陳陽(yáng)漫 秦慶東 謝迎龍 劉德釗

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211189;2.申能環(huán)境科技有限公司,浙江 杭州 311100;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江省農(nóng)業(yè)智能裝備與機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程研究所,浙江 杭州 310058)

水污染造成的水資源短缺是全世界亟需解決的難題,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)導(dǎo)致城市規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張,進(jìn)一步加劇了水資源短缺的問(wèn)題,使國(guó)內(nèi)人均水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1/4[1]。我國(guó)的環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起步較晚,且城市人口居住量增長(zhǎng)迅速,導(dǎo)致國(guó)內(nèi)城市單位面積排污量往往是歐美城市的3～4倍[2]。因此,城市生活污水的處理與回收利用成為解決我國(guó)水資源短缺、緩解生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題需要納入考慮的一個(gè)重要途徑。近年來(lái)我國(guó)對(duì)于污染治理與排放管控的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)格。其中,總氮含量是衡量水中污染程度的主要指標(biāo)之一,水中氮素超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化,致使水體中藍(lán)藻等生物大量繁殖[3]。因此,污水深度脫氮是生活污水處理的一個(gè)重要研究方向,而如何經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)深度脫氮也隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展受到廣泛關(guān)注。

針對(duì)生活污水中總氮去除,傳統(tǒng)工藝包括活性污泥法和生物膜法,一般需要多級(jí)工藝才能達(dá)到深度脫氮的目的[4]。隨著對(duì)污染物降解機(jī)理研究的不斷深入,污水處理的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)和完善。膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)就是一種在傳統(tǒng)的活性污泥法和生物膜法污水處理的基礎(chǔ)上創(chuàng)新得到的新型處理技術(shù),它將曝氣膜和生物膜反應(yīng)器結(jié)合起來(lái),氧氣在膜內(nèi)以微小氣泡的形式透過(guò)膜傳遞到膜外部,被靠近曝氣膜的好氧微生物充分利用后再以膜為載體向外生長(zhǎng),使溶解氧逐步被消耗形成溶解氧梯度并在貼近污水處為厭氧微生物提供適宜生長(zhǎng)的場(chǎng)所,二者共同生長(zhǎng)、聚集成生物膜[5]。污水中存在的碳源、氨氮等物質(zhì)從生物膜外部向內(nèi)擴(kuò)散,在生物膜內(nèi)形成高氧低碳和低氧高碳兩種不同的區(qū)域[6],為硝化菌與反硝化菌的共存提供了有利的空間場(chǎng)所,使MABR可以通過(guò)同步硝化反硝化達(dá)到深度脫氮的目的[7]。MABR一方面能夠同步硝化反硝化深度脫氮,另一方面擁有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝的氧傳質(zhì)效率實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)能,在近年來(lái)的“雙碳”目標(biāo)下受到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。

在MABR整個(gè)傳質(zhì)過(guò)程中,曝氣生物膜的膜組件同時(shí)起到供氧和生物膜載體的作用,因此膜材料的選取對(duì)MABR的性能有一定影響[8]。膜絲極大的比表面積為微生物提供附著的空間,同時(shí)它均勻且致密的供氧極大地提高了氧氣的利用率。根據(jù)膜材料的表面性能與結(jié)構(gòu),結(jié)合其運(yùn)行效果、制備成本等特點(diǎn),選擇合適的膜材料并且控制合理的運(yùn)行參數(shù)范圍,是研究MABR的重要內(nèi)容。筆者基于MABR特殊生物膜結(jié)構(gòu)及脫氮原理,著重對(duì)比聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)以及其他一些使用頻率相對(duì)較低的曝氣膜材料運(yùn)用在MABR中處理生活污水時(shí)的處理效果,總結(jié)了反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)與膜材料對(duì)生活污水脫氮處理的影響。

1 無(wú)泡曝氣及異向傳質(zhì)生物膜結(jié)構(gòu)

