淺析MABR膜曝氣技術在汙水處理「提質增效」的前景

北極星水處理網訊:中國的環境保護是從20世紀70年代開始起步的，1972年中國參加邁入斯德哥爾摩聯合國人類環境大會，目前為止，中國的環境保護行業穩步發展了40年，近幾年來可以清晰地看到國家的政策導向不斷為環境加碼，也形成了近年來的環保市場爆發的現象，在這個一切皆環保的時代在無論國家層面與大眾認知層面，都更加關注和專業，也造就了目前標準高，監管嚴，認知強的環境氛圍。而對汙水處理行業，城市居民的聚集度越來越高，生活水平的不斷提高，工業化的不斷發展，所面臨的汙水是一個更為複雜的局面。

相對而言排水標準的提高，也就是所謂的「提質增效」，這是目前汙水處理行業的一個大環境和大趨勢，曾經的一些的汙水處理工藝和技術甚至已經完全不合用於現有的情況，這無疑會對汙水處理的運營者們形成一個較大的困局。這簡單的四字，在實踐起來卻是困難重重，提質的同時要增效，仔細思考對比了很多種傳統的提標技術，大多都不足以滿足這個苛刻的命題，這時候已經迫切地需要具有革命性的新技術來打破困難。

活性汙泥法生化處理是大部分汙水處理廠的運行的核心和根基，所以解決問題的核心還是聚焦在了生化處理工藝的優化。《Biofilm Reactor Technology & Design》一書中作為新型生物膜技術提到了MBfR（membrane biofilm reactor）技術，現在大多數人更願意叫做MABR（membrane aerated bio-reactor），深入探究之後，了解到該技術是以生物膜法和曝氣相結合的技術，那麼「提質增效」的難題就似乎就有了突破點。很早之前就有利用膜材料分離氣體傳遞給液體的應用，而MABR研究開始於20世紀80年代後期，隨著不斷挖掘和深入，MABR目前也已有了部分的工程應用。

所謂的MABR技術，首先是一種無泡曝氣技術，更精確一點可以說是一種傳氧技術，主要是利用膜材料，將曝氣側的氧傳遞到汙水中，而在靠近汙水的膜側，會慢慢富集一些需氧的微生物，從而形成一層生物膜，由於MABR存在特殊的曝氣模式和傳氧機制，微生物膜會產生明顯的分層結構，其微生物膜可大致分為3個基本功能層，即好氧層、缺氧層乃至厭氧層，也就意味著MABR具備著同步硝化反硝化的能力。

膜材料是MABR的核心，一般來說目前MABR膜材料主要可以分三大類，即微孔膜、緻密膜、複合膜。微孔膜材料通過膜材料的微孔來傳遞氣體。這種膜的優點是氣體在微孔內傳遞時受到的阻力很小，所以氧傳遞效率高。缺點是當微孔膜材料為親水性材料時，液體可能會滲入膜的孔道中，使氣體的傳質阻力增大，不利於氧氣傳遞到生物膜；而緻密膜通過溶液擴散的機理來傳質。以矽樹脂為例，由於氧氣在矽樹脂中的溶解度比在水中的溶解度要高很多，所以氧氣可以在矽樹脂中溶解擴散，這也是長期浸潤在汙水中，最為優勢可靠的一種。

而MABR組件的裝置的形式，與一般的MBR組件相差無幾，MABR也有片式膜或平板式膜的形式，但為了保證不過分影響應用於生化池體內的流態，增大膜與汙染物的接觸面積，一般應用於汙水處理中，中空纖維式的膜具有更好的優勢。MBR膜主要功能用作過濾，而MABR膜只是用於傳遞氧氣，所以一般情況下不會受到汙染和堵塞，這些保證了MABR的穩定可靠性，膜絲有一個比較長的更換周期，一般來說能夠超過10年。

單純從技術的角度進行探討，MABR如何解決汙水處理提質增效的問題呢？首先從提質角度來看MABR，MABR技術本身也可以說是一種IFAS工藝的處理技術，膜在正常工作時置於生化池內時，一般而言對提標改造項目來說都是缺氧區，膜絲的外表面會形成一層生物膜系統，當然，每種生物膜系統都有其優點和缺點，要對所有生物膜系統進行一個全面的總結是比較困難的，生物膜法有些共性的優勢是顯而易見的，生物膜固著於固體表面上的生物膜對廢水水質、水量的變化有較強的適應性，操作穩定性好。不會發生汙泥膨脹，運轉管理較方便，即使增殖速度慢的微生物也能生長繁殖。而在活性汙泥法中，世代期比停留時間長的微生物被排出曝氣池，因此，生物膜中的生物相更為豐富，且沿水流方向膜中生物種群具有一定分布。生物膜法同高營養級的微生物存在，有機物代謝對較多的轉移為能量，合成新細胞即剩餘汙泥量較少。

