MABR技術在水體增氧和微污染水體水質凈化中的應用研究

葛誠 張悅 梁汀 段騰騰 胡邦

摘要：為改善微污染水體水質，針對MABR技術在水體增氧和微污染水體水質凈化效果進行小試研究。結果表明：利用MABR技術對曝氣水體增氧，增氧效果遠勝于傳統曝氣方式;通過對不同運行參數進行增氧對比試驗，確定最佳參數為膜尺寸10 m × 1 m、斷面流速為0.12 m/s、曝氣流量為3 m3/h;在最佳運行參數下，確定單位膜面積溶解氧增量為0.3655 mg/L/m2以及增加1 mg/L溶解氧的氣體流量和膜面積比值為1.313 m3/m2;在最佳運行參數下，對微污染水體進行提質試驗，COD、TP、NH4+-N和TN去除率分別為73.08%、38.33%、95.75%和20.18%，優于傳統曝氣。

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.

近年來，傳統生物水處理技術與其它學科，如材料科學、自動化控制過程和膜科學交叉融合，成為水處理技術發展的主要趨勢。生物膜法與富氧氣體分離膜的結合形成了無泡膜曝氣生物反應器（MABR）水處理技術。MABR具有獨特的異向傳質過程，即將生物膜分為三層，從內到外依次為好氧層、兼氧層和厭氧層。因此，MABR可實現有機物（COD）降解和含氮物質脫除等集成強化功能[1]。目前，人們對MABR的研究主要集中于基礎應用領域，大規模商業化工程應用僅停留在小試和中試階段，且主要針對工業廢水。因此，需要加快該技術的應用基礎研究和工業化進程。

城市河道水體污染通常是因為工程建設占用河道，造成水系不通，生活污水和工業廢水隨意排放，造成河道生態破壞，排入河道的污染物超出了河道水體的自凈能力，水體溶解氧降低，富營養化明顯，底泥在厭氧條件下產生硫化氫、氨氣等刺鼻性氣體以及鐵、錳硫化物等黑色物質，甚至造成水體黑臭[2]。利用物理或者化學方法處理污染河道均不能達到理想的效果或者長時間維持對污染物的削減作用，且這些方法施工、人力成本高，容易造成二次污染[3]。顯然，如果用MABR技術對河道水體污染物進行處理，可能效果顯著且長遠，處理成本低，不會產生二次污染。但MABR在河道治理中的應用很少。

本研究通過設計可控的小試裝置，對不同膜尺寸、曝氣流量和斷面流速下曝氣增氧效果進行實驗分析，確定最佳曝氣條件，在此條件下完成MABR對微污染水體水質凈化的研究。

1.試驗裝置及方案設計

1.1試驗裝置

剖面如圖1所示，上下限位板為MABR膜提供支撐的同時可以保護進氣管道可以順利彎曲進而從圓筒中導出連接到外部的曝氣設備。卷曲的膜外存在保護外殼，可以有效減免水體中沙礫等細小尖銳物品對MABR膜的磨損以及在膜蜷曲時作為隔開物避免蜷曲導致膜損傷。上下出水口連接蠕動泵實現水體自循環以及模擬真實河道中水體流動。

1.2試驗水源

本研究試驗用水有兩種：一種是用于水體增氧研究用的自來水，另一種是模擬微污染水體的真實河水。其中，真實河水選用江南大學蠡湖校區內河河水，河水水質為pH為7.74、ORP為207 mV、COD為35 mg/L、NH4+-N為3.71 mg/L、TN為4.64 mg/L、TP為0.22 mg/L以及DO為2 mg/L。由于選用河道水質比試驗研究水質要好，因此在選取的河水中外加營養物質，使水質達到研究用水。所添加的營養物質以及配置所需的濃度值見表1。

1.3試驗方案設計

常規條件下MABR增氧效果研究如下：利用氮氣將實驗裝置中自來水DO降低到1 mg/L，實驗參數選擇如下：膜尺寸為10 m × 1 m、曝氣流量為3 m3/h、斷面流速為0.1 m/s。每隔2 h使用YSI Professional Plus多參數水質分析儀測定裝置上取水口和中取水口處的DO濃度，共測定8次。隨后對不同膜尺寸、曝氣流量和斷面流速下增氧效果研究進行相同處理和測定方式，其中膜尺寸設置為12 m × 1 m、10 m × 1 m和8 m × 1 m;曝氣流量設置為1 m3/h、2 m3/h和3 m3/h;斷面流速設定為0.12 m/s、0.1 m/s和0.6 m/s。

