任志鵬，陳小光

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620）

隨著國家對環(huán)境水污染治理的要求日益嚴(yán)格，近年來膜技術(shù)因具有應(yīng)用面廣、凈化效果好、環(huán)境污染小等優(yōu)點，獲得空前廣泛的應(yīng)用。無泡式中空纖維膜生物反應(yīng)器（membrane-aerated biofilm reactor，MABR）是一種新興的膜技術(shù)，其具有氧傳質(zhì)效率高（高達(dá)80%～100%，是傳統(tǒng)曝氣方式的10 倍左右）、無泡沫、低能耗和具有同步脫碳除氮功能等優(yōu)點，因而兼具理論和工程研發(fā)價值。目前，MABR 已從處理生活污水逐步拓展至其他廢水。如國外的B.TASKAN 等〔1〕使用MABR 處理藥物廢水，對四環(huán)素的去除率為63%。國內(nèi)的Hailong TIAN 等〔2〕采用兩級式MABR 處理高濃度鄰氨基苯酚（OAP）廢水，對鄰氨基苯酚的去除率高達(dá)99%，COD 去除率達(dá)到88.4%～90.9%。

美國 的S.H.YEH 和C.R.JENKINS 在1978 年最早使用聚四氟乙烯中空纖維膜構(gòu)建MABR，利用附著在纖維膜表層的生物膜處理人工污水，發(fā)現(xiàn)可以有效去除污水中的有機(jī)質(zhì)〔3〕。隨后國外展開了大量有關(guān)MABR的理論研究。T.ROY 等〔4〕在1983 年論證了該工藝在污水處理的可行性和優(yōu)越性。K.BRINDLE 等〔5〕在1996年探究了MABR有望成為傳統(tǒng)硝化工藝的替代品。E.CASEY 等〔6〕在1999 年結(jié)合MABR 的基本原理和發(fā)展?fàn)顩r撰寫了第一篇綜述，并構(gòu)想了MABR 在未來廢水處理領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用前景。A.TERADA 等〔7〕在2006 論述了MABR實現(xiàn)可控硝化的可行性。C.M.POTVIN 等〔8〕在2012年用中試規(guī)模的MABR 處理四溴雙酚A 污水，其中四溴雙酚A 以0.2 μg∕L 的濃度摻入，氨轉(zhuǎn)化率達(dá)到（83±6）%，研究發(fā)現(xiàn)MABR 中用于吸附損失的生物量遠(yuǎn)低于MBR 或CAS 反應(yīng)器中的生物量。P.PEREZ-CALLEJA 等〔9〕在2017 年發(fā)現(xiàn)閉端式MABR中，管腔氣體的周期性排放可改善膜的平均氧轉(zhuǎn)移率和污染物去除通量，而不會對氧轉(zhuǎn)移效率產(chǎn)生顯著影響。近年來，M.CASTRILLO 和E.CASEY 等（2019 年）對MABR 的研究較為活躍：M.CASTRILLO等〔10〕通過特殊的膜結(jié)構(gòu)（膜的頭部設(shè)置更靠近出水位置）增強(qiáng)MABR 的傳質(zhì)和硝化作用，使比硝化速率得到顯著提高（高達(dá)69.2%）；E.CASEY 團(tuán)隊〔11〕用MABR 處理垃圾滲濾液，進(jìn)水氨質(zhì)量濃度為500～2 500 mg∕L，實現(xiàn)了80%～99%的硝化能力。

