MABR 技术在污水处理中的应用及研究进展

柯艳春，李晓琳，刘 豹，，马 浩，郑 兴，郑冲祥

（1.航天凯天环保科技股份有限公司，湖南 长沙 410100；2.西安理工大学水利水电学院，西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西省节水与水回用技术创新团队，陕西 西安 710048）

随着工业化进程的加快和人民生活水平的提高，污水排放量不断增加。据2020 年中国生态环境状况公报报道，2020 年，我国污水排放总量为576.02 亿m³，处理率可达97.08%。目前常用的污水处理方法有物理法、化学法和生物法，物理法和化学法是指通过过滤、沉淀、气浮、离子交换、吸附、氧化还原等原理去除污水中污染物的方法，其中物理法主要用于污水的一级处理，化学法主要用于污水的三级处理。这些方法的优点是去除污染物的效率较高，尤其是化学法用于化工废水的处理效果显著，但缺点是能耗高、成本大。目前污水处理以生物处理法为主，这种方法主要通过微生物的新陈代谢使污水得以净化，常用于污水的二级处理。生物处理有活性污泥法和生物膜法，活性污泥法如氧化沟工艺〔1〕、A2/O〔2〕、SBR〔3〕、MBR〔4〕等均已被广泛地应用于污水处理厂；生物膜法是指微生物附着于某一载体表面，形成生物膜并通过自身的新陈代谢净化污水，常用的工艺有生物滤池〔5〕、生物转盘〔6〕、生物流化床〔7〕等。但近年来，污水处理的主流工艺——活性污泥工艺的缺点逐渐暴露，如其占地面积大、曝气能耗高、处理效果受进水水质及环境因子的影响较大。随着材料科学突飞猛进的发展，越来越多的新型材料被用于污水处理中。近年来研究人员将一种新型可透气的膜材料和生物膜结合用于污水处理，这种技术被称为膜曝气生物反应器（Membrane Aeration Bioreactor，MABR）技术，这种技术的应用可以大大降低污水处理过程中的曝气能耗。

1 膜曝气生物反应器技术

图1 生物膜传质过程Fig.1 Mass transfer process in biofilm

1.1 MABR 技术原理

MABR 是一种将生物膜与曝气膜材料进行结合的污水处理技术，其反应器的核心是膜组件和生物膜〔9〕。生物膜附着生长在膜材料的外侧，氧气从膜内侧向膜外侧传递，为生物膜供氧，且氧气压力保持低于膜组件的泡点压力，因此这种供氧方式也被称为无泡曝气〔10〕。膜组件内的氧气在压差的驱动下不断进入生物膜，同时生物膜与水中的污染物充分接触，污染物在浓度差异和生物膜的吸收作用下进入到生物膜内部。由于氧气和污染物进入生物膜的方向完全相反，因此氧气和污染物在生物膜内部的浓度变化趋势完全相反，依据氧气和污染物浓度的不同，生物膜内部出现了不同的分层结构。在生物膜和曝气膜接触的区域氧气浓度最高，属于好氧区，-N 等小分子污染物和一部分有机碳进入这个区域，有利于氨氮的氧化和硝化细菌的生长。在生物膜和污水的接触区域属于厌氧区，这一区域污染物浓度最高而氧气浓度最低，有利于反硝化菌的生长和有机碳的去除。而这2 层的中间属于兼氧区，有机碳的浓度和氧气浓度均较高，有利于有机碳的去除。如此，好氧硝化和厌氧反硝化在一个反应器里面进行，被称为同步硝化反硝化〔11〕。

1.2 膜材料

材料科学的发展对于MABR 技术的推广至关重要，评价膜材料的指标常有气体传质阻力、泡点压力及生物亲和性。

MABR 技术最早于1978 年由美国的S. J. YEH等〔12〕提出。最初的膜材料为聚四氟乙烯纤维膜，其后又出现了聚偏氟乙烯膜、聚二甲基硅氧烷膜、表面改性聚乙烯膜、硅橡胶膜、聚胺酯中空纤维膜等〔13〕。根据膜孔的形式通常可以将膜分为微孔膜和致密膜。微孔膜是指表面孔径在0.01～0.2 µm 的膜，其膜材料主要为聚四氟乙烯和聚丙烯，因价格低廉、容易制备等优点致使其在污水处理过程中得到了广泛应用。微孔膜中氧气通过微孔向外扩散，传质阻力较低，但是泡点压力更低，其对氧气不具有选择透过性，且生物膜的形成过程中容易堵塞微孔进而影响传质效果〔14〕。致密膜通常采用硅橡胶制成，对氧气具有选择透过性，氧气的传质效果较好，泡点压力较大，不容易被污染或堵塞，但其也存在一些缺点，如阻力较大，氧的传输效率较低，并且制备成本较高，这些都限制了其的大规模应用。

