利用膜接触器从厌氧消化渗滤液中回收氨的中试评估：性能优化与实际可行性分析

《Journal of Water Process Engineering》：Pilot-scale evaluation of ammonia recovery from anaerobic digestion leachate using a membrane contactor: Performance optimization and practical feasibility assessment

　　

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  试点规模的膜接触器从真实的厌氧消化渗滤液中回收了氨。
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  在合成测试中，串联模块的氨回收率可达96.38%。
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  在28小时内，稳定的实际渗滤液处理系统可回收2630毫克/升的NH₄⁺-N。
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  抗结垢剂通过防止钙磷结垢，使系统运行时间延长至176小时。
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  长期结垢会导致膜不可逆损坏，并降低化学清洗的效果。

引言

长期以来，污水处理厂主要将氨视为污染物，需要去除以避免接收水体出现富营养化和毒性问题[1]、[2]。然而最近，人们开始关注在污水处理系统中回收和再利用氮元素。从这个角度出发，氨（NH₄⁺/NH₃）越来越被视为可回收的资源，而非不必要的副产品[3]、[4]。回收的氨可用作肥料生产的原料[5]、[6]，同时也在与氢能相关能源系统及氮循环利用方面被研究[5]、[6]、[7]、[8]。厌氧消化过程会产生富含铵的副产物，为氨的回收创造了有利条件。污泥脱水后的浓缩液通常含有700–2000毫克/升的NH₄⁺-N，因此成为污水处理厂回收氨的理想目标[3]、[4]、[9]、[10]、[11]。从这些流中回收氨不仅可以减少进入主处理流程的氮负荷，还有助于实现营养物质的循环利用。

常见的氨控制方法包括空气吹脱、临界点氯化以及生物硝化-反硝化工艺[12]。这些方法通常能耗较高且操作复杂。此外，生物脱氮过程还可能产生一氧化二氮等温室气体[13]、[14]。正因如此，人们越来越重视用于氨回收的物理化学方法。这类工艺往往具有模块化特点，可与资源回收策略相结合，而且也适合分散式运行[15]、[16]。例如，双极膜电渗析等先进的电膜技术以及混合工艺配置，近年来被广泛用于优化复杂废水中的氮回收效率，甚至还能实现营养物质回收与氢气生产的同步进行[17]、[18]、[19]。不过，在实际的废水处理条件下，能否真正实现这些资源回收优势仍是一个未解之题。

在各类物理化学方法中，膜接触器系统因其成本效益高而被视为选择性回收氨的有希望的技术[12]。在膜接触器工艺中，气液传质是在无相分离的情况下通过疏水性微孔膜实现的。在碱性进料条件下，游离的NH₃会穿过膜并进入酸性收集液中，在那里转化为铵盐[16]、[20]、[21]、[22]。许多实验室规模的研究表明，使用膜接触器系统可在受控条件下从含氨溶液中高效回收氨[23]、[24]。在高pH值和较高温度条件下，该系统的回收效率常常可达到80–90%，显示出良好的传质性能[25]、[26]。

最近，膜接触器系统也被应用于实际的厌氧消化液或渗滤液中。表1总结了以往利用膜接触器从高氨含量废水中回收氨的相关研究。Cifuentes-Cabezas等人使用膜接触器从经过预处理的污水处理厂污泥浓缩液中回收NH₃[10]。Ferrari等人则将电渗析与膜接触器结合，用于处理实际的厌氧消化液浓缩液，成功实现了高效的氨回收[25]。Righetto等人利用试点规模的PTFE膜接触器系统研究垃圾填埋场渗滤液中的氨回收问题[27]，Wu等人则系统比较了不同膜结构及多种模块配置（内置式与壳管式）在渗滤液处理中的应用效果[28]，而Schwiebert等人的最新研究则表明，对厌氧消化液浓缩液进行深度预处理（超滤处理）后可实现较高的氨回收率[29]。

