膜曝气生物反应器在废水生物脱氮领域研究进展

李雨芬，杨 军

（上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司，安徽 合肥 230000）

当下，氮素污染已经成为重要的环境问题之一，因而废水脱氮对控制水体污染、改善水环境质量具有重要意义。废水脱氮技术包括物化法和生物法，生物脱氮技术以其经济性和有效性在城镇污水处理厂和工业废水处理厂均有广泛的应用。膜曝气生物反应器（MABR）是一种新型高效的脱氮技术，结合无泡式曝气和异向传质的特点，提高了氧气传质效率，实现了硝化和反硝化过程的同步性和一体化。相较传统生物脱氮工艺，MABR工艺具有能耗成本低、环保性能优越等优点，因而在废水生物脱氮领域具有良好的应用前景。

1 MABR原理

在MABR中，氧气从膜腔穿透膜壁，自生物膜内侧向外侧渗透，形成从生物膜内侧到外侧递减的浓度梯度。废水中的污染物从生物膜-废水交界面向生物膜内侧渗透，形成从生物膜外侧到内侧递减的浓度梯度。

一般情况下，氧气能渗透到生物膜中的厚度为50～200 mm，如果膜表面形成的生物膜厚度大于氧气渗透深度，则会出现缺氧层或厌氧层，从而为不同呼吸类型的微生物混合培养提供条件，实现好氧-厌氧生物反应体系的一体化。以污水中氨氮和COD的去除为例，膜腔内的气态基质为氧气，MABR内各基质的传输模型如图1所示[1]。

图1 MABR中氧气和典型废水中污染物传输示意图

2 MABR膜组件

膜组件的主要功能是为微生物提供气态基质和附着载体。膜材料类型和膜组件型式对曝气效果和微生物附着均有一定影响。

2.1 膜材料类型

良好的膜材料应具有较好的透气性和一定的表面粗糙度，同时，还需有抗污染性和耐腐蚀性，便于反应器的长期运行[2]。目前，MABR中常用的膜材料类型主要有微孔膜、致密膜和复合膜三类。

微孔膜通常为人造疏水性材料，多采用聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚偏氟乙烯（PVDF）等高分子材料制成。这类膜一般具有较大的气相扩散系数，因而可以得到较高的气体传输速率。在实际应用中，微孔膜的“泡点”（一定温度下，液相分离出的第一批气泡的压力）较低，供气压力相应也较低。以氧气为例，多孔膜可以使用的供气气压为10 kPa～50 kPa。微孔膜长时间运行后气体的传输速率会因膜孔堵塞或水汽凝结而降低，易造成氧气供给不足的情况。

致密膜，又称为无孔膜，常使用硅橡胶制成。该类膜的物理化学稳定性好，无膜孔堵塞问题。致密膜的扩散阻力较大，在实际运行中一般采用较高的供气气压（0.3 MPa～0.6 MPa）。相较于污水处理厂常规的气泡式曝气方式，致密膜曝气在较高的供气气压下可提高气体在液相中的溶解度，突破废水处理中气态基质的限制性问题。

复合膜通过在多孔膜上嵌入包裹一层薄的无孔膜制成，可以避免多孔膜存在的泡点限制，且相对致密膜扩散阻力有所减小，但制作成本及难度也相应较高。王荣昌等[3]采用等离子体法改性聚四氟乙烯（PTFE）膜材料，对比了四种混合单体改性的膜材料在微生物亲和性和氧传质性能上的差别，结果表明，Lys/GMA（赖氨酸/甲基丙烯酸缩水甘油酯）混合单体改性的膜材料性能最佳，膜表面生物量（TOC）和最大氧传质系数较未改性膜材料分别提高了286%和59%。

2.2 膜组件的结构型式

膜组件根据结构型式可分为平板式和中空纤维式等。中空纤维式具有很大的比表面积，可以富集大量微生物，但也容易造成堵塞以及微生物沿膜丝生长不均等问题[4]。相比之下，平板式更易于显微层面的观察分析，但在实际应用中受限于较低的比表面积。

膜组件根据通气方式可分为闭端式（仅从膜壁出气）和贯通式（部分气体从出气端排出，另一部分透过膜壁传输至生物膜）。闭端供气方式理论上可达100%气体利用率，但气体传输效率会随膜腔中的水冷凝或杂气累积产生的浓度梯度而逐渐降低。相反，贯通方式可以带走水汽及其它杂气，但会使得气体的利用效率降低。

3 MABR生物脱氮工艺

3.1 同步硝化/短程硝化-反硝化

硝化过程和反硝化过程在同一个反应器中进行的现象被称作“同步硝化反硝化”，常见的如氧化沟、生物转盘、SBR等工艺。相较于传统的分体式硝化-反硝化工艺，同步硝化反硝化可节省空间和建造成本，还可免除硝化段出水回流的操作。

MABR的生物膜可形成好氧/缺氧活性层，从而实现同步硝化反硝化[5]。董卓俊等[6]研究了MABR对氨氮废水的处理效果，在最佳运行条件下，MABR对COD和氨氮的去除率可分别达到95%和79%以上。刘自富等[7]利用中空纤维MABR处理模拟啤酒废水，对COD和氨氮的平均去除率分别达到88.6%和92.4%。

对于高浓度含氮废水，硝化阶段曝气所造成的能耗以及反硝化阶段需投加的额外碳源将造成高昂的经济成本。相较之下，短程硝化-反硝化技术在高浓度含氮废水的处理中更具优势。短程硝化阶段控制的关键是对氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的控制，通过控制温度、pH值和游离氨、溶解氧、碳氮比和污泥龄等参数可将氨氮的氧化控制在亚硝化阶段[8]。

