封装和加工了膜曝气/膜生物反应器（MA/MBR）耦合工艺的膜组件和实验装置。以模拟生活污水为处理对象，分别在MABR池和MBR池中培养和驯化了生物膜和活性污泥。考察了耦合工艺对模拟生活污水中COD、氨氮和总磷的去除效果。研究结果发现：MABR采用无泡膜曝气，曝气量仅需30 L/min，MBR膜出水运行条件为8：2（开8 min 停 2 min）时，MA/MBR 耦合工艺对污水中的 COD、氨氮和 TP 的去除率分别达到 95%、87.5% 和 74.1%，出水COD与氨氮浓度均达到国家一级A排放标准。MA/MBR耦合工艺对总磷的去除受MA/MBR系统排泥时间的影响，对总磷的去除效果有限，但通过缩短MABR系统的排泥时间，将可以大大提高污水中总磷的去除。耦合工艺采用无泡曝气、能耗低、污染物去除效率高、易于自动化运行，呈现出很好的商业前景。

关键词: 

         膜曝气;膜生物反应器;耦合工艺;污染物去除

 

        近年来，水体污染受到全社会的广泛关注，各种水处理技术得以研究。根据微生物在生化池内的状态，污水生化处理工艺可分为活性污泥法和生物膜法两种。典型的活性污泥法是通过设置厌氧池、缺氧池和好氧池，让污水依次流过厌氧、缺氧和好氧池，再通过污泥回流和剩余污泥排放，实现污水中COD、氨氮和总磷的去除。而生物膜法则是通过在生化池内安装填料，让微生物膜附着生长在填料上。在外部曝气下，填料外层生长好氧和兼氧微生物，而在内层生长厌氧微生物，从外向内依次为好氧、兼氧和厌氧微生物群落。通过生物膜的周期更新，从而实现污水中污染物的降解。两种污水处理工艺都需要曝气，调节气路上的阀门改变生化池内的溶解氧浓度。两种工艺都存在氧利用率低、能耗高、污泥浓度低、生化池体积大、设备投资大等缺点，因此迫切需要研究开发低能耗，效率高，可以同步降解COD、脱氮除磷的新工艺。

       将浸没式中空纤维超滤膜安装在好氧池中，利用超滤膜对活性污泥的高效截留作用分离泥水混合物，以代替二沉池，这种将膜分离和生化反应组合的膜生物反应器（Membrane bioreactor，MBR）工艺，已经广泛应用于市政污水和工业废水的处理。具有：占地面积小、污泥浓度高、处理效率高、出水水质好，易于实现自动控制等优点。

随着中空纤维超滤膜在污水处理领域的广泛应用，一些学者尝试把具有透气性的中空纤维膜作为生化池的曝气器和生物膜的载体。将氧气从中空纤维膜内腔充入，透过中空纤维膜壁上的微孔传递至膜表面，在中空纤维膜外表面生长一层生物膜的污水 处 理 新 工 艺 — 膜 曝 气 生 物 反 应 器（Membrane aerated bioreactor，简称 MABR）。这种工艺的特点是：氧的传递由内往外（形成微纳米气泡/无泡曝气），氧利用率达到 60% 以上，是微孔曝气的 3～4倍。中空纤维膜靠近膜丝从内到外，依次生长好氧（硝化菌）、缺氧或厌氧菌层（反硝化菌），在单一反应器里实现硝化反硝化，污染物去除效率高。

        根据 MABR工艺的特点，生长在中空纤维膜上的生物膜随着运行时间的推进，会缓慢脱落，成为剩余污泥，进入后续沉淀工序，进行泥水分离。而MBR工艺兼有活性污泥的高效降解功能，还有膜过滤实现泥水分离，因此将两种工艺耦合，充分发挥各自的优点，研究MA/MBR耦合工艺对模拟生活污水中的处理效果。

 

1     实验部分

1.1  膜曝气组件和MBR膜组件封装

       本实验中 MA 和 MBR 所使用的中空纤维膜材料为聚偏氟乙烯（PVDF），用中空纤维膜纺丝机经非溶剂致相转化法制备。PVDF 中空纤维膜规格为：外径为 1.5 mm，孔径为 0.05 μm。用 MBR膜壳，环氧树脂胶密封，分别封装MBR膜组件（图1（a））和MA 膜组件（图 1（b））。

