MABR反應器的應用技術與發展

王榮昌 任玉麗(同濟大學，上海 200092)

0 引言

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

污水處理技術從最初的物理、化學方法，逐漸發展到現在的活性污泥法和生物膜法。隨著合成膜技術的發展與進步，膜技術已逐漸應用于廢水處理的各個領域。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，而且揮發性有機污染物還會隨產生的氣泡進入大氣中，造成環境二次污染。傳統的污水脫氮工藝通過硝化和反硝化兩個階段來實現，運行能耗大，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過程的進行。為了應對傳統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器(membrane-aerated biofilm reactor，MABR)，因其特殊的構造與傳質特性，具有很多其他水處理工藝不具備的優點為我們提供了一個新的研究方向。

1 MABR處理技術的基本原理

MABR將傳統的生物膜法污水處理技術與氣體分離膜技術相結合，屬于膜生物反應器的一種，其系統裝置主要包括曝氣膜組件和微生物膜兩部分，其中曝氣膜組件結構為微生物的繁衍及增殖提供了環境條件，透氣致密膜或疏水微孔膜為生物膜反應器曝氣，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菌外，還可能出現大量真菌(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間較長，如硝化細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，使得反應器具有一定的硝化性能，能夠將氨轉化為亞硝酸鹽，再轉化為硝酸鹽。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散到生物膜中，再經過生物膜傳遞至液相污水中。由于生物膜內外存在氧濃度差和生物膜對污染物的吸附作用，氧氣從生物膜內側向外側擴散，液相中污染物從生物膜外側擴散進入生物膜內側，氧氣和污染物如NH4+從相反的方向向生物膜內擴散，形成異向傳質的效果，傳質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反應器的基本特點

MABR有以下三大特點：無泡曝氣、異向傳質和生物膜載體結構。一般的生物膜反應系統，氧氣和營養物質從膜的同一側進入，屬于同向傳質。而MABR的傳質特性是氧氣和污染物分別從生物膜的兩側進入，屬于異向傳質。同時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構的相對好氧區和缺氧區，硝化菌等好氧菌可以在生物膜溶解氧濃度較高的區域進行硝化過程，反硝化菌在溶解氧濃度較低的區域發生反硝化作用，這樣使得MABR能夠實現同步硝化反硝化(synchronous nitrification and denitrification，SND)。

2.1 無泡曝氣

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

2.2 異向傳質

在濃度差的作用下，膜內的氧氣從生物膜底部向其表層擴散，氧濃度梯度由內到外逐漸遞減；而污染物接觸生物膜表面，由外到內逐漸遞減，二者擴散方向相反，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，微生物在生物膜內根據氧的選擇性形成一個好氧層，有利于硝化細菌的生長和增殖。在適當的曝氣壓力下，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。當生物膜在一定的厚度范圍內生長時，穩定成熟的生物膜能保持層間一定的平衡關系，即每層都能培養出適合自身特點的獨特微生物種群。

3 MABR反應器的分類

3.1 集成式

集成式MABR的膜組件直接放置在反應器內，由真空泵抽真空或重力排放，活性污泥和大分子物質經過膜組件后被截留在生物反應器中。集成式MABR利用氣泡驅動物料和液體向上的交叉流動，來反沖洗膜表面。其特點是設備緊湊、能耗低、無壓運行，但是流量較小。

3.2 分離式

分離式MABR中，反應器中的混合液經過泵加壓后進入膜組件。在壓力作用下，膜滲透液作為系統的出水，而活性污泥和大分子物質被膜組件截留并回流至反應器中。分離式MABR利用循環泵來使進水與料液達到循環和錯流運行的效果，具有控制方便、更換膜元件容易等優點。分離式MABR的缺點是膜組件需保持承受壓力運行的狀態，且循環流量大、能耗高。

4 膜材料及表面性能

4.1 致密膜

組分在致密膜(如有機硅樹脂)中的傳遞過程屬于溶液擴散，組分以分子狀態向外擴散。由于氧等組分在有機硅樹脂中的溶解度遠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構和較高的膜壓允許范圍，當使用纖維增強的有機硅樹脂時，曝氣壓力可高達3×105Pa，可為高需氧污水提供足夠的氧氣，在短時間內就能夠完成污染物的高效降解[1]。致密膜由于具有較強的耐化學腐蝕性和抗拉伸性能，在MABR中得到了廣泛的應用。

4.2 微孔膜

微孔膜內部的傳質過程是通過微孔中的均相氣體轉移來實現的。膜中氣相傳質的阻力很小，幾乎可以忽略不計，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入膜腔，氣液傳質阻力遠大于氣體間的傳質阻力。蛋白質等大分子物質會使微孔變得親水，使膜腔內充滿液體，從而縮短微孔膜的使用壽命。微孔膜的泡點壓力很低，很難達到較高的壓力，這也在某種程度上限制了它的應用。

4.3 復合膜

復合膜指的是在微孔膜表面涂覆一層致密無孔薄層，復合中空纖維膜最早是Wilderer在用MABR處理污水時，發現利用這種膜材料進行曝氣，供氧能力大大提高，對有毒有害的工業廢水處理效果良好。有學者曾采用覆蓋超薄皮層的中空纖維致密膜對附著在MABR系統中的生物膜進行曝氣。結果表明，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[2]，系統依然可以實現無泡曝氣，曝氣壓力最高達6.95×105Pa時，仍無明顯氣泡，此時溶解氧的濃度已經處于很高的范圍，這表明該復合膜不僅具有微孔膜高滲透性的特點，而且在泡點壓力下具有致密膜無泡曝氣的特點。

5 MABR運行性能的影響因素

5.1 膜內氣體分壓

氧分壓是影響生物膜層理結構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比其他傳統生物膜結構要明顯高很多，并且隨著氧分壓的增加，氧利用速率加強。氧從生物膜的另外一側擴散進入，這種獨特的基質擴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比會增加異養菌對溶解氧的競爭，硝化菌可能會因溶解氧不足而無法進行硝化；當C/N比過低時，雖然有利于硝化，但是由于碳源不足，反硝化無法進行。降解COD的好氧異養菌與氧化NH4+-N的硝化菌在氧利用上存在著激烈的競爭，當有機物濃度較高時，好氧異養菌占據主導地位，迅速利用氧氣降解污水中COD的同時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 水力停留時間(HRT)

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

6 結語

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

雖然MABR在污水處理中的獨特優勢而受到越來越多的關注和研究，但是仍有一些關于反應機制和應用方面的問題有待進一步研究和解決，比如MABR的生物膜分層結構中微生物脫碳除氮的機理以及微生物群落相互作用機制還不夠清楚，處理不同類型廢水時所采取的實際運行參數需要相應調整，膜曝氣的氣體分壓以及組分還可以進一步優化等，這些問題的解決將為MABR技術在污水處理領域的應用提供重要的理論支持和技術指導。