汪 婧 張 翔 黃 樂 黃煥林 馮華軍#

(1.浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310012；2.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，四川 成都 610039；3.杭州歸源環(huán)?？萍加邢薰荆憬?杭州 310012)

膜生物反應(yīng)器(MBR)是一種新型高效廢水生物處理技術(shù)，具有污染物去除效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定、占地面積小及剩余污泥量少等優(yōu)點[1]。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年我國MBR廢水處理能力約達2 800萬m3/d[2]153。但膜污染問題成了該技術(shù)進一步推廣應(yīng)用的瓶頸[3]，因此膜污染控制是MBR領(lǐng)域的研究重點和熱點。

目前，膜污染控制方法主要有曝氣沖刷、化學(xué)清洗、生物控制及電輔助除垢等。其中，曝氣沖刷相對其他控制方法具有操作簡單、不產(chǎn)生二次污染物等優(yōu)點，但運行能耗較大。在實驗室和工程應(yīng)用規(guī)模下，MBR的比曝氣量(SADm)差異較大，從0.23 Nm3/(m2·h)到1.72 Nm3/(m2·h)不等，最大相差約7倍[2]160，說明MBR曝氣沖刷中的曝氣操作條件還有較大的空間可以優(yōu)化。

曝氣對膜污染控制機理研究的缺乏使得曝氣沖刷的優(yōu)化缺乏系統(tǒng)理論指導(dǎo)[4-5]?；诖?，本研究綜述了曝氣對MBR膜污染控制的流體力學(xué)和生物化學(xué)機理，以期為優(yōu)化曝氣沖刷技術(shù)提供理論參考。

1 流體力學(xué)機理

1.1 污染物的受力分析

MBR曝氣條件下，膜表面不同流體狀態(tài)區(qū)域，污染物顆粒的受力情況不盡相同。膜表面依據(jù)流體狀態(tài)可分為溶液主體區(qū)和黏滯亞層區(qū)，其中黏滯亞層又可根據(jù)對污染物顆粒的主導(dǎo)作用力不同分為近場和遠場，一般以距離分離膜0.1 μm作為分界線[6]。污染物顆粒在膜表面不同流體狀態(tài)區(qū)域內(nèi)的受力情況如圖1所示[7]93。在溶液主體區(qū)，流體呈湍流狀態(tài)，使得污染物顆粒與液體的運動狀態(tài)相似，因此未在圖上進行受力分析。在黏滯亞層區(qū)內(nèi)，流體主要呈層流狀態(tài)，污染物顆粒主要受到隨機布朗力、極性力、范德華力、靜電力、過濾產(chǎn)生的拖曳力和曝氣引起的剪切力等作用，其運動狀態(tài)由各種作用力的合力決定。在黏滯亞層區(qū)遠場中，極性力、范德華力和靜電力等界面力較小，污染物顆粒受到的合力取決于剪切力、隨機布朗力和拖曳力[7]95。MBR中，隨機布朗力對顆粒的作用要遠小于剪切力和拖曳力，故剪切力和拖曳力是主導(dǎo)作用力[8-9]。而拖曳力的大小主要由過濾通量決定，一般變化較小。因此控制黏滯亞層區(qū)遠場中剪切力對緩解膜污染、降低運行能耗具有重要意義。在黏滯亞層區(qū)近場中，極性力、范德華力和靜電力等界面力合力要遠大于其他力，特別是極性力，是污染物顆粒受到的主導(dǎo)作用力[10]。

污染物顆粒表面極性及膜組件親水性等物理特性決定了黏滯亞層區(qū)近場的污染潛勢，曝氣沖刷對近場內(nèi)污染物顆粒的影響不顯著。因此，黏滯亞層區(qū)遠場中剪切力是決定曝氣對沖刷膜表面的污染物顆粒、緩解膜污染的最主導(dǎo)的作用力。

