雙極膜電滲析處理餐廚垃圾厭氧消化液的特性研究

摘" 要：該研究采用雙極膜電滲析（Bipolar membrane electrodialysis， BMED）技術(shù)處理餐廚垃圾厭氧消化液，探究不同電流密度下的脫鹽及NH3-N回收性能。結(jié)果顯示，在電流密度500 A/m2下，BMED實(shí)現(xiàn)最佳性能，對消化液的脫鹽率達(dá)到86%，對其中NH3-N和COD去除率分別為90%和26%。同時(shí)，鹽分轉(zhuǎn)化為酸和堿回收，NH3-N轉(zhuǎn)化為NH3·H2O，產(chǎn)酸產(chǎn)堿濃度分別達(dá)到0.071 mol/L和0.045 mol/L，NH3-N回收率達(dá)到90%。該研究為餐廚垃圾厭氧消化液的資源化處理提供新方法。

關(guān)鍵詞：雙極膜電滲析;餐廚垃圾;厭氧消化液;脫鹽;氨氮回收

中圖分類號：X703" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0058-05

Abstract： In this study， bipolar membrane electrodialysis（BMED） technology was used to treat anaerobic digestion liquor of kitchen waste， and the desalination and NH3-N recovery properties under different current densities were explored. The results showed that at a current density of 500 A/m2， BMED achieved the best performance， with a desalination rate of 86% in the digestion liquor， and a removal rate of 90% and 26% for NH3-N and COD， respectively. At the same time， salt is converted into acid and alkali is recovered， and NH3-N is converted into NH3·H2O. The acid and alkali concentrations reach 0.071 mol/L and 0.045 mol/L respectively， and the recovery rate of NH3-N reaches 90%. This study provides a new method for the resource treatment of anaerobic digestion liquor of kitchen waste.

Keywords： bipolar membrane electrodialysis; kitchen waste; anaerobic digestive juice; desalination; ammonia nitrogen recovery

近年來，隨著餐飲行業(yè)的迅速擴(kuò)張，餐廚廢棄物的產(chǎn)生量急劇增加，已成為城市生活垃圾的主要來源，占比高達(dá)60.2%[1-2]。在各種廢棄物處理技術(shù)中，厭氧消化技術(shù)因高效且低能耗的特點(diǎn)而備受關(guān)注。例如，廣州東部固體資源再生中心對該技術(shù)的應(yīng)用，證明了其在餐廚垃圾處理中的適用性[3]。但值得關(guān)注的是，厭氧消化過程中產(chǎn)生的消化液含高濃度的有機(jī)物和氨氮，未經(jīng)處理直接排放會破壞生態(tài)環(huán)境[4]。

目前，我國主要采用生化、吹脫和化學(xué)法處理厭氧消化液。其中，生化法基于生物脫氮原理，一般適用于低濃度氨氮廢水[5]。吹脫法適合處理高濃度氨氮廢水，但受溫度限制，0 ℃以下無法正常使用[6]?；瘜W(xué)法需要投加大量磷酸鹽和鎂鹽生成磷酸銨鎂沉淀，但會增加懸浮物、總磷等二次污染物，只適用作為廢水的初步處理[7]?？梢?，現(xiàn)有方法無法滿足厭氧消化液的資源化處理需求，急需開發(fā)新方法。

近年來，雙極膜電滲析（Bipolar Membrane Electrodialysis，BMED）因其在廢水中的離子態(tài)污染物去除同步資源化方面的優(yōu)勢備受矚目[8-9]。BMED主要通過雙極膜（Bipolar membrane，BPM）的解離水分子作用（H2O=H++OH-）及離子在電場下通過陰離子交換膜（Anion Exchange Membrane，AEM）和陽離子交換膜（Cation Exchange Membrane，CEM）的作用，高效地將水中的離子態(tài)污染物與水分離同步轉(zhuǎn)化為酸和堿回收[10]。例如，在土壤淋洗廢液處理中，BMED同時(shí)實(shí)現(xiàn)了廢水中80%的氨氮去除同步將其轉(zhuǎn)化為堿性的氨水回收[11];Elodie等[12-13]研發(fā)了一種利用BMED降低蔓越莓酸度的方法，經(jīng)過6 h的處理后，蔓越莓果汁的脫酸率可高達(dá)80%，并且回收有機(jī)酸可用作天然防腐劑。因此可以假設(shè)，利用BMED處理餐廚垃圾厭氧消化液可以實(shí)現(xiàn)其中離子態(tài)COD和NH3-N的高效去除和資源回收，但目前使用BMED處理餐廚垃圾厭氧消化液的研究尚未見報(bào)道。