1.1 無(wú)泡曝氣

保持反應(yīng)器中含有充足的氧氣,是使好氧微生物分解水中的有機(jī)物并且完成硝化反應(yīng)的必要條件,因此向水中曝氣的傳統(tǒng)曝氣方法應(yīng)運(yùn)而生。這種運(yùn)用鼓風(fēng)曝氣或機(jī)械曝氣將氧氣通入水中的方法,使氣泡內(nèi)的氧氣還沒(méi)有完全被微生物利用就已經(jīng)逸出液面,利用率較低。無(wú)泡曝氣作為一種新型供氧方式,需要在整個(gè)曝氣過(guò)程中(即在氣體通入中空纖維管后)通過(guò)調(diào)控曝氣壓力避免肉眼可見(jiàn)的氣泡產(chǎn)生。無(wú)泡曝氣使氧氣通過(guò)微孔擴(kuò)散至管壁另一側(cè)的水體中,在氣體逸出前供給生物生長(zhǎng)繁殖,大大提高了氧傳入生物膜內(nèi)的傳質(zhì)效率,使氧氣利用率可達(dá)到傳統(tǒng)曝氣的5～7倍[9]。氧傳質(zhì)效率的提升顯著減小了氧氣的供給量,能耗成本大大減少[10]。此外,當(dāng)污水中含有揮發(fā)性有機(jī)污染物時(shí),大氣泡快速逸出易將揮發(fā)性物質(zhì)帶出而造成二次污染,且對(duì)生物膜造成擾動(dòng)導(dǎo)致脫落[11]。為減小氣泡的直徑、延長(zhǎng)氣體與微生物的接觸時(shí)間以達(dá)到提升氧氣利用率的目的,無(wú)泡曝氣近年來(lái)逐漸得到應(yīng)用。

1.2 異向傳質(zhì)生物膜結(jié)構(gòu)

有機(jī)底物同時(shí)提供電子供體和受體基質(zhì),將其從同一方向傳輸至生物膜中從而累計(jì)高密度的生物量,這一過(guò)程稱為同向傳質(zhì)。相反,電子供體和受體基質(zhì)從相反方向進(jìn)入生物膜被稱為異向傳質(zhì),示意圖如圖1所示。

圖1 異向傳質(zhì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of anisotropic mass transfer

在異向傳質(zhì)生物膜中,兩種基質(zhì)中的其中一種基質(zhì)(氧氣)從生物膜內(nèi)部向外擴(kuò)散,有機(jī)底物從生物膜外部向內(nèi)擴(kuò)散,在這個(gè)過(guò)程中生物膜會(huì)發(fā)展形成獨(dú)特的生物群落結(jié)構(gòu)。在MABR系統(tǒng)中,溶解氧的濃度從生物膜內(nèi)部向外逐漸降低,與之對(duì)應(yīng)地生長(zhǎng)著好氧、兼氧和厭氧微生物。當(dāng)生物膜培養(yǎng)到一定程度時(shí),生物膜最外層溶解氧維持在0.5 mg/L以下,形成缺氧和厭氧層,而有機(jī)底物在貼近最外層生物膜時(shí)濃度最高。因此,溶解氧和有機(jī)底物相反的濃度梯度方向使得生物膜的活躍區(qū)域不同于同向傳質(zhì)時(shí)存在于兩者含量都充足的生物膜表面,其最活躍的區(qū)域通常位于生物膜的內(nèi)部,這種獨(dú)特的分層也就造成了其獨(dú)特的生物群落結(jié)構(gòu)[12]。

傳統(tǒng)生物膜的厚度隨污染物通量的增加而增加,直到微生物的老化脫落才使生物膜厚度得以穩(wěn)定。而異向傳質(zhì)的過(guò)程中生物膜厚度的增加會(huì)抑制污染物通量,進(jìn)而使氧傳質(zhì)受到抑制,因此生物膜厚度的穩(wěn)定需要對(duì)水流剪切力、氣體曝氣強(qiáng)度等參數(shù)給予更多的關(guān)注以保持膜內(nèi)外兩種基質(zhì)的高通量[13]。

