何志琴，陳盛，李云*

1.中國環(huán)境科學研究院

2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農業(yè)農村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術中心

隨著社會生產力與經(jīng)濟水平的發(fā)展，我國廣大農村地區(qū)正朝著現(xiàn)代化的方向前進，農村居民的生活物質條件越來越好，日常資源消耗量也越來越大，也由此帶來了一些環(huán)境問題。目前我國農村生活污水治理水平偏低，與農村生態(tài)環(huán)境質量改善和扎實推進美麗宜居鄉(xiāng)村建設目標仍有較大差距[1]，需要因地制宜地進行農村生活污水治理。膜生物反應器（MBR）具有占地面積小、易安裝、出水水質好等優(yōu)點，在農村生活污水處理中頗受關注。因此，筆者對MBR 技術在農村生活污水處理中的應用、MBR 膜污染控制以及能耗優(yōu)化等方面進行了綜述，以期為農村生活污水治理技術選擇提供參考。

1 農村生活污水特點

農村生活污水，一般包括廁所糞污和洗浴、洗衣、廚房等排放的污水[2]，根據(jù)來源可分為黑水和灰水。黑水來自廁所，包括水、尿液、糞便等，包含大部分的有機負荷[3]；灰水來自洗浴、洗衣、廚房等，污染物濃度較低[2]?；宜呐欧帕看笥诤谒甗4]。我國許多地區(qū)農村生活污水是黑水和灰水混合處理的，如我國南方地區(qū)農村，混合處理忽略了黑水與灰水的差異，造成能源和資源的浪費[5]。北方地區(qū)廁所改造后糞污進入化糞池處理并進行綜合利用，而灰水一般單獨處理。這種分質處理方式有助于最大程度地實現(xiàn)污水資源化利用。黑水與灰水的化學組成及其在生活污水中的占比見表1。

表1 生活污水中污染物來源及組成[6]Table 1 Sources and composition of pollutants in domestic wastewater

2 農村生活污水處理現(xiàn)狀及問題

農村生活污水的處理包括集中處理與分散處理。集中處理適用于距離城市較近的經(jīng)濟較為發(fā)達的村莊，或者人口集聚程度高的村莊，污水可收集后接入城市管網(wǎng)系統(tǒng)處理，或者建設集中污水處理設施處理；而居住較為分散、偏僻，或經(jīng)濟不夠發(fā)達的地區(qū)一般采用分散處理方式。

農村生活污水處理技術主要有人工濕地、土地處理系統(tǒng)、厭氧沼氣池、生物濾池、A/O、A2O、膜生物反應器以及基于各類工藝的一體化處理裝置等。其中，人工濕地運行管理方便，投資費用小，但是其應用易受地域氣候特點的限制，尤其是在北方寒冷地區(qū)，且占地面積較大，對于總氮（TN）的去除效率也較低[7]。土地處理系統(tǒng)的優(yōu)點包括投資費用低、運行操作簡單及能耗較低，但存在脫氮效率欠佳的缺點，容易污染地下水[8]。厭氧沼氣池具有操作簡單、資源利用率高的優(yōu)點，但是其出水指標相對較低[9]。生物濾池是對傳統(tǒng)生物濾池的改進，具有占地面積小、耐沖擊負荷能力強及運行成本低的優(yōu)點[10]，但其長時間運營易出現(xiàn)濾池堵塞等問題[11]。A/O、A2O工藝投資費用較少、水力停留時間（HRT）短、不易產生污泥膨脹，尤其是具有良好的脫氮除磷效果[12]，但也存在含有硝酸鹽的回流污泥影響除磷效果等不足。一體化處理裝置具有運輸方便、現(xiàn)場安裝操作簡單及占地面積較小等優(yōu)點[13]，但存在投資及運行維護費用偏高，出現(xiàn)故障后不易檢修的不足。

MBR 由于具有占地面積小、生化效率高和出水水質好等優(yōu)點，在污水處理領域有著廣泛、良好的應用[14]。MBR 技術與傳統(tǒng)活性污泥法最大的區(qū)別是用膜組件代替固液分離工藝及相關的構筑物，在節(jié)省面積的同時提升固液分離效率。根據(jù)膜組件安裝位置的不同，可將MBR 分為外置式、內置式和復合式3 種；根據(jù)是否需要進行曝氣，可將其分為好氧型和厭氧型；根據(jù)膜材料的不同，又將其分為微濾膜MBR、超濾膜MBR 等[15]。