          

        MA 和 MBR 膜组件均采用帘式膜形式：两头用膜盒固定，一头封端，另一头切割环氧树脂管板，作为曝气膜的进气口或MBR膜的出水口。单帘膜组件的膜面积为1 m2。MA膜组件为了方便生物膜的生长，中空纤维膜的排布较稀疏，如图1（b）所示。

       1.2 MA/MBR耦合工艺的实验装置
        MA/MBR 耦合工艺实验装置如图 2 所示，箱体用 10 mm 的 PVC 板焊接制作。实验装置从左到右依次为原水池、MABR 池、MBR 池和清水池。原水池 为 400 L 的 PE 储 水 箱 ，储 存 模 拟 生 活 污 水 。

               

        MABR 池是由 PVC 箱体内置两帘 1 m2的曝气膜组件组成，膜组件开口端和增氧泵相连，气路上装有气量调节阀。在两帘曝气膜之间安装可调速的搅拌器（挂膜初期使用）。MBR 池是由 PVC 箱体内置两帘MBR 膜组件，池底部安装穿孔曝气管，和增氧泵相连，通过气量调节阀门调节气量大小。MBR膜组件的出水口和出水泵相连。MABR 池和 MBR 池之间由 PVC 管相连。用进水泵将原水池中的模拟生活污水抽入MABR池中，开启MABR池中曝气膜的增氧泵，调节阀门开度大小，通过曝气膜对 MABR 池MABR充氧，并开启搅拌器，防止活性污泥沉积。经过池的污水经过流管流入 MBR 池中，和 MBR池中曝气扰动的活性污泥充分接触，经过处理后的污水在出水泵的抽吸作用下，经内置的 MBR 膜过滤，实现泥水分离，流进清水池。MBR 池底设置排泥阀，按照一定的时间间隔排出剩余污泥。

1.3   微生物接种和驯化

        首先，从南昌市朝阳污水处理厂的生化池内取一定量的活性污泥（没有添加絮凝剂），按照池容量30% 的比例分别投入 MABR 和 MBR 池中。将实验设备的控制系统选择手动档，单独开启 MABR池中的搅拌机和增氧泵，通过阀门调节气体流量大小，使MABR池中的曝气压力在泡点以下，MABR池中膜上肉眼不可见气泡；单独开启 MBR 池的增氧泵，通过阀门调节气体曝气量，使MBR池中的溶氧浓度维持在 2～4 mg/L。每天观察两个生化池中的微生物生长情况，投加一定量的营养盐（葡萄糖、氯化铵和磷酸二氢钾的混合物），不排泥。

       经过半个月培养后，将实验设备控制开关选择自动档，实验设备根据 MBR 池中的液位开关，控制原水池中的进水泵的启停：处于低液位的时候，进水泵将原水池中的模拟生活污水抽入实验设备中（设计处理量 10.52 L/h），先后依次流过 MABR 池和MBR 池，经过 MBR 池中的膜过滤后，流入清水池；处于高液位的时候，进水泵停止进水，系统间隔出水（出水 8 min，停止 2 min）；当 MBR 池液位到达低液位时，进水泵又开始进水，自动往复运行。设计的水力停留时间为12 h，pH为7.0～8.0，实验环境温度为25 ℃，曝气压力为 0.25 MPa 左右（根据实际情况进行调整，随着中空纤维膜上生物膜厚度的增加，氧跨膜阻力增大，表现为气体流量计的流量降低，需要打开气路上阀门开度，位置在气体流量计最初的进气量），排泥时间间隔为3～7 d。

1.4    微生物检测及水质分析

1.4.1 微生物检测

        用肉眼观察法观察 MABR池和 MBR池中的微生物挂膜前后的生长情况。

        用镜检法对 MABR池和 MBR池中培养的微生物进行检测：用滴管吸取一滴生物膜液，滴在载玻片中央，将盖玻片与液滴接触后，缓缓放下盖玻片盖住液滴，置于高倍生物显微镜下，调节显微镜的放大倍数，观察载玻片中央的微生物的种类和形态。

