MABR技术在水体增氧和微污染水体水质净化中的应用研究

葛诚 张悦 梁汀 段腾腾 胡邦

摘要：为改善微污染水体水质，针对MABR技术在水体增氧和微污染水体水质净化效果进行小试研究。结果表明：利用MABR技术对曝气水体增氧，增氧效果远胜于传统曝气方式;通过对不同运行参数进行增氧对比试验，确定最佳参数为膜尺寸10 m × 1 m、断面流速为0.12 m/s、曝气流量为3 m3/h;在最佳运行参数下，确定单位膜面积溶解氧增量为0.3655 mg/L/m2以及增加1 mg/L溶解氧的气体流量和膜面积比值为1.313 m3/m2;在最佳运行参数下，对微污染水体进行提质试验，COD、TP、NH4+-N和TN去除率分别为73.08%、38.33%、95.75%和20.18%，优于传统曝气。

Abstract： To improve the water quality of micro-polluted water， a small-scale study was conducted on the effect of MABR technology on water oxygenation and water purification of micro-polluted water. The results show that using MABR technology to increase oxygen in aerated water body is much better than traditional aeration method. Through the contrast experiment of oxygenation for different operating parameters， the best parameters are determined as membrane size 10 m × 1 m， cross-section flow rate 0.12 m/s and aeration flow rate 3 m3/h; Under the optimum operating parameters， it is determined that the increment of dissolved oxygen per unit membrane area is 0.3655 mg/L/m2， and the ratio of gas flow to membrane area with 1 mg/L dissolved oxygen is 1.313 m3/m2. Under the optimal operating parameters， the quality improvement test of slightly polluted water body shows that the removal rates of COD， TP， NH4+-N and TN are 73.08%， 38.33%， 95.75% and 20.18% respectively， and the purification effect is better than traditional aeration.

近年来，传统生物水处理技术与其它学科，如材料科学、自动化控制过程和膜科学交叉融合，成为水处理技术发展的主要趋势。生物膜法与富氧气体分离膜的结合形成了无泡膜曝气生物反应器（MABR）水处理技术。MABR具有独特的异向传质过程，即将生物膜分为三层，从内到外依次为好氧层、兼氧层和厌氧层。因此，MABR可实现有机物（COD）降解和含氮物质脱除等集成强化功能[1]。目前，人们对MABR的研究主要集中于基础应用领域，大规模商业化工程应用仅停留在小试和中试阶段，且主要针对工业废水。因此，需要加快该技术的应用基础研究和工业化进程。

城市河道水体污染通常是因为工程建设占用河道，造成水系不通，生活污水和工业废水随意排放，造成河道生态破坏，排入河道的污染物超出了河道水体的自净能力，水体溶解氧降低，富营养化明显，底泥在厌氧条件下产生硫化氢、氨气等刺鼻性气体以及铁、锰硫化物等黑色物质，甚至造成水体黑臭[2]。利用物理或者化学方法处理污染河道均不能达到理想的效果或者长时间维持对污染物的削减作用，且这些方法施工、人力成本高，容易造成二次污染[3]。显然，如果用MABR技术对河道水体污染物进行处理，可能效果显著且长远，处理成本低，不会产生二次污染。但MABR在河道治理中的应用很少。

本研究通过设计可控的小试装置，对不同膜尺寸、曝气流量和断面流速下曝气增氧效果进行实验分析，确定最佳曝气条件，在此条件下完成MABR对微污染水体水质净化的研究。

1.试验装置及方案设计

1.1试验装置

剖面如图1所示，上下限位板为MABR膜提供支撑的同时可以保护进气管道可以顺利弯曲进而从圆筒中导出连接到外部的曝气设备。卷曲的膜外存在保护外壳，可以有效减免水体中沙砾等细小尖锐物品对MABR膜的磨损以及在膜蜷曲时作为隔开物避免蜷曲导致膜损伤。上下出水口连接蠕动泵实现水体自循环以及模拟真实河道中水体流动。

1.2试验水源

本研究试验用水有两种：一种是用于水体增氧研究用的自来水，另一种是模拟微污染水体的真实河水。其中，真实河水选用江南大学蠡湖校区内河河水，河水水质为pH为7.74、ORP为207 mV、COD为35 mg/L、NH4+-N为3.71 mg/L、TN为4.64 mg/L、TP为0.22 mg/L以及DO为2 mg/L。由于选用河道水质比试验研究水质要好，因此在选取的河水中外加营养物质，使水质达到研究用水。所添加的营养物质以及配置所需的浓度值见表1。

