膜曝氣生物膜反應(yīng)器生物脫氮研究進(jìn)展

全康環(huán)保:目前我國(guó)水污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻，氮素等污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，新高效脫氮工藝的發(fā)展需求迫切。近20年來(lái)，膜曝氣生物膜反應(yīng)器( membrane aeratedbiofilm reactor，MABR) 作為一項(xiàng)頗具節(jié)能潛力的技術(shù)，憑借其高效脫氮、占地面積小等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)污水處理的節(jié)能減耗，污水廠的升級(jí)改造中顯得尤為重要。在1972年出現(xiàn)了用于細(xì)胞和組織培養(yǎng)的中空纖維氧化系統(tǒng)，根據(jù)這一成果 Yeh 等于 1978 年首次提出并構(gòu)建了MABR，發(fā)現(xiàn)微孔膜曝氣耦合微生物膜氧化方法可以有效降解廢水中的有機(jī)質(zhì)。1989 年，Cote等提出無(wú)泡曝氣的概念，論證了MABR在氣體傳質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)。分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展使Yamigawa 等在 1994 年首次觀察到MABR的生物膜群落存在分層結(jié)構(gòu)。至此，MABR正式進(jìn)入研究者的視野。接下來(lái)的20多年，學(xué)者們?cè)贛ABR的工藝原理、影響因素和工藝優(yōu)化上做了大量研究，隨著膜材料的開發(fā)，從工藝機(jī)理到工藝開發(fā)與應(yīng)用方面均取得了較大進(jìn)步。以此為基礎(chǔ)，2013 年都柏林大學(xué)Spinout 公司率先研發(fā)出MABR的商用中空纖維膜，隨后SUEZ、Fluence 等公司也相繼推出了基于MABR工藝的膜組件和成套污水處理解決方案。目前MABR在污水廠擴(kuò)容改造與節(jié)能降耗方面均有較多應(yīng)用，同時(shí)在工業(yè)廢水處理、河道水質(zhì)凈化等方面也有一定拓展應(yīng)用。MABR膜材料無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求與已有技術(shù)積累不足以支持MABR的深入研究一直是制約MABR技術(shù)發(fā)展的重要因素。隨著分子材料學(xué)的發(fā)展與檢測(cè)手段的不斷進(jìn)步，MABR在近20年受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注(圖1) ，在污水脫氮方面的應(yīng)用一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)，占全部MABR 相關(guān)文章的90%以上。本文圍繞MABR在新型脫氮工藝技術(shù)方面的發(fā)展應(yīng)用，分別從膜材料與性能進(jìn)步、工藝設(shè)計(jì)與發(fā)展、工藝運(yùn)行優(yōu)化等方面進(jìn)行了綜述，并在此基礎(chǔ)上提出未來(lái)研究和工程應(yīng)用發(fā)展的思考，為脫氮工藝技術(shù)發(fā)展提供參考和借鑒。

圖1 膜曝氣生物膜反應(yīng)器近20年發(fā)表論文數(shù)

摘 要

膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR) 是一種新型生物污水處理技術(shù)，具有氧傳質(zhì)效率高、底物氧氣異向傳質(zhì)等特點(diǎn)，在污水高效脫氮、節(jié)能降耗、污泥減量化等方面優(yōu)勢(shì)明顯，近年備受關(guān)注。近20多年的研究中，系列研究工作對(duì)影響MABR運(yùn)行效果的氣體傳質(zhì)、物質(zhì)傳遞及微生物群落結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行了深入探索，在工藝控制與優(yōu)化、反應(yīng)器設(shè)計(jì)與改進(jìn)、脫氮工藝過(guò)程模型開發(fā)與模擬等方面取得較大進(jìn)展突破。隨著膜材料的不斷改進(jìn)和全面應(yīng)用，MABR技術(shù)具有良好的工程實(shí)踐前景。

01 膜材料開發(fā)及曝氣性能改進(jìn)

