曝氣對膜生物反應(yīng)器中膜污染的影響

魏 進(jìn)， 毛小柳， 李 冰， 吳海鎖

（江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司， 江蘇 南京 210036）

0 引言

膜生物反應(yīng)器（簡稱 MBR，Membrane Bioreactor）是將生物處理技術(shù)和膜過濾技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物[1]。相較于傳統(tǒng)生物處理技術(shù)，膜生物反應(yīng)器具有處理效果好、污泥濃度高、可應(yīng)用范圍廣等特點[2-4]。然而在近幾十年的發(fā)展過程中，膜污染問題成為制約膜生物反應(yīng)器技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要原因。膜污染是在膜過濾過程中，各類膜污染物在物理、化學(xué)、生物作用下吸附在膜表面，從而導(dǎo)致膜過濾性能下降的現(xiàn)象。常見的膜污染控制方法包括曝氣沖刷、混合液特性調(diào)節(jié)、物理/化學(xué)反沖洗等方法，由于膜生物反應(yīng)器通常需要通過曝氣來維持反應(yīng)器中一定的溶解氧濃度，因此利用曝氣沖刷的方式來控制膜污染得到了最為廣泛的應(yīng)用。雖然幾十年來國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對曝氣控制膜污染相關(guān)的課題進(jìn)行了廣泛研究，但其中絕大多數(shù)集中在實驗研究方面，對眾多實驗結(jié)果的歸納比較卻鮮見報道。因此，本文在廣泛總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，歸納出曝氣過程對膜生物反應(yīng)器中膜污染的主要影響途徑，并進(jìn)一步提出該過程中有效控制膜污染的關(guān)鍵因素，以期為后續(xù)實驗研究和工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 曝氣過程對膜生物反應(yīng)器中膜污染的影響途徑

曝氣過程對膜污染的影響途徑可以從直接影響和間接影響2部分來進(jìn)行分析。直接影響主要為對膜表面流體動力學(xué)環(huán)境的影響，間接影響主要為通過改變反應(yīng)器中混合液的特性而導(dǎo)致膜污染特性發(fā)生變化，具體見圖1。

圖1 曝氣過程對MBR中膜污染的影響途徑

1.1 膜表面流體動力學(xué)環(huán)境

膜表面流體動力學(xué)環(huán)境主要影響膜污染物在膜表面的附著，而曝氣作用通常會有效改善反應(yīng)器內(nèi)和膜表面的流體動力學(xué)環(huán)境。曝氣作用的影響因子可以從曝氣強度、氣泡特性以及曝氣模式3方面進(jìn)行討論。

1.1.1 曝氣強度

曝氣強度是曝氣過程最重要的參數(shù)之一，通常以曝氣量和膜面積的比值作為衡量曝氣強度的指標(biāo)。張君等[5]以膜生物反應(yīng)器處理模擬生活廢水為研究體系，考察了曝氣強度對系統(tǒng)污染物去除、混合液特性以及膜污染的影響。研究結(jié)果表明曝氣產(chǎn)生的水力剪切力不是影響污泥粒徑大小的主導(dǎo)因素，但水力剪切力有利于緩解膜污染。陶中蘭等[6]則使用計算流體力學(xué)的方法研究了曝氣條件對浸沒式膜生物反應(yīng)器內(nèi)流場的影響，模擬結(jié)果表明曝氣孔徑一定時，隨著曝氣強度的增加，膜面的液相速度也逐漸增加，曝氣孔徑為1 mm時，曝氣量為5.5 m3/h是膜面的沖刷效果較好。雖然曝氣強度的增加可以顯著改善膜表面的流體動力學(xué)條件，但過高的曝氣強度缺不利于污泥絮體的集聚，并且會導(dǎo)致不必要的能耗，因此曝氣強度的選擇要適中。

1.1.2 氣泡特性

混合液中氣泡特性同樣改變著膜表面的流體動力學(xué)性能。YAMANOI等[7]研究了在平板膜生物反應(yīng)器中膜間距和氣泡大小對膜表面剪切力的影響，發(fā)現(xiàn)相比于小氣泡，無定形的大氣泡更容易在膜間形成較大的剪切力。王棟等[8]討論了平板膜生物反應(yīng)器膜間距與曝氣氣泡形態(tài)對膜污染形成的影響，結(jié)果表明在相同比曝氣量下，膜間距為4 mm時，膜污染程度最輕，氣泡形狀為球帽形，氣泡扭曲變形程度和單個氣泡沖刷面積最大，球帽形氣泡對于控制膜污染有積極的影響，見圖2。

