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 ENVIRONMENT Vol 31 No 5 October 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 04 Factors 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 permeatable membrane for aeration to realize nitrification and denitrification simultaneously In the paper the principle and characteristics of MABR are introduced the rearch achievements in this field are summerized especially the factors affecting the biofilm performance 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 factors 1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 1 MABR 结构图 Fig 1Structure chart of MABR 图 2 MABR 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 of 16S 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 m2 d 和和 11g m2 d 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 of gene 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 Timothy 7 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 1200 m Timothy 7 等所做实验结果表明用空气曝气的生物膜厚度不应 超过 1500 m 用纯氧曝气的生物膜厚度不应超过 2500 m Michael 等 16 所做实验表明生物膜适宜 厚度在 1000 2000 m Terada 等 17 报道在生物膜 厚度为 1600 m 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 1000 m 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 1080 m 明显厚于高温下的生物膜 280 m 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 1 Brindle K and Stephenson T The application of membrane biolog ical reactors for the treatment of wastewaters J Biotechnology and Bioengineering 1996 49 6 601 610 2 Terada A Yamamoto T Igarashi R Feasibility of a membrane a erated biofilm reactor to achieve controllable nitrification J Bio chemical Engineering Journal 2006 28 2 123 130 3 Casey E Glennon B Hamer G Review of Membrane Aerated Biofilm Reactors J Conservation and Recycling 1999 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