《Bioresource Technology》：Evaluating energy efficiency in anaerobic membrane bioreactors: Effect of filtration/backwash cycle duration on net energy balance
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本研究聚焦厌氧膜生物反应器（AnMBR）运行中的能量优化难题。针对当前模型普遍忽视反洗过程中生物质再悬浮对系统能量平衡（NEB）影响的问题，研究人员通过耦合改进的AM2b厌氧消化模型与双层阻力（蛋糕层和孔堵塞）膜污染动态模型，系统地研究了过滤/反洗周期时长（Tcyc）对净能量平衡的影响。结果表明，较短的周期（5-10分钟）可最大化NEB，而延长周期会因膜污染加剧和生物活性降低导致甲烷产量下降，使NEB损失高达9%。该研究为AnMBR的能量导向型优化运行提供了关键的建模框架和分析工具。
在处理生活污水的战场上，传统的活性污泥法虽然高效，但自身能耗巨大，常常是“入不敷出”。厌氧技术因其能够“变废为宝”、从有机物中回收甲烷能源而备受瞩目。然而，当厌氧技术与高效的膜分离技术结合，形成厌氧膜生物反应器（Anaerobic Membrane Bioreactor, AnMBR）时，一个新的矛盾出现了：膜虽然能实现优异的固液分离，保证出水水质，但其自身容易被污染，导致过滤阻力增加、能耗飙升。为了控制膜污染，系统不得不频繁地进行反冲洗或松弛操作，这本身又消耗能量。于是，一个核心的工程优化问题浮出水面：如何权衡“治疗”（反洗控制污染）与“损耗”（反洗消耗能量）之间的关系，找到一个最佳的操作节奏，使得整个系统的净能量产出最大化？现有的大多数数学模型在描绘这幅“能量收支图”时存在盲点——它们常常忽略了在反洗时，那些从膜表面被冲下来的生物质和底物，其实又重新回到了反应器中，这部分“回流”的物质会影响系统的生物活性和质量平衡。这个盲点可能导致我们对系统真实能量潜力的误判。
为了更精准地回答“如何操作AnMBR才能最赚钱（能量意义上）”这个问题，来自法国国家农业食品与环境研究院（INRAE）的Aymen Chaaben等研究人员在《Bioresource Technology》上发表了一项研究。他们建立了一个增强的耦合数学模型，将描述厌氧消化和甲烷生产的AM2b模型，与一个包含蛋糕层形成和孔堵塞的双层阻力膜污染模型“焊接”在一起。最关键的一步在于，这个新模型明确考虑了物理反洗过程中，从膜上脱附的物质（包括酸化和产甲烷菌）重新回到主体混合液这一现象，确保了整个系统的物料守恒，并能捕捉附着在污染层上的生物质活性较低对系统整体的影响。利用这个模型，研究人员像操作“时间阀门”一样，系统模拟了从5分钟到8小时不等的过滤/反洗周期（Tcyc），深入剖析了操作节奏对系统净能量平衡的精细影响。
研究人员开展这项研究，主要依托几个关键技术方法：首先，实验系统搭建与运行，他们构建并运行了一个处理低浓度模拟生活污水的颗粒污泥AnMBR（G-AnMBR）中试系统，使用平片聚醚砜膜，在长达50天的周期内，以特定的间歇过滤循环（过滤-松弛-反洗-松弛）进行操作，并监测关键水质与气体参数。其次，集成数学建模，这是研究的核心，他们修改了现有的AM2b厌氧消化模型框架，将其与一个基于达西定律的系列阻力膜污染模型动态耦合，并创新性地引入了对反洗脱附物质再循环的数学描述。最后，模型参数识别与验证，他们利用实验数据，在MATLAB环境中采用优化算法对模型的关键参数（如附着系数、反洗效率）进行识别和校准，并使用一组独立的数据验证模型的预测能力。
模型识别与验证：研究首先利用高通量运行阶段的实验数据对建立的耦合模型进行参数识别。结果显示，模型能够较好地捕捉可溶性微生物产物（Soluble Microbial Products, SMP）的动态变化，决定系数R2达到0.88。更重要的是，在利用另一组低通量数据对模型进行验证时，模型预测的跨膜压与实验测量值之间的相对误差仅为3.2%到16.6%，这表明模型具有较高的可靠性和预测精度。
过滤/反洗周期对能量平衡的影响：这是本研究的核心分析。利用验证后的模型，研究人员模拟了不同Tcyc下的长期运行情景。结果揭示了几个关键趋势：
- 1.
总能耗相对稳定：系统的总能量消耗（主要包括进水泵、循环泵、渗透液泵的能耗）在不同周期下变化不大，渗透液泵的能耗仅占总能耗的6%左右，且随周期延长仅轻微增加。
- 2.
甲烷产量与NEB显著受周期影响：与能耗的“稳定”形成对比，系统的能量收入——甲烷产量，对操作周期极为敏感。较长的过滤周期（如8小时）会导致更严重的膜污染和更厚的污染层形成。附着在污染层中的生物质（尤其是产甲烷菌）由于其传质限制和较低的生物活性，导致整体甲烷产量下降。
- 3.
存在最优操作区间：净能量平衡在很短的周期（5-10分钟）时达到最大值。随着Tcyc的延长，NEB逐渐下降。与最优的短周期相比，运行在8小时的长周期下，NEB的损失可达9%。这清晰地表明，过于“懒惰”（长周期）的操作虽然减少了反洗次数本身可能节省的少量能耗，但却因显著抑制了“产能”（甲烷生产）而得不偿失。
研究结论与意义：本研究成功地开发并验证了一个能够同时描述AnMBR系统中生物降解、膜污染及反洗物质再循环动态的集成数学模型。该模型揭示，过滤/反洗周期的选择是优化AnMBR净能量平衡的一个关键而敏感的杠杆。并非反洗越少越节能，相反，过于稀疏的反洗（长周期）会通过促进低活性生物膜的生长和加剧膜污染，严重损害系统的能量回收能力，导致净能量平衡下降。因此，为了实现AnMBR的能量自持甚至产能运行，必须采用相对较短的过滤周期，以限制低活性污染层的过度发展，保持反应器内悬浮生物质的高活性。这项工作首次在AM2b模型框架中明确量化了操作周期通过污染层附着/脱附动力学对能量回收的影响，为AnMBR，特别是颗粒污泥AnMBR的节能优化设计和智能化运行控制提供了强有力的系统性分析工具和理论依据，对推动污水处理向能源工厂转型具有重要意义。
