《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Advanced Polishing of Municipal Anaerobic Treatment Effluent for Water Reuse and Nitrogen Recovery Using UF–RO–Membrane Contactor Integration
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本文针对UASB厌氧处理工艺出水中氮（尤其是氨氮）去除有限、易导致水体富营养化的问题，开展了一项资源回收导向的研究。研究人员评估了集成超滤（UF）-反渗透（RO）-膜接触器（MC）的处理工艺，不仅获得了满足回用水标准的高品质产水，还从RO浓水中高效回收氨氮，转化为硫酸铵肥料。这项研究为实现污水处理厂水与氮资源的协同回收，推动循环经济提供了创新性解决方案。
在污水处理领域，厌氧生物处理技术，如上流式厌氧污泥床（UASB）反应器，以其高效去除固体和有机物而在温暖气候地区被广泛应用。然而，一个令人头痛的难题在于，这些工艺对氮（特别是氨氮）的去除能力非常有限，甚至可能因有机氮的氨化作用导致出水中氨氮浓度不降反升。富含氮的污水排放是导致水体富营养化的重要原因。与此同时，化肥生产中通过哈伯-博世工艺（Haber-Bosch）从氮气合成氨需要消耗大量能源。因此，人们开始转变观念：将污水中的氮不再仅仅视为需要去除的污染物，而是作为一种宝贵的副产品进行回收。这不仅能缓解环境压力，还能为保障全球粮食安全提供替代营养源，契合联合国可持续发展目标（SDG）。实现这一愿景的核心挑战在于，市政污水中的氨氮浓度相对较低（40-60 mg/L），直接回收经济性差。如何高效地富集氨氮，并同步获得高品质的回用水，成为推动污水资源化的关键。
为此，巴西米纳斯吉拉斯联邦大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上发表了一项研究，评估了将超滤、反渗透和膜接触器三者集成的处理工艺。他们设想先用超滤和反渗透对UASB出水进行“提纯”和“浓缩”：超滤（UF）作为预处理，有效去除浊度和悬浮物，为后续反渗透提供优质进水；反渗透（RO）则产生满足非饮用回用标准的高品质产水，同时将包括氨氮在内的溶解性物质富集在少量浓水中。最后，膜接触器（MC）闪亮登场，专门负责从反渗透浓水中“捕捉”并回收氨氮，将其转化为有经济价值的硫酸铵产品。这一集成工艺旨在同时实现“产水”和“产肥”，为污水处理厂探索出一条“变废为宝”的循环经济新路径。
为了验证该工艺的可行性，研究人员开展了一系列实验。他们从巴西Nova Contagem污水处理厂获取了UASB反应器出水作为原水。研究首先评估了UF和RO单元的独立运行性能，包括产水通量变化、污染物去除效率以及膜污染特征。通过测定化学需氧量（COD）、氨氮、磷酸盐、浊度、电导率等关键水质参数，并结合三维荧光光谱（EEM）分析溶解性有机物（DOM）组成，系统评价了UF和RO的处理效果。随后，研究聚焦于从RO浓水中回收氨氮，利用膜接触器系统，探究了不同pH值（8-11）和温度（25°C, 42.5°C, 60°C）对氨氮去除率和回收率的影响。研究还进行了初步的技术经济分析，核算了不同运行条件下的化学品（NaOH, H2SO4）和能耗成本，并基于实验结果模拟了该集成工艺在Nova Contagem污水处理厂全规模应用时的月度物料平衡与经济收支。
1. UF和RO的运行性能
研究结果显示，超滤（UF）表现出稳定的浊度控制能力，平均产水通量为59.0 ± 8.3 L·m-2·h-1，整个实验期间通量总下降27%。UF对浊度的去除率高达96.4%，但对氨氮的去除率仅为0.7%，这使得氨氮能顺利通过UF进入后续RO单元，有利于后续的富集回收。反渗透（RO）的运行则更为稳定，平均产水通量为7.2 ± 0.4 L·m-2·h-1，通量总下降仅7.1%。RO产水水质优异，其中COD < 10 mg/L，磷酸盐（PO4）< 1 mg/L，氨氮（NH3）浓度为1.95 ± 0.53 mg/L，电导率去除率达到97.6%。同时，RO成功将进水中的氨氮浓缩了约2.2倍，在浓水中达到111.14 mg/L，为下游膜接触器回收创造了有利条件。
2. 膜污染分析
研究发现，UF的膜污染以可逆污染为主，物理清洗即可恢复约86.9%的初始膜通量，化学清洗后可恢复至95.2%。利用Hermia模型分析表明，UF的污染机制最符合滤饼层过滤模型。这表明UF的污染主要源于悬浮和胶体物质在膜表面的沉积。相比之下，RO的不可逆污染比例更高。尽管RO进水的浊度很低，但三维荧光光谱（EEM）显示，UF产水中仍含有相当比例的溶解性有机物，如类蛋白和类腐殖质物质。这些物质在RO过程中被截留并浓缩，可能在RO膜表面形成更致密、更难清除的有机污染层。因此，对于RO而言，化学清洗对于恢复膜性能更为关键。
3. 膜接触器对NH3的回收
在膜接触器（MC）单元，氨氮的去除和回收效率显著受到pH和温度的影响。研究表明，提高pH和温度均可促进氨氮的回收，这是因为它们能将铵离子（NH4+）更多地转化为游离氨（NH3），而只有游离氨能透过疏水膜被酸液吸收。在25°C的室温条件下，将pH从9提升到10，氨氮回收率从56%大幅提高至90%；在pH 11时，回收率可达95%。升高温度可以在较低pH下实现高回收率，例如在60°C、pH 8时，回收率即可达到86%。然而，经济性分析显示，加热导致的能耗成本急剧增加。综合技术与经济因素，在环境温度（25°C）下将pH调节至10是最具成本效益的操作点，此时可实现约90%的氨氮回收率，相当于每处理1立方米UASB进水可回收0.13公斤氨氮。
4. 全规模应用模拟
研究基于上述最佳操作条件（25°C， pH=10），对Nova Contagem污水处理厂进行了全规模应用模拟。模拟结果显示，实施UF-RO-MC集成工艺后，每月可生产约18.4万立方米回用水，并回收约9.7吨硫酸铵。初步的月度经济核算（仅考虑主要物料和能耗）显示出约8.3万美元的正向收益，主要来自回用水和硫酸铵的销售收入。尽管未计入人工、维护、膜更换和投资成本，但此结果初步表明了该资源回收路径在经济上的吸引力。
结论与意义
本研究成功验证了UF-RO-MC集成工艺用于深度处理城市UASB出水，并同步实现水回用与氮回收的技术可行性。该工艺不仅产出高品质的回用水，满足相关标准，还通过反渗透浓缩和膜接触器回收，将污水中的氨氮转化为有价值的硫酸铵肥料。研究发现，在环境温度下调节pH至10是兼顾高效回收与低成本运行的最佳策略。这项工作的意义在于，它为现有基于UASB的污水处理厂提供了一条可行的、资源导向的工艺改造思路，将传统的“处理-排放”模式转变为“回收-利用”的循环模式。这不仅有助于减少水体富营养化风险、节约淡水资源，还能替代部分高能耗的工业化肥生产，为污水处理厂探索了新的收益渠道，有力地支持了循环经济和可持续发展目标的实现。未来研究需进一步验证该工艺长期运行的稳定性、微生物安全性，并进行更全面的技术经济评估。