本研究構(gòu)建BMED反應(yīng)器用于處理餐廚垃圾厭氧消化液，通過不同的電流密度，研究廢水中的脫鹽及鹽分轉(zhuǎn)化為酸、堿資源化回收效果、氨氮去除和回收效果、廢水中COD去除和回收效果，以及計(jì)算處理過程的能耗指標(biāo)。

1" 材料與方法

1.1" 餐廚垃圾厭氧消化液的來源和預(yù)處理

本研究使用的餐廚垃圾厭氧消化液取自廣州市某餐廚垃圾處理站。原水含有高濃度固體雜質(zhì)，直接處理會堵膜。故采用0.45 μm濾膜預(yù)處理。預(yù)處理后的消化液水質(zhì)特征：pH為8.0±0.5，電導(dǎo)率為18.0±0.5 mS/cm，氨氮濃度為1 570±50 mg/L，COD濃度為2 400±200 mg/L。

1.2" 雙極膜電滲析結(jié)構(gòu)與運(yùn)行

本次實(shí)驗(yàn)采用BP-A-C-BP型膜堆，即使用雙極膜（HMBM-4012，杭州華膜科技有限公司，中國）、陰離子膜（AMI-7001，MI Ultrex，美國）和陽離子膜（CMI-7000，MI Ultrex，美國）將BMED裝置分隔成5隔室膜堆結(jié)構(gòu)，依次為陰極室、產(chǎn)酸室、脫鹽室、產(chǎn)堿室和陽極室，每張膜有效面積均為7 cm2，膜間距均為1 cm[14-15]。同時(shí)，采用鈦釕合金（Ti-Ru）電極板，通過直流電源（IT6700，艾德克斯電子有限公司，中國）向膜堆提供電流[16]。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，在產(chǎn)酸室中加入0.03 mol/L的HCl溶液，脫鹽室的儲存罐添加餐廚垃圾厭氧消化液，產(chǎn)堿室加入0.03 mol/L的NaOH溶液，2個(gè)極室中加入0.3 mol/L的Na2SO4溶液。為確保溶液的持續(xù)循環(huán)，采用蠕動(dòng)泵（BT1-200，上海琪特分析儀器有限公司，中國）將每個(gè)室與外部儲液罐相連接，每個(gè)循環(huán)的溶液體積均為60 mL。BMED以恒電流模式運(yùn)行，分別測試電流密度100、200、300、400和500 A/m2下處理1 h的效果。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2次平行測試。

1.3" 分析與計(jì)算

通過在BMED陰陽極兩端接入電壓數(shù)據(jù)采集裝置（M2700，吉時(shí)利公司，美國），每5 min自動(dòng)讀取1次電壓數(shù)據(jù)，以此繪制出電壓-時(shí)間曲線;使用pH計(jì)（FE28-Standard，梅特勒-托利多，瑞士）測量溶液pH，并計(jì)算得出產(chǎn)酸堿濃度[17];使用電導(dǎo)率儀（FE38-Standard，梅特勒-托利多，瑞士）測定脫鹽室中厭氧消化液的電導(dǎo)率，并由此計(jì)算脫鹽效率。溶液中NH3-N濃度的測定按HJ535-2009納氏試劑分光光度法進(jìn)行[18];COD濃度的測定按GB11914-89重鉻酸鉀法進(jìn)行[19]。

處理電能消耗按如下公式計(jì)算

E=，

式中：E為處理單位體積厭氧消化液的能耗，kWh/m3;U為BEMD兩端的外加電壓，V;I為電流，A;T為運(yùn)行時(shí)間，h;V為每個(gè)循環(huán)加入?yún)捬跸后w積，m3[20]。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 電流-電壓曲線