1.無(wú)泡曝氣的優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)鼓風(fēng)曝氣的活性污泥工藝中，40%～60%的能耗被用于曝氣，但是只有 5%～25%的氧能夠轉(zhuǎn)移到水中，剩余氣體會(huì)以氣泡的形式逸出進(jìn)入大氣。而MABR系統(tǒng)利用疏水膜材料進(jìn)行曝氣，氧氣在膜內(nèi)外兩側(cè)氧分壓差的作用下，通過(guò)膜擴(kuò)散直接到達(dá)生物膜。在MABR中，氧傳遞到生物膜表面時(shí)不需要經(jīng)過(guò)液相邊界層，傳質(zhì)阻力變小，氧的傳質(zhì)速率(OTR) 也得以提高。而且，MABR中氣體的氧分壓不受液相深度的影響，即使在淺水處也可保持較大的氧濃度梯度。與傳統(tǒng)曝氣相比，膜曝氣不產(chǎn)生氣泡，所以擴(kuò)散過(guò)膜的氧氣可以完全被生物膜利用，氧的傳遞效率(OTE) 最高可達(dá)到100%，大幅節(jié)約能耗。同時(shí)，由于MABR的氣相和液相在物理上是分離的，膜曝氣系統(tǒng)可有效地分離曝氣和混合功能，結(jié)合無(wú)泡曝氣的高氧利用率，只需調(diào)節(jié)氧分壓即可精準(zhǔn)控制氧氣供應(yīng)量，不僅可以避免氣體的浪費(fèi)，又可以間接控制生物膜中的氧氣穿透深度，為各種耦合工藝實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造獨(dú)有供氧條件。

2.膜材料與膜組件的發(fā)展進(jìn)步

研制低成本高效率的膜材料對(duì)MABR的推廣應(yīng)用至關(guān)重要，評(píng)價(jià)膜材料的指標(biāo)包括傳質(zhì)阻力、泡點(diǎn)壓力、生物親和性等。MABR膜材料分為微孔膜和致密膜。微孔膜以聚偏氟乙烯( PVDF) 、聚丙烯( PP) 、聚乙烯( PE) 等疏水材料制成，氧分子經(jīng)由微孔傳遞; 致密膜采用硅膠等致密材料，氧氣直接通過(guò)分子擴(kuò)散過(guò)膜?，F(xiàn)階段膜材料的研究與發(fā)展主要以提高穩(wěn)定性、氧傳質(zhì)能力和生物親和力為目的，在微孔膜和致密膜的基礎(chǔ)上發(fā)展出一些新的形式。例如，在處理高濃度廢水時(shí)，需要較低的傳質(zhì)阻力和較高的泡點(diǎn)壓力，以保證在不形成氣泡的情況下提供高氧通量。微孔膜相比致密膜傳質(zhì)阻力較低，但是泡點(diǎn)壓力也更低。此外，在微孔膜的使用過(guò)程中，溶液和雜質(zhì)易進(jìn)入空隙造成堵塞，對(duì)氧通量造成極大影響。為了平衡兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，研究者在微孔膜載體上涂覆一層致密層形成復(fù)合膜，可以在相對(duì)較高的操作壓力下實(shí)現(xiàn)無(wú)泡曝氣，并有效保護(hù)膜孔不被微生物堵塞。而在處理主流低濃度污水或用于自養(yǎng)脫氮工藝時(shí)，由于進(jìn)水負(fù)荷低、生物膜生長(zhǎng)速率較慢，且硝化細(xì)菌等自養(yǎng)菌的胞外聚合物(EPS) 產(chǎn)量低，形成的生物膜結(jié)構(gòu)脆弱，因此膜材料的生物親和性成為更重要的指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，表面粗糙度高、疏水性好、帶正電荷的膜材料生物親和性更好，因此可以通過(guò)膜改性為膜表面附加基團(tuán)，改善膜材料附著生物膜的能力。Lackner 等在膜表面引入含氨基的聚乙二醇鏈后，生物膜更易附著，更穩(wěn)定。Hou 等利用二羥基苯丙氨酸對(duì) PVDF 微孔膜進(jìn)行了表面改性，改性后的表面粗糙度和親和度提高，COD 和總氮的去除效果都明顯提高。王榮昌等也通過(guò)等離子法在聚四氟乙烯( PTFE) 膜上接枝混合單體提高膜的生物親和性和氧傳質(zhì)性能。但是制作復(fù)合膜的工藝復(fù)雜且成本較高，工程中又需要大量的膜面積以滿足處理需要，使膜制備在整套工藝中成本比例過(guò)大。膜組件通常分為中空纖維膜、管式膜和板式膜。中空纖維膜組件比表面積較大，能夠附著的生物量更多，實(shí)際工程中常采用此膜組件來(lái)達(dá)到減小構(gòu)筑物占地面積的目的。且中空纖維膜組件可模塊化設(shè)計(jì)，安裝簡(jiǎn)單，較板式曝氣膜造價(jià)低，現(xiàn)已成為MABR的主流選擇。管式膜與板式膜僅出現(xiàn)在一些MABR機(jī)理性研究的報(bào)道中。

