基于微氣泡曝氣的生物膜反應器廢水處理技術

高會萌

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812）

二級生物處理法處理廢水時，為保證活性污泥中好氧微生物的存活，必須要持續進行曝氣。微氣泡曝氣是利用水力剪切作用或微流體裝置制作出大量的微小氣泡，滿足好氧微生物的氧氣需求，通過提高微生物的活性，增強廢水降解、凈化的效率。在微氣泡曝氣技術應用中，多孔玻璃膜的空氣通透性、填料的選擇等，都會直接影響生物膜反應器的廢水處理效果。因此，必須要根據污水成分、凈化要求，科學選擇填料和多孔玻璃膜，才能保證生物膜反應器的處理效果最優化、運行效益最大化。

1 微氣泡曝氣方式

1.1 微氣泡產生形式及應用

隨著微氣泡曝氣技術的成熟，常用的微氣泡制造方式也變得更加多樣。早期的微氣泡主要通過水力剪切作用形成負壓，使空氣與水混合后得到微氣泡。但是需要氣體流量和流速達到較高值，無形中增加了能耗。微流體裝置利用獨立的氣體通道和液體通道，使氣體和液體在通道節點處以不低于0.01m/s 的速度混合，以較低能耗產生持續的微氣泡，并且支持改變通道端部的孔口直徑來調節氣泡的大小。近年來，超聲波法、電解析法、微多孔介質法等微氣泡產生技術相繼出現，為微氣泡曝氣在活性污泥污水處理中的應用效果得到了進一步的提升。

1.2 多孔玻璃膜在微氣泡曝氣中的應用

多孔玻璃膜（SPG）是一種微多孔介質，它是由Al2O3、SiO2為骨架的均勻微孔材料，通過改變膜的孔徑，可以產生不同大小的微氣泡。有研究表明，在活性污泥廢水處理工藝中，氣泡直徑與氧傳質速率呈負相關。氣泡越小的情況下，氧傳質速率越高，同樣條件下活性污泥中好氧微生物獲得的氧氣越充分，廢水中污染物的分解速度越快、去除率更高。因此，在制作基于微氣泡曝氣的生物膜反應器時，應盡量選擇小孔徑的多孔玻璃膜。

2 基于微氣泡曝氣的生物膜反應器運行實驗

2.1 實驗材料與裝置

本次實驗所用活性污泥來自某污水處理廠的二沉池回流污泥；生物膜反應器進水（廢水）由實驗室配制，COD 濃度為500-750mg/L，TOC 濃度為160-200mg/L，pH范圍6-8。實驗裝置共包括2 部分，其一是由多孔玻璃膜組成的微氣泡發生系統，其二懸掛填料的生物膜反應器，裝置布局如圖1 所示。

圖1 SPG 膜微氣泡發生系統及懸浮填料膜生物反應器

圖1 中，生物膜反應器為高480mm、內徑240mm 的圓筒，內部填充的填料可附著微生物。本實驗中共提供了5 種不同填料，分別是海綿纖維、立體空心填料、小孔徑和中孔徑塑料相位以及塑料絲帶。

2.2 生物膜反應器的運行條件

2.2.1 微氣泡曝氣條件

該套裝置中，在多孔玻璃膜發生裝置中產生微氣泡，然后將微氣泡輸入到生物膜反應器中進行曝氣。其中，多孔玻璃膜為0.8μm 的親水膜，膜的表面積有1.68×10-3m2和3.14×10-3m2兩種。由液體循環泵調控多孔玻璃膜中循環液體的流動速度，使其維持在1.2-1.6m/s 之間。有空氣壓縮機控制空氣流量，調節多孔玻璃膜兩側的壓力差，壓縮空氣的壓強在0.5-0.6MPa之間。

2.2.2 反應器運行參數

將收集到的污泥放入生物膜反應器內，污泥中的氨氮等成分有助于好氧微生物的生長和繁殖，從而促進生物膜的形成。使用微氣泡曝氣，等到懸浮填料表面形成一層富含微生物的粘性物質后即代表掛膜完畢。成功掛膜后讓生物膜反應器繼續運行100 分鐘，每20 分鐘為1 個階段，共計5 個階段。不同階段的水力停留時間、空氣流量、進水有機負荷等如表1 所示。

表1 生物膜反應器的運行參數

在生物膜反應器運行的100 分鐘內，進水COD 平均值為361.9mg/L，氨氮平均值為52.3mg/L。將反應器內經過微氣泡曝氣后的混合液作為循環液體。考慮到隨著反應器運行時間的延長，多孔玻璃膜可能會受到一定程度的污染，因此該實驗裝置還提供了在線清洗功能，每進入新的反應階段后首先清洗一次多孔玻璃膜，有效解決了因為膜污染對實驗結果產生的干擾。

清洗方法為：暫停微氣泡曝氣，將曝氣系統切換至清洗系統，同時換用濃度為1.5mol/L 的次氯酸鈉溶液進行沖洗，持續15 分鐘；然后替換成濃度為0.6mol/L 的演算溶液進行沖洗，持續5 分鐘。最后再用清水沖洗。清洗完畢后再切換至曝氣系統，重新進行微氣泡曝氣。

