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2023
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MABR处理受污染河道水的试验研究
摘 要：系统分析了河道水污染的成因，主要包括：水体中氮、磷含量高是引发水华现象的重要因素；水体流动性差致使水体溶解氧补充能力差、对污染物的降解作用弱。针对存在的问题制定了MABR生物修复工程方案：以透氧中空纤维膜作为曝气膜，利用曝气膜表面的生物膜对水体中的污染物进行降解。结果表明：MABR生物修复系统有效地提高了河道水水质，长期试验表明，MABR对COD和氨氮具有显著的去除效果，MABR在河道水体的净化方面具有应用潜力。
城市河道作为生态环境的重要组成部分，在城市的经济发展中占有十分重要的地位。随着人类社会的发展和工业化进程的加快，向城市河道中排放的污水量也成倍增加。污水中的污染物含量已经远超过河道的自净能力，因而，造成城市河道环境恶化，河道生态系统遭到严重破坏。因此，改善城市河道水质，修复城市水环境已经刻不容缓。
无泡曝气膜生物反应器（MABR）作为一种将膜技术与生物反应器技术相结合的新型污水处理技术，对于城市河道水体生物修复具有优势。MABR具有氧传质速率高、生物膜载体比表面积大的优点，通过调控曝气膜内压力，可以有效控制透气膜表面生物膜内溶解氧浓度梯度，进而获得内外分层的特殊生物膜结构。这种生物膜结构与传统生物膜是相反的，高分子膜侧为好氧菌，中间层为兼氧菌，外层为厌氧菌。正是这种特殊的生物膜结构与生物膜内部底物传递的异向性，以及对碳和氮的同步去除的特点，成为当前的研究热点。
1 实验装置与工艺流程
1.1 膜与膜组件
本试验采用的中空纤维膜为天津海之凰科技有限公司生产的复合中空纤维膜。该复合材料中空纤维膜具有机械强度好、抗腐蚀、供氧能力强等优点。
使用环氧树脂胶将200根中空纤维膜密封于膜壳中，制成帘式膜组件。膜组件性能参数见表1。
1.2 MABR反应器设计与工艺流程
如图1所示，MABR膜组件经过多次回折固定在支架上，放入反应器中。MABR反应器长0.3 m、宽0.12 mm、高0.2 m、有效容积为6L，反应器的填充密度为141.3 m³/m³。使用磁力泵作为MABR系统的循环装置，磁力泵的进出水管分别固定于前后布水板与反应器的空隙内。通过调节磁力泵流量，来控制水流速度，水流方向与膜丝成90°，水流错流流过中空纤维膜时会受到中空纤维膜丝的阻挡，进而能够有效提高湍流度，实现最大限度的对流传递。使用蠕动泵向反应器供水，通过调节蠕动泵转数，控制进水量。MABR反应器为连续流反应器。
1.3 实验源
河道水取自天津市华苑再生水景观河，具体水质情况如表2所示，河水中的氮污染物以氨氮为主，硝态氨浓度较低。
1.4 实验方法
1.4.1 不同曝气压力对MABR去除污染物效果的影响
保持进水流量与流速不变的情况下，即进水流量0.75 L/h，流速0.02 m/s，研究不同曝气压力对MABR去除污染物效果的影响。实验分别在压力 5、10、20、30、40 kPa下进行。
1.4. 2 水流速度对MABR去除污染物效果的影响
保持进水量与曝气压力不变的情况下，即进水量0.75 L/h，曝气压力20 kPa，研究水流速度对MABR去除污染物效果的影响实验水流速度分别为0、0.01、0.02、0.04、0.08 m/s。
1.5 水质分析
水样检测项目包括:水温浊度、溶解氧、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（CODcr）、生化需氧量（BOD₅）、氨氮（NH₄﹢-N）、硝酸盐浓度（NON）、浊度和悬浮物（SS）等指标.试验检测项目及分析方法如表3所示：
2 结果与讨论
2.1 曝气压力与水流速度对MABR性能的影响
