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，导致有机物损失。实验结果表明，截留有机物停留时间3~4 d是合适的，COD回收率超过90%。

前2个阶段q在过滤抽吸周期内呈显著下降趋势。在阶段2和阶段3均有高度规律性的过滤特性，区别在于阶段2每个过滤周期抽吸水时TMP逐渐增大，而阶段3每个过滤周期抽吸水时TMP较恒定，这可能是大孔径的膜基材在复合阻塞剂的情况下更易形成稳态的吸附性滤饼层，表现为过滤抽吸过程中膜比通量几乎恒定。3个阶段的碳源浓缩过程中，系统的膜比通量下降趋势有很大的差别，在投加复合阻塞剂的情况下，即使在高浓度COD情况下，系统依然有良好的过滤能力，显示出在不同的运行条件下膜表面滤饼层的特性有显著差异，工艺运行参数改进十分有助于改善膜浓缩效果。

（1）在过滤压差、透过水流、复合阻塞剂的作用下，膜丝表面易形成稳定的吸附性滤饼层，堆积在膜表面而形成的可逆性膜面污染，能显著降低膜污染程度，提高过水能力，尤其在阶段3，过滤抽吸周期内中膜比通量几乎恒定。

（2）原水中投加复合阻塞剂，作为凝聚核心参与混凝过程，逐渐形成更大的粒径和强度，增大了悬浮物颗粒粒径，絮体分支更多，透水性更好，较大的凝胶团被堆积在膜的表面。溶解性小分子有机物被复合阻塞剂的水解产物吸附，通过网捕和卷扫作用，黏附在凝胶团上。为保持较高膜通量情况下提高COD浓缩回收效率提供了理论支持。

（3）进水COD较低导致浓缩液有机物回收量少，严重制约了有机物转化为能源的回收量。预浓缩碳源再与餐厨垃圾协同厌氧消化，净能量产量能够由负值转为正值，原水碳源浓缩回收技术为未来污水资源化利用提供了良好处理手段，对城市水务行业碳减排工作有积极意义。