3.氧傳質(zhì)性能評(píng)價(jià)

膜材料的氧傳質(zhì)系數(shù) Km可以體現(xiàn)膜的傳質(zhì)阻力，對(duì)于確定供氣條件具有重要意義，如何更加準(zhǔn)確地評(píng)估實(shí)際工況條件下的 Km是研究的重點(diǎn)。Terada等首次研究了氣壓和膜表面積對(duì)硝化率的影響，認(rèn)為OTR可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓和膜表面積來(lái)控制，而三者之間的關(guān)系又與 Km 有關(guān)。

早期的研究主要通過(guò)測(cè)定清水試驗(yàn)的溶解氧濃度來(lái)計(jì)算氧通量和確定 Km ，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)此方法得到的 Km 偏小，即高估了膜材料的傳質(zhì)阻力，在實(shí)際運(yùn)行中造成過(guò)量曝氣。這是因?yàn)榍逅囼?yàn)得到的傳質(zhì)阻力包括了固液邊界層的阻力，而在實(shí)際運(yùn)行中，由于生物膜的存在使得固液邊界層阻力不再影響氧傳質(zhì)。Lackner 等重新考量了邊界層影響，提出了一種簡(jiǎn)易的確定MABR實(shí)際運(yùn)行條件下 Km的方法，修正了計(jì)算中對(duì)氧通量的低估。王榮昌等也采用上述方法對(duì)生物膜生長(zhǎng)過(guò)程中的硝化性能及組成變化進(jìn)行分析，證實(shí)了生物膜存在時(shí)，MABR的氧傳質(zhì)能力比清水試驗(yàn)中更強(qiáng)。Perez-Calleja 等基于溶解氧微電極技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種根據(jù)邊界層溶解氧梯度確定膜傳質(zhì)阻力的方法，可得到更準(zhǔn)確的膜材料Km 值。這些研究建立了供氣壓力和OTR之間較為準(zhǔn)確清晰的關(guān)系，為 MABR設(shè)計(jì)運(yùn)行中氧的精準(zhǔn)評(píng)估提供了支持，然而在實(shí)際運(yùn)行中，除了膜材料的Km，生物膜的厚度、密度和活性都會(huì)影響OTR，未來(lái)對(duì)生物膜部分氧傳質(zhì)阻力的研究將進(jìn)一步深化人們對(duì)MABR氧傳質(zhì)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

4.氣路設(shè)計(jì)改進(jìn)

除了膜材料，不同的膜組件曝氣模式也會(huì)對(duì)傳質(zhì)性能產(chǎn)生影響。MABR的曝氣模式分為貫通式或死端式。在死端式曝氣膜中，供給膜的所有氧氣都被輸送到生物膜，OTE可達(dá)到 100%。但是隨著水汽冷凝和其他氣體在膜腔末端的堆積，膜腔內(nèi)氧氣濃度會(huì)產(chǎn)生軸向梯度，導(dǎo)致微生物沿膜絲生長(zhǎng)不均勻，從而降低OTR。而在貫通式曝氣的MABR中，氣體流速在整個(gè)膜腔內(nèi)都很高，管腔內(nèi)的平流傳質(zhì)遠(yuǎn)大于氣體的跨膜傳質(zhì)，這會(huì)使管腔內(nèi)的氧濃度更加均勻，從而產(chǎn)生較高的平均 OTR。但此模式只有少部分氧氣會(huì)通過(guò)擴(kuò)散作用穿過(guò)膜，在開口端會(huì)損失大量的氣體，產(chǎn)生能源的浪費(fèi)和較低的 OTE。目前實(shí)際工程案例多采用貫通式曝氣，在較高的OTR下，OTE 可達(dá)到30%～40% 以上。如何能夠做到同時(shí)提高OTR與OTE 對(duì)發(fā)揮MABR的節(jié)能優(yōu)勢(shì)有關(guān)鍵作用。近些年，Perez-Calleja 等提出了改進(jìn)的曝氣模式，在死端式的基礎(chǔ)上進(jìn)行間歇排氣( 30min 閉合 20s 排氣) ，將OTE維持在 95%以上，同時(shí)獲得了不低于貫通式曝氣的OTR。間歇排氣系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，目前沒有更多的研究和應(yīng)用，其優(yōu)越性和穩(wěn)定性有待后續(xù)研究驗(yàn)證。

