MBR 技术在农村生活污水处理中的研究进展

何志琴，陈盛，李云*

1.中国环境科学研究院

2.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心

随着社会生产力与经济水平的发展，我国广大农村地区正朝着现代化的方向前进，农村居民的生活物质条件越来越好，日常资源消耗量也越来越大，也由此带来了一些环境问题。目前我国农村生活污水治理水平偏低，与农村生态环境质量改善和扎实推进美丽宜居乡村建设目标仍有较大差距[1]，需要因地制宜地进行农村生活污水治理。膜生物反应器（MBR）具有占地面积小、易安装、出水水质好等优点，在农村生活污水处理中颇受关注。因此，笔者对MBR 技术在农村生活污水处理中的应用、MBR 膜污染控制以及能耗优化等方面进行了综述，以期为农村生活污水治理技术选择提供参考。

1 农村生活污水特点

农村生活污水，一般包括厕所粪污和洗浴、洗衣、厨房等排放的污水[2]，根据来源可分为黑水和灰水。黑水来自厕所，包括水、尿液、粪便等，包含大部分的有机负荷[3]；灰水来自洗浴、洗衣、厨房等，污染物浓度较低[2]。灰水的排放量大于黑水[4]。我国许多地区农村生活污水是黑水和灰水混合处理的，如我国南方地区农村，混合处理忽略了黑水与灰水的差异，造成能源和资源的浪费[5]。北方地区厕所改造后粪污进入化粪池处理并进行综合利用，而灰水一般单独处理。这种分质处理方式有助于最大程度地实现污水资源化利用。黑水与灰水的化学组成及其在生活污水中的占比见表1。

表1 生活污水中污染物来源及组成[6]Table 1 Sources and composition of pollutants in domestic wastewater

2 农村生活污水处理现状及问题

农村生活污水的处理包括集中处理与分散处理。集中处理适用于距离城市较近的经济较为发达的村庄，或者人口集聚程度高的村庄，污水可收集后接入城市管网系统处理，或者建设集中污水处理设施处理；而居住较为分散、偏僻，或经济不够发达的地区一般采用分散处理方式。

农村生活污水处理技术主要有人工湿地、土地处理系统、厌氧沼气池、生物滤池、A/O、A2O、膜生物反应器以及基于各类工艺的一体化处理装置等。其中，人工湿地运行管理方便，投资费用小，但是其应用易受地域气候特点的限制，尤其是在北方寒冷地区，且占地面积较大，对于总氮（TN）的去除效率也较低[7]。土地处理系统的优点包括投资费用低、运行操作简单及能耗较低，但存在脱氮效率欠佳的缺点，容易污染地下水[8]。厌氧沼气池具有操作简单、资源利用率高的优点，但是其出水指标相对较低[9]。生物滤池是对传统生物滤池的改进，具有占地面积小、耐冲击负荷能力强及运行成本低的优点[10]，但其长时间运营易出现滤池堵塞等问题[11]。A/O、A2O工艺投资费用较少、水力停留时间（HRT）短、不易产生污泥膨胀，尤其是具有良好的脱氮除磷效果[12]，但也存在含有硝酸盐的回流污泥影响除磷效果等不足。一体化处理装置具有运输方便、现场安装操作简单及占地面积较小等优点[13]，但存在投资及运行维护费用偏高，出现故障后不易检修的不足。

MBR 由于具有占地面积小、生化效率高和出水水质好等优点，在污水处理领域有着广泛、良好的应用[14]。MBR 技术与传统活性污泥法最大的区别是用膜组件代替固液分离工艺及相关的构筑物，在节省面积的同时提升固液分离效率。根据膜组件安装位置的不同，可将MBR 分为外置式、内置式和复合式3 种；根据是否需要进行曝气，可将其分为好氧型和厌氧型；根据膜材料的不同，又将其分为微滤膜MBR、超滤膜MBR 等[15]。

