膜生物反应器（MBR）将膜分离技术与活性污泥法相结合。与传统活性污泥法相比，MBR膜能够取得更好的泥水分离效果，提高出水水质，在石化废水处理领域也得到了广泛的应用。然而，当膜组件过滤活性污泥混合液时，污染物会不断在膜表面沉积，导致膜过滤性能降低，引起膜污染，主要表现为跨膜压差（TMP）增大或膜通量减小。膜污染仍然是限制MBR膜工艺在应用过程中所面临的主要问题。
曝气强度是MBR设计和运行中的重要参数，微生物生长繁殖、混合液搅拌和膜冲刷均需要曝气作用。曝气能够提升混合液使其通过膜组件通道，还可以诱导产生液流紊动和剪切力，增强膜的渗透性；同时，曝气也能提高溶解氧（DO）传质系数，为污染物的去除提供有利条件。Le-Clech等人已经证实当曝气强度低于某一临界值时，膜通量随曝气强度呈线性增加趋势；当曝气强度超过该临界值后，膜通量不会进一步增加，反而会破坏絮体结构，减小絮体尺寸并促使胞外聚合物（EPS）释放到反应器中加剧膜污染。
曝气需要大量能耗，是MBR膜系统运行过程中能量消耗的主要来源。如何选择一个合适的曝气强度在实际的石化废水处理中有重要意义：一方面可以缓解膜的污染速率，另一方面可以降低能量的消耗。所以在MBR应用中，曝气强度是一个非常重要的影响因素。市场上许多商业化MBR的改进都是针对降低曝气强度，同时维持膜的透水率而展开的，但是有关曝气条件优化方面的研究较少。
本实验中，MBR采用动态曝气方式处理石化废水，采用单周期跨膜压差（TMP）增长速率K表征膜污染变化特征，分析曝气条件变化对MBR处理石化废水的膜污染特征影响，研究采用动态曝气方式缓解膜污染，同时降低 能耗的可行性，并提出合理建议。
1. 材料与方法：
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1.1. 源水及水质：
实验用原水取自陕西省某石化厂气浮池出水，期间原水水质波动较小。为使MBR取得稳定的处理效果，根据水质，向原水投加碳酸氢钠（NaHCO3）以补充微生物硝化作用所需碱度（按每硝化1g的NH4+-N需要消耗7.14g的碱度计）。原水的COD为(584.9±88.2)mg/L，TOC、NH4+-N、挥发酚的质量浓度分别为(73.60±48.87)、(42.62±19.25)、(21.04±10.41)mg/L，浊度94.58±26.31NTU，pH为8.46±0.69，油类的质量浓度为15.10～21.80mg/L（n=18）。
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1.2. 实验装置：
实验系统由MBR和计算机在线监测系统构成，见图1。
反应器有效容积为50L，其中缺氧区15L，好氧区35L；污泥回流体积比为200%，HRT为38h。膜组件为平板膜，膜面积为0.11m²，膜孔径为0.4μm。压力传感器每15s将TMP数据传输到计算机进行数据拟合计算，实现在线监测。
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1.3. 运行工况：
MBR系统采用恒通量运行，运行工况见表1。设定极限跨膜压差TMPmax =20kPa。当TMP达到20kPa时，进行膜清洗，用柠檬酸（质量分数0.5%）和次氯酸钠（质量分数0.2%）分别清洗膜组件8h和20h）。
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1.4. 动态曝气实验方法：
动态曝气是指在MBR运行过程中，根据TMP的变化特征，在不同膜污染阶段采用不同曝气强度，由控制系统对曝气强度进行调节控制。动态曝气的具体方法步骤如下：
1）工况I。在3.00m³/(m²·h)的曝气强度下运行MBR，TMP达到20kPa时停止运行。
2）工况II。在0.75m³/(m²·h)的曝气强度下运行MBR，至TMP达到20kPa时停止运行。分析TMP曲线变化特征，找出TMP增长曲线上前后曲线斜率出现显著变化的点所对应的TMP，根据TMP增长3段模式理论，该点即为膜污染从第2个阶段向第3个阶段转变的临界点，即临界TMP。本实验在0.75m³/(m²·h)的曝气强度下的临界TMP为5kPa。