针对微孔膜和致密膜的缺点，Zheng GONG等〔15〕在微孔膜上覆盖了一层10 µm 厚的聚合物从而得到一种新型复合膜，采用这种膜材料成功实现了无泡曝气，曝气压力可达到6.95×105Pa。同时所制备的复合膜上的聚合物还可以改变膜表面的生物亲和性，使微生物更容易附着生长，有利于生物膜的形成。但复合膜的制备过程比较复杂，并不容易使复合材料均匀地覆盖在微孔膜上面，另外长时间曝气对涂层也不利，影响膜寿命。随着材料科学的发展，越来越多的膜材料被用于污水处理中，表1 列出了部分膜材料及其在污水处理中的应用。

表1 不同材料的MABR 膜及其在污水处理中的应用Table 1 MABR membrane of different materials and their application in wastewater treatment

1.3 膜组件

根据形式的不同，可将膜组件分为中空纤维膜、中空管式膜、板框膜、柔性卷式膜等。中空纤维膜比表面积较大，微生物附着量更多，在同样的水质条件下用量更少，占地面积也较小。而管式膜、板框膜目前主要用于MABR 技术的机理研究，柔性卷式膜制作方便，污水处理效果好，目前也已在分散式污水处理中得到了一定的应用。

根据气流在膜内流通方式的不同，膜组件可分为死端式和活端式。死端式是指气体从膜组件的一端进入，另一端被封死，气体全部从膜的侧面进入水体，这种方式不会造成气体的浪费，如果以纯氧曝气，理论上可以达到100%的氧气利用率，但这种方式气体在传递的过程中压力会逐渐降低，导致膜侧壁上的压力不一致，气体向水中渗透的能力会降低，因此更适合纯氧曝气〔24〕。活端式是指气体从膜组件一侧进入，从另一端逸出，通过调节曝气设备的曝气压力和出口的阀门控制膜组件内部的气体压力，这种方式可以有效避免气体压力不均匀的现象，但是会造成一定的气体浪费，因此更适合空气曝气。

2 MABR 生物膜

MABR 技术的成功应用不仅需要生物膜成功地附着于载体，还要实现生物膜结构及功能的分层，这样才能更好地发挥生物膜的功能，实现污水净化。

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2.1 MABR 生物膜结构

采用传统载体的生物膜氧气和底物同向传质，因此在生物膜和污水的界面处氧气、底物和电子供体浓度均最高，异养菌活性也最高，而好氧硝化菌则会富集在生物膜的内侧，但因内侧氧气浓度逐渐降低，导致硝化菌活性不高〔25〕。这也导致在污水处理过程中，传统生物膜对氨氮的氧化能力并不高。曝气膜由于氧气和底物异向传质，生物膜内侧氧气浓度最高，生物膜外侧底物浓度最高，氧气及底物浓度在生物膜内出现明显的分层，因此生物膜从内到外依次是好氧区、兼氧区、厌氧区。在生物膜内侧好氧区，氧气浓度最高，底物浓度较低，硝化菌活性最高；在生物膜外侧，厌氧环境导致反硝化菌活性最高；在生物膜中间层溶解氧和底物浓度相对居中，适合兼性菌的生长。MABR 生物膜特殊的分层结构，可以保证硝化和反硝化反应在同一个反应器里面进行，实现同步硝化和反硝化〔26〕，并为短程硝化反硝化提供基础。

2.2 MABR 生物膜微生物群落结构

MABR 生物膜由各种微生物及其胞外聚合物所组成，这些微生物种类繁多，功能各异，在污水处理过程中发挥着关键作用，但一直以来研究人员对于微生物的组成、多样性及与运行条件的相关性并不十分清楚。近些年，随着分子生物学技术的发展和成熟，出现了许多新的研究方法，使研究人员对MABR 微生物群落结构的研究变得相对容易。J.H.WANG 等〔27〕利用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳技术（PCR-DGGE）、微电极技术、冷冻切片技术对MABR 中的硝化细菌和反硝化细菌进行定量分析，研究发现水流速度会影响硝化细菌和反硝化细菌的空间分布，而且这2 种微生物会在生物膜的不同区域同时增殖。A.SCHRAMM等〔28〕采用荧光原位杂交技术（FISH）对MABR 中多种氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌进行了标记，发现在氧气浓度和氨氮浓度较高的区域，硝化杆菌属和亚硝化单胞菌属是优势菌群，在硝化反应中起主要作用；而在氧气浓度较低的区域，硝化螺菌属为优势菌群。A.TERADA等〔24〕发现在MABR 生物膜内存在同步硝化反硝化作用，同时利用FISH 技术发现氨氧化菌主要存在于曝气膜和生物膜接触区域（生物膜内层），而在生物膜外侧并不存在。Hailong TIAN 等〔29〕利用高通量测序技术对MABR 生物膜进行了功能分析，发现了功能菌群与运行条件之间存在一定关系，并揭示了生物膜中古菌与细菌之间的演替规律。

