曝氣對膜生物反應器中膜污染的影響

       膜污染是制約膜生物反應器廣泛應用的主要因素，而曝氣過程又作為膜污染控制主要的手段而被普遍使用。曝氣過程對膜污染的影響可以分為直接影響和間接影響2方面，直接影響主要為改變膜表面的流體動力學環境，增加膜表面的流體剪切力，以減少和去除膜污染物的附著；間接影響主要為改變反應器中混合液的特性，從而優化或劣化膜過濾的環境條件。
       通過控制曝氣過程中的關鍵要素，可以有效減緩膜污染，促進膜生物反應器在更多領域的應用。
       膜生物反應器（簡稱MBR，Membrane Bioreactor）是將生物處理技術和膜過濾技術有機結合的產物［1］。相較于傳統生物處理技術，膜生物反應器具有處理效果好、污泥濃度高、可應用范圍廣等特點［2-4］。然而在近幾十年的發展過程中，膜污染問題成為制約膜生物反應器技術廣泛應用的主要原因。
       膜污染是在膜過濾過程中，各類膜污染物在物理、化學、生物作用下吸附在膜表面，從而導致膜過濾性能下降的現象。常見的膜污染控制方法包括曝氣沖刷、混合液特性調節、物理/化學反沖洗等方法，由于膜生物反應器通常需要通過曝氣來維持反應器中一定的溶解氧濃度，因此利用曝氣沖刷的方式來控制膜污染得到了最為廣泛的應用。
       雖然幾十年來國內外相關學者對曝氣控制膜污染相關的課題進行了廣泛研究，但其中絕大多數集中在實驗研究方面，對眾多實驗結果的歸納比較卻鮮見報道。因此，本文在廣泛總結國內外相關研究的基礎上，歸納出曝氣過程對膜生物反應器中膜污染的主要影響途徑，并進一步提出該過程中有效控制膜污染的關鍵因素，以期為后續實驗研究和工程應用提供技術參考。
1曝氣過程對膜生物反應器中膜污染的影響途徑
       曝氣過程對膜污染的影響途徑可以從直接影響和間接影響2部分來進行分析。直接影響主要為對膜表面流體動力學環境的影響，間接影響主要為通過改變反應器中混合液的特性而導致膜污染特性發生變化，具體見圖1。

1.1膜表面流體動力學環境
       膜表面流體動力學環境主要影響膜污染物在膜表面的附著，而曝氣作用通常會有效改善反應器內和膜表面的流體動力學環境。曝氣作用的影響因子可以從曝氣強度、氣泡特性以及曝氣模式3方面進行討論。
1.1.1曝氣強度
       曝氣強度是曝氣過程最重要的參數之一，通常以曝氣量和膜面積的比值作為衡量曝氣強度的指標。張君等［5］以膜生物反應器處理模擬生活廢水為研究體系，考察了曝氣強度對系統污染物去除、混合液特性以及膜污染的影響。研究結果表明曝氣產生的水力剪切力不是影響污泥粒徑大小的主導因素，但水力剪切力有利于緩解膜污染。
       陶中蘭等［6］則使用計算流體力學的方法研究了曝氣條件對浸沒式膜生物反應器內流場的影響，模擬結果表明曝氣孔徑一定時，隨著曝氣強度的增加，膜面的液相速度也逐漸增加，曝氣孔徑為1mm時，曝氣量為5.5m3/h是膜面的沖刷效果較好。雖然曝氣強度的增加可以顯著改善膜表面的流體動力學條件，但過高的曝氣強度缺不利于污泥絮體的集聚，并且會導致不必要的能耗，因此曝氣強度的選擇要適中。