高固体厌氧膜生物反应器共消化餐厨垃圾与污水污泥的可持续通量控制策略研究

为解决高固体厌氧膜生物反应器（AnMBR）在餐厨垃圾（FW）与污水污泥（SeS）共消化过程中膜污染严重、通量下降的问题，上海大学环境与化学工程学院团队通过调控瞬时通量与过滤-松弛（F/R）比，显著提升了不同总固体（TS）浓度下的可持续通量（最高达20.3 LMH），并建立指数函数模型预测通量变化。该研究为高固体AnMBR的工艺优化提供了重要指导，成果发表于《Journal of Environmental Management》。

　　

随着城市化进程加速，餐厨垃圾（FW）和污水污泥（SeS）产量激增，传统处理方法面临效率低、资源浪费等挑战。厌氧膜生物反应器（AnMBR）因其高效有机物转化和甲烷回收能力成为研究热点，但高固体浓度导致的膜污染问题严重制约其应用。如何通过操作优化提升可持续通量（Sustainable Flux），成为实现AnMBR规模化应用的关键瓶颈。

上海大学环境与化学工程学院的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表论文，系统探究了高固体AnMBR共消化FW与SeS的膜过滤控制策略。通过精准调控瞬时通量（J_inst.）和过滤-松弛比（F/R Ratio），在TS浓度为15-30 g/L范围内实现了可持续通量的显著提升，最高达20.3±0.6 LMH（升/平方米/小时），较单一FW消化提升1.54-4.24倍。研究还建立了指数函数模型，为不同TS浓度下的通量预测提供理论工具。

研究采用连续搅拌槽反应器耦合中空纤维膜组件（孔径0.1-0.2 μm），在35°C下进行长期实验。通过实时监测跨膜压（TMP）和阻力（R_T），评估不同F/R比（3:1至9:1）和瞬时通量（12-27 LMH）组合下的膜性能。混合液特性分析包括表观粘度测定、颗粒粒径分布（PSD）和溶解性COD（SCOD）检测，以揭示通量提升机制。

3.1 长期运行性能

系统在有机负荷率（OLR）3.89±0.47 g-COD/L/d下稳定运行，甲烷产率达0.25±0.03 L-CH₄/g-COD_re，COD去除率>99%。反应器内pH（7.3±0.1）和氨氮浓度（1343±353 mg/L）均处于适宜范围，证实共消化系统的代谢稳定性。

3.2 过滤模式优化

通过阶梯式调整F/R比和瞬时通量，发现TS=20 g/L时采用F/R=9:1与J_inst.=24 LMH可实现最优通量20.3 LMH。值得注意的是，TS=15-20 g/L时通量趋于稳定，可能与生物气冲刷（Shear Force）和渗透拖曳力（Permeation Drag）的动态平衡有关。建立的指数模型（R²=0.94483）可准确预测通量随TS的变化规律。

3.3 通量提升机制

共消化系统较单一FW消化表现出三大优势：（1）表观粘度降低35%（FW消化液35.0 mPa·s vs 共消化液26.1 mPa·s）；（2）颗粒粒径分布更宽（3-3000 μm），减少<3 μm微粒对膜孔的堵塞；（3）协同效应促进有机物降解，SCOD浓度降低59%（0.31 vs 0.76 g/L）。

3.4 典型过滤过程

实时TMP曲线分析显示，非可持续操作分为两类：瞬时通量过高导致TMP_t斜率（k₂）>TMP₀斜率（k₁），而松弛不足则引发TMP₀优先上升。共消化系统因粘度低，松弛期颗粒回混更快，TMP₀恢复能力显著优于单一FW系统。

该研究首次提出针对FW-SeS共消化的膜操作控制策略，推荐20 g-TS/L为最佳运行浓度。所建立的通量预测模型填补了高固体AnMBR性能评估的空白，为有机固废处理工艺的节能优化提供了重要理论依据。通过揭示粘度-粒径-协同效应的多因素作用机制，为后续抗污染膜材料开发指明了方向。