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【文章导读】膜曝气生物膜反应器生物脱氮研究进展目前我国水污染形势依然严峻，氮素等污染物的排放标准日益严格，新高效脱氮工艺的发展需求迫切。近年来，膜曝气生物膜反应器，作为一项颇具节能潜力的技术，凭借其高效脱氮、占地面积小等优势，在未来污水处理的节能减耗，污水厂的升级改造中显得

膜曝气生物膜反应器生物脱氮研究进展目前我国水污染形势依然严峻，氮素等污染物的排放标准日益严格，新高效脱氮工艺的发展需求迫切。近年来，膜曝气生物膜反应器，作为一项颇具节能潜力的技术，凭借其高效脱氮、占地面积小等优势，在未来污水处理的节能减耗，污水厂的升级改造中显得尤为重要。在年出现了用于细胞和组织培养的中空纤维氧化系统，根据这一成果等于年首次提出并构建了，发现微孔膜曝气耦合微生物膜氧化方法可以有效降解废水中的有机质。年，等提出无泡曝气的概念，论证了在气体传质方面的优势。分子生物学技术的发展使等在年首次观察到的生物膜群落存在分层结构。至此，正式进入研究者的视野。接下来的多年，学者们在的工艺原理、影响因素和工艺优化上做了大量研究。

随着膜材料的开发，从工艺机理到工艺开发与应用方面均取得了较大进步。以此为基础，年都柏林大学公司率先研发出的商用中空纤维膜，随后、等公司也相继推出了基于工艺的膜组件和成套污水处理解决方案。目前在污水厂扩容改造与节能降耗方面均有较多应用，同时在工业废水处理、河道水质净化等方面也有一定拓展应用。膜材料无法满足实际应用需求与已有技术积累不足以支持的深入研究一直是制约技术发展的重要因素。随着分子材料学的发展与检测手段的不断进步，在近年受到越来越多研究者的关注图，在污水脱氮方面的应用一直是人们关注的重点，占全部相关文章的以上。本文围绕在新型脱氮工艺技术方面的发展应用，分别从膜材料与性能进步、工艺设计与发展、工艺运行优化等方面进行了综述。

并在此基础上提出未来研究和工程应用发展的思考，为脱氮工艺技术发展提供参考和借鉴。图膜曝气生物膜反应器近年发表论文数摘要膜曝气生物膜反应器是一种新型生物污水处理技术，具有氧传质效率高、底物氧气异向传质等特点，在污水高效脱氮、节能降耗、污泥减量化等方面优势明显，近年备受关注。近多年的研究中，系列研究工作对影响运行效果的气体传质、物质传递及微生物群落结构等因素进行了深入探索，在工艺控制与优化、反应器设计与改进、脱氮工艺过程模型开发与模拟等方面取得较大进展突破。随着膜材料的不断改进和全面应用，技术具有良好的工程实践前景。膜材料开发及曝气性能改进无泡曝气的优势在传统鼓风曝气的活性污泥工艺中，～的能耗被用于曝气。

但是只有～的氧能够转移到水中，剩余气体会以气泡的形式逸出进入大气。而系统利用疏水膜材料进行曝气，氧气在膜内外两侧氧分压差的作用下，通过膜扩散直接到达生物膜。在中，氧传递到生物膜表面时不需要经过液相边界层，传质阻力变小，氧的传质速率也得以提高。而且，中气体的氧分压不受液相深度的影响，即使在浅水处也可保持较大的氧浓度梯度。与传统曝气相比，膜曝气不产生气泡，所以扩散过膜的氧气可以完全被生物膜利用，氧的传递效率最高可达到，大幅节约能耗。同时，由于的气相和液相在物理上是分离的，膜曝气系统可有效地分离曝气和混合功能，结合无泡曝气的高氧利用率，只需调节氧分压即可精准控制氧气供应量，不仅可以避免气体的浪费，又可以间接控制生物膜中的氧气穿透深度。

为各种耦合工艺实现创造独有供氧条件。膜材料与膜组件的发展进步研制低成本高效率的膜材料对的推广应用至关重要，评价膜材料的指标包括传质阻力、泡点压力、生物亲和性等。膜材料分为微孔膜和致密膜。微孔膜以聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等疏水材料制成，氧分子经由微孔传递致密膜采用硅胶等致密材料，氧气直接通过分子扩散过膜。现阶段膜材料的研究与发展主要以提高稳定性、氧传质能力和生物亲和力为目的，在微孔膜和致密膜的基础上发展出一些新的形式。例如，在处理高浓度废水时，需要较低的传质阻力和较高的泡点压力，以保证在不形成气泡的情况下提供高氧通量。微孔膜相比致密膜传质阻力较低，但是泡点压力也更低。此外，在微孔膜的使用过程中 膜曝气生物膜反应器生物脱氮研究进展.doc，溶液和杂质易进入空隙造成堵塞，对氧通量造成极大影响。

为了平衡两者的优缺点，研究者在微孔膜载体上涂覆一层致密层形成复合膜，可以在相对较高的操作压力下实现无泡曝气，并有效保护膜孔不被微生物堵塞。而在处理主流低浓度污水或用于自养脱氮工艺时，由于进水负荷低、生物膜生长速率较慢，且化细菌等自养菌的胞外聚合物产量低，形成的生物膜结构脆弱，因此膜材料的生物亲和性成为更重要的指标。一般来说，表面粗糙度高、疏水性好、带正电荷的膜材料生物亲和性更好，因此可以通过膜改性为膜表面附加基团，改善膜材料附着生物膜的能力。等在膜表面引入含氨基的聚乙二醇链后，生物膜更易附着，更稳定。等利用二羟基苯丙氨酸对微孔膜进行了表面改性，改性后的表面粗糙度和亲和度提高，和总氮的去除效果都