2 MABR生物脫氮原理及新型工藝

生物脫氮是目前公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)有效的脫氮方法,生物膜法脫氮工藝由高密度菌落組成生物膜完成脫氮,它憑借較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力和經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)階段眾多生物脫氮的重要方式之一。

2.1 同步硝化反硝化

傳統(tǒng)生物脫氮工藝,是硝化與反硝化在不同時(shí)間、相互獨(dú)立的條件下實(shí)現(xiàn)的脫氮技術(shù)。在整個(gè)硝化反硝化過(guò)程中,包括氨氧化菌及亞硝酸鹽氧化菌的硝化菌傾向于在溶解氧濃度較高的地方生長(zhǎng),相反低溶解氧濃度則利于反硝化菌的生長(zhǎng)。硝化菌以氧氣為電子受體,利用水中的有機(jī)碳作為碳源進(jìn)行硝化反應(yīng);反硝化菌以有機(jī)物作為電子受體和碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng),故在傳統(tǒng)理論的認(rèn)知基礎(chǔ)上硝化與反硝化的過(guò)程無(wú)法在同一反應(yīng)器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)[14]6776。

與傳統(tǒng)生物脫氮工藝不同,同步硝化反硝化工藝是由于不均勻的氧含量分布梯度導(dǎo)致生物反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)缺氧和好氧的區(qū)域,從而在單一反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)硝化與反硝化共同存在的現(xiàn)象[14]6781。在硝化與反硝化同步進(jìn)行的過(guò)程中,硝化反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物可以成為反硝化反應(yīng)的底物,促使整個(gè)反應(yīng)進(jìn)程加快、水力停留時(shí)間(HRT)縮短、反應(yīng)器容積也可相應(yīng)地減小。

從微環(huán)境理論的角度來(lái)看,微生物生存的微環(huán)境受微生物的種群結(jié)構(gòu)、底物的代謝分布、基質(zhì)傳遞的變化和生化反應(yīng)的不均勻性等因素影響[15]。溶解氧的濃度梯度是影響微環(huán)境的關(guān)鍵因素之一,傳統(tǒng)的生物膜表面溶解氧含量較高,好氧硝化菌易成為優(yōu)勢(shì)菌種;而在內(nèi)部溶解氧受污染物降解消耗及傳質(zhì)受阻的共同作用而含量降低,導(dǎo)致生物膜內(nèi)部出現(xiàn)缺氧和厭氧的環(huán)境,從而利于反硝化菌的生長(zhǎng)[16]。由此可見(jiàn),溶解氧梯度的出現(xiàn)為同步硝化反硝化創(chuàng)造了條件,因此MABR生物膜內(nèi)溶解氧梯度的合理調(diào)控,也就是對(duì)膜的曝氣壓力的合理調(diào)控能使好氧與厭氧的分層結(jié)構(gòu)共存于生物膜中,這是關(guān)乎于同步硝化反硝化實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)[17]。MABR在傳統(tǒng)生物膜同步硝化反硝化的基礎(chǔ)上,通過(guò)生物膜中電子供體與受體反向擴(kuò)散,相比傳統(tǒng)生物膜表面因接觸過(guò)多碳源(有機(jī)污染物)從而抑制了硝化反應(yīng),MABR生物膜內(nèi)部(靠近膜材料一側(cè))的硝化效率因高氧低碳的條件得到了提升,同時(shí)MABR生物膜表面及反應(yīng)器液體部分低氧高碳的環(huán)境也利于反硝化菌反應(yīng)[18],使MABR中整個(gè)同步硝化反硝化過(guò)程的脫氮效率得到了有效提升。

