在城市污水处理厂产生的液体废水中评估其作为二氧化碳（CO?）吸收剂的潜力，以应用于基于膜的沼气提纯系统中，并考察该系统在实际运行环境下的表现

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《Journal of Water Process Engineering》：Evaluation of liquid effluents from an urban wastewater treatment plant as CO 2 absorbents in a membrane-based biogas upgrading system in an operational environment

【字体：大中小】 时间：2025年10月28日 来源：Journal of Water Process Engineering 6.7

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　　本研究利用污水处理厂的两种流出物（DLF和FWE）作为吸收剂，在膜接触器中优化操作参数，实现生物气中CO2去除率超过95%，并达到生物甲烷纯度>95%。FWE因减少甲烷损失和膜污染，更具可持续性，为可再生能源生产提供经济可行的解决方案。

　　本研究探讨了利用污水处理厂（WWTP）的废水作为吸收剂，在基于膜的系统中对沼气进行升级以获得生物沼气的可行性。研究使用了微孔聚丙烯（PP）中空纤维膜接触器（HFMC）在试点规模上评估了CO?去除效率和生物沼气的质量。测试了两种废水：厌氧消化液的澄清液（DLF）和污水处理厂的最终出水（FWE）。研究分析了关键的操作参数，包括液体流量（Q_L）、气体流量（Q_G）、气体与液体比（G/L）以及跨膜压差（TMP），以优化分离效果。结果显示，在最佳操作条件下，CO?去除效率超过了95%，生物沼气中的CH?含量也超过了95%。最佳操作条件包括G/L比为0.25，液体流量≤3.8 L/min，气体流量为0.5–0.9 L/min，以及跨膜压差在中等水平（约800 mbar）。最终出水（FWE）被发现是一种特别有潜力的吸收剂，因为它在吸收过程中减少了CH?的损失，并且比DLF更容易获得。此外，FWE不需要像DLF那样复杂的预处理，而且吸收后可以直接排放。这项研究突显了将污水处理厂的废水转化为生物沼气升级过程的潜力，提供了一种可持续的可再生能源生产方案，同时具备可管理的初始投资成本。

沼气是一种通过有机物质厌氧消化产生的新能源载体，其主要成分包括甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?），分别占55–65%和35–44%。沼气必须升级为生物沼气，以提高其净热值，从而改善整个过程的经济平衡。生物沼气的甲烷含量通常需要超过95%，并需符合注入天然气管网的质量标准。此外，这种可再生能源被视为欧洲能源转型的关键组成部分，2022年欧洲的生物沼气产量达到了210亿立方米，显示出该领域的快速增长。欧洲在生物沼气生产方面处于全球领先地位，2023年已有超过1300个生物沼气工厂，2022年的产量为43.26 TWh，比2020年增长了35.5%。预计该行业将继续扩大，以实现REPowerEU计划中到2030年生产350亿立方米生物沼气的目标。

沼气升级对于提高其热值和整体经济平衡至关重要。此过程主要涉及去除CO?，使其含量通常低于2%。各种技术被用于沼气升级，包括化学吸收、低温分离、变压吸附、水洗涤和膜分离。其中，膜分离因其操作简单、设备紧凑和较低的能耗和净CO?排放而受到越来越多的关注。膜系统不仅能够实现较高的甲烷回收率，而且能够降低运行成本，使其在小规模至中等规模的设施中具有显著的优势。此外，膜技术的适应性使其能够与现有沼气工厂集成，进一步巩固其作为经济且可持续的沼气升级解决方案的地位。

在膜技术中，CO?可以从沼气中通过气体-气体（气体分离）或气体-液体（膜吸收）的方式去除。气体分离已被广泛研究和应用，但仍然存在一些局限性，例如需要较高的操作压力和膜塑化问题。此外，膜分离效率受到膜渗透性和选择性之间的权衡限制，而使用致密膜则涉及显著的质量传递阻力。相比之下，膜吸收技术作为一种有前景的替代方案，通常在较低的操作压力下运行，分离效率主要依赖于吸收剂的选择性。因此，常见的多孔膜可以用于膜吸收，从而降低质量传递阻力。此外，膜吸收方法相比传统的吸收塔具有多个优势，例如避免液体泛滥和泡沫形成，以及具有较高的单位面积接触效率和模块化设计。尽管膜吸收器具有潜在的可行性，但目前关于其不同操作参数在实验室模拟条件下的研究仍较为有限。因此，进一步的研究需要在真实操作条件下评估膜吸收技术在中试规模上的应用，以明确其在大规模应用中的可行性。

选择合适的吸收剂对于CO?吸收过程的设计至关重要。研究提出利用污水处理厂产生的液体废料作为吸收剂，这是一种低成本策略，无需吸收剂再生。消化液澄清液（DLF）含有丰富的氮（铵）等营养物质，可能成为生物沼气升级过程中可持续的吸收剂来源，同时促进资源回收和利用。此外，污水处理厂的最终出水（FWE）通常仍含有较高的碱度和中等偏碱性的pH值，这使其成为一种有吸引力的吸收剂选择，因为它可以在吸收后直接排放，而无需额外的处理。目前，FWE在膜吸收过程中的应用尚未得到充分研究。

本研究因此评估了这两种液体废料（DLF和FWE）作为吸收剂在生物沼气升级过程中的性能，以确定其CO?吸收能力和提供膜接触器的最佳操作条件，从而最大化分离效率。在中试规模上使用了微孔聚丙烯中空纤维膜接触器（HFMC），液体废料通过壳侧流动，旨在：i）研究DLF和FWE作为吸收剂在沼气CO?捕集过程中的潜在应用；ii）阐明不同吸收剂对分离效率的影响；iii）确定最大化CO?去除效率和升级沼气中CH?含量的液体和气体流量；iv）评估该过程在大规模应用中的可行性。通过系统的实验分析，研究探讨了吸收剂流量、沼气流量和气体-液体比对分离效率的影响，并结合统计分析，评估了不同操作参数对系统性能的影响。