1.3試验方案设计

常规条件下MABR增氧效果研究如下：利用氮气将实验装置中自来水DO降低到1 mg/L，实验参数选择如下：膜尺寸为10 m × 1 m、曝气流量为3 m3/h、断面流速为0.1 m/s。每隔2 h使用YSI Professional Plus多参数水质分析仪测定装置上取水口和中取水口处的DO浓度，共测定8次。随后对不同膜尺寸、曝气流量和断面流速下增氧效果研究进行相同处理和测定方式，其中膜尺寸设置为12 m × 1 m、10 m × 1 m和8 m × 1 m;曝气流量设置为1 m3/h、2 m3/h和3 m3/h;断面流速设定为0.12 m/s、0.1 m/s和0.6 m/s。

在完成水体增氧研究后，确定装置最优的运行参数，并在此参数下完成微污染水体水质净化研究。每次实验分为对照组和MABR组，对照组不放入膜，MABR组放入膜，其它参数相同。测定水体NH4+-N、TN、TP和COD，测定时长为12 d。

1.4 NH4+-N、TN、TP和COD测定方法

NH4+-N测定方法采用《中华人民共和国国家环境保护标准》（HJ535—2009）纳氏试剂分光光度法，该标准适用于地表水、地下水、生活污水和工业废水中氨氮的测定;TN测定方法采用《中华人民共和国国家环境保护标准》（HJ 636—2012）碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，该标准适用于地表水、地下水、生活污水和工业废水中总氮的测定;TP测定方法采用国家环境保护总局发布的《中华人民共和国国家标准》（GB11893—89）钼酸铵分光光度法，该标准适用于地面水、污水和工业废水;COD测定方法采用《中华人民共和国国家环境保护标准》（HJ828—2017）重铬酸盐法，该标准适用于地表水、生活污水和工业废水中化学需氧量的测定。

2.结果与讨论

2.1常规条件下MABR增氧效果和分析

常规条件下MABR DO浓度变化如图2所示。从图2中可知，常规条件下，装置运行16 h后，中部取水口DO从1.68 mg/L上升到5.11 mg/L，上部取水口DO从1 mg/L上升到4.76 mg/L。其中，中部取水口处DO浓度一直高于上取水口处的DO浓度，可能是因为MABR设备是从底部开始曝气，中部取水口处的位置更早有空气从膜内渗出到水体中。两个取水口曝气前4 h DO浓度增加较为缓慢，可能是曝气前期MABR膜内存在的空气较少，需要曝气量达到一定程度时MABR膜中才有足够的气体可以透过中空纤维膜渗入水中。曝气一定时间后，水中DO浓度开始稳定增加直至达到水中DO饱和。

2.2不同膜尺寸下MABR增氧效果和分析

不同膜尺寸上部和中部取水口DO浓度变化结果如图3和图4所示。从图3中可知，装置运行16 h后，膜尺寸为12 m × 1 m、10 m × 1 m和8 m × 1 m的装置上部取水口处，DO浓度从1 mg/L分别上升到4.23 mg/L、4.68 mg/L和4.37 mg/L。此外，MABR膜尺寸为10 m × 1 m时，MABR设备为水体提供的溶解氧最多，明显高于12 m × 1 m和8 m × 1 m的膜。从图4中可知，装置运行16 h后，膜尺寸为12 m×1 m、10 m×1 m和8 m×1 m的装置上部取水口处DO浓度从1 mg/L分别上升到4.76 mg/L、4.63 mg/L和4.66 mg/L。三种不同膜尺寸中部取水口DO浓度上升趋势一致，没有明显区别。综上所述，10 m×1 m的MABR膜可以为装置创造最大量的DO。

2.3不同断面流速下MABR增氧效果和分析

不同断面流速上部和中部取水口DO浓度变化结果如图5和图6所示。从图5中可知，断面流速分别设置为0.06 m/s、0.1 m/s和0.12 m/s条件下，装置运行16 h后，上部取水口DO浓度从1 mg/L分别上升为4.06 mg/L、3.64 mg/L和5.02 mg/L。相同曝气时间内，其它参数相同的情況下，断面流速为0.12 m/s时，MABR装置的复氧效果最好。从图6中可知，实验装置断面流速分别设置为0.06 m/s、0.1 m/s和0.12 m/s条件下，装置运行16 h后，中部取水口DO浓度从1 mg/L分别上升为3.64 mg/L、4.52 mg/L和5.30 mg/L。相同曝气时间内，其它参数相同情况下，断面流速为0.12 m/s时，MABR装置的复氧效果最好。综上所述，为确保MABR装置为水体提供更多的DO，断面流速应选择为0.12 m/s。