1—剪切力；2—靜電力；3—隨機布朗力；4—極性力；5—范德華力；6—拖曳力

1.2 剪切力表征及其主要影響因素

1.2.1 剪切力的表征

剪切力(通常用剪切應(yīng)力表征)主要由曝氣引起的氣液運動狀態(tài)所決定。由于曝氣引起的氣泡運動是非穩(wěn)態(tài)的，導(dǎo)致剪切力會在一定范圍內(nèi)波動，因此在評價曝氣對膜污垢的沖刷能力時，瞬時剪切力和平均剪切力同等重要。瞬時剪切力可通過剪切力計及嵌入式電極等進行測量[11-12]，其大小直接決定了能否去除膜表面的污垢。BOHM等[13]的研究表明，瞬時剪切應(yīng)力大于1.5 Pa時能有效去除膜表面污垢。但瞬時剪切力難以表征膜整體受力情況。

由于氣泡對不同膜組件沖刷機理不同，因此平板膜和中空纖維膜表面的平均剪切應(yīng)力的計算方法也不同，分別見式(1)[14]和式(2)[15]。對于平板膜而言，剪切應(yīng)力主要來源于氣泡在膜間通道內(nèi)的流態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)氣泡進入膜間通道時，運動范圍變窄，氣泡流態(tài)從泡狀流轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，從而剪切?yīng)力變大[16]。由于平板膜以通道中心為軸對稱，故其平均剪切應(yīng)力可通過膜右側(cè)的剪切應(yīng)力和通道中間的剪切應(yīng)力來計算。曝氣對中空纖維膜表面的平均剪切應(yīng)力包括3個部分：(1)氣泡上升引起局部液體流態(tài)變化產(chǎn)生的剪切應(yīng)力；(2)氣泡橫向運動引起液體流動產(chǎn)生的剪切應(yīng)力；(3)氣泡橫向運動直接產(chǎn)生的剪切應(yīng)力[17]。

i1=(ic+2ir)/3

(1)

i2=ib+ia+id

(2)

式中：i1、i2分別為平板膜和中空纖維膜表面的平均剪切應(yīng)力，Pa；ic為平板膜通道中間的剪切應(yīng)力，Pa；ir為平板膜右側(cè)的剪切應(yīng)力，Pa；ib為氣泡上升引起局部液體流態(tài)變化對中孔纖維膜產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，Pa；ia為氣泡橫向運動引起液體流動對中孔纖維膜產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，Pa；id為氣泡橫向運動直接對中孔纖維膜產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，Pa。

1.2.2 氣泡形貌對剪切力的影響

在MBR中，根據(jù)氣泡形貌可將氣泡分為球狀、橢球狀和球帽狀。球狀氣泡直徑一般為1.5～3.0 mm，沿直線上升，無尾流區(qū)域；橢球狀氣泡直徑一般為3.0～10.0 mm，繞一豎直軸呈螺旋狀上升，尾部有大小接近氣泡尺寸的渦流區(qū)；球帽狀氣泡直徑一般為10.0～20.0 mm，上升過程中擺動明顯，尾部具有比氣泡尺寸大兩倍以上的渦流區(qū)[18]。

氣泡形貌主要由曝氣器孔徑和曝氣量決定[19]187。氣泡尺寸較大的球帽狀氣泡可使膜間較多區(qū)域形成湍流，增大剪切力[20]。因此，合適的曝氣器孔徑和曝氣量不僅能降低能耗，還能通過產(chǎn)生球帽狀氣泡增大剪切力，緩解膜污染。

1.2.3 氣泡流態(tài)對剪切力的影響

在MBR中，氣泡流態(tài)由氣泡與膜的間距所決定，主要分為泡狀流和柱塞流(見圖2)。當(dāng)氣泡尺寸遠小于膜間距時，氣泡流態(tài)以泡狀流為主；當(dāng)氣泡尺寸接近或大于膜間距時，氣泡流態(tài)以柱塞流為主[21]。為了定量區(qū)分不同氣泡流態(tài)，通常采用噴射因子(見式(3))進行判斷，當(dāng)噴射因子小于0.2時為氣泡流，當(dāng)噴射因子0.2～0.9時為柱塞流[22]。

(3)

