生物膜法新工艺——无泡曝气膜生物反应器

郑斐，朱文亭
(天津大学 环境科学与工程学院，天津 300072)

　　摘要：无泡曝气膜生物反应器是一种可同时去除COD和氮的新型膜生物反应器，其主要特征是利用蔬水性微孔膜作为生物膜载体并进行无泡供氧。介绍了该反应器的工艺原理及无泡曝气的特点，讨论了其运行影响因素和未来研究方向。
　　关键词：无泡曝气；中空纤维膜；生物膜；污水处理
　　中图分类号：X703.3 文献标识码：B 文章编号：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

　　随着膜技术的进步，膜质量不断提高且造价逐渐降低，膜技术的应用已经从低浊度的给水处理发展到高浊度废水处理的各个领域，膜技术与各种工艺结合以解决传统方法难以解决的问题。
　　根据膜组件在膜生物反应器(MBR)中所起作用的不同，大致可将MBR分为分离膜生物反应器、无泡曝气生物膜反应器、萃取生物膜反应器3种。分离膜生物反应器中的膜组件相当于传统污水生物处理系统中的二沉池，在此进行固液分离，截留的污泥回流至生物反应器，透过水外排；无泡曝气膜生物反应器采用透气性致密或疏水性微孔膜对生物反应器进行无泡供氧；萃取膜生物反应器利用膜将有毒工业废水中的优先污染物萃取后对其进行单独的生化处理。
　　本文主要介绍采用中空纤维膜作为生物膜载体和供氧方式的无泡曝气膜生物反应器。

1 工艺原理

　　无泡曝气生物反应器(Membrane AerationBiofilm Reactor)，简称为MABR，由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给的，中空纤维膜不仅起着供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。图1为无泡曝气膜生物反应器处理污水原理图。即，纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气，在中空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触，污水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解，从而使污水得到净化。
　　MABR主要适用于处理可生化性较高的污水，对高浓度废水处理效果良好，并可用于同时处理废水中的NH3-N。Hirasa等利用MABR处理COD质量浓度为500mg／L的人工合成污水，取得了96％的处理效果^[1]。此外Keith Brindle 等对MABR的硝化效果进行了研究，在氨氮容积负荷为(以NH4-N计)1.2kg／(m3·d)时，取得了98％的氮去除率^[2]。

1.1 供氧方式
　　由于纤维膜微孔直径很小，为0.1～0.5 1μm，曝气产生肉眼不可见的气泡，因此称为无泡供氧。
　　中空纤维膜供氧有贯通式和闭端式两种方式；贯通式MABR内中空纤维膜两端分别被固定在双层夹板上，气体由一端夹板持续通人膜内腔，一部分气体被生物膜消耗，剩余部分从另一端的夹板排出，由于该方式中有气体剩余，更适用于空气供氧。闭端式MABR内中空纤维膜一端被固定在双层夹板上，另一端密封，气体经夹板从纤维膜开口端通入，在压力作用下全部进入反应器，所以更适用于纯氧曝气。此外，该方式中纤维束呈流化态，反应器不易堵塞。两种反应器结构如图2。

1.2 氧及底物的传递
　　由于中空纤维膜具有疏水性和微孔性两个特征，所以在气体通过膜内腔时，膜壁上的微孔保持干燥并充满气体，并由这些微孔将气体传递到中空纤维膜的外侧，也即附着的生物膜内。在生物膜内，氧气和底物在微生物的作用下被消耗，形成了溶解氧梯度，此梯度就是氧传递的推动力。
　　氧的传递速率公式^[3]如下：