由图2可知，MABR去COD的去除率随着曝气压力的提高而增大；当大于20 kPa 时，COD去除率基本保持不变，维持在92%。当曝气压力为5 kPa时，MABR对COD的去除率仅为75%，这表明此时系统明显供氧不足；
结合图3（不同曝气压力对水体溶解氧浓度变化的影响）可知，此时反应器内溶解氧浓度仅为0.86 mg/L。随着曝气压力的增加，水体中溶解氧浓度不断提高。当曝气压力为40 kPa 时，水体中溶解氧浓度达到3.69 mg/L。过高的溶解氧对于生物膜的生长会产生一些负面影响。首先，生物膜内厌氧菌和兼氧菌活性受到抑制。另外，过高的溶解氧会使生物膜变得松散，容易脱落。
图4为不同曝气压力对氮素去除效果的影响从图中可知，氨氮的去除效果随着曝气压力的升高逐渐增加。对于总氮的去除呈现先升高再降低的趋势。在曝气压力为5 kPa 时，氨氮的去除率为78.6%，供氧不足使得硝化菌的活性受到抑制。但在此情况下，对总氮的去除率达到了 52.6%，较低的水体溶解氧更适宜反硝化过程的进行，但由于硝化反应进行不彻底，导致出水中氨氮含量与硝酸盐氮含量基本相当。在曝气压力为10 kPa 时，总氮的去除率最高，达到 65.4%。此时水体溶解氧为1.12 mg/L，出水硝酸盐氮含量为 2.9 mg/L。随后总氮的去除率随着曝气压力的增加逐渐降低，当曝气压力为40 kPa时，总氮的去除率仅为14.5%，剩余总氨基本以硝酸盐氮的形式存在，此时MABR基本不具备同步硝化反硝化的功能。
2.2 水流速度对污染物去除的影响
图5为水流速度对COD去除效果的影响。在不开启循环泵时，对COD的去除率仅为 52.9%，随后，随着水流速度的增加，COD 的去除率逐渐升高达到 96%。说明提高水流速度可以加快传质效率，有利于COD的去除。当水流速度为 0.08 m/s 时，COD的去除率出现下降，降至89%。说明过高的水流速度会产生较大的剪切力，导致部分生物膜被冲刷脱落，这就意味着减少了单位体积的微生物量，进而影响 COD的去除效果。
图6为不同水流流速下MABR对氮素去除的变化趋势。可以看出，氨氮去除速率受水流流速的影响非常明显，当水流流速从0 m/s增加到0.04 m/s时，氨氮的去除速度明显提高，从32%提高至96%。当水流速度较低时，反应器中湍流度较低，边界层较厚，这都会造成传递效率的降低，导致硝化反应速率降低。高水流流速能加强反应器内的湍流程度，降低边界层厚度，有效改善生物膜中氨氨传递速率，从而提高 MABR对氨氮的去除速率。
对于总氮的去除效果与氨氮不尽相同。在去除总氮的过程中，高水流速度促进了生物膜中的物质传递，由于硝化细菌主要分布在靠近曝气膜表面的生物膜内侧，因此其活性受物质传递的限制更为明显，高水流流速有利于硝化细菌对氧气的竞争，从而提高硝化反应速率。与此同时，作为硝化反应的产物的硝酸盐与亚硝酸盐也可以更快的传递至生长着反硝化菌的外层生物膜内，进而完成反硝化过程。然而过大的水流速度对于氨氮和总氮的去除都会产生影响。
2.3 MABR 对河道水长期净化试验
MABR对河道水长期净化试验使用的水源为华苑再生水景观河河水，其水质与模拟河水存在差异，因此在开始此试验前需要对生物膜进行驯化以适应新的水质。表2为试验期间进水水质的基本数据。根据进水水量和操作参数的变化分为六个阶段，如表4所示。第二、四、六阶段为水力冲击阶段，通过提高进水量增加水力负荷；第一、三、五阶段为稳定运行阶段，根据提高进水量后出水水质变化情况做出相应的参数调整。进而评估MABR净化河道水能力，找出处理工艺上的不足，为MABR在河道水净化的工程应用上提供依据，积累经验。
2.3.1 MABR对COD的去除效果