3 MBR 技術在農村生活污水處理中的應用

3.1 國內研究進展

國內采用MBR 技術處理農村生活污水的應用并不多。裴亮等[16]采用一體化MBR 處理進水COD 波動較大的農村生活污水，HRT 為5～6 h，整套裝置由PLC 自動控制系統(tǒng)控制，在水溫＞22 ℃、溶解氧(DO)濃度＞3.4 mg/L、pH 為6～9 的條件下，COD 出水穩(wěn)定在19～31 mg/L，對BOD5、NH3-N 及濁度的去除率達到95%以上。謝晴等[17]在傳統(tǒng)A2O-MBR 上集成超聲波在線膜清洗技術、PLC 自動控制、以太網(wǎng)遠程控制以及改性超濾膜等功能（圖1），對農村生活污水進行處理，經(jīng)過半年的運行監(jiān)測，各污染物指標均達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。張文藝等[18]采用移動床生物膜-A2O/MBR 對農村生活污水進行處理，采用Lawrence-McCarty 模型構建污染物降解動力學方程，并通過試驗確定最佳HRT 為1.25 d，系統(tǒng)對CODCr、NH3-N、TN 的去除率均較好，但TP 出水濃度僅達到GB 18918—2002 一級B 標準。付麗霞等[19]采用水解酸化-接觸氧化-MBR 一體化裝置對某農村生活污水進行處理，MBR 以恒壓方式運行，采用逐步提高進水負荷的方式成功啟動反應系統(tǒng)，經(jīng)90 d 的穩(wěn)定運行，出水COD、NH3-N、SS 及TP 濃度均達到DB13/ 2171—2020《農村生活污水排放標準》一級A 標準和GB 18918—2002 一級A 標準。楊衛(wèi)等[20]采用倒置A2O-MBR 一體化裝置處理農村生活污水，通過調節(jié)缺氧區(qū)和厭氧區(qū)的進水量以及控制污泥齡的方式提高了裝置脫氮除磷效果，對COD、BOD5、NH3-N 及SS 均實現(xiàn)了90%以上的去除率，對TN 和TP 去除率分別為71%和88%。唐舒雯等[21]采用陶瓷膜生物反應器（C-MBR）對模擬生活污水進行處理，通過改變回流比、DO 濃度及HRT等運行條件，顯著提高了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來強化除磷效果，結果表明，在水力負荷為0.33 m3/(m3·d)的條件下，TP 去除率可達90.90%。

圖1 MBR 一體化處理設備[17]Fig.1 MBR integrated processing equipment[17]

國內關于MBR 技術應用于農村生活污水分質處理的研究還較少，張燕燕等[22]以家庭沖廁回用為目的，使用MBR 對灰水進行處理，冬春兩季，在HRT 為2.5～3 h，混合液懸浮固體濃度（MLSS）為3 500～4 500 mg/L 的條件下，出水濁度低于0.3 NTU，NH3-N 濃度、BOD5、COD 分別為4.0、3、40 mg/L，而夏季出水COD 一般低于20 mg/L。經(jīng)MBR 處理過的灰水均可回用于家庭沖廁。張靜等[23]針對黑水中污染物濃度偏高，碳、氮、磷比例失調等問題，采用倒置A2O-MBR 技術進行處理，結果表明，在春冬兩季若要達到與夏季相近的處理效果則需要更長的HRT；中高溫條件下若不外加碳源，COD、NH3-N 和TN 難以達到排放標準；在HRT 為31 h，不外加碳源的情況下系統(tǒng)對部分污染物的降解效果不佳，投加外部碳源后，COD、NH3-N、TN 和磷酸鹽的去除率有所上升，但TN 仍然不能達到GB 18918—2002 一級排放標準。

表2 列出了以上幾項MBR 技術處理混合農村生活污水效果的對比。由表2 可知，盡管農村生活污水進水水質波動較大，MBR 技術仍能發(fā)揮穩(wěn)定的去除作用。膜能夠將微生物截留在反應器內，使得世代時間較長的硝化細菌、反硝化細菌及其他降解有機物的微生物得到最大限度的增長，同時，由于MBR 耐沖擊負荷能力強，系統(tǒng)對COD、BOD、氨氮以及SS 均有良好的去除效果，出水普遍能夠達到GB 18918—2002 一級A 標準。但對于TN 及TP 的處理效果隨工藝的不同而有較大差異，尤其是對TP，生化過程往往無法滿足除磷要求，主要是因為污泥齡較長時，富磷污泥不能及時排出，導致系統(tǒng)中磷逐漸累積[24]。此外，脫氮階段的反硝化過程消耗了較多碳源，導致聚磷菌除磷過程中缺乏碳源，硝酸鹽對聚磷菌釋磷也產生一定影響。所以，MBR 一般需要與投加化學藥劑、控制污泥齡等過程聯(lián)用來達到除磷效果。對比MBR 對灰水、黑水和混合生活污水的處理效果可知，其更適用于灰水和混合生活污水，若用于黑水處理，則建議投加外部碳源，并采用化學方法輔助除磷。

表2 國內MBR 處理農村生活污水效果對比Table 2 Comparison of domestic MBR treatment effect of rural domestic wastewater

