不同膜組件MABR 的清水充氧性能研究

羅曉靜

（四川化工職業(yè)技術(shù)學院 四川 瀘州 646300）

0 引言

微孔曝氣方式由于產(chǎn)生氣泡?。蛇_到微米級），氣體在液相中停留時間長，比表面積大，更利于傳質(zhì)等優(yōu)勢，被廣泛用于好氧生物處理技術(shù)，與傳統(tǒng)的機械相比，能耗降低50%[1]。如柏永生等[2]研究發(fā)現(xiàn)微孔曝氣方式的總體積氧傳質(zhì)系數(shù)（KLa）高于粗孔曝氣方式。膜曝氣生物膜反應器（MABR）是一種將微孔曝氣裝置與生物反應器相結(jié)合的新型反應器，被廣泛用于污水處理領(lǐng)域[3-4]。

目前，MABR 常用膜組件的形式為貫通式和閉端式[5]。閉端是由于一端封閉，一端開放，促使膜絲內(nèi)的氣體，以無泡或微泡的形式進入反應器的液相，氧利用率可高達100%，但由于水蒸氣、N2和NH4+-N 等氣體不能被及時帶出，在曝氣壓力的作用下，氣體以反擴散的方式進入膜絲內(nèi)腔，導致DO 在水平方向的濃度分布不均勻，同時也極易出現(xiàn)膜孔堵塞的情況，導致膜組件的使用時間降低。而貫通式則是膜組件兩端均開放，分為進氣端和出氣端，氣體經(jīng)過進氣端后，一部分氣體在氣壓和自由擴散的作用下經(jīng)過中空纖維膜擴散到液相[6]，剩余的氣體則從出口端排出，在保證反應器供氧之外，還可以將膜腔內(nèi)多余的氣體帶走，但也存在氧利用率較低的情況[7-9]，隨著生物膜的增厚，由于膜孔堵塞的原因，膜腔內(nèi)的DO 向外擴散能力受阻，抑制生物膜中好氧層的硝化菌和異養(yǎng)好氧菌生長活性，進而出現(xiàn)生物膜脫落的情況[10]。目前，關(guān)于MABR 處理廢水的研究，多聚焦在C/N 比、曝氣壓力、流速等條件對生物膜的影響[11-14]，但對不同膜組件供氧形式的氧傳質(zhì)參數(shù)還鮮有報道。

本文考察了傳統(tǒng)MABR（貫通式、閉端式）和氧循環(huán)MABR 3 種不同膜組件供氧形式在清水條件下的充氧性能。通過分析檢測3 個反應器的充氧效果和總體積氧傳質(zhì)系數(shù)性能（KLa），獲悉MABR 中膜組件供氧形式不同在清水條件下的供氧能力。該結(jié)果可為MABR 好氧微生物生長提供穩(wěn)定好氧環(huán)境的研究提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 不同膜組件MABR 的小試裝置

本實驗中所用的不同膜組件MABR 裝置圖，見圖1。3個反應器的有效體積相同，均為7.5 L。反應裝置主體主要由膜組件（聚偏氟乙烯膜，PVDF）、空氣壓縮機、轉(zhuǎn)子流量計、氣壓表和有機玻璃管制成，其中膜絲外徑2.4 mm、內(nèi)徑1 mm、孔徑0.2 μm，有效比表面積0.727 cm2/cm3。與傳統(tǒng)的MABR（貫通式圖1和閉端式MABR 圖1）相比，氧循環(huán)MABR（圖1）在貫通式膜組件的上端增加一個氧氣回路，將多余的空氣通過反應器底部的微孔曝氣管返回反應器液相，并持續(xù)為液相提供一個好氧的環(huán)境。

1.2 清水條件下充氧實驗

向反應器分別注入7.5 L 清水，并對其進行密封，然后將溶氧測定儀（哈希HQ-30d）從反應器頂端的DO 檢測口插入反應器中，打開測定儀并測定DO，作為初始DO。脫氧劑由氯化鈷（為0.2 ～0.5 mg/L）和無水亞硫酸鈉（<無水Na2S03>為8 ～12 mg/L）組成，通過計算按一定的比例投加到反應器中，待反應器中液相DO 均下降到0 mg/L，同時30 s 內(nèi)未出現(xiàn)DO 上升的情況，勻速打開空氣壓縮機，然后緩慢調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計，使每個氣壓表的壓力均穩(wěn)定在5 kPa 左右，并每隔10 min 進行一次DO的測定，當反應器內(nèi)液相DO 在室溫條件下（T=25 ℃）達到飽和溶氧值8.25 mg/L 時，關(guān)閉運行中的空氣壓縮機。接下來把此刻實際DO 值為基準再次確定脫氧劑的加入比例，并投加到3 個反應器中，依次重復上述的操作流程。分別討論曝氣壓力在5 kPa、8 kPa 和10 kPa 時，氧循環(huán)、貫通式和閉端式MABR 的充氧效果，同時通過線性回歸方程，計算KLa 值。測定清水條件下充氧過程中，在不同時間t 的溶氧濃度C 以及飽和溶氧濃度CS，通過計算得到l n(C-CS)和t 的直線關(guān)系，其中所對應的斜率就是氧總傳質(zhì)系數(shù)KLa[15-16]：

