膜曝气生物膜反应器生物膜影响因素分析.pdf

第 31 卷第 5 期2012 年10 月四川环境SICHUAN ENVIRONMENTVol.31，No.5October 2012 综述收稿日期:2012-02-04作者简介:何秋阳(1984 )，女，四川南充人，2011 年毕业于四川大学环境工程专业，硕士，助理工程师，研究方向为水污染控制技术。膜曝气生物膜反应器生物膜影响因素分析何秋阳(郫县环境监测站，四川 郫县611700)摘要:膜曝气生物膜反应器(MABR)是一种利用透气膜进行曝气，可以实现同步硝化反硝化的污水生物处理新工艺。本文阐述了膜曝气生物反应器生物膜的原理和特点，总结了国内外在该领域的研究成果，重点介绍了 C/N、氧气压力、流速、生物膜厚度、温度和 pH 对生物膜性能的影响。关键词:膜曝气生物反应器(MABR);生物膜;硝化反硝化;影响因素中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1001-3644(2012)05-0096-04Factors Affecting Biofilm of Membrane-Aerated Biofilm Reactor(MABR)HE Qiu-yang(Pixian Environment Monitoring Station，Pixian，Sichuan 611700，China)Abstract:The membrane-aerated biofilm reactor(MABR)is a novel wastewater treatment process which uses permeatablemembrane for aeration to realize nitrification and denitrification simultaneously.In the paper，the principle and characteristics ofMABR are introduced;the rearch achievements in this field are summerized;especially the factors affecting the biofilmperformance such as C/N，oxygen pressure，air flow velocity，biofilm thickness，temperature and pH are analyzed.Key words:Membrane-aerated Biofilm Reactor(MABR);biofilm;nitrification and denitrification;affecting factors1前言膜曝气生物膜反应器(MABR)是一种利用透气膜进行曝气的污水生物处理组合新工艺，采用无泡曝气提高了氧向生物膜内的传质。O2利用率可接近 100%1，是传统曝气的 5 7 倍。氧气提供量和传质速率可以通过内膜压力进行控制2。由于在曝气过程中不产生气泡，可以避免在供氧过程中产生泡沫并带出水中的挥发性有机物，因此产生的臭气较少3。膜曝气生物反应器的生物量是传统活性污泥反应器生物量的 10 倍4，曝气膜上生长的生物膜具有传质异向性，可以高效地同时进行硝化反硝化和 COD 的去除。要使 MABR 有良好的运行性能，关键是使生物膜处于良好的状态。本文对影响膜曝气生物反应器生物膜的因素进行分析。2MABR 生物膜原理在 MABR 中，膜有两方面的作用:一方面是作为固定细菌的载体，另一方面是作为供氧的材料。MABR 采用透气性致密膜通过膜腔体供氧生物膜固定在膜的外表面，废水中的有机物由液相主体向生物膜传递，与氧气形成反向传递。图 1 与图 2反映了 MABR 的结构及其生物膜内的浓度分布。图 1MABR 结构图Fig 1Structure chart of MABR图 2MABR 生物膜浓度分布Fig 2The concentration distribution of MABR biofilm在常规的生物膜中，好氧区在表面、缺氧区在中间、厌氧区在内层。溶解氧浓度和有机底物浓度的变化是一致的，由外向内逐渐降低。由于在生物膜和溶液界面附近，有机物的存在会使自养硝化菌和兼性菌为了获得溶解氧而进行竞争，而生长速率较慢的自养硝化菌在竞争中处于劣势，对有机废水很难实现同时硝化和反硝化。在 MABR 生物膜中，氧和底物浓度的最大值出现在不同的位置，所以生物膜中存在明显的分层现象。