1.4.2 水质分析

         配置的模拟生活污水、经过 MABR池处理后的污水、经 MBR 处理后的污水和经 MBR 池中膜过滤后 的 处 理 出 水 的 COD、NH3-N、TP 分 别 按 照 HJ/T399-2007、甲醛快速测定法和钼酸铵分光光度法分析测定，评估MA/MBR耦合工艺对模拟生活污水的处理效果。

 

2      结果与讨论

2.1  微生物培养和微生物群落分析

       经过半个月的培养，MABR和MBR池中微生物生长情况如图 3所示。

         

       MABR池中的 PVDF膜和池壁上挂满厚厚的一层青苔絮状膜，这些生物膜由微生物及其产生的一些物质和附着在微生物表面的物质组成。MBR池中是浓稠状的活性污泥，呈现土褐色。MABR 池中的生物膜的镜检结果如图 4 所示。

              

 

        在接种初期（图a），生物膜是多种微生物菌组成的群落，主要有表壳虫、线虫等微生物。到了驯化后期（b图），出现了以钟虫为代表的固着性纤毛虫，偶尔可见少量游动纤毛虫，而大量轮虫的出现则表明微生物菌落已基本形成，硝化菌得到了大量繁殖。

2.2  耦合工艺

       对CODcr的降解效果耦合工艺不同生化段的 COD 浓度随运行时间关系如图 5 所示。，可以看出：

        

            

       1）为了模拟城市生化污水，进水 COD 在 300～350 mg/L 变化。经过MABR 生化段处理，COD 有了大幅度的        降低，前 25天，COD约为60 mg/L左右，主要是依赖挂在膜壁上的好氧菌落的生长得以降解。

       2）当运行时间超过20 d 以后，MABR 生化段出水的 COD 有上升趋势，增加到了 80 mg/L。随着运行时间的延长，MABR生化段出水 COD 逐渐降低。这可能是因为 MABR生化段挂在 PVDF 膜上的生物膜老化，生物膜的大量掉落影响进水中 COD 的去除。MABR 生化段出水进入MBR生化池，MBR池中是好氧环境，里面生长了大量好氧活性污泥，对 MABR生化段未降解的有机物进一步降解，从 MBR 池中 COD 逐渐降低可以印证这点。经过MABR、MBR生化段和膜过滤后的出水 COD基本维持在 30 mg/L以下，尽管在 25～35 d 的时候，出水的 COD 略有升高，但是波动幅度不大。这可能和 MABR 生化段中脱落的生物膜进入 MBR 生化段，MBR 生化段剩余污泥排出导致MBR系统污泥浓度降低，进而导致的污染物降解效率降低有关，但是从总体来看，耦合工艺中 MABR生化段对污染物的降解占主要，MBR生化段可以对MABR生化段的出水做进一步深化处理，使得整个系统对 COD 的去除率达到了 90% 以上，出水的COD有小幅度波动，但是基本维持在30 mg/L左右，表现出极佳的污染物降解效率。

2.3  耦合工艺

       对氨氮的去除效果耦合工艺不同生化段对氨氮的去除效果如图6所示。

       

        当进水氨氮质量浓度为30～35 mg/L 时，运行初期MABR池中的生物膜对氨氮的去除率保持在75%左右。这是因为污水中的氨氮进入 MABR 池，和MABR池中的的生物膜接触，靠近透氧膜外面由于膜腔内氧气的扩散呈现好氧状态，进水中的氨氮在生物膜内的好氧菌作用下变为硝酸盐（NO3-N）、亚硝酸盐（NO2-N），这些硝酸盐和亚硝酸盐在随透气膜往外扩散的氧气气流作用下，和透氧膜外层的缺氧和厌氧菌作用，再和水中的碳源结合，发生反硝化反应，从而将NO3-N、NO2-N 还原为 N2，溢出，达到脱除氨氮的目的，氨氮脱除反应原理如图7所示。当运行时间超过20 d 后，氨氮略有升高，但是很快开始降低。从MABR和MBR两个生化段的氨氮降解效率来看，氨氮的去除主要在MABR池。MBR池由于膜需要大气量擦洗，以防止膜堵，所以MBR池是一个好氧环境，但在膜丝之间曝气难以到达的地方处于缺氧状态，加之膜的高效截留作用，所以兼氧菌在MBR池中得以不断累积，好氧/缺氧的环境使得MBR对氨氮有进一步的去除功能。在MABR池构建的好氧/缺氧/厌氧环境和MBR池的好氧/缺氧环境下，耦合工艺对废水中的氨氮实现了高效去除，氨氮总的去除率达到了87.5%左右，出水氨氮质量浓度均小于5 mg/L。

