H2/CH4-MBfR在污水處理行業(yè)的應(yīng)用分析

廖勇強(qiáng)

（廣東思綠環(huán)保科技股份有限公司，廣州 510000）

目前，世界氣候變暖已成為人們共同面臨的巨大挑戰(zhàn)，近年來(lái)，諸多國(guó)家相繼發(fā)布了碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)。在污水處理行業(yè)中，污水厭氧消化產(chǎn)生的沼氣主要成分是CH和CO，它們是引起全球氣候變暖的重要因素。隨著氫基質(zhì)膜生物膜反應(yīng)器（MBfR）在污水處理行業(yè)的不斷試驗(yàn)研究，使用H和CH作為電子供體和碳源來(lái)處理污水中氯化和氧化污染物的技術(shù)得到不斷普及，隨著應(yīng)用效果的不斷提升，碳排放將大幅降低，污水處理行業(yè)有望最終實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

1 MBfR 技術(shù)概況

氫基質(zhì)膜生物膜反應(yīng)器（MBfR）是基于氣體傳輸膜處理水中污染物的新型技術(shù)，也被叫作膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）。

1.1 MBfR 技術(shù)去除污水中污染物的原理

MBfR 技術(shù)去除污水中污染物的原理是將還原菌和生物膜結(jié)合，使還原菌能夠附著在生物膜的表面，氣體在壓力驅(qū)動(dòng)下以無(wú)泡曝氣的方式進(jìn)入生物膜里。無(wú)泡曝氣的氣體與氧化性污染物中的微生物發(fā)生新陳代謝反應(yīng)，從而使污染物得到消除。MBfR 技術(shù)具有氣體能夠高效使用、所需能量少、反應(yīng)器占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效去除氧化性污染物。

1.2 MBfR 運(yùn)行性能的影響因素

影響MBfR 運(yùn)行性能的主要因素是溫度、進(jìn)水pH、水力停留時(shí)間（）等，還有選用的生物膜材料及厚度、電子供體等。比較常用的電子供體是H和CH。將H作為電子供體，可以去除污染物中硝酸鹽的H-MBfR，微生物群落主要以氫自養(yǎng)來(lái)對(duì)細(xì)菌進(jìn)行反硝化，進(jìn)水pH 要求很高，需要的厭氧條件也比較嚴(yán)格。將CH作為電子供體，可以去除污染物中硝酸鹽的CH-MBfR，微生物群落主要以好氧CH或者厭氧CH來(lái)氧化細(xì)菌。

H-MBfR 和CH-MBfR 體系中，微生物群落對(duì)于有毒物質(zhì)的適應(yīng)能力不同。H-MBfR 體系中，隨著進(jìn)水亞硝酸鹽濃度的升高，高氯酸鹽去除率逐漸降低，濃度為5 mg/L 時(shí)，去除率約為80%，而當(dāng)濃度升到20 mg/L 時(shí)，去除率降低至小于30%。CH-MBfR 體系中，進(jìn)水亞硝酸鹽濃度為2 mg/L 時(shí)，高氯酸鹽去除率小于30%。

2 H2/CH4-MBfR 技術(shù)去除污水中污染物的效果分析

2.1 H2/CH4-MBfR 技術(shù)去除污水中單一污染物的效果分析

H-MBfR 體系中，H壓力固定在0.04 MPa 時(shí)，進(jìn)水硝酸鹽質(zhì)量濃度不同，H-MBfR 生物膜的噬氫菌的相對(duì)豐富度也有明顯的差別。進(jìn)水硝酸鹽質(zhì)量濃度為20 mg/L 時(shí)，噬氫菌的相對(duì)豐富度為49%，硝酸鹽的去除效率為98.8%；當(dāng)進(jìn)水硝酸鹽濃度提高到30 mg/L 時(shí)，噬氫菌的相對(duì)豐富度下降至17%，硝酸鹽的去除效率下降至不足72%。研究發(fā)現(xiàn)，影響噬氫菌的相對(duì)豐富度和硝酸鹽的去除效率的原因主要是H作為電子供體的供應(yīng)情況。

CH-MBfR 體系中，去除硝酸鹽時(shí)，生物膜中的微生物主要組分是反硝化型厭氧甲烷氧化（DAMO）古細(xì)菌、DAMO 細(xì)菌和厭氧氨氧化菌，其所占比例分別為50%、20%、20%，硝酸鹽的去除量能夠達(dá)到684 mg/（L·d）。在硝酸鹽濃度7～9 mg/L 的微氧環(huán)境中，DAMO 細(xì)菌同樣具有強(qiáng)大的硝酸鹽還原能力。H-MBfR 和CH-MBfR 去除氧化性污染物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 H2-MBfR 和CH4-MBfR 去除氧化性污染物的效果