02 工藝原理的理論認(rèn)識(shí)與發(fā)展

1.生物膜特征

傳統(tǒng)的載體生物膜是同向傳質(zhì)生物膜，即氧氣和有機(jī)物、氨氮等底物沿相同方向擴(kuò)散。在生物膜外側(cè)，電子受體和供體底物均處于最高濃度，生物代謝最為活躍。在處理含有機(jī)物和氨氮的廢水時(shí)，由于異養(yǎng)菌的競(jìng)爭(zhēng)，好氧硝化細(xì)菌傾向于在有機(jī)物濃度最低的生物膜內(nèi)側(cè)生長(zhǎng)，但生物膜內(nèi)側(cè)氧氣濃度低，導(dǎo)致硝化活性較低。而在膜曝氣生物膜中，氧氣從生物膜的內(nèi)側(cè)提供，和底物由生物膜兩側(cè)分別擴(kuò)散進(jìn)生物膜，形成特殊的基質(zhì)濃度分布，這種異向傳質(zhì)可導(dǎo)致MABR中獨(dú)特的微生物群落結(jié)構(gòu)。生物膜內(nèi)側(cè)同時(shí)具有低有機(jī)物和高氧濃度，有利于好氧硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)。當(dāng)控制液相主體處于缺氧狀態(tài)時(shí)，生物膜外側(cè)同時(shí)具有高有機(jī)物和低氧濃度，有利于異養(yǎng)反硝化菌的生長(zhǎng)。因此在異向傳質(zhì)生物膜中，硝化和反硝化可以在內(nèi)外側(cè)同時(shí)進(jìn)行(圖2) 。有研究認(rèn)為，這種獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)還可能有利于抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB)。

圖2 異向傳質(zhì)生物膜示意

2.工藝原理的發(fā)展

MABR因?yàn)榫哂歇?dú)特的好氧－缺氧生物膜分層結(jié)構(gòu)，可以在生物膜不同層次耦合自養(yǎng)硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化(SND) 。SND 工藝可以發(fā)揮MABR的優(yōu)勢(shì)，同步去除有機(jī)物和氨氮，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)兩級(jí)生物脫氮工藝的反應(yīng)器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)操作。2000年以后，一些研究者通過(guò)控制MABR的氧氣供應(yīng)量，將硝化過(guò)程控制在亞硝酸鹽階段，在MABR中實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。與全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化可以節(jié)約 25%的需氧量與 40%左右的有機(jī)碳源投加量，進(jìn)一步減少反應(yīng)器體積，降低能耗物耗。

隨著厭氧氨氧化(ANAMMOX) 的發(fā)現(xiàn)，短程硝化－厭氧氨氧化(PN-A)成為更加節(jié)能的脫氮途徑。在厭氧氨氧化菌(AnAOB) 的作用下，短程硝化產(chǎn)生的亞硝酸鹽可以作為電子受體，與氨氮直接反應(yīng)完成脫氮。MABR憑借其生物膜分層和精準(zhǔn)的控制供氧能力，使亞硝化與厭氧氨氧化在同一反應(yīng)器中的耦合成為現(xiàn)實(shí)。2008年，Gong 等最早在MABR中實(shí)現(xiàn)了 PN-A 工藝。與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，PN-A 工藝可以節(jié)約 54%的曝氣量以及 100%的碳源投加。