我國膜處理技術(shù)起步于20 世紀(jì)90 年代，1991年岑運(yùn)華〔12〕報道了膜生物反應(yīng)器在國外的應(yīng)用情況，而對MABR 的報道和研究起步更晚。近些年隨著膜成本的降低〔13〕和MABR 自身性能的優(yōu)越〔14〕，越來越多的學(xué)者開始在實驗室中利用MABR 裝置處理各種污水。其中天津大學(xué)〔15〕和大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院〔16〕進(jìn)行了大量試驗研究，研究內(nèi)容不僅涉及MABR 工藝運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，而且還涉及到生物膜結(jié)構(gòu)剖析和微生物菌落探究。國內(nèi)學(xué)者研究較多的還有向梅、李保安、楊鳳林等人，Mei XIANG 等〔17〕深入探究了MABR 對廢水中甲醛的降解機(jī)理，實驗結(jié)果表明，甲醛在MABR 中的降解遵循準(zhǔn)一級動力學(xué)模型，當(dāng)進(jìn)水甲醛質(zhì)量濃度為116.31 mg∕L 時，甲醛、COD、共基質(zhì)甲醇的平均去除率分別為99.90%、81.50%、97.14%。李保安〔18〕采用MABR 處理采油廢水，出水COD 和氨 氮分別為85mg∕L和3.685mg∕L，達(dá)到采油廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。Shaowei HU 等〔19〕構(gòu) 建MABR 裝置處理城市污水，COD 去除率、氨氮去除率、總氮去除率分別達(dá)到82.5%、95.1%、84.2%，同時在MABR 中發(fā)現(xiàn)了同步硝化反硝化現(xiàn)象。

基于上述關(guān)于MABR 的研究背景，筆者通過分析MABR 的特色、介紹膜材料及氧傳質(zhì)系數(shù)模型、闡明MABR 的影響因素和回顧國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀等，從而提出未來MABR 的發(fā)展趨勢，以促進(jìn)MABR的研究與應(yīng)用。

1 MABR 的特色

1.1 MABR 結(jié)構(gòu)

MABR 的工藝流程見圖1。

圖1 MABR 膜組件示意（左）和工藝流程（右）Fig.1 MABR’s membrane module diagram（left）and system diagram（right）

圖1 中序號2 是備選設(shè)備，可以選擇空氣凈化裝置〔20〕或壓力表等。在MABR 中氣體依次通過空氣壓縮機(jī)（產(chǎn)氣裝置）、流量計（顯示氣體流量）和壓力表（顯示膜腔內(nèi)壓力變化，防止出現(xiàn)膜堵塞等情況）進(jìn)入中空纖維膜，再透過中空纖維膜逐步擴(kuò)散至液相中，剩余氣體可選擇循環(huán)利用或直接排出。

1.1.1 供氣方式

MABR 根據(jù)供氣方式分為閉端式（或死端式）MABR 和貫通式MABR。如圖1 所示，閉端式MABR中反應(yīng)器一端密封，空氣壓縮機(jī)將氣體不斷送入中空纖維膜中，在壓力和自由擴(kuò)散的作用下，氣體全部進(jìn)入生物膜，氧氣傳質(zhì)效率理論上可達(dá)100%。但P.COTE〔21〕在實際操作中發(fā)現(xiàn)水蒸氣、氮氣、二氧化碳等會通過膜孔擴(kuò)散進(jìn)入纖維膜內(nèi)腔使氧傳質(zhì)速率下降，故實驗室大多在膜組件末端安裝截流閥，并定期排出多余氣體。貫通式MABR 中氣體由一端通入膜內(nèi)腔，從反應(yīng)器的另一端排出，這種供氣方式可以帶走膜腔中存在的水蒸氣和其他雜質(zhì)氣體，增強(qiáng)傳質(zhì)效果。

1.1.2 流通方式

根據(jù)液相是否循環(huán)可將MABR 分為循環(huán)式MABR和流通式MABR〔20〕。循環(huán)式MABR如圖1所示，液相在泵的作用下在反應(yīng)器中循環(huán)流動，可以起到攪拌的效果，是目前大部分實驗采用的液相流通方式；流通式MABR 中液相從一端進(jìn)入反應(yīng)器中，從另一端排出，這種方式會使液相與生物膜接觸時間短、接觸不充分、部分液體無法接觸生物膜而導(dǎo)致出水水質(zhì)不佳。

根據(jù)液相與氣體的相對流通方式可分為平流式和錯流式〔22〕。平流式指水流方向和纖維膜中氣流方向是平行的，這種方式會使液相持續(xù)沖擊生物膜，導(dǎo)致掛膜階段耗時較長；錯流式指水流方向與氣流方向成一定的夾角，錯流式相較于平流式可以選擇較高的液相流速而不用擔(dān)心生物膜脫落。

