开发新型陶瓷膜生物反应器系统联合处理生活污水和餐厨垃圾并实现磷资源的同步回收

Recovery of P from various wastes such as domestic wastewater becomes essential to future food security. P removal also is important for water pollution control. Conventionally, P removal from wastewater is achieved through excessive sludge discharge, which results in a large amount of waste sludge and is unfavorable to biological treatment. It is therefore desirable and cost-effective to recover P directly during wastewater treatment without sludge discharge. In the proposed project, a novel ceramic membrane bioreactor (MBR) process will be developed for simultaneous treatment of wastewater and kitchen waste and P recovery. The MBR together with iron dosing makes use of the Fe–P chemistry and the merit of membrane filtration for P retention and recovery. It features a combination of aerobic and anaerobic MBRs. In the aerobic MBR, ferric iron-induced P precipitation will take place. While in the anaerobic MBR, ferric is to be reduced to ferrous iron and P precipitated by iron in the sludge will be released and recovered. Via the co-hydrolysis and acidification of kitchen waste and Fe–P precipitate, the P release from solid phase to liquid phase will be significantly enhanced and thus will increase the P recovery rate.

从污水中回收磷对解决磷资源匮缺和水污染控制极为必要。传统方法除磷通过排放剩余污泥而实现，磷回收困难且昂贵。因此，在污水处理过程中进行“直接”磷回收更具吸引力。本项目将开发一种新型的平板陶瓷膜生物反应器（MBR）工艺系统用于联合处理生活污水和餐厨垃圾，并实现磷的同步直接回收。该工艺通过向MBR中投加铁盐，利用铁在不同氧化态时与磷的结合不同以及陶瓷膜过滤的优点，有机地将好氧和厌氧MBR组合起来，且餐厨垃圾与活性污泥通过厌氧共水解-酸化，其产物（VFA）可有效强化三价铁的还原与磷的同步释放，最终实现生活污水/餐厨垃圾处理和磷回收工艺的高效、稳定运行。

磷是植物生长及农业生产中必不可少的元素，又是全球最为紧缺的自然资源之一。磷资源的紧缺将导致粮食供应危机，并可能引发社会动荡。在此背景下，从传统意义上的“废弃物”中回收磷资源，将成为缓解资源危机、促进可持续发展的重要策略。本项目从我国资源再生和环境保护的实际需求出发，针对现有城市污水传统二级生物处理工艺耗能高，氮磷等营养物去除效果不甚理想，出水水质达标困难等缺点，开发并优化了一套新型膜生物反应器工艺联合处理生活污水和餐厨垃圾并用于磷资源的高效回收。新型工艺结合了铁强化除磷和厌氧酸化共发酵技术，利用铁的可还原性和三价铁化合物与二价铁化合物的不同溶解度，通过厌氧过程中微生物的铁异化还原作用实现了磷的去除和回收。首先，在好氧阶段，铁絮凝剂的投加使污水中的磷通过沉淀和吸附的途径形成稳定的铁磷复合沉淀物富集在MBR污泥中。然后，通过厨余垃圾和富磷MBR污泥的厌氧共发酵作用，将铁磷复合物还原为亚铁磷复合物，并以亚铁离子和正磷酸盐的形态在微酸性条件下释放到上清液中。最终通过调整分离后的上清液的pH，将磷再次沉淀回收用作肥料或其原料。实验结果表明，在20 mg/L（以铁计）的氯化铁絮凝剂投加条件下，可实现95.6%的除磷效果。支路的厌氧发酵罐在厌氧酸化后的pH可以降至5.0以下，并将40%的铁磷复合物从富磷MBR污泥中释放到上清液。最终通过再沉淀以结晶态磷酸亚铁为主要成分实现磷回收。通过质量守恒分析，该工艺实现了62.1%的磷回收效率。本项目采用基于同步辐射的X射线吸收近边结构光谱技术，揭示了铁-磷共沉淀及相互作用机理和颗粒态三价铁的晶形转化机制，阐明了在污泥中的颗粒态三价铁老化机制对磷回收的影响。新技术通过高效耦合铁化学及酸化发酵技术至现有二级生物处理工艺中，将污水处理由单一的末端处理和降解提升为水再生循环和磷资源回收的新系统。研究成果对于促进污水处理和磷资源的回收具有重要的理论意义和较好的应用前景。