3.生物膜模型模擬

MABR工藝?yán)碚摰牟粩喟l(fā)展過(guò)程中，MABR生物膜模型也一直在同步發(fā)展。生物膜模型則可以較為準(zhǔn)確地?cái)M合基質(zhì)濃度與不同種微生物活性的動(dòng)態(tài)關(guān)系，對(duì)深入認(rèn)識(shí)工藝原理和優(yōu)化 MABR的運(yùn)行條件有重要的指導(dǎo)意義。1999 年，Casey 等最早基于傳統(tǒng)同向傳質(zhì)生物膜模型建立了異向傳質(zhì)生物膜模型，用于研究生物膜厚度與氧利用速率的關(guān)系。隨著同步硝化反硝化工藝在MABR中的應(yīng)用，Shanahan 等建立了同步去除 COD 和氨氮，包含多種微生物的異向傳質(zhì)生物膜模型。Terada 等建立了完全自養(yǎng)脫氮的異向傳質(zhì)生物膜模型，并將其與同向傳質(zhì)生物膜對(duì)比，發(fā)現(xiàn)異向傳質(zhì)生物膜的 TN 去除率明顯優(yōu)于同向傳質(zhì)生物膜，為之后 PN-A 工藝在MABR中的實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。最近，Liu 等在模型中引入氨氧化古細(xì)菌(AOA) 的代謝過(guò)程，通過(guò)整合已有模型參數(shù)構(gòu)建AOA-Anammox MABR的預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)與AOB相比，耦合AOA與AnAOB的 PN-A 工藝能實(shí)現(xiàn)更高的脫氮率和抗沖擊性，雖然此模型未經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證，但其前瞻性為未來(lái)的耦合工藝研究提供了新方向。近年來(lái)，模型被更多地用于解釋運(yùn)行現(xiàn)象和試驗(yàn)難以解決的問(wèn)題，例如氮氧化物的排放問(wèn)題。Ni 等通過(guò)建立模型研究了完全自養(yǎng)脫氮MABR中氮氧化物的排放，模擬了不同供氧量下脫氮率和N2O的排放量，找到了實(shí)現(xiàn)高脫氮率和低N2O排放的相對(duì)平衡點(diǎn)。Ni 等在另一項(xiàng)模型研究中還發(fā)現(xiàn)，間歇曝氣能夠提高AnAOB活性，最終間接降低氮氧化物的排放量。在未來(lái)的模型研究中仍需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正生物膜脫落與平衡、液相邊界層厚度和生物膜縱向梯度特性等重要參數(shù)。

03 工藝設(shè)計(jì)與發(fā)展

1.異養(yǎng)脫氮

MABR可以通過(guò)同步硝化反硝化同時(shí)去除污水中的有機(jī)物和氨氮。MABR中的全程硝化反硝化比較容易實(shí)現(xiàn)，而如何盡可能實(shí)現(xiàn)短程硝化、降低能耗物耗，是研究者們關(guān)心的問(wèn)題。Terada 等較早利用MABR處理 TOC 4500 mg /L，TN 4000 mg /L 的養(yǎng)豬廢水，在15 d 的停留時(shí)間下，TOC 去 除 率 達(dá) 到96%，TN 去除率達(dá)到 83%，并通過(guò)核算發(fā)現(xiàn)去除 TN的 86% 是通過(guò)短程硝化反硝化途徑完成的，證明MABＲ 可通過(guò)同步硝化反硝化去除高氨氮廢水，并具有實(shí)現(xiàn)短程硝化的潛力。然而當(dāng)進(jìn)水的氨氮濃度較低時(shí)，由于缺少游離氨(FA) 對(duì) NOB 的抑制，僅靠控制低溶解氧濃度較難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化。Downing等在 3 mg /L 的進(jìn)水下對(duì)單根膜絲的MABR進(jìn)行研究，通過(guò)控制進(jìn)氣壓力將液相主體控制在缺氧時(shí)，可以實(shí)現(xiàn) MABR的短程硝化反硝化脫氮并且無(wú)硝氮累積，但是脫氮速率和氨氮去除率較低。如何通過(guò)控制進(jìn)水負(fù)荷、供氧條件、水力條件等綜合條件實(shí)現(xiàn)低氨氮濃度條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定短程硝化，仍是研究者們當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)研究工作。