1.2 無泡式中空纖維膜結(jié)構(gòu)與生物脫氮原理

中空纖維膜結(jié)構(gòu)及硝化反硝化示意見圖2。

圖2 中空纖維膜結(jié)構(gòu)及硝化反硝化示意Fig.2 Structural diagram of hollow fiber membrane and schematic diagram of nitrification and denitrification

由圖2 可見，MABR 采用逆向曝氣方式，即將空氣（或氧氣）從纖維膜內(nèi)腔直接引入，透過纖維膜壁面與其表面附著的生物膜接觸，氣體分子由內(nèi)向外，其作用力與生物膜的黏附力方向相反，有效地克服了膜過濾中由于進(jìn)水有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物形成濾餅層，以及微生物黏附形成的生物膜等造成的膜污染導(dǎo)致透水通量下降的問題。由于中空纖維膜的孔徑范圍多在0.01～0.30 μm，因而離開中空纖維膜的是低于泡點以下的氣體，從而降低曝氣過程中對生物膜的沖擊，減少生物膜的脫落，同時在氣體由內(nèi)向外穿過生物膜的過程中，氧氣分子被好氧微生物優(yōu)先利用（因此在生物膜內(nèi)部存在一定的溶解氧濃度梯度），從而使生物膜內(nèi)部建立了溶解氧濃度梯度，由內(nèi)至外依次形成好氧層、缺氧層以及厭氧層，即微生物選擇性地聚集在一起形成中空纖維膜表面的生物膜，使其具有脫碳除氮功能。

MABR 具有高氧轉(zhuǎn)移效率和高比硝化速率。該反應(yīng)器可控制氣泡在泡點之下，具有極高的氧轉(zhuǎn)移效率〔23〕（理論上90%～100%，實際上在80%～90%左右）。同時具有硝化反硝化脫氮功能，在早期文獻(xiàn)中已經(jīng)論證了該工藝在氨氮負(fù)荷率為0.2 kg∕（m3·d）的條件下，氨氮去除率在99%上下〔5〕。尤其適用于低濃度氨氮廢水的深度處理（強(qiáng)化硝化性能的MABR中總氮60 mg∕L，脫氮率在70%上下）〔10〕。

MABR 可以通過短程硝化反硝化的方式脫氮，如陳瑜〔24〕通過研究發(fā)現(xiàn)游離氨大于2 mg∕L 且溶解氧小于0.5 mg∕L，從而出現(xiàn)了亞硝化現(xiàn)象，使高氨氮廢水的脫氮率達(dá)到80%以上。羅曉靜〔25〕在氧循環(huán)MABR 中高效富集了異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌群〔以不動桿菌屬（Acinetobacter）和假單胞菌屬（Pseudomonas）為主〕，其出水NH4+-N 和TN 平均去除率分別為80.3%和76.7%?？梢?，MABR 可以通過控制水中溶解氧濃度富集多種功能微生物，同時能夠以硝化∕亞硝化-反硝化甚至厭氧氨氧化的形式脫氮〔24〕，因此在深度脫氮方面具有較大的潛力。

2 膜材料及氧傳質(zhì)系數(shù)模型

2.1 膜材料

膜作為MABR 的主要單元，其具有2 種功能，一方面膜本身是微生物的載體；另一方面為附著在其表面的微生物提供氧氣，因此它必須具有良好的微生物親和力、耐污染性和穩(wěn)定運(yùn)行等特性。MABR所用膜包括微孔膜、致密膜和復(fù)合膜。

微孔膜主要由聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯等疏水性高分子材料制成，由表2 可知微孔膜具有傳質(zhì)阻力較小和價格便宜等特點，是目前大部分實驗所使用的膜（見表1）。Hailong TIAN 等〔2〕采用以PVDF為材質(zhì)的微孔膜的MABR 處理高濃度鄰氨基苯酚（OAP）廢水，鄰氨基苯酚去除率高達(dá)99%，COD 去除率達(dá)到88.4%～90.9%。陳瑜〔24〕利用聚丙烯材質(zhì)微孔膜的MABR 處理高氨氮廢水，氨氮去除率為90%。

