英语原文共 11 页
特定膜配置对MABR中增强传质和改善硝化的作用
M.Castrillo1, R.Diacute;ez-Montero1,2，A.L. Esteban-Garciacute;a1，I. Tejero1
（1.西班牙桑坦德，坎塔布里亚大学环境工程组，水与环境科学与技术系；2.西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚政治大学土木与环境工程系环境工程与微生物学组）
摘 要：污水处理厂（WWTPs）的主要能源消耗作用之一是由于好氧生物过程的氧化作用。为了在污水处理厂中实现能源自给自足的情景，膜曝气生物膜反应器（MABR）提供了减少曝气对全球能量平衡影响的良好机会。但是，为了利用这种技术必须解决由于流量分布不良导致的传质限制问题。在这项工作中，为了提高生物膜和大量水之间的质量传递，在实验室规模上开发和研究了一种特定的配置，旨在实现紧凑、高能源效率和高硝化率。革新装置中的硝化速率高于传统装置的，实现了高达575.84 g NH4-N m-3d-1的容积硝化速率（VNR），这与已确认的技术相当。关于曝气产生的能量消耗，与具有相同氧气转移效率（OTE）的扩散器的曝气相比，该装置达到了83.7%的降低。这些结果突出了流体动力学条件和膜结构对处理性能的重要性。
关键词：废水；营养素去除；传质；MABR；硝化；能源自给自足
1 背景介绍
用于废水处理的膜曝气生物膜反应器（MABR）展现出降低污水处理厂（WWTPs）的环境和经济影响的巨大潜力。在MABR中，生物膜生长在透气膜的外侧。氧被供应到膜的内部并且它从内腔扩散到生物膜，而基底从废水扩散到生物膜的外侧，这意味着与常规曝气的生物膜工艺相比，在MABR中，氧和底物以相反方向转移到生物膜中。正是这种扩散机制允许较低的空气流量和压力，从而导致较低的能量消耗。由于采用这种技术，与细泡扩散器相比，可节省约70％的曝气能量（Syron和Casey，2014），与粗泡扩散器相比甚至更多（Soreanu等，2010）。此外，由于易于控制决定气体转移的因素，例如膜内压力（Downing和Nerenberg，2008）和定期排气（Perez-Calleja等，2017），它对可变条件提供了高适应性。尽管其公认的优势使其初期商业化成为可能，但仍需解决一些缺点，特别是传质限制问题，知识实现MABR高效率的关键因素。
在任何生物膜工艺中，为了实现高基质去除率，生物膜的高可用表面是必要的，这可以通过设计高比表面反应器来实现。例如，移动床生物膜反应器（MBBR）通常设计为具有500至1200m2m-3的特定表面，这取决于载体特征（Barwal和Chaudhary，2014），然而这不是MABR的情况，对于MABR来说这种高比表面导致其性能差。包装密度（%v/v）和具体表面（m2m-3）在试验装置中通常从0.16（Hwang等，2009a）变化至1.3（Brindle等，1998）和8.9（da Silva等，2018）至304（Hwang等，2009b）。
在中空纤维接触器中通过数学模型和实验工作对多孔膜进行氧气剥离，已经深入研究了填充密度和膜结构对传质的影响。其中，已经得出结论，随机填充模块中的传质系数可以是均匀填充模量的传质系数的两倍，这归因于除了理论上主要的轴向流动之外还存在横向流动（Costello等，1993）。还有人指出，沟道和死区是高填料模块上可能发生的主要现象（吴和陈，2000）。然而，MABR中的膜显示出一种与中空纤维接触器的相关差异，因为生物膜在它们上面生长；因此主体液体中的流动模式不直接影响膜与生物膜之间的气相质量传递。当生物膜粘附在膜上时，在膜和生物膜之间实际上不存在停滞的液体层，因此氧转移甚至比不存在生物膜时更大（Osa等，1997）。然而，流体动力学继续发挥着至关重要的作用，因为溶质必须从大量液体穿过生物膜的边界层扩散到生物膜上，并且当使用薄硅橡胶膜时，液体边界层的阻力对总阻力的贡献大于膜本身带来的阻力（Pellicer-Nacher等，2013）。考虑到类似的结论，有人指出为了减少传质阻力应该把重点放在膜组件的水力条件(Co^teacute; et等, 1989)。
适当的流动模式对于实现高质量传递速率是必不可少的，因此具有高去除率。膜布局不仅影响流动速度场的均匀性，而且影响局部流动状态。MABR中液体流动体系的重要性最近被指出（Nerenberg，2016）。与仅扩散转移发生相比，发生反转流动可以改善反应堆的性能（Ahmadi Motlagh等，2006）。魏等人（2012）提出了一种反应器设计，以增加流速分布以致流动方向几乎垂直于膜。在其他工作中，已经在不同的再循环流速和理论水力停留时间下实验研究了停留时间分布。据指出，再循环流速越高，与完全混合流动模式的相似性越大，但没有给出关于特定膜表面或填充密度的数据（Wang等，2012）。为了改善MABR的混合，涉及低能耗设备的最新进展已经被报道（Syron和Byrne，2015）。
一般来说，现在MABR被设计为成束状的膜成排排列。根据具体的计划，可以找到不同的包装密度和分布。因此，正如计算流体动力学（CFD）模拟已经揭示的那样，反应器中出现了不同的速度场：当水的流速较高时，可能会导致沟道、低速甚至停滞的体积也会随之产生。（Plascencia-Jatomea et al，2015; Kavousi等，2016）。 迄今为止，MABR CFD模拟已应用于均匀分布的直膜，但尽管提供了非常有价值和详细的信息，但其在设计全尺寸反应器方面的作用仍然有限。
旨在实现高密度、高能效和高硝化率的特定装置已在此次研究中在实验室规模内被开发和研究。这种结构包括一个高填充反应器，其中束两端的头部设置的距离与膜的长度相近，这导致了随机的膜的弯曲和占据了整个反应器的横截面。假设这种配置将减小液体边界层的厚度，作为结果，质量传递将得到增强。其次，由于反应器的横截面的整个占据，这将避免或至少最小化沟流的产生。此外，紧凑的反应床可以保留固体颗粒，这可能避免二级净化剂的需要。
本研究的目的是阐明膜配置对不同混合强度下的流动模式和传质特性的影响，以充分利用混合能量，这是实现基于MABR的能量有效可扩展配置的关键因素之一。