近10年來(lái)，一些中試規(guī)模的MABR逐漸出現(xiàn)，拓展了MABR 的應(yīng)用前景。這些中試?yán)?，MABR大多依托于傳統(tǒng)厭氧－缺氧－好氧(AAO) 工藝，發(fā)揮膜曝氣的優(yōu)勢(shì)，提高處理能力。Peeters 等將MABR膜組件加入AAO工藝的缺氧段，用膜為硝化菌建立載體，增加硝化菌的數(shù)量，并實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化，達(dá)到 80% 的 脫 氮 率，MABR環(huán)節(jié)的OTR達(dá)到 8～16g /( d?m2) 。Sun 等將MABR膜組件加入中試AAO 工藝的好氧段，提高了氧氣利用速率，對(duì)生活污水的 COD、氨氮、TN 去除率分別達(dá)到(89. 0±3. 2) %、(98. 8±1. 3) % 和(68. 5±4. 2) %，污泥濃度降低到1800 mg /L。隨著實(shí)驗(yàn)室研究的深入，應(yīng)該發(fā)展更多獨(dú)立于傳統(tǒng)工藝的MABR中試，充分發(fā)揮MABR高效率、低能耗的優(yōu)勢(shì)。

2.自養(yǎng)脫氮

利用MABR實(shí)現(xiàn) PN-A 工藝的難點(diǎn)在于如何富集AnAOB與抑制NOB。在富集 AnAOB 方面，Gong等在曝氣膜表面纏繞無(wú)紡布富集 AnAOB，最早利用MABR在 200 mg /L 的進(jìn)水氨氮濃度下實(shí)現(xiàn) PN-A工藝的啟動(dòng)。Li 等在MABR液相主體接種Anammox 顆粒污泥，在主流濃度( 約 60 mg /L) 下也實(shí)現(xiàn)了基于 PN-A 工藝的全程自養(yǎng)脫氮。在抑制NOB 方面，除了控制低溶解氧濃度外，Pellicer-Nacher等最早利用間歇曝氣強(qiáng)化 NOB 抑制，在MABR中實(shí)現(xiàn)了全程自養(yǎng)脫氮。目前自養(yǎng)脫氮 MABR的難點(diǎn)仍在于低氨氮濃度下 NOB 的抑制和 AnAOB 的大量富集，穩(wěn)定運(yùn)行的條件仍有待進(jìn)一步探索?；谧责B(yǎng)脫氮的MABR中試還比較少。

3.其他工藝設(shè)計(jì)

MABR可以使好氧―缺氧―厭氧細(xì)菌群落協(xié)同作用，并且無(wú)泡曝氣過(guò)程中污染物不易揮發(fā)至大氣，因此可以用于處理含有難降解有機(jī)物和揮發(fā)性有機(jī)污染物( 如乙腈、苯酚類化合物、阿特拉津、四環(huán)素等) 的廢水，其中厭氧區(qū)實(shí)現(xiàn)污染物分解，好氧區(qū)完成硝化，缺氧區(qū)實(shí)現(xiàn)反硝化。如硝基苯胺在有共代謝底物的存在下，在MABR生物膜外層厭氧區(qū)還原，經(jīng)過(guò)單加氧酶作用形成氨基，隨后在好氧層進(jìn)行硝化反應(yīng)與苯環(huán)的裂解。近些年來(lái)，利用MABR處理不同種類的難降解有機(jī)物成為較為熱門的方向，吸引了不少研究者。