式中：KLa 為氧總傳質(zhì)系數(shù)，單位為h-1；t 為時間，單位為min；Cs 與C 分別為飽和濃度與不同時刻t 的DO濃度，單位為mg/L。

當t=0，C=C0時，對式（1）再次積分，可得計算公式（2）：式中：C0 為靜止24h 內(nèi)DO 的最低值，mg/L。

最后用線性回歸法，可得最終KLa 的計算公式（3）：

2 結(jié)果與討論

2.1 不同膜組件MABR 的充氧效果對比分析

清水條件下氧循環(huán)和傳統(tǒng)MABR 分別在5 kPa、8 kPa、10 kPa 等曝氣壓力下的充氧效果情況，見圖2。當曝氣壓力為5 kPa 時，貫通式和閉端式MABR 達到飽和DO 值的所需時間比較慢，分別為120 min 和130 min，而氧循環(huán)MABR 達到飽和DO 值的時間僅需80 min，較傳統(tǒng)MABR充氧時間縮短了40 min 以上，加快了反應器液相DO 的補給速度，更利于反應器內(nèi)持續(xù)好氧環(huán)境的形成。進一步對比3 個反應器在8 kPa 和10 kPa 時充氧效果的情況，可以看出，隨著曝氣壓力的不斷增大，氧循環(huán)MABR 和傳統(tǒng)MABR 達到飽和DO 值的時間均縮短，但氧循環(huán)MABR 明顯更快，在10 kPa 時僅20 min 便達到了飽和DO 值，表明氧循環(huán)M A B R 的供氧速度更快，可為好氧微生物的生長提供穩(wěn)定的好氧環(huán)境。同時對比不同膜組件的形式可知，貫通式較閉端式在不同曝氣壓力時，前者達到飽和DO 值的時間均快于后者。推測形成這種現(xiàn)象的原因是：（1）閉端式在理論上氧的利用率可以達到100%，但一端封閉，造成水的凝結(jié)和CO2的積累，膜絲內(nèi)部極易形成軸向梯度，從而減小了氧的轉(zhuǎn)移；（2）而貫通式兩端開放，水汽冷凝和其他氣體不會在膜腔內(nèi)堆積，降低了微生物沿膜絲生長不均勻的情況，提高了氧的傳質(zhì)速率[17]，因此，貫通式較閉端式模組件更利于對氧需求較高的微生物的生長環(huán)境；（3）氧循環(huán)MABR 則是在貫通式膜組件的出氣端增加一個氧回路，將多余的空氣收集回反應器液相，提高了液相氧的補給能力，因此氧循環(huán)較傳統(tǒng)MABR 的充氧效果更好。

2.2 傳統(tǒng)MABR 與氧循環(huán)MABR 的總體積氧傳質(zhì)系數(shù)性能（KLa）對比分析

進一步對比研究了傳統(tǒng)MABR 和氧循環(huán)MABR 在5 kPa、8 kPa、10 kPa 等不同曝氣壓力的氧傳遞速率，見圖3。在5 kPa 時，傳統(tǒng)MABR 的KLa 值比較接近，分別為0.0236 h-1和0.0208 h-1，而閉端式MABR 僅為0.0043 h-1，約為氧循環(huán)與貫通式MABR 的1/4。在8 kPa 時，氧循環(huán)MABR 遠高于傳統(tǒng)MABR 的KLa 值，達到兩倍以上，比貫通式和閉端式MABR 高0.0648 h-1和0.077 h-1。而在10 kPa 時，氧循環(huán)MABR 的KLa 值增長速度依然較為明顯，為0.13361 h-1，而且明顯高于傳統(tǒng)MABR 的KLa 值，反觀貫通式MABR 的KLa 值增長速度放緩，為0.0584 h-1，而閉端式MABR 的KLa 值則趨于穩(wěn)定，維持在0.0261 ～0.0286 h-1之間。同時結(jié)合圖4 可知，在曝氣壓力為10 kPa 時，模組件表面開始出現(xiàn)肉眼可見的氣泡，說明此時達到了膜絲的泡點壓力，當曝氣壓力達到12 kPa 時，膜組件表面形成的氣泡形成密集且較大的氣泡，此時曝氣壓力超過膜絲的泡點壓力，導致貫通式和閉端式膜組件的氧轉(zhuǎn)化效率下降[18]，說明在達到泡點壓力后，隨著曝氣壓力的增加，膜絲的氧傳遞能力趨于平緩，同時由于曝氣壓力過大，可能會影響到生物膜的附著。

氧循環(huán)MABR 隨著曝氣壓力的增加，KLa 值不但未放緩，反而供氧能力越強，主要是由于多余的空氣通過微孔曝氣管重新回到反應器的液相，保持液相長期處于好氧狀態(tài)，為好氧微生物的生長提供穩(wěn)定的好氧環(huán)境。因此，在不同的曝氣壓力下，氧循環(huán)MABR 的KLa 值均高于傳統(tǒng)MABR。同時結(jié)合圖2 的充氧效果，氧循環(huán)MABR 的充氧效果及氧傳遞速率均優(yōu)于傳統(tǒng)MABR。

3 結(jié)論

本文研究了傳統(tǒng)和氧循環(huán)MABR 不同膜組件形式在清水條件下的充氧性能，探究在5 kPa、8 kPa 和10 kPa 等不同曝氣壓力下的充氧效果及KLa 值，得到結(jié)論如下。

（1）在不同曝氣壓力下，氧循環(huán)MABR 達到飽和DO的時間均為最短，較傳統(tǒng)MABR 縮短20 min 以上，具有較好的充氧效果。

（2）在不同曝氣壓力下，氧循環(huán)MABR 的KLa 值分別為0.0236 h-1、0.1031 h-1和0.13361 h-1，較傳統(tǒng)MABR 的KLa 值也是最大，說明清水條件下氧循環(huán)MABR 的氧傳質(zhì)速率最快，利于維持反應器的好氧環(huán)境。