在不同電流密度（100～500 A/m2）下，BMED的電壓隨時(shí)間變化的曲線如圖1所示。觀察曲線可知，在各種電流密度下，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，BMED的電壓值主要表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢。初始階段電壓的降低是因?yàn)殡p極膜源源不斷產(chǎn)生的氫離子和氫氧根使BMED內(nèi)阻減小引起的。但當(dāng)餐廚垃圾厭氧消化液中的鹽分被去除得越來越多時(shí)，BMED內(nèi)阻會增加，使得電壓值在后期逐漸上升。此外，隨著電流密度的增大，BMED的平均電壓呈上升趨勢，這意味著在相同的處理時(shí)間下，高電流密度的處理能耗更高。

2.2" 脫鹽效率

在不同電流密度下，厭氧消化液在脫鹽室中的電導(dǎo)率均隨運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸降低（圖2）。相同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，電流密度增大，則消化液電導(dǎo)率降低，脫鹽率相應(yīng)提升。例如，當(dāng)電流密度由100 A/m2增至500 A/m2時(shí)，運(yùn)行1 h后的出水電導(dǎo)率由14.78±0.54 mS/cm銳減至2.65±0.21 mS/cm，相應(yīng)的脫鹽效率從23%大幅升至86%。這表明，增大電流密度可有效提升BMED對消化液中鹽分的去除速度。

2.3" 產(chǎn)酸堿濃度

BMED在處理餐廚垃圾厭氧消化液時(shí)，能將其中的鹽分轉(zhuǎn)化為酸堿產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同電流密度下，產(chǎn)酸室的氫離子濃度隨運(yùn)行時(shí)間增加而上升，這歸因于雙極膜產(chǎn)生的氫離子的累積效應(yīng)（圖3（a））。當(dāng)電流密度從100 A/m2增至500 A/m2，在運(yùn)行1 h后，產(chǎn)酸室的氫離子濃度由0.040±0.01 mol/L上升至0.071±0.01 mol/L，提升了78%。這表明，增加電流密度可提升BMED的酸產(chǎn)品生成速率。同樣地，產(chǎn)堿室的堿濃度也隨電流密度和運(yùn)行時(shí)間的增加而上升（圖3（b）），在電流密度從100 A/m2增加到500 A/m2的情況下，產(chǎn)堿室的堿濃度從0.023±0.01 mol/L上升至0.045±0.01 mol/L，增幅達(dá)96%。這說明提高電流密度同樣有助于提升堿產(chǎn)品的生產(chǎn)性能。總之，BMED在處理厭氧消化液時(shí)能實(shí)現(xiàn)酸堿資源的回收利用，且其產(chǎn)酸堿速率與電流密度呈正相關(guān)。

2.4" NH3-N去除與遷移

在不同電流密度下，脫鹽室中消化液的NH3-N濃度均隨運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸降低，這是由于NH3-N在外加電場作用下透過CEM向產(chǎn)堿室遷移，并與OH-結(jié)合形成氨水（圖4（a））。當(dāng)電流密度從100 A/m2增至500 A/m2時(shí)，運(yùn)行1 h后，消化液出水中的NH3-N濃度從1 218±50 mg/L大幅下降至168±8 mg/L，去除率從22%顯著提升至90%。同時(shí)，在產(chǎn)堿室，隨著電流密度和運(yùn)行時(shí)間的增加，NH3-N濃度逐漸上升，這是由于NH3-N遷移并累積于此（圖4（b））。在相同運(yùn)行1 h的條件下，當(dāng)電流密度從100 A/m2增至500 A/m2時(shí)，產(chǎn)堿室出水中的NH3-N濃度從152±6 mg/L增至1 365±57 mg/L，增長了近8倍，回收效果顯著增強(qiáng)?？梢?，BMED對消化液中NH3-N的去除效果是顯著的，且增加電流密度可加速NH3-N的遷移，從而有效提升脫鹽室中NH3-N的去除效率和產(chǎn)堿室中的回收。

2.5" COD去除與遷移

BMED對消化液的COD去除如圖5（a）所示。不同電流密度下，COD濃度隨運(yùn)行時(shí)間增加而降低，歸因于電場作用下的離子態(tài)有機(jī)物遷移。電流密度從100 A/m2增至500 A/m2時(shí)，在相同的1 h運(yùn)行時(shí)間下，出水COD濃度由2 000±114 mg/L降至1 775±150 mg/L，去除率從17%略增至26%，增幅有限，可能是消化液中的離子態(tài)有機(jī)物占比較低所致。