2.2 MABR生物脫氮新型工藝

在傳統(tǒng)硝化工藝中,氨氮首先被氨氧化菌氧化成亞硝酸鹽,然后被亞硝酸鹽氧化菌進(jìn)一步氧化為硝酸鹽,長(zhǎng)期以來(lái)一般認(rèn)為生長(zhǎng)在一起難以分開(kāi)的兩種菌種是實(shí)現(xiàn)生物脫氮必須經(jīng)歷的過(guò)程。近年來(lái),研究發(fā)現(xiàn)某些反硝化菌(如短程硝化反硝化菌)可通過(guò)調(diào)控運(yùn)行條件使硝化反應(yīng)維持在亞硝化階段并抑制其被氧化為硝酸鹽,使之以亞硝酸鹽的形態(tài)還原[19],其流程與傳統(tǒng)硝化反硝化的差異可用圖2簡(jiǎn)要表示。

圖2 傳統(tǒng)硝化反硝化與短程硝化反硝化流程對(duì)比Fig.2 Comparison of conventional nitrification denitrification and partial nitrification denitrification processes

短程硝化反硝化的出現(xiàn)省去了消耗碳源將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的過(guò)程,使碳源在反硝化過(guò)程中的需求減少40%[20]。通過(guò)水質(zhì)特征去選擇脫氮技術(shù)時(shí),進(jìn)水碳氮比較高可以考慮傳統(tǒng)的反硝化,而在碳氮比適中時(shí)短程硝化則更具優(yōu)勢(shì),它將氧化的氨氮維持在亞硝酸鹽狀態(tài)去進(jìn)行反硝化脫氮可使氧化過(guò)程所需的曝氣量減少29%[21],運(yùn)行穩(wěn)定的短程硝化過(guò)程能夠有效的節(jié)省曝氣費(fèi)用以及額外的碳源補(bǔ)充量。

3 膜材料及其性能比較

MABR的運(yùn)行性能受到多種因素制約,進(jìn)水水質(zhì)、pH、HRT等參數(shù)的改變能夠影響生物膜生長(zhǎng)狀況,進(jìn)而影響反應(yīng)器的處理效果,而供氧方式、曝氣壓力、膜材料等則會(huì)通過(guò)影響氧傳質(zhì)效率而對(duì)處理效果產(chǎn)生影響。曝氣膜材料對(duì)MABR的運(yùn)行及處理效果有很大的影響[27],氧氣需要通過(guò)膜向外傳遞供給微生物進(jìn)行生命活動(dòng),微生物的生長(zhǎng)附著和生物膜的形成也需要膜提供支撐載體,因此選擇合適的膜材料能夠有效提高M(jìn)ABR的運(yùn)行效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。相反,在保持膜材料相同的條件下,其他運(yùn)行參數(shù)的改變對(duì)處理效果也存在不同程度的影響[28]。

在近些年的研究中,MABR使用的膜材料主要包括致密膜、微孔膜和復(fù)合膜3大類。致密膜由均相聚合物材料制成,擁有優(yōu)秀的氧傳質(zhì)能力并且不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的膜污染問(wèn)題,但膜成本相對(duì)其他材料較高限制了它的廣泛應(yīng)用。微孔膜主要是由高分子材料制成,其優(yōu)秀的傳質(zhì)效率來(lái)源于氣體通過(guò)時(shí)阻力幾乎可忽略不計(jì),但長(zhǎng)時(shí)間使用后蛋白質(zhì)、細(xì)菌殘骸等大分子的物質(zhì)會(huì)使微孔內(nèi)親水從而充滿液體,縮短膜材料的使用時(shí)間[29]。復(fù)合膜指在微孔膜的基礎(chǔ)上涂敷一層致密的薄膜或?qū)δみM(jìn)行疏水/親水性方面的改性,提升微孔膜泡點(diǎn)壓力的同時(shí)增大了氣通量,膜表面也能在保證膜材料擁有較長(zhǎng)使用壽命的同時(shí)使微生物更好地附著在表面生長(zhǎng),相較于微孔膜和致密膜,其制作工藝會(huì)更加復(fù)雜。