3.2 短程硝化-厌氧氨氧化

当下，厌氧氨氧化工艺已成为一种极具前景的脱氮技术，特别是对于含高浓度氨氮或具有低C/N比的废水，如成熟的垃圾渗滤液、污泥厌氧硝化上清液或其他厌氧废水，具有明显的优势。由于厌氧氨氧化菌需要亚硝态氮作为基质之一，因此厌氧氨氧化需要结合短程硝化来完成废水中氮素的去除。相较于传统的硝化反硝化技术，短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）过程可节省约60%的氧气需求，100%的外源碳源，并减少80%的过量污泥产生[9]。

短程硝化-厌氧氨氧化技术包括单阶段和分段式反应过程。单阶段式PN/A工艺可显著降低基础设施和运营成本，且排放的NO和N2O较分段式更低，且更具节能性和环保性。Gong等[10]在无纺布支撑的透气性碳管MABR中实现了PN/A过程，PN/A的自养脱氮速率达0.77 kg·N/m3·d。

3.3 短程硝化-厌氧氨氧化联合甲烷型反硝化技术

甲烷作为一种廉价易得的简单有机物，可以作为反硝化过程所需的碳源。甲烷在水中的溶解度较低，膜曝气法甲烷传质效率高于传统气泡式曝气法，MABR是一种支持甲烷型反硝化的有利工具。

厌氧氨氧化技术与甲烷型反硝化过程的结合为深度脱氮提供了可能。当模拟废水中NH4+和NO2-的浓度分别为470和560 mg·N/L时，甲烷型反硝化耦合厌氧氨氧化膜反应器中氮素的去除率可达99.9%，出水中总氮水平约为0.2 mg/L，接近氮素零排放的水平[11]。Liu等[12]利用中空纤维MABR实现了短程硝化-厌氧氨氧化-甲烷型反硝化混合反应体系，在进水氨氮浓度为1 030 mg·N/L·d、水力停留时间为16 h的条件下，实现了98%的总氮去除效率以及1.5 kg·N/m3·d的总氮去除速率。值得关注的是，短程硝化-厌氧氨氧化和甲烷型反硝化联合脱氮技术（PNAM）报道数量有限，该技术的推广和成熟化应用离不开后续进一步的研究。

4 MABR影响因素

4.1 曝气压力

曝气压力直接影响氧气的传输效率。一般情况下，曝气压力越高，氧气透过率和氧转移效率更高，但是过高的曝气压力可能产生微气泡，从而导致生物膜的脱落，过高的DO水平也不利于反硝化过程的进行。张文丽等[13]研究了不同曝气压力（0.02 Mpa，0.04 Mpa和0.06 Mpa）对MABR中脱氮效率的影响，随着曝气压力的增加，MABR中同步硝化反硝化脱氮效率先升高后降低，在曝气压力为0.04 Mpa时，脱氮效率最佳，总氮去除率为76.71%。

4.2 COD/N

针对城市生活污水或模拟废水，污水的COD/N对有机物和氮素的去除效果有较大的影响。通常，COD/N高于10的污水能够达到很好的氮素去除效果，然而当下许多城市的实际生活污水中COD/N普遍较低，有些甚至低于5，对异养反硝化过程造成了严重的影响。以往的研究表明，适用同步硝化反硝化反应的最佳COD/N为7～15。Lin等[14]对比研究了COD/N为10～3范围内膜曝气反应器的脱氮除碳性能，发现COD/N达到5及以上时，脱氮率都维持在较高的水平，而当COD/N降至3时，反应器的脱氮效能显著下降，并伴随细菌数量和生物量的显著减少。张燕伟[15]等通过提高氨氮负荷将MABR中的C/N由4.3逐渐降低至2.3，反应器系统的脱氮效率由87.42%降低至82.53%，但仍可维持反应系统的稳定运行，相关分析认为生物膜系统中存在自养型反硝化微生物，对COD/N的变化具有一定的适应性。

4.3 流速

流速对液相基质传质、生物膜的形成和脱落、生物膜厚度和结构均有影响。相关研究表明：流速会影响细胞附着载体表面的流动边界层厚度，从而影响细胞受到的剪切力，对其附着行为产生影响[16]。在一定范围内，流速越大，流动边界层厚度越薄，越有利于液相基质的传质。但流速过大对细胞的剪切力过强，不利于细胞的附着，对已形成的生物膜扰动性强，易造成生物膜的松散和脱落。楚红亮等[17]对比了0.01 m/s、0.05 m/s和0.1 m/s三种膜面流速下MABR的除碳脱氮效率，研究结果表明：在0.05 m/s的流速条件下，反应器的性能最优，对COD和TN的去除率可分别达到94%和85%。

5 存在的问题及展望

目前，MABR在生物脱氮领域的应用已经得到研究者的广泛关注并取得快速发展，但距大规模的广泛应用尚有不足。主要问题体现在以下几个方面：

（1）成熟耐用的膜材料是MABR的关键，目前国内尚未研究出一种公认力较高、经济耐用的膜材料。国内在污水处理领域有关膜材料的研究尚有欠缺。

（2）MABR生物脱氮工艺类型较多，涉及的功能微生物类型丰富，反应器运行条件与生物膜的功能微生物之间尚未建立成熟的关联体系，微观层面的表征和解析有待进一步深化。

（3）MABR与新型脱氮工艺的结合对拓展MABR的应用领域和节能减排具有重要的意义，未来有关该方面的研究有待进一步完善。