不同膜组件MABR 的清水充氧性能研究

罗晓静

（四川化工职业技术学院 四川 泸州 646300）

0 引言

微孔曝气方式由于产生气泡小（可达到微米级），气体在液相中停留时间长，比表面积大，更利于传质等优势，被广泛用于好氧生物处理技术，与传统的机械相比，能耗降低50%[1]。如柏永生等[2]研究发现微孔曝气方式的总体积氧传质系数（KLa）高于粗孔曝气方式。膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种将微孔曝气装置与生物反应器相结合的新型反应器，被广泛用于污水处理领域[3-4]。

目前，MABR 常用膜组件的形式为贯通式和闭端式[5]。闭端是由于一端封闭，一端开放，促使膜丝内的气体，以无泡或微泡的形式进入反应器的液相，氧利用率可高达100%，但由于水蒸气、N2和NH4+-N 等气体不能被及时带出，在曝气压力的作用下，气体以反扩散的方式进入膜丝内腔，导致DO 在水平方向的浓度分布不均匀，同时也极易出现膜孔堵塞的情况，导致膜组件的使用时间降低。而贯通式则是膜组件两端均开放，分为进气端和出气端，气体经过进气端后，一部分气体在气压和自由扩散的作用下经过中空纤维膜扩散到液相[6]，剩余的气体则从出口端排出，在保证反应器供氧之外，还可以将膜腔内多余的气体带走，但也存在氧利用率较低的情况[7-9]，随着生物膜的增厚，由于膜孔堵塞的原因，膜腔内的DO 向外扩散能力受阻，抑制生物膜中好氧层的硝化菌和异养好氧菌生长活性，进而出现生物膜脱落的情况[10]。目前，关于MABR 处理废水的研究，多聚焦在C/N 比、曝气压力、流速等条件对生物膜的影响[11-14]，但对不同膜组件供氧形式的氧传质参数还鲜有报道。

本文考察了传统MABR（贯通式、闭端式）和氧循环MABR 3 种不同膜组件供氧形式在清水条件下的充氧性能。通过分析检测3 个反应器的充氧效果和总体积氧传质系数性能（KLa），获悉MABR 中膜组件供氧形式不同在清水条件下的供氧能力。该结果可为MABR 好氧微生物生长提供稳定好氧环境的研究提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 不同膜组件MABR 的小试装置

本实验中所用的不同膜组件MABR 装置图，见图1。3个反应器的有效体积相同，均为7.5 L。反应装置主体主要由膜组件（聚偏氟乙烯膜，PVDF）、空气压缩机、转子流量计、气压表和有机玻璃管制成，其中膜丝外径2.4 mm、内径1 mm、孔径0.2 μm，有效比表面积0.727 cm2/cm3。与传统的MABR（贯通式图1和闭端式MABR 图1）相比，氧循环MABR（图1）在贯通式膜组件的上端增加一个氧气回路，将多余的空气通过反应器底部的微孔曝气管返回反应器液相，并持续为液相提供一个好氧的环境。

1.2 清水条件下充氧实验

向反应器分别注入7.5 L 清水，并对其进行密封，然后将溶氧测定仪（哈希HQ-30d）从反应器顶端的DO 检测口插入反应器中，打开测定仪并测定DO，作为初始DO。脱氧剂由氯化钴（为0.2 ～0.5 mg/L）和无水亚硫酸钠（<无水Na2S03>为8 ～12 mg/L）组成，通过计算按一定的比例投加到反应器中，待反应器中液相DO 均下降到0 mg/L，同时30 s 内未出现DO 上升的情况，匀速打开空气压缩机，然后缓慢调节转子流量计，使每个气压表的压力均稳定在5 kPa 左右，并每隔10 min 进行一次DO的测定，当反应器内液相DO 在室温条件下（T=25 ℃）达到饱和溶氧值8.25 mg/L 时，关闭运行中的空气压缩机。接下来把此刻实际DO 值为基准再次确定脱氧剂的加入比例，并投加到3 个反应器中，依次重复上述的操作流程。分别讨论曝气压力在5 kPa、8 kPa 和10 kPa 时，氧循环、贯通式和闭端式MABR 的充氧效果，同时通过线性回归方程，计算KLa 值。测定清水条件下充氧过程中，在不同时间t 的溶氧浓度C 以及饱和溶氧浓度CS，通过计算得到l n(C-CS)和t 的直线关系，其中所对应的斜率就是氧总传质系数KLa[15-16]：