　　dC/dt =K₁A(C_*-C)　　　　　　　　　　　　　(1)
　　式中：
　　dC/dt——氧的使递速率，mg／(L·s)
　　K1——氧转移系数，m／s；
　　A——反应器的比表面积，m²／m3；
　　C*——纤维膜中气液界面的溶解氧质量浓度，mg／L；
　　C——液相中溶解氧的质量浓度，mg／L。
　　其中Kl由水流速度和水流与中空纤维膜的相对位置决定。Tariq Ahmed(1994)经试验得出：提高水流速度或改平行流为切向流(Crossflow)可获得较大的Kl；因为切向流情况下，纤维膜在水流方向的投影面积远大于平行流，且浓度边界层只存在于纤维膜横截面方向^[4]。
　　底物质量传递的推动力是液相与生物膜内的底物浓度梯度。传质阻力主要是液相边界层的影响。当停留时间很长时，液相流速小，边界层厚度大，传质效率低。反之，停留时间短时，传质效率高。
　　采用中空纤维膜作为载体，有机物和氧分别从生物膜的两侧进入膜内部。在生物膜外层，有机物浓度最大而溶解氧浓度最小，生物膜内层深处则正好相反。这样，好氧微生物的两个生长控制因素得以相互协调和抑制，其结果是使生物膜协调地生长在一个相对固定的厚度范围内，不会因为底物浓度过大而形成严重堵塞。除此之外，中空纤维膜还具有很高的比表面积，并可在生物膜内形成很高的生物量。
1.3 无泡曝气的特点
　　与常规曝气相比，采用中空纤维膜进行无泡曝气具有如下优点：
　　①由于曝气不产生气泡，氧直接以分子状态扩散进入生物膜，几乎百分之百地被吸收，传质效率可高达100％，因此溶解氧不再是限制微生物生长的决定因素。
　　②由于生物膜生长在中空纤维膜的外表面，所以在供氧过程中，生物膜不会受到气体摩擦，不易脱落。
　　③氧在传递到生物膜的过程中不经过液相边界层，因此，传质阻力比常规曝气法小得多，能耗大大降低。根据Pierre Cote等的实验，单位处理水量的能耗可比常规生物膜法减少30％左右^[5]。
　　④曝气过程不产生气泡，避免了传统曝气时污水中易挥发性物质如甲苯、苯酚随气泡进人大气而对环境造成的污染；同时不会由于表面活性剂的存在而产生泡沫。
　　⑤曝气过程中气液两相分离，溶液的混合与供氧互不干扰，因此可以各自独立设计，反应器的形式更加灵活多变。
　　⑥中空纤维膜的比表面积可高达5018 m²／m³，为氧的传递和生物膜的生长提供了巨大的表面积，有利于反应器向小型化发展。
　　⑦MABR反应器中气液两相分离，气体压力不受容器内混合状态的影响，因此，可以通过调节气体压力的办法来控制氧的供应。对于一般废水，通过供氧控制，在保证生物膜生长需氧的同时，可以避免因过量曝气而使污水中DO浓度过高，大幅度降低运行费用。对于含氮废水，通过供氧控制，只使靠近纤维膜的内层生物膜获得氧，从而达到同时硝化、反硝化和COD去除的效果。 Timberlake指出此时的生物膜结构如图3。并指出其有如下优点：a.脱氮菌处在高NH3-N和DO区域，硝化率达到最大。b. NO₃^--N和NO₂^--N通过好氧层进入反硝化层，因此携带较高的有机物浓度，m(C)：m(N)比值高、反硝化率高；克服了常规生物膜法外加碳源的要求。 c.硝化层在生物膜深层，因此生物膜的脱落不会导致这些生长缓慢的微生物量明显减少。d.厌氧层处于生物膜最外层，可显著减少污泥产量，对高浓度废水处理尤为明显，这有利于减小后续处理中沉淀池的容积，节约资金投入[6]。

2. 影响MABR运行的因素

　　根据笔者在实验当中的经历及前人的研究成果。对影响反应器正常运行的主要因素讨论如下：
2.1 膜污染
　　MABR反应器运行一段时间后，发现膜组件会被污染物堵塞，反应器处理效果下降，同时，膜使用寿命大大缩短。膜污染根据发生的位置可以分成两种类型：一种是外部堵塞，即污染物吸附沉积在膜的表面，增加了底物传递阻力；另一种是内部堵塞，即污染物在中空纤维膜壁上的微孔内吸附沉积，减小了膜孔径，从而降低了氧的传递速率。这两种膜污染都会严重影响MABR的正常运行：M.Pankhania等人采用闭端式MABR处理城市污水，在COD去除率保持77％一段时间后，逐渐下降到60％左右，在反冲洗后，COD去除率又逐渐恢复[7]。因此。为了使MABR能够高效运行，必须经常对膜进行反冲洗。
2.2 空气压力
　　透过中空纤维膜的空气在表面张力作用下而吸附在膜表面，此时如果气液两相压差较大，空气易在膜表面形成气泡，从而降低氧的传质效率。因此，为达到无泡曝气效果，空气压力必须低于起泡点气压。
　　传统的测试方法如下(清水试验)：向浸没在静水中的中空纤维膜内通人空气，并逐渐提高空气压力，直到膜的外表产生气泡为止。此气压即为最大安全气压。最大安全气压可以通过气压计直接读出；也可以通过液体表面张力、接触角和微孔直径来计算。公式^[8]如下：

　　p=2γ_W/Qcosθ₁/γ_P　　　　　　　　　　(2)