04 工藝優(yōu)化運(yùn)行

1.供氣條件優(yōu)化

MABR通過(guò)調(diào)節(jié)氣體壓力來(lái)控制氧通量，進(jìn)而控制反應(yīng)器的性能。穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題在于控制通過(guò)膜的供氧速率，且不為異養(yǎng)細(xì)菌提供過(guò)量的氧氣，否則異養(yǎng)菌消耗碳源將影響反硝化效率。在以實(shí)現(xiàn)短程硝化為目標(biāo)時(shí)，供氧量對(duì) NOB 活性的抑制也起到重要作用。在早期的研究中，研究者通過(guò)調(diào)整供氣壓力將主體溶液維持在缺氧狀態(tài)，以保持氧氣的高利用率，同時(shí)利用低溶解氧抑制 NOB。隨著氧傳質(zhì)過(guò)程研究的深入，在測(cè)得膜材料 Km 的基礎(chǔ)上，可以確定供氣壓力和OTR之間的關(guān)系，進(jìn)而依據(jù)進(jìn)水負(fù)荷定量曝氣。Bunse 等將進(jìn)水氨氮負(fù)荷與 OTR以短程硝化的計(jì)量關(guān)系進(jìn)行匹配，在實(shí)際污水的處理中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的 PN-A 脫氮，TN 去除率達(dá)到 80% 以上。此外，許多研究者將間歇曝氣作為NOB抑制的強(qiáng)化手段。Pellicer-Nacher 等最早利用間歇曝氣在MABR中實(shí)現(xiàn)了全程自養(yǎng)脫氮。Bunse 等將間歇曝氣(5min 空氣，1min 氮?dú)猓?5min 不曝氣) MABR與連續(xù)曝氣MABR對(duì)比，發(fā)現(xiàn)間歇曝氣能夠?qū)崿F(xiàn)更穩(wěn)定的 NOB 抑制和反硝化。Ma 等通過(guò)建立一維(1-D) 多物種硝化生物膜模型，研究間歇曝氣MABR對(duì) NOB 的抑制機(jī)理，通過(guò)對(duì)比 DO、pH、FA 和游離亞硝酸(FNA) 對(duì) AOB 和 NOB 的影響，發(fā)現(xiàn) FA 的周期性變化可能是抑制 NOB 的關(guān)鍵因素。間歇曝氣的最優(yōu)條件和抑制機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。

2.水力條件優(yōu)化

除了氧傳質(zhì)外，底物從液相到生物膜的傳質(zhì)也是影響 MABR 運(yùn)行的重要因素。底物的傳質(zhì)性能主要受液相與生物膜之間的邊界層阻力控制。良好的水力條件會(huì)降低邊界層的厚度，提高底物的傳質(zhì)效率，進(jìn)而提高生物膜的活性和OTR。自從研究者們開始著力于優(yōu)化MABR運(yùn)行條件以來(lái)，對(duì)最佳液體流速的探索就一直是研究的重要部分。高液體流速可以降低邊界層厚度，但隨之而來(lái)的動(dòng)力成本可能占MABR運(yùn)行成本的很大比例，并帶來(lái)短流的隱患。此外，液體流速對(duì)生物膜的形成、分層或結(jié)構(gòu)的影響也是研究的重點(diǎn)。Wei 等通過(guò)強(qiáng)化水動(dòng)力條件改善底物向生物膜的傳質(zhì)，提高了COD的去除效率。然而，過(guò)強(qiáng)的混合或過(guò)高的錯(cuò)流速度會(huì)增加能耗，并可能導(dǎo)致生物膜脫落，從而影響COD的去除。因此，必須確定最佳的水動(dòng)力條件，并將其應(yīng)用于MABR的運(yùn)行中。KELLY 等將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 與生物膜生長(zhǎng)模型耦合，建立了卷式膜MABR的二維動(dòng)態(tài)模型，更好地體現(xiàn)了剪切力等因素引起的生物膜不均勻分布，以及生物膜覆蓋率和厚度對(duì)反硝化速率的影響。未來(lái)基于該模型的進(jìn)一步研究對(duì)于優(yōu)化MABR 的水力條件有著重大的意義。

除了優(yōu)化液體流速，近年來(lái)，許多研究者從反應(yīng)器的角度優(yōu)化水力條件，包括優(yōu)化水流方向和減少斷流。Wei 等設(shè)計(jì)了新型 FT-MABR反應(yīng)器，將膜絲環(huán)形纏繞在柱狀反應(yīng)器內(nèi)壁，以克服水流短路現(xiàn)象，使水流速度均勻且流動(dòng)方向幾乎與中空纖維膜垂直，促進(jìn)了液相傳質(zhì)效果，并證明水流流速的提高會(huì)使抗沖擊負(fù)荷能力和氧氣利用率提高，但是該反應(yīng)器型式不能提供較高的膜比表面積。Castrillo 等通過(guò)擠壓膜組件兩端的距離，使膜絲沿各方向不規(guī)則彎曲，增強(qiáng)了水流的紊動(dòng)，OTR和氨氮去除效果也得到顯著提高。這些新的膜組件形式為MABR提供了更多可能。未來(lái)可使生物膜更加均勻的膜組件和反應(yīng)器型式也有待進(jìn)一步探索。

