膜曝氣生物反應器,（MABR）是膜生物反應器的一種，采用透氣性致密膜如硅橡膠膜或微孔膜如疏水性聚合膜，以板式、管式或者中空纖維式等膜組件形式，采用微孔膜如疏水性聚合物膜或透氣性致密膜如硅橡膠膜進行無泡，實現向生物反應器中的生物膜的無泡曝氣。以中空纖維膜為主要膜組件，反應器的模型是氣相走膜內腔，廢水在膜外側流動。由于無泡曝氣的傳質阻力小，氧轉移速率高，根據氣體在膜管內的運行，可以將供氧方式分為貫通式和閉端式兩種。本論文開發了一種基于膜反應器氣膜腔定量用于增加氧氣轉移率，應用實驗室流動池和數學建模的方法，設計了反向擴散氣體的方法，系統的研究適度的發泡間隔對于MABR反應器的效率的影響，膜的打開時間是每間隔30分鐘打開20s，研究這類方法對于封閉式和貫通式的膜反應器的污水反應效率和氣體轉移效率的影響。


Unisense微電極系統的應用


應用unisense氧微電極和自動馬達，通過使用顯微鏡使用unisense微電極的尖端去測試用于測試膜曝氣生物反應器中的生物膜的厚度，同時還使用了尖端直徑為10um的氧微電極測試MABR反應器中的附著的生物膜層、生物膜-溶液邊界擴散層的溶氧剖面濃度，其中測試的步徑間隔是20um。


實驗結果


研究表明封閉式的曝氣膜反應器采用周期性排氣可以大大提高膜的氧輸送率和抗污染通量，并且不會影響反應器的氧氣的傳輸效率。這是因為生物膜反應器中從開放式操作到閉端式操作的轉換，表現出腔氣體的瞬態剖面行為。當排氣時間的間隔足夠短，曝氣的生物膜反應器的氧輸送率比開放式操作方式的MABR的還要高，這說明采用該氣體供應方式可以大大提高MABR反應器的能力和降低運行成本。

圖1、圖a表示的是曝氣膜生物反應器的流動單元示意圖。其中氧氣或空氣是從反應器的截面玻璃管中的中空纖維膜處通過。圖b表示的是用微電極測試膜生物反應器中的中空纖維膜表面邊界傳遞層中的溶氧濃度的示意圖。

圖2、臨近生物膜膜傳質邊界層附件的溶液中的溶解氧濃度代表性測試氧濃度剖面圖。其中圖中的縱坐標表示的溶液中溶氧的濃度，橫坐標表示的是距離生物膜表面不同距離的膜傳質邊界層。從圖中可以看出，該剖面是一個典型的膜傳質邊界層溶氧濃度剖面分布圖。從圖中可以看出，邊界質層溶氧中的溶氧濃度會隨著離生物膜的距離增加而變小。

圖3、實驗室膜反應器中和模型膜反應器中的溶解氧的示意圖。圖a表示的是反應器的內膜壁管采用貫通式和閉端式兩種方式的溶解氧濃度剖面分析圖。圖b表示的模擬O2、N2分壓對于開放式和封閉式純氧氣供應體系中的反應器中的生物膜表面附件的溶解氧濃度剖面圖。圖c表示的是封閉式膜反應器使用純氧體系通氣的條件下的體系呢弄的溶解氧濃度。圖d表示的是模擬O2、N2分壓對于封閉式和逆流操作膜生物那反應器的影響。圖e表示的是系統性開端到閉端操作的過程中，膜反應器體系中的氧濃度隨時間的變化情況。

圖4、在曝氣膜反應其中進行階段曝氣時，不同階段的氧分壓濃度變化隨時間的變化情況。其中實線表示的是暫停時段，虛線表示的是階段曝氣的三個循環周期的平均時間，灰色的短虛線表示的是封閉穩態下反應器內的氧分壓。長的虛線表示的是開放穩態下反應器內的氧分壓。

圖5、穩態條件下膜反應器的生物膜周圍通氣方式開放式(厚黑線)和封閉式(厚的灰色線)的氧分壓，和時間平均值的瞬態條件從開放到封閉式(淺色的黑色線條)。瞬態壓力平均值之間與時間的關系，初始時間和t1=2分鐘,t2=5分鐘、,t3=0分鐘、t4=20分鐘、t5=30分鐘。達到穩態條件所需的時間一般是60分鐘。


總結


曝氣膜生物反應器（MABR）作為一種將膜技術與生物反應器技術相結合的新型污水處理技術，是一種將膜分離技術應用于廢水處理系統的工藝實現形式,取代二沉池,減小了設備尺寸,可提高泥水分離效率和生化反應速率。MABR具有氧傳質速率高、生物膜載體比表面積巨大的優點。通過調控曝氣膜內壓力，可以有效控制透氣膜表面生物膜內溶解氧濃度梯度，進而獲得內外分層的特殊生物膜結構。本論文主要就MABR的排氣方式進行改變后對于該反應器的轉移效率和氣體轉換效率的影響，研究過程中使用了unisense的克拉克型氧微電極測試了反應器中腔體中空纖維膜附近生長的生物膜的厚度以及生物膜附近的氧濃度變化值，并且測試了采用間歇式的曝氣方式后的反應器內的膜周圍氧濃度變化情況，并用于分析MABR反應器中的氧氣輸送率和氧氣轉移效率的影響。研究過程中的使用的克拉克型氧氣微電極具有響應快，檢測限低，靈敏度高的優點很好的為相關研究者在研究周期性通氣方式對MABR反應器的性能方面提供了重要的數據支持，這也說明unisense微電極系統在研究污水處理反應器領域也存在著非常好的應用前景。