热厌氧消化中直接接触式膜蒸馏技术实现氨回收与沼气增效的创新研究

为解决城市污水混合污泥处理中氨抑制导致的甲烷产率下降问题，研究人员创新性地将直接接触式膜蒸馏（DCMD）与热厌氧消化（TAD）系统耦合，实现了总氨氮（TAN）浓度降低76%、甲烷产量提升3倍，同时显著提高COD和挥发性固体（VS）去除率。该研究为高氨氮废水处理提供了高效节能的技术路径，对推动循环经济和碳中和目标具有重要意义。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的混合污泥成为环境治理难题。传统热厌氧消化（Thermophilic Anaerobic Digestion, TAD）虽能高效产甲烷，但高浓度氨氮（TAN）会抑制微生物活性，导致甲烷产率骤降50%以上。更棘手的是，氨既是污染物又是重要资源，现有回收技术如化学沉淀法成本高昂，空气吹脱易造成二次污染。如何突破氨抑制瓶颈，同步实现氨资源化和沼气增效，成为环境工程领域的"卡脖子"难题。

西班牙巴利亚多利德大学的研究团队独辟蹊径，将直接接触式膜蒸馏（Direct Contact Membrane Distillation, DCMD）与TAD系统联用。他们设计了一套3升连续搅拌罐反应器（CSTR），采用20天水力停留时间（HRT），在55℃下处理城市混合污泥。创新性地通过PTFE疏水膜建立20℃温差梯度，使氨分子选择性渗透至0.5M H₂SO₄吸收液。持续103天的实验表明，该系统不仅将TAN从0.4 g L^-1降至0.1 g L^-1，更使甲烷产量从284 NmL gVS^-1飙升至876 NmL gVS^-1，相关成果发表在《Journal of Water Process Engineering》。

研究团队运用三项核心技术：1）构建DCMD-TAD耦合系统，通过PTFE膜（44 cm²）实现氨的定向迁移；2）采用0.25 L min^-1双循环流速维持膜界面传质效率；3）结合气相色谱（GC-TCD）和离子色谱等分析手段，实时监测TAN、VFAs及沼气组分动态变化。

3.1 膜蒸馏对氮去除的影响
通过每周更换PTFE膜维持操作稳定性，40天内TAN去除率达76%。温度梯度驱动的分子扩散使氨通量稳定在0.06 mol m^-2 h^-1，同时促进有机氮矿化，总氮（TN）和凯氏氮（TKN）去除率分别达58%。

3.2 有机质降解的增强效应
氨抑制的解除使COD去除率从44%提升至71%，VS降解率从48%增至66%。对比文献数据，该系统性能超越传统TAD工艺60-70%的VS去除基准线。

3.3 沼气产量与VFAs代谢
最引人注目的是甲烷含量从65%跃升至76%，且乙酸、丙酸等VFAs被完全同化。质子跨膜传递引发的pH波动（7.98±0.08）未影响系统稳定性，反而促进产甲烷古菌（如Methanosarcina spp.）代谢活性。

该研究开创性地证明：DCMD能同步解决TAD工艺的氨抑制与资源回收双重挑战。3倍的甲烷增产效应远超既往报道的9-17%改善幅度，76%的TAN去除率更接近工业级需求。尽管膜污染问题仍需优化（需每周更换），但该技术已展现出工程化应用潜力——按作者推算，优化后膜寿命可延长至2年。这项研究为污水处理厂提供了"产沼-固氮"双收益方案，每处理1吨污泥可多回收3.5立方米甲烷，同时减少16%的合成氨需求，对实现欧盟2030年氨减排目标具有战略意义。