以上研究充分表明现代分子技术是研究微生物功能的重要手段，且MABR 生物膜内部的微生物群落结构与生物膜功能的实现关系密切。为了更加深入地研究MABR 技术的污水净化机理和微生物群落结构、丰度对其的影响，应该从更深入的层面入手，如采用宏基因组学技术可以为微生物内的功能基因研究提供帮助，蛋白转录组学可以从基因的编码和表达层面为生物膜内微生物的变化提供更详细的信息。

3 MABR 技术的应用

MABR 技术具有无泡曝气、氧气和污染物异向传质的特点，对污水的处理性能高，运行成本低，近些年来在消除河道黑臭水体及污水厂的提标改造项目中均有应用。

3.1 河道黑臭水体修复

河道黑臭水体的形成原因复杂，但最重要的一点就是水体缺氧，提高水体的溶解氧是水体生态修复的首要前提，曝气是水体增氧的主要方式。传统的曝气方式会产生较大的气泡，氧气的利用率仅有20%左右，能量损耗大，而MABR 技术中氧气以无泡曝气的方式扩散到水相中，氧气传递效率理论可达100%，可大大节约曝气能耗〔30〕。Mei LI 等〔31〕采用一体化两级连续流MABR 装置开展了河道黑臭水体治理研究，在最佳工况（温度19 ℃，PH 8.0，回流比200%，HRT 15 h）条件下连续运行40 d，水中COD、-N 的去除率分别可以达到87%、95%以上，出水TN 约为1.8 mg/L。杨玥等〔32〕将MABR 技术与微生物菌剂联用，对小型河道黑臭水体进行治理，系统连续运行60 d，河道水体的氧化还原电位（ORP）、DO 及透明度分别上升57%、308%、157%，COD 和-N 分别降低71.4%和65.0%，河道水体黑臭现象基本消除，但在降雨径流冲击下河道水质有所反复，7 d 后可恢复正常，与传统供氧方式相比，该技术采用的供氧方式可以节约50%以上的曝气能耗。李浩等〔33〕利用设计的水草式MABR 系统对天津某景观河道进行水体修复，通过连续5 个月的运行与监测，发现该系统不但有效提高了河道水体的自净能力，而且使水体TP、COD、-N 等指标由《地面水环境质量标准》（GB 3538—2002）劣Ⅴ类提升至Ⅲ类，TN 提升至Ⅳ类。李保安等〔34〕利用MABR 技术治理受污染的河道水体，结果表明，MABR 技术可以对河道内水体污染物进行充分降解，有效提高了河道的水质。

以上研究成果表明，MABR 技术已经成功用于河道受污染水体的修复中，并在未来我国河道黑臭水体治理技术的研究应用中具有一定的推广价值。

3.2 生活污水处理

近些年来，随着生活污水排放标准的不断提高，传统污水处理工艺面临提标改造，MABR 技术因其独特的优点在市政污水处理中得到了广泛的研究。孙治治等〔18〕建立了A2/O 耦合MABR 的中试系统，当进 水COD、-N、TN 分 别 为（220±86.0）、（30.3±8.3）、（44.9±12.6）mg/L 时，经过该系统的处理，出水COD、-N、TN 分 别 可 以 达 到（22.4±7.4）、（0.3±0.1）、（13.2±1.4）mg/L，满足市政出水一级A 标准，且运行过程中不需要外加碳源，运行成本低于传统污水厂系统；微生物测试结果表明系统内含有丰富的硝化和反硝化细菌。魏爱书等〔35〕将MABR 技术用于循环活性污泥（CAST）污水处理工艺改造中，改造后出水COD、-N、TN、TP 可分别达到3、11、0.9、35 mg/L，平均去除率分别为90%、92%、83%、88%，满足市政出水一级A 标准，并在一定程度上降低了系统运行能耗；该技术用于CAST 工艺中，改造工期短，后期运行成本也较低，但是系统抗冲击能力较差。陈文华等〔36〕将MABR 技术用于农村污水处理，系统研究了处理过程中污水COD、-N、TN 等的变化规律，结果表明，经MABR 处理后出水水质可稳定达到GB 18918—2012 一级A 排放标准，且系统具有较好的抗氨氮和抗COD 冲击性能，此外，MABR 技术的同步硝化反硝化过程减少了处理过程中碱度的消耗，提高了污水处理效率。M. J. SEMMENS 等〔37〕分别利用MABR 和传统活性污泥法处理市政污水，相同条件下MABR 工艺可以节约75%的能耗。

