浅析MABR膜曝气技术在污水处理“提质增效”的前景

中国的环境保护是从20世纪70年代开始起步的，1972年中国参加迈入斯德哥尔摩联合国人类环境大会，目前为止，中国的环境保护行业稳步发展了40年，近几年来可以清晰地看到国家的政策导向不断为环境加码，也形成了近年来的环保市场爆发的现象，在这个一切皆环保的时代在无论国家层面与大众认知层面，都更加关注和专业，也造就了目前标准高，监管严，认知强的环境氛围。而对污水处理行业，城市居民的聚集度越来越高，生活水平的不断提高，工业化的不断发展，所面临的污水是一个更为复杂的局面。

相对而言排水标准的提高，也就是所谓的“提质增效”，这是目前污水处理行业的一个大环境和大趋势，曾经的一些的污水处理工艺和技术甚至已经完全不合用于现有的情况，这无疑会对污水处理的运营者们形成一个较大的困局。这简单的四字，在实践起来却是困难重重，提质的同时要增效，仔细思考对比了很多种传统的提标技术，大多都不足以满足这个苛刻的命题，这时候已经迫切地需要具有革命性的新技术来打破困难。

活性污泥法生化处理是大部分污水处理厂的运行的核心和根基，所以解决问题的核心还是聚焦在了生化处理工艺的优化。《Biofilm Reactor Technology & Design》一书中作为新型生物膜技术提到了MBfR（membrane biofilm reactor）技术，现在大多数人更愿意叫做MABR（membrane aerated bio-reactor），深入探究之后，了解到该技术是以生物膜法和曝气相结合的技术，那么“提质增效”的难题就似乎就有了突破点。很早之前就有利用膜材料分离气体传递给液体的应用，而MABR研究开始于20世纪80年代后期，随着不断挖掘和深入，MABR目前也已有了部分的工程应用。

所谓的MABR技术，首先是一种无泡曝气技术，更精确一点可以说是一种传氧技术，主要是利用膜材料，将曝气侧的氧传递到污水中，而在靠近污水的膜侧，会慢慢富集一些需氧的微生物，从而形成一层生物膜，由于MABR存在特殊的曝气模式和传氧机制，微生物膜会产生明显的分层结构，其微生物膜可大致分为3个基本功能层，即好氧层、缺氧层乃至厌氧层，也就意味着MABR具备着同步硝化反硝化的能力。

膜材料是MABR的核心，一般来说目前MABR膜材料主要可以分三大类，即微孔膜、致密膜、复合膜。微孔膜材料通过膜材料的微孔来传递气体。这种膜的优点是气体在微孔内传递时受到的阻力很小，所以氧传递效率高。缺点是当微孔膜材料为亲水性材料时，液体可能会渗入膜的孔道中，使气体的传质阻力增大，不利于氧气传递到生物膜；而致密膜通过溶液扩散的机理来传质。以硅树脂为例，由于氧气在硅树脂中的溶解度比在水中的溶解度要高很多，所以氧气可以在硅树脂中溶解扩散，这也是长期浸润在污水中，最为优势可靠的一种。

而MABR组件的装置的形式，与一般的MBR组件相差无几，MABR也有片式膜或平板式膜的形式，但为了保证不过分影响应用于生化池体内的流态，增大膜与污染物的接触面积，一般应用于污水处理中，中空纤维式的膜具有更好的优势。MBR膜主要功能用作过滤，而MABR膜只是用于传递氧气，所以一般情况下不会受到污染和堵塞，这些保证了MABR的稳定可靠性，膜丝有一个比较长的更换周期，一般来说能够超过10年。

单纯从技术的角度进行探讨，MABR如何解决污水处理提质增效的问题呢？首先从提质角度来看MABR，MABR技术本身也可以说是一种IFAS工艺的处理技术，膜在正常工作时置于生化池内时，一般而言对提标改造项目来说都是缺氧区，膜丝的外表面会形成一层生物膜系统，当然，每种生物膜系统都有其优点和缺点，要对所有生物膜系统进行一个全面的总结是比较困难的，生物膜法有些共性的优势是显而易见的，生物膜固着于固体表面上的生物膜对废水水质、水量的变化有较强的适应性，操作稳定性好。不会发生污泥膨胀，运转管理较方便，即使增殖速度慢的微生物也能生长繁殖。而在活性污泥法中，世代期比停留时间长的微生物被排出曝气池，因此，生物膜中的生物相更为丰富，且沿水流方向膜中生物种群具有一定分布。生物膜法同高营养级的微生物存在，有机物代谢对较多的转移为能量，合成新细胞即剩余污泥量较少。

