Effect of membrane type on the behavior of nitrifying membrane aerated biofilms: silicone membranes vs. micromembrane cords

膜類型對硝化膜曝氣生物膜行為的影響：有機硅膜與微膜繩

來源：ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY

 

摘要核心內容

 

本文對比了兩種商用MABR膜（硅膠中空纖維膜與SUEZ的微膜束）對硝化生物膜行為的影響：

傳質差異：硅膠膜的氧氣傳質系數（Km）為2.6 m/d，微膜束的表觀Km為1 m/d（圖5）。

 

硝化性能：在合成廢水中，硅膠膜的最大銨氧化通量（7.8 gN/m2d）顯著高于微膜束（4.3 gN/m2d），但氨氮濃度<5 mgN/L時兩者通量相近（圖7）。

 

 

實際廢水驗證：真實廢水中硝化通量低于合成廢水，歸因于COD的存在；微膜束可通過提高氣壓補償傳質劣勢（圖8）。

 

 

模型驗證：MABR模型成功預測兩種膜的硝化通量趨勢（圖7）。

 

研究目的

 

量化膜特性影響：對比硅膠膜與微膜束的氧氣傳質能力（Km）、生物膜發育及硝化性能差異。

揭示性能差異機制：解析膜結構（硅膠膜的光滑表面 vs. 微膜束的復雜編織結構）如何影響生物膜形態與底物傳質。

指導工程應用：為MABR系統膜類型選擇提供理論依據，優化硝化通量。

 

研究思路

 

采用 “單膜→束狀反應器→實際廢水”三級實驗體系：

 

單膜流動池實驗（圖2）：

 

 

測定清潔膜的Km（Unisense微電極測DO剖面，圖5）。

觀察異養生物膜發育（光學顯微鏡與OCT成像，圖6）。

 

束狀MABR合成廢水實驗（圖3a）：

 

控制氨氮濃度（0–26 mgN/L）、氣壓（20–60 kPa）、生物膜厚度（100–860 μm），測定銨氧化通量（圖7）。

 

結合數學模型預測通量（AQUASIM 2.1）。

實際廢水混合液實驗：

污水處理廠中試（MLSS≈2000 mg/L），驗證連續/間歇模式下的硝化性能（表2）。

 

關鍵數據及其研究意義

1. 氧氣傳質系數（Km）

數據來源：單膜流動池中Unisense微電極DO剖面（圖5）。

結果：硅膠膜Km=2.6 m/d，微膜束單膜Km=0.4 m/d（束表觀Km=1 m/d）。

意義：硅膠膜更高Km源于其低傳質阻力，直接決定硝化通量上限。

 

2. 生物膜發育特性

數據來源：顯微鏡與OCT成像（圖6）。

結果：

硅膠膜生物膜更厚（3 mm vs. 400 μm）、更均勻（粗糙度系數0.39 vs. 0.33）。

微膜束因表面不規則，生物膜覆蓋不均。

意義：硅膠膜的高Km促進生物膜快速生長，但易因剪切/捕食脫落（圖S2）；微膜束粗糙表面增強生物膜滯留。

 

3. 銨氧化通量

數據來源：束狀MABR批量實驗（圖7）。

結果：

硅膠膜最大通量7.8 gN/m2d（21 mgN/L NH??），微膜束僅4.3 gN/m2d。

低氨氮（<5 mgN/L）時兩者通量無差異。

意義：高氨氮下硅膠膜性能優勢顯著，但微膜束可通過提高氣壓（60 kPa）逼近硅膠膜通量（圖8）。

 

4. 實際廢水性能

數據來源：污水處理廠連續運行數據（表2）。

結果：硅膠膜通量（1.58 gN/m2d）仍高于微膜束（0.63–1.56 gN/m2d），但后者可通過優化氣壓提升。

意義：COD存在抑制硝化通量，膜選擇需結合操作條件（如氣壓）權衡。

 

結論

膜材料主導傳質效率：硅膠膜因低傳質阻力（Km高2.6倍）支持更高硝化通量。

操作條件可補償性能：微膜束通過提高氣壓（60 kPa）可接近硅膠膜通量，但能耗增加。

生物膜形態影響穩定性：硅膠膜生物膜厚但易脫落，微膜束生物膜薄而均勻。

模型指導設計：MABR模型可準確預測通量（圖7），支持膜類型與操作參數優化。

 

Unisense微電極數據的專項解讀

技術原理

 

Unisense微電極通過Clark型傳感器（25μm尖端）測量溶解氧（DO）微剖面：

高空間分辨率：以20μm步進掃描膜表面至液相的DO梯度（圖5）。

原位無損監測：直接插入流動池，避免取樣擾動生物膜結構。

在本文中的核心作用

精準測定Km：

通過DO剖面斜率（drdCO2,l）計算氧氣通量（公式2），量化硅膠膜與微膜束的傳質差異（圖5）。

 

揭示硅膠膜表面DO梯度更陡（傳質驅動力強），解釋其高效硝化能力。

揭示生物膜微環境：

結合OCT成像（圖6），關聯膜表面DO分布與生物膜發育（硅膠膜高DO促進厚生物膜生長）。

支撐模型驗證：

Km實測值為模型提供關鍵輸入參數（圖7），減少擬合偏差，提升預測可靠性。

 

研究意義拓展

 

膜材料優化：Unisense數據直接指導膜設計（如減小硅膠膜厚度以提升Km）。

工藝調控依據：DO微剖面揭示傳質限制區域（如微膜束表面低DO區），指導氣壓優化策略。

跨尺度關聯：銜接微米級傳質（電極數據）與反應器級性能（通量數據），突破MABR放大瓶頸。

 

總結：本文通過多尺度實驗結合Unisense微電極技術，闡明膜類型通過影響氧氣傳質與生物膜結構主導MABR硝化性能。硅膠膜適合高負荷場景，微膜束可通過操作優化用于敏感環境，模型與微電極數據為工程選型提供量化依據。