為了對(duì)比膜材料及各運(yùn)行參數(shù)對(duì)生活污水MABR脫氮效率的影響,表1列舉了文獻(xiàn)中不同材料下的曝氣壓力、溶解氧、HRT、供氧方式和pH等運(yùn)行參數(shù)對(duì)生活污水MABR處理效果的影響。

表1 不同曝氣膜材料下MABR處理生活污水時(shí)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)及水處理效果Table 1 Operation parameters and water treatment effects of MABR in treating domestic wastewater under different aeration membrane materials

3.1 PVDF

PVDF膜化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定,且制作價(jià)格便宜,是如今曝氣膜材料中使用較為廣泛的一種。與其他膜材料相比,它粗糙的表面更有利于微生物附著。作為一種疏水性膜,氧氣傳輸時(shí)只需要通過(guò)膜孔就可以擴(kuò)散到膜外壁。相對(duì)于親水性微孔膜中氧分子以溶解氧的形式在微孔中傳遞,氧氣輸送所受的阻力更小[46]。

從表1可知,生物膜內(nèi)同時(shí)完成COD的降解以及同步硝化反硝化的反應(yīng)需要維持曝氣壓力在合理的范圍。曝氣壓力過(guò)低會(huì)加快膜材料污染速度,相反則會(huì)增加微生物的附著難度[47],以此為前提選擇PVDF膜,其近似魚(yú)鱗狀的粗糙表面為微生物附著提供便利,不對(duì)稱的膜孔結(jié)構(gòu)還能有效避免微生物快速在膜孔內(nèi)生長(zhǎng)從而堵塞膜孔。根據(jù)表1中處理污水時(shí)曝氣壓力對(duì)比,相對(duì)于PP膜,PVDF膜能憑借更低的曝氣壓力去達(dá)到脫氮除碳的目的,是PVDF膜在與PP膜對(duì)比使用時(shí)的優(yōu)勢(shì)之一。在都以空氣作為曝氣氣體的前提下,不同的曝氣模式也會(huì)從氧傳質(zhì)效率方面影響反應(yīng)器處理效率,與閉端式曝氣方式相比,貫通式曝氣方式會(huì)在膜組件末端損失大量氣體,擁有較低的氧傳質(zhì)效率。但使用空氣作為曝氣氣體容易使氧氣以外的其他氣體在膜組件末端堆積,使微生物在膜絲上附著不均勻,進(jìn)而影響反應(yīng)器處理效果。此外根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明,同步硝化反硝化的最佳pH范圍在中性和微堿性之間。微酸性的條件雖然利于反硝化反應(yīng),但硝化反應(yīng)會(huì)受到抑制。當(dāng)pH超出最佳適用范圍時(shí),硝化及反硝化均會(huì)受到抑制[48]。

HOU等[34]研究表明,為了提高脫氮效率,可以通過(guò)在膜材料表面涂覆物質(zhì)等改性方式來(lái)改變膜表面性質(zhì)從而達(dá)到提升膜表面親水性、增強(qiáng)掛膜效率和緩解膜污染等目的。親水性的增強(qiáng)以及膜表面更加粗糙的結(jié)構(gòu)更利于微生物的附著,提升生物膜形成效率。除此之外,膜的親水性能的提升、膜表面粗糙度的增加和膜表面有效面積的擴(kuò)大均對(duì)提高膜通量有利,進(jìn)而緩解膜的污染[49]。在考慮將MABR的膜材料進(jìn)行表面改性時(shí),由于PVDF相比PP表面更加粗糙且更親水,因此PVDF的改性更為常見(jiàn)。

3.2 PP

PP膜也屬于疏水性膜的一種,具有較強(qiáng)的耐腐蝕性,且價(jià)格便宜,是一種優(yōu)良的膜材料。與PVDF膜相比較,PP膜纖維表面更加光滑,膜孔分布更加均一,擁有更優(yōu)秀的氧傳質(zhì)能力[50]。

