一种疏水曝气膜用于河道黑臭水体治理研究

李海明，苑辉，曹映东，陈继悦，陈筱伟

（九洲环境科技（天津）有限公司，天津300300）

疏水膜微孔曝气技术[1]是利用了疏水膜透气不透水的一种河道黑臭水体的生物处理技术，当把中空纤维疏水膜丝连接好浸入到水体后，连接鼓风机，进行微孔曝气。在曝气的过程中，氧气通过溶解扩散[2]的方式透过疏水膜进入到水体中，微小的气泡能够充分地被水体吸收利用，获得很高的溶解氧[3]利用率，与此同时，疏水膜表面由于其凹凸不平，为微生物膜[4]的附着提供了很好的载体[5]，其形成的生物膜也能更好地调节水体的生态平衡[6]。

1 实验部分

1.1 仪器与药品

疏水曝气膜，自制；UPVC 管，天津市佑利塑胶有限公司；微生物填料，材质为聚氨酯，宜兴市君宇水处理填料有限公司；UPVC 胶，天津市佑利塑胶有限公司；气体调节阀，天津市佑利塑胶有限公司；罗茨风机，佛山市广鼓鼓风机有限公司；气压表，天长市永仪仪表厂。

1.2 仪器装置的组装

自制生产中空纤维疏水膜膜丝，长度为1 m，采购DN32UPVC 管件，切成长度为10 cm，利用环氧树脂胶，将膜丝浇铸到UPVC 管中，浇铸好后将一侧切开，漏出膜丝的中心孔，用于气体的进出。将若干浇铸好的膜丝用UPVC 管连接到一起，呈梯形状连接，浸入到河道的水体中，进气管与罗茨风机相连，进气管连接气压表和阀门，当风机通电工作时，气体就会进入到连接好的中空纤维膜丝体系，在气体压力作用下，空气透过膜孔进入到河道水体中，通过调节进气阀，调节气体的压力，从而调节进入到河道水体气量的大小。

1.3 微生物填料的负载

此微生物填料为立体弹性填料，规格为边长5 mm的正方体，材质为聚氨酯。利用细铁丝把小立方体填料串成串，长度在1 m 左右。把穿好的微生物填料一串串地固定到已经连接好的中空纤维膜束的架子上，放置的位置尽可能与中空纤维膜束挨着，当中空纤维膜透过气体时，氧气能够第一时间释放到微生物填料处，这样，充足的氧环境，能够保障在微生物填料上快速形成生物膜，由于填料的比表面积大，微生物容易附着，在整个填料上，能够快速地形成大量的生物膜，生物膜的形成有利于水体的自净修复，降解过高的氨氮和COD，逐步实现水体的生态平衡。

1.4 安装调试运行

在安装的过程中，将15 个中空纤维疏水膜束用UPVC 管连接，每个中空纤维疏水膜束的间距为80 mm，总长度为12 m，连接好的中空纤维膜束用钢筋支架支撑，钢筋与UPVC 用扎带固定在一起，支撑的高度为60 cm，同时，由于UPVC 密度较小，自身会浮在水面，连接的钢筋还能起到配重的作用，保证连接整个中空纤维疏水膜束整个架子进入到河道水体中，同时在钢筋支架作用下，支撑在河道底部。由于一般的河道底部都是凹形的，中间部分河道深，靠近河岸较浅，所以连接好的整个架子不易固定，成弧度放置容易开裂，所以在实际操作过程中，是沿着河道水流方向，平行于河道放置，保证整个膜架能够稳定地水平放置到河道底部，既保证了架子的稳定，放置在同样的深度，也保证了整个架子的中空纤维疏水膜丝承受的压力一样。

2 实验结果与讨论

2.1 曝气压力对水体溶解氧的影响

选取的河道试验段，在不运行曝气装置时，水体的溶解氧含量为0.18 mg/L。当曝气装置启动后，在运行过程中，曝气压力对水体中溶解氧浓度的影响较大，随着曝气压力的增加，水体中的溶解氧浓度能够明显增加。这是由于随着曝气压力的增加，进入中空纤维膜丝中的气体压力增大，而中空纤维膜束架在水体中的深度一定，承受的压力不变，所以透过膜孔进入到水体中的气量增加，透过微孔的气泡较小，属微米级，能够直接作用到水体中，所以水体中的溶解氧浓度能够明显增加。图1为水体中溶解氧的浓度与曝气压力之间的关系。

图1 溶解氧浓度与曝气压力的关系

2.2 曝气压力对COD 去除率的影响

开始时，COD 的去除率随着疏水膜曝气压力的增加而增大，当曝气压力为5 kPa 时，COD 的去除率仅为65%，主要是因为压力低，透过膜孔的气量较小，溶解氧的含量较低，当压力上升时，COD 的去除率明显增加，当压力达到28 kPa 时，COD 的去除率基本保持不变，维持在85%左右，这说明COD 的去除率已经达到峰值，溶解氧的量能够最大效率地满足COD 的去除量，当曝气压力再继续增加时，COD 的去除率反倒降低，主要是因为曝气压力增大，透过膜孔的气量较大，把生长在膜壁上的微生物膜吹得比较松散，甚至脱落，生物膜形成的自身好氧厌氧得平衡系统被打破，所以COD 的去除率反倒降低。图2为COD 的去除率与疏水膜曝气压力之间的关系。

图2 COD 的去除率与曝气压力之间的关系

2.3 曝气压力对氨氮去除率的影响

由图3可以看出，随着跟COD 的去除率曲线大致相同，开始时，随着曝气压力的增加，氨氮的去除率明显增加；当曝气压力为5 kPa 时，氨氮的去除率为55%左右；随着曝气压力的增加，当曝气压力达到25 kPa时，氨氮的去除率能够达到85%，此时氨氮的去除效果最高；接下来，随着曝气压力的继续增大，氨氮的去除率反而降低，主要是因为，随着曝气压力的进一步增加，透过膜孔的气量较大，生长到膜壁上的微生物膜遭到破坏，打破了生物膜的好氧厌氧的平衡系统，所以氨氮的去除率反倒降低。图3为氨氮的去除率随曝气压力之间的关系。

图3 氨氮的去除率与曝气压力之间的关系

3 结论

利用疏水膜曝气技术对河道的黑臭水体的治理有明显的效果，机理主要是通过增加水体的溶解氧，从而有利于微生物膜在疏水膜上快速地形成，实现水体的生态自净能力，考察了不同的曝气压力对水体溶解氧、COD 去除率、氨氮去除率的影响，得出以下结论：（1）随着曝气压力的增加，水体中溶解氧的含量明显增加；（2）随着曝气压力的增加，COD 的去除率先增加后降低；（3）随着曝气压力的增加，氨氮的去除率先增加后降低。