表1 不同膜的實驗效果Table 1 Experimental results with different membranes

表2 膜材料參數(shù)對比Table 2 Comparison of membrane material parameters

致密膜是由硅橡膠等具有致密結(jié)構(gòu)的材料制成，因其具有對氧選擇性高和操作壓力高等特點，可在生物膜中構(gòu)建較高的溶解氧梯度。Mei XIANG等〔27〕采用硅橡膠膜的MABR 處理甲醛污水，進(jìn)水甲醛質(zhì)量濃度為116.31 mg∕L，甲醛、COD、共基質(zhì)甲醛的平均去除率分別為99.90%、81.50%、97.14%。E.SYRON 等〔11〕使用硅橡膠膜的MABR 處理氨氮質(zhì)量濃度高達(dá)500～2 500 mg∕L 的垃圾滲濾液，氨氮去除率為80%～99%。

復(fù)合膜一般是在微孔膜上包裹一層薄的致密膜如聚氨酯或聚二甲基硅烷（PDMS），其具有氧通量大、傳質(zhì)阻力小和可長期運(yùn)行等優(yōu)點，但制作過程復(fù)雜，成本較高，目前使用頻率較低。Meichao LAN等〔28〕采用高分子復(fù)合中空纖維膜MABR 處理煤化工反滲透濃縮液，COD、NH4+-N、TN 去除率分別達(dá)到81.01%、92.31%、70.72%。張雨辰〔29〕使用復(fù)合中空纖維膜MABR 處理生活污水，COD、氨氮、總氮去除率分別為92.2%、90.9%、82.7%

由于微孔膜具有操作壓力低、氣體通量大、傳質(zhì)阻力小、價格低廉等特點，多用于對氧需求量相對較低的污水。致密膜具有操作壓力高、對氧選擇性好等特點，多適用于對氧需求高、負(fù)荷量高的污水。而復(fù)合膜結(jié)合了微孔膜和致密膜的優(yōu)點，適用于大多數(shù)污水的處理，但生產(chǎn)成本較高，擴(kuò)大化使用有賴于膜技術(shù)的突破。未來關(guān)于膜材料研究可能朝兩方面發(fā)展：其一，改進(jìn)膜材料性能。如采用界面聚合的方法制備的聚苯胺-聚偏氟乙烯中空纖維復(fù)合膜與聚偏氟乙烯中空纖維膜〔30〕相比，微生物的掛膜更加迅速、高效；聚丙烯纖維膜經(jīng)過左旋多巴的堿性溶液改進(jìn)后，表面形成一層氧化膜從而提升了生物親和性，進(jìn)而提高了COD 和氨氮的去除效率〔31〕；通過在聚偏氟乙烯膜表面涂覆凝膠〔32〕制備復(fù)合膜曝氣生物膜反應(yīng)器，可以縮短反應(yīng)器啟動時間，調(diào)控生物膜厚度和生物量，使COD 去除率高達(dá)88%；其二，選擇可替代的膜材料。如Qiang LIU 等〔33〕以煤基微孔碳管構(gòu)建MABR，在溶解氧為0.8 mg∕L 的條件下，NH4+-N、TN 和COD 去除率分別為87.8%、86.5%和87.6%，NH4+-N 的去除率隨DO 的升高而增大，去除率可高達(dá)99.7%。

2.2 氧傳質(zhì)系數(shù)模型

氧傳質(zhì)系數(shù)模型的建立是先通過雙膜理論計算出氧傳質(zhì)系數(shù)，然后構(gòu)建氧傳質(zhì)系數(shù)與壓強(qiáng)、液相流速及液相性質(zhì)的關(guān)系。構(gòu)建模型的步驟如下：

（1）計算氧傳質(zhì)系數(shù)?；陔p膜理論，氧傳質(zhì)系數(shù)k的計算見式（1）：

式中：C*——液相中飽和溶解氧的質(zhì)量濃度，mg∕L；

C0、CL——起始時刻和t時刻時液相中氧的質(zhì)量濃度，mg∕L；

k——氧傳質(zhì)系數(shù)；

A——中空纖維膜的總表面積，m2；

V——反應(yīng)器內(nèi)液體的體積，m3。

（2）根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)〔34〕，當(dāng)流體流過球形固體顆粒、液滴（其內(nèi)部是停滯的）與顆粒、液滴之間進(jìn)行傳質(zhì)時，其與氧傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系可定義為：

