膜曝气生物膜技术在污水处理中的研究及应用现状

张致远 张艺凡 王 艺 张 政 付梦杰 韦嘉怡 王科雅 林 峰

(南京工程学院 环境工程学院,江苏 南京 211167)

随着经济的快速增长,我国的水资源污染问题也日趋严重。与此同时,越来越多的学者和科研工作者开始研究水体污染的去除方式。目前主要的水处理方法有物理法、化学法与生物法。物理法包括人工清理、污染底泥疏浚等;化学法是在被污染水体中加入化学吸附剂,来沉降大颗粒污染物;生物法则是通过向水体中加入特定的植物、微生物,通过这些生物的生命活动,使污染物能够被吸收、降解、转化[1]。

膜曝气生物膜反应器(membrane aeration biofilm reactor,MABR)由传统的生物膜水处理技术与气体分离膜技术结合而成[2],是一种新型的污水处理技术。在我国,生物膜处理技术起步于20世纪90年代。近年来,随着MABR研究的深入以及膜性能的提高,越来越多的研究者利用MABR技术处理污水。目前对MABR的研究主要集中于膜材料的选择、生物膜结构与功能菌群的分析、运行参数的影响机制等方面。

1 MABR系统

MABR由反应器壳体、曝气系统、无泡曝气生物膜组件和循环系统4部分组成,是一种人工强化的生态水处理技术。4个部分中,膜组件的作用最为重要。与传统的曝气膜技术相比,MABR技术的无泡充氧方式可以使氧气在通过纤维膜后,直接被附着在膜上的微生物利用,有效地提高氧气的利用率,更有利于污染物去除,并且避免传统曝气方式可能造成的二次污染,提高系统的耐冲击负荷能力。

1.1 特点及工作原理

膜曝气生物膜技术有三大特点:无泡曝气、生物膜载体结构、异向传质[3]。系统通过氧气与污染物的反向传递形成了生物膜与曝气膜不同的氧气和有机物浓度分布,使生活习性不同的微生物能够共存。

该技术利用中空纤维膜作为水体充氧的介质,同时中空纤维膜也可以作为生物膜的附着载体。中空纤维膜组件能够让氧气顺利通过,为附着在其表面的微生物供氧,并让污水从另外一侧进入生物膜[4]。水体在曝气膜的四周流动时,污染物在异向传质的作用下,扩散到生物膜内,再经过微生物代谢等生命活动被降解,污染物逐渐被转化为代谢所生成的有机物,达到净化水体的目的[5]。氧气通过加压泵经过中空纤维膜丝内壁,为微生物膜供氧,形成从膜丝由内向外垂直方向的氧浓度梯度,并转化成不同溶解氧(DO)浓度的功能分区,使生物膜内外两侧的氧气和污染物对向传递并产生消耗,从而形成无泡充氧方式和生物膜特殊分层结构[6],如图1所示。

图1 MABR技术表面分层结构示意图

1.2 膜组件与膜材料

膜组件是MABR系统的核心,选择合适的膜材料是提高系统运行与去除效率的关键,在很大程度上决定了系统的性能。因不同的材料对MABR系统造成的差异,曝气膜种类的分类标准也不同。按照曝气膜组件分类,可分为板框式、管式和中空纤维式,其中中空纤维式是最广为利用的一种气膜组件;按照气相在曝气膜中的流通方式,可分为贯通式和闭端式;按照反应器内液体的流通方式,可分为流通式和循环式[7]。目前,适用于无泡曝气的膜材料主要有3种,分别为硅橡胶致密膜、疏水性微孔膜以及表面修饰膜(又称复合膜)[8]。

1.3 影响因素

MABR的工作性能同时受到多种因素,如曝气压力、表面负荷、C/N等的约束。水体的流速可通过曝气压力的大小来控制,在一定范围内,压力越高流速越大。合适的流速可以为微生物提供一个良好的生存环境,生物膜形成特有的分层结构,进而提高污水的净化效率[9]。表面负荷是指单位时间内单位有效膜面积去除污染物的总量。如果表面负荷过高,则污染物不会充分降解;但表面负荷过低,则不仅污水的处理成本会增加,微生物的活性也会降低,污染物同样不会充分降解[10]。适当的C/N有利于MABR实现同步硝化和反硝化,有利于污染物的去除,研究发现,当进水的C/N保持在5～10时,MABR系统的处理效果最好[11]。

2 应用

MABR技术作为一种高效降低能耗的污水处理新技术,研究者们对其进行了大量的研究,并努力将科研成果转化为实际生产力。其研究方向主要针对以下3个方面:水处理对象、生物膜菌群、工艺组合。具体内容如表1所示。

表1 MABR在污水处理中的实际应用示例

3 总结

近20年中外学者对MABR技术进行了深度的研究与思考,基于其工作原理、技术特点,对该技术进行了创新性的研究,并对目前MABR技术在实际应用中可能存在的问题及未来发展前景提出了独特的分析与见解。

与传统的生物膜技术相比,MABR技术有众多优点:(1)中空纤维膜的比表面积大,有利于微生物的附着与生长繁殖;(2)能耗低,气味少,设备占地面积小;(3)具有独特的微生物氧化还原分层结构,水体污染物的去除速率较高;(4)有专属的降解微生物,如氨氧化菌等,具有更长的保存时间,能够更有效地去除含氮废水;(5)微生物附着生长在曝气膜的表面,供氧充分,且较稳定,不会随水体流失。

MABR在污水处理中有独特的优势,但在反应机制以及应用方面,仍有许多问题需进一步研究和优化:(1)针对不同种类的废水,应对生物膜的抗性基因形成进行系统完善的研究;(2)开发更多的曝气膜材料,使其更有利于微生物的附着与生长;(3)加强对MABR形态的研究,优化膜组件结构,构建膜组件数量与水质指标间的关系;(4)研究生物膜的形成过程,以及氧气和污染物的异向传质过程,为MABR系统的稳定运行提供理论支持[18]。