王榮昌 任玉麗(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 引言

目前，水污染問題的日趨嚴(yán)重且已受到越來越多人的關(guān)注，與此同時(shí)，在城市污水處理中使用的許多生物處理方法在處理高強(qiáng)度廢水時(shí)往往效果不佳，因此，開發(fā)高效、節(jié)能的處理污水新工藝迫在眉睫。

污水處理技術(shù)從最初的物理、化學(xué)方法，逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的活性污泥法和生物膜法。隨著合成膜技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，膜技術(shù)已逐漸應(yīng)用于廢水處理的各個(gè)領(lǐng)域。一般的生物膜法污水處理工藝中，多采用微孔曝氣或表面曝氣，不僅需要的能耗高，而且揮發(fā)性有機(jī)污染物還會(huì)隨產(chǎn)生的氣泡進(jìn)入大氣中，造成環(huán)境二次污染。傳統(tǒng)的污水脫氮工藝通過硝化和反硝化兩個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行能耗大，占地面積大，且反硝化階段往往需要投加額外的碳源來保證反應(yīng)過程的進(jìn)行。為了應(yīng)對傳統(tǒng)水處理工藝的種種不足，一種新型廢水處理工藝膜曝氣生物膜反應(yīng)器(membrane-aerated biofilm reactor，MABR)，因其特殊的構(gòu)造與傳質(zhì)特性，具有很多其他水處理工藝不具備的優(yōu)點(diǎn)為我們提供了一個(gè)新的研究方向。

1 MABR處理技術(shù)的基本原理

MABR將傳統(tǒng)的生物膜法污水處理技術(shù)與氣體分離膜技術(shù)相結(jié)合，屬于膜生物反應(yīng)器的一種，其系統(tǒng)裝置主要包括曝氣膜組件和微生物膜兩部分，其中曝氣膜組件結(jié)構(gòu)為微生物的繁衍及增殖提供了環(huán)境條件，透氣致密膜或疏水微孔膜為生物膜反應(yīng)器曝氣，向附著在膜組件上生長的微生物群落提供氧氣來源。因此，生物膜上除了大量細(xì)菌外，還可能出現(xiàn)大量真菌(絲狀菌)、線蟲、輪蟲及寡毛蟲類等。微生物膜附著生長在曝氣膜外層，生物固體平均停留時(shí)間較長，如硝化細(xì)菌等微生物可以在其表面生長繁殖，而硝化菌的增殖速度較慢，使得反應(yīng)器具有一定的硝化性能，能夠?qū)鞭D(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，再轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。通過無泡曝氣供氧，在跨膜壓差的作用下，氧氣從相對高壓的氣相透過曝氣膜壁擴(kuò)散到生物膜中，再經(jīng)過生物膜傳遞至液相污水中。由于生物膜內(nèi)外存在氧濃度差和生物膜對污染物的吸附作用，氧氣從生物膜內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴(kuò)散，液相中污染物從生物膜外側(cè)擴(kuò)散進(jìn)入生物膜內(nèi)側(cè)，氧氣和污染物如NH4+從相反的方向向生物膜內(nèi)擴(kuò)散，形成異向傳質(zhì)的效果，傳質(zhì)過程中污染物被生物膜上各功能微生物的降解作用而被有效去除。

2 MABR反應(yīng)器的基本特點(diǎn)

MABR有以下三大特點(diǎn)：無泡曝氣、異向傳質(zhì)和生物膜載體結(jié)構(gòu)。一般的生物膜反應(yīng)系統(tǒng)，氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)從膜的同一側(cè)進(jìn)入，屬于同向傳質(zhì)。而MABR的傳質(zhì)特性是氧氣和污染物分別從生物膜的兩側(cè)進(jìn)入，屬于異向傳質(zhì)。同時(shí)曝氣膜可以作為微生物生長的載體，由于生物膜中存在較明顯的溶解氧和底物濃度梯度，這有助于形成生物膜分層結(jié)構(gòu)的相對好氧區(qū)和缺氧區(qū)，硝化菌等好氧菌可以在生物膜溶解氧濃度較高的區(qū)域進(jìn)行硝化過程，反硝化菌在溶解氧濃度較低的區(qū)域發(fā)生反硝化作用，這樣使得MABR能夠?qū)崿F(xiàn)同步硝化反硝化(synchronous nitrification and denitrification，SND)。

