H2/CH4-MBfR在污水处理行业的应用分析

廖勇强

（广东思绿环保科技股份有限公司，广州 510000）

目前，世界气候变暖已成为人们共同面临的巨大挑战，近年来，诸多国家相继发布了碳达峰和碳中和的目标。在污水处理行业中，污水厌氧消化产生的沼气主要成分是CH和CO，它们是引起全球气候变暖的重要因素。随着氢基质膜生物膜反应器（MBfR）在污水处理行业的不断试验研究，使用H和CH作为电子供体和碳源来处理污水中氯化和氧化污染物的技术得到不断普及，随着应用效果的不断提升，碳排放将大幅降低，污水处理行业有望最终实现碳中和目标。

1 MBfR 技术概况

氢基质膜生物膜反应器（MBfR）是基于气体传输膜处理水中污染物的新型技术，也被叫作膜曝气生物膜反应器（MABR）。

1.1 MBfR 技术去除污水中污染物的原理

MBfR 技术去除污水中污染物的原理是将还原菌和生物膜结合，使还原菌能够附着在生物膜的表面，气体在压力驱动下以无泡曝气的方式进入生物膜里。无泡曝气的气体与氧化性污染物中的微生物发生新陈代谢反应，从而使污染物得到消除。MBfR 技术具有气体能够高效使用、所需能量少、反应器占地面积小的优点，能够有效去除氧化性污染物。

1.2 MBfR 运行性能的影响因素

影响MBfR 运行性能的主要因素是温度、进水pH、水力停留时间（）等，还有选用的生物膜材料及厚度、电子供体等。比较常用的电子供体是H和CH。将H作为电子供体，可以去除污染物中硝酸盐的H-MBfR，微生物群落主要以氢自养来对细菌进行反硝化，进水pH 要求很高，需要的厌氧条件也比较严格。将CH作为电子供体，可以去除污染物中硝酸盐的CH-MBfR，微生物群落主要以好氧CH或者厌氧CH来氧化细菌。

H-MBfR 和CH-MBfR 体系中，微生物群落对于有毒物质的适应能力不同。H-MBfR 体系中，随着进水亚硝酸盐浓度的升高，高氯酸盐去除率逐渐降低，浓度为5 mg/L 时，去除率约为80%，而当浓度升到20 mg/L 时，去除率降低至小于30%。CH-MBfR 体系中，进水亚硝酸盐浓度为2 mg/L 时，高氯酸盐去除率小于30%。

2 H2/CH4-MBfR 技术去除污水中污染物的效果分析

2.1 H2/CH4-MBfR 技术去除污水中单一污染物的效果分析

H-MBfR 体系中，H压力固定在0.04 MPa 时，进水硝酸盐质量浓度不同，H-MBfR 生物膜的噬氢菌的相对丰富度也有明显的差别。进水硝酸盐质量浓度为20 mg/L 时，噬氢菌的相对丰富度为49%，硝酸盐的去除效率为98.8%；当进水硝酸盐浓度提高到30 mg/L 时，噬氢菌的相对丰富度下降至17%，硝酸盐的去除效率下降至不足72%。研究发现，影响噬氢菌的相对丰富度和硝酸盐的去除效率的原因主要是H作为电子供体的供应情况。

CH-MBfR 体系中，去除硝酸盐时，生物膜中的微生物主要组分是反硝化型厌氧甲烷氧化（DAMO）古细菌、DAMO 细菌和厌氧氨氧化菌，其所占比例分别为50%、20%、20%，硝酸盐的去除量能够达到684 mg/（L·d）。在硝酸盐浓度7～9 mg/L 的微氧环境中，DAMO 细菌同样具有强大的硝酸盐还原能力。H-MBfR 和CH-MBfR 去除氧化性污染物的试验数据如表1所示。