式中：ξ為噴射因子；UGS、ULS分別為氣體和液體的流動速度，m/s。

圖2 氣泡流態(tài)類型

氣泡流態(tài)不同引起的剪切力也不同。相對于泡狀流，柱塞流的降膜區(qū)域內(nèi)因液體無翻轉(zhuǎn)運動的空間而能產(chǎn)生更大的剪切力，有利于去除膜表面污垢[23-24]，但當(dāng)柱塞的長度過長時，會減小剪切力。此外，柱塞流尾流區(qū)域劇烈的二次湍流也能增大剪切力，可對膜表面污垢進行二次沖刷[25]。但上部的液流區(qū)域?qū)羟辛Φ挠绊戄^小，可忽略不計。CUI等[26]認為，這與傳質(zhì)系數(shù)有關(guān)，在相同流量下，降膜區(qū)域和尾流區(qū)域的傳質(zhì)系數(shù)分別為1.952×10-5、1.191×10-5m/s，而液流區(qū)域的傳質(zhì)系數(shù)僅為4.275×10-7m/s?？傮w而言，柱塞流能有效增大剪切力，主要來源于降膜區(qū)域和尾流區(qū)域。

1.2.4 曝氣條件的優(yōu)化

氣泡形貌和流態(tài)主要由曝氣量、曝氣器孔徑、氣泡與膜的間距及曝氣間距、氣泡產(chǎn)生頻率等多種因素共同決定。曝氣量、曝氣器孔徑、氣泡與膜的間距的影響前文已述及。JANKHAH等[27]研究發(fā)現(xiàn)，增加曝氣間距、增大氣泡產(chǎn)生頻率也均能緩解膜污染程度。但當(dāng)氣泡產(chǎn)生頻率過快時，由于液流區(qū)域限制了前驅(qū)氣泡流動速度，而尾流區(qū)域加快了后驅(qū)氣泡流動速度，會使得氣泡發(fā)生融合[28]。氣泡融合會將后驅(qū)氣泡的液流區(qū)域與前驅(qū)氣泡的二次尾流區(qū)域轉(zhuǎn)化為共同的降膜區(qū)域，從而影響膜表面污垢的去除效果[29]。

因此，優(yōu)化MBR曝氣量、曝氣器孔徑、氣泡與膜的間距及曝氣間距、氣泡產(chǎn)生頻率等各種曝氣操作條件對提高曝氣沖刷效果至關(guān)重要[30-31]。調(diào)控曝氣量的大小能大幅度改變系統(tǒng)的平均剪切力，有利于膜污染的緩解[19]190。選擇合適的曝氣器孔徑產(chǎn)生球帽狀氣泡，可以增大渦流區(qū)，防止污染物顆粒向膜表面遷移；控制氣泡與膜的間距使其接近氣泡的尺寸，有利于形成柱塞流；調(diào)整曝氣器間距能使柱塞流氣泡均勻分布[32]。調(diào)節(jié)氣泡的產(chǎn)生頻率，可防止氣泡融合，進而緩解膜污染；合理布設(shè)曝氣器也有助于膜污染的控制，如將曝氣孔布設(shè)在膜組件的正下方能增大剪切力[33]。綜上，調(diào)控各類曝氣參數(shù)形成均勻分布的柱塞流流態(tài)的球帽狀氣泡，能提高膜污垢的去除效率。

2 生物化學(xué)機理

污泥混合液內(nèi)的微生物與膜組件之間存在復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程，微生物代謝產(chǎn)物也是膜污垢的主要來源，故污泥混合液的生物化學(xué)特性也是影響膜污染的重要因素[34]。SHEN等[35]提出利用污泥混合液來判斷膜污染潛勢，即計算30 min內(nèi)過濾等量污泥混合液時過濾阻力隨時間的變化斜率來表征膜污染潛勢，斜率越大污染潛勢越高，膜過濾性能越差。污泥混合液的生物化學(xué)特性影響因素與膜污染密切相關(guān)[36-37]。

2.1 曝氣強度對污泥混合液生物化學(xué)特性的影響

曝氣強度會影響污泥混合液的粒徑大小。當(dāng)污泥混合液粒徑較小時，膜面濾餅層更致密，膜阻力更大。小粒徑顆粒由于布朗擴散、剪切力誘導(dǎo)擴散和慣性提升等引起的凈反向傳輸較小，在膜面上的沉積速率較快[38]。高強度曝氣會導(dǎo)致污泥裂解，降低污泥絮體粒徑，進而加劇膜污染。