图7为MABR进出水COD浓度及去除率总体上，MABR对COD具有良好的去除效果，且操作条件变化对去除效果影响显著。驯化完成后保持0.75 L/h的进水量连续进水，此时曝气压力为 20 kPa，水流速度0.02 m/s，持续18天此阶段MABR出水稳，出水 COD含量为20 mg/L，去除率达到75%。从第19 天开始提高进水流量至1.0 L/h，MABR出水COD含量明显升高，达到43 mg/L。持续观察7天，出水 COD没有明显的降低趋势，说明在第一阶段的运行条件下，MABR内部的供氧能力和传质效率不能满足处理额外增加负荷的需要。因此在第二阶段在保持曝气压力不变的情况下，将水流速度由0.02 m/s 提高至004 m/s。此后出水COD含量逐渐下降，恢复至第一阶段 COD去除水平。在第四阶段开始再次提高进水量至 1.5 L/h，相当于水力停留时间缩短至4 h。与第二阶段相同，在提高水量后出水COD含量明显增高，并且增高幅度略大于第二阶段。此时发现水流速度的提高已经不能使反应器恢复至原来水平，说明此时限制去除效果的主要因素是供氧不足。第五阶段将曝气压力提高至40 kPa，此后出水COD浓度逐渐下降，最终维持在 32~35 mg/L，比第一阶段出水COD含量升高了15 mg/L左右。在第六阶段，再次提高进水量至2 L/h，停留时间缩短至3 h，出水COD含量增加至 50 mg/L以上，并且发现无论提高曝气压力还是提高水流速度都很难提高MABR对COD的去除率，表明此时的COD负荷已经到达了该反应器的处理极限。由此可知，MABR的供氧能力是影响去除COD负荷的主要因素，在相同曝气压力的条件下，提高水流速度可以提高COD的去除效果。
通过进水、出水 COD负荷的变化可以计算出MABR内单位面积膜表面去除率。由图8可知，随着试验的进行，MABR的去除效力从 1.3 gCOD(m²·d)提高至1.9 gCOD/(m²·d)。
2.3.2 MABR对氨的去除效果
图9显示了六个阶段的MABR进出水氨氮浓度及氨氮去除率。MABR 对氨氮的去除效率随着停留时间的缩短呈现逐渐下降的趋势。第一、三、五阶段氨氮的平均去除率分别为 93.4%、91.7%和82.7%，导致出现此情况的原因可能是随着进水负荷的增加，MABR内生物量逐渐增加，引起生物膜增厚，传质效率下降。另外异养菌和硝化菌对氧气的竞争一定程度上限制了硝化细菌的活性。尽管如此，除第六阶段外，MABR对氨氮的除效力随着进水负荷的增加而增加，从0.19 gNH₄﹢-N/(m²·d)增加至0.35 gNH₄﹢-N/(m²·d)。
2.3.3 MABR对总氮的去除效果
图10为MABR 进出水总氮的去除情况。第一阶段MABR对总氮的去除率为 71%；而第二、三阶段对总氮的去除率呈现逐步上升的趋势，最终基本恢复到第一阶段的去除水平。可以看出随着水流流速的提高，MABR 中的反硝化速率明显提高，反应器表现出优先脱氮的特点。高水流速度有利于促进氨氮向生物膜内侧传递，进而硝化菌活性得到增强，强化了硝化反应，为反硝化过程创造良好条件。另外，硝化过程消耗了更多的氧气，从而抑制好氧异养菌的活性，更多的有机物被保留成为反硝化菌脱氮所需的碳源。而随后的第五阶段，在系统再次提高进水量之后，未能恢复到原来的总氮去除水平，去除率下降至58%，MABR对总氮的去除能力为 0.28 gTN/(m²·d)，基本达到系统最大值。
3 小结
本实验以受污染河水为研究对象，设计了新型连续式MABR反应器，并进行了长期运行试验，研究曝气压力、水流流速对MABR去除COD氨氮和总氮效果的影响；并对 MABR净化河道水的能效进行了评估。主要结论如下：
1) MABR对COD和氨氮的去除效果随着曝气压力的增加而提高。但过高的曝气压力不利于总氮的去除，同时也会导致生物膜疏松甚至脱落。
2) 提高水流速度可以提高传质速率，有利于去除 COD、氨氮以及总氮。
3) 长期试验表明，MABR对COD和氨氮具有十分显著的去除效果，出水水质达到地表水环境质量标准。MABR对COD、氨氮和总氮的去除效能分别达到1.9 gCOD/(m²·d)、0.35 gNH₄﹢-N/(m²·d)和0.28 gTN/(m²·d)。
MIABR在河道水体的净化方面具有应用前景。
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