紧靠透气膜载体表面的生物膜处溶解氧浓度最大，有机物经过外侧生物膜的降解后浓度降低，为硝化菌创造了良好的生存环境，有利于硝化反应的进行。生物膜液体界面附近高浓度的有机物和含量较少的氧气促进了反硝化菌的生长，有利于反硝化反应的进行。因此，在 MABR 中可以实现同步硝化和反硝化进行脱氮及有机物的去除。3MABR 生物膜影响因素3.1C/N微生物在分解有机质时，要求含碳物质和氮素有一定的比例，这种比例称为碳氮比。碳氮比较高时，有机物浓度高，好氧异养菌在对氧气的竞争中比硝化菌占优势，从而使硝化受到抑制。并且好氧异养菌大量繁殖会增加生物膜的厚度，从而增加了生物膜外层的传质阻力，阻碍了底物进入生物膜内层。相反，碳氮比较低时，由于电子供体的减少，从而使反硝化受到限制。因此，要选择恰当的碳氮比既能避免硝化菌和好氧菌对溶氧的竞争，又能使反硝化过程顺利进行。刘惠军5 等用炭膜曝气生物膜反应器处理生活污水得出进水碳氮比为 5 是比较合适的。Shinya等6 研究表明 C/N 在 3.0 到 5.25 之间时，COD 和总氮的去除效率都大于 70%，C/N 比为 3.75 时总氮去除效率达到最高为 78.9%，当碳氮比大于 6时，总氮去除率急速下降。Timothy 等7 研究得出在膜曝气生物反应器内进行硝化和反硝化的最优碳氮比为 4。碳氮比为 3.8 时，氨氧化菌和反硝化菌能在曝气膜生物膜内进行分层。当碳氮比大于 9时，没有检测到氨氧化菌。表明膜曝气生物膜反应器不适合从含碳氮比较高的废水中去除氮。3.2氧气压力氧气压力会影响微生物活性层的位置、生物膜厚度和氧气传递速率。在传统的生物膜中微生物活性层的位置位于氧气和底物浓度都较高的液体生物膜界面附近。Casey等8 研究表明在膜曝气生物膜中，微生物活性层的位置取决于底物和内膜氧压力的比率。增加氧流量会使生物膜活性层的位置向生物膜液体界面移动。氧气压力越低，活性层位置越接近膜生物膜边界。这点也被 Alina 等9 所做试验证实。John 等10 所做实验表明，用氧分压为 1atm 的纯氧曝气比用用氧分压为 0.21 atm 的空气曝气形成的生物膜厚。这增加的厚度区域位于膜附近活性较小的位置，从而增加了氧气的传质阻力。Alina等9 所做实验也表明，用氧分压为 0.21atm 的纯氧曝气的生物膜的厚度大约是用氧分压为 0.75 atm的空气曝气的生物膜厚度的两倍。用 PCR-DGGE of16S rRNA gene fragments 观察到用空气曝气的生物膜中氨氧化菌远远多于用纯氧曝气的生物膜，表明用空气曝气有利于硝化菌的生长。Osa 等11 报道用空气曝气和纯氧曝气对总氮的去除率分别为47g/(m2d)和和 11g/(m2d)，说明纯氧曝气对氮的去除有抑制作用。Liu 等12 所做试验也证实纯氧对 NH+4-N 和 COD 的 去 除 有 抑 制 作 用。但Brindlea等13 使用纯氧研究表明总氮去除率和硝化率分别为 83%和 98%。3.3流速流速主要影响底物在生物膜溶液界面形成的扩散边界层的传质和微生物从生物膜上的脱落率。此外，流速对生物膜厚度和生物膜结构也有影响。795 期何秋阳:膜曝气生物膜反应器生物膜影响因素分析流速对形成期的生物膜和达到稳定状态的生物膜对底物去除率的影响不一致。Casey 等14 在生物膜形成期间分别采用 2、6 和12cm/s 的流速进行实验，结果表明生物膜脱落率随时间呈凹型分布，在生物膜形成早期和达到稳定后脱落率较高，并且流速越高脱落率越高。流速对底物去除率也有明显的影响，当生物膜较薄时，流速越高，底物去除率越低，流速越低底物去除率越高。Li 等15 处理乙氰废水时，用达到稳定状态的生物膜，分别用 1 12cm/s 的流速进行实验。结果表明流速越高，乙氰去除率越高。当流速为 12cm/s 时，乙氰去除率达到 96.7%，总氮去除效率为 83.3%。Timothy等7 通过对氨氧化菌和反硝化菌进行特异性基因片段定量的 PCR 法(competitive quantitative PCR ofgene fragments specific)分 析 表 明:在 流 速 为14cm/s 时，氨氧化菌仅在膜附近被发现，反硝化菌在生物膜缺氧区域的外层浓度较高。在流速为2cm/s 时，氨氧化菌没有被检测到或者是浓度在检测限附近时被检测到。这表明流速对膜曝气生物膜中细菌活性和群落结构有深远影响，只有在合适的流速下，氨氧化菌和反硝化菌才能在膜曝气生物膜中共存。