基于直接膜过滤与膜接触器联用的城市污水中氨氮与碳资源高效同步回收技术研究

针对传统污水处理工艺能耗高、N2O排放等问题，研究人员创新性地将直接膜过滤（DMF）与膜接触器（MC）联用，实现了城市污水中70-80%有机碳回收及近100%氨氮回收。该技术通过DMF预处理有效控制MC膜污染，在pH 9.2中等碱性条件下即可高效运行，为碳中和污水处理提供了新范式。

　　

随着全球城市化进程加速，城市污水处理面临能源消耗与资源浪费的双重挑战。传统生物脱氮工艺不仅需要消耗43.9 MJ/kg-N的巨额能量，还会产生强温室气体N₂O（其温室效应是CO₂的300倍）。更令人担忧的是，污水处理厂排放的N₂O可占其碳足迹的83%。与此同时，污水中蕴含的氮、碳资源大多被白白浪费——这些本可通过回收制成肥料或能源的物质，最终却以污染物的形式被处理。

日本札幌Soseigawa污水处理厂的研究团队在《Water Research》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将直接膜过滤（Direct Membrane Filtration, DMF）与膜接触器（Membrane Contactor, MC）技术联用，就像给污水处理系统装上了"资源捕手"：DMF先通过0.1 μm微滤膜截留70-80%的有机碳用于能源转化，随后MC从DMF渗透液中高效回收氨氮。这种组合不仅解决了MC膜污染难题，更开创了污水资源化新路径。

关键技术包括：1）采用初级沉淀出水进行DMF预处理；2）在pH 9.2-11条件下比较MC性能；3）长期运行评估系统稳定性；4）TAN（总氨氮）质量平衡分析。

【氨氮回收性能】
实验数据显示，MC在6小时内即可近乎完全（>93%）回收污水中的氨氮。特别值得注意的是，经DMF预处理的污水在MC中展现出更稳定的传质效率——这是因为DMF去除了90%以上的颗粒物/胶体（粒径>0.1 μm），显著减轻了膜污染。

【pH条件优化】
传统认为需要pH 11的高碱环境才能保证氨氮回收效率，但研究发现DMF预处理后，pH 9.2的中等碱性条件即可达到同等效果。这大幅降低了化学药剂消耗，使技术经济性提升约30%。

【长期运行表现】
在持续30天的测试中，回收液（硫酸）的氨氮浓度稳定增至350 mg/L以上。DMF-MC系统展现出卓越的稳定性，尤其当处理日本札幌实际污水时，仍保持80%碳回收率和98%氨氮回收率。

这项研究为碳中和污水处理提供了教科书级范本：DMF捕获的有机碳可转化为沼气能源，满足系统90%能耗需求；MC回收的铵盐（(NH₄)₂SO₄）纯度达农用标准。更关键的是，该技术使污水处理从"耗能大户"转变为"产能单元"，预计可减少60%以上的N₂O排放。研究团队特别指出，该系统的模块化设计使其易于在现有污水处理厂改造应用，为全球污水处理行业转型升级提供了切实可行的技术方案。