如表1所示,溶解氧含量在未測(cè)量曝氣壓力時(shí)作為影響溶解氧梯度構(gòu)建的參數(shù),能夠粗略判斷生物膜外層是否有厭氧或缺氧區(qū)的存在,在一定范圍內(nèi)對(duì)COD、總氮的去除率有所影響。相較PVDF膜,PP膜更強(qiáng)的疏水性能帶來(lái)更高氧傳質(zhì)速率,在曝氣膜所能承受的泡點(diǎn)以內(nèi),供氧量與供氧壓力的關(guān)系呈正相關(guān),因此當(dāng)曝氣壓力增大時(shí)生物膜可以得到更多的氧氣供給,并且溶解氧含量的增加也會(huì)提升溶解氧對(duì)于污泥的穿透能力[51],硝化速率從而也得到提升。而隨著溶解氧含量的增加,厭氧反硝化菌的活性受到抑制,致使反硝化的效率反而降低[39]。控制曝氣壓力在合適的范圍內(nèi),能夠充分發(fā)揮生物膜內(nèi)各種微生物的作用,調(diào)整生物膜的分層結(jié)構(gòu),達(dá)到理想的處理效果。隨著MABR生物膜內(nèi)微生物的新陳代謝以及溶解氧的消耗,生物膜厚度隨之增加,氨氮的表面負(fù)荷增加到一定值轉(zhuǎn)而減小,硝化反硝化性能也受到影響[52]。此外使用空氣曝氣還是純氧曝氣對(duì)微生物活性以及COD、總氮的去除率也存在影響。在考慮使用純氧曝氣時(shí)一般考慮閉端式曝氣,純氧曝氣使生物膜的新陳代謝活動(dòng)相較于空氣曝氣要更高,致使MABR內(nèi)微生物能在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到同樣的去除效果。相對(duì)于貫通式曝氣中只有一部分氣體通過(guò)擴(kuò)散作用傳輸至生物膜內(nèi)部,供給閉端式曝氣的氣體會(huì)在纖維管腔內(nèi)被全部壓到膜材料另一端的生物膜,這在一定程度上提升了氧利用率。

碳氮比的變化會(huì)影響MABR運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)而對(duì)總氮的去除率產(chǎn)生影響。根據(jù)張燕偉等[53]對(duì)于MABR生物膜內(nèi)的菌群結(jié)構(gòu)受碳氮比變化產(chǎn)生的豐度變化分析,硝化菌與好氧異養(yǎng)菌在溶解氧的競(jìng)爭(zhēng)中受碳氮比影響,碳氮比較高時(shí),硝化菌在與好氧異養(yǎng)菌爭(zhēng)奪溶解氧時(shí)處于相對(duì)劣勢(shì),硝化反應(yīng)受到抑制,氨氧化階段的進(jìn)行受到影響,進(jìn)而導(dǎo)致MABR反硝化效果受到影響。在對(duì)反應(yīng)的HRT進(jìn)行比較時(shí),不同的HRT代表著微生物與底物接觸并傳質(zhì)的過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間不同,從而對(duì)反應(yīng)器中COD、總氮的處理效率產(chǎn)生影響。在連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行的條件下,HRT過(guò)長(zhǎng)會(huì)降低單位時(shí)間內(nèi)處理的污染負(fù)荷大小,溶解氧含量相對(duì)充足,總氮去除在反硝化階段受到抑制,造成處理能力浪費(fèi)的同時(shí)影響污水綜合處理效果。

3.3 其他膜材料

目前用于MABR曝氣的膜材料中,除PVDF和PP之外,還有其他種類的膜材料。例如,不屬于常用膜材料種類的煤基炭、具有強(qiáng)疏水性的其他種類微孔材料以及屬于致密膜的硅橡膠等,近年來(lái)均有應(yīng)用于MABR處理污水的嘗試。

