基于微气泡曝气的生物膜反应器废水处理技术

高会萌

（中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江 宁波 315812）

二级生物处理法处理废水时，为保证活性污泥中好氧微生物的存活，必须要持续进行曝气。微气泡曝气是利用水力剪切作用或微流体装置制作出大量的微小气泡，满足好氧微生物的氧气需求，通过提高微生物的活性，增强废水降解、净化的效率。在微气泡曝气技术应用中，多孔玻璃膜的空气通透性、填料的选择等，都会直接影响生物膜反应器的废水处理效果。因此，必须要根据污水成分、净化要求，科学选择填料和多孔玻璃膜，才能保证生物膜反应器的处理效果最优化、运行效益最大化。

1 微气泡曝气方式

1.1 微气泡产生形式及应用

随着微气泡曝气技术的成熟，常用的微气泡制造方式也变得更加多样。早期的微气泡主要通过水力剪切作用形成负压，使空气与水混合后得到微气泡。但是需要气体流量和流速达到较高值，无形中增加了能耗。微流体装置利用独立的气体通道和液体通道，使气体和液体在通道节点处以不低于0.01m/s 的速度混合，以较低能耗产生持续的微气泡，并且支持改变通道端部的孔口直径来调节气泡的大小。近年来，超声波法、电解析法、微多孔介质法等微气泡产生技术相继出现，为微气泡曝气在活性污泥污水处理中的应用效果得到了进一步的提升。

1.2 多孔玻璃膜在微气泡曝气中的应用

多孔玻璃膜（SPG）是一种微多孔介质，它是由Al2O3、SiO2为骨架的均匀微孔材料，通过改变膜的孔径，可以产生不同大小的微气泡。有研究表明，在活性污泥废水处理工艺中，气泡直径与氧传质速率呈负相关。气泡越小的情况下，氧传质速率越高，同样条件下活性污泥中好氧微生物获得的氧气越充分，废水中污染物的分解速度越快、去除率更高。因此，在制作基于微气泡曝气的生物膜反应器时，应尽量选择小孔径的多孔玻璃膜。

2 基于微气泡曝气的生物膜反应器运行实验

2.1 实验材料与装置

本次实验所用活性污泥来自某污水处理厂的二沉池回流污泥；生物膜反应器进水（废水）由实验室配制，COD 浓度为500-750mg/L，TOC 浓度为160-200mg/L，pH范围6-8。实验装置共包括2 部分，其一是由多孔玻璃膜组成的微气泡发生系统，其二悬挂填料的生物膜反应器，装置布局如图1 所示。

图1 SPG 膜微气泡发生系统及悬浮填料膜生物反应器

图1 中，生物膜反应器为高480mm、内径240mm 的圆筒，内部填充的填料可附着微生物。本实验中共提供了5 种不同填料，分别是海绵纤维、立体空心填料、小孔径和中孔径塑料相位以及塑料丝带。

2.2 生物膜反应器的运行条件

2.2.1 微气泡曝气条件

该套装置中，在多孔玻璃膜发生装置中产生微气泡，然后将微气泡输入到生物膜反应器中进行曝气。其中，多孔玻璃膜为0.8μm 的亲水膜，膜的表面积有1.68×10-3m2和3.14×10-3m2两种。由液体循环泵调控多孔玻璃膜中循环液体的流动速度，使其维持在1.2-1.6m/s 之间。有空气压缩机控制空气流量，调节多孔玻璃膜两侧的压力差，压缩空气的压强在0.5-0.6MPa之间。

2.2.2 反应器运行参数

将收集到的污泥放入生物膜反应器内，污泥中的氨氮等成分有助于好氧微生物的生长和繁殖，从而促进生物膜的形成。使用微气泡曝气，等到悬浮填料表面形成一层富含微生物的粘性物质后即代表挂膜完毕。成功挂膜后让生物膜反应器继续运行100 分钟，每20 分钟为1 个阶段，共计5 个阶段。不同阶段的水力停留时间、空气流量、进水有机负荷等如表1 所示。

表1 生物膜反应器的运行参数

在生物膜反应器运行的100 分钟内，进水COD 平均值为361.9mg/L，氨氮平均值为52.3mg/L。将反应器内经过微气泡曝气后的混合液作为循环液体。考虑到随着反应器运行时间的延长，多孔玻璃膜可能会受到一定程度的污染，因此该实验装置还提供了在线清洗功能，每进入新的反应阶段后首先清洗一次多孔玻璃膜，有效解决了因为膜污染对实验结果产生的干扰。

清洗方法为：暂停微气泡曝气，将曝气系统切换至清洗系统，同时换用浓度为1.5mol/L 的次氯酸钠溶液进行冲洗，持续15 分钟；然后替换成浓度为0.6mol/L 的演算溶液进行冲洗，持续5 分钟。最后再用清水冲洗。清洗完毕后再切换至曝气系统，重新进行微气泡曝气。

