膜曝氣生物反應器在廢水生物脫氮領域研究進展

李雨芬，楊 軍

（上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司，安徽 合肥 230000）

當下，氮素污染已經成為重要的環境問題之一，因而廢水脫氮對控制水體污染、改善水環境質量具有重要意義。廢水脫氮技術包括物化法和生物法，生物脫氮技術以其經濟性和有效性在城鎮污水處理廠和工業廢水處理廠均有廣泛的應用。膜曝氣生物反應器（MABR）是一種新型高效的脫氮技術，結合無泡式曝氣和異向傳質的特點，提高了氧氣傳質效率，實現了硝化和反硝化過程的同步性和一體化。相較傳統生物脫氮工藝，MABR工藝具有能耗成本低、環保性能優越等優點，因而在廢水生物脫氮領域具有良好的應用前景。

1 MABR原理

在MABR中，氧氣從膜腔穿透膜壁，自生物膜內側向外側滲透，形成從生物膜內側到外側遞減的濃度梯度。廢水中的污染物從生物膜-廢水交界面向生物膜內側滲透，形成從生物膜外側到內側遞減的濃度梯度。

一般情況下，氧氣能滲透到生物膜中的厚度為50～200 mm，如果膜表面形成的生物膜厚度大于氧氣滲透深度，則會出現缺氧層或厭氧層，從而為不同呼吸類型的微生物混合培養提供條件，實現好氧-厭氧生物反應體系的一體化。以污水中氨氮和COD的去除為例，膜腔內的氣態基質為氧氣，MABR內各基質的傳輸模型如圖1所示[1]。

圖1 MABR中氧氣和典型廢水中污染物傳輸示意圖

2 MABR膜組件

膜組件的主要功能是為微生物提供氣態基質和附著載體。膜材料類型和膜組件型式對曝氣效果和微生物附著均有一定影響。

2.1 膜材料類型

良好的膜材料應具有較好的透氣性和一定的表面粗糙度，同時，還需有抗污染性和耐腐蝕性，便于反應器的長期運行[2]。目前，MABR中常用的膜材料類型主要有微孔膜、致密膜和復合膜三類。

微孔膜通常為人造疏水性材料，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。這類膜一般具有較大的氣相擴散系數，因而可以得到較高的氣體傳輸速率。在實際應用中，微孔膜的“泡點”（一定溫度下，液相分離出的第一批氣泡的壓力）較低，供氣壓力相應也較低。以氧氣為例，多孔膜可以使用的供氣氣壓為10 kPa～50 kPa。微孔膜長時間運行后氣體的傳輸速率會因膜孔堵塞或水汽凝結而降低，易造成氧氣供給不足的情況。

致密膜，又稱為無孔膜，常使用硅橡膠制成。該類膜的物理化學穩定性好，無膜孔堵塞問題。致密膜的擴散阻力較大，在實際運行中一般采用較高的供氣氣壓（0.3 MPa～0.6 MPa）。相較于污水處理廠常規的氣泡式曝氣方式，致密膜曝氣在較高的供氣氣壓下可提高氣體在液相中的溶解度，突破廢水處理中氣態基質的限制性問題。

復合膜通過在多孔膜上嵌入包裹一層薄的無孔膜制成，可以避免多孔膜存在的泡點限制，且相對致密膜擴散阻力有所減小，但制作成本及難度也相應較高。王榮昌等[3]采用等離子體法改性聚四氟乙烯（PTFE）膜材料，對比了四種混合單體改性的膜材料在微生物親和性和氧傳質性能上的差別，結果表明，Lys/GMA（賴氨酸/甲基丙烯酸縮水甘油酯）混合單體改性的膜材料性能最佳，膜表面生物量（TOC）和最大氧傳質系數較未改性膜材料分別提高了286%和59%。

2.2 膜組件的結構型式

膜組件根據結構型式可分為平板式和中空纖維式等。中空纖維式具有很大的比表面積，可以富集大量微生物，但也容易造成堵塞以及微生物沿膜絲生長不均等問題[4]。相比之下，平板式更易于顯微層面的觀察分析，但在實際應用中受限于較低的比表面積。

膜組件根據通氣方式可分為閉端式（僅從膜壁出氣）和貫通式（部分氣體從出氣端排出，另一部分透過膜壁傳輸至生物膜）。閉端供氣方式理論上可達100%氣體利用率，但氣體傳輸效率會隨膜腔中的水冷凝或雜氣累積產生的濃度梯度而逐漸降低。相反，貫通方式可以帶走水汽及其它雜氣，但會使得氣體的利用效率降低。

3 MABR生物脫氮工藝

3.1 同步硝化/短程硝化-反硝化

硝化過程和反硝化過程在同一個反應器中進行的現象被稱作“同步硝化反硝化”，常見的如氧化溝、生物轉盤、SBR等工藝。相較于傳統的分體式硝化-反硝化工藝，同步硝化反硝化可節省空間和建造成本，還可免除硝化段出水回流的操作。

MABR的生物膜可形成好氧/缺氧活性層，從而實現同步硝化反硝化[5]。董卓俊等[6]研究了MABR對氨氮廢水的處理效果，在最佳運行條件下，MABR對COD和氨氮的去除率可分別達到95%和79%以上。劉自富等[7]利用中空纖維MABR處理模擬啤酒廢水，對COD和氨氮的平均去除率分別達到88.6%和92.4%。

對于高濃度含氮廢水，硝化階段曝氣所造成的能耗以及反硝化階段需投加的額外碳源將造成高昂的經濟成本。相較之下，短程硝化-反硝化技術在高濃度含氮廢水的處理中更具優勢。短程硝化階段控制的關鍵是對氨氧化細菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）的控制，通過控制溫度、pH值和游離氨、溶解氧、碳氮比和污泥齡等參數可將氨氮的氧化控制在亞硝化階段[8]。