曝氣強度還會影響胞外聚合物(EPS)含量。EPS是微生物細胞分泌的一種黏性物質(zhì)，對污泥絮體的形成起重要作用。高強度曝氣的反應(yīng)器內(nèi)EPS總量相對較高[39]，高含量的EPS會與膜以化學(xué)鍵的形式緊密結(jié)合，從而改變膜的滲透特性，降低膜的過濾通量[40]。特別是，EPS內(nèi)蛋白質(zhì)含量會隨著曝氣強度的增強而增加[41]33，而蛋白質(zhì)相較于多糖更容易被膜表面吸附。因此，高強度曝氣會增加EPS總量和EPS中蛋白質(zhì)含量，加劇膜污染。

此外，曝氣強度對溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的影響也不容忽視。不同的曝氣強度下，MBR中SMP一般都是先增加后減少，最后趨于穩(wěn)定。這可能是因為MBR前期微生物分解基質(zhì)，呼吸代謝作用增強，釋放大量SMP；而后SMP的降解微生物得到馴化，SMP快速降解，從而SMP逐漸減少，最終達到平衡[42-43]。KUO等[44]進一步研究發(fā)現(xiàn)，MBR長期運行會導(dǎo)致中低相對分子量(小于1 000)的SMP向高相對分子量(大于10 000)轉(zhuǎn)變。SMP的相對分子量與膜阻力之間具有顯著正相關(guān)性，因此過高的曝氣強度會增加高相對分子量的SMP含量，從而加劇膜污染[45]。

2.2 溶解氧對污泥混合液生物化學(xué)特性的影響

溶解氧是影響污泥混合液生物化學(xué)特性的重要因素。當(dāng)溶解氧含量較低時，污泥混合液粒徑減小，高相對分子量的SMP增加，進而增大過濾阻力[46-47]。

溶解氧含量還會影響EPS含量。當(dāng)溶解氧小于1.0 mg/L時，MBR由好氧狀態(tài)轉(zhuǎn)為缺氧狀態(tài)，產(chǎn)生大量EPS[48]。而當(dāng)溶解氧大于6.0 mg/L時，微生物加速生長也會分泌大量的EPS[49]。因此，溶解氧過高或過低都會增加EPS含量，加劇膜污染。而且溶解氧較高時，EPS中多糖的含量會下降，這是由于微生物代謝活動增強，EPS中的多糖作為碳源被微生物首先降解[41]32。

但上述研究中，大多都是通過控制曝氣強度來改變?nèi)芙庋鹾康模@種操作條件無法排除剪切力對膜污染的影響[50]。雖有學(xué)者在保持剪切力一致的前提下研究了活性污泥在好氧和缺氧條件下對膜污染的影響[51-52]，但尚缺乏不同溶解氧濃度梯度對污泥混合液生物化學(xué)特性影響的系統(tǒng)研究。

3 總結(jié)與展望

通過分析流體力學(xué)機理發(fā)現(xiàn)，剪切力的增大有助于曝氣沖刷MBR膜表面污垢。剪切力主要與氣泡形貌、氣泡流態(tài)等有關(guān)。均勻分布的柱塞流流態(tài)的球帽狀氣泡能增大降膜區(qū)域和尾流區(qū)域的剪切力，有利于去除膜表面污垢。但高強度曝氣會減小污泥混合液粒徑，增加EPS總量及其中的蛋白質(zhì)含量和高相對分子量的SMP含量，加劇膜污染。因此，曝氣沖刷對MBR膜污染的控制效果是由多方面因素綜合決定的，應(yīng)綜合考慮優(yōu)化條件，以提高膜污染控制效果。

基于以上綜述，在曝氣沖刷控制MBR膜污染領(lǐng)域，未來可在以下方向進一步展開研究：(1)控制和優(yōu)化柱塞流的球帽狀氣泡產(chǎn)生方式，使這種氣泡能穩(wěn)定均勻的分布在反應(yīng)器內(nèi)；(2)通過生物化學(xué)機理深入研究曝氣引起的剪切力和溶解氧濃度對污泥混合液特性的影響，確定臨界曝氣強度；(3)結(jié)合流體力學(xué)和生物化學(xué)機理，綜合確定合適的曝氣操作條件，以降低能耗、提高效率。