摘要：采用中空纤维膜作生物膜载体及无泡曝气反应器，利用具有死端和漂浮特点的浸没式接触氧化工艺，进行污水处理试验研究。初步探讨了其除污机理，对本工艺造纸白水中固体悬浮物的处理效果、膜污染情况进行了考察。系统连续稳定运行30d，产水水质良好，产水浊度小于0.1NUT，且运行稳定。用超滤水在0.05Mpa下反洗，取得理想的效果，这说明此工艺在实际生产中可以运用，对白水进行循环回用，实现零排放。
关键词：无泡曝气 浸没式纤维帘式膜 零排放 产水浊度 膜通量
造纸厂污水是重要的环境污染源，属于环保重点监控的范围。传统的污水处理方式占地面积大、工程造价和运行成本高，并且处理不彻底。采用先进技术更新改造传统的造纸污水处理工艺，降低造纸企业污水处理成本，提高企业竞争力已迫在眉睫。
常规生物膜技术的曝气方法，不但会使生物膜脱落，也会使溶液中的挥发性有机物由于气提作用带到空气中，且传统的鼓泡供氧系统处理污水中，供氧费用占总运行费用的60%～80%，而氧的利用率只有8%～15%。基于常规生物膜技术的曝气方法存在的问题，本文采用浸没式纤维膜作为生物膜载体，及无泡供氧于一体的生物膜反应器污水处理装置。处理造纸白水的分析结果表明：TOC、COD的去除率分别达到78%～96%、88%～94%，而电导率的下降率达95%～97%，实现废水零排放，具有重大的环境效益和经济效益。同时该工艺因具有处理效率高、耐冲击负荷性能好、产泥量低、操作简单方便、自动化程度高、投资省、运行费用低等优点，因此具有很强的实用性。
一、工艺原理
无泡曝气生物反应器，简称为MABR，由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给的，中空纤维膜不仅起着供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气，在中空纤维膜的外侧，生物膜与污水充分接触，污水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解，从而使污水得到净化。
1、供氧方式
由于纤维膜微孔直径很小，为0.1～0.5um，曝气产生肉眼不可见的气泡，因此称为无泡供氧。
中空纤维膜供氧有贯通式和闭端式两种方式：贯通式MABR内中空纤维膜两端分别被固定在双层夹板上，气体由一端夹板持续通入膜内腔，一部分气体被生物膜消耗，剩余部分从另一端的夹板排出。由于该方式中有气体剩余，更适用于空气供氧；闭端式MABR内中空纤维膜一端被固定在双层夹板上，另一端密封，气体经夹板从纤维膜开口端通入，在压力作用下全部进入反应器，所以更适用于纯氧曝气。此外，该方式中纤维束呈流化态，反应器不易堵塞。两种反应器结构如图2所示。
2、氧及底物的传递
由于中空纤维膜具有疏水性和微孔性两个特征，所以在气体通过膜内腔时，膜壁上的微孔保持干燥并充满气体，并由这些微孔将气体传递到中空纤维膜的外侧，即附着的生物膜内。在生物膜内，氧气和底物在微生物的作用下被消耗，形成了溶解氧梯度，此梯度就是氧传递的推动力。
氧的传递速率公式如下：
dC/dt =K1A(C*-C) 式中：
dC/dt——氧的使递速率，mg／(L.s)
K1——氧转移系数，m／s；
A ——反应器的比表面积，m3／m3；
C*——纤维膜中气液界面的溶解氧质量浓度，mg／L；
C ——液相中溶解氧的质量浓度，mg／L。
其中K1由水流速度和水流与中空纤维膜的相对位置决定。Tariq Ahmed(1994)经试验得出：提高水流速度或改平行流为切向流(Crossflow)可获得较大的K1；因为切向流情况下，纤维膜在水流方向的投影面积远大于平行流，且浓度边界层只存在于纤维膜横截面方向。
底物质量传递的推动力是液相与生物膜内的底物浓度梯度。传质阻力主要是液相边界层的影响。当停留时间很长时，液相流速小，边界层厚度大，传质效率低。反之，停留时间短时，传质效率高。
采用中空纤维膜作载体，有机物和氧分别从生物膜的两侧进入膜内部。在生物膜外层，有机物浓度最大而溶解氧浓度最小，生物膜内层深处正好相反。这样，好氧微生物的两个生长控制因素得以相互协调和抑制，其结果是使生物膜协调地生长在一个相对固定的厚度范围内，不会因为底物浓度过大而形成严重堵塞。除此之外，中空纤维膜还具有很大的比表面积，并可在生物膜内形成很高的生物量。
3、中空纤维生物膜及无泡曝气的特点
(1) 中空纤维生物膜的特点
中空纤维帘式生物膜组件具有最大的填装密度，特细管的纤维膜内径只有0.5um,因此其填装密度最大且成本最低。组件结构简单，因此在规模化的膜集成污水再生过程中得到了广泛的应用。
传统的膜处理技术虽有各方面的优势，但在控制膜污染上还存在一定欠缺。本文通过低压操作、膜的反冲洗、膜材料改性、膜组件的优化、膜生物器设计、临界通量控制、水动力学控制、空气喷射和活塞流等很好的控制了膜的污染。
(2) 与常规曝气相比，采用中空纤维膜进行无泡曝气具有如下优点：
