基于曝气策略优化电渗析工艺以提升厌氧膜生物反应器出水水质与营养物回收效率

《Journal of Water Process Engineering》：Electrodialysis parameter optimisation following aeration strategy of anaerobic membrane bioreactor effluent to enhance water quality and nutrient recovery

为解决厌氧膜生物反应器（AnMBR）出水中营养物回收受限的问题，研究人员开展电渗析（ED）参数优化研究，通过曝气预处理有效控制结垢，在0.1 A和7.5 V条件下实现NH4-N和PO4-P的高效浓缩与去除，为废水处理资源化提供了可持续新策略。

　　

随着全球人口增长和水资源需求上升，废水处理过程中氮（N）、磷（P）等营养物的回收已成为研究热点。传统污水处理厂（WWTP）主要设计用于营养物去除而非回收，且能耗和化学成本较高。厌氧膜生物反应器（AnMBR）作为一种可持续替代方案，能有效产生沼气并降低能耗，但其出水中仍含有较高浓度的氮（30–50 mg NH₄-N/L）和磷（7–17 mg PO₄-P/L），无法直接排放或用于灌溉，也难以通过鸟粪石结晶等技术高效回收。此外，AnMBR出水中的硫化物易氧化为硫酸盐，与钙、镁等离子形成结垢（如CaSO₄），制约电渗析（ED）技术的长期稳定运行。

为应对这些挑战，本研究提出将AnMBR出水曝气与电渗析工艺相结合，通过曝气去除硫化物（以H₂S形式剥离），减少结垢风险，并优化ED操作参数，旨在生成两种物流：一是适于营养物回收的浓缩液，二是符合排放标准的稀释液。该研究不仅有助于提升废水处理性能，还符合欧盟新指令（EU 2024/3019）对出水营养物浓度的严格限制，推动污水处理厂向资源回收设施（RRF）转型。

本研究发表于《Journal of Water Process Engineering》，采用的主要关键技术方法包括：首先对AnMBR effluent进行强制曝气（使用30 W风机，2小时）以去除硫化物，随后用盐酸调节pH至原始值（约7.4）；使用实验室规模电渗析系统（PCCell GmbH的ED stack 64–002），配备阳离子交换膜（PC-SKN）和阴离子交换膜（Acid-100-OT），采用10对膜池；操作模式包括恒电流（galvanostatic）和恒电压（potentiostatic），通过短期和长期实验评估性能指标，如能源消耗（kWh/kg营养物或kWh/m³）、去除效率（η_removal）、回收效率（η_recovery）和电流效率（CE）；水质分析使用离子色谱（IC）测定NH₄-N、PO₄-P等离子浓度，并监测pH、电导率等参数。实验用水来自西班牙瓦伦西亚Conca del Carraixet污水处理厂的AnMBR pilot plant effluent。

研究结果部分，通过3.1小节对进水废水特性的分析，显示曝气后硫化物完全去除，其他离子浓度基本稳定，但氯化物因pH调节略有增加，证实了曝气通过H₂S剥离而非化学氧化实现硫去除。3.2小节详细描述了硫转化机制，强调在pH 8条件下，H₂S的气提是主要途径，避免了硫酸盐的形成，从而减少结垢风险。3.3小节通过计时电位法确定极限电流（LC）为1.08 A，较未曝废水提高28.6%，表明系统可处理更高电流，但需避免浓度极化（CP）。3.4小节探讨电流应用效应，发现0.1 A时稀释流中NH₄-N和PO₄-P浓度最低（2.9 ± 0.1 mg/L和0.6 ± 0.1 mg/L），满足排放标准，能源消耗最低（11.94 kWh/kg NH₄-N和106.70 kWh/kg PO₄-P），而高电流导致循环时间缩短和性能下降。3.5小节评估电压应用，7.5 V表现最佳，实现类似回收效率但能源消耗较低（0.54 kWh/m³），且恒压模式更利于长期稳定。3.6小节长期实验显示，在0.1 A和7.5 V下，浓缩流中NH₄-N和PO₄-P浓度分别达952.35 mg/L和72.44 mg/L及856.04 mg/L和70.05 mg/L，稀释流满足氮排放限值，但磷需进一步处理才能达到新规要求；恒压模式能源消耗更低，且能更好地控制膜结垢和污染。

研究结论部分强调，集成曝气与ED可有效处理AnMBR出水，实现营养物浓缩和出水净化，恒压模式（7.5 V）因能源效率高和操作稳定更优。该策略支持循环经济和可持续发展目标（SDGs），如SDG 2（通过回收肥料促进粮食安全）、SDG 6（改善水质和回用）、SDG 12（资源高效管理）和SDG 14（减少水体富营养化）。尽管磷回收仍有挑战（如膜吸附和结垢），但通过多级ED、增加膜面积或抗结垢涂层可进一步优化。未来研究可探索pH影响、新兴污染物去除和技术放大，推动ED在真实废水中的应用，为高级废水处理提供可持续解决方案。