近日，日本东北大学李玉友教授团队与香港大学张彤教授团队合作在学术期刊《
Renewable and Sustainable Energy
Reviews
》上发表了题为“
Anaerobic membrane bioreactor and Anammox
in municipal wastewater treatment: Mainstream versus side-stream, challenges,
and prospects
”的综述论文
。该论文以推进厌氧膜生物反应器（
AnMBR
）和厌氧氨氧化（
Anammox
）耦合应用于城市污水处理为目标，针对应用
AnMBR-Anammox
构建节能、低碳、可持续性污水处理厂这一研究热点，从主流和侧流应用模式、反应器构型、工艺单元的组合与布置等多角度归纳了最近的研究进展，展望了
AnMBR-Anammox
的应用前景
。
在当前“节能”和“减碳”社会背景下，开发和采用节能低碳新型处理工艺来提升城市污水处理系统的可持续性已成为水处理领域的重要课题。将厌氧膜生物反应器（
AnMBR
）和厌氧氨氧化（
Anammox
）技术耦合应用于城市污水处理，可以在实现
COD
高效降解和脱氮的同时，兼具节能、创能、省地、减泥等优势，已成为当前有效降低污水处理碳足迹的重要工艺选项
。
应用
AnMBR-Anammo
x
处理低浓度的城市污水主要存在两条技术路线，即主流模式和侧流模式（如图
1
所示）。前者指污水经简单预处理后（
格栅和沉砂
）直接进入
AnMBR
单元进行
COD
转化和产能（回收甲烷），再进入
Anamm
ox
单元
进行脱氮。后者指污水先进行简单的浓缩预处理，将有机物从污水中捕集出来成为污泥，然后将污泥送入
AnMBR
和
Anammo
x
单元进行处理和回收能源。目前，关于
AnMBR-Anammo
x
处理城市污水的研究多集中于
主流模式
，
现有
研究结果表明
该应用模式
能实现良好的处理水质。但受限于城市污水水量大、有机物和氨氮浓度低、以及部分地区冬季水温低的特性，主流模式在运行过程中常面临着低温季节膜污染严重、溶解态甲烷占比高、
Anamm
ox
单元污泥易流失等挑战。相比之下，侧流模式
AnMBR-Anammo
x
处理浓缩后的污泥，污染物体积小、浓度高，因此可以有效规避主流模式中遇到的问题，尤其适合在低温地区的污水处理。值得注意的是，侧流模式
AnMBR-Anammo
x
系统中的污水仅经过简单的浓缩处理，其出水水质一般较差，通常需要进一步处理，系统需要进一步优化。
鉴于
AnMBR-Anammo
x
应用的主流和侧流技术路线和两单元诸多的反应器构型，在面对不同应用场景时，如何从模式和构型上选择和组合
AnMBR
和
Anammo
x
来满足不同处理需求是非常重要的。基于此，本综述论文首先从实际应用角度出发，介绍了
AnMBR
和
Anammo
x
两工艺的耦合基础，总结了其在城市污水处理中的研究现状和面临的挑战，提出了
AnMBR
和
Anammo
x
的
应用模式和耦合的选择策略。其次，结合现有研究和实践成果，对未来发展以
AnMBR-Anammo
x
为核心的节能、低碳、可持续型污水处理厂的方向和课题进行了整理和展望
。
图
1
：
AnMBR-Anammo
x
应用于城市污水处理的
主流模式（
a
）和侧流模式（
b
）对比。
将
AnMBR
和
Anammox
耦合应用于城市污水处理主要基于以下两点：一是两工艺节能低碳的特点与当前的可持续发展理念相契合；二是两者在处理效果和技术特性方面互补。具体来看，
AnMBR
和
Anammox
均为厌氧生物处理工艺，具有低耗能去除有机物和脱氮、低剩余污泥排放、占地面积小等优点，尤其
AnMBR
可实现污水中
COD
的能源转化。从技术层面看，
AnMBR
的主要功能是去除
COD
和产甲烷，
Anammox
的主要功能是脱氮，两者分工明确
