鄭斐，朱文亭
(天津大學 環境科學與工程學院，天津 300072)

　　摘要：無泡曝氣膜生物反應器是一種可同時去除COD和氮的新型膜生物反應器，其主要特征是利用蔬水性微孔膜作為生物膜載體并進行無泡供氧。介紹了該反應器的工藝原理及無泡曝氣的特點，討論了其運行影響因素和未來研究方向。
　　關鍵詞：無泡曝氣；中空纖維膜；生物膜；污水處理
　　中圖分類號：X703.3 文獻標識碼：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

　　隨著膜技術的進步，膜質量不斷提高且造價逐漸降低，膜技術的應用已經從低濁度的給水處理發展到高濁度廢水處理的各個領域，膜技術與各種工藝結合以解決傳統方法難以解決的問題。
　　根據膜組件在膜生物反應器(MBR)中所起作用的不同，大致可將MBR分為分離膜生物反應器、無泡曝氣生物膜反應器、萃取生物膜反應器3種。分離膜生物反應器中的膜組件相當于傳統污水生物處理系統中的二沉池，在此進行固液分離，截留的污泥回流至生物反應器，透過水外排；無泡曝氣膜生物反應器采用透氣性致密或疏水性微孔膜對生物反應器進行無泡供氧；萃取膜生物反應器利用膜將有毒工業廢水中的優先污染物萃取后對其進行單獨的生化處理。
　　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器。

1 工藝原理

　　無泡曝氣生物反應器(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，同時又是固著生物膜的載體。圖1為無泡曝氣膜生物反應器處理污水原理圖。即，純氧或空氣通過中空纖維膜的微孔為生物膜進行無泡曝氣，在中空纖維膜的外側形成的生物膜與污水充分接觸，污水中所含的有機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，并可用于同時處理廢水中的NH3-N。Hirasa等利用MABR處理COD質量濃度為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的硝化效果進行了研究，在氨氮容積負荷為(以NH4-N計)1.2kg／(m3·d)時，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通人膜內腔，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內中空纖維膜一端被固定在雙層夾板上，另一端密封，氣體經夾板從纖維膜開口端通入，在壓力作用下全部進入反應器，所以更適用于純氧曝氣。此外，該方式中纖維束呈流化態，反應器不易堵塞。兩種反應器結構如圖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特征，所以在氣體通過膜內腔時，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，也即附著的生物膜內。在生物膜內，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——氧轉移系數，m／s；
　　A——反應器的比表面積，m²／m3；
　　C*——纖維膜中氣液界面的溶解氧質量濃度，mg／L；
　　C——液相中溶解氧的質量濃度，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)經試驗得出：提高水流速度或改平行流為切向流(Crossflow)可獲得較大的Kl；因為切向流情況下，纖維膜在水流方向的投影面積遠大于平行流，且濃度邊界層只存在于纖維膜橫截面方向^[4]。
　　底物質量傳遞的推動力是液相與生物膜內的底物濃度梯度。傳質阻力主要是液相邊界層的影響。當停留時間很長時，液相流速小，邊界層厚度大，傳質效率低。反之，停留時間短時，傳質效率高。
　　采用中空纖維膜作為載體，有機物和氧分別從生物膜的兩側進入膜內部。在生物膜外層，有機物濃度最大而溶解氧濃度最小，生物膜內層深處則正好相反。這樣，好氧微生物的兩個生長控制因素得以相互協調和抑制，其結果是使生物膜協調地生長在一個相對固定的厚度范圍內，不會因為底物濃度過大而形成嚴重堵塞。除此之外，中空纖維膜還具有很高的比表面積，并可在生物膜內形成很高的生物量。
1.3 無泡曝氣的特點
　　與常規曝氣相比，采用中空纖維膜進行無泡曝氣具有如下優點：
　　①由于曝氣不產生氣泡，氧直接以分子狀態擴散進入生物膜，幾乎百分之百地被吸收，傳質效率可高達100％，因此溶解氧不再是限制微生物生長的決定因素。
　　②由于生物膜生長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過液相邊界層，因此，傳質阻力比常規曝氣法小得多，能耗大大降低。根據Pierre Cote等的實驗，單位處理水量的能耗可比常規生物膜法減少30％左右^[5]。
　　④曝氣過程不產生氣泡，避免了傳統曝氣時污水中易揮發性物質如甲苯、苯酚隨氣泡進人大氣而對環境造成的污染；同時不會由于表面活性劑的存在而產生泡沫。
　　⑤曝氣過程中氣液兩相分離，溶液的混合與供氧互不干擾，因此可以各自獨立設計，反應器的形式更加靈活多變。
　　⑥中空纖維膜的比表面積可高達5018 m²／m³，為氧的傳遞和生物膜的生長提供了巨大的表面積，有利于反應器向小型化發展。
　　⑦MABR反應器中氣液兩相分離，氣體壓力不受容器內混合狀態的影響，因此，可以通過調節氣體壓力的辦法來控制氧的供應。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，可以避免因過量曝氣而使污水中DO濃度過高，大幅度降低運行費用。對于含氮廢水，通過供氧控制，只使靠近纖維膜的內層生物膜獲得氧，從而達到同時硝化、反硝化和COD去除的效果。 Timberlake指出此時的生物膜結構如圖3。并指出其有如下優點：a.脫氮菌處在高NH3-N和DO區域，硝化率達到最大。b. NO₃^--N和NO₂^--N通過好氧層進入反硝化層，因此攜帶較高的有機物濃度，m(C)：m(N)比值高、反硝化率高；克服了常規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，可顯著減少污泥產量，對高濃度廢水處理尤為明顯，這有利于減小后續處理中沉淀池的容積，節約資金投入[6]。