3 MBR 技术在农村生活污水处理中的应用

3.1 国内研究进展

国内采用MBR 技术处理农村生活污水的应用并不多。裴亮等[16]采用一体化MBR 处理进水COD 波动较大的农村生活污水，HRT 为5～6 h，整套装置由PLC 自动控制系统控制，在水温＞22 ℃、溶解氧(DO)浓度＞3.4 mg/L、pH 为6～9 的条件下，COD 出水稳定在19～31 mg/L，对BOD5、NH3-N 及浊度的去除率达到95%以上。谢晴等[17]在传统A2O-MBR 上集成超声波在线膜清洗技术、PLC 自动控制、以太网远程控制以及改性超滤膜等功能（图1），对农村生活污水进行处理，经过半年的运行监测，各污染物指标均达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。张文艺等[18]采用移动床生物膜-A2O/MBR 对农村生活污水进行处理，采用Lawrence-McCarty 模型构建污染物降解动力学方程，并通过试验确定最佳HRT 为1.25 d，系统对CODCr、NH3-N、TN 的去除率均较好，但TP 出水浓度仅达到GB 18918—2002 一级B 标准。付丽霞等[19]采用水解酸化-接触氧化-MBR 一体化装置对某农村生活污水进行处理，MBR 以恒压方式运行，采用逐步提高进水负荷的方式成功启动反应系统，经90 d 的稳定运行，出水COD、NH3-N、SS 及TP 浓度均达到DB13/ 2171—2020《农村生活污水排放标准》一级A 标准和GB 18918—2002 一级A 标准。杨卫等[20]采用倒置A2O-MBR 一体化装置处理农村生活污水，通过调节缺氧区和厌氧区的进水量以及控制污泥龄的方式提高了装置脱氮除磷效果，对COD、BOD5、NH3-N 及SS 均实现了90%以上的去除率，对TN 和TP 去除率分别为71%和88%。唐舒雯等[21]采用陶瓷膜生物反应器（C-MBR）对模拟生活污水进行处理，通过改变回流比、DO 浓度及HRT等运行条件，显著提高了TN 去除率，另外，在CMBR 后端添加除磷填料段，利用粉煤灰多孔填料吸附来强化除磷效果，结果表明，在水力负荷为0.33 m3/(m3·d)的条件下，TP 去除率可达90.90%。

图1 MBR 一体化处理设备[17]Fig.1 MBR integrated processing equipment[17]

国内关于MBR 技术应用于农村生活污水分质处理的研究还较少，张燕燕等[22]以家庭冲厕回用为目的，使用MBR 对灰水进行处理，冬春两季，在HRT 为2.5～3 h，混合液悬浮固体浓度（MLSS）为3 500～4 500 mg/L 的条件下，出水浊度低于0.3 NTU，NH3-N 浓度、BOD5、COD 分别为4.0、3、40 mg/L，而夏季出水COD 一般低于20 mg/L。经MBR 处理过的灰水均可回用于家庭冲厕。张静等[23]针对黑水中污染物浓度偏高，碳、氮、磷比例失调等问题，采用倒置A2O-MBR 技术进行处理，结果表明，在春冬两季若要达到与夏季相近的处理效果则需要更长的HRT；中高温条件下若不外加碳源，COD、NH3-N 和TN 难以达到排放标准；在HRT 为31 h，不外加碳源的情况下系统对部分污染物的降解效果不佳，投加外部碳源后，COD、NH3-N、TN 和磷酸盐的去除率有所上升，但TN 仍然不能达到GB 18918—2002 一级排放标准。

表2 列出了以上几项MBR 技术处理混合农村生活污水效果的对比。由表2 可知，尽管农村生活污水进水水质波动较大，MBR 技术仍能发挥稳定的去除作用。膜能够将微生物截留在反应器内，使得世代时间较长的硝化细菌、反硝化细菌及其他降解有机物的微生物得到最大限度的增长，同时，由于MBR 耐冲击负荷能力强，系统对COD、BOD、氨氮以及SS 均有良好的去除效果，出水普遍能够达到GB 18918—2002 一级A 标准。但对于TN 及TP 的处理效果随工艺的不同而有较大差异，尤其是对TP，生化过程往往无法满足除磷要求，主要是因为污泥龄较长时，富磷污泥不能及时排出，导致系统中磷逐渐累积[24]。此外，脱氮阶段的反硝化过程消耗了较多碳源，导致聚磷菌除磷过程中缺乏碳源，硝酸盐对聚磷菌释磷也产生一定影响。所以，MBR 一般需要与投加化学药剂、控制污泥龄等过程联用来达到除磷效果。对比MBR 对灰水、黑水和混合生活污水的处理效果可知，其更适用于灰水和混合生活污水，若用于黑水处理，则建议投加外部碳源，并采用化学方法辅助除磷。

表2 国内MBR 处理农村生活污水效果对比Table 2 Comparison of domestic MBR treatment effect of rural domestic wastewater