式中，Sh=k·d0∕D，Re=v·d0·ρ∕μ，Sc=μ∕（ρ·D）。其中k為氧通過膜的傳質(zhì)系數(shù)；d0為中空纖維膜膜管外徑；D為氧在液相的擴(kuò)散系數(shù)；v為液相流速；ρ液體密度；μ為動量黏性系數(shù)。其中舍伍德數(shù)（Sh）用來表征對流傳質(zhì)與擴(kuò)散傳質(zhì)的比值，雷諾數(shù)（Re）用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)，施密特數(shù)（Sc）用來描述同時有動量擴(kuò)散及質(zhì)量擴(kuò)散的流體。

在實際操作中，將膜絲假設(shè)為無數(shù)固體顆粒的累計，聯(lián)立式（1）、式（2）即可將氧傳質(zhì)系數(shù)與液相流速和液相性質(zhì)關(guān)聯(lián)起來。不同學(xué)者研究的氧傳質(zhì)系數(shù)與Re和Sc的關(guān)系式見表3。

表3 氧傳質(zhì)系數(shù)關(guān)系式Table 3 Relationship of oxygen mass transfer coefficient

由表3可知，其一般形式為：Sh=A·Pa·Reb·Scc，其中A為修正系數(shù)，a、b、c為常量，a主要取決于膜內(nèi)壓強(qiáng)變化，且a與膜內(nèi)壓強(qiáng)是負(fù)相關(guān)的。b主要與液相的流速有關(guān)，王榮昌等〔35〕的研究表明，當(dāng)P為0～2 kPa時，傳質(zhì)系數(shù)與液相流速具有線性相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性很強(qiáng)，當(dāng)P為2～10 kPa 時，傳質(zhì)系數(shù)的變化趨勢和液相流速一致，但并不顯著，且隨著壓強(qiáng)的增加，b逐漸減小。c主要取決于液相的性質(zhì)，對于特定的液相c為定值。

3 MABR 的影響因素

3.1 曝氣壓力

在MABR 中曝氣壓力會影響生物膜中的溶解氧梯度。一個合適的曝氣壓力可以在生物膜內(nèi)部構(gòu)建一個適宜的溶解氧梯度，從而使微生物在生物膜內(nèi)部同時完成對COD 的降解、硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，曝氣壓力太低會導(dǎo)致水中溶解氧濃度較低，影響生物膜中微生物的代謝活動，曝氣壓力太高會導(dǎo)致生物膜脫落〔39〕。E.CASEY 等〔40〕研究發(fā)現(xiàn)不同的曝氣壓力會影響生物膜中微生物的活性，從而影響污水的處理效果。Peng LI 等〔41〕研究發(fā)現(xiàn)曝氣壓力過低會導(dǎo)致膜污染而曝氣壓力過高則可能會使生物膜在載體上附著不牢而脫落。

3.2 液相流速

液相流速影響著MABR 的各個階段。在掛膜階段，應(yīng)降低液相流速，避免因流速產(chǎn)生的水流剪切力沖散生物膜，在運(yùn)行階段，應(yīng)適當(dāng)提高液相流速以提高污水和生物膜的接觸量，提高對溶解氧的利用，但液相流速過高會導(dǎo)致生物膜生長過厚或生物膜被沖落而影響對污水的處理效果。Xin WEI 等〔42〕構(gòu)建一種特殊的MABR（即膜組件是將中空纖維膜纏繞在實心芯上，可使污水流向與中空纖維膜垂直），發(fā)現(xiàn)液相流速從0.02 m∕s 增加到0.05 m∕s 時，TN 的去除率從47%提高到64%，表明液相流速是影響脫氮的關(guān)鍵因素之一。這可能是因為液相流速的提高增強(qiáng)了硝化細(xì)菌對氧的有效競爭，從而提高了硝化反應(yīng)氨氧化階段的效率，較高的液相流速也為短程硝化反硝化提供了一個理想條件〔43〕（亞硝酸鹽濃度較高，溶解氧較低，COD 濃度較高），促進(jìn)了反應(yīng)器短程硝化反硝化的建立，提高了TN 的去除率。E.CASEY 等〔40〕發(fā)現(xiàn)生物膜實際厚度取決于液相流速。

