鄭斐，朱文亭
(天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

　　摘要：無泡曝氣膜生物反應(yīng)器是一種可同時(shí)去除COD和氮的新型膜生物反應(yīng)器，其主要特征是利用蔬水性微孔膜作為生物膜載體并進(jìn)行無泡供氧。介紹了該反應(yīng)器的工藝原理及無泡曝氣的特點(diǎn)，討論了其運(yùn)行影響因素和未來研究方向。
　　關(guān)鍵詞：無泡曝氣；中空纖維膜；生物膜；污水處理
　　中圖分類號：X703.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1009—2455(2004)03—0011—04

A New Technology of Biomembrane Process
——Bubble—Free Aeration Membrane Biological Reactor
ZHENG Fei，ZHU Wen-ting
(College of Environmental Science and Engineering,Tianjin Univerity，Tianjin 300072，China)

　　Abstract：Bubble-free aeration membrane biological reactor is a new-type membrane biological reactor　which removes COD and N simultaneously.It mainly features the use of hydrophobic microporous membrane as a　biomembrane carrier for the bubble-free supply of oxygen.The process principle of the said reactor as well as the　characteristics of bubble-free aeration are introduced，and the factors affecting its operation，and the direction of　its future development are discussed.
　　Key words：bubble-free aeration；hollow-fiber membrane；biomembrane；sewage treatment

　　隨著膜技術(shù)的進(jìn)步，膜質(zhì)量不斷提高且造價(jià)逐漸降低，膜技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從低濁度的給水處理發(fā)展到高濁度廢水處理的各個(gè)領(lǐng)域，膜技術(shù)與各種工藝結(jié)合以解決傳統(tǒng)方法難以解決的問題。
　　根據(jù)膜組件在膜生物反應(yīng)器(MBR)中所起作用的不同，大致可將MBR分為分離膜生物反應(yīng)器、無泡曝氣生物膜反應(yīng)器、萃取生物膜反應(yīng)器3種。分離膜生物反應(yīng)器中的膜組件相當(dāng)于傳統(tǒng)污水生物處理系統(tǒng)中的二沉池，在此進(jìn)行固液分離，截留的污泥回流至生物反應(yīng)器，透過水外排；無泡曝氣膜生物反應(yīng)器采用透氣性致密或疏水性微孔膜對生物反應(yīng)器進(jìn)行無泡供氧；萃取膜生物反應(yīng)器利用膜將有毒工業(yè)廢水中的優(yōu)先污染物萃取后對其進(jìn)行單獨(dú)的生化處理。
　　本文主要介紹采用中空纖維膜作為生物膜載體和供氧方式的無泡曝氣膜生物反應(yīng)器。

1 工藝原理

　　無泡曝氣生物反應(yīng)器(Membrane AerationBiofilm Reactor)，簡稱為MABR，由中空纖維膜填料部分和水流部分組成。生物膜所需要的氧氣是通過纖維束填料供給的，中空纖維膜不僅起著供氧作用，同時(shí)又是固著生物膜的載體。圖1為無泡曝氣膜生物反應(yīng)器處理污水原理圖。即，純氧或空氣通過中空纖維膜的微孔為生物膜進(jìn)行無泡曝氣，在中空纖維膜的外側(cè)形成的生物膜與污水充分接觸，污水中所含的有機(jī)物被生物膜吸附和氧化分解，從而使污水得到凈化。
　　MABR主要適用于處理可生化性較高的污水，對高濃度廢水處理效果良好，并可用于同時(shí)處理廢水中的NH3-N。Hirasa等利用MABR處理COD質(zhì)量濃度為500mg／L的人工合成污水，取得了96％的處理效果^[1]。此外Keith Brindle 等對MABR的硝化效果進(jìn)行了研究，在氨氮容積負(fù)荷為(以NH4-N計(jì))1.2kg／(m3·d)時(shí)，取得了98％的氮去除率^[2]。