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项目 |
含义 |
项目 |
含义 |
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Cs |
氧饱和浓度，mg/L |
OTRgp |
通过气相测量计算的氧气转移率，gO2m-2d-1 |
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HRT |
平均停留时间，min |
OUE |
氧气利用率，% |
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HRTm |
理论平均停留时间，min |
OUEt |
氧转移中氧气利用率% |
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ID |
S |
膜表面积，m2 |
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O2inf |
进水溶解氧，mg/L |
SOTE |
标准氧气转移效率% |
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O2ef |
出水溶解氧，mg/L |
SOTR |
标准氧气转移率，gO2m-2d-1 |
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OD |
SNLR |
比氮（NH4-N）加载速率，gNH4-Nm-2d-1 |
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OOR |
氧气输出速率，gO2m-2d-1 |
SNR |
比硝化速率，gNH4-Nm-2d-1 |
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OSR |
供氧速率，gO2m-2d-1 |
TSS |
总悬浮固体浓度，mg/L |
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OTE |
氧气转移效率，% |
KLa20 |
体积传质系数（20℃），d-1 |
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OTRbl |
通过大量水计算的氧气转移效率，% |
VNR |
体积硝化速率，gNH4-Nm-3d-1 |
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alpha; |
统计检验的显著性水平 |
2 试验材料及方法
研究了前面描述的MABR的具体创新配置的可行性，与具有更松散和平行的纤维分布的传统配置进行了比较。 在物理性质（流动模式和传质）以及硝化过程中的生物学性能方面进行了比较。 对于两种配置的测试，还研究了水反应器在整个反应器横截面上的影响，测试具有四个不同的值：1，5，10和15 m h-1。它们是通过蠕动再循环泵（Cole Parmer Master fl ex L / S）提供的不同内部再循环流量来实现的。 最低速度相当于在没有任何其他混合系统的情况下，原始废水进料流速提供的速度加上硝酸盐再循环率300％的进料流速。
关于物理性质，通过对裸露和定植膜的示踪-响应实验以及清洁水中的动态氧转移实验分别评估流动模式和传质。 在接种活性污泥和处理合成废水后，在四种水流速度的两种配置中研究了硝化性能。 通过气相和液相监测氧气转移，以评估对于裸膜和定殖膜中的转移率和水流速度对氧转移率（OTR）和氧转移效率（OTE）的影响。
2.1 试验装置
这项研究是在两个实验室规模的反应堆中进行的，其中传统配置（R1）和创新配置（R2）如下实施（图1）。500mm（OD）x 300mm（ID）密集聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜由Oxy mem Ltd.提供。2000个0.5米长的膜以4个相等的束分布，提供1.57m2的总膜表面。反应器由矩形容器组成，截面为0.10 times;0.07m和0.65m高。将膜垂直放置并平行于R1中反应器的轴向轴线（图1B）。在R2中使用相同的膜，但是入口头设置得更靠近出口头，实现了紧凑的构造，其中膜呈现变形和曲率并占据反应器的整个横截面（图1C）。具体来说，R2中模块的高度是R1中模块高度的80％。水位恰好位于上部水头上方，R1的比表面积为453 m2 m-3，R2的比表面积为554 m2 m-3。以膜占据的体积与床区体积之间的关系计算的填充密度分别为R1和R2的10.25和11.82％。
在反应器中，水连续地通过位于一个较窄面的上部的端口，恰好在膜束上方，而出口被放置在膜束下方的相对面中。使用环境压缩空气作为气相，以并流模式操作反应器，将阀门放置在空气流的出口中以调节膜内压力，将反应器保持在室温下，这意味着既不使用冷却也不使用加热。每个特定实验都会显示平均注册温度，压力计放在反应器的底部，尽管如此，在整个实验过程中没有检测到头部损失。
图1 反应器的设置图
2.2 示踪-反应实验
2.2.1 裸膜和清水
通过脉冲注入到反应器的进料流中引入浓缩的氯化钠（NaCl）溶液。假设理想的完全混合后，计算NaCl的量在反应器中具有500mg L-1的初始浓度。用电导率探针（Hach IntelliCALTM CDC401）监测出口流的电导率，其与NaCl浓度相关。理论水力停留时间（HRT）为129分钟，实验持续至少3次HRT。
留时间分布（RTD）函数如式（1）所示计算，其中E（t）是在反应器中花费时间t的流体的分数（min-1），C（t）是示踪剂中的示踪剂浓度。出口流在时间t（mg L-1），t是运行时间（min）。
平均水力停留时间（HRTm）计算如下：
2.2.2 定植膜及合成废水
一旦达到稳态条件，在处理合成废水几周后，进行另外的示踪试验。在这种情况下，由于合成废水的成分
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