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水资源短缺与能源危机是人类繁荣发展面临的重大挑战。“以能耗换水质”的传统污水处理技术已无法满足全球可持续发展的需求。开发以“能源再生-资源回收”为目标的新技术成为污水处理革新的新趋势[1]。污水中所蕴含的潜能可达污水好氧生物处理所需能耗近10倍[2]。通过厌氧生物技术将污水有机物转化为甲烷能源是目前普遍认可的实现污水处理能量收支平衡的重要方法。然而，传统厌氧技术受制于污泥流失量大、能源转化率低等瓶颈。厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor，AnMBR)是厌氧消化与膜过滤技术有机结合的污水处理新技术。AnMBR在膜截留的作用下，可实现对反应器水力停留时间和污泥龄的解偶联，从而维持反应器内较长的污泥龄及较高的有机负荷，以有效防止产甲烷菌流失，并提升甲烷转化效率。
近年来，西安建筑科技大学陈荣教授带领的“环境废弃物生物能源与资源再生”创新团队在AnMBR强化污水能源回收的系统构建、效能提升、膜污染控制等方面开展了深入且富有成效的研究工作，相关成果已在《Water Research》《Journal of Membrane Science》《Chemical Engineering Journal》等环境领域主流期刊上发表，受到国内外同行的持续关注。
陈荣团队将AnMBR应用于城市污水的处理，实现了短水力停留时间下有机物的高效能源回收。在水力停留时间仅为8 h时，有机物(以COD表征)的甲烷转化效率可达90%，且去除1 g COD仅产生0.06 g污泥(以MLVSS表征)[3-4]。AnMBR在维持长污泥龄(140 d以上)后，实现了真菌、发酵菌和产甲烷菌的共生，促进了纤维素、咖啡因等难降解有机物的厌氧转化[5-7]。能量平衡结果(图1)显示，AnMBR可在污水处理过程中实现能量自给[8]。为了突破以AnMBR为核心的城市污水处理工艺的脱氮难题，该团队还将AnMBR与厌氧氨氧化(Anammox)技术偶联，形成污水处理新工艺。该工艺的总COD和总氮去除率分别稳定在96%和75%以上[9]，同步实现了高效能源回收和深度自养脱氮，呈现出较高的工艺发展与应用潜力。
膜污染是限制AnMBR规模化应用的核心挑战。在膜分离过程中，污染物会黏附、沉淀在膜表面及膜孔，使运行能耗上升，相应的膜清洗与置换操作会带来运行和投资成本的增加。针对这一问题，该团队探索了不同运行工况下AnMBR内可溶性微生物产物和胞外多聚物的迁变特征与膜污染机制(见图2)，揭示了AnMBR膜污染的特异性，并通过微观作用力证实了胞外多聚物黏附力导致的泥饼层阻力是AnMBR膜污染的关键要素[10]。在此基础上，进一步探究了碳基类介质投加对AnMBR膜污染的缓解作用。结果表明，在长期运行条件下，粉末炭类介质对膜污染的控制不是靠短效的吸附能力，而是通过阻止生物固体在膜表面的沉积实现的。因此，粉末炭投加后的膜表面不再以生物固体污染物为主，而是以凝胶状有机物为主，从而抑制了Levilinea和Aminivibrio两种主要膜污染微生物在膜表面的富集[11]，缓解了微生物在膜表面的污染行为。
AnMBR是极具发展前景的污水能源化处理新技术，已有中试规模的实践也证明了其应用潜力。然而，在高负荷下有机物转化效率低、膜通量下降、难降解污染物积累等问题依旧是限制该技术规模化应用的关键。陈荣团队基于原理、技术、应用等方面的研究工作为AnMBR技术的发展与完善提供了参考，对推进该技术的规模化应用具有重要意义。
陈荣(1980—)，西安建筑科技大学教授，博士生导师。现任陕西省环境废弃物生物能源与资源再生科技创新团队带头人，国家非传统水资源开发利用国际科技合作基地副主任，西安建筑科技大学国际交流合作处处长。曾任国际水协会中国青年委员会(IWA-YWP China)副主席、日本学术振兴会(JSPS)海外特别研究员、日本东北大学客座研究员。主要从事污废水处理与资源化领域的研究工作，近年来重点关注城市污水资源化过程的厌氧生物处理新技术开发与工程应用，在厌氧膜生物反应器、动态膜反应器和生物炭强化甲烷转化方面开展了富有成效的研究工作。先后主持国家重点研发计划政府间合作重点专项、国家自然科学基金面上项目、青年项目、陕西省重大科技专项等项目10余项，研究成果获国家科技进步二等奖1项(排名第3)，国际水协会全球创新奖1项、陕西省科学技术一等奖2项、二等奖2项。担任《Journal of Water Process Engineering》期刊编辑及《环境工程学报》特邀学术编辑，已在《Water Research》《Journal of Membrane Science》等重要期刊发表论文30余篇，出版专著2部。
厌氧膜生物反应器强化污水能源回收研究进展
Research progress on improvement of bioenergy recovey from wastewater by using anaerobic membrane bioreactor technology
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图 1 AnMBR中COD平衡与甲烷转化分析
Figure 1. COD balance and methane conversion analysis in an AnMBR
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图( 2)
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