又互相补充，共同完成污水的
COD
去除和脱氮处理。此外，两工艺的互补还体现在：
AnMBR
去除污水中的有机物，将有机氮转化为氨氮，产生无悬浮物和低碳氮比的出水，适合
Anammox
的脱氮处理，可看作是
Anammox
的预处理；
Anammox
单元在应用时存在的反硝化和其他异养作用可去除
AnMBR
出水中的部分有机物，提升整体
COD
去除效果
。
图
2
：
AnMBR
和
Anammo
x
涉及的主要反应过程和两者在污水处理中的互补示意
。
3. AnMBR
和
Anammox
的主要构型
从系统具体组成来看，
AnMBR-Anammo
x
是
AnMBR
和
Anammo
x
两单元工艺的组合。
AnMBR
是厌氧生物处理和膜过滤的结合，按照膜组件在厌氧生物反应器中的安装位置分类，其可分为内置浸没式、外置浸没式、侧流式。从维护便利性和节能的角度来看，使用一个主反应器与多个外置浸没式膜箱组合的外置式
AnMBR
应用前景广阔。此外，
AnMBR
也可按照厌氧消化的反应器类型 （如
CSTR
、
UASB
等）
和膜组件的类型和材质（如平板膜、中空纤维膜、管状膜、有机膜、陶瓷膜、动态膜等）进行分类。当前也有研究探索将传统
AnMBR
与其他技术结合形成的强化型
AnMBR
，如在
AnMBR
中添加活性炭、铁盐等，将
AnMBR
与电化学、蒸馏技术相结合等
。
Anammox
工艺主要按照反应器类型和污泥类型进行分类。如按照反应器类型，其包含
SBR
、
UASB
、
EGSB
等，按照污泥类型可以分为絮体污泥、颗粒污泥、生物膜型。由于颗粒污泥和生物膜具有良好的污泥保留效果，是未来应用的主要发展方向。考虑到城市污水中的氮主要以氨氮形式存在，在
Anammox
的实际应用中，其多与亚硝化或反硝化工艺结合形成
PN/A
和
PDN/A
。
图
3
：
AnMBR
和
Anammo
x
两工艺的主要构型和分类。
4.
主流模式
AnMBR-Anammox
应用于城市污水处理的进展和挑战
从现有的研究报道看，主流模式
AnMBR-Anammox
研究较多，其研究也逐步完成从独立单元的分别研究向两者联合使用的系统过渡；从人工配水向实际污水过渡；从实验室小试到中试和实际应用过渡；从控温运行到真实的季节温度影响研究过渡。在温度大于
15
o
C
条件下，
AnMBR
可以实现
80%
以上的
COD
去除率，
Anammox
单元在大于
20
o
C
条件下，可以实现大于
70%
的总氮去除率。但在实际应用过程中，主流模式
AnMBR-Anammox
依然面临下述诸多挑战：
（
1
）负荷受限
城市污水低有机物、低氮、大水量的特点，使
AnMBR
和
Anammox
在实际应用中负荷远低于其报道的最大负荷。
（
2
）低温挑战
部分地区冬季温度较低，影响了
AnMBR
和
Anammox
的处理效果、加重了膜污染、增加了溶解态甲烷的占比。低温是限制主流模式
AnMBR-Anammox
广泛应用的主要原因。
（
3
）
Anammox
单元启动时间长和污泥流失
Anammox
细菌增殖速度慢，且种泥的获取和补充困难，在处理城市污水的低负荷和短
HRT
条件下，其启动时间长且污泥容易流失。
（
4
）膜污染
膜污染只能减缓不能避免，其不仅存在于
AnMBR
中，还存在于使用膜反应器的
Anammox
单元中。
（
5
）溶解态甲烷
城市污水大水量的特点导致溶解态甲烷占比高，限制了甲烷回收率并导致温室气体排放增加。
（
6
）出水磷超标
AnMBR
和
Anammox
均不具备除磷功能，出水仍需进一步除磷以满足排放要求。
（
7
）抑制因子
城市污水中含有的某些物质可能成为
AnMBR-Anammox
的抑制因素，如在有工业污水汇入或沿海地区使用海水冲厕或存在海水入侵的区域，硫和盐度可能会对
AnMBR-Anammox
产生影响。
5.