1.1 供氧方式
　　由于纖維膜微孔直徑很小，為0.1～0.5 1μm，曝氣產(chǎn)生肉眼不可見的氣泡，因此稱為無泡供氧。
　　中空纖維膜供氧有貫通式和閉端式兩種方式；貫通式MABR內(nèi)中空纖維膜兩端分別被固定在雙層夾板上，氣體由一端夾板持續(xù)通人膜內(nèi)腔，一部分氣體被生物膜消耗，剩余部分從另一端的夾板排出，由于該方式中有氣體剩余，更適用于空氣供氧。閉端式MABR內(nèi)中空纖維膜一端被固定在雙層夾板上，另一端密封，氣體經(jīng)夾板從纖維膜開口端通入，在壓力作用下全部進(jìn)入反應(yīng)器，所以更適用于純氧曝氣。此外，該方式中纖維束呈流化態(tài)，反應(yīng)器不易堵塞。兩種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2。

1.2 氧及底物的傳遞
　　由于中空纖維膜具有疏水性和微孔性兩個(gè)特征，所以在氣體通過膜內(nèi)腔時(shí)，膜壁上的微孔保持干燥并充滿氣體，并由這些微孔將氣體傳遞到中空纖維膜的外側(cè)，也即附著的生物膜內(nèi)。在生物膜內(nèi)，氧氣和底物在微生物的作用下被消耗，形成了溶解氧梯度，此梯度就是氧傳遞的推動(dòng)力。
　　氧的傳遞速率公式^[3]如下：

　　dC/dt =K₁A(C_*-C)　　　　　　　　　　　　　(1)
　　式中：
　　dC/dt——氧的使遞速率，mg／(L·s)
　　K1——氧轉(zhuǎn)移系數(shù)，m／s；
　　A——反應(yīng)器的比表面積，m²／m3；
　　C*——纖維膜中氣液界面的溶解氧質(zhì)量濃度，mg／L；
　　C——液相中溶解氧的質(zhì)量濃度，mg／L。
　　其中Kl由水流速度和水流與中空纖維膜的相對位置決定。Tariq Ahmed(1994)經(jīng)試驗(yàn)得出：提高水流速度或改平行流為切向流(Crossflow)可獲得較大的Kl；因?yàn)榍邢蛄髑闆r下，纖維膜在水流方向的投影面積遠(yuǎn)大于平行流，且濃度邊界層只存在于纖維膜橫截面方向^[4]。
　　底物質(zhì)量傳遞的推動(dòng)力是液相與生物膜內(nèi)的底物濃度梯度。傳質(zhì)阻力主要是液相邊界層的影響。當(dāng)停留時(shí)間很長時(shí)，液相流速小，邊界層厚度大，傳質(zhì)效率低。反之，停留時(shí)間短時(shí)，傳質(zhì)效率高。
　　采用中空纖維膜作為載體，有機(jī)物和氧分別從生物膜的兩側(cè)進(jìn)入膜內(nèi)部。在生物膜外層，有機(jī)物濃度最大而溶解氧濃度最小，生物膜內(nèi)層深處則正好相反。這樣，好氧微生物的兩個(gè)生長控制因素得以相互協(xié)調(diào)和抑制，其結(jié)果是使生物膜協(xié)調(diào)地生長在一個(gè)相對固定的厚度范圍內(nèi)，不會因?yàn)榈孜餄舛冗^大而形成嚴(yán)重堵塞。除此之外，中空纖維膜還具有很高的比表面積，并可在生物膜內(nèi)形成很高的生物量。
1.3 無泡曝氣的特點(diǎn)
　　與常規(guī)曝氣相比，采用中空纖維膜進(jìn)行無泡曝氣具有如下優(yōu)點(diǎn)：
　?、儆捎谄貧獠划a(chǎn)生氣泡，氧直接以分子狀態(tài)擴(kuò)散進(jìn)入生物膜，幾乎百分之百地被吸收，傳質(zhì)效率可高達(dá)100％，因此溶解氧不再是限制微生物生長的決定因素。
　?、谟捎谏锬どL在中空纖維膜的外表面，所以在供氧過程中，生物膜不會受到氣體摩擦，不易脫落。
　　③氧在傳遞到生物膜的過程中不經(jīng)過液相邊界層，因此，傳質(zhì)阻力比常規(guī)曝氣法小得多，能耗大大降低。根據(jù)Pierre Cote等的實(shí)驗(yàn)，單位處理水量的能耗可比常規(guī)生物膜法減少30％左右^[5]。
　?、芷貧膺^程不產(chǎn)生氣泡，避免了傳統(tǒng)曝氣時(shí)污水中易揮發(fā)性物質(zhì)如甲苯、苯酚隨氣泡進(jìn)人大氣而對環(huán)境造成的污染；同時(shí)不會由于表面活性劑的存在而產(chǎn)生泡沫。
　?、萜貧膺^程中氣液兩相分離，溶液的混合與供氧互不干擾，因此可以各自獨(dú)立設(shè)計(jì)，反應(yīng)器的形式更加靈活多變。
　　⑥中空纖維膜的比表面積可高達(dá)5018 m²／m³，為氧的傳遞和生物膜的生長提供了巨大的表面積，有利于反應(yīng)器向小型化發(fā)展。
　?、進(jìn)ABR反應(yīng)器中氣液兩相分離，氣體壓力不受容器內(nèi)混合狀態(tài)的影響，因此，可以通過調(diào)節(jié)氣體壓力的辦法來控制氧的供應(yīng)。對于一般廢水，通過供氧控制，在保證生物膜生長需氧的同時(shí)，可以避免因過量曝氣而使污水中DO濃度過高，大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用。對于含氮廢水，通過供氧控制，只使靠近纖維膜的內(nèi)層生物膜獲得氧，從而達(dá)到同時(shí)硝化、反硝化和COD去除的效果。 Timberlake指出此時(shí)的生物膜結(jié)構(gòu)如圖3。并指出其有如下優(yōu)點(diǎn)：a.脫氮菌處在高NH3-N和DO區(qū)域，硝化率達(dá)到最大。b. NO₃^--N和NO₂^--N通過好氧層進(jìn)入反硝化層，因此攜帶較高的有機(jī)物濃度，m(C)：m(N)比值高、反硝化率高；克服了常規(guī)生物膜法外加碳源的要求。 c.硝化層在生物膜深層，因此生物膜的脫落不會導(dǎo)致這些生長緩慢的微生物量明顯減少。d.厭氧層處于生物膜最外層，可顯著減少污泥產(chǎn)量，對高濃度廢水處理尤為明顯，這有利于減小后續(xù)處理中沉淀池的容積，節(jié)約資金投入[6]。