通过以上研究可以看出，MABR 技术在市政污水提标改造和农村分散式污水处理中具有很大优势，不但可以耦合其他污水处理工艺使处理后出水达标排放，而且在节省处理能耗和提高处理效率方面有较大潜力。

3.3 工业废水处理

随着我国工业现代化进程的不断加快，工业废水的排放量逐渐提高，其成分复杂，处理难度增加，因此众多研究者将MABR 技术用于工业废水的处理中 以 期 提 高 其 处 理 效 果。A. CHAVAN 等〔38〕采 用MABR 技术处理含苯酚、水杨酸钠的模拟工业废水，探究了在不同工况条件下该技术对苯酚及水杨酸钠的去除情况，结果表明，在pH 接近中性、水温为30 ℃条件下，该技术对苯酚及水杨酸钠的去除率均接 近100%。Xin WEI 等〔19〕采 用MABR 技 术 耦 合 水解酸化与活性炭吸附等工艺对含有高-N 和高COD 的制药废水进行处理，结果表明，该耦合系统出水中-N 和COD 的去除率可分别达到98%和90%以上，且出水浊度、色度均显著降低。Y. S. LAI等〔39〕采用MABR 技术处理含高浓度季胺类化合物的污水，发现其处理效果显著，通过对生物膜中抗性基因（ARGs）进行定量分析发现生物膜中的ARGs在处理过程中起主要作用。Meichao LAN 等〔40〕采用多级MABR 处理单元处理煤化工反渗透浓缩液，结果表明，该处理方法对COD 和-N 的去除率可以分别达到81%和92%，并且在反应器内发现了同步硝化和反硝化现象。胡亮等〔41〕采用MABR 技术与气浮/絮凝工艺对采油废水进行处理，结果表明废水中的石油、COD 和-N 均被有效去除。

4 MABR 技术的不足

通过以上研究可知，目前对于MABR 技术的研究已出现在污水处理的各领域，但其基本都还处于实验室和中试研究阶段，并没有大规模的应用，这主要是因为MABR 技术仍存在以下许多不足：

（1）虽然MABR 具有的无泡曝气的特点可以提高氧气利用率，但是也可能造成膜内氧气压力分布不均匀，尤其是对于低流速河道黑臭水体的处理会存在供氧能力不足的现象，影响处理效果〔42〕。

（2）MABR 反应器的形态、膜组件的形式和数量的变化会对处理效果产生影响，但当前对于此方面的研究还不够深入。

（3）虽然MABR 技术在众多中试阶段均取得了较好的效果，但是当进水水质发生突变时MABR 工艺的抗冲击能力不强，恢复时间较长〔32〕。

（4）MABR 系统在生活污水处理中的应用大多会耦合活性污泥工艺，活性污泥受温度等各种工况影响较大，尤其是低温条件下活性污泥反硝化活性降低，导致出水TN 不达标。此外对于MABR 技术在耦合工艺中对污染物去除的贡献率还缺少系统的研究。

（5）虽然目前已有多级MABR 工艺用于生活污水的处理，但是该工艺所需膜材料较多，造成技术成本较高。

（6）由于在MABR 系统内会发生短程硝化反硝化，作为短程硝化反硝化中间产物的亚硝态氮，其还原产物中含有部分N2O，N2O 的温室效应是CO2的144 倍，而目前对于减少MABR 系统中N2O 的产生量还没有系统的研究〔43〕。

（7）工业废水的复杂性和毒性也给MABR 工艺在工业废水处理中的应用带来了挑战，工业废水的毒性可以使曝气膜上的生物膜活性受到抑制，进而影响整个系统的处理效果。

5 展望

MABR 系统的众多优点使其在未来污水处理行业具有广阔的应用前景，但其也面临着许多挑战。为解决其在前期的研究和应用过程中暴露出的众多问题，未来研究人员应在以下方面开展进一步研究：

（1）加强新型膜材料的研发以及在现有基础上的对膜材料的改性研究，使其更适合微生物生长，更有利于膜内氧气压力的平衡，并进一步降低其制备成本。

（2）加强MABR 反应器形态的研究，使系统水力条件达到更优；优化膜组件形式，提高膜比表面积，建立水质指标与膜组件数量之间的定量关系。

（3）加强不同工况条件下MABR 工艺的脱氮除碳机理研究，建立进水水质、工况、出水水质之间的动态关系。

（4）利用现代分子生物学技术对生物膜的形成过程进行研究，同时应加强对氧气和底物异向传质过程的系统研究，建立理论基础，为系统的稳定运行提供支持。

（5）在MABR 对工业废水的处理中，应对生物膜中抗性基因的形成进行系统完善的研究，为未来MABR技术用于小规模工业废水处理提供理论基础。