高固体厌氧膜生物反应器中过滤周期对膜污染动态的影响机制及优化策略研究

为解决高固体厌氧膜生物反应器（AnMBR）处理污水污泥时膜污染严重的问题，研究人员系统评估了不同过滤/松弛比（F/R）对膜性能的影响。研究发现，3:1的F/R能有效控制膜污染，使通量维持效率达94.7%，并建立滤液体积与跨膜压差（ΔTMP）的幂律模型（ln(ΔTMP)=0.3018ln(v)+2.3101）。该研究为工程应用中膜工艺优化提供了理论依据。

　　

随着城市化进程加速，污水污泥处理成为环境治理的难题。传统厌氧消化技术因水解速率限制，处理效率低下，而厌氧膜生物反应器（AnMBR）凭借其高效的生物质截留能力成为研究热点。然而，高固体浓度（MLTS>30 g/L）下膜污染问题尤为突出，严重制约AnMBR的长期稳定运行。膜污染不仅增加过滤阻力，还大幅提升能耗，成为工程应用的“卡脖子”难题。

针对这一挑战，日本宫城县某污水处理厂的研究团队开展了一项创新研究。他们构建了15L高固体AnMBR系统，通过调控瞬时通量（J₀）和过滤/松弛比（F/R），系统探究了不同操作条件下膜污染的动态演变规律。相关成果发表在环境管理领域权威期刊《Journal of Environmental Management》上，为高固体AnMBR的优化运行提供了重要理论支撑。

研究采用多学科交叉方法：首先通过长期监测评估系统甲烷产率（157.8±15.3 mL-CH₄/g-COD_add）和COD去除效率（99.1%）；其次设计九组不同F/R实验（0.75:0.75至4:1），结合实时跨膜压差（TMP）监测分析污染类型；最后运用幂律模型定量描述滤液体积与ΔTMP的非线性关系。特别值得注意的是，研究团队创新性地将经典堵塞模型（dp/dv=k'p^n'）与阻力串联理论相结合，实现了对污染机制的精准解析。

3.1 长期产甲烷性能与物质平衡
系统在MLTS为33.7±1.0 g/L条件下稳定运行，甲烷含量保持62.3±0.8%。质量流分析显示，46.78%的COD转化为甲烷，仅0.54%随渗透液流失。蛋白质作为主要组分（占46.17%），其转化率（38.13%）显著低于碳水化合物，揭示有机物转化效率的差异。

3.2 膜过滤性能
在相同F/R（1:1）条件下，1分钟过滤/1分钟松弛的组合表现最优，通量维持效率（FME）达76.1%。而当F/R调整为3:1时，系统性能显著提升：ΔTMP降至16.23±0.05 kPa，FME高达94.7%，总阻力（R_T）维持在7.20×10¹² m^-1的最低水平。

3.3 滤液体积与ΔTMP的定量关系
建立的幂律模型ln(ΔTMP)=k·ln(v)+b具有普适性，其中松弛/过滤比与参数k（污染速率）呈负相关（R²=0.8736）。该模型较线性模型拟合优度提升27.6%，能更准确预测高固体条件下的污染发展趋势。

3.4 膜污染动态
关键发现是污染类型随操作参数变化：高瞬时通量（16.68-20.10 LMH）下以滤饼层形成为主（n'≈0），而低通量（7.42-11.79 LMH）长过滤时间易导致中间孔堵塞（n'≈1）。实时TMP曲线显示，3:1循环的污染速率最低（0.056 kPa/min），且松弛阶段能完全恢复初始TMP。

这项研究首次系统阐明了高固体AnMBR中过滤周期与污染动态的量化关系。提出的3:1操作策略无需硬件改造即可实现94.7%的通量维持效率，具有显著的工程应用价值。建立的幂律模型为智能膜污染预警提供了算法基础，而揭示的污染类型转变规律为针对性清洗策略制定指明了方向。未来研究可结合实时传感器开发自适应控制系统，进一步推动AnMBR技术在污泥资源化领域的规模化应用。