3.3 碳氮比

碳氮比會影響異養(yǎng)菌與硝化細(xì)菌對溶解氧的競爭從而影響氨氧化階段的進(jìn)行。Huijun LIU 等〔44〕發(fā)現(xiàn)最佳碳氮比為5。此時，COD 去除率達(dá)到85%，氨氮去除率達(dá)到96%。隨著碳氮比的增加，過量的異養(yǎng)菌對硝化細(xì)菌的活性有很大的抑制作用，導(dǎo)致硝化過程較差，COD 去除率降到80%，而氨氮去除率降到40%。孫浩翔等〔45〕采用MABR 處理養(yǎng)殖廢水時發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合液的碳氮比為5∶1 時，MABR 能較好地實現(xiàn)同步硝化反硝化反應(yīng)，此時對NH4+-N 和TN 平均去除率分別為98.86%和55.21%。張燕偉等〔46〕以市政污水為研究對象，應(yīng)用MABR 技術(shù)探討同步硝化反硝化（SND）過程的構(gòu)建及其在不同低碳氮比下運(yùn)行的特點，在碳氮比為6.3～8.0 時，成功實現(xiàn)了穩(wěn)定的SND 工藝，SND 率達(dá)87.48%，且不存在亞硝酸型硝化；當(dāng)碳氮比由4.4 降至2.3 時，平均SND 率由87.34%降至84.53%；碳氮比降低對生物膜與菌群多樣性影響較小，對優(yōu)勢屬種類影響較大。

3.4 pH

在MABR 中硝化反應(yīng)會使液相的pH 降低，而適宜硝化細(xì)菌生長的pH 為7.0～7.5，適宜反硝化細(xì)菌生長的pH 為6.5～7.5。吳座棟〔47〕設(shè)置進(jìn)水pH 梯度為5、6、7、8、9，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH=8 時，COD、氨氮、總氮的去除率達(dá)到最佳，去除率分別為90.6%、90.2%、85.0%。Changqing CAO 等〔48〕所作的實驗表明當(dāng)pH為7.5 時，MABR 對NOx--N 和COD 有較高的去除率，去除率分別為99%和93%。這是因為生物膜中的微生物大多數(shù)在偏堿性的條件下活性較高。

4 MABR 國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 國內(nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

我國自20 世紀(jì)90 年代以來先后開展了膜生物膜反應(yīng)器的研究，國內(nèi)MABR 研究現(xiàn)狀見表4。

表4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀Table 4 Research on MABR in China

國內(nèi)MABR 的起步較晚，研究方向主要分為以下三個方面：

（1）在水處理對象方面的研究。在處理污水方面，MABR 的處理對象逐步從生活污水?dāng)U展到化工廢水、養(yǎng)殖廢水、合成橡膠廢水等。如張雨辰〔29〕利用MABR 處理生活污水，COD、NH4+-N、總氮去除率分別為92.2%、90.9%、82.7%。張慧敏等〔49〕構(gòu)建MABR 處理化工廢水，COD 去除率為94.4%。孫浩翔等〔45〕采用MABR 處理養(yǎng)殖廢水，COD、NH4+-N 和總氮去除率分別為83.96%、37.56%和38.29%。胡亮等〔51〕構(gòu)建MABR處理合成橡膠廢水，COD 和NH4+-N 的去除率分別為90.6%和97.8%。