2.1 無泡曝氣

與傳統(tǒng)的曝氣方式相比，氧氣以分子形式進(jìn)入生物膜中被利用，氧傳質(zhì)的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的微孔曝氣或者表面曝氣系統(tǒng)，這樣既能滿足微生物對氧的需求，同時(shí)又大大降低了能耗，并且在處理含揮發(fā)性污染物廢水時(shí)也不會(huì)帶來二次污染。在供氧過程中，無泡曝氣使得生物膜不會(huì)受到如機(jī)械曝氣產(chǎn)生的氣泡摩擦，也不會(huì)因曝氣膜表層的剪切力而脫落；傳質(zhì)過程由氣相不經(jīng)過液相主體直接到固相，傳質(zhì)阻力要小于常規(guī)機(jī)械曝氣法。曝氣過程中不產(chǎn)生氣泡，避免了污水中易揮發(fā)物質(zhì)隨氣泡上浮進(jìn)入大氣而對環(huán)境造成二次污染；曝氣過程中，氣液分離、溶液混合、供氧的過程互不干擾，可獨(dú)立設(shè)計(jì)，能采取的反應(yīng)器形式更靈活。

2.2 異向傳質(zhì)

在濃度差的作用下，膜內(nèi)的氧氣從生物膜底部向其表層擴(kuò)散，氧濃度梯度由內(nèi)到外逐漸遞減；而污染物接觸生物膜表面，由外到內(nèi)逐漸遞減，二者擴(kuò)散方向相反，即生物膜表層污染物濃度最高，而氧濃度最低；生物膜內(nèi)層污染物濃度最低，但是氧氣的濃度是最高的。

2.3 生物膜載體

正是由于無泡曝氣和氧與污染物的相反方向傳質(zhì)，微生物在生物膜內(nèi)根據(jù)氧的選擇性形成一個(gè)好氧層，有利于硝化細(xì)菌的生長和增殖。在適當(dāng)?shù)钠貧鈮毫ο?，生物膜外層可形成缺氧層，并且外層碳源濃度較高，有利于反硝化菌的富集。當(dāng)生物膜在一定的厚度范圍內(nèi)生長時(shí)，穩(wěn)定成熟的生物膜能保持層間一定的平衡關(guān)系，即每層都能培養(yǎng)出適合自身特點(diǎn)的獨(dú)特微生物種群。

3 MABR反應(yīng)器的分類

3.1 集成式

集成式MABR的膜組件直接放置在反應(yīng)器內(nèi)，由真空泵抽真空或重力排放，活性污泥和大分子物質(zhì)經(jīng)過膜組件后被截留在生物反應(yīng)器中。集成式MABR利用氣泡驅(qū)動(dòng)物料和液體向上的交叉流動(dòng)，來反沖洗膜表面。其特點(diǎn)是設(shè)備緊湊、能耗低、無壓運(yùn)行，但是流量較小。

3.2 分離式

分離式MABR中，反應(yīng)器中的混合液經(jīng)過泵加壓后進(jìn)入膜組件。在壓力作用下，膜滲透液作為系統(tǒng)的出水，而活性污泥和大分子物質(zhì)被膜組件截留并回流至反應(yīng)器中。分離式MABR利用循環(huán)泵來使進(jìn)水與料液達(dá)到循環(huán)和錯(cuò)流運(yùn)行的效果，具有控制方便、更換膜元件容易等優(yōu)點(diǎn)。分離式MABR的缺點(diǎn)是膜組件需保持承受壓力運(yùn)行的狀態(tài)，且循環(huán)流量大、能耗高。

4 膜材料及表面性能

4.1 致密膜

組分在致密膜(如有機(jī)硅樹脂)中的傳遞過程屬于溶液擴(kuò)散，組分以分子狀態(tài)向外擴(kuò)散。由于氧等組分在有機(jī)硅樹脂中的溶解度遠(yuǎn)高于在水中的溶解度，故具有較高的透氣性。由于其致密的無孔結(jié)構(gòu)和較高的膜壓允許范圍，當(dāng)使用纖維增強(qiáng)的有機(jī)硅樹脂時(shí)，曝氣壓力可高達(dá)3×105Pa，可為高需氧污水提供足夠的氧氣，在短時(shí)間內(nèi)就能夠完成污染物的高效降解[1]。致密膜由于具有較強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕性和抗拉伸性能，在MABR中得到了廣泛的應(yīng)用。

4.2 微孔膜

微孔膜內(nèi)部的傳質(zhì)過程是通過微孔中的均相氣體轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的。膜中氣相傳質(zhì)的阻力很小，幾乎可以忽略不計(jì)，因此有較高的傳遞效率。然而，如果液相中的污染物通過微孔進(jìn)入膜腔，氣液傳質(zhì)阻力遠(yuǎn)大于氣體間的傳質(zhì)阻力。蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)會(huì)使微孔變得親水，使膜腔內(nèi)充滿液體，從而縮短微孔膜的使用壽命。微孔膜的泡點(diǎn)壓力很低，很難達(dá)到較高的壓力，這也在某種程度上限制了它的應(yīng)用。