2. 影響MABR運行的因素

　　根據筆者在實驗當中的經歷及前人的研究成果。對影響反應器正常運行的主要因素討論如下：
2.1 膜污染
　　MABR反應器運行一段時間后，發現膜組件會被污染物堵塞，反應器處理效果下降，同時，膜使用壽命大大縮短。膜污染根據發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；另一種是內部堵塞，即污染物在中空纖維膜壁上的微孔內吸附沉積，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重影響MABR的正常運行：M.Pankhania等人采用閉端式MABR處理城市污水，在COD去除率保持77％一段時間后，逐漸下降到60％左右，在反沖洗后，COD去除率又逐漸恢復[7]。因此。為了使MABR能夠高效運行，必須經常對膜進行反沖洗。
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，從而降低氧的傳質效率。因此，為達到無泡曝氣效果，空氣壓力必須低于起泡點氣壓。
　　傳統的測試方法如下(清水試驗)：向浸沒在靜水中的中空纖維膜內通人空氣，并逐漸提高空氣壓力，直到膜的外表產生氣泡為止。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算。公式^[8]如下：

　　p=2γ_W/Qcosθ₁/γ_P　　　　　　　　　　(2)

　　式中：p——泡點壓力，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、化學性質的影響，都會發生不同程度的改變，最大氣壓隨之發生變化；同時，生物膜內部氧的消耗也會對最大氣壓產生一定影響。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，不同的氣壓會產生不同的生物膜結構。當空氣壓力較大時，通過顯微鏡觀察生物膜，發現其中不存在厭氧層；監測出水，發現NO₃^--N和NO₂^--N濃度較高，需要進一步反硝化處理。而保持適當的空氣壓力，則發生生物膜同時具有硝化層、好氧層、反硝化層、厭氧層。
　　因此，實際運行中要根據具體情況調整空氣壓力，以創造最佳曝氣條件。
2.3 液相流速
　　工藝運行過程中，對液相流速在不同階段有不同的要求。運行前期，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。 正常運行期間，為減小液相邊界層厚度，加快底物的傳遞速率，同時控制生物膜的過度積累，應保持較高的液相流速。由于維持此流速所需能量在MABR反應器中占相當大的比例，探索最低液相流速成為一項重要的研究內容。

3 結語

　　MABR是一種新型的生物膜法污水處理工藝。與傳統處理工藝相比，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，有機物和氧分別從生物膜的兩側進入膜內部，好氧微生物的兩個生長控制因素得以相互協調和抑制。使生物膜協調地生長在一個相對固定的厚度范圍內，不會因為底物濃度過大而形成嚴重堵塞。此外，中空纖維膜還具有很高的比表面積，并可在生物膜內形成很高的生物量。MABR氣液兩相分離，可各自獨立設計，容易滿足不同的實際需求。由于采用無泡曝氣，MABR可用于處理含揮發物質的廢水，且在處理含表面活性劑的廢水時不產生泡沫。MABR的另一顯著特點是通過供氧控制，可同時高效去除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發展的一大難題，需要進一步深入探索研究。

參考文獻：
　　[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] 許振良.膜法水處理技術[M].北京：化學工業出版社，2001.
　　[9] 劉貫一.超濾膜作載體的生物接觸氧化工藝研究[J].中國給水排水，2000，16(8)：4-7.

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作者簡介：鄭斐(1981—)，男，河南濟源人，天津大學環境學院2002級碩士生， 電話(022)27409285，sanha_81@sohu.com