膜曝氣生物膜技術在污水處理中的研究及應用現狀

張致遠 張藝凡 王 藝 張 政 付夢杰 韋嘉怡 王科雅 林 峰

(南京工程學院 環境工程學院,江蘇 南京 211167)

隨著經濟的快速增長,我國的水資源污染問題也日趨嚴重。與此同時,越來越多的學者和科研工作者開始研究水體污染的去除方式。目前主要的水處理方法有物理法、化學法與生物法。物理法包括人工清理、污染底泥疏浚等;化學法是在被污染水體中加入化學吸附劑,來沉降大顆粒污染物;生物法則是通過向水體中加入特定的植物、微生物,通過這些生物的生命活動,使污染物能夠被吸收、降解、轉化[1]。

膜曝氣生物膜反應器(membrane aeration biofilm reactor,MABR)由傳統的生物膜水處理技術與氣體分離膜技術結合而成[2],是一種新型的污水處理技術。在我國,生物膜處理技術起步于20世紀90年代。近年來,隨著MABR研究的深入以及膜性能的提高,越來越多的研究者利用MABR技術處理污水。目前對MABR的研究主要集中于膜材料的選擇、生物膜結構與功能菌群的分析、運行參數的影響機制等方面。

1 MABR系統

MABR由反應器殼體、曝氣系統、無泡曝氣生物膜組件和循環系統4部分組成,是一種人工強化的生態水處理技術。4個部分中,膜組件的作用最為重要。與傳統的曝氣膜技術相比,MABR技術的無泡充氧方式可以使氧氣在通過纖維膜后,直接被附著在膜上的微生物利用,有效地提高氧氣的利用率,更有利于污染物去除,并且避免傳統曝氣方式可能造成的二次污染,提高系統的耐沖擊負荷能力。

1.1 特點及工作原理

膜曝氣生物膜技術有三大特點:無泡曝氣、生物膜載體結構、異向傳質[3]。系統通過氧氣與污染物的反向傳遞形成了生物膜與曝氣膜不同的氧氣和有機物濃度分布,使生活習性不同的微生物能夠共存。

該技術利用中空纖維膜作為水體充氧的介質,同時中空纖維膜也可以作為生物膜的附著載體。中空纖維膜組件能夠讓氧氣順利通過,為附著在其表面的微生物供氧,并讓污水從另外一側進入生物膜[4]。水體在曝氣膜的四周流動時,污染物在異向傳質的作用下,擴散到生物膜內,再經過微生物代謝等生命活動被降解,污染物逐漸被轉化為代謝所生成的有機物,達到凈化水體的目的[5]。氧氣通過加壓泵經過中空纖維膜絲內壁,為微生物膜供氧,形成從膜絲由內向外垂直方向的氧濃度梯度,并轉化成不同溶解氧(DO)濃度的功能分區,使生物膜內外兩側的氧氣和污染物對向傳遞并產生消耗,從而形成無泡充氧方式和生物膜特殊分層結構[6],如圖1所示。

圖1 MABR技術表面分層結構示意圖

1.2 膜組件與膜材料

膜組件是MABR系統的核心,選擇合適的膜材料是提高系統運行與去除效率的關鍵,在很大程度上決定了系統的性能。因不同的材料對MABR系統造成的差異,曝氣膜種類的分類標準也不同。按照曝氣膜組件分類,可分為板框式、管式和中空纖維式,其中中空纖維式是最廣為利用的一種氣膜組件;按照氣相在曝氣膜中的流通方式,可分為貫通式和閉端式;按照反應器內液體的流通方式,可分為流通式和循環式[7]。目前,適用于無泡曝氣的膜材料主要有3種,分別為硅橡膠致密膜、疏水性微孔膜以及表面修飾膜(又稱復合膜)[8]。

1.3 影響因素

MABR的工作性能同時受到多種因素,如曝氣壓力、表面負荷、C/N等的約束。水體的流速可通過曝氣壓力的大小來控制,在一定范圍內,壓力越高流速越大。合適的流速可以為微生物提供一個良好的生存環境,生物膜形成特有的分層結構,進而提高污水的凈化效率[9]。表面負荷是指單位時間內單位有效膜面積去除污染物的總量。如果表面負荷過高,則污染物不會充分降解;但表面負荷過低,則不僅污水的處理成本會增加,微生物的活性也會降低,污染物同樣不會充分降解[10]。適當的C/N有利于MABR實現同步硝化和反硝化,有利于污染物的去除,研究發現,當進水的C/N保持在5～10時,MABR系統的處理效果最好[11]。

2 應用

MABR技術作為一種高效降低能耗的污水處理新技術,研究者們對其進行了大量的研究,并努力將科研成果轉化為實際生產力。其研究方向主要針對以下3個方面:水處理對象、生物膜菌群、工藝組合。具體內容如表1所示。

表1 MABR在污水處理中的實際應用示例

3 總結

近20年中外學者對MABR技術進行了深度的研究與思考,基于其工作原理、技術特點,對該技術進行了創新性的研究,并對目前MABR技術在實際應用中可能存在的問題及未來發展前景提出了獨特的分析與見解。

與傳統的生物膜技術相比,MABR技術有眾多優點:(1)中空纖維膜的比表面積大,有利于微生物的附著與生長繁殖;(2)能耗低,氣味少,設備占地面積小;(3)具有獨特的微生物氧化還原分層結構,水體污染物的去除速率較高;(4)有專屬的降解微生物,如氨氧化菌等,具有更長的保存時間,能夠更有效地去除含氮廢水;(5)微生物附著生長在曝氣膜的表面,供氧充分,且較穩定,不會隨水體流失。

MABR在污水處理中有獨特的優勢,但在反應機制以及應用方面,仍有許多問題需進一步研究和優化:(1)針對不同種類的廢水,應對生物膜的抗性基因形成進行系統完善的研究;(2)開發更多的曝氣膜材料,使其更有利于微生物的附著與生長;(3)加強對MABR形態的研究,優化膜組件結構,構建膜組件數量與水質指標間的關系;(4)研究生物膜的形成過程,以及氧氣和污染物的異向傳質過程,為MABR系統的穩定運行提供理論支持[18]。