式中：KLa 为氧总传质系数，单位为h-1；t 为时间，单位为min；Cs 与C 分别为饱和浓度与不同时刻t 的DO浓度，单位为mg/L。

当t=0，C=C0时，对式（1）再次积分，可得计算公式（2）：式中：C0 为静止24h 内DO 的最低值，mg/L。

最后用线性回归法，可得最终KLa 的计算公式（3）：

2 结果与讨论

2.1 不同膜组件MABR 的充氧效果对比分析

清水条件下氧循环和传统MABR 分别在5 kPa、8 kPa、10 kPa 等曝气压力下的充氧效果情况，见图2。当曝气压力为5 kPa 时，贯通式和闭端式MABR 达到饱和DO 值的所需时间比较慢，分别为120 min 和130 min，而氧循环MABR 达到饱和DO 值的时间仅需80 min，较传统MABR充氧时间缩短了40 min 以上，加快了反应器液相DO 的补给速度，更利于反应器内持续好氧环境的形成。进一步对比3 个反应器在8 kPa 和10 kPa 时充氧效果的情况，可以看出，随着曝气压力的不断增大，氧循环MABR 和传统MABR 达到饱和DO 值的时间均缩短，但氧循环MABR 明显更快，在10 kPa 时仅20 min 便达到了饱和DO 值，表明氧循环M A B R 的供氧速度更快，可为好氧微生物的生长提供稳定的好氧环境。同时对比不同膜组件的形式可知，贯通式较闭端式在不同曝气压力时，前者达到饱和DO 值的时间均快于后者。推测形成这种现象的原因是：（1）闭端式在理论上氧的利用率可以达到100%，但一端封闭，造成水的凝结和CO2的积累，膜丝内部极易形成轴向梯度，从而减小了氧的转移；（2）而贯通式两端开放，水汽冷凝和其他气体不会在膜腔内堆积，降低了微生物沿膜丝生长不均匀的情况，提高了氧的传质速率[17]，因此，贯通式较闭端式模组件更利于对氧需求较高的微生物的生长环境；（3）氧循环MABR 则是在贯通式膜组件的出气端增加一个氧回路，将多余的空气收集回反应器液相，提高了液相氧的补给能力，因此氧循环较传统MABR 的充氧效果更好。

2.2 传统MABR 与氧循环MABR 的总体积氧传质系数性能（KLa）对比分析

进一步对比研究了传统MABR 和氧循环MABR 在5 kPa、8 kPa、10 kPa 等不同曝气压力的氧传递速率，见图3。在5 kPa 时，传统MABR 的KLa 值比较接近，分别为0.0236 h-1和0.0208 h-1，而闭端式MABR 仅为0.0043 h-1，约为氧循环与贯通式MABR 的1/4。在8 kPa 时，氧循环MABR 远高于传统MABR 的KLa 值，达到两倍以上，比贯通式和闭端式MABR 高0.0648 h-1和0.077 h-1。而在10 kPa 时，氧循环MABR 的KLa 值增长速度依然较为明显，为0.13361 h-1，而且明显高于传统MABR 的KLa 值，反观贯通式MABR 的KLa 值增长速度放缓，为0.0584 h-1，而闭端式MABR 的KLa 值则趋于稳定，维持在0.0261 ～0.0286 h-1之间。同时结合图4 可知，在曝气压力为10 kPa 时，模组件表面开始出现肉眼可见的气泡，说明此时达到了膜丝的泡点压力，当曝气压力达到12 kPa 时，膜组件表面形成的气泡形成密集且较大的气泡，此时曝气压力超过膜丝的泡点压力，导致贯通式和闭端式膜组件的氧转化效率下降[18]，说明在达到泡点压力后，随着曝气压力的增加，膜丝的氧传递能力趋于平缓，同时由于曝气压力过大，可能会影响到生物膜的附着。

氧循环MABR 随着曝气压力的增加，KLa 值不但未放缓，反而供氧能力越强，主要是由于多余的空气通过微孔曝气管重新回到反应器的液相，保持液相长期处于好氧状态，为好氧微生物的生长提供稳定的好氧环境。因此，在不同的曝气压力下，氧循环MABR 的KLa 值均高于传统MABR。同时结合图2 的充氧效果，氧循环MABR 的充氧效果及氧传递速率均优于传统MABR。

3 结论

本文研究了传统和氧循环MABR 不同膜组件形式在清水条件下的充氧性能，探究在5 kPa、8 kPa 和10 kPa 等不同曝气压力下的充氧效果及KLa 值，得到结论如下。

（1）在不同曝气压力下，氧循环MABR 达到饱和DO的时间均为最短，较传统MABR 缩短20 min 以上，具有较好的充氧效果。

（2）在不同曝气压力下，氧循环MABR 的KLa 值分别为0.0236 h-1、0.1031 h-1和0.13361 h-1，较传统MABR 的KLa 值也是最大，说明清水条件下氧循环MABR 的氧传质速率最快，利于维持反应器的好氧环境。