4.3 復(fù)合膜

復(fù)合膜指的是在微孔膜表面涂覆一層致密無孔薄層，復(fù)合中空纖維膜最早是Wilderer在用MABR處理污水時(shí)，發(fā)現(xiàn)利用這種膜材料進(jìn)行曝氣，供氧能力大大提高，對有毒有害的工業(yè)廢水處理效果良好。有學(xué)者曾采用覆蓋超薄皮層的中空纖維致密膜對附著在MABR系統(tǒng)中的生物膜進(jìn)行曝氣。結(jié)果表明，在微孔膜表面均勻包覆厚度為1μm的聚合物(微孔膜孔徑為0.04～1.0μm)時(shí)[2]，系統(tǒng)依然可以實(shí)現(xiàn)無泡曝氣，曝氣壓力最高達(dá)6.95×105Pa時(shí)，仍無明顯氣泡，此時(shí)溶解氧的濃度已經(jīng)處于很高的范圍，這表明該復(fù)合膜不僅具有微孔膜高滲透性的特點(diǎn)，而且在泡點(diǎn)壓力下具有致密膜無泡曝氣的特點(diǎn)。

5 MABR運(yùn)行性能的影響因素

5.1 膜內(nèi)氣體分壓

氧分壓是影響生物膜層理結(jié)構(gòu)和微生物活性的重要因素。使用純氧曝氣，膜曝氣生物膜的新陳代謝活動(dòng)比其他傳統(tǒng)生物膜結(jié)構(gòu)要明顯高很多，并且隨著氧分壓的增加，氧利用速率加強(qiáng)。氧從生物膜的另外一側(cè)擴(kuò)散進(jìn)入，這種獨(dú)特的基質(zhì)擴(kuò)散體制允許我們通過控制氧分壓人為控制生物膜的過程。

5.2 C/N比

高C/N比會(huì)增加異養(yǎng)菌對溶解氧的競爭，硝化菌可能會(huì)因溶解氧不足而無法進(jìn)行硝化；當(dāng)C/N比過低時(shí)，雖然有利于硝化，但是由于碳源不足，反硝化無法進(jìn)行。降解COD的好氧異養(yǎng)菌與氧化NH4+-N的硝化菌在氧利用上存在著激烈的競爭，當(dāng)有機(jī)物濃度較高時(shí)，好氧異養(yǎng)菌占據(jù)主導(dǎo)地位，迅速利用氧氣降解污水中COD的同時(shí)讓自身大量生長增殖，顯著提高了需氧型的微生物活性和數(shù)量[3]。由于硝化菌的增殖周期較長、降解氨氮消耗氧氣較多而成為生物膜微生物群落中的劣勢菌[4]，因此較高的C/N比是不利于COD和NH4+-N去除的。

5.3 水力停留時(shí)間(HRT)

無論是活性污泥法還是生物膜法，水力停留時(shí)間(hydraulic retention time，HRT)對污染物去除的性能和效率至關(guān)重要[5]，不同的HRT對微生物與底物的接觸時(shí)間和傳質(zhì)過程有著直接的影響，進(jìn)而影響該過程的處理效率。如果HRT過短，生物質(zhì)無法在反應(yīng)器內(nèi)維持足夠的濃度，這將影響反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性和處理效果；但是，如果HRT過長，又會(huì)造成反應(yīng)器處理能力的過剩和浪費(fèi)。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的生物膜工藝相比，MABR具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)中空纖維膜的比表面積大，有利于生物量的積累，以及反應(yīng)器向小型化發(fā)展；(2)專屬降解微生物，例如氨氧化菌等，往往是優(yōu)先位于生物膜-膜界面的位置，有更長的停留時(shí)間，有利于高效去除含氮廢水；(3)獨(dú)特的微生物氧化還原分層結(jié)構(gòu)，同步硝化反硝化和去除COD可以達(dá)到相對高的速率；(4)能耗低，設(shè)備占地面積??；(5)微生物附著生長在膜的表面，不會(huì)隨水體流失。

雖然MABR在污水處理中的獨(dú)特優(yōu)勢而受到越來越多的關(guān)注和研究，但是仍有一些關(guān)于反應(yīng)機(jī)制和應(yīng)用方面的問題有待進(jìn)一步研究和解決，比如MABR的生物膜分層結(jié)構(gòu)中微生物脫碳除氮的機(jī)理以及微生物群落相互作用機(jī)制還不夠清楚，處理不同類型廢水時(shí)所采取的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)需要相應(yīng)調(diào)整，膜曝氣的氣體分壓以及組分還可以進(jìn)一步優(yōu)化等，這些問題的解決將為MABR技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。