圖5（b）展示了產(chǎn)酸室溶液中的COD濃度變化。隨電流密度和運(yùn)行時(shí)間增加，產(chǎn)酸室COD值逐漸上升。電流密度從100 A/m2增至500 A/m2時(shí)，COD濃度由290±5 mg/L升至520±24 mg/L，顯示更多離子態(tài)有機(jī)物遷移至產(chǎn)酸室。

產(chǎn)堿室COD濃度變化如圖5（c）所示，規(guī)律與產(chǎn)酸室相似。電流密度增加時(shí)，COD值從50±2 mg/L上升至110±4 mg/L，表明陽離子型有機(jī)物隨電流密度增加而遷移至產(chǎn)堿室。比較產(chǎn)酸室與產(chǎn)堿室出水COD值，可見離子態(tài)有機(jī)物主要向產(chǎn)酸室遷移，多為陰離子型。

綜上所述，BMED對消化液中COD的去除效果有限。

2.6" 能耗分析

BMED在不同電流密度下處理厭氧消化液的能耗情況如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)電流密度從100 A/m2增加到500 A/m2，BMED的能耗呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢，從21.74±1.31 kWh/m3上升到271.08±10.39 kWh/m3。同時(shí)，通過線性擬合發(fā)現(xiàn)能耗與電流密度呈良好的線性關(guān)系（R2=0.999 8）。表明電流密度BMED對能耗有著顯著的影響。

2.7" 討論

本研究通過構(gòu)建BMED裝置，開發(fā)處理餐廚垃圾厭氧消化液實(shí)現(xiàn)資源化的方法。根據(jù)電流密度、產(chǎn)酸產(chǎn)堿濃度、脫鹽率、NH3-N的遷移規(guī)律、COD的遷移規(guī)律及能耗指標(biāo)來研究雙極膜電滲析處理餐廚垃圾厭氧消化液特性。

在500 A/m2下，BMED裝置實(shí)現(xiàn)了對消化液高效脫鹽，脫鹽率達(dá)到了86%，并且將鹽分轉(zhuǎn)化成具有經(jīng)濟(jì)效益的HCl和NaOH，實(shí)現(xiàn)鹽分資源化。同時(shí)，隨著電流密度的增加，酸室pH越來越低，并且AEM會發(fā)生質(zhì)子泄露，導(dǎo)致脫鹽室pH降低，最終呈酸性。由于NH3-N在酸性條件下是以NH形態(tài)存在，并且NH能夠通過CEM進(jìn)入產(chǎn)堿室，從而實(shí)現(xiàn)消化液中氨氮去除同步回收。同時(shí)，電流密度的增加能夠加速NH3-N遷移速率，從而提高NH3-N的回收率，可達(dá)90%以上。

3" 結(jié)論

本研究探討了BMED在電流密度100～500 A/m2范圍內(nèi)處理餐廚垃圾厭氧消化液的特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

1）BMED能夠高效脫除消化液中的鹽分，且脫鹽率隨著電流密度的增加而顯著提升，但處理能耗也會相應(yīng)的上升。在電流密度最高的500 A/m2時(shí)，脫鹽率達(dá)到86%，能耗為271.08±10.39 kWh/m3。

2）消化液中被脫除的鹽分成功轉(zhuǎn)化為可回收的酸堿，產(chǎn)酸堿濃度隨電流密度的增加而增加。在電流密度最高的500 A/m2時(shí)，產(chǎn)酸濃度和產(chǎn)堿濃度分別達(dá)到0.071 mol/L和0.045 mol/L。

3）BMED表現(xiàn)出對消化液中NH3-N的高效去除能力，在電流密度最高的500 A/m2時(shí)，NH3-N的去除率達(dá)到了90%。通過電場的作用，NH3-N被有效遷移至產(chǎn)堿室并與OH-結(jié)合形成NH3·H2O，實(shí)現(xiàn)NH3-N的同步去除和資源回收。

研究表明，BMED是一種高效的餐廚垃圾厭氧消化液資源化處理方法。

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基金項(xiàng)目：廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)資金項(xiàng)目（pdjh2023b0263）;仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（KJCX2024023）;仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2023CX08）

第一作者簡介：張小蘭（1999-），女，碩士研究生。研究方向?yàn)閺U水處理與資源化。

*通信作者：葉波（1983-），男，博士，高級工程師。研究方向?yàn)閺U水處理與資源化。