直接膜过滤技术提升市政污水厌氧消化效能：对沼气产量、生物降解性及沉降特性的影响研究

本研究针对传统污水处理厂(WWTP)有机质(OM)回收率低的问题，通过构建直接膜过滤(DMF)中试系统，探究超滤膜(M-UF)在预处理后与初沉池后不同位置对厌氧消化(An-D)性能的影响。结果表明：DMF使进入厌氧消化的COD增加28-52%，沼气日产量提升45-74%，最高实现0.663 kWh·kgCODrem-1的能量回收率，为污水资源化提供新思路。

　　

随着全球水资源短缺和能源危机加剧，污水处理厂(WWTP)正从单纯污染物去除转向资源回收中心。传统活性污泥法虽能有效去除有机质(OM)，但需消耗大量电能（占WWTP总能耗40%以上），且仅能回收部分悬浮态OM。更棘手的是，低浓度污水直接厌氧消化效率低下，而厌氧膜生物反应器(AnMBR)虽能解决此问题，却面临甲烷溶解损失和膜污染等挑战。如何在现有设施基础上提升能源回收率，成为实现污水厂"碳中和"的关键突破口。

西班牙瓦伦西亚Carraixet污水处理厂的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表研究，创新性地将直接膜过滤(DMF)技术引入WWTP主流工艺。他们设计了一套576L的中试系统，配备0.03μm超滤膜(M-UF)，对比分析了膜组件在预处理后与初沉池后两种布置方案。通过长达398天的半连续式中温(35°C)厌氧消化(An-D)实验，结合沉降柱测试和数学模型拟合，系统评估了浓缩液(RM-UF)对沼气产量、生物降解性和沉降特性的影响。

研究采用三大关键技术：1）构建双位置DMF中试系统，分别处理原污水(Raw WW)和初沉池出水(PSE)；2）运行13L半连续An-D反应器，监测COD、VSS降解及沼气组分；3）运用Yoshioka、Vesilind等数学模型分析不同流态沉降曲线。通过精确控制污泥停留时间(SRT=20天)和有机负荷率(OLR=1.88-2.28 gCOD·L^-1·d^-1)，获取可比性数据。

主要发现如下：
3.1 厌氧消化性能
当DMF置于预处理后时，进料VSS含量达86.1%，较传统混合污泥(PS+BS)提高6个百分点。这使每日甲烷产量提升74%（3.89 vs 2.23 L·d^-1），甲烷产率增加15%（170.6 vs 148.3 mLCH₄·gCOD_inf^-1）。能量回收计算显示，预处理后布置方案可实现0.663 kWh·kgCOD_rem^-1的收益。

3.2 沉降特性
通过50L沉降罐测试发现，预处理后RM-UF经24小时沉降可达30 gTSS·L^-1，而初沉池后RM-UF仅达25 gTSS·L^-1。指数模型(R²>0.97)最佳拟合沉降曲线，揭示预处理后RM-UF沉降速度与初沉污泥(PS)相当。添加聚合氯化铝(PACl)未能改善沉降性能，5-10 mg·L^-1剂量下沉降曲线几乎重叠。

这项研究为WWTP升级改造提供了重要参考：首先，证实DMF技术可大幅提升能源回收效率，无需改变现有厌氧消化设施；其次，明确了膜组件置于预处理后更有利于后续浓缩液沉降处理；最后，指出传统化学强化沉降在DMF工艺中效果有限。这些发现对推动污水处理向"能源工厂"转型具有实践指导意义，特别是为高悬浮物污水的资源化处理开辟了新路径。未来研究可进一步优化膜清洗策略，并探索与营养盐回收工艺的协同效应。