3.生物膜厚度與穩(wěn)定性

除了氧氣和底物傳質(zhì)引起的微生物群落活性差異，在MABR 的異向傳質(zhì)生物膜中，生物膜的形態(tài)特征和種群變化對(duì)微生物群落和運(yùn)行效果會(huì)產(chǎn)生較大的影響?，F(xiàn)階段通常采用微電極技術(shù)分析來(lái)監(jiān)測(cè)生物膜厚度，通過(guò)微電極檢測(cè)溶解氧在不同介質(zhì)交界面濃度梯度的變化來(lái)確定生物膜的上下邊界。在MABR的研究初期，研究者們就意識(shí)到生物膜厚度對(duì)運(yùn)行效果的影響。過(guò)薄的生物膜無(wú)法為污染物降解提供足夠的生物量，而過(guò)厚的生物膜會(huì)增加外側(cè)缺氧區(qū)的厚度，增大氨氮等基質(zhì)傳遞至內(nèi)側(cè)好氧區(qū)的阻力。所以，生物膜存在有利于傳質(zhì)的最佳厚度。研究者們提出：可以通過(guò)調(diào)整水流剪切力或間歇曝氣沖刷來(lái)控制缺氧生物膜的厚度，實(shí)現(xiàn)生物膜脫落和生長(zhǎng)平衡。但是在實(shí)踐中，精準(zhǔn)的生物膜厚度控制仍難以實(shí)現(xiàn)，間歇沖刷還有可能破壞生物膜的穩(wěn)定性。一方面，生物膜厚度問(wèn)題將來(lái)可能通過(guò)更精確的監(jiān)測(cè)手段和更智能的沖刷方式解決。另一方面，在用于全程自養(yǎng)脫氮的MABR試驗(yàn)中，生物量控制問(wèn)題就相對(duì)次要。因?yàn)榕c異養(yǎng)生物相比，自養(yǎng)生物的生長(zhǎng)速率和產(chǎn)量系數(shù)相對(duì)較低，在這樣的系統(tǒng)中，生物膜的積累更容易被侵蝕和生物量衰減所平衡。近年來(lái)，原生生物對(duì)膜曝氣生物膜的影響受到更多關(guān)注。Kim等針對(duì)異養(yǎng)生物膜中原生動(dòng)物的捕食對(duì)生物膜積累的影響進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)COD不足時(shí)原生動(dòng)物會(huì)對(duì)生物膜進(jìn)行捕食，在膜上形成空洞從而加速生物膜脫落，因此在生物膜生長(zhǎng)過(guò)程中限制原生動(dòng)物的活動(dòng)對(duì)生物膜的穩(wěn)定也至關(guān)重要。

05 展 望

盡管MABR在理論上有著非常好的應(yīng)用前景，但目前仍有很多未解決的問(wèn)題，值得進(jìn)一步深入研究。

1) 膜材料的成本和性能依然是制約MABR大規(guī)模應(yīng)用的限制條件，開發(fā)低成本高效率的膜材料對(duì)于MABR的推廣有著重要意義。

2)建立模型是未來(lái)研究的重要輔助手段，在生物膜與水力學(xué)的研究中建?？梢灾庇^地展示出整個(gè)微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程，為MABR的理論研究提供進(jìn)一步支持。

3)生物膜厚度作為一個(gè)影響MABR性能的重要因素，卻很難在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行的連續(xù)監(jiān)測(cè)和控制。

4) 如何將現(xiàn)有研究推向?qū)嶋H應(yīng)用缺乏經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)水的差異會(huì)導(dǎo)致不同的生物膜結(jié)構(gòu)，使微生物的最佳活性層位置發(fā)生改變?，F(xiàn)有研究?jī)?nèi)容還不足以建立起可供實(shí)際工程參考的工況數(shù)據(jù)庫(kù)，在面對(duì)污水的水質(zhì)差異時(shí)仍需花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)尋找MABR的最佳工況。