在完成水體增氧研究后，確定裝置最優的運行參數，并在此參數下完成微污染水體水質凈化研究。每次實驗分為對照組和MABR組，對照組不放入膜，MABR組放入膜，其它參數相同。測定水體NH4+-N、TN、TP和COD，測定時長為12 d。

1.4 NH4+-N、TN、TP和COD測定方法

NH4+-N測定方法采用《中華人民共和國國家環境保護標準》（HJ535—2009）納氏試劑分光光度法，該標準適用于地表水、地下水、生活污水和工業廢水中氨氮的測定;TN測定方法采用《中華人民共和國國家環境保護標準》（HJ 636—2012）堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，該標準適用于地表水、地下水、生活污水和工業廢水中總氮的測定;TP測定方法采用國家環境保護總局發布的《中華人民共和國國家標準》（GB11893—89）鉬酸銨分光光度法，該標準適用于地面水、污水和工業廢水;COD測定方法采用《中華人民共和國國家環境保護標準》（HJ828—2017）重鉻酸鹽法，該標準適用于地表水、生活污水和工業廢水中化學需氧量的測定。

2.結果與討論

2.1常規條件下MABR增氧效果和分析

常規條件下MABR DO濃度變化如圖2所示。從圖2中可知，常規條件下，裝置運行16 h后，中部取水口DO從1.68 mg/L上升到5.11 mg/L，上部取水口DO從1 mg/L上升到4.76 mg/L。其中，中部取水口處DO濃度一直高于上取水口處的DO濃度，可能是因為MABR設備是從底部開始曝氣，中部取水口處的位置更早有空氣從膜內滲出到水體中。兩個取水口曝氣前4 h DO濃度增加較為緩慢，可能是曝氣前期MABR膜內存在的空氣較少，需要曝氣量達到一定程度時MABR膜中才有足夠的氣體可以透過中空纖維膜滲入水中。曝氣一定時間后，水中DO濃度開始穩定增加直至達到水中DO飽和。

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濃度變化結果如圖3和圖4所示。從圖3中可知，裝置運行16 h后，膜尺寸為12 m × 1 m、10 m × 1 m和8 m × 1 m的裝置上部取水口處，DO濃度從1 mg/L分別上升到4.23 mg/L、4.68 mg/L和4.37 mg/L。此外，MABR膜尺寸為10 m × 1 m時，MABR設備為水體提供的溶解氧最多，明顯高于12 m × 1 m和8 m × 1 m的膜。從圖4中可知，裝置運行16 h后，膜尺寸為12 m×1 m、10 m×1 m和8 m×1 m的裝置上部取水口處DO濃度從1 mg/L分別上升到4.76 mg/L、4.63 mg/L和4.66 mg/L。三種不同膜尺寸中部取水口DO濃度上升趨勢一致，沒有明顯區別。綜上所述，10 m×1 m的MABR膜可以為裝置創造最大量的DO。

2.3不同斷面流速下MABR增氧效果和分析

不同斷面流速上部和中部取水口DO濃度變化結果如圖5和圖6所示。從圖5中可知，斷面流速分別設置為0.06 m/s、0.1 m/s和0.12 m/s條件下，裝置運行16 h后，上部取水口DO濃度從1 mg/L分別上升為4.06 mg/L、3.64 mg/L和5.02 mg/L。相同曝氣時間內，其它參數相同的情況下，斷面流速為0.12 m/s時，MABR裝置的復氧效果最好。從圖6中可知，實驗裝置斷面流速分別設置為0.06 m/s、0.1 m/s和0.12 m/s條件下，裝置運行16 h后，中部取水口DO濃度從1 mg/L分別上升為3.64 mg/L、4.52 mg/L和5.30 mg/L。相同曝氣時間內，其它參數相同情況下，斷面流速為0.12 m/s時，MABR裝置的復氧效果最好。綜上所述，為確保MABR裝置為水體提供更多的DO，斷面流速應選擇為0.12 m/s。