2.4   耦合工艺对总磷的去除效果

            

        耦合工艺对污水中总磷的去除随运行时间和排泥时间的变化关系如图 8 所示。进水 TP 质量浓度为 3～4 mg/L，MABR 池和 MBR 池对总磷的去除呈现不同的变化趋势。MABR 池中总磷浓度随排泥时间变化较大，这是因为 MABR 池是无泡曝气，氧传质范围较小，在生物膜内缺氧与厌氧环境共存，使得聚磷菌大量释放磷。靠近膜表面的好氧菌吸收磷，脱落的富磷生物膜流入 MBR 池，从而将水中的总磷去除，所以 MABR池对进水中总磷有较好的去除。而在MBR池中，由于MBR膜的截留作用，所以MABR 池排出的富磷生物膜汇集在 MBR 池中，导致 MBR 池中的总磷浓度基本保持不变。为了实现富磷生物膜和含磷活性污泥排出生化系统，通过改变 MBR 池的排泥间隔 10 d、7 d、5 d、3 d、2 d。随着排泥间隔的减少，系统对总磷的去除率逐渐升高。

        10 d 和 7 d 间隔排泥时总磷的去除率约为 70%。当排泥间隔为 3 d 时，总磷的去除率最高可以达到76%。但是频繁的排泥，会降低MBR池活性污泥浓度，一方面会引起膜的堵塞，另一方面也降低了MBR 系统的处理效率。出水的总磷基本维持在1.25 mg/L 左右。距离一级 A 的 0.5 mg/L 还有不小的差距。根据系统除磷的效果，在总磷去除率较高的 MABR 系统中单独增加排泥系统，缩短排泥间隔，将可以显著的降低出水的总磷浓度。

 

3     结 论

       自制了 MA/MBR 耦合工艺的实验装置和膜组件，以模拟生活污水为处理对象，考察了耦合工艺对模拟生活污水中COD、氨氮和总磷的去除效果。结果发现：耦合工艺采用中空纤维膜曝气，在 MABR池中挂上由厌氧、缺氧和好氧组成的生物膜；在MBR 池中培养了高浓度的活性污泥。利用 MABR生化段的厌氧、缺氧和好氧菌落和MBR生化段中的好氧/缺氧微生物实现污水中 COD和氨氮的高效去除。耦合工艺对总磷的去除和排泥时间有很大关系。MBR 生化段对总磷的去除效率较低，但是MABR 生化段对总磷有较好的去除效果。膜曝气的气量为 30 L/min（会随膜厚的增加而有所变动，需要根据实际情况及时调整）、MBR 膜出水为 8∶2（开8 min 停 2 min）时，MA/MBR 耦合工艺对模拟生活污水中的 COD、氨氮和 TP的去除率分别达到 95%、87.5%和74.1%。出水的 COD和氨氮浓度均达到国家一级A排放标准。耦合工艺对总磷的去除受排泥时间影响较大，缩短 MABR 系统的排泥周期，可以大大提高总磷的去除。MA/MBR 耦合工艺采用无泡曝气，氧利用率高，能耗低，污染物去除效率高，可以实现自动化运行，表现出很好的商业应用前景。

 

 

 

原标题：膜曝气/膜生物反应器耦合工艺处理模拟生活污水的研究

原作者：陈芬梅  董永全   徐 洁    钟 荣   梁静宜