圖2 不同膜間距時氣泡在膜間上升過程中的形態(tài)變化

1.1.3 曝氣模式

曝氣模式主要包括曝氣裝置的形式、布?xì)庑问揭约捌貧庀到y(tǒng)運行方式等。魏鵬等[9]比較了自由曝氣和活塞流曝氣方式對平板膜MBR膜組件表面流體力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)在相同曝氣強度下，相比于自由曝氣，可控制的活塞流曝氣可以獲得更佳的壓力變化效果。曝氣頻率0.33 Hz，曝氣量2.5 L/min的活塞流曝氣的壓力系數(shù)變化幅度要大于5.0 L/min的自由曝氣。羅南等[10]則用數(shù)值模擬的方法分析導(dǎo)流及布?xì)夥绞綄BR內(nèi)部流場的影響，發(fā)現(xiàn)將曝氣管設(shè)置于膜元件的正下方得到的膜表面剪切力要優(yōu)于設(shè)置在膜元件間隔區(qū)域的情況。

1.2 反應(yīng)器混合液特性

曝氣過程不僅直接改變膜生物反應(yīng)器中混合液的流動特征，影響膜組件表面剪切力的大小，同時也會改變混合液的物理化學(xué)特性，間接地反饋到系統(tǒng)膜污染特性上來。

1.2.1 EPS和SMP

胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）是2類最為常見的膜污染物，它們主要由蛋白質(zhì)和多糖類物質(zhì)組成。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對EPS和SMP的產(chǎn)生途徑、污染機理和控制方法進(jìn)行了大量的實驗和工程研究，其中也包含了曝氣作用對體系中EPS和SMP的影響。劉陽等[11]研究了不同曝氣強度下MBR中活性污泥和膜污染特性的變化，發(fā)現(xiàn)曝氣強度主要影響EPS中外層（LB-EPS）的變化，LB-EPS和蛋白質(zhì)類LB在整個實驗過程中與膜污染速率成正相關(guān)，蛋白質(zhì)是膜污染的主要污染物。歐陽科等[12]同樣比較了曝氣量對膜生物反應(yīng)器污泥特性和膜污染的影響，分別使用了150，200和300 L/h的曝氣量，結(jié)果表明，隨著曝氣量的增加，混合液中溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）的濃度發(fā)生了顯著升高，其中的成分（蛋白質(zhì)/多糖）也隨曝氣量增加而增加，表明膜污染以SMP污染為主。MENNITI等[13]比較了2套MBR系統(tǒng)在不同曝氣強度下EPS的產(chǎn)生情況，其中一套裝置的曝氣量為另一套的3倍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)曝氣量的增加對MBR系統(tǒng)中的EPS和SMP沒有直接的影響。因此不同條件下曝氣過程對EPS和SMP的影響機制是有差異的，只能根據(jù)具體的實驗參數(shù)針對性分析。

1.2.2 污泥粒徑

污泥粒徑是影響膜孔堵塞、污染物在膜表面附著的另一項重要參數(shù)。曝氣過程對污泥的粒徑分布有顯著影響，高曝氣量雖然有助于污染物從膜表面去除，但常常會導(dǎo)致污泥絮體大量解體，形成易造成嚴(yán)重膜污染的小顆粒。張海豐等[14]搭建了500和100 L/h2套膜生物反應(yīng)器以研究曝氣量對污泥特性的影響，結(jié)果表明500和100 L/h的反應(yīng)器中污泥絮體的平均顆粒粒徑分別為57和74.3 μm，高曝氣量下細(xì)小顆粒明顯增多，增加了膜孔堵塞的概率，從而減少了膜的有效過濾面積，加快了膜污染過程的發(fā)生。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，高曝氣量下小顆粒的增多主要原因為過高的水力剪切作用。然而高小波等[15]則發(fā)現(xiàn)曝氣強度分別為3和1.5 m3/(m2·h)的條件下，MBR處理石化廢水的過程中高曝氣量減少了混合液中0～2 μm的小顆粒、EPS和SMP，從而降低了膜污染。

1.2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)

曝氣方式的不同同樣影響著膜生物反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)的組成。微生物是MBR中降解污染物的主要角色，同時也是膜污染物質(zhì)EPS和SMP的產(chǎn)生來源。微生物代謝途徑隨周圍環(huán)境的變化而變化，曝氣主要通過改變反應(yīng)器中的溶解氧來影響微生物的組成和代謝。GAO等[16]在不同的溶解氧濃度下研究了MBR中微生物群落結(jié)構(gòu)的組成，發(fā)現(xiàn)在其搭建的好氧MBR中，生物污染主要受到微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，低溶解氧濃度導(dǎo)致膜表面的濾餅層中發(fā)生了以β-變形菌向δ-變形菌演替的過程，污染類型也從不可逆污染為主向生物污染為主轉(zhuǎn)變。