MABR

僅針對MABR的生物膜系統，有一個特點和優點是相對其他生物膜系統來說十分鮮明的，就是氧的傳質由內向外，決定了生物膜系統內層靠近膜絲表面的是好氧微生物，外層是缺氧或厭氧生物膜。生物膜的傳氧的梯度方向與生物轉盤，生物濾池，MBBR是截然相反的。生物膜的梯度性決定了MABR可以具備同步硝化反硝化的功能，在有限的池容內，可以直接完成對總氮的去除，這是非常顯著的優點，也可以歸結為「提質」。

同時生物膜的分布對碳源的有效利用是有提升效果的，大部分的好氧異氧微生物會富集在膜絲內側，汙水中的有效碳源必須要擴散通過生物膜系統外側的缺氧或厭氧生物膜才能與之接觸。大多數碳源都是被反硝化利用，而不會過多地被好氧異氧微生物消耗，這也算是MABR技術能夠直接體現增效的一點。

然而MABR對於增效的體現不僅限於對碳源的高利用率，最重要的一點是，MABR本身作為一種曝氣，對氧氣的利用率是非常高的，換言之就是節能。事實上MABR傳氧的主要動力來源，並非來自於曝氣鼓風，而是來自於存在氧濃度差異的自然正向滲透，甚至可以把MABR膜理解為人的肺，汙水理解為人體的血液，而微生物就是血液中的血紅蛋白，所以MABR膜也可以說是滲透膜。

結合一些MABR資料和試驗數據，以空氣作為介質傳氧時，一般所排出尾氣的氧濃度在16%以下，氧利用率在25%以上。也許可能會有疑問，25%左右的氧利用率，池深較深的微孔曝氣似乎也能達到，那MABR的優勢何在？原因是MABR在曝氣的過程中並不需要克服水的底部靜壓，氣液並不是直接接觸傳氧，而中空纖維膜的壓損是非常低的，一般不會超過10kpa，所以在選擇曝氣鼓風機的時候，在風壓要求上就可以大大降低，某些研究數據是可以佐證這一點的。MABR的曝氣動力效率可達到10kgO2/kwh，在適宜條件下甚至可以達到14kgO2/kwh，這個數值是傳統曝氣形式的3-4倍，相應而言幾乎能夠節約75%的曝氣電耗。生化處理最主要的成本就來自於曝氣所需的電耗，對市政汙水處理廠而言，曝氣的能耗幾乎會佔據全廠能耗的50%以上，在曝氣上的增效，相信會讓更多汙水處理運營者有信心。

當然沒有絕對完美的技術，以我本身淺薄了解再看MABR，也看到了MABR技術應用的幾點問題。一是如何在大面積布置MABR膜和膜組件的池體裡，有效的循環汙泥，會不會影響影響原有生化系統的水流流態？這涉及一個水力動力學的複雜計算，或許針對不同目標不同工程會有不同解決方案，但這確實是一個在前期值得認真思考的問題。二是膜的可靠度高嗎？經調研看來國內外幾家擁有MABR技術的廠商，膜也是千差萬別，而對於MABR膜是否能長期適應汙水處理生化池的複雜情況，MABR比較害怕硬物劃傷，也害怕高含油，高硬度的汙水，這幾點是值得擔心的。三是投資成本的問題，往往制約一個好技術發展的就是經濟性的問題，MABR能夠幫你省錢，但是別忘了，以膜作為生物載體，目前看來是有些奢侈的，雖然回報很高，但最後算回經濟帳的時候，還得需要有勇氣去接受它。

而隨著MABR技術的繼續發展和研究的深入，希望可以看到MABR能在國內的汙水處理市場上應用起來，MABR已經是一個基本成熟的技術，與目前國內汙水處理市場的契合度還是非常高的新穎技術，有機會並且有信心能在新一輪的「提質增效」大展拳腳。

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