（2）在生物膜菌群方面的研究。全曉〔52〕利用MABR 處理市政反滲透濃水，發(fā)現(xiàn)Proteobacteria（變形菌門，豐度為41.5%）和Actinobacteria（放線菌門，豐度為2.54%）分別為生物膜中的優(yōu)勢門類和次要優(yōu)勢門類，而很多與硝化相關(guān)的菌群隸屬于Proteobacteria，很多與反硝化相關(guān)的菌群隸屬于Actinobacteria。這說明MABR 生物膜中可實現(xiàn)較高的硝化反硝化效率。Yiwen LIU 等〔54〕在MABR 中培養(yǎng)氨氧化古菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）時發(fā)現(xiàn)AOA-MABR 的TN 去除率通常比AOB-MABR 高5%，這意味著AOA-MABR 系統(tǒng)中的供氧可被切斷5%，同時仍能達(dá)到與AOBMABR系統(tǒng)相同的TN去除率，可使整個廢水處理裝置每年節(jié)省大量的運(yùn)行費(fèi)用（即2%～3%）。Huijun LIU等〔44〕通過對不同COD∕N 下生物膜的研究分析表明，COD∕N 為0 時亞硝基單胞菌、亞硝基螺菌和硝基螺菌在生物膜中形成了重要的硝化菌群，而COD∕N在5時，亞硝基螺菌和硝基螺菌成為硝化作用的主要菌種。

（3）在工藝組合方面的研究。MABR 可采用多級MABR 系統(tǒng)即由2 個或2 個以上MABR 反應(yīng)器構(gòu)建污水處理裝置。如Hailong TIAN 等〔2〕采用兩級式MABR 處理高濃度鄰氨基苯酚（OAP）廢水，一級MABR 用于去除OAP，二級MABR 用于深度處理廢水中的氮污染物。結(jié)果表明鄰氨基苯酚的去除率為99%，COD 去除率達(dá)到88.4%～90.9%，總氮的去除率為90.5%。Meichao LAN 等〔28〕采用 三級MABR 系統(tǒng)處理煤化工反滲透濃縮液（ROC），在實驗中將MABR串聯(lián)并控制各個MABR 中DO 的濃度以控制生物膜的優(yōu)勢菌群。在一級MABR 中DO 約為0.5 mg∕L，主要為了培養(yǎng)厭氧細(xì)菌，厭氧細(xì)菌可以降解大分子有機(jī)物以提高ROC 的生物降解性，同時利用反硝化反應(yīng)去除部分NO2--N 和NO3--N。在二級MABR 中DO維持在2～4 mg∕L，有利于好氧菌的生長，主要作用是降低廢水中的NH4+-N 和COD。在三級MABR 中將DO 維持在1～2 mg∕L，進(jìn)一步去除殘余的碳和氮污染物。最終COD、氨氮、總氮的去除率分別為81%、92%、71%。MABR 也可與其他工藝耦合以提高對污水的處理效果。如陳晴等〔53〕構(gòu)建ABR-MABR（厭氧折流板反應(yīng)器-膜曝氣生物膜反應(yīng)器）裝置處理畜禽養(yǎng)殖廢水，耦合反應(yīng)器對COD、NH4+-N 的去除率分別可達(dá)89%、60%。趙麗等〔55〕利用AMBR-MABR（厭氧遷移式污泥床反應(yīng)器-無泡中空纖維膜生物反應(yīng)器）裝置處理畜禽養(yǎng)殖廢水，COD、NH4+-N 和總氮去除率分別為83.96%、37.56%和38.29%。

國內(nèi)MABR 發(fā)展較晚，工程應(yīng)用案例較少，2019年在浙江省某地農(nóng)村建設(shè)了以MABR為主要工藝的污水處理廠〔56〕，主要處理農(nóng)村生活污水。生活污水處理量在20～35 m3∕d，水量變化系數(shù)大，出水COD 穩(wěn)定在40 mg∕L以下，氨氮質(zhì)量濃度穩(wěn)定在10 mg∕L以下。

4.2 國外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

國外MABR 研究見表5。

表5 國外部分MABR 研究現(xiàn)狀Table 5 Partial research on MABR in overseas

國外研究方向與國內(nèi)相似，但也不是完全相同，具體可分為以下三個方面：

（1）在水處理對象方面的研究。在國外，MABR被用來處理多種類型的污水，如B.TASKAN 等〔1〕利用MABR 處理含高濃度四環(huán)素的藥物廢水，四環(huán)素去除率最高可達(dá)63%。E.SYRON 等〔11〕用MABR 處理垃圾滲濾液，COD 去除率為20%～50%，氨氮去除率為80%～99%。N.H.S.M.PREMARATHNA 等〔59〕利用MABR 處理生活污水，TN 的最大去除效率為68.63%，COD 去除率始終在90.2%以上。

