微藻膜反应器处理海水养殖水性能及膜污染特性

宋虹

(天津农学院，天津 300384)

1 微藻的简介

微藻是一种可以进行光合作用并利用光合作用进行自养而不断生长的低等微型植物，通常生长于淡水和海洋系统的水体或者沉积物中。光合作用是微藻生存的最重要条件。微藻根据物种的不同，在生存的环境的直径上也有所不同，范围可以在几微米到几百微米。微藻通常依附于它们所选择的环境上，以光合作用来确保自身的生存，大气中有一半的氧气都是由微藻所产生的，可见微藻的强大。微藻是环境中十分不起眼的生物组织，但它们的作用是其他植物难以匹敌的。微藻可以对周围环境中的其他植物也产生影响，可以为整个生态系统提供营养。微藻在净化环境上具有十分重要的作用，因此微藻成为处理废水的研究对象[1]。

2 微藻膜-生物反应器的三种类型

2.1 曝气膜-生物反应器(membrane aeration biofilm reactor,MABR)

曝气膜-生物反应器是采用透气性致密膜或微孔膜以板式或管式等方式进行组装，在保持气体分压低于泡点的情况下，可实现生物反应器的无泡曝气。传统工艺曝气中气泡大小难以控制，停留时间难以固定，而曝气膜-生物反应器对这一问题进行改良，增加了接触时间和传氧效率，能够有效控制曝气工艺系统。

2.2 萃取膜-生物反应器(extractive membrane bioreactor,EMBR)

萃取膜-生物反应器有利于处理酸碱度或者对微生物有毒的废水。萃取膜采取膜隔离的方式，将微生物与废水隔离为两个区域，膜能选择性地滤入无毒的污水进行处理，污水与微生物互不影响。传统的处理工艺中，污水直接与微生物进行接触，会对微生物的生存环境造成不良影响，产生有毒气体造成空气环境污染。萃取膜生物反应器将微生物与污水分离，通过膜的过滤，保护微生物的生存环境，保证了水处理系统的稳定，保证污染物的降解率[2]。

2.3 固液分离型-生物反应器

在传统的废水处理反应器中，离不开活性泥对污染物的降解，但活性泥降解污染物能应用的范围较小，在许多地区难以实施，且活性泥的清洗工作难度大，而固液分离型-生物反应器对活性泥的使用进行了改良，大大提升了固液分离的效率。

3 微藻膜生物反应器的工艺类型

3.1 分置式

分置式是指将膜组件和生物反应器分开设置，在水处理过程中，部分可过滤混合物体通过膜组件进入系统内部进行污水处理，而大型的污染物则被截留在膜的外面，随着浓缩液回到生物反应器内。分置式更方便对膜的清洗和组件的更换，便于对设备进行修理。但分置式采用高强度的旋转的模式，容易造成微生物死亡或失去作用，加速了设备的老化和损坏，增高维修费用[3]。

3.2 一体式

一体式是指将膜组件放置于生物反应器内部，污水先进入生物反应器，再经过膜才能流入内部，有效地过滤了污水中的污染物和杂质，有利于污水的处理，且相较于其他方式，所需的占地面积较小，能够运用于更多地区。但一体式组合模式容易导致膜污染，需频繁清洗膜组件，加速膜的损坏[4]。

3.3 复合式

复合式与一体式大致相同，复合式是在生物反应器内放置填料，以保证污水的过滤和处理，在一定程度上改善了水处理方法。

4 膜材料的选择

(1)按膜的孔径大小:可分为微滤膜(microfiltration,MF)、超滤膜(ultrafiltration,UF)纳滤膜(nanofiltration,NF)和反渗透膜(reverse,RO)。

