3D打印技术能否助力新一代厌氧膜生物反应器（AnMBR）的研发？

来源：国际水协会（IWA）

美国水研究基金会（Water Research Foundation, 原WERF基金会）在18年初与美国密歇根大学签订合同，支持后者利用3D打印技术开发下一代的厌氧膜生物反应器。可持续发展的水管理对公用部门非常重要，世界各地的水务部门正在努力减少生活污水处理中的能耗和污泥产量，同时保证高标准的出水水质。这个项目的总体目标是开发一种新型AnMBR，以实现低成本的城市污水处理，减少温室气体排放的同时实现能量盈余。这个中试项目包括利用3D打印技术实现生物膜单元的快速研发和生产，并优化AnMBR反应器的表现。

注：图片来源网络，与内容无关

膜生物反应器（MBRs）可以提供高品质的出水，在城市污水处理领域越来越受欢迎。而AnMBRs，即厌氧膜生物反应器（英文全称Anaerobic membrane bioreactors）， 结合了厌氧消化和膜技术，在实现优质出水的同时，可以回收污水里的能量。但在目前温带地区的传统AnMBR无法实现能量盈余和温室气体的减量排放。因此这个研究的目标主要有以下三点：
为新型AnMBR设计、制造3D打印的生物膜单元并进行评估
缩短HRT和最低运行温度阈值
进行生命周期成本和生命周期环境评估

厌氧方法的应用会为城市污水的处理提供了全新的机会，包括大大降低用于曝气的能耗，以及减少污泥产量和污泥处理的成本。技术成果将集中在提高生物膜的膜通量，以及使处理效率最大化，最终实现污水厂的能量盈余。该项目预计将于2019年完成。针对这个项目，美国水研究基金会在18年6月举行了一个网络研讨会，并邀请了密歇根大学的相关学者对这个项目进行介绍。本期微信将为大家分享这个报告的重点内容。

密歇根大学的AnMBR科研项目和团队成员一览

AnMBR工艺概述
目前行业认为AnMBR目前适于处理高浓度污水，但不合适于处理低浓度污水，因为一般说来进水COD需要不低于5,000 mg/l，流量不低于100m3/d，同时它也可处理高盐度或者含高脂肪的污水，包括乳制品厂、啤酒厂、肉类加工厂、食品加工厂和生物燃料厂等工业污水。

图. AnMBR的工艺流程示意图，它旨在取代红色虚线框内的工序设备和占地面积

关于AnMBR，大家可以点击链接查看:《 AnMBRs能实现污水厂碳平衡？美西联合团队用LCA分析成功关键何在》。感兴趣的朋友还可以参考另外两个团队的综述，一个是密歇根大学的Raskin教授和她团队在2012年发表的一篇综述，另一个是日本东北大学李玉友教授及其团队于2014年发表的综述。两篇文章的题目分别如下：
《Perspectiveson Anaerobic Membrane Bioreactor Treatment of Domestic Wastewater: A Critical Review》
《Recent Developments in Municipal Wastewater Treatment Using Anaerobic Membrane Bioreactor: A Review》

中试结果与技术瓶颈
密歇根大学团队认为，在使用AnMBR处理生活污水之前，需要回答以下三个问题：


1.     处理效果能否提高？
2.     运行温度能否更低？
3.     与其他传统处理技术相比，AnMBR的成本、能耗和环境影响如何？

对于这些问题，密歇根大学团队在2013年就做过一个小型试验。结果显示，通过沼气喷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，而反应器里的微生物主要为耐低温的中温型占主导。

2015年，研究团队又开启了一个新的小型试验进一步探讨处理表现的问题。如下图所示，反应器里设置了三块浸入式平板膜，每块膜有独立的膜污染控制单元，开始阶段在高喷射率下运行，运行温度为15°C，但只用中温污泥接种。研究结果显示，通过控制膜污染程度可以使生物膜富集目标细菌，并改善出水水质。甚至还发现可以去除抗生素抗性基因和其他微污染物。他们也指出下一步研究需要评估生物膜群落高生物活性背后的潜在机制、生物膜促进策略对长期膜污染的影响以及生物膜对化学清洗的反应。

反应温度方面，2015年他们的实验显示AnMBR的运行温度可以低至6℃，生物膜在此起着重要作用。

研究团队在2014年就对AnMBR的成本和环境影响进行过分析比较，结果显示过去AnMBR技术的最大卖点在于占地面积小。但工艺的能耗仍十分可观，并且对全球变暖影响大。团队期望改良后的AnMBR可以实现能量自给甚至盈余，并减少甲烷排放。但在温室气体排放问题上该工艺显然还需要进一步完善解决。

在过去几年研究的基础上，密歇根大学的团队将焦点放在AnMBR的重新设计上，以在低温条件下去除出水中的溶解甲烷，同时解决膜污染的问题，减少膜污染带来的能耗，实现高有机负荷的出色运行。
而在水处理领域，3D打印技术可以大大丰富膜材料的材质和结构性能。18年7月，新加坡南洋理工大学的科学家创新公司NanoSun就推出了一种基于3D打印技术生产的过滤膜。开发者说这种膜的过滤速度是传统高分子膜和陶瓷膜的5倍。

而在污水处理领域，年中国科学院重庆绿色智能技术研究院的研究团队在2015年也利用3D打印技术生产出了新型的MBBR反应器生物填料。他们指出3D打印技术可以更好地测试和设计填料的高比表面积、密度、硬度等参数，促进传质作用。

密歇根大学的Lutgarde Raskin教授表示目前她的团队正在忙于准备发明报告，所以不便透露更多细节。但根据3D打印的技术特点，它能在很多方面根据AnMBR工艺的特点优化膜的功能。我们也会继续关注该项目的进展，在今后为大家做跟进报道。

来源：国际水协会（IWA）