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。結果顯示，在電流密度500 A/m2下，BMED實現最佳性能，對消化液的脫鹽率達到86%，對其中NH3-N和COD去除率分別為90%和26%。同時，鹽分轉化為酸和堿回收，NH3-N轉化為NH3·H2O，產酸產堿濃度分別達到0.071 mol/L和0.045 mol/L，NH3-N回收率達到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" " " 文獻標志碼：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，隨著餐飲行業的迅速擴張，餐廚廢棄物的產生量急劇增加，已成為城市生活垃圾的主要來源，占比高達60.2%[1-2]。在各種廢棄物處理技術中，厭氧消化技術因高效且低能耗的特點而備受關注。例如，廣州東部固體資源再生中心對該技術的應用，證明了其在餐廚垃圾處理中的適用性[3]。但值得關注的是，厭氧消化過程中產生的消化液含高濃度的有機物和氨氮，未經處理直接排放會破壞生態環境[4]。

目前，我國主要采用生化、吹脫和化學法處理厭氧消化液。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]?？梢姡F有方法無法滿足厭氧消化液的資源化處理需求，急需開發新方法。

近年來，雙極膜電滲析（Bipolar Membrane Electrodialysis，BMED）因其在廢水中的離子態污染物去除同步資源化方面的優勢備受矚目[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污染物與水分離同步轉化為酸和堿回收[10]。例如，在土壤淋洗廢液處理中，BMED同時實現了廢水中80%的氨氮去除同步將其轉化為堿性的氨水回收[11];Elodie等[12-13]研發了一種利用BMED降低蔓越莓酸度的方法，經過6 h的處理后，蔓越莓果汁的脫酸率可高達80%，并且回收有機酸可用作天然防腐劑。因此可以假設，利用BMED處理餐廚垃圾厭氧消化液可以實現其中離子態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道。

本研究構建BMED反應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，以及計算處理過程的能耗指標。

1" 材料與方法

1.1" 餐廚垃圾厭氧消化液的來源和預處理

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，直接處理會堵膜。故采用0.45 μm濾膜預處理。預處理后的消化液水質特征：pH為8.0±0.5，電導率為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" 雙極膜電滲析結構與運行

本次實驗采用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隔室膜堆結構，依次為陰極室、產酸室、脫鹽室、產堿室和陽極室，每張膜有效面積均為7 cm2，膜間距均為1 cm[14-15]。同時，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]。

實驗開始時，在產酸室中加入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，產堿室加入0.03 mol/L的NaOH溶液，2個極室中加入0.3 mol/L的Na2SO4溶液。為確保溶液的持續循環，采用蠕動泵（BT1-200，上海琪特分析儀器有限公司，中國）將每個室與外部儲液罐相連接，每個循環的溶液體積均為60 mL。BMED以恒電流模式運行，分別測試電流密度100、200、300、400和500 A/m2下處理1 h的效果。為確保實驗結果的準確性和可靠性，每組實驗進行2次平行測試。

1.3" 分析與計算

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

處理電能消耗按如下公式計算

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為運行時間，h;V為每個循環加入厭氧消化液體積，m3[20]。

2" 結果與討論

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，隨著運行時間的增加，BMED的電壓值主要表現為先下降后上升的趨勢。初始階段電壓的降低是因為雙極膜源源不斷產生的氫離子和氫氧根使BMED內阻減小引起的。但當餐廚垃圾厭氧消化液中的鹽分被去除得越來越多時，BMED內阻會增加，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率均隨運行時間增加而逐漸降低（圖2）。相同運行時間內，電流密度增大，則消化液電導率降低，脫鹽率相應提升。例如，當電流密度由100 A/m2增至500 A/m2時，運行1 h后的出水電導率由14.78±0.54 mS/cm銳減至2.65±0.21 mS/cm，相應的脫鹽效率從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" 產酸堿濃度

BMED在處理餐廚垃圾厭氧消化液時，能將其中的鹽分轉化為酸堿產品。實驗結果顯示，不同電流密度下，產酸室的氫離子濃度隨運行時間增加而上升，這歸因于雙極膜產生的氫離子的累積效應（圖3（a））。當電流密度從100 A/m2增至500 A/m2，在運行1 h后，產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的酸產品生成速率。同樣地，產堿室的堿濃度也隨電流密度和運行時間的增加而上升（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96%。這說明提高電流密度同樣有助于提升堿產品的生產性能?？傊?，BMED在處理厭氧消化液時能實現酸堿資源的回收利用，且其產酸堿速率與電流密度呈正相關。

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濃度均隨運行時間增加而逐漸降低，這是由于NH3-N在外加電場作用下透過CEM向產堿室遷移，并與OH-結合形成氨水（圖4（a））。當電流密度從100 A/m2增至500 A/m2時，運行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，在產堿室，隨著電流密度和運行時間的增加，NH3-N濃度逐漸上升，這是由于NH3-N遷移并累積于此（圖4（b））。在相同運行1 h的條件下，當電流密度從100 A/m2增至500 A/m2時，產堿室出水中的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?？梢姡珺MED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濃度隨運行時間增加而降低，歸因于電場作用下的離子態有機物遷移。電流密度從100 A/m2增至500 A/m2時，在相同的1 h運行時間下，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有機物占比較低所致。

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

產堿室COD濃度變化如圖5（c）所示，規律與產酸室相似。電流密度增加時，COD值從50±2 mg/L上升至110±4 mg/L，表明陽離子型有機物隨電流密度增加而遷移至產堿室。比較產酸室與產堿室出水COD值，可見離子態有機物主要向產酸室遷移，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。實驗結果顯示，當電流密度從100 A/m2增加到500 A/m2，BMED的能耗呈現出逐步上升的趨勢，從21.74±1.31 kWh/m3上升到271.08±10.39 kWh/m3。同時，通過線性擬合發現能耗與電流密度呈良好的線性關系（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