尽管取得了这些进展，但在实际污水处理厂环境中大规模应用膜接触器技术仍然面临诸多挑战。如表1所示，虽然已有研究证明了膜接触器可用于从实际废水中回收氨，但多数研究仅集中在相对可控或短期运行条件下的初始氨转移效率上。要实现更大规模的实际应用，还面临着四个关键的工程难题。首先，关于膜接触器系统处理未经充分预处理的高浓度厌氧消化液渗滤液的长期运行数据极为有限。其次，尽管结垢问题已被广泛认可，但关于无机结垢物（如钙磷结垢）的空间分布特征以及试点规模下抗结垢剂投加效果的详细研究仍属空白。第三，关于长时间使用后膜的清洁能力极限以及导致膜不可逆损坏的阈值，目前还缺乏系统的研究数据。最后，对于在接近实际应用条件的情况下，串联和并联模块配置对氨转移效率的影响，目前了解还不够充分。

为弥补这些关键的工程缺陷，本研究使用了真实的厌氧消化液开展了全面的试点规模实验。最初，根据理论传质模型设计了试验系统，以确定影响性能的关键操作参数。随后，通过使用合成溶液的逐步实验，优化了系统的基准性能及流体动力学上的模块配置（串联式与并联式）。最后，使用真实厌氧消化液进行了长达176小时的延长试点运行，旨在深入研究结垢动态、抗结垢剂的效果，以及化学清洗的极限，这些都会导致膜的不可逆损坏。此外，还对该工艺的运营成本进行了评估。总体而言，这些研究结果提供了关于系统耐久性及多模块运行的综合数据，为未来实际规模应用以及基于膜接触器的营养物质回收系统的全面推广奠定了重要基础。

章节要点

研究地点与目标废水

这项试点规模实验是在韩国大田市污水处理厂进行的，该厂拥有厌氧消化装置和污泥脱水设施。目标废水为厌氧消化渗滤液，其氨浓度很高（以NH₄⁺-N计为876.72 ± 26.43毫克/升），同时还含有大量的悬浮固体、钙、镁和磷酸盐，具体数据见表2[31]。这些物质在基于膜或物理化学的处理过程中容易引发严重的污染和结垢问题。

膜的性能与实验装置

该

通过理论建模分析操作参数

在试点规模系统设计中，基于建模的性能评估以及对影响因素的分析至关重要。理论建模有助于预先评估关键操作参数，从而为系统设计确定合适的操作范围。在工厂设计阶段，首先通过理论建模评估工艺性能，然后再通过SHAP分析来确定各操作参数的相对重要性。

图2a展示了氨通量随

结论

本研究使用商用膜接触器模块，重点研究了从实际厌氧消化污泥渗滤液中回收氨的问题，同时分析了与规模扩大相关的限制因素。本研究的主要结论如下：

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  本研究采用了理论建模方法来设计用于氨回收的膜接触器系统，共使用了两个膜面积为1.4平方米的商用模块。同时，还通过SHAP分析确定了各关键操作参数的重要性。研究结果表明，进料流速是

作者贡献说明

Seonkyu Lee：文章撰写——初稿撰写、可视化处理、结果验证、正式分析、数据整理。 Youngkwon Choi：文章撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、概念构思。 Songbok Lee：方法设计、实验研究、概念构思。 Daeho Lee：实验研究。 Da Yun Kwon：结果验证、数据整理。 Jieun Kim：可视化处理、实验研究。 Jungeun Park：实验研究。 Joowan Lim：文章撰写——审稿与编辑、结果验证。 YeonKwon Kim：文章撰写——审稿与编辑。 Sungpyo

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国信息通信技术研究院通过“用于未来战略资源回收的废弃物二次电池/卤水环境材料与一体化废水回收系统开发”研究计划的支持，该计划由韩国科学和ICT部资助（项目编号：20250417-001）；同时还得到了韩国环境产业技术研究院通过“数字化海水淡化与卤水资源回收技术开发项目”的支持，该项目由韩国气候、能源部资助。

Seonkyu Lee|Youngkwon Choi|Songbok Lee|Daeho Lee|Da Yun Kwon|Jieun Kim|Jungeun Park|Joowan Lim|YeonKwon Kim|Sungpyo Kim|Ho Kyong Shon|Youngjin Kim