2. 影響MABR運(yùn)行的因素

　　根據(jù)筆者在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的經(jīng)歷及前人的研究成果。對影響反應(yīng)器正常運(yùn)行的主要因素討論如下：
2.1 膜污染
　　MABR反應(yīng)器運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)膜組件會被污染物堵塞，反應(yīng)器處理效果下降，同時(shí)，膜使用壽命大大縮短。膜污染根據(jù)發(fā)生的位置可以分成兩種類型：一種是外部堵塞，即污染物吸附沉積在膜的表面，增加了底物傳遞阻力；另一種是內(nèi)部堵塞，即污染物在中空纖維膜壁上的微孔內(nèi)吸附沉積，減小了膜孔徑，從而降低了氧的傳遞速率。這兩種膜污染都會嚴(yán)重影響MABR的正常運(yùn)行：M.Pankhania等人采用閉端式MABR處理城市污水，在COD去除率保持77％一段時(shí)間后，逐漸下降到60％左右，在反沖洗后，COD去除率又逐漸恢復(fù)[7]。因此。為了使MABR能夠高效運(yùn)行，必須經(jīng)常對膜進(jìn)行反沖洗。
2.2 空氣壓力
　　透過中空纖維膜的空氣在表面張力作用下而吸附在膜表面，此時(shí)如果氣液兩相壓差較大，空氣易在膜表面形成氣泡，從而降低氧的傳質(zhì)效率。因此，為達(dá)到無泡曝氣效果，空氣壓力必須低于起泡點(diǎn)氣壓。
　　傳統(tǒng)的測試方法如下(清水試驗(yàn))：向浸沒在靜水中的中空纖維膜內(nèi)通人空氣，并逐漸提高空氣壓力，直到膜的外表產(chǎn)生氣泡為止。此氣壓即為最大安全氣壓。最大安全氣壓可以通過氣壓計(jì)直接讀出；也可以通過液體表面張力、接觸角和微孔直徑來計(jì)算。公式^[8]如下：

　　p=2γ_W/Qcosθ₁/γ_P　　　　　　　　　　(2)