王荣昌等也通过等离子法在聚膜上接枝混合单体提高膜的生物亲和性和氧传质性能。但是制作复合膜的工艺复杂且成本较高，工程中又需要大量的膜面积以满足处理需要，使膜制备在整套工艺中成本比例过大。膜组件通常分为中空纤维膜、管式膜和板式膜。中空纤维膜组件比表面积较大，能够附着的生物量更多，实际工程中常采用此膜组件来达到减小构筑物占地面积的目的。且中空纤维膜组件可模块化设计，安装简单，较板式曝气膜造价低，现已成为的主流选择。管式膜与板式膜仅出现在一些机理性研究的报道中。氧传质性能评价膜材料的氧传质系数可以体现膜的传质阻力，对于确定供气条件具有重要意义，如何更加准确地评估实际工况条件下的是研究的重点。等首次研究了气压和膜表面积对化率的影响。

认为可以通过调节气压和膜表面积来控制，而三者之间的关系又与有关。早期的研究主要通过测定清水试验的溶解氧浓度来计算氧通量和确定，后续研究发现此方法得到的偏小，即高估了膜材料的传质阻力，在实际运行中造成过量曝气。这是因为清水试验得到的传质阻力包括了固液边界层的阻力，而在实际运行中，由于生物膜的存在使得固液边界层阻力不再影响氧传质。等重新考量了边界层影响，提出了一种简易的确定实际运行条件下的方法，修正了计算中对氧通量的低估。王荣昌等也采用上述方法对生物膜生长过程中的化性能及组成变化进行分析，证实了生物膜存在时，的氧传质能力比清水试验中更强。等基于溶解氧微电极技术，设计了一种根据边界层溶解氧梯度确定膜传质阻力的方法。

可得到更准确的膜材料值。这些研究建立了供气压力和之间较为准确清晰的关系，为设计运行中氧的精准评估提供了支持，然而在实际运行中，除了膜材料的，生物膜的厚度、密度和活性都会影响，未来对生物膜部分氧传质阻力的研究将进一步深化人们对氧传质过程的认识。气路设计改进除了膜材料，不同的膜组件曝气模式也会对传质性能产生影响。的曝气模式分为贯通式或死端式。在死端式曝气膜中，供给膜的所有氧气都被输送到生物膜，可达到。但是随着水汽冷凝和其他气体在膜腔末端的堆积，膜腔内氧气浓度会产生轴向梯度，导致微生物沿膜丝生长不均匀，从而降低。而在贯通式曝气的中，气体流速在整个膜腔内都很高，管腔内的平流传质远大于气体的跨膜传质，这 膜曝气生物膜反应器生物脱氮研究进展.doc会使管腔内的氧浓度更加均匀。

从而产生较高的平均。但此模式只有少部分氧气会通过扩散作用穿过膜，在开口端会损失大量的气体，产生能源的浪费和较低的。目前实际工程案例多采用贯通式曝气，在较高的下，可达到～以上。如何能够做到同时提高与对发挥的节能优势有关键作用。近些年，等提出了改进的曝气模式，在死端式的基础上进行间歇排气闭合排气，将维持在以上，同时获得了不低于贯通式曝气的。间歇排气系统相对复杂，目前没有更多的研究和应用，其优越性和稳定性有待后续研究验证。工艺原理的理论认识与发展生物膜特征传统的载体生物膜是同向传质生物膜，即氧气和有机物、氨氮等底物沿相同方向扩散。在生物膜外侧，电子受体和供体底物均处于最高浓度，生物代谢最为活跃。在处理含有机物和氨氮的废水时。

由于异养菌的竞争，好氧化细菌倾向于在有机物浓度最低的生物膜内侧生长，但生物膜内侧氧气浓度低，导致化活性较低。而在膜曝气生物膜中，氧气从生物膜的内侧提供，和底物由生物膜两侧分别扩散进生物膜，形成特殊的基质浓度分布，这种异向传质可导致中独特的微生物群落结构。生物膜内侧同时具有低有机物和高氧浓度，有利于好氧化细菌的生长。当控制液相主体处于缺氧状态时，生物膜外侧同时具有高有机物和低氧浓度，有利于异养反化菌的生长。因此在异向传质生物膜中，化和反化可以在内外侧同时进行图。有研究认为，这种独特的分层结构还可能有利于抑制亚酸盐氧化菌。图异向传质生物膜示意工艺原理的发展因为具有独特的好氧－缺氧生物膜分层结构，可以在生物膜不同层次耦合自养化菌和异养反化菌。

实现同步化反化。工艺可以发挥的优势，同步去除有机物和氨氮，简化传统两级生物脱氮工艺的反应器设计及试验操作。年以后，一些研究者通过控制的氧气供应量，将化过程控制在亚酸盐阶段，在中实现短程化反化。与全程化反化相比，短程化反化可以节约的需氧量与左右的有机碳源投加量，进一步减少反应器体积，降低能耗物耗。随着厌氧氨氧化的发现，短程化－厌氧氨氧化成为更加节能的脱氮途径。在厌氧氨氧化菌的作用下，短程化产生的亚酸盐可以作为电子受体，与氨氮直接反应完成脱氮。凭借其生物膜分层和精准的控制供氧能力，使亚化与厌氧氨氧化在同一反应器中的耦合成为现实。年，等最早在中实现了工艺。与传统脱氮工艺相比，工艺可以节约的曝气量以及的碳源投加。