2.2 H2/CH4-MBfR 技術(shù)去除污水中多種污染物的效果分析

H-MBfR 和CH-MBfR 對(duì)污水中單一污染物的去除效果好，但同時(shí)去除多種污染物的效果降低。同時(shí)去除溴酸鹽和硝酸鹽時(shí)，H-MBfR 和CH-MBfR 都會(huì)出現(xiàn)反硝化菌獲取電子供體的能力更強(qiáng)而溴酸鹽還原被抑制的情況，剛開始時(shí)，溴酸鹽去除率低，硝酸鹽基本上被全部還原后，去除率逐漸升高；同時(shí)去除硝酸鹽和鉻酸鹽時(shí)，H-MBfR 和CH-MBfR 都會(huì)出現(xiàn)反硝化菌獲取電子供體的能力更強(qiáng)而鉻酸鹽還原被抑制的情況。當(dāng)前，可增加供應(yīng)氣體的壓力，進(jìn)而增加電子供體的數(shù)量，解決微生物間的電子供體競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題；可控制進(jìn)水中有毒污染物的濃度，使MBfR 中的微生物慢慢適應(yīng)有毒污染物的毒性。同時(shí)去除多種氧化性污染物的效率可以達(dá)到85%，H的利用率可以達(dá)到100%。

3 H2/CH4-MBfR 技術(shù)對(duì)碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的貢獻(xiàn)分析

3.1 H2-MBfR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳中和的貢獻(xiàn)分析

H-MBfR 技術(shù)采用碳酸氫鈉作為無(wú)機(jī)碳源，在序批式反應(yīng)中所用的時(shí)間小于用CO反硝化菌馴化所用的時(shí)間。MBfR 技術(shù)能夠打破CO在水中溶解度的限制，使CO能夠在水中以無(wú)泡方式水解，生成CO或HCO作為無(wú)機(jī)碳源使用。

3.2 CH4-MBfR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳中和的貢獻(xiàn)分析

CH-MBfR 技術(shù)將CH作為膜生物膜反應(yīng)器的電子供體和碳源。下面在有氧和厭氧環(huán)境下利用CH對(duì)微生物特性進(jìn)行分析。

3.2.1 CH-MBfR 技術(shù)有氧氧化分析

CH有氧氧化是由好氧氧化菌主導(dǎo)的氧化過(guò)程，好氧氧化菌有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三種。Ⅰ型好氧氧化菌的細(xì)胞膜是囊泡狀結(jié)構(gòu)，更適合在高濃度O的環(huán)境中生長(zhǎng)；Ⅱ型氧化菌的細(xì)胞膜與細(xì)胞表面并排，更喜歡CH濃度大于1%和O濃度小于1%的環(huán)境。在O濃度不相同的情況下，通過(guò)穩(wěn)定同位素與宏基因組對(duì)有氧氧化和反硝化耦合進(jìn)行分析，得到去除硝氮效果最好的好氧甲烷耦合反硝化（AME-D）系統(tǒng)。此時(shí)，O的濃度為10%，主要微生物是占比46.4%的Ⅰ型氧化菌和占比24.1%的反硝化菌，控制O濃度，使其既滿足氧化菌需求，又不會(huì)影響反硝化菌活性。

3.2.2 CH-MBfR 技術(shù)厭氧氧化分析

CH厭氧氧化（AOM）技術(shù)起源于海洋沉積物觀察，CH厭氧氧化微生物也被稱為厭氧CH營(yíng)養(yǎng)古細(xì)菌（ANME）。CH厭氧氧化過(guò)程將CH和CO作為底物，生成短鏈脂肪酸，再進(jìn)行氧化還原，最終碳被微生物利用。微生物含有的酶能夠參與好氧氧化，然后將產(chǎn)生的氧用于氧化CH。因此，CH可以作為ANME 的碳源和次要碳源使用。CH的有氧氧化可以每年減少6×10kg 的CH排放；厭氧氧化可以使淡水濕地每年生成的2×10kg 的CH基本被消耗。大部分碳被微生物利用，實(shí)現(xiàn)了碳減排。污水處理的CH排放量為

式中：為CH排放量，t COe；為每年所排污水的有機(jī)物數(shù)量，kg BOD/a；為CH最大生產(chǎn)能力，取0.6 kg CH/kg BOD；為CH的修正因子；為污水減排回收量，t COe。

CH-MBfR 技術(shù)正是通過(guò)增加污水減排回收量來(lái)實(shí)現(xiàn)碳減排，利用效率可保持在64%～80%，CH-MBfR 技術(shù)能夠使83%以上的CH與微生物發(fā)生反應(yīng)，可以將經(jīng)過(guò)脫硫處理的沼氣作為去除污水中污染物的電子供體，使污水中的污染物和碳同時(shí)得到去除。

4 結(jié)論

H/CH-MBfR 技術(shù)是污水處理行業(yè)的新興工藝。研究發(fā)現(xiàn)，H-MBfR 能夠較好地去除氧化性污染物，H-MBfR 能夠較好地去除單種污染物，但如果污水中污染物種類較多，彼此會(huì)相互抑制，導(dǎo)致處理效果降低；CH-MBfR 在有氧和厭氧環(huán)境下表現(xiàn)各異，對(duì)于能否適應(yīng)復(fù)雜情況，需要進(jìn)一步確認(rèn)。H-MBfR 與CH-MBfR 相結(jié)合，不但能夠有效去除氧化性污染物，而且能夠推動(dòng)污水處理行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。