(2)按膜的材质:可分为有机膜和无机膜。

(3)按膜的结构:可分为对称膜和不对称膜。

(4)按膜的分离机理:分为多孔膜、致密膜和离子交换膜。

(5)按膜的物态:可分为固膜、液膜和气膜[5]。

5 微藻膜生物反应器的优点

5.1 固液分离效果较好

微藻膜生物反应器具有较强的固液分离能力，能够有效处理污水，过滤和降解污水的悬浮物和污染物，实现水的再利用。

5.2 膜的高效截留作用

膜能够将微生物完全截留在生物反应器内部，提升微生物的工作效率，提升反应器停留时间，灵活控制。

5.3 占地面积小

膜-生物反应器相较于传统的活性泥池水处理技术更加节省占地空间，其将活性泥池结合起来，研发了新型的水处理设备，改善了传统的水处理系统，将多种水处理技术合为一体，在很大程度上减少了设备占地面积，节省土地建设的投资成本。

5.4 硝化效率高

膜生物反应器有利于硝化反应器内部的细菌，减少制约水处理过程的不利因素，提升设备的工作效率，有效地控制了反应器内细菌滋生的问题。

5.5 降解率较高

污泥龄长，极大程度上提高了活性泥对污染物的降解率。当污泥浓度高，而进水负荷低的情况下，系统中的营养与微生物低，污泥龄变长，提升了对污染物的降解率，确保污水的处理效果[6]。

5.6 污泥零排放

由于污泥的年龄可以无限延长，所以不存在污泥更换和排放问题，污泥可以持续使用，可实现污泥的零排放。

5.7 操作方便，自动化控制

科学技术的发达，自动化技术的广泛应用，使得设备大多可实现自动化控制，减少了人力资源的投入，降低建设成本，提升污水处理效率。

6 长期运行条件下膜-生物反应器的膜污染特性

6.1 膜污染简介

膜污染是制约膜-生物反应器的最主要因素。在污水处理过程中，大量的污泥会对膜造成严重的污染，影响水处理工艺的实施。本文通过对膜污染的相关内容进行研究，进一步分析造成膜污染的主要因素。

6.2 研究装置和方法

(1)选取某一正常运行的膜-生物反应器进行污水处理，在处理污水的过程中对其不同时间段的不同状态进行记录。定期更改运行模式，以观察造成膜污染的其他原因，并进行记录。

(2)在研究过程中，研究人员可以通过自己调试废水来对膜污染原因进行测试。在调试废水时，可以向废水中添加一些可能会对膜造成污染的成分，调试多种废水进行研究。通过使用不同类型的废水进行处理，我们可以观察到不同的污水对膜的污染程度，以便于寻找出膜污染的最主要原因，制定解决方案。

6.3 结果与讨论

6.3.1膜过滤压差的时间变化

在研究初期，膜表面仅有少量污染物附着，随着污水的持续滤入，越来越多的污染物开始堆积在膜外侧，甚至在一定程度上堵塞了膜孔，导致污水从其他部位滤入。

6.3.2膜污染的控制方法

(1)空曝气。在污染物附着达一定程度时，加大空曝气密度进行清洗，在一定程度缓解了膜污染的状况。但空曝气清洗方法并不干净彻底，许多部位难以清洗到位，无法完全清除膜污染。

(2)利用药物进行清洗。当膜污染再次加剧，使用相关化学药物对膜组件进行浸泡，在一段时间后对膜进行冲洗；因为污泥中污染成分的复杂性，药物清洗的效果并不理想，很多时候不能达到预想的效果，药物清洗容易导致药物残留，药物大量积累会加剧膜污染，也会对水处理过程造成影响。

6.4 膜的阻力变化

在膜-生物反应器的使用过程中，膜的阻力随着时间的变化而逐渐提升，在设备启动初期，膜阻力较小，但在设备运行一段时间后，膜阻力开始慢慢上升。污泥中的颗粒大小也在很大程度上影响的膜的阻力，当污泥中颗粒较大时，不会对膜孔造成堵塞，虽然在一定程度上会阻碍污水的滤入，但并不是非常明显的造成膜阻力增大；当污泥中颗粒变小时，会大量堵塞膜孔，膜阻力便会明显增大，导致污水无法滤入生物反应器内。膜污染的加剧，会使膜阻力也不断提升，就必须及时对膜进行清洗，以保证膜的正常运行。