常規(guī)有機(jī)高分子材料作為 MABR 膜材料造價(jià)較昂貴,而煤基炭膜相比于傳統(tǒng)的有機(jī)膜價(jià)格更為低廉,并且在水處理效率、耐壓、耐腐蝕、清理維護(hù)和使用壽命等方面也具有優(yōu)勢(shì)。煤基炭膜較高的吸附能力更利于微生物的附著,進(jìn)而可以在更短的HRT下取得理想的去除效果。MABR除常使用的PVDF膜、PP膜兩種疏水性微孔膜外,PTFE膜作為強(qiáng)疏水性膜材料之一在近年來(lái)也有所應(yīng)用,氧氣傳輸時(shí)微孔膜中含有更少量的水使氣體擴(kuò)散時(shí)受到的阻力減小,與其他膜材料相比在同等曝氣壓力下得到的可利用的氧更多。 此外,PTFE擁有優(yōu)于其他膜材料的耐溶劑性[54],有效避免PVDF等其他疏水膜材料在使用酯類、酮類有機(jī)溶劑進(jìn)行表面改性時(shí)出現(xiàn)溶脹或溶解的情況。它在眾多水處理膜材料中也表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性,對(duì)水處理污染物要求低,機(jī)械性能強(qiáng),使用壽命更長(zhǎng)。硅橡膠膜作為一種疏水性的致密無(wú)孔膜,通過(guò)膜兩側(cè)壓強(qiáng)差進(jìn)行氧傳質(zhì),供氧壓力越大,獲得的氧傳質(zhì)速率越大。而硅橡膠膜本身的致密孔在耐沖擊負(fù)荷能力方面較強(qiáng)的同時(shí)也需要相對(duì)更高的壓力才能使其到達(dá)泡點(diǎn)[55]。此外疏水性膜材料在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)受到附著在膜壁上的親水性物質(zhì)影響,導(dǎo)致疏水性能變差,曝氣效果受到影響。

4 MABR在生活污水處理中的應(yīng)用

近年來(lái),為了契合“雙碳”目標(biāo)的節(jié)能減排要求,生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)變得愈發(fā)嚴(yán)格,因此傳統(tǒng)污水處理廠不可避免地需要進(jìn)行改造或耦合新型工藝以應(yīng)對(duì)更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。MABR技術(shù)在總氮去除方面效果優(yōu)異、運(yùn)行能耗上消耗低,用于處理?yè)碛休^高生化性的生活污水時(shí)具有良好的處理能力和較大優(yōu)勢(shì)。

在陳晶等[56]所搭建的單極MABR中試實(shí)驗(yàn)中,隨著污染物濃度的升高M(jìn)ABR表現(xiàn)出優(yōu)異的處理能力,并且良好的氧傳質(zhì)性能確保供氧充足的同時(shí)曝氣能耗低。美國(guó)伊利諾斯州YBSD污水處理廠作為迄今為止世界上最大的運(yùn)用MABR的污水處理廠,利用擁有領(lǐng)先膜曝氣生物膜技術(shù)廠商之一的蘇伊士公司所推出的 Zee LungTM對(duì)整個(gè)污水處理廠進(jìn)行改造,其領(lǐng)先的膜材料能更高效地提升充氧動(dòng)力效率,高于普通微孔膜近3倍,進(jìn)一步節(jié)約能耗[57]。

單獨(dú)將MABR應(yīng)用在規(guī)模較大的污水處理廠時(shí),需要考慮占地面積小、曝氣能耗低所節(jié)省的資金能否彌補(bǔ)膜組件本身運(yùn)行及維護(hù)所產(chǎn)生的費(fèi)用,因此現(xiàn)階段MABR多以耦合工藝的形式出現(xiàn)。魏愛(ài)書(shū)等[58]為了提升出水水質(zhì)在污水處理廠原有循環(huán)式活性污泥法(CAST)工藝基礎(chǔ)上添加MABR膜組件,在有限的場(chǎng)地內(nèi)完成污水處理廠改造,使水質(zhì)能穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比其他水處理技術(shù),耦合使用MABR只需要在原反應(yīng)池體內(nèi)進(jìn)行改造,改造工期較短,整體工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、優(yōu)勢(shì)明顯。