2 曝氣過程中有效控制膜污染的關(guān)鍵因素

通過分析曝氣過程對膜污染產(chǎn)生的影響，總結(jié)出膜生物反應(yīng)器運行過程中應(yīng)當(dāng)關(guān)注的重點方面，以達(dá)到控制膜污染的目的，從而增加膜壽命，延長使用周期，節(jié)約運行成本，推動膜生物反應(yīng)器技術(shù)在更為廣闊的范圍內(nèi)得以應(yīng)用。

2.1 確定最優(yōu)曝氣強度

曝氣強度是曝氣系統(tǒng)運行過程中最為重要的一項參數(shù)，過低的曝氣強度不利于創(chuàng)造膜表面良好的流體動力學(xué)條件，導(dǎo)致膜污染物的自然去除作用減弱；而過高的曝氣強度可能導(dǎo)致污泥絮體的解體，產(chǎn)生大量小顆粒，改變混合液中微生物的組成結(jié)構(gòu)和代謝途徑。葛根等[17]研究了曝氣強度對MBR中污泥混合液可濾性的影響，具體見圖3。發(fā)現(xiàn)過高的曝氣強度導(dǎo)致污泥混合液的可濾性發(fā)生惡化，反應(yīng)器上清液中相對分子質(zhì)量大于10 000的SMP濃度、細(xì)小顆粒和EPS的含量增加，加重膜污染過程。因此應(yīng)當(dāng)通過實驗或經(jīng)驗公式模擬的方法選擇曝氣強度的最優(yōu)值，并在應(yīng)用過程中根據(jù)實際情況進(jìn)行修正。

圖3 100 L·h-1（MBR-A）和 500 L·h-1（MBR-B）曝氣強度下污泥過濾阻力的測定

2.2 選取合適的曝氣裝置

曝氣裝置決定著產(chǎn)生氣泡的類型、大小、頻率，高效合理的曝氣裝置不僅能在反應(yīng)器中制造良好的流體動力學(xué)條件，增加膜表面剪切力和膜污染物去除概率，同時也有利于能源的節(jié)約。射流曝氣比傳統(tǒng)自由曝氣更容易去除膜表面的污染物質(zhì)，然而同樣需要注意使用過程中的參數(shù)控制。陳宇等[18]曾發(fā)現(xiàn)射流曝氣可以增加MBR系統(tǒng)的氧傳質(zhì)效率和利用效率，增加COD、氨氮等污染物的去除效果，而射流曝氣的高強度噴氣也使得反應(yīng)器的污泥絮體變得分散，膠體粒子和細(xì)小顆粒明顯增加，造成更多的膜孔吸附和堵塞，加劇了膜污染過程。

2.3 利用計算流體力學(xué)方法優(yōu)化曝氣參數(shù)

傳統(tǒng)的曝氣運行參數(shù)優(yōu)化方法通常為實驗法，主要存在效率低、過程復(fù)雜等問題。為高效模擬曝氣過程對膜表面的流體動力學(xué)條件產(chǎn)生的影響，可以采用計算流體力學(xué)（CFD）的方法來進(jìn)行合理的預(yù)測與研究。計算流體力學(xué)在MBR中的應(yīng)用近些年得到了長足的發(fā)展。WEI等[19]使用3D-CFD模型模擬平板膜MBR中彈狀氣泡流的流體動力學(xué)特性，與電化學(xué)實驗得到的數(shù)據(jù)具有一致性。而LIU等[20]使用CFD方法對MBR中氣泡產(chǎn)生的剪切力進(jìn)行數(shù)值模擬，以探究混合液流變學(xué)特性和膜組件結(jié)構(gòu)的影響。在國內(nèi)，也陸續(xù)有學(xué)者開始進(jìn)行該方面的研究。陶中蘭等[6]就應(yīng)用模擬軟件對浸沒式膜生物反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相的流動進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，考察了不同曝氣條件對膜表面氣液速度場的分布，發(fā)現(xiàn)在相同曝氣強度下，最小的曝氣孔徑可以帶來最快的液相速度，形成較大的漩渦區(qū)，提升氣液兩相的接觸面積，從而改善膜面沖刷效果。

3 結(jié)論

曝氣作用作為最有效的膜污染控制方法在膜生物反應(yīng)器應(yīng)用的過程中得到了廣泛的研究，從曝氣帶來的膜表面流體動力學(xué)條件的變化到反應(yīng)器中混合液特性的變化。雖然目前通過大量研究，學(xué)界掌握了該過程的一些基本共識，但仍有許多問題等待解決，如同類型研究結(jié)論相悖、缺乏統(tǒng)一的研究標(biāo)準(zhǔn)、實驗研究遠(yuǎn)多于理論模型探討等。本文梳理了該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，以期為今后的研究和應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。