3D打印技術(shù)能否助力新一代厭氧膜生物反應器（AnMBR）的研發(fā)？

來源：國際水協(xié)會（IWA）

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(shù)開發(fā)下一代的厭氧膜生物反應器。可持續(xù)發(fā)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(chǎn)量，同時保證高標準的出水水質(zhì)。這個項目的總體目標是開發(fā)一種新型AnMBR，以實現(xiàn)低成本的城市污水處理，減少溫室氣體排放的同時實現(xiàn)能量盈余。這個中試項目包括利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)生物膜單元的快速研發(fā)和生產(chǎn)，并優(yōu)化AnMBR反應器的表現(xiàn)。

注：圖片來源網(wǎng)絡，與內(nèi)容無關(guān)

膜生物反應器（MBRs）可以提供高品質(zhì)的出水，在城市污水處理領(lǐng)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(jié)合了厭氧消化和膜技術(shù)，在實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)出水的同時，可以回收污水里的能量。但在目前溫帶地區(qū)的傳統(tǒng)AnMBR無法實現(xiàn)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(shè)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(huán)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(chǎn)量和污泥處理的成本。技術(shù)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(xiàn)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(wǎng)絡研討會，并邀請了密歇根大學的相關(guān)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(nèi)容。

密歇根大學的AnMBR科研項目和團隊成員一覽

AnMBR工藝概述
目前行業(yè)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(yè)污水。

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

關(guān)于AnMBR，大家可以點擊鏈接查看:《 AnMBRs能實現(xiàn)污水廠碳平衡？美西聯(lián)合團隊用LCA分析成功關(guān)鍵何在》。感興趣的朋友還可以參考另外兩個團隊的綜述，一個是密歇根大學的Raskin教授和她團隊在2012年發(fā)表的一篇綜述，另一個是日本東北大學李玉友教授及其團隊于2014年發(fā)表的綜述。兩篇文章的題目分別如下：
《Perspectiveson Anaerobic Membrane Bioreactor Treatment of Domestic Wastewater: A Critical Review》
《Recent Developments in Municipal Wastewater Treatment Using Anaerobic Membrane Bioreactor: A Review》

中試結(jié)果與技術(shù)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(tǒng)處理技術(shù)相比，AnMBR的成本、能耗和環(huán)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(jié)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(xiàn)的問題。如下圖所示，反應器里設(shè)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(jié)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(zhì)。甚至還發(fā)現(xiàn)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(huán)境影響進行過分析比較，結(jié)果顯示過去AnMBR技術(shù)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(xiàn)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(chǔ)上，密歇根大學的團隊將焦點放在AnMBR的重新設(shè)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(xiàn)高有機負荷的出色運行。
而在水處理領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以大大豐富膜材料的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)性能。18年7月，新加坡南洋理工大學的科學家創(chuàng)新公司NanoSun就推出了一種基于3D打印技術(shù)生產(chǎn)的過濾膜。開發(fā)者說這種膜的過濾速度是傳統(tǒng)高分子膜和陶瓷膜的5倍。

而在污水處理領(lǐng)域，年中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院的研究團隊在2015年也利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了新型的MBBR反應器生物填料。他們指出3D打印技術(shù)可以更好地測試和設(shè)計填料的高比表面積、密度、硬度等參數(shù)，促進傳質(zhì)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(fā)明報告，所以不便透露更多細節(jié)。但根據(jù)3D打印的技術(shù)特點，它能在很多方面根據(jù)AnMBR工藝的特點優(yōu)化膜的功能。我們也會繼續(xù)關(guān)注該項目的進展，在今后為大家做跟進報道。

來源：國際水協(xié)會（IWA）