　　式中：p——泡点压力，Pa；
　　　　 γ_W/Q——液体表面张力，N/m；
　　　　 θ₁ ——膜孔壁和气液界面切线所形成的接触角；
　　　　 γ_P——膜孔半径。

　　在实际操作中，污水取代清水，且纤维膜表面生长着一层微生物膜。所以液体表面张力、接触角和有效孔径等由于受污水和生物膜的物理、化学性质的影响，都会发生不同程度的改变，最大气压随之发生变化；同时，生物膜内部氧的消耗也会对最大气压产生一定影响。有研究表明，污水中最高气压大于清水中所测得的最高气压[9]。
　　在保证空气压力不超过最大安全气压的情况下，不同的气压会产生不同的生物膜结构。当空气压力较大时，通过显微镜观察生物膜，发现其中不存在厌氧层；监测出水，发现NO₃^--N和NO₂^--N浓度较高，需要进一步反硝化处理。而保持适当的空气压力，则发生生物膜同时具有硝化层、好氧层、反硝化层、厌氧层。
　　因此，实际运行中要根据具体情况调整空气压力，以创造最佳曝气条件。
2.3 液相流速
　　工艺运行过程中，对液相流速在不同阶段有不同的要求。运行前期，即挂膜阶段，液相流速不宜过高，否则生物膜受到较大的剪切力而很难生长。 正常运行期间，为减小液相边界层厚度，加快底物的传递速率，同时控制生物膜的过度积累，应保持较高的液相流速。由于维持此流速所需能量在MABR反应器中占相当大的比例，探索最低液相流速成为一项重要的研究内容。

3 结语

　　MABR是一种新型的生物膜法污水处理工艺。与传统处理工艺相比，MABR采用无泡曝气，可使氧利用率大幅度提高，能量消耗大幅度降低。MABR采用中空纤维膜作为载体，有机物和氧分别从生物膜的两侧进入膜内部，好氧微生物的两个生长控制因素得以相互协调和抑制。使生物膜协调地生长在一个相对固定的厚度范围内，不会因为底物浓度过大而形成严重堵塞。此外，中空纤维膜还具有很高的比表面积，并可在生物膜内形成很高的生物量。MABR气液两相分离，可各自独立设计，容易满足不同的实际需求。由于采用无泡曝气，MABR可用于处理含挥发物质的废水，且在处理含表面活性剂的废水时不产生泡沫。MABR的另一显著特点是通过供氧控制，可同时高效去除COD和氮，是一种很具有潜力的污水处理工艺。但是，由于MABR是一种新工艺，对MABR的运行条件(如最佳曝气压力、液相最低流速等)的把握尚不成熟。此外，膜污染也是困扰MABR发展的一大难题，需要进一步深入探索研究。

参考文献：
　　[1] Hirasa， Yamauchi. Preparation of new support for immobilization　of activated sludge[J].Ferm Bioeng，1991，71(5)：376-378.
　　[2] Keith Brindle，Tom stephen son，Michael J semmens Nitrification　and oxygen utilization in a membraneaeration bioreactor[J]. Membr Sci，1998，37(4-5)：117-124.
　　[3] Michael J Semmens.Bubbleless aeration[J].Warer Eng Manage-ment，1991，138(4)：18-19.
　　[4] Tariq Ahmed，Michael J Semmens.Use of transverse flow hollow　fibers for bubbleless membrane aeration[J]. Water Research，1996，30(2)：440-446.
　　[5] Pierre cote，Jean-Luc Bersillon. Bubble-free aeration using　membranes：process analysis[J].Joural WPCF，1988，60(11)：1986-1992.
　　[6] Dennis L Timberlake，Stuart E Strand，Kenneth J Williamson，Combined aerobic heterotrophic oxidation， mitrification and denitrification in a permeable—support biofilm[J].Water Research，1998，22(12)：1513—1517.
　　[7] M Pankhania，T Stephenson，Michale J Semmens.Hollow fibre　bioreactor for wastewater treament using bubbleless membrane aeration[J].Water Research，1994，28(10)：2233—2236.
　　[8] 许振良.膜法水处理技术[M].北京：化学工业出版社，2001.
　　[9] 刘贯一.超滤膜作载体的生物接触氧化工艺研究[J].中国给水排水，2000，16(8)：4-7.

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作者简介：郑斐(1981—)，男，河南济源人，天津大学环境学院2002级硕士生， 电话(022)27409285，[email protected]