（2）在生物膜菌群方面的研究。M.AYBAR等〔60〕研究了MABR 生物膜中微生物的捕食行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)原生動物在生物膜之內(nèi)時，在生物膜的底部有很大的連續(xù)空隙，這可能會影響氧傳質(zhì)效果，同時原生動物的捕食行為也會影響生物膜中的菌種結(jié)構(gòu)。A.CELIK 等〔61〕利用MABR 為抗生素降解菌提供適宜的環(huán)境，生物膜群落由細(xì)菌環(huán)境樣品、b-蛋白細(xì)菌、CFB 群細(xì)菌、g-蛋白細(xì)菌、d-蛋白細(xì)菌和a-蛋白細(xì)菌組成，研究表明MABR 對土霉素最高去除率為46%。

（3）在高效脫氮方面的研究。A.V.ACEVEDO等〔62〕研究發(fā)現(xiàn)在30 ℃，生物膜厚度為0.5 mm 時，MABR 表現(xiàn)出對氮的較高的去除率，當(dāng)溫度降低時，必須增加生物膜厚度才能達(dá)到相同的效果。同時研究發(fā)現(xiàn)縱向氧濃度梯度對高效脫氮的影響要大于污染 物濃度梯度。M.R.AUGUSTO 等〔63〕采用 厭氧氨氧化和部分硝化進(jìn)行脫氮，構(gòu)建2 個MABR，MABR-1 氮負(fù)荷率為50 g∕（m3·d），MABR-2 氮負(fù)荷率為100 g∕（m3·d），在MABR建立80d后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。MABR-1 平均TN 去除率為（78±6）%，最大去除率為84%。MABR-2 平均TN 去除率為（61±5）%，最大去除率為69%。研究表明較高的溶解氧水平可能導(dǎo)致MABR-2 微生物群落的不平衡，從而導(dǎo)致反應(yīng)器性能的下降。這些反映了MABR 中能夠快速進(jìn)行部分硝化脫氮。M.CASTRILLO 等〔10〕研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)MABR膜結(jié)構(gòu)更為緊湊時，其脫氮能力高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的MABR。這種差異在低流速（1 m∕h）時不是很顯著，當(dāng)流速大于10 m∕h 這種差異將變得十分顯著。

MABR 技術(shù)在國外發(fā)展較為迅速，如以色列Emefcy 公司于2016 年在以色列HaYogev 建立第一個市政規(guī)模的商用MABR 污水處理廠。該污水處理廠通過MABR 處理一部分高濃度氨氮廢水，使出水氮污染物實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。此外，Emefcy 公司目前在美國圣托馬斯島、米克利大學(xué)醫(yī)院、埃塞俄比亞等地也建有MABR 污水處理廠。

由此可見，國內(nèi)多注重MABR 對污水的深度處理和工藝組合的研究，國外側(cè)重于MABR 脫氮效能及生物膜菌種的理論研究。國內(nèi)外MABR 雖有少量工程應(yīng)用但規(guī)模并不大，有待于進(jìn)一步拓展。

5 結(jié)語

MABR 因具有傳質(zhì)效率高、無泡曝氣、動力消耗小、硝化反硝化一體化等優(yōu)點，逐漸受到水污染治理領(lǐng)域的關(guān)注。現(xiàn)階段科研人員主要在運(yùn)行機(jī)制、工藝優(yōu)化與技術(shù)應(yīng)用等環(huán)節(jié)對MABR 開展了大量研究，從整體上看相關(guān)研究與應(yīng)用多處于實驗室階段，而且尚未形成系統(tǒng)的理論體系。欲推進(jìn)MABR 工程化應(yīng)用，還需進(jìn)一步探清溶解氧濃度、污染物濃度以及液相流速等參數(shù)對MABR 效能的影響；尋找價格低廉、性能優(yōu)越的新型膜材料或改進(jìn)現(xiàn)有膜材料以及探究膜污染和污染物降解機(jī)理，進(jìn)而推動未來MABR 在廢水深度脫氮處理領(lǐng)域的快速發(fā)展。