3D打印技術能否助力新一代厭氧膜生物反應器（AnMBR）的研發？

魔猴君  行業資訊   2039天前

美國水研究基金會（Water Research Foundation, 原WERF基金會）在18年初與美國密歇根大學簽訂合同，支持后者利用3D打印技術開發下一代的厭氧膜生物反應器。可持續發展的水管理對公用部門非常重要，世界各地的水務部門正在努力減少生活污水處理中的能耗和污泥產量，同時保證高標準的出水水質。這個項目的總體目標是開發一種新型AnMBR，以實現低成本的城市污水處理，減少溫室氣體排放的同時實現能量盈余。這個中試項目包括利用3D打印技術實現生物膜單元的快速研發和生產，并優化AnMBR反應器的表現。

注：圖片來源網絡，與內容無關

膜生物反應器（MBRs）可以提供高品質的出水，在城市污水處理領域越來越受歡迎。而AnMBRs，即厭氧膜生物反應器（英文全稱Anaerobic membrane bioreactors）， 結合了厭氧消化和膜技術，在實現優質出水的同時，可以回收污水里的能量。但在目前溫帶地區的傳統AnMBR無法實現能量盈余和溫室氣體的減量排放。因此這個研究的目標主要有以下三點：

為新型AnMBR設計、制造3D打印的生物膜單元并進行評估

縮短HRT和最低運行溫度閾值

進行生命周期成本和生命周期環境評估

厭氧方法的應用會為城市污水的處理提供了全新的機會，包括大大降低用于曝氣的能耗，以及減少污泥產量和污泥處理的成本。技術成果將集中在提高生物膜的膜通量，以及使處理效率最大化，最終實現污水廠的能量盈余。該項目預計將于2019年完成。針對這個項目，美國水研究基金會在18年6月舉行了一個網絡研討會，并邀請了密歇根大學的相關學者對這個項目進行介紹。本期微信將為大家分享這個報告的重點內容。

AnMBR工藝概述

目前行業認為AnMBR目前適于處理高濃度污水，但不合適于處理低濃度污水，因為一般說來進水COD需要不低于5,000 mg/l，流量不低于100m3/d，同時它也可處理高鹽度或者含高脂肪的污水，包括乳制品廠、啤酒廠、肉類加工廠、食品加工廠和生物燃料廠等工業污水。

圖. AnMBR的工藝流程示意圖，它旨在取代紅色虛線框內的工序設備和占地面積

中試結果與技術瓶頸

密歇根大學團隊認為，在使用AnMBR處理生活污水之前，需要回答以下三個問題：

1.處理效果能否提高？

2.運行溫度能否更低？

3.與其他傳統處理技術相比，AnMBR的成本、能耗和環境影響如何？

對于這些問題，密歇根大學團隊在2013年就做過一個小型試驗。結果顯示，通過沼氣噴射的方式能有效控制膜污染。但有近一半的甲烷溶解于出水，而反應器里的微生物主要為耐低溫的中溫型占主導。

2015年，研究團隊又開啟了一個新的小型試驗進一步探討處理表現的問題。如下圖所示，反應器里設置了三塊浸入式平板膜，每塊膜有獨立的膜污染控制單元，開始階段在高噴射率下運行，運行溫度為15°C，但只用中溫污泥接種。研究結果顯示，通過控制膜污染程度可以使生物膜富集目標細菌，并改善出水水質。甚至還發現可以去除抗生素抗性基因和其他微污染物。他們也指出下一步研究需要評估生物膜群落高生物活性背后的潛在機制、生物膜促進策略對長期膜污染的影響以及生物膜對化學清洗的反應。 

反應溫度方面，2015年他們的實驗顯示AnMBR的運行溫度可以低至6℃，生物膜在此起著重要作用。

研究團隊在2014年就對AnMBR的成本和環境影響進行過分析比較，結果顯示過去AnMBR技術的最大賣點在于占地面積小。但工藝的能耗仍十分可觀，并且對全球變暖影響大。團隊期望改良后的AnMBR可以實現能量自給甚至盈余，并減少甲烷排放。但在溫室氣體排放問題上該工藝顯然還需要進一步完善解決。在過去幾年研究的基礎上，密歇根大學的團隊將焦點放在AnMBR的重新設計上，以在低溫條件下去除出水中的溶解甲烷，同時解決膜污染的問題，減少膜污染帶來的能耗，實現高有機負荷的出色運行。

而在水處理領域，3D打印技術可以大大豐富膜材料的材質和結構性能。18年7月，新加坡南洋理工大學的科學家創新公司NanoSun就推出了一種基于3D打印技術生產的過濾膜。開發者說這種膜的過濾速度是傳統高分子膜和陶瓷膜的5倍。而在污水處理領域，年中國科學院重慶綠色智能技術研究院的研究團隊在2015年也利用3D打印技術生產出了新型的MBBR反應器生物填料。他們指出3D打印技術可以更好地測試和設計填料的高比表面積、密度、硬度等參數，促進傳質作用。

密歇根大學的Lutgarde Raskin教授表示目前她的團隊正在忙于準備發明報告，所以不便透露更多細節。但根據3D打印的技術特點，它能在很多方面根據AnMBR工藝的特點優化膜的功能。我們也會繼續關注該項目的進展，在今后為大家做跟進報道。

來源：國際水協會（IWA）