3.2 国外研究进展

国外采用MBR 技术处理分散生活污水的应用较为广泛。Fountoulakis 等[25]使用SMBR 处理希腊克里特岛一个独户住宅的真实灰水，系统由生物反应器和平板膜组成，在膜模块基部进行曝气。9 个月的运行结果显示，出水COD 平均约为60 mg/L。约旦哈姆西大学使用SMBR 处理某实际灰水的研究结果显示，COD 从356 mg/L 降至42 mg/L[26]。西班牙某建筑公司使用MBR 处理实际灰水，COD 从302 mg/L 降至29 mg/L[27]；TN 浓度和去除率出现季节性变化，冬季较低；阴离子表面活性剂浓度低至8 mg/L，去除效果较为理想。Bani-Melhem 等[28]采用电絮凝-浸没式膜生物反应器（EC-SMBR）组合工艺对灰水进行处理，并用无电凝聚的SMBR 进行对照，结果表明：EC-SMBR 可使膜过滤性能提升20%，原因是电凝作用使得小颗粒絮凝体尺寸增大，从而减轻了膜污染；EC-SMBR 系统中，膜污染的凝结层阻力降低，从而减缓了凝胶层的形成速度，增大了膜通量，提升了灰水处理效率。Liberman 等[29]采用MBR 技术处理某体育中心洗浴灰水，运行时间超过1 年。由于洗浴灰水中有机负荷较低，导致系统中生物质的积累非常缓慢，尽管如此，MBR 仍可在相对较低的MLSS 水平下达到较高的处理效率。且由于MLSS 较低，MBR 无需反冲洗或化学清洗即可进行长期运行。Palmarin 等[30]比较了一种新型的混合膜生物反应器（HMBR）与传统MBR 对家庭灰水的处理效果，HMBR 与传统MBR 的区别在于HMBR 包含移动床介质，而传统MBR 只包含活性污泥。由于HMBR 中生物膜的存在，同步硝化反硝化过程被增强，HMBR 的TN 和NH3-N 去除率平均提高了8%和5%。

对以上研究进行对比分析(表3)可以看出，MBR 技术对分散生活污水的处理能达到较高的效率，有机物及悬浮物去除效果良好，对阴离子表面活性剂也表现出优异的去除性能。相比于混合生活污水，MBR 对灰水中的TSS 去除效果更好，去除率可达100%，且由于灰水中不含厕所粪污，大肠菌群含量较低，MBR 对灰水中大肠菌群的处理效率也相对更高。总的来说，MBR 对混合生活污水与灰水均表现出良好的处理效果，但对灰水的处理更胜一筹。

表3 国外MBR 处理生活污水效果对比Table 3 Comparison of MBR treatment effect of domestic wastewater abroad

相比于城市，农村地区居民居住较为分散，因此可借鉴国外采用MBR 处理分散生活污水的成功案例对我国农村生活污水进行处理。值得注意的是，MBR 技术在较低温度下对TN 的去除率会有所下降，膜组件的污染状况也会更严重，所以在实际应用过程中需要注意对MBR 做好保温防寒措施，尤其是我国北方农村地区。MBR 技术应用于农村生活污水时除降低污染物浓度外，还要关注膜污染状况，在保证处理效率的前提下减轻膜污染程度，这也是当前MBR 研究的一个热点问题。

4 膜污染控制

4.1 膜污染机理

MBR 在运行过程中会出现膜通量下降、膜分离阻力增加以及膜分离特性改变等问题[13]。造成膜污染的机理主要有2 个方面：1）在运行过程中，活性污泥中的微小粒子、胶团或者某些溶质分子吸附在膜表面，或是因为浓差级化使得溶质在膜表面超过其溶解度，从而形成滤饼层，最终导致膜孔堵塞造成膜污染；2）由于物理作用而引起膜的内外表面吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜通量减小造成膜污染[31]。活性污泥中微生物产生的大量溶解性产物，是残留有机物的重要组成部分，也是造成MBR 膜污染的主要原因之一[32]。

