使用碳化硅膜处理食物废弃物消化液：性能优化、污染机制及中试规模验证

《Desalination》：Treatment of food waste digestate using silicon carbide membranes: Performance optimization, fouling mechanisms, and pilot-scale validation

SiC膜在食品废料厌氧消化液处理中的应用表明，其在高悬浮物浓度（23,500 mg/L）下表现出优异的抗污染性能和稳定通量（80±5% COD去除率，60% TSS去除率），长期运行（800分钟）平均通量为37.5±4.9 L/(m2·h)。关键影响因素包括流速（4.7 m/s最优）、温度（25℃）和pH（8），而TSS浓度影响较小。碱氯联合清洗可有效恢复膜性能， pilot试验验证了工程可行性。

　　

任青格|张文娟|饶品华|张天成|张学锋|华银峰|金珊

上海工程技术大学化学与化学工程学院，中国上海201620

摘要

食品废弃物厌氧消化产生的消化物的处理仍然具有挑战性，主要原因是其成分复杂且悬浮固体含量高，这导致分离过程中膜污染严重。与传统陶瓷或聚合物膜相比，碳化硅（SiC）膜在处理消化物时表现出更高的通量和更强的抗污染性能，因此有望用于高浓度消化物的澄清。在本研究中，使用SiC膜处理了实际的食品废弃物消化物。在以下条件下获得了最佳的过滤性能：进料流速为4.7 m/s，温度为25°C，pH值为8，总悬浮固体（TSS）为23,500 mg/L。结果表明，较高的流速、温度和pH值可以提高膜通量，而TSS的影响可以忽略不计，其值保持在80 ± 5 mg/L左右。在所有测试条件下，SiC膜对化学需氧量（COD）的去除效率约为80%，对TSS的去除效率约为60%。在长期运行（800分钟）过程中，膜的性能稳定，平均通量为37.5 ± 4.9 L/(m2·h)。污染分析显示，污染主要由有机-无机复合物组成的滤饼层引起。使用NaOH-NaClO清洗方案有效恢复了膜通量。此外，为期20天的中试规模运行验证了SiC膜工艺的长期运行稳定性和工程可行性。本研究表明，SiC膜能够高效可靠地处理食品废弃物消化物，支持其在实际工程应用中的潜力。

引言

随着城市化进程的加快和生活水平的提高，中国产生的食品废弃物量急剧增加，每年估计达到600万至900万吨[1]。食品废弃物具有高水分含量、高有机负荷和快速生物降解性等特点，给传统处理技术带来了巨大挑战[2]。常见的处理方法包括好氧堆肥、厌氧消化、微生物发酵、焚烧和填埋[3]。其中，厌氧消化因其能源回收和污染减少的双重效益而被广泛采用[4]。然而，这一过程会产生富含悬浮固体和溶解有机物的消化物[5]。直接排放消化物会带来严重的环境风险，因此需要预处理以实现有效的资源回收和废水管理[6]。

传统的预处理方法如沉淀、离心和空气浮选通常效率较低，且能耗或化学消耗较高[7]。相比之下，膜分离技术具有分离效率高、出水质量稳定和化学消耗低的优点，成为一种有吸引力的替代方案[8]。例如，Ruan等人[9]报道，聚砜超滤膜在处理消化物时可将氨氮去除5.8%，COD去除20.9%，同时保持稳定的通量（5.8 L/(m2·h)。然而，有机聚合物膜在复杂废水中容易发生严重污染和化学降解，导致频繁清洗、运行成本增加和使用寿命缩短[10],[11]。例如，Othman等人[12]报告，在高污染条件下，有机聚合物膜需要每天进行维护清洗。无机膜因其优异的化学和机械稳定性而受到越来越多的关注。Zacharof等人[13]证明，孔径为200 nm的陶瓷微滤膜可去除48.6%的粗颗粒和20.8%的总固体，显示出其处理复杂废水的潜力。然而，传统陶瓷膜在亲水性和抗污染性能方面仍存在局限性。最近，碳化硅（SiC）膜作为一种具有优异抗污染性能[14]、内在亲水性[15]、热稳定性[16]和机械强度[17]的无机材料而备受关注。这些特性使得SiC膜特别适合处理高浓度有机废水。Das等人[18]使用掺杂SiC微滤膜从含有486 mg/L TSS的食品废水中去除了89-93%的COD。Luogo等人[19]报告，从工业废水中去除了98.6%的微塑料，通量仅下降了34%；Jiang等人[20]使用对称SiC膜（0.4 μm）去除了90%以上的油水乳液。

食品废弃物消化物中的TSS、胶体和颗粒有机物浓度高于典型的有机废水，这增加了其膜污染的可能性。这种污染是一个涉及有机污染物和无机物质的复杂过程[21]。为了研究膜污染机制，经典的Hermia模型已被广泛应用于各种复杂废水的膜过滤研究[22]。这些模型为定量解释过滤过程中的不同污染行为提供了理论基础。尽管取得了这些有希望的结果，但关于SiC膜在食品废弃物消化物应用的研究仍然有限，这阻碍了其在这一领域的更广泛应用。

在本研究中，将SiC膜应用于实际食品废弃物消化物的处理。研究了关键操作参数（包括进料流速、温度、pH值和TSS浓度）对膜通量和污染物去除的影响，以表征特定条件下的膜性能。进一步使用Hermia模型分析了膜污染行为，并探讨了相关的清洗策略，以了解污染的发展及其在消化物过滤过程中的缓解方法。基于这些结果，进行了实际消化物的中试实验，以评估SiC膜的长期稳定性和实际应用性。

实验材料

实验材料

管状SiC膜由山东赛利克膜技术有限公司（中国）提供。实验室实验中使用的SiC膜名义孔径为100 nm，内径为8 mm，长度为20 cm，有效过滤面积为0.005024 m2。中试实验中使用的SiC膜名义孔径也为100 nm，有效过滤面积为3.8 m2。实验前，用清水轻轻冲洗SiC膜以确保完全润湿。

流速对膜通量的影响

在25°C、pH值为8、TSS浓度为5500 mg/L的条件下进行了过滤实验，以评估流速对膜通量的影响。如图2所示，在所有测试的流速（1.7、2.4、3.6、4.1和4.7 m/s）下，膜通量在运行前30分钟内保持相对稳定，表明SiC膜具有良好的短期通量性能

结论

本研究证明了SiC膜在处理食品废弃物消化物方面的有效性，重点关注了操作优化、污染控制和工程可行性。主要结论如下：

• (1)
  流速、温度和pH值的增加显著提高了膜通量，而所有操作参数对COD和TSS去除效率的影响较小。最佳操作条件确定为流速为

作者贡献声明

任青格：撰写——初稿撰写、验证、方法论、数据分析。张文娟：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金申请。饶品华：方法论、实验研究。张天成：资源协调、方法论。张学锋：监督、资源支持。华银峰：验证、方法论。金珊：监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢“厌氧膜过滤消化物及废水氨氮和废酸的综合资源化利用”项目（25HG-027）的财政支持。