① 曝气不产生气泡，氧直接以分子态进入生物膜，几乎百分之百被吸收，传质效率高达100%，因此溶解氧不再是限制微生物生长的决定因素。同时避免了传统曝气时污水中易挥发性物质（甲苯等）随气泡进入大气而对环境造成污染。
② 由于生物膜生长在中空纤维膜的外表面，所以在供氧过程中，生物膜不会受到气体摩擦，不易脱落。
③ 氧在传递到生物膜的过程中不经过液相边界层，因此，传质阻力比常规曝气法小得多，能耗大大降低。
④ 曝气过程中气液两相分离，溶液的混合与供氧互不干扰，因此可以各自独立设计，反应器的形式更加灵活多变。
⑤ 中空纤维膜的比表面积可高达5018 m2/m3，为氧的传递和生物膜的生长提供了巨大的表面积，有利于反应器向小型化发展。
二、工艺流程
本实验原水取自河南省某造纸厂造纸白水。将一定量的原水加入膜过滤器进行抽滤，水和小分子物质经过外部透过膜，固体悬浮颗粒、胶体物质和大分子物质被截留在过滤槽中，从而使原水得到净化。过滤得到的产水回到膜过滤槽中，形成循环。膜组件下方安装曝气装置，曝气量为0.50m3/h，由气泵产生的空气通过膜过滤槽，由气流带动液体，使液体在膜表面产生错流过滤的效果，减轻膜的污染，此操作看不到气泡产生。产水泵由时间控制，每开15min，停3min。为充分考察膜处理造纸白水时的抗污染性，在实验中不断向膜过滤槽中加入固体悬浮物，每隔4h搅拌一次，防止悬浮物沉降，使膜始终处于恶劣的环境中，增加膜的污染。实验结束后对膜进行反洗。
三、结果与讨论
以下我们从膜对造纸白水的处理效果、产水浊度、产水浊度与原水浊度的关系、膜通量和负压随时间的变化情况、反洗的效果等几个方面加以讨论。
1、膜对造纸白水的处理效果
中空纤维膜对于造纸白水的处理效果非常理想，对BOD5、CODCr和SS的去除率分别达到90.0%～92%、78.7%～85.4%和90%～95.5%。
2、产水浊度的变化
可以看出，经过纤维膜后其浊度下降至23左右，平均浊度下降率为51%。由于反应器内循环水流的搅动，纤维膜的吸附作用不稳定，所以出水浊度便有一些波动。从图中还可以看出，在吸附的前期，出水的浊度比后期的浊度要高。从5h以后，浊度稳定在20左右，总的趋势是浊度逐渐下降，平均浊度下降了57%。这是因为吸附初期膜表面没有吸附固体颗粒和胶体，膜孔较大，产水浊度偏大，随着时间的增加，膜表面和膜空内吸附了一些悬浮颗粒，孔径变小，使得产水浊度下降。
3、产水浊度与原水浊度的关系
在实验期间虽不断向膜过滤槽中加入固体悬浮物，但槽中的曝气装置没能使原水得到充分搅拌，使原水中的悬浮物有一定的沉降，膜过滤原水的浊度随时间呈现波动。
可以看出：原水浊度增加时，产水浊度没有增大的趋势，并且保持在0.1NUT以下，这说明原水浊度的增加并不会影响膜产水的质量。
4、膜通量随时间的变化情况
通过观察膜通量的变化，可以知道膜受污染的情况。如果膜通量保持稳定的水平，证明膜污染程度较低，那么该工艺就能运用到实际生产中。
看出膜的通量比较稳定，说明中空纤维膜受到的污染并没有导致膜通量下降，说明造纸白水中的悬浮物不会对膜表面微孔起到明显阻塞作用。
5、反洗
膜污染根据发生的位置可分两种类型：一种是外部堵塞，即污染物吸附沉积在膜的表面，增加了底物传递阻力；另一种是内部堵塞，即污染物在中空纤维膜壁上的微孔内吸附沉积，减小了膜孔径，从而降低了氧的传递速率。这两种膜污染都会严重影响MABR的正常运行，必须经常对膜进行反冲洗。
在系统运行30d后，用超滤水在0.005Mpa压力下反洗纤维膜，反洗30min。用跨膜压差的变化来考察反洗的效果。
经过反洗，污染物从膜孔内部和膜表面逐渐冲洗下来，产水负压恢复到起初的-0.0085Mpa。实验结束后测得纯水通量为45L/h，和实验前的一样，说明反洗达到了膜清洁的目的。
四、总结
MABR是一种新型的生物膜法污水处理工艺。与传统处理工艺相比，MABR采用无泡曝气，可使氧利用率大幅度提高，能量消耗大幅度降低。MABR采用中空纤维膜作为载体，有机物和氧分别从生物膜的两侧进入膜内部，好氧微生物的两个生长控制因素得以相互协调和抑制，使生物膜协调地生长在一个相对固定的厚度范围内，不会因为底物浓度过大而形成严重堵塞。此外，用纤维生物膜处理造纸白水时，产水浊度在0.1NTU以下，产水水质比较理想，并且产水浊度不受原水影响。系统运行期间膜通量稳定在45L/h左右，负压随时间上升缓慢，且保持在比较小的范围内。膜被污染后用超滤水反洗，清洗效果显著。在废水水质变化、形成负荷冲击情况下，出水水质恶化，但很快就能够恢复。中空纤维膜还具有很高的比表面积，并可在生物膜内形成很高的生物量。MABR气液两相分离，可各自独立设计，容易满足不同的实际需求。由于采用无泡曝气，MABR可用于处理含挥发性物质的废水，且在处理含表面活性剂的废水时不产生泡沫。MABR的另一显著特点是通过供氧控制，可同时高效去除COD，是一种很具有潜力的污水处理工艺。 来源：水工业市场杂志