在MBR 中，一般认为膜的主要污染源是生物质。Ding 等[33]发现，在低DO 浓度条件下，膜表面积累了更多的生物质，从而导致产生的生物污染层更厚，包含更多的生物聚合物和EPS，使得膜的稳定通量变低。同样，Kim 等[34]发现，在低DO 浓度的MBR 中，较高的EPS 含量和较低的生物膜孔隙率是导致膜污染加重的关键因素。李亚峰等[35]研究发现，水质水量的波动也会影响EPS 的产生，进水负荷的变化会导致细胞分泌更多的EPS；而王璐[36]发现碳氮比越低，EPS 总量越高。农村生活污水具有低碳氮比、早晚水量波动较大的特点，因此会产生相对较多的EPS，从而加剧MBR 的膜污染状况。Yin等[37]开发了一种新型的自发电场-MBR（SEF-MBR）系统（图2）来缓解膜污染，并研究了电场作用下滤饼层的生长过程。结果表明，相比于普通商用聚偏氟乙烯（PVDF）膜〔图3(a)〕，Cu-纳米线（Cu-NWs）导电微滤膜〔图3(b)〕中铜的抗菌性能、体系中的电场力以及氧化剂的原位降解的协同效应减轻了膜污染。在电场存在的情况下，膜表面滤饼层的形成与变化可分为3 个阶段：首先，多糖和蛋白质沉积在膜表面，细胞嵌入EPS 基质形成簇；之后，EPS 和细胞总数进一步增加，导致生物体积增长速度加快；最后，生物体积和滤饼层厚度的生长速率下降，自发电场延迟了EPS 在膜表面的沉积，产生的H2O2和·OH 有利于有机物的降解，使膜表面的污染物体积变小。

图2 SEF-MBR 原理[37]Fig.2 Schematic diagram of SEF-MBR[37]

图3 普通PVDF 膜和Cu-NWs 导电微滤膜膜污染对比[37]Fig.3 Comparison of membrane fouling between ordinary PVDF membrane and Cu-NWs conductive microfiltration membrane[37]

4.2 膜材料选择

有机聚合物材料如聚砜（PSF）、PVDF、聚丙烯（PP）等由于价格低廉，膜的制造工艺较为成熟，膜孔径和形式较为多样等优势，在MBR 中应用较为广泛。PSF 膜具有良好的化学稳定性和热稳定性，耐辐射，机械强度较高，但是亲水性及抗菌性较差，且不耐污染。PP 化学稳定性好，耐酸、碱和有机溶剂，价格便宜，但孔径范围分布宽，在处理污水时存在使用寿命不长、膜容易破坏等不足。相比较而言，PVDF 膜的制备方法简单、价格便宜，不仅化学稳定性好、耐高温且具有良好的抗菌性能，机械性能强，还具有高耐磨性，易于加工使用等优势[38]。

纳米材料由于具有超亲水性及抑菌性等优异性能，是目前国际上聚合物膜研究中重要的新型改性剂[39-40]，可使用掺杂的方式用纳米材料亲水改性PVDF 膜制备得到复合膜，这种复合膜具有优异的亲水性、抑菌性和抗污染等性能，近年来受到越来越多的关注。

Ni 等[41]采用可见光催化剂CdS/MIL-101(Cr)对PVDF 膜进行改性，通过水下可见光照射，CdS/MIL-101 复合光催化剂表现出优异的可见光催化性能，使EPS 被有效降解，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均表现出显著的抗生物效果，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑制率分别为92%、95%，成功在厌氧氨氧化MBR 中实现了原位控制膜污染。Zhang等[42]使用碳纳米球（CNS）掺杂改性PVDF 制备得到混合基质膜（MMMs），并用于MBR 中提高膜的抗污染性。结果表明，MMMs 膜的亲水性显著提高，孔隙率明显降低，混合基质膜在MBR 运行中清洗的次数大大减少，由于CNS 与污染物的排斥作用以及MMMs膜亲水性的提高，MMMs 膜的抗污染性能明显提高。Li 等[43]将氧化石墨烯-纳米银（GO-Ag）复合材料用于掺杂改性PVDF 制备得到复合抑菌膜（图4），与原膜相比，复合抑菌膜的接触角降低，纯水通量显著增加。由于复合抑菌膜表面释放出纳米银，其对大肠杆菌表现出良好的抑制效果，能显著防止细菌黏附于膜表面及抑制生物膜的形成。

图4 GO-Ag 掺杂改性PVDF 膜示意[43]Fig.4 Schematic diagram of GO-Ag doped PVDF film[43]