表1 H2-MBfR 和CH4-MBfR 去除氧化性污染物的效果

2.2 H2/CH4-MBfR 技术去除污水中多种污染物的效果分析

H-MBfR 和CH-MBfR 对污水中单一污染物的去除效果好，但同时去除多种污染物的效果降低。同时去除溴酸盐和硝酸盐时，H-MBfR 和CH-MBfR 都会出现反硝化菌获取电子供体的能力更强而溴酸盐还原被抑制的情况，刚开始时，溴酸盐去除率低，硝酸盐基本上被全部还原后，去除率逐渐升高；同时去除硝酸盐和铬酸盐时，H-MBfR 和CH-MBfR 都会出现反硝化菌获取电子供体的能力更强而铬酸盐还原被抑制的情况。当前，可增加供应气体的压力，进而增加电子供体的数量，解决微生物间的电子供体竞争问题；可控制进水中有毒污染物的浓度，使MBfR 中的微生物慢慢适应有毒污染物的毒性。同时去除多种氧化性污染物的效率可以达到85%，H的利用率可以达到100%。

3 H2/CH4-MBfR 技术对碳中和目标实现的贡献分析

3.1 H2-MBfR 技术实现碳中和的贡献分析

H-MBfR 技术采用碳酸氢钠作为无机碳源，在序批式反应中所用的时间小于用CO反硝化菌驯化所用的时间。MBfR 技术能够打破CO在水中溶解度的限制，使CO能够在水中以无泡方式水解，生成CO或HCO作为无机碳源使用。

3.2 CH4-MBfR 技术实现碳中和的贡献分析

CH-MBfR 技术将CH作为膜生物膜反应器的电子供体和碳源。下面在有氧和厌氧环境下利用CH对微生物特性进行分析。

3.2.1 CH-MBfR 技术有氧氧化分析

CH有氧氧化是由好氧氧化菌主导的氧化过程，好氧氧化菌有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三种。Ⅰ型好氧氧化菌的细胞膜是囊泡状结构，更适合在高浓度O的环境中生长；Ⅱ型氧化菌的细胞膜与细胞表面并排，更喜欢CH浓度大于1%和O浓度小于1%的环境。在O浓度不相同的情况下，通过稳定同位素与宏基因组对有氧氧化和反硝化耦合进行分析，得到去除硝氮效果最好的好氧甲烷耦合反硝化（AME-D）系统。此时，O的浓度为10%，主要微生物是占比46.4%的Ⅰ型氧化菌和占比24.1%的反硝化菌，控制O浓度，使其既满足氧化菌需求，又不会影响反硝化菌活性。

3.2.2 CH-MBfR 技术厌氧氧化分析

CH厌氧氧化（AOM）技术起源于海洋沉积物观察，CH厌氧氧化微生物也被称为厌氧CH营养古细菌（ANME）。CH厌氧氧化过程将CH和CO作为底物，生成短链脂肪酸，再进行氧化还原，最终碳被微生物利用。微生物含有的酶能够参与好氧氧化，然后将产生的氧用于氧化CH。因此，CH可以作为ANME 的碳源和次要碳源使用。CH的有氧氧化可以每年减少6×10kg 的CH排放；厌氧氧化可以使淡水湿地每年生成的2×10kg 的CH基本被消耗。大部分碳被微生物利用，实现了碳减排。污水处理的CH排放量为

式中：为CH排放量，t COe；为每年所排污水的有机物数量，kg BOD/a；为CH最大生产能力，取0.6 kg CH/kg BOD；为CH的修正因子；为污水减排回收量，t COe。

CH-MBfR 技术正是通过增加污水减排回收量来实现碳减排，利用效率可保持在64%～80%，CH-MBfR 技术能够使83%以上的CH与微生物发生反应，可以将经过脱硫处理的沼气作为去除污水中污染物的电子供体，使污水中的污染物和碳同时得到去除。

4 结论

H/CH-MBfR 技术是污水处理行业的新兴工艺。研究发现，H-MBfR 能够较好地去除氧化性污染物，H-MBfR 能够较好地去除单种污染物，但如果污水中污染物种类较多，彼此会相互抑制，导致处理效果降低；CH-MBfR 在有氧和厌氧环境下表现各异，对于能否适应复杂情况，需要进一步确认。H-MBfR 与CH-MBfR 相结合，不但能够有效去除氧化性污染物，而且能够推动污水处理行业实现碳中和目标。