3D打印技術(shù)能否助力新一代厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）的研發(fā)？

魔猴君  行業(yè)資訊   2044天前

美國(guó)水研究基金會(huì)（Water Research Foundation, 原WERF基金會(huì)）在18年初與美國(guó)密歇根大學(xué)簽訂合同，支持后者利用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)下一代的厭氧膜生物反應(yīng)器。可持續(xù)發(fā)展的水管理對(duì)公用部門非常重要，世界各地的水務(wù)部門正在努力減少生活污水處理中的能耗和污泥產(chǎn)量，同時(shí)保證高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)。這個(gè)項(xiàng)目的總體目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種新型AnMBR，以實(shí)現(xiàn)低成本的城市污水處理，減少溫室氣體排放的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量盈余。這個(gè)中試項(xiàng)目包括利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物膜單元的快速研發(fā)和生產(chǎn)，并優(yōu)化AnMBR反應(yīng)器的表現(xiàn)。

注：圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，與內(nèi)容無(wú)關(guān)

膜生物反應(yīng)器（MBRs）可以提供高品質(zhì)的出水，在城市污水處理領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎。而AnMBRs，即厭氧膜生物反應(yīng)器（英文全稱Anaerobic membrane bioreactors）， 結(jié)合了厭氧消化和膜技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)出水的同時(shí)，可以回收污水里的能量。但在目前溫帶地區(qū)的傳統(tǒng)AnMBR無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量盈余和溫室氣體的減量排放。因此這個(gè)研究的目標(biāo)主要有以下三點(diǎn)：

為新型AnMBR設(shè)計(jì)、制造3D打印的生物膜單元并進(jìn)行評(píng)估

縮短HRT和最低運(yùn)行溫度閾值

進(jìn)行生命周期成本和生命周期環(huán)境評(píng)估

厭氧方法的應(yīng)用會(huì)為城市污水的處理提供了全新的機(jī)會(huì)，包括大大降低用于曝氣的能耗，以及減少污泥產(chǎn)量和污泥處理的成本。技術(shù)成果將集中在提高生物膜的膜通量，以及使處理效率最大化，最終實(shí)現(xiàn)污水廠的能量盈余。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2019年完成。針對(duì)這個(gè)項(xiàng)目，美國(guó)水研究基金會(huì)在18年6月舉行了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，并邀請(qǐng)了密歇根大學(xué)的相關(guān)學(xué)者對(duì)這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行介紹。本期微信將為大家分享這個(gè)報(bào)告的重點(diǎn)內(nèi)容。

AnMBR工藝概述

目前行業(yè)認(rèn)為AnMBR目前適于處理高濃度污水，但不合適于處理低濃度污水，因?yàn)橐话阏f(shuō)來(lái)進(jìn)水COD需要不低于5,000 mg/l，流量不低于100m3/d，同時(shí)它也可處理高鹽度或者含高脂肪的污水，包括乳制品廠、啤酒廠、肉類加工廠、食品加工廠和生物燃料廠等工業(yè)污水。

圖. AnMBR的工藝流程示意圖，它旨在取代紅色虛線框內(nèi)的工序設(shè)備和占地面積

中試結(jié)果與技術(shù)瓶頸

密歇根大學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在使用AnMBR處理生活污水之前，需要回答以下三個(gè)問(wèn)題：

1.處理效果能否提高？

2.運(yùn)行溫度能否更低？

3.與其他傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，AnMBR的成本、能耗和環(huán)境影響如何？

對(duì)于這些問(wèn)題，密歇根大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2013年就做過(guò)一個(gè)小型試驗(yàn)。結(jié)果顯示，通過(guò)沼氣噴射的方式能有效控制膜污染。但有近一半的甲烷溶解于出水，而反應(yīng)器里的微生物主要為耐低溫的中溫型占主導(dǎo)。

2015年，研究團(tuán)隊(duì)又開(kāi)啟了一個(gè)新的小型試驗(yàn)進(jìn)一步探討處理表現(xiàn)的問(wèn)題。如下圖所示，反應(yīng)器里設(shè)置了三塊浸入式平板膜，每塊膜有獨(dú)立的膜污染控制單元，開(kāi)始階段在高噴射率下運(yùn)行，運(yùn)行溫度為15°C，但只用中溫污泥接種。研究結(jié)果顯示，通過(guò)控制膜污染程度可以使生物膜富集目標(biāo)細(xì)菌，并改善出水水質(zhì)。甚至還發(fā)現(xiàn)可以去除抗生素抗性基因和其他微污染物。他們也指出下一步研究需要評(píng)估生物膜群落高生物活性背后的潛在機(jī)制、生物膜促進(jìn)策略對(duì)長(zhǎng)期膜污染的影響以及生物膜對(duì)化學(xué)清洗的反應(yīng)。 

反應(yīng)溫度方面，2015年他們的實(shí)驗(yàn)顯示AnMBR的運(yùn)行溫度可以低至6℃，生物膜在此起著重要作用。

研究團(tuán)隊(duì)在2014年就對(duì)AnMBR的成本和環(huán)境影響進(jìn)行過(guò)分析比較，結(jié)果顯示過(guò)去AnMBR技術(shù)的最大賣點(diǎn)在于占地面積小。但工藝的能耗仍十分可觀，并且對(duì)全球變暖影響大。團(tuán)隊(duì)期望改良后的AnMBR可以實(shí)現(xiàn)能量自給甚至盈余，并減少甲烷排放。但在溫室氣體排放問(wèn)題上該工藝顯然還需要進(jìn)一步完善解決。在過(guò)去幾年研究的基礎(chǔ)上，密歇根大學(xué)的團(tuán)隊(duì)將焦點(diǎn)放在AnMBR的重新設(shè)計(jì)上，以在低溫條件下去除出水中的溶解甲烷，同時(shí)解決膜污染的問(wèn)題，減少膜污染帶來(lái)的能耗，實(shí)現(xiàn)高有機(jī)負(fù)荷的出色運(yùn)行。

而在水處理領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以大大豐富膜材料的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)性能。18年7月，新加坡南洋理工大學(xué)的科學(xué)家創(chuàng)新公司NanoSun就推出了一種基于3D打印技術(shù)生產(chǎn)的過(guò)濾膜。開(kāi)發(fā)者說(shuō)這種膜的過(guò)濾速度是傳統(tǒng)高分子膜和陶瓷膜的5倍。而在污水處理領(lǐng)域，年中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的研究團(tuán)隊(duì)在2015年也利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了新型的MBBR反應(yīng)器生物填料。他們指出3D打印技術(shù)可以更好地測(cè)試和設(shè)計(jì)填料的高比表面積、密度、硬度等參數(shù)，促進(jìn)傳質(zhì)作用。

密歇根大學(xué)的Lutgarde Raskin教授表示目前她的團(tuán)隊(duì)正在忙于準(zhǔn)備發(fā)明報(bào)告，所以不便透露更多細(xì)節(jié)。但根據(jù)3D打印的技術(shù)特點(diǎn)，它能在很多方面根據(jù)AnMBR工藝的特點(diǎn)優(yōu)化膜的功能。我們也會(huì)繼續(xù)關(guān)注該項(xiàng)目的進(jìn)展，在今后為大家做跟進(jìn)報(bào)道。

來(lái)源：國(guó)際水協(xié)會(huì)（IWA）