侧流模式
AnMBR-Anammox
应用于城市污水处理
在侧流模式中，污水经历了浓缩处理后减小了污染物的体积、提升了污染物的浓度，因此具有如下优势：（
1
）使用较小的反应器和较少的膜面积，节省初始投资和运维费用；（
2
）系统可以加温，提升
AnMBR
和
Anammox
的处理效果；（
3
）减少了溶解态甲烷的占比、缓解了膜污染、减少了
Anammox
单元的污泥流失；（
4
）氨氮浓度被提升，有利于
Anammox
单元的运行。
在侧流模式
AnMBR-Anammox
系统中，将污染物从水中捕集出来的预处理单元扮演着关键角色。当前常见污水浓缩工艺主要有化学强化沉淀（
CEPT
）、高速率活性污泥（
HRAS
）、直接膜过滤（
DMF
），其分别为化学、生物、物理技术的代表技术之一，各具特色。从提升污水浓缩效果和处理后水质的角度出发，将现有技术进行适当组合的综合工艺可能产生更好的效果，如将
CEPT
和
DMF
结合，在实现高效污水浓缩的同时兼顾除磷。
当前关于侧流模式
AnMBR-Anammox
处理城市污水的研究还较少，但考虑到该系统实际上是浓缩处理技术与处理高浓度污水污泥的
AnMBR
和
Anammox
的结合，两部分均有比较丰富的研究基础，这有助于未来开展侧流模式
AnMBR-Anammox
的系统性研究。值得注意的是，侧流模式
AnMBR-Anammox
的应用也将面临一些挑战：一是受限于浓缩单元的处理效果，出水可能需要进一步处理才能满足排放要求；二是污水浓缩后提升了一些抑制因子的浓度，如硫、氨氮等，放大了其对
AnMBR-Anammox
运行的影响。
6.
如何选择和组合
AnMBR
和
Anammox
技术满足不同的处理需求
在发展和应用新工艺时应该参考以下要点：（
1
）虽然强调污水资源化，但去除污染物以保护公共健康和自然环境仍是污水处理的首要任务；（
2
）优秀的污水处理工艺应高效、便宜、简单，不应为了部分指标进行过度复杂设计；（
3
）依靠单一的处理技术很难达到满意的处理效果，多种工艺的组合使用是必要的；（
4
）水质参数在工艺选择中扮演重要的角色，如水温。
基于已有研究成果，本文章提出了一种灵活选择和组合
AnMBR
和
Anammox
技术满足不同应用场景的选择策略（如图
4
所示）。在该策略中，温度（
20
o
C
）被定位为选择主侧流模式
AnMBR-Anammox
参考依据，并以主流和侧流模式划分，提供了分别使用两模式满足不同处理需求的技术路线。
图
4
：一种选择和组合
AnMBR
和
Anammox
满足不同应用场景的选择策略。
7.
对
AnMBR-Anammox
应用于城市污水处理的展望
（1）
扩大膜技术在未来
AnMBR-Anammox
处理工厂中的应用
固液分离是污水处理中的重要一环，扩大膜分离技术在未来以
AnMBR-Anammox
为核心的污水处理厂中将具有重要意义。如在未来侧流模式
AnMBR-Anammox
污水处理工厂中（图
5
（
b
）），膜分离除用于
AnMBR
单元外，还可应用于污水的浓缩处理单元和
Anammox
单元，以代替传统沉淀池，在提升分离效果的同时减少整体的占地面积。值得说明的是，虽然膜技术极具前景，但其并不能替代生物处理，因为膜只是实现了将污染物从水相中的分离和捕集步骤，而污染物的降解应将继续依赖生物处理。
(2)
发展闭环污水处理系统
如图
5
所示，未来的污水处理厂应具备以下功能和特性：一是去除污染物实现水资源的再生和利用；二是完成污水中的能源与资源的回收；三是处理过程的
“0”
废弃物产生。可以预见在未来
AnMBR-Anammox
型污水厂中，通过将
AnMBR-Anammox
与其他工艺技术的耦合，如污水深度处理技术、污泥处理利用技术等，可以实现产水、产能、回收资源、
“0”
废弃物排放，进而建设发展节能、低碳、可持续型污水处理工厂。
图
5
：未来建立以
AnMBR-Anammox
为核心的污水处理厂示意图，其中（
a
）为主流应用模式，（
b
）为侧流应用模式。
AnMBR
和
Anammox
已被初步证明是具有应用潜力的城市污水处理技术，将两者耦合利用以满足不同的处理需求，对发展节能、低碳、可持续的新型污水处理厂具有重要的意义。针对当前
AnMBR-Anammox
应用实践中暴露出来的问题，进行针对性的研究攻关是必要的。针对主流和侧流模式两条技术路线，在获得更多可靠实验数据的基础上，制定两工艺的选择策略，对促进
AnMBR-Anammox
应用是非常重要的
。
