H<sub>2</sub>/CH<sub>4</sub>-MBfR在水处理中的研究及推动碳减排的潜力

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0866

摘要/Abstract

摘要：

污水处理过程中产生的厌氧消化气体（主要成分是CH₄和CO₂）是污水处理厂碳排放的主要来源之一。以H₂和CH₄为基质的膜生物膜反应器（MBfR）技术的兴起，为氧化性污染物的生物还原和污水处理厂的碳减排提供了一种很有前景的方案。介绍了以H₂或CH₄为基质的MBfR（H₂/CH₄-MBfR）的运行原理、优缺点，对MBfR在去除氧化性污染物方面的研究情况进行了总结、比较和评价。通过解析H₂/CH₄-MBfR中微生物利用CH₄和CO₂进行自身代谢的过程，指出H₂/CH₄-MBfR实现碳减排的途径和潜力。H₂/CH₄-MBfR在碳减排方面表现出的巨大潜力为实现“碳达峰”和“碳中和”提供了新方向，使得污水处理厂有望同步实现污染物去除和碳减排。

关键词: 膜生物膜反应器, 氢气, 甲烷, 氧化性污染物, 甲烷氧化, 碳减排

Abstract:

The anaerobic digestion gas （the main components are CH₄and CO₂） produced in the sewage treatment process is one of the main sources of carbon emissions in sewage treatment plants. The rise of H₂ and CH₄-based membrane biofilm reactor（MBfR） technology provides a promising solution for biological reduction of oxidative pollutants and carbon emission reduction in wastewater treatment plants. The operation principle，advantages and disadvantages of MBfR based on H₂ or CH₄（H₂/CH₄-MBfR） were introduced，and the research status of MBfR in removing oxidative pollutants were summarized，compared and evaluated. By analyzing the process of microbial use of CH₄ and CO₂ for their own metabolism in H₂/CH₄-MBfR，the pathway and potential of H₂/CH₄-MBfR to achieve carbon emission reduction were pointed out. The huge potential of H₂/CH₄-MBfR in carbon emission reduction provided a new direction for the realization of “carbon peaking” and “carbon neutralization”，so that sewage treatment plants were expected to simultaneously achieve pollutant removal and carbon emission reduction.

Key words: MBfR, H₂, CH₄, oxidizing pollutants, methane oxidation, carbon reduction

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I10/15

图/表 3

表1 H₂/CH₄-MBfR去除氧化性污染物

Table 1 Removal of oxidizing pollutants by H₂/CH₄-MBfR

污染物	电子供体	操作条件	污染物进水负荷/（g·m^-2·d^-1）	污染物去除率	参考文献
NO₃ ^-	H₂	H₂压力为50 kPa、pH为7.5、HRT为0.5 h	0.34	97%以上	〔11〕
NO₃ ^-	CH₄	CH₄压力为131 kPa、pH为7~8、HRT为3 d	0.45	92%	〔21〕
ClO₄ ^-	H₂	H₂压力为121 kPa、pH为7.5、HRT为3.7 h、硝酸盐浓度为0	0.72	100%	〔23〕
ClO₄ ^-	CH₄	CH₄压力为20 kPa、pH为7.4、HRT为24 h、硝酸盐浓度为0	0.06	100%	〔24〕
BrO₃ ^-	H₂	H₂压力为34 kPa、pH为7.0、HRT为25 min、硝酸盐质量浓度为5 mg/L	0.61	99%	〔25〕
BrO₃ ^-	CH₄	CH₄压力为170 kPa、pH为7.0~7.5、HRT为1.5 h、硝酸盐质量浓度为5 mg/L	0.10	80%	〔26〕
SeO₄ ^2-	H₂	H₂压力为40 kPa、pH为7.5、HRT为5.2 h、硝酸盐质量浓度为10 mg/L	0.03	95%	〔27〕
SeO₄ ^2-	CH₄	CH₄压力为204 kPa、pH为7.0、HRT为2.2 h、硝酸盐质量浓度为2.2 mg/L	0.12	100%	〔28〕
CrO₄ ^2-	H₂	H₂压力为40 kPa、pH为7.0~7.5、HRT为4.67 h、硝酸盐质量浓度为10 mg/L	0.04	83%	〔29〕
CrO₄ ^2-	CH₄	CH₄压力为167 kPa、pH为7.0、HRT为2.2 h、硝酸盐质量浓度为2.2 mg/L	0.5	80%	〔30〕

图1 有氧甲烷氧化过程

Fig. 1 Aerobic methane oxidation process

表2 CH₄-MBfR中的化学反应

Table 2 Chemical reactions in CH₄-MBfR

污染物	化学反应计量式	参考文献
NO₃ ^-	$1.2 C H 4 + N O 3 - + H + → 0.2 C 5 H 7 O 2 N + 0.2 C O 2 + 0.4 N 2 + 2.2 H 2 O$	〔31〕
ClO₄ ^-	$1.613 C H 4 + 0.175 N O 3 - + C l O 4 - + 0.175 H + → 0.175 C 5 H 7 O 2 N + 0.737 C O 2 + C l - + 2.7 H 2 O$	〔18〕
BrO₃ ^-	$1.25 C H 4 + 0.143 N O 3 - + B r O 3 - + 0.143 H + → 0.143 C 5 H 7 O 2 N + 0.536 C O 2 + B r - + 2.072 H 2 O$	〔31〕
SeO₄ ^2-	$1.124 C H 4 + 0.107 N O 3 - + S e O 4 2 - + 2.104 H + → 0.107 C 5 H 7 O 2 N + 0.59 C O 2 + S e 0 + 2.929 H 2 O$	〔28〕
CrO₄ ^2-	$0.749 C H 4 + 0.107 N O 3 - + C r O 4 2 - + 5.1 H + → 0.107 C 5 H 7 O 2 N + 0.214 C O 2 + C r 3 + + 3.67 H 2 O$	〔30〕

表2 CH₄-MBfR中的化学反应

Table 2 Chemical reactions in CH₄-MBfR

污染物	化学反应计量式	参考文献
NO₃ ^-	$1.2 C H 4 + N O 3 - + H + → 0.2 C 5 H 7 O 2 N + 0.2 C O 2 + 0.4 N 2 + 2.2 H 2 O$	〔31〕
ClO₄ ^-	$1.613 C H 4 + 0.175 N O 3 - + C l O 4 - + 0.175 H + → 0.175 C 5 H 7 O 2 N + 0.737 C O 2 + C l - + 2.7 H 2 O$	〔18〕
BrO₃ ^-	$1.25 C H 4 + 0.143 N O 3 - + B r O 3 - + 0.143 H + → 0.143 C 5 H 7 O 2 N + 0.536 C O 2 + B r - + 2.072 H 2 O$	〔31〕
SeO₄ ^2-	$1.124 C H 4 + 0.107 N O 3 - + S e O 4 2 - + 2.104 H + → 0.107 C 5 H 7 O 2 N + 0.59 C O 2 + S e 0 + 2.929 H 2 O$	〔28〕
CrO₄ ^2-	$0.749 C H 4 + 0.107 N O 3 - + C r O 4 2 - + 5.1 H + → 0.107 C 5 H 7 O 2 N + 0.214 C O 2 + C r 3 + + 3.67 H 2 O$	〔30〕

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