总的来说，选用合适的纳米材料对PVDF 膜进行亲水改性，不仅可以提高膜的亲水性、透水性以及抗污染性能，还可以抑制微生物的生长。

4.3 技术工艺优化

褚文玮等[44]以天津某高校A2O-MBR 污水处理站作为工程案例，通过试验确定了该校园污水处理站的MBR 膜污染调控方案：污泥龄（SRT）控制在25～35 d，最佳气水比为18∶1，间歇出水抽停比为8∶2（产水泵运行8 min，停止2 min）。通常情况下，MBR 膜组件清洗周期为3 个月，根据膜压差选择药剂清洗方式，使MBR 膜组件通量恢复效果较好。Mitra 等[45]使用新型空气喷射器(图5)与SMBR耦合来处理实际生活污水，并与扩散器装置进行对比。结果表明，耦合系统在总氧转移速率、膜污染控制和总废水处理方面非常有效，与扩散器曝气相比，喷射器曝气在清洁水和废水中具有更高的氧转移速率；相同条件下，喷射器MBR 膜污染速率更小，对COD 的去除率更高；对于小规模处理过程，喷射器的能量需求明显高于扩散器(约4.6 W)；在较高的空气流速(12.5 L/min)下，扩散器的标准曝气效率（SAE）〔0.49 kg/(kW·h)〕低于喷射器〔0.65 kg/(kW·h)〕，这表明喷射器相对于扩散器在单位能量输入下提供氧气的效率更高。

图5 带有空气喷射适配器的喷射器示意[45]Fig.5 Schematic diagram of the eductor with air injection adapter[45]

5 能耗优化研究进展

MBR 应用于农村生活污水的另一个限制因素是能耗问题，农村地区经济水平发展相对来说较为落后，因此，做好节能降耗工作有利于其在农村地区的推广应用。研究表明，MBR 在处理生活污水时能耗一般为0.64～6.10 kW·h/m3[28]，随着处理规模的增大单位水量能耗会降低，处理水量为200～600 L/d的MBR 系统，其能耗为3～6 kW·h/m3，而处理水量为1 300～2 000 L/d 的MBR，其能耗则为1.4～3.8 kW·h/m3[46]。若以我国工业平时段的电价0.725元/(kW·h)来计算，处理每吨水需要0.46～4.42 元，费用较高。曝气占MBR 工艺能耗的75%，所以从控制曝气入手可以有效优化其整体能耗，降低MBR 的运行成本，促进MBR 的大规模应用。

Atanasova 等[46]应用MBR 来处理某酒店分离的淋浴灰水，系统运行时长为6 个月，采用ZW-10 浸没式超滤中空纤维膜组件。结果显示，通过使用空气冲刷控制系统，曝气流量从3.5 m3/h 优化至0.5 m3/h，成功降低了能耗，且减少了水中病原体的量，解决了灰水水质波动带来的问题，COD 平均去除率达90%，其中易生物降解COD 去除率达到51%，高于Hocaoglu 等[47]报道的29.3%。黄文佳等[48]以MBR 膜池鼓风机曝气系统为基础，分析MBR 膜池工艺需求和曝气系统能耗变化，使用高次多项式拟合鼓风机参数变化曲线，求得不同曝气工况下膜池鼓风机的能耗范围；根据最优控制原则，对膜池鼓风机控制系统进行自控改造；改造后系统运行稳定可靠，日均节电16%左右。叶亮等[49]通过控制膜池MLSS、离线清洗与膜池底部清淤相结合、曝气系统改造3 种措施对MBR 进行优化。结果表明，控制膜池MLSS 为6 000～9 000 mg/L，对膜池进行彻底清淤，有利于减缓膜污染程度，提高产水量并降低膜擦洗风量。结合后续曝气系统改造应用，MBR 总曝气量大幅下降，2017 年电耗年均值仅为0.42 kW·h/m3，较2016 年降低17.7%；优化后在线清洗次氯酸钠用量可降至232.14 g/m2，较优化前降低18.75%。

6 结语

目前，农村生活污水的处理主要存在以下几个问题：由于农村地区自身的特点和居民的用水习惯，灰水水质波动较大，导致难以选择合适的处理系统；农村生活污水一般具有有机污染物及病原微生物浓度较高的特点，且在生物处理过程中往往会出现碳源不足的情况。MBR 系统在农村生活污水的处理中具有良好的应用前景，但是膜污染和成本问题制约其在农村生活污水处理中的应用，由于膜的使用寿命而带来的高运行费用，以及对运行管理具有一定技术要求等也对其在农村地区的使用带来限制。

未来，MBR 技术在农村生活污水处理方面的研究可从以下2 个方面做进一步探索：1）加强对膜污染控制的研究。MBR 系统的膜污染问题是近年来的研究热点，可从电场辅助MBR 控制膜污染、膜改性等方面入手进行进一步探究。电场辅助MBR 控制膜污染可从优化反应器结构参数出发，探索最佳的自发电场强度，促进其在实际污水处理中的应用；膜改性可加强采用无机纳米材料对PVDF 膜进行亲水改性的研究，寻找更为合适的材料进行掺杂，在减轻膜污染的同时节能降耗。2）研发兼具处理效率高、成本费用低及运行维护管理简单的MBR 集成工艺，促进MBR 在广大农村地区的使用。