2.4不同曝气流量下MABR增氧效果和分析

不同曝气流量上部和中部取水口DO浓度变化结果如图7和图8所示。从图7中可知，实验装置曝气流量分别设置为3 m3/h、2 m3/h和1 m3/h时，装置运行16 h后，上部取水口DO浓度从1 mg/L分别上升为5.30 mg/L、3.51 mg/L和3.87 mg/L。曝气流量为3 m3/h时，复氧效果最佳，其次是1 m3/h，2 m3/h复氧能力最弱。从图8中可知，实验装置曝气流量分别设置为3 m3/h、2 m3/h和1 m3/h时，装置运行16 h后，上部取水口DO浓度从1 mg/L分别上升为4.06 mg/L、3.61 mg/L和3.93 mg/L。曝气流量为3 m3/h和1 m3/h时的复氧能力接近且均大于2 m3/h时的复氧能力。综上所述，曝气流量为3 m3/h时，MABR复氧效果最好。

2.5 MABR技术在微污染水体水质净化效果研究

为考察微污染水体在MABR技术和常规曝气下，水体中NH4+-N、TN、TP和COD的变化，对两种情况下的水体进行12 d的监测试验。COD浓度变化如图9所示，TP浓度变化如图10所示，NH4+-N浓度变化如图11所示，TN浓度变化如图12所示。

由图9可知，MABR组和对照组对于COD的去除均有一定效果，其中MABR组的COD去除率为73.08%，对照组COD去除率为51.92%。MABR组对于COD的去除效果明显优于对照组。可能是因为MABR的无泡曝气特点导致供氧传质阻力较小而实现较高的氧转移效率[4]，以及膜外的生物膜结构中生物膜表层的污染物浓度最高但是溶解氧浓度最低，而在靠近曝气膜的生物膜内层，污染物浓度达到最低但溶解氧浓度却最高。

由图10可知，MABR组TP浓度变化范围为0.74～1.20 mg/L，对照组TP浓度变化范围为0.92～1.20 mg/L。两者对于TP的去除率分别为38.33%和23.33%。可以看出，MABR技术对于TP的去除效果并不明显，可以是因为在整个试验处理过程中，没有污泥从水体排出，被磷酸盐积聚的生物体（PAOs）吸收的磷可能会释放回水中[5]，从而导致TP去除效果不明显。另外，磷的初始浓度为1.0 mg/L左右，相比于工业污水、城市生活污水浓度在几十到几百mg/L左右，浓度较低，或许也是影响其降解效果的因素[6]。

由图11可知，MABR组NH4+-N浓度变化范围为0.26～6.12 mg/L，对照组NH4+-N浓度变化范围为0.73～6.04 mg/L。对照组和MABR组的NH4+-N去除效果都很明显，并且MABR组的效果更好。由于曝气的作用，水体中DO浓度升高，硝化作用增强，导致NH4+-N降解。

由图12可知，MABR组TN浓度变化范围为20.25～25.37 mg/L，TN去除率为20.18%;对照组TN浓度变化范围为22.46～25.14 mg/L，TN去除率为10.67%。曝气有助于TN浓度的降低，且MABR技术效果更佳。由于亚硝酸盐非常容易被氧化為硝酸盐[7]，且长期曝气水中有机氮含量较小，因此我们认为NH4+-N浓度和NO3--N的变化可近似反映TN的变化，结合图11中NH4+-N快速降解，可知存在NH4+-N转化为NO3--N的过程。

3.结论与建议

（1） 最优的运行参数为：膜尺寸10 m × 1 m、断面流速为0.12 m/s、曝气流量为3 m3/h;

（2） 该材料的MABR膜增加1mg/L溶解氧的气体流量和膜面积比值为1.313 m3/m2;

（3） 利用MABR技术净化微污染河道水体，对COD的去除率可达到73.08%，对TP的去除率可达到38.33%，对NH4+-N的去除率为95.75%，对TN的去除率为20.18%。

（4） 本次试验用水微生物活性较低，如果通过接种活性污泥来提高微生物活性，可以进一步增加污染物的去除。

参考文献：

[1]孙临泉. MABR技术在城市受污染河道修复中的应用研究[D]. 天津大学， 2015.

[2]尹训飞， 齐鲁， 张晓军， 等. 水深对微孔曝气充氧性能的影响研究及数值模拟[J]. 水处理技术， 2015， （6）：75-78.

[3]卢萃云， 庞志华， 林方敏， 等. 曝气充氧和人工造流技术修复河道污染水体[J]. 环境工程学报， 2012， （4）：1135-1141.

[4]Zhu H， Imai T， Tani K， et al. Enhancement of Oxygen Transfer Efficiency in Diffused Aeration Systems using Liquid-Film-Forming Apparatus[J]. Environmental Technology Letters， 2007， 28（5）：511-519.

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