我国污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1％~2％。污水处理的碳循环设计决定了污水处理厂的能源自给率及碳中和运行的实现。由于城市废水中的有机碳源蕴藏丰富的化学能和热能，如何高效提取废水中有机物的方式至关重要。奥地利斯特拉斯(Strass)污水处理厂以主流传统工艺(AB法)与侧流现代工艺(厌氧氨氧化)相结合处理方法，最大化回收进水中有机物。在2002年之前，该厂的需氧消化工艺产出的CH4转化电能最多只能满足该厂约80%的用电量。在2005年该厂的脱氮工艺改建为自养脱氮工艺(DEMON)后，产CH4后的发电量已超过耗电量，使得该厂成为废水厂碳中和运行的先驱，为污水处理行业能源回收借助提供了成功范例。然而，由于该技术的运行过程冗长，推广应用较困难。研究者通过物理加强城市废水预浓缩疗效，并将浓缩液经过需氧消化生成沼气，亦可作为能源加以借助。但该方法式需投加大量铁盐和铝盐，且效率较低。李梅等用生物吸附的方式研究了废水预浓缩疗效，活性淤泥对有机物吸附量不到300mg·g-1，吸附量仍偏小，后续需氧消化效率较低。GONG等将废水膜过滤技术应用在废水预处理中，以实现从废水中回收多种资源，包括高质量的水、生物能源和有价值的营养素。MEZOHEGYI等发觉，曝气振动膜生物反应器在浓缩有机物的同时会导致生物降解引起耗氧污染物(以COD计)损失。杨媛建立了两级动态膜反应器废水浓缩和厌氧发酵产能工艺，通过污水处理和浓缩液厌氧发酵，可形成的能量折算为电能为1.29kWh·m-3，高于系统自身的煤耗，实现了可观的能量盈余。然而，膜污染严重造成跨膜压差(transmenbranepressure，TMP)快速下降，会引起膜通量增长和维护成本降低。
考察了不同工况下膜浓缩反应器中耗氧有机物(以COD计)的浓缩情况(图2)。在运行阶段1和阶段2，净累计输入耗氧有机物(以COD计)随着膜过滤时间下降而降低。在前72h，累计回收耗氧有机物(以COD计)逐渐增多，并在第72小时达到峰值，且超过90%。随后，耗氧有机物(以COD计)的回收率总体呈增长趋势。而至运行阶段3，在前96h，膜池不排泥，净累计输入及累计回收耗氧有机物(以COD计)的量日渐增多，而回收率有较小幅度减少，由94%降至87%。在总体运行的前96h，累计回收耗氧有机物(以COD计)的量日渐增多；在运行96h后，累计回收耗氧有机物(以COD计)的量变化不显著。这可能与膜池显存在的微生物有关，在复合阻塞剂与需氧条件共同作用下，微生物更倾向于矿化溶解性有机物，从而造成有机物损失。因此，截留有机物逗留时间设置3~4d为宜。这与JIN等发觉基本一致，其研究在一个有效体积为3.5L的反应器中进行，内含膜孔径为0.33μm的超滤膜。在浓缩进行93h后，碳源质量含量高达20000mg·L-1，碳源回收率约70%。
在膜系统运行中，膜污染程度表现为通量增长或TMP下降。在本中试装置中，出水流量为恒流量模式，TMP的变化情况能直观反映膜污染情况。3个阶段的TMP随时间变化情况见图3。阶段1为废水直接过滤阶段。在前1800min，TMP最大不超过5kPa；在1800~2200min，TMP呈上升趋势，最大值不超过6kPa。随着过滤的进行，浓缩液的COD不断上升，TMP渐渐下降，最大值接近30kPa。而在总体趋势上，TMP逐步减小，并出现周期性变化，约2~3个周期后，TMP出现周期性局部最大值。阶段2为加强絮凝过滤阶段。在早期，TMP最大不超过3kPa。随着过滤的进行，浓缩液的COD不断上升，TMP渐渐下降。在运行28800min后，TMP最大值不超过14kPa。随着过滤时间降低，TMP逐步减小，并出现周期性变化。约10个周期后，TMP出现周期性最大值。在总体变化趋势上，3个阶段TMP均表现为逐步下降；在过滤周期内，随着过滤时间降低，阶段1和阶段2的TMP均为逐步下降的趋势。而在阶段3的过滤周期内，TMP变化规律明显不同。当过滤停止时，TMP迅速降至5kPa以下。在过滤产水的第1分钟，TMP迅速上升，然后TMP维持在一个近乎恒定的数值。阶段3的膜孔径是阶段1的5倍。孔径小易被胶体及悬浮物均匀覆盖，泥饼层较密实；而孔径大的膜丝表面易产生稳定的吸附性滤饼层，主要由水透过后被截留下来的部份活性淤泥、胶体物质和部份浓缩的溶解性有机物组成，堆积在膜表面而产生的可逆性膜面污染。在间歇曝气擦拭和定期排泥的作用下，膜污染明显增加，过水能力有所增强。
膜污染问题是影响膜反应器污水处理效率和推广应用的主要诱因。为解决污水处理中的膜污染问题，有必要通过剖析膜污染产生机理，并针对性地提出膜污染控制举措。在实际工程中，膜污染的程度遭到多个诱因的影响，包括膜的特点、泥水混合物的特点及系统维护情况等。而膜污染的多个影响诱因并非单独存在，其相互影响、相互抵抗，并在综合作用下影响膜通量。在实际应用中，前2个诱因属于固有特点，可通过在运行控制上采取举措来增加膜污染程度，尽可能将膜通量恢复至出厂前水平。
传统膜系统污染几乎受所有运行参数的影响。通常，污泥含量、胞外聚合物(extracelluarpolymericsubstance，EPS)和可溶微生物产物(solublemicrobialproducts，SMP)被觉得是影响膜污染的主要诱因。EPS是微生物(主要是真菌)为抵抗外界压力所分泌的粘性物质，EPS的存在与MBR中膜通量的增加、膜污染的形成和比阻的减小都有相关性。过高的淤泥含量和较大的淤泥负荷，会导致淤泥形成更多EPS和反应器内更高的SMP质量含量，进而促使了膜污染过程。本研究的反应器水力逗留时间比较短，物化作用远强于生化作用，可猜想出膜池内EPS和SMP的质量含量较低，主要污染源来自进水中的有机物。
结论
1)碳源捕获工艺浓缩时间以3~4d为宜，耗氧有机物(以COD计)回收率超过90%。能量平衡剖析显示，甲烷回收能量为0.0876kW·h-1·m-3。
2)在过滤压差、透过水流、复合阻塞剂的作用下，膜丝表面易产生稳定的吸附性滤饼层。堆积在膜表面而产生的可逆性膜面污染，能明显增加膜污染程度，从而提升过水能力。尤其在阶段3，过滤抽吸周期内中膜比通量几乎恒定。
3)原水中投加复合阻塞剂，作为汇聚核心参与絮凝过程，逐渐产生更大的粒径和硬度，絮体分支更多，透水性更好，较大的凝胶团被堆积在膜的表面。溶解性小分子有机物被复合阻塞剂的酯化产物吸附，通过网捕和卷扫作用，黏附在凝胶团上。为保持较高膜通量情况下增强耗氧有机物(以COD计)的浓缩回收效率提供了理论支持。
4)进水COD较低会导致浓缩液有机物回收量少，从而影响有机物转化为能源的回收量。预浓缩碳源再与餐厨垃圾协同需氧消化，净能量产值由负值转为正值。原水碳源浓缩回收技术可为未来污水资源化借助及城市水务行业的碳降耗提供参考。