2.3 实验方法

基于多孔玻璃膜的微气泡曝气过程中的空气压力、循环液压力，均由对应的气体流量计、液体流量计进行测定；溶解氧含量使用WTW cellox 325 型溶解氧测定仪测定；COD 和氨氮均采用国标方法测定。在生物膜反应器运行期间，还需要测定不同填料上的生物量，测定方法为：

（1）在装入填料前，首先使用精密电子秤称量5 种填料的初始重量，并做好记录；

（2）在实验结束后，取5 张滤纸分别放到烘干箱中，设定烘干温度为105℃，持续烘烤2 小时，称量滤纸的重量；

（3）取出填料，放到滤纸上，仍然置于烘干箱中使用105℃温度进行烘烤，持续2 小时；

（4）取出烘干后的填料，称重。用质量差表示填料上的生物量。

2.4 实验结果与讨论

2.4.1 填料的选择

本实验中分别使用了5 种填料，随着生物膜反应器运行时间的延长，每一种填料上生物量变化如图2 所示。

图2 5 种球型悬浮填料生物量的变化

由图2 可知，在生物膜反应器运行的前5 分钟内，5种填料上的生物量没有明显差异，均维持在0.05g 以下。随着运行时间的增加，以小孔径纤维为填料的挂网，生物量增长速度明显加快，在第27d 时达到了0.28g。相比于使用立体空心填料的挂网（0.06g），生物量增加了4.7倍。其次是中孔径纤维，第27 日时生物量达到了0.26g。分析认为，小孔径纤维因为多微孔，比表面积远远大于其他填料，更有利于好氧微生物的附着，因此生物量最多。

2.4.2 多孔玻璃膜的空气通透性

多孔玻璃膜的空气通透性直接影响微气泡的产生量，进而决定最终的曝气效果。本实验中利用跨膜压差和空气流量两项指标来反映多孔玻璃膜的空气通透性。实验表明，在空气流量不变的情况下，前25 天内0.8μm亲水膜的跨膜压差总体不变，维持在135-140kPa 之间，表明多孔玻璃膜的空气通透性变化不明显。在25 天后，跨膜压差呈现出下降趋势，分析认为随着生物膜反应器运行时间的延长，多孔玻璃膜的孔径可能会被一部分杂质堵塞，进而导致通透性变化，膜两侧的压力差减小。

2.4.3 溶解氧的变化

在整个实验中，生物膜反应器内溶解氧的浓度呈现出下降趋势，并且与进水有机负荷成负相关。在第1-4阶段，进水有机负荷不断升高，但是溶解氧浓度持续降低，从第1 阶段的5.2mg/L 逐渐降低为4.1mg/L、3.2mg/L、1.3mg/L。由此可以得出，进水有机负荷是导致溶解氧浓度变化的重要原因。当生物膜反应器运行至第4 阶段后，此时反应器内溶解氧浓度已经降低至较低水平，难以满足有机负荷要求。因此在第5 阶段增加了多孔玻璃膜的面积，从原来的1.68×10-3m3,增加至3.14×10-3m3。更换材料后，系统的空气供应能力得到明显提升，此时生物膜反应器内的溶解氧浓度也从第4 阶段的1.3mg/L增加至第5 阶段的2.8mg/L。

2.4.4 污染物的去除效果

废水中的污染物以COD 和氨氮为主，两种污染物的去除效果如表2 所示。

表2 各个阶段污染物的去除率（%）

结合表2 数据可知，该系统的第1-3 阶段，废水中COD 的去除效果较好，特别是在第3 阶段，COD 去除率达到了90.61%。这是因为前3 阶段反应器内溶解氧浓度较高，好氧微生物的活性较强，可以大量分解COD。从第4 阶段开始，因为有机负荷升高，溶解氧浓度下降限制了好氧分解速率，因此COD 去除率也随之降低。第5 阶段增加亲水膜面积后，溶解氧浓度再次上升，COD 去除率得到提高。而废水中的氨氮在第1 阶段去除率最高，随着时间的延长，多孔玻璃膜因受到污染产生微气泡的能力变差，溶解氧含量降低，抑制硝化细菌的活性，因此氨氮去除率呈现出降低趋势。

3 结论

基于微气泡曝气的生物膜反应器废水处理技术，可以利用微气泡增加反应物中的氧气含量，从而满足好氧微生物的生长需求和生物活性，进一步提高对废水中氨氮、COD 的去除率。当然，随着反应时间的增加，可能会因为多孔玻璃膜污染等原因导致废水处理能力降低，因此在反应器运行过程中还要定期进行填料清洗、多孔玻璃膜的更换，才能保证废水处理的高效率进行。