MABR

仅针对MABR的生物膜系统，有一个特点和优点是相对其他生物膜系统来说十分鲜明的，就是氧的传质由内向外，决定了生物膜系统内层靠近膜丝表面的是好氧微生物，外层是缺氧或厌氧生物膜。生物膜的传氧的梯度方向与生物转盘，生物滤池，MBBR是截然相反的。生物膜的梯度性决定了MABR可以具备同步硝化反硝化的功能，在有限的池容内，可以直接完成对总氮的去除，这是非常显著的优点，也可以归结为“提质”。

同时生物膜的分布对碳源的有效利用是有提升效果的，大部分的好氧异氧微生物会富集在膜丝内侧，污水中的有效碳源必须要扩散通过生物膜系统外侧的缺氧或厌氧生物膜才能与之接触。大多数碳源都是被反硝化利用，而不会过多地被好氧异氧微生物消耗，这也算是MABR技术能够直接体现增效的一点。

然而MABR对于增效的体现不仅限于对碳源的高利用率，最重要的一点是，MABR本身作为一种曝气，对氧气的利用率是非常高的，换言之就是节能。事实上MABR传氧的主要动力来源，并非来自于曝气鼓风，而是来自于存在氧浓度差异的自然正向渗透，甚至可以把MABR膜理解为人的肺，污水理解为人体的血液，而微生物就是血液中的血红蛋白，所以MABR膜也可以说是渗透膜。

结合一些MABR资料和试验数据，以空气作为介质传氧时，一般所排出尾气的氧浓度在16%以下，氧利用率在25%以上。也许可能会有疑问，25%左右的氧利用率，池深较深的微孔曝气似乎也能达到，那MABR的优势何在？原因是MABR在曝气的过程中并不需要克服水的底部静压，气液并不是直接接触传氧，而中空纤维膜的压损是非常低的，一般不会超过10kpa，所以在选择曝气鼓风机的时候，在风压要求上就可以大大降低，某些研究数据是可以佐证这一点的。MABR的曝气动力效率可达到10kgO2/kwh，在适宜条件下甚至可以达到14kgO2/kwh，这个数值是传统曝气形式的3-4倍，相应而言几乎能够节约75%的曝气电耗。生化处理最主要的成本就来自于曝气所需的电耗，对市政污水处理厂而言，曝气的能耗几乎会占据全厂能耗的50%以上，在曝气上的增效，相信会让更多污水处理运营者有信心。

当然没有绝对完美的技术，以我本身浅薄了解再看MABR，也看到了MABR技术应用的几点问题。一是如何在大面积布置MABR膜和膜组件的池体里，有效的循环污泥，会不会影响影响原有生化系统的水流流态？这涉及一个水力动力学的复杂计算，或许针对不同目标不同工程会有不同解决方案，但这确实是一个在前期值得认真思考的问题。二是膜的可靠度高吗？经调研看来国内外几家拥有MABR技术的厂商，膜也是千差万别，而对于MABR膜是否能长期适应污水处理生化池的复杂情况，MABR比较害怕硬物划伤，也害怕高含油，高硬度的污水，这几点是值得担心的。三是投资成本的问题，往往制约一个好技术发展的就是经济性的问题，MABR能够帮你省钱，但是别忘了，以膜作为生物载体，目前看来是有些奢侈的，虽然回报很高，但最后算回经济账的时候，还得需要有勇气去接受它。

而随着MABR技术的继续发展和研究的深入，希望可以看到MABR能在国内的污水处理市场上应用起来，MABR已经是一个基本成熟的技术，与目前国内污水处理市场的契合度还是非常高的新颖技术，有机会并且有信心能在新一轮的“提质增效”大展拳脚。