研究中使用了两种不同的吸收剂：DLF和FWE。通过调节吸收剂流量（Q_L）和沼气流量（Q_G），评估了它们对CO?去除效率（RE_CO2）和CH?去除效率（RE_CH4）的影响。结果显示，CO?去除效率随着吸收剂流量的增加而提高，尤其是在沼气流量较高时。当使用DLF时，CO?去除效率的提升在吸收剂流量达到一定水平后变得不明显，这可能与DLF中较高的铵浓度有关，这有助于CO?通过化学吸收形成氨基化合物，如碳酸氢铵和氨基甲酸盐。相比之下，FWE由于其较低的铵浓度，主要依赖于物理吸收机制，导致其CO?去除效率低于DLF。此外，DLF的高碱度（约2500 mg L?1）进一步增强了其CO?吸收能力，而FWE的碱度较低（约250 mg L?1），这限制了其吸收能力。在本研究中，使用FWE作为吸收剂的CO?去除效率普遍低于使用DLF的情况，尤其是在较高的沼气流量下。

CH?作为一种微溶于水的气体，在膜吸收过程中其去除效率受到气体与液体相之间的分压差影响。研究还评估了CH?去除效率（RE_CH4）和其在升级沼气中的含量（C_CH4）。结果显示，CH?去除效率随着吸收剂流量的增加而略有提高，尤其是在使用DLF时，其在高沼气流量下表现出更高的去除效率。然而，当使用FWE时，CH?去除效率的变化不明显，这表明FWE的吸收能力相对有限。此外，研究发现，在使用FWE时，CH?的损失率较高，这可能与吸收剂的物理吸收特性有关。因此，在膜吸收过程中，需要在CO?去除效率和CH?损失之间进行权衡，以优化整体性能。

研究还评估了跨膜压差（TMP）对分离效率的影响。结果显示，CO?去除效率随着TMP的增加而下降，这可能是由于膜表面的湿化效应增加了质量传递阻力。相比之下，CH?去除效率的下降较为不明显，表明CH?在膜吸收过程中的质量传递阻力相对较低。此外，研究发现，在较低的TMP下，CH?含量有所增加，这与较高的CO?去除效率相一致。这些结果表明，膜吸收系统可以在中等的气体流量和液体流量下运行，从而实现高效的生物沼气生产。

为了进一步优化操作条件，研究进行了统计分析，确定了最佳的操作参数组合。通过方差分析（ANOVA）发现，CO?去除效率主要受气体-液体比（G/L）和吸收剂类型的影响，而CH?去除效率则主要受吸收剂类型的影响。最佳的操作条件被确定为G/L比为0.25，使用FWE作为吸收剂，并在跨膜压差为800 mbar的条件下运行。这些条件不仅能够实现较高的CO?去除效率，还能有效减少CH?的损失，同时降低膜污染的风险。

从实际应用的角度来看，本研究评估了该生物沼气升级过程在大规模生产中的可行性。以一个中型城市污水处理厂（处理能力为280,000等效居民）为例，该工厂的厌氧消化过程每天可产生40,000 m3的废水，并产生100 m3/h的沼气。在最佳操作条件下，FWE能够满足吸收剂的需求，而无需额外的预处理或处理。此外，使用FWE作为吸收剂可以显著降低膜污染，从而延长膜的使用寿命，减少清洗和更换成本。

在经济分析方面，研究估算了一种基于膜吸收的生物沼气升级工厂的总投资（CAPEX）和运营成本（OPEX）。基于4+1膜接触器配置，假设连续运行（8760小时/年）和定期膜清洗，工厂的总初始投资约为368,000 €，其中膜接触器占27%。运营和维护成本约为136,000 €/年，生物沼气的生产成本为0.35 €/m3。电力消耗（主要与压缩机和除湿单元相关）占运营成本的41%，而膜相关的维护（如水冲洗和化学清洗）占运营成本的51%。与传统升级技术相比，膜吸收技术在初始投资和运营成本方面具有竞争力。例如，水洗涤（包括再生）的初始投资为10,100 €/m3/h，而物理和化学吸收的初始投资为9,500 €/m3/h，变压吸附的初始投资为10,400 €/m3/h。相比之下，基于膜的气体分离过程的初始投资在6,000–7,600 €/m3/h之间，显示出其在大规模应用中的经济优势。此外，研究指出，随着规模的扩大，初始投资成本会显著降低，这进一步证明了膜吸收技术在大规模生物沼气生产中的可行性。

研究还强调了该技术的可持续性。通过利用污水处理厂的废水作为吸收剂，不仅可以减少对饮用水的消耗，还能降低运营成本。此外，FWE在吸收后可以直接排放，无需额外处理，这为实现循环经济和资源回收提供了可能。同时，该技术的模块化设计和较低的能耗使其在中等规模的生物沼气生产中具有显著的优势。这些因素共同表明，膜吸收技术在生物沼气升级过程中具有广阔的应用前景，特别是在促进可持续能源生产和减少环境影响方面。

总之，本研究通过实验和统计分析，证明了利用污水处理厂的废水作为吸收剂进行生物沼气升级的可行性。通过优化操作参数，如气体-液体比、吸收剂流量和跨膜压差，研究实现了高纯度生物沼气的生产，同时降低了膜污染和CH?损失。这些结果不仅为生物沼气生产提供了新的思路，还展示了膜吸收技术在大规模应用中的潜力，为实现可持续的能源转型和碳减排目标提供了技术支持。

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