3.4生物膜厚度较厚的生物膜并不比较薄的生物膜具有更大的底物去除速率，当膜曝气生物膜变的较厚的时候，氧气和底物扩散的距离变长，生物膜性能下降。Timothy7 等所做实验结果表明微生物的呼吸活性随着生物膜的厚度呈凸型的分布。在膜和生物膜液体边界附近的微生物呼吸活性相对较低，表明在膜附近存在扩散障碍阻碍氧气向生物膜进行传质。同样，一个相似的障碍也存在于生物膜液体边界，阻碍了底物向生物膜的传质。因此生物膜的厚度需要足够的厚使硝化和反硝化过程得以进行，但是也不能太厚以免使微生物活性受到不利影响。Shinya等6 所做实验结果表明，对于同时硝化反硝化的生物膜的最适宜厚度为 600 1200m。Timothy7 等所做实验结果表明用空气曝气的生物膜厚度不应超过 1500m，用纯氧曝气的生物膜厚度不应超过2500m。Michael 等16 所做实验表明生物膜适宜厚度在 1000 2000m。Terada 等17 报道在生物膜厚度为 1600m 时，缺氧区和厌氧区的范围相对较广，底物扩散受到限制，去除率降低。而 Casey等18 研究表明，当生物膜厚度超过 1000m 时，底物扩散受到限制，底物去除率急剧下降。3.5温度温度对膜曝气生物膜结构和其中的微生物活性有较大影响。LIAO 等19 所作试验表明在高温MABR(55)的 COD 去除率(90%)高于中温MABR(18 28)的去除率(67%)。通过共焦激光扫描显微镜法(Confocal laser scanning mi-croscopy)观察到中温体系中生物膜松散且较厚，多糖较多。高温体系中生物膜浓密且较薄，蛋白质和疏水性物质较多。中温下的生物膜(1080m)明显厚于高温下的生物膜(280m)。这也就是高温 MABR 性能比中温 MABR 好的原因。Cao 等20 所作实验表明当温度从 10升高到 30 时，去除率增大，30 达到最大值。当温度大于 30 时，去除率明显下降。温度为 10 和 40 时，NOx-N和 COD 去除率最低。原因在于反硝化菌属于中温类，随着反应温度的上升，酶活力增加，代谢速率加快。当温度在 10 以下时，酶活力受到抑制，代谢速率减慢。但是当反应温度增加到 40 时，高的反应温度导致酶结构改变甚至部分细菌死亡，NOx-N 和 COD 去除率下降。3.6pH适宜硝化菌生长的 pH 为 7.0 7.5，适宜反硝化菌的最佳 pH 值为 6.5 7.5。因此存在一个最佳的 pH 范围能够实现最强的脱氮能力，Cao 等20 所作试验表明当 pH 为 7 8 时 NOx-N 和 COD 有较高的去除率，pH 为 7.5 时两者去除率最大。而刘贯一等21 的研究表明，当 pH=8.1 8.3 时脱氮能力最强。原因在于硝化菌生长在膜载体表面，反硝化菌与硝化菌之间隔着其他微生物而生长在生物膜的表层，虽然反硝化菌不处于最佳 pH 值环境，但是相对硝化菌而言其生物量大了许多倍，有足够的能力将硝化产物全部消耗掉。4结论MABR 是一个非常有应有前景的工艺，目前，MABR 还处于实验室研究阶段，进行大规模运用还有较大距离。为了使 MABR 技术应用于实际工业89四 川 环 境31 卷生产中，还需做以下工作。4.1如何确定影响生物膜各因素的黄金点以及各因素之间的最优组合，有待在试验中进一步摸索。4.2控制生物膜厚度的方法亟待改进，过厚的生物膜由于水流分布不均会造成沟流和堵塞。当前实验室研究对生物膜的控制都是采用洗涤法，但洗涤之后导致生物膜性能下降。4.3对适合 MABR 工艺的新型膜材料和膜组件的研制和开发。4.4和其他废水处理工艺的结合和改进。如 SBR工艺和 ABR 工艺等，在脱氮除碳的同时，进行磷的去除，进一步提高对废水的处理效率。也能为现行污水厂的改造创造条件。参考文献:1Brindle K and Stephenson T.The application of membrane biolog-ical reactors for the treatment of wastewatersJ Biotechnologyand Bioengineering 1996，49(6):601-610.2Terada A，Yamamoto T，Igarashi R.Feasibility of a membrane-a-erated biofilm reactor to achieve controllable nitrificationJ Bio-chemical Engineering 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