2.4不同曝氣流量下MABR增氧效果和分析

不同曝氣流量上部和中部取水口DO濃度變化結果如圖7和圖8所示。從圖7中可知，實驗裝置曝氣流量分別設置為3 m3/h、2 m3/h和1 m3/h時，裝置運行16 h后，上部取水口DO濃度從1 mg/L分別上升為5.30 mg/L、3.51 mg/L和3.87 mg/L。曝氣流量為3 m3/h時，復氧效果最佳，其次是1 m3/h，2 m3/h復氧能力最弱。從圖8中可知，實驗裝置曝氣流量分別設置為3 m3/h、2 m3/h和1 m3/h時，裝置運行16 h后，上部取水口DO濃度從1 mg/L分別上升為4.06 mg/L、3.61 mg/L和3.93 mg/L。曝氣流量為3 m3/h和1 m3/h時的復氧能力接近且均大于2 m3/h時的復氧能力。綜上所述，曝氣流量為3 m3/h時，MABR復氧效果最好。

2.5 MABR技術在微污染水體水質凈化效果研究

為考察微污染水體在MABR技術和常規曝氣下，水體中NH4+-N、TN、TP和COD的變化，對兩種情況下的水體進行12 d的監測試驗。COD濃度變化如圖9所示，TP濃度變化如圖10所示，NH4+-N濃度變化如圖11所示，TN濃度變化如圖12所示。

由圖9可知，MABR組和對照組對于COD的去除均有一定效果，其中MABR組的COD去除率為73.08%，對照組COD去除率為51.92%。MABR組對于COD的去除效果明顯優于對照組。可能是因為MABR的無泡曝氣特點導致供氧傳質阻力較小而實現較高的氧轉移效率[4]，以及膜外的生物膜結構中生物膜表層的污染物濃度最高但是溶解氧濃度最低，而在靠近曝氣膜的生物膜內層，污染物濃度達到最低但溶解氧濃度卻最高。

由圖10可知，MABR組TP濃度變化范圍為0.74～1.20 mg/L，對照組TP濃度變化范圍為0.92～1.20 mg/L。兩者對于TP的去除率分別為38.33%和23.33%。可以看出，MABR技術對于TP的去除效果并不明顯，可以是因為在整個試驗處理過程中，沒有污泥從水體排出，被磷酸鹽積聚的生物體（PAOs）吸收的磷可能會釋放回水中[5]，從而導致TP去除效果不明顯。另外，磷的初始濃度為1.0 mg/L左右，相比于工業污水、城市生活污水濃度在幾十到幾百mg/L左右，濃度較低，或許也是影響其降解效果的因素[6]。

由圖11可知，MABR組NH4+-N濃度變化范圍為0.26～6.12 mg/L，對照組NH4+-N濃度變化范圍為0.73～6.04 mg/L。對照組和MABR組的NH4+-N去除效果都很明顯，并且MABR組的效果更好。由于曝氣的作用，水體中DO濃度升高，硝化作用增強，導致NH4+-N降解。

由圖12可知，MABR組TN濃度變化范圍為20.25～25.37 mg/L，TN去除率為20.18%;對照組TN濃度變化范圍為22.46～25.14 mg/L，TN去除率為10.67%。曝氣有助于TN濃度的降低，且MABR技術效果更佳。由于亞硝酸鹽非常容易被氧化為硝酸鹽[7]，且長期曝氣水中有機氮含量較小，因此我們認為NH4+-N濃度和NO3--N的變化可近似反映TN的變化，結合圖11中NH4+-N快速降解，可知存在NH4+-N轉化為NO3--N的過程。

3.結論與建議

（1） 最優的運行參數為：膜尺寸10 m × 1 m、斷面流速為0.12 m/s、曝氣流量為3 m3/h;

（2） 該材料的MABR膜增加1mg/L溶解氧的氣體流量和膜面積比值為1.313 m3/m2;

（3） 利用MABR技術凈化微污染河道水體，對COD的去除率可達到73.08%，對TP的去除率可達到38.33%，對NH4+-N的去除率為95.75%，對TN的去除率為20.18%。

（4） 本次試驗用水微生物活性較低，如果通過接種活性污泥來提高微生物活性，可以進一步增加污染物的去除。

參考文獻：

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