　　式中：p——泡點(diǎn)壓力，Pa；
　　　　 γ_W/Q——液體表面張力，N/m；
　　　　 θ₁ ——膜孔壁和氣液界面切線所形成的接觸角；
　　　　 γ_P——膜孔半徑。

　　在實(shí)際操作中，污水取代清水，且纖維膜表面生長著一層微生物膜。所以液體表面張力、接觸角和有效孔徑等由于受污水和生物膜的物理、化學(xué)性質(zhì)的影響，都會發(fā)生不同程度的改變，最大氣壓隨之發(fā)生變化；同時(shí)，生物膜內(nèi)部氧的消耗也會對最大氣壓產(chǎn)生一定影響。有研究表明，污水中最高氣壓大于清水中所測得的最高氣壓[9]。
　　在保證空氣壓力不超過最大安全氣壓的情況下，不同的氣壓會產(chǎn)生不同的生物膜結(jié)構(gòu)。當(dāng)空氣壓力較大時(shí)，通過顯微鏡觀察生物膜，發(fā)現(xiàn)其中不存在厭氧層；監(jiān)測出水，發(fā)現(xiàn)NO₃^--N和NO₂^--N濃度較高，需要進(jìn)一步反硝化處理。而保持適當(dāng)?shù)目諝鈮毫?，則發(fā)生生物膜同時(shí)具有硝化層、好氧層、反硝化層、厭氧層。
　　因此，實(shí)際運(yùn)行中要根據(jù)具體情況調(diào)整空氣壓力，以創(chuàng)造最佳曝氣條件。
2.3 液相流速
　　工藝運(yùn)行過程中，對液相流速在不同階段有不同的要求。運(yùn)行前期，即掛膜階段，液相流速不宜過高，否則生物膜受到較大的剪切力而很難生長。 正常運(yùn)行期間，為減小液相邊界層厚度，加快底物的傳遞速率，同時(shí)控制生物膜的過度積累，應(yīng)保持較高的液相流速。由于維持此流速所需能量在MABR反應(yīng)器中占相當(dāng)大的比例，探索最低液相流速成為一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。

3 結(jié)語

　　MABR是一種新型的生物膜法污水處理工藝。與傳統(tǒng)處理工藝相比，MABR采用無泡曝氣，可使氧利用率大幅度提高，能量消耗大幅度降低。MABR采用中空纖維膜作為載體，有機(jī)物和氧分別從生物膜的兩側(cè)進(jìn)入膜內(nèi)部，好氧微生物的兩個(gè)生長控制因素得以相互協(xié)調(diào)和抑制。使生物膜協(xié)調(diào)地生長在一個(gè)相對固定的厚度范圍內(nèi)，不會因?yàn)榈孜餄舛冗^大而形成嚴(yán)重堵塞。此外，中空纖維膜還具有很高的比表面積，并可在生物膜內(nèi)形成很高的生物量。MABR氣液兩相分離，可各自獨(dú)立設(shè)計(jì)，容易滿足不同的實(shí)際需求。由于采用無泡曝氣，MABR可用于處理含揮發(fā)物質(zhì)的廢水，且在處理含表面活性劑的廢水時(shí)不產(chǎn)生泡沫。MABR的另一顯著特點(diǎn)是通過供氧控制，可同時(shí)高效去除COD和氮，是一種很具有潛力的污水處理工藝。但是，由于MABR是一種新工藝，對MABR的運(yùn)行條件(如最佳曝氣壓力、液相最低流速等)的把握尚不成熟。此外，膜污染也是困擾MABR發(fā)展的一大難題，需要進(jìn)一步深入探索研究。

參考文獻(xiàn)：
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作者簡介：鄭斐(1981—)，男，河南濟(jì)源人，天津大學(xué)環(huán)境學(xué)院2002級碩士生， 電話(022)27409285，sanha_81@sohu.com