隨著MABR的發(fā)展,在生物膜中實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化、厭氧氨氧化和反硝化等工藝協(xié)同作用以減少額外碳源添加的目的研究正在逐步推進(jìn)。根據(jù)MEHRABI等[59]對(duì)于短程硝化反硝化的研究表明,利用異向傳質(zhì)產(chǎn)生的特殊膜結(jié)構(gòu),通過(guò)間歇曝氣的曝氣方式以及進(jìn)水碳氮比等條件的合理控制能夠限制亞硝酸鹽氧化菌的活性,進(jìn)而使亞硝酸鹽氧化過(guò)程所需要的碳被反硝化菌利用,實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。

5 展 望

生物脫氮理論的研究與完善促進(jìn)更多新型脫氮技術(shù)的產(chǎn)生,MABR作為一項(xiàng)將膜技術(shù)與生物處理技術(shù)相結(jié)合的新型生物脫氮技術(shù),在污水處理領(lǐng)域內(nèi)因其擁有高效脫氮、顯著節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)而具有重要的應(yīng)用推廣意義。就現(xiàn)階段對(duì)于MABR的理論發(fā)展和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用而言,仍存在部分問(wèn)題需要進(jìn)一步探究,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MABR的優(yōu)化:

(1) 微生物的群落種類、分布結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部協(xié)同作用與有機(jī)物和氨氮的去除相互關(guān)聯(lián)。特定的硝化菌菌種能夠?qū)⒌乜刂圃谙鄳?yīng)的狀態(tài),不同菌種的競(jìng)爭(zhēng)或合作關(guān)系受反應(yīng)工藝的運(yùn)行條件影響,以MABR同步硝化反硝化為基礎(chǔ)耦合更加節(jié)能的短程硝化以及厭氧氨氧化具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α＜赐ㄟ^(guò)調(diào)控工藝運(yùn)行條件使氨氧化菌成為優(yōu)勢(shì)菌種的同時(shí)抑制亞硝酸鹽氧化菌,使氮素以亞硝酸鹽的形式存在并被厭氧氨氧化菌直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。但在?shí)際的工藝運(yùn)行中,氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌二者的關(guān)聯(lián)性導(dǎo)致篩選氨氧化菌需投入更多的時(shí)間,在調(diào)控運(yùn)行參數(shù)控制不同種類功能菌的富集及代謝使工藝穩(wěn)定運(yùn)行方面仍需進(jìn)行大量且深入的研究。

(2) 膜材料的選擇對(duì)于微生物的附著、溶解氧的高效傳遞以及膜污染的程度存在影響。作為影響MABR成本的重要因素之一,合適的膜材料或有效的改性方式可優(yōu)化MABR的啟動(dòng)時(shí)間、提升氧氣的傳質(zhì)效率及延長(zhǎng)膜組件的使用壽命。此外,微生物在曝氣微孔內(nèi)密集生長(zhǎng)造成的膜污染會(huì)影響反應(yīng)器處理效果,膜材料的選擇對(duì)于膜污染的形成與控制以及膜絲清洗再利用等方面也需進(jìn)一步的研究。

(3) MABR工藝的應(yīng)用現(xiàn)多停留在實(shí)驗(yàn)室階段,在實(shí)際的運(yùn)用中多是以耦合其他工藝的形式存在,原因主要在于大規(guī)模水處理在運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后若出現(xiàn)替換膜組件的情況會(huì)需要較高的費(fèi)用,膜絲的可持續(xù)性使用方面仍存在疑問(wèn)和挑戰(zhàn)。