本研究通過構建BMED裝置，開發處理餐廚垃圾厭氧消化液實現資源化的方法。根據電流密度、產酸產堿濃度、脫鹽率、NH3-N的遷移規律、COD的遷移規律及能耗指標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裝置實現了對消化液高效脫鹽，脫鹽率達到了86%，并且將鹽分轉化成具有經濟效益的HCl和NaOH，實現鹽分資源化。同時，隨著電流密度的增加，酸室pH越來越低，并且AEM會發生質子泄露，導致脫鹽室pH降低，最終呈酸性。由于NH3-N在酸性條件下是以NH形態存在，并且NH能夠通過CEM進入產堿室，從而實現消化液中氨氮去除同步回收。同時，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90%以上。

3" 結論

本研究探討了BMED在電流密度100～500 A/m2范圍內處理餐廚垃圾厭氧消化液的特性。實驗結果如下。

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的上升。在電流密度最高的500 A/m2時，脫鹽率達到86%，能耗為271.08±10.39 kWh/m3。

2）消化液中被脫除的鹽分成功轉化為可回收的酸堿，產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，產酸濃度和產堿濃度分別達到0.071 mol/L和0.045 mol/L。

3）BMED表現出對消化液中NH3-N的高效去除能力，在電流密度最高的500 A/m2時，NH3-N的去除率達到了90%。通過電場的作用，NH3-N被有效遷移至產堿室并與OH-結合形成NH3·H2O，實現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。

參考文獻：

[1] GU B， JIANG S， WANG H， et al. Characterization， quantification and management of China's municipal solid waste in spatiotemporal distributions：A review[J]. Waste Management，2017（61）：67-77.

[2] 何華.我國餐廚垃圾處理問題與出路研究[J].資源節約與環保，2019（9）：113.

[3] 王磊，胡超，劉偉，等.中國餐廚垃圾處理技術現狀與展望[J].廣東化工，2013，40（16）：76-77.

[4] JIN C， SUN S， YANG D， et al. Anaerobic digestion： An alternative resource treatment option for food waste in China[J].Science of the Total Environment，2021（779）：146397.

[5] 馮佳珺，任洪艷，李媛，等.部分亞硝化-厭氧氨氧化串聯工藝處理餐廚垃圾厭氧消化液研究[J].安全與環境學報，2016（5）：206-211.

[6] 吳丹，劉偉，張琦，等.高濃度氨氮廢水處理方法研究進展[J].鹽科學與化工，2020，49（4）：10-15，19.

[7] 黃新華.電解錳行業高濃度氨氮廢水處置工藝研究[J].中國錳業，2020，38（6）：51-55.

[8] 姜鐳.氨氮廢水處理技術比較[J].黑龍江環境通報，2018，42（1）：67-69.

[9] REIG M， CASAS S， VALDERRAMA C， et al. Integration of monopolar and bipolar electrodialysis for valorization of seawater reverse osmosis desalination brines：Production of strong acid and base[J].Desalination，2016（398）：87-97.

[10] REIG M， CASAS S， GIBERT O， et al. Integration of nanofiltration and bipolar electrodialysis for valorization of seawater desalination brines：Production of drinking and waste water treatment chemicals[J].Desalination， 2016（382）：13-20.

[11] 徐梅生.我國電滲析技術的發展[J].水處理技術，1985，11（5）：12-15.

[12] EIODIE R， REDNEAULt K， LACOUR S， et al. Deacidification of cranberry juice by electrodialysis：Impact of membrane types and configurations on acid migration and juice physicochemical characteristics[J].Separation and Purification Technology，2016（163）：228-237.

[13] YE B， LAN J， NONG Z， et al. Efficiently combined technology of precipitation， bipolar membrane electrodialysis， and adsorption for salt-containing soil washing wastewater treatment[J]. Process Safety and Environmental Protection，2022（165）：205-216.

[14] 孫文文，唐元暉，張春暉，等.雙極膜電滲析技術的研究進展[J].工業水處理，2021，41（5）：36-41.

[15] LIN S， LU Y， YE B， et al. Pesticide wastewater treatment using the combination of the microbial electrolysis desalination and chemical-production cell and Fenton process[J]. Frontiers of environmental science amp; engineering，2020（14）：1-15.

[16] 張莉，婁玉峰，張治磊，等.雙極膜電滲析技術制備有機酸的應用進展[J].廣州化工，2022，50（3）：15-20.

[17] LI J，LUO G，HE L J，et al.Analytical approaches for determining chemical oxygen demand in water bodies：a review[J].Critical reviews in analytical chemistry，2018，48（1）：47-65.

[18] 薛嘉俊.曝氣生物濾池SNAD工藝處理老齡垃圾滲濾液性能研究[D].廣州：廣州大學，2021.

[19] LI J， TAO T， LI X， et al. A spectrophotometric method for determination of chemical oxygen demand using home-made reagents[J].Desalination，2009，239（1-3）：139-145.

[20] YE B， LIU H， YE M， et al. Seawater desalination using the microbial electrolysis desalination and chemical-production cell with monovalent selective cation exchange membrane[J].Desalination，2022（523）：115394.

基金項目：廣東省科技創新戰略專項資金項目（pdjh2023b0263）;仲愷農業工程學院研究生科技創新基金資助項目（KJCX2024023）;仲愷農業工程學院大學生創新基金項目（2023CX08）

第一作者簡介：張小蘭（1999-），女，碩士研究生。研究方向為廢水處理與資源化。

*通信作者：葉波（1983-），男，博士，高級工程師。研究方向為廢水處理與資源化。