3.2 短程硝化-厭氧氨氧化

當下，厭氧氨氧化工藝已成為一種極具前景的脫氮技術，特別是對于含高濃度氨氮或具有低C/N比的廢水，如成熟的垃圾滲濾液、污泥厭氧硝化上清液或其他厭氧廢水，具有明顯的優勢。由于厭氧氨氧化菌需要亞硝態氮作為基質之一，因此厭氧氨氧化需要結合短程硝化來完成廢水中氮素的去除。相較于傳統的硝化反硝化技術，短程硝化/厭氧氨氧化（PN/A）過程可節省約60%的氧氣需求，100%的外源碳源，并減少80%的過量污泥產生[9]。

短程硝化-厭氧氨氧化技術包括單階段和分段式反應過程。單階段式PN/A工藝可顯著降低基礎設施和運營成本，且排放的NO和N2O較分段式更低，且更具節能性和環保性。Gong等[10]在無紡布支撐的透氣性碳管MABR中實現了PN/A過程，PN/A的自養脫氮速率達0.77 kg·N/m3·d。

3.3 短程硝化-厭氧氨氧化聯合甲烷型反硝化技術

甲烷作為一種廉價易得的簡單有機物，可以作為反硝化過程所需的碳源。甲烷在水中的溶解度較低，膜曝氣法甲烷傳質效率高于傳統氣泡式曝氣法，MABR是一種支持甲烷型反硝化的有利工具。

厭氧氨氧化技術與甲烷型反硝化過程的結合為深度脫氮提供了可能。當模擬廢水中NH4+和NO2-的濃度分別為470和560 mg·N/L時，甲烷型反硝化耦合厭氧氨氧化膜反應器中氮素的去除率可達99.9%，出水中總氮水平約為0.2 mg/L，接近氮素零排放的水平[11]。Liu等[12]利用中空纖維MABR實現了短程硝化-厭氧氨氧化-甲烷型反硝化混合反應體系，在進水氨氮濃度為1 030 mg·N/L·d、水力停留時間為16 h的條件下，實現了98%的總氮去除效率以及1.5 kg·N/m3·d的總氮去除速率。值得關注的是，短程硝化-厭氧氨氧化和甲烷型反硝化聯合脫氮技術（PNAM）報道數量有限，該技術的推廣和成熟化應用離不開后續進一步的研究。

4 MABR影響因素

4.1 曝氣壓力

曝氣壓力直接影響氧氣的傳輸效率。一般情況下，曝氣壓力越高，氧氣透過率和氧轉移效率更高，但是過高的曝氣壓力可能產生微氣泡，從而導致生物膜的脫落，過高的DO水平也不利于反硝化過程的進行。張文麗等[13]研究了不同曝氣壓力（0.02 Mpa，0.04 Mpa和0.06 Mpa）對MABR中脫氮效率的影響，隨著曝氣壓力的增加，MABR中同步硝化反硝化脫氮效率先升高后降低，在曝氣壓力為0.04 Mpa時，脫氮效率最佳，總氮去除率為76.71%。

4.2 COD/N

針對城市生活污水或模擬廢水，污水的COD/N對有機物和氮素的去除效果有較大的影響。通常，COD/N高于10的污水能夠達到很好的氮素去除效果，然而當下許多城市的實際生活污水中COD/N普遍較低，有些甚至低于5，對異養反硝化過程造成了嚴重的影響。以往的研究表明，適用同步硝化反硝化反應的最佳COD/N為7～15。Lin等[14]對比研究了COD/N為10～3范圍內膜曝氣反應器的脫氮除碳性能，發現COD/N達到5及以上時，脫氮率都維持在較高的水平，而當COD/N降至3時，反應器的脫氮效能顯著下降，并伴隨細菌數量和生物量的顯著減少。張燕偉[15]等通過提高氨氮負荷將MABR中的C/N由4.3逐漸降低至2.3，反應器系統的脫氮效率由87.42%降低至82.53%，但仍可維持反應系統的穩定運行，相關分析認為生物膜系統中存在自養型反硝化微生物，對COD/N的變化具有一定的適應性。

4.3 流速

流速對液相基質傳質、生物膜的形成和脫落、生物膜厚度和結構均有影響。相關研究表明：流速會影響細胞附著載體表面的流動邊界層厚度，從而影響細胞受到的剪切力，對其附著行為產生影響[16]。在一定范圍內，流速越大，流動邊界層厚度越薄，越有利于液相基質的傳質。但流速過大對細胞的剪切力過強，不利于細胞的附著，對已形成的生物膜擾動性強，易造成生物膜的松散和脫落。楚紅亮等[17]對比了0.01 m/s、0.05 m/s和0.1 m/s三種膜面流速下MABR的除碳脫氮效率，研究結果表明：在0.05 m/s的流速條件下，反應器的性能最優，對COD和TN的去除率可分別達到94%和85%。

5 存在的問題及展望

目前，MABR在生物脫氮領域的應用已經得到研究者的廣泛關注并取得快速發展，但距大規模的廣泛應用尚有不足。主要問題體現在以下幾個方面：

（1）成熟耐用的膜材料是MABR的關鍵，目前國內尚未研究出一種公認力較高、經濟耐用的膜材料。國內在污水處理領域有關膜材料的研究尚有欠缺。

（2）MABR生物脫氮工藝類型較多，涉及的功能微生物類型豐富，反應器運行條件與生物膜的功能微生物之間尚未建立成熟的關聯體系，微觀層面的表征和解析有待進一步深化。

（3）MABR與新型脫氮工藝的結合對拓展MABR的應用領域和節能減排具有重要的意義，未來有關該方面的研究有待進一步完善。