3）工况III。先在0.75m³/(m²·h)的曝气强度下运行MBR，当TMP达到5kPa时，立即把曝气强度增大到1.50m³/(m²·h)，当TMP达到20kPa时停止运行。分析TMP曲线变化特征，采用与第2步相同的方法找出膜污染从第2个阶段向第3个阶段转变的临界点，确定临界TMP。实验在0.75～1.50m³/ (m²·h)的曝气强度下的临界TMP为7kPa。
4）工况IV。先在0.75m³/ (m²·h)的曝气强度下运行MBR，当TMP达到5kPa时，立即把曝气量强度增大到1.50m³/ (m²·h)；当TMP达到7kPa时，立即把曝气量增大到3.00m³/ (m²·h)；当TMP达到20kPa时停止运行，分析TMP曲线变化特征。
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1.5.TMP单周期增长速率：
根据得到的TMP数据，计算出每个运行周期内TMP增大值与周期时间t的比，即TMP单周期增长速率K，K=dΔTMP/dt。采用TMP和K来表征膜阻力的实时变化特征。
2. 结果与讨论：
>>>>2.1不同工况下TMP变化特征：
不同曝气条件下的TMP变化特征见图2。
由图2可知，在工况I～工况IV，TMP达到极限跨膜压差20kPa所用时间分别为25.67、19.17、23.00、26.17h。与工况II相比，工况III和工况IV所采用的动态的曝气方式能够延长MBR运行时间，更加有效缓解膜污染；且工况IV下动态曝气方式缓解膜污染的效果也明显优于工况III；与工况I相比，工况IV下TMP达到20kPa所用时间更长，表明工况IV的动态曝气方式缓解膜污染的效果优于工况I。
张君等人采用MBR处理生活污水，研究发现，当曝气强度由400L/(m²·h)增加到800L/(m²·h)时，TMP上升速率明显减小，由1.3kPa/d降低到0.7kPa/d，说明在一定范围内，曝气强度升高有利于缓解膜污染。
分别对工况I～工况IV的TMP随运行时间变化特征采用以e为底的指数函数拟合，结果见表2。
由表2可知，4个工况内TMP增长曲线的拟合函数相关系数较高，表明TMP与指数函数关系式之间具有强相关性，可以用这4个指数函数分别表示各工况的TMP随运行时间变化特征。随着曝气条件的改变，4个工况TMP随时间增长的指数函数底数也不同，工况IV的底数最小，可以预测，MBR运行足够长时间后，在相同的时间内，工况IV的TMP最低，即TMP随时间变化的增长速率最低。由图2中TMP增长曲线可知，在MBR运行12h之后，这种变化趋势更加显著。
根据TMP增长3阶段模式理论，在膜污染第2阶段TMP增长缓慢，当TMP超过某一临界值后，TMP迅速增长，出现TMP“跃迁”现象。由图2可知，在工况Ⅰ～工况III各自运行阶段内，均出现了TMP“跃迁”现象；在工况IV条件下，TMP保持相对稳定的增长速率，并未观察到TMP“跃迁”。但是，根据MBR膜污染理论和本实验结果可以预测，如果MBR在工况IV条件下运行足够长时间，最终也将会出现TMP“跃迁”现象。
与采用固定曝气强度的曝气方式相比，动态曝气方式的优势在于能够把膜污染临界点向后推移，延长MBR在膜污染第2阶段的运行时间，推迟TMP“跃迁”现象的出现。本研究结果表明工况IV的动态曝气方式能够向后推迟TMP“跃迁”的临界点，在减缓膜污染方面具有一定优势。
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2.2 不同工况下K的变化特征：
MBR单周期（10min）内TMP增长速率为K，K越大，表明TMP增长越快，膜污染越快。工况I、工况II、工况III和工况IV的增长速率分别设为K1、K2、K3和K4，不同工况下的K变化特征见图3。
由图3可知，在MBR初始运行阶段，各工况K相差很小；随着运行时间的增加，各工况K变化趋势出现显著差别，其中K2的增长速率明显高于其他3个工况，K4的增长速率最低。当MBR从开始运行到TMP达到20kPa时，K1从1.26Pa/s增大到5.45Pa/s，所用时间为25.67h；K2从0.82Pa/s增大到5.43Pa/s，所用时间为19.17h；K3从1.32Pa/s增大到5.52Pa/s，所用时间为23h；K4从0.95Pa/s增大到3.34Pa/s，所用时间为26.17h。结合图2和图3可知，相对于各工况下TMP的增长曲线，K变化趋势能够更加直观的表明，工况IV动态曝气方式缓解膜污染的效果明显优于其他工况。