2.3 實驗方法

基于多孔玻璃膜的微氣泡曝氣過程中的空氣壓力、循環液壓力，均由對應的氣體流量計、液體流量計進行測定；溶解氧含量使用WTW cellox 325 型溶解氧測定儀測定；COD 和氨氮均采用國標方法測定。在生物膜反應器運行期間，還需要測定不同填料上的生物量，測定方法為：

（1）在裝入填料前，首先使用精密電子秤稱量5 種填料的初始重量，并做好記錄；

（2）在實驗結束后，取5 張濾紙分別放到烘干箱中，設定烘干溫度為105℃，持續烘烤2 小時，稱量濾紙的重量；

（3）取出填料，放到濾紙上，仍然置于烘干箱中使用105℃溫度進行烘烤，持續2 小時；

（4）取出烘干后的填料，稱重。用質量差表示填料上的生物量。

2.4 實驗結果與討論

2.4.1 填料的選擇

本實驗中分別使用了5 種填料，隨著生物膜反應器運行時間的延長，每一種填料上生物量變化如圖2 所示。

圖2 5 種球型懸浮填料生物量的變化

由圖2 可知，在生物膜反應器運行的前5 分鐘內，5種填料上的生物量沒有明顯差異，均維持在0.05g 以下。隨著運行時間的增加，以小孔徑纖維為填料的掛網，生物量增長速度明顯加快，在第27d 時達到了0.28g。相比于使用立體空心填料的掛網（0.06g），生物量增加了4.7倍。其次是中孔徑纖維，第27 日時生物量達到了0.26g。分析認為，小孔徑纖維因為多微孔，比表面積遠遠大于其他填料，更有利于好氧微生物的附著，因此生物量最多。

2.4.2 多孔玻璃膜的空氣通透性

多孔玻璃膜的空氣通透性直接影響微氣泡的產生量，進而決定最終的曝氣效果。本實驗中利用跨膜壓差和空氣流量兩項指標來反映多孔玻璃膜的空氣通透性。實驗表明，在空氣流量不變的情況下，前25 天內0.8μm親水膜的跨膜壓差總體不變，維持在135-140kPa 之間，表明多孔玻璃膜的空氣通透性變化不明顯。在25 天后，跨膜壓差呈現出下降趨勢，分析認為隨著生物膜反應器運行時間的延長，多孔玻璃膜的孔徑可能會被一部分雜質堵塞，進而導致通透性變化，膜兩側的壓力差減小。

2.4.3 溶解氧的變化

在整個實驗中，生物膜反應器內溶解氧的濃度呈現出下降趨勢，并且與進水有機負荷成負相關。在第1-4階段，進水有機負荷不斷升高，但是溶解氧濃度持續降低，從第1 階段的5.2mg/L 逐漸降低為4.1mg/L、3.2mg/L、1.3mg/L。由此可以得出，進水有機負荷是導致溶解氧濃度變化的重要原因。當生物膜反應器運行至第4 階段后，此時反應器內溶解氧濃度已經降低至較低水平，難以滿足有機負荷要求。因此在第5 階段增加了多孔玻璃膜的面積，從原來的1.68×10-3m3,增加至3.14×10-3m3。更換材料后，系統的空氣供應能力得到明顯提升，此時生物膜反應器內的溶解氧濃度也從第4 階段的1.3mg/L增加至第5 階段的2.8mg/L。

2.4.4 污染物的去除效果

廢水中的污染物以COD 和氨氮為主，兩種污染物的去除效果如表2 所示。

表2 各個階段污染物的去除率（%）

結合表2 數據可知，該系統的第1-3 階段，廢水中COD 的去除效果較好，特別是在第3 階段，COD 去除率達到了90.61%。這是因為前3 階段反應器內溶解氧濃度較高，好氧微生物的活性較強，可以大量分解COD。從第4 階段開始，因為有機負荷升高，溶解氧濃度下降限制了好氧分解速率，因此COD 去除率也隨之降低。第5 階段增加親水膜面積后，溶解氧濃度再次上升，COD 去除率得到提高。而廢水中的氨氮在第1 階段去除率最高，隨著時間的延長，多孔玻璃膜因受到污染產生微氣泡的能力變差，溶解氧含量降低，抑制硝化細菌的活性，因此氨氮去除率呈現出降低趨勢。

3 結論

基于微氣泡曝氣的生物膜反應器廢水處理技術，可以利用微氣泡增加反應物中的氧氣含量，從而滿足好氧微生物的生長需求和生物活性，進一步提高對廢水中氨氮、COD 的去除率。當然，隨著反應時間的增加，可能會因為多孔玻璃膜污染等原因導致廢水處理能力降低，因此在反應器運行過程中還要定期進行填料清洗、多孔玻璃膜的更換，才能保證廢水處理的高效率進行。