Tardieu等人研究认为，适当增大曝气强度能提高错流速率，既能有效防止大量污泥絮体在膜面积累而导致膜过滤阻力上升，又能使污泥絮体在膜面形成一层动态膜，防止污泥絮体粉碎堵塞膜孔而引起不可逆膜污染。
由图3还可知，K1、K2和K3的变化呈显著曲线增长趋势，且各曲线上的K分布相对集中；K4的变化在13h之前呈线性增长，在13h之后，K4分布相对比较分散，且K4小于K1、K2和K3。这是因为在工况IV下，当MBR运行到13h时，曝气强度从1.50m³/ (m²·h)增大到3.00m³/ (m²·h)，提高了膜表面的切向剪切力，增强了对膜的冲刷作用，降低TMP增长速率，减缓膜污染。
高小波等人采用MBR处理石化废水，研究发现，当曝气强度分别由1.50m³/(m²·h)变为3.00m³/(m²·h)时，MBR膜达到设定的最大跨膜压差（TMPMax=25kPa）的运行时间显著增加，TMP上升速率降低，有效缓解了膜污染。本实验中，工况IV的动态曝气强度为0.75-1.50-3.00m³/(m²·h)，缓解膜污染的效果最佳。
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2.3 各主要污染物去除特征：
MBR对各主要污染物的去除特征见表3。
由表3可知，MBR对原水中的COD、TOC和NH4+-N取得了较好的去除效果。其中，COD、TOC、NH4+-N平均去除率分别为79.30%、75.04%、64.94%。
陈立等人采用MBR膜处理灌溉工程污水，当曝气强度分别为300、500、800L/h时，对COD的平均去除率分别为90%、97%、96%；高小波等人研究发现，在曝气强度分别为1.50、3.00m³/ (m²·h)的条件下，MBR对COD和NH4+-N及挥发酚平均去除率分别为80.74%、80.23%，96.79%、97.55%，99.34%、98.84%，曝气强度的变化对MBR的污染物去除性能无显著影响。但是，在实际生产中，为了降低运行成本，曝气强度应该根据实际工程需要进行选择。
>>>>2.4 不同工况下MBR的处理水量
在工况I～工况IV下，MBR的处理水量分别为33.88、25.30、30.36、34.54L。其中，工况IV出水量最大，工况II下出水量最小。由此可知，当极限跨膜压差设定为20kPa时，MBR在工况IV下对废水的处理能力优于其他工况。
>>>>2.5 不同曝气条件的能耗
曝气采用HAILEA ACO-318型电磁式空气压缩机，额定电压和频率为220V和50Hz，额定输出功率为35W，输气量为70L/min，压力>25kPa。在4种工况下，曝气系统处理污水的能耗为26.51W/L。但是，MBR在实际运行中，在各工况下供给好氧区的曝气强度各不相同，工况I～工况III曝气强度分别为3.00、0.75、0.75-1.50m³/(m²·h)，因此，工况II和工况III条件下好氧区所消耗的能量小于工况I下消耗的能量；工况IV的曝气强度为0.75-1.50-3.00m³/(m²·h)，由于工况I运行了25.67h，工况IV运行了26.17h，因此工况IV下好氧区实际消耗的能量也小于工况I消耗的能量。表明在具有良好的缓解膜污染效果的同时，工况IV的动态曝气方式在降低能耗方面也具有一定优势。
3. 结论：
采用MBR处理石化废水，研究曝气条件变化对膜污染特征影响，探讨采用动态曝气方式缓解膜污染的可行性，得出以下结论：
1）工况IV的动态曝气方式（曝气强度0.75-1.50-3.00m³/(m²·h)能够向后推迟TMP“跃迁”的临界点，延缓TMP“跃迁”现象的出现，延长MBR在膜污染第2阶段的运行时间；增加曝气强度减缓了K增大的趋势，表明动态曝气在减缓膜污染方面具有一定优势。
2）在工况IV的动态曝气方式下，MBR在提高废水处理量和降低能耗方面也具有一定优势，动态曝气能够提高MBR膜处理石化废水的经济效益。
3）在冬季水温较低（9.3～11.9℃）的条件下进行，结果表明了动态曝气在MBR处理石化废水中的优势，为了充分研究动态曝气在缓解膜污染和降低能耗的可行性，建议在水温较高条件下（20～30℃）对动态曝气做更加深入的研究。
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