3.2 國外研究進展

國外采用MBR 技術處理分散生活污水的應用較為廣泛。Fountoulakis 等[25]使用SMBR 處理希臘克里特島一個獨戶住宅的真實灰水，系統(tǒng)由生物反應器和平板膜組成，在膜模塊基部進行曝氣。9 個月的運行結果顯示，出水COD 平均約為60 mg/L。約旦哈姆西大學使用SMBR 處理某實際灰水的研究結果顯示，COD 從356 mg/L 降至42 mg/L[26]。西班牙某建筑公司使用MBR 處理實際灰水，COD 從302 mg/L 降至29 mg/L[27]；TN 濃度和去除率出現(xiàn)季節(jié)性變化，冬季較低；陰離子表面活性劑濃度低至8 mg/L，去除效果較為理想。Bani-Melhem 等[28]采用電絮凝-浸沒式膜生物反應器（EC-SMBR）組合工藝對灰水進行處理，并用無電凝聚的SMBR 進行對照，結果表明：EC-SMBR 可使膜過濾性能提升20%，原因是電凝作用使得小顆粒絮凝體尺寸增大，從而減輕了膜污染；EC-SMBR 系統(tǒng)中，膜污染的凝結層阻力降低，從而減緩了凝膠層的形成速度，增大了膜通量，提升了灰水處理效率。Liberman 等[29]采用MBR 技術處理某體育中心洗浴灰水，運行時間超過1 年。由于洗浴灰水中有機負荷較低，導致系統(tǒng)中生物質的積累非常緩慢，盡管如此，MBR 仍可在相對較低的MLSS 水平下達到較高的處理效率。且由于MLSS 較低，MBR 無需反沖洗或化學清洗即可進行長期運行。Palmarin 等[30]比較了一種新型的混合膜生物反應器（HMBR）與傳統(tǒng)MBR 對家庭灰水的處理效果，HMBR 與傳統(tǒng)MBR 的區(qū)別在于HMBR 包含移動床介質，而傳統(tǒng)MBR 只包含活性污泥。由于HMBR 中生物膜的存在，同步硝化反硝化過程被增強，HMBR 的TN 和NH3-N 去除率平均提高了8%和5%。

對以上研究進行對比分析(表3)可以看出，MBR 技術對分散生活污水的處理能達到較高的效率，有機物及懸浮物去除效果良好，對陰離子表面活性劑也表現(xiàn)出優(yōu)異的去除性能。相比于混合生活污水，MBR 對灰水中的TSS 去除效果更好，去除率可達100%，且由于灰水中不含廁所糞污，大腸菌群含量較低，MBR 對灰水中大腸菌群的處理效率也相對更高?？偟膩碚f，MBR 對混合生活污水與灰水均表現(xiàn)出良好的處理效果，但對灰水的處理更勝一籌。

表3 國外MBR 處理生活污水效果對比Table 3 Comparison of MBR treatment effect of domestic wastewater abroad

相比于城市，農村地區(qū)居民居住較為分散，因此可借鑒國外采用MBR 處理分散生活污水的成功案例對我國農村生活污水進行處理。值得注意的是，MBR 技術在較低溫度下對TN 的去除率會有所下降，膜組件的污染狀況也會更嚴重，所以在實際應用過程中需要注意對MBR 做好保溫防寒措施，尤其是我國北方農村地區(qū)。MBR 技術應用于農村生活污水時除降低污染物濃度外，還要關注膜污染狀況，在保證處理效率的前提下減輕膜污染程度，這也是當前MBR 研究的一個熱點問題。

4 膜污染控制

4.1 膜污染機理

MBR 在運行過程中會出現(xiàn)膜通量下降、膜分離阻力增加以及膜分離特性改變等問題[13]。造成膜污染的機理主要有2 個方面：1）在運行過程中，活性污泥中的微小粒子、膠團或者某些溶質分子吸附在膜表面，或是因為濃差級化使得溶質在膜表面超過其溶解度，從而形成濾餅層，最終導致膜孔堵塞造成膜污染；2）由于物理作用而引起膜的內外表面吸附、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜通量減小造成膜污染[31]?；钚晕勰嘀形⑸锂a生的大量溶解性產物，是殘留有機物的重要組成部分，也是造成MBR 膜污染的主要原因之一[32]。

在MBR 中，一般認為膜的主要污染源是生物質。Ding 等[33]發(fā)現(xiàn)，在低DO 濃度條件下，膜表面積累了更多的生物質，從而導致產生的生物污染層更厚，包含更多的生物聚合物和EPS，使得膜的穩(wěn)定通量變低。同樣，Kim 等[34]發(fā)現(xiàn)，在低DO 濃度的MBR 中，較高的EPS 含量和較低的生物膜孔隙率是導致膜污染加重的關鍵因素。李亞峰等[35]研究發(fā)現(xiàn)，水質水量的波動也會影響EPS 的產生，進水負荷的變化會導致細胞分泌更多的EPS；而王璐[36]發(fā)現(xiàn)碳氮比越低，EPS 總量越高。農村生活污水具有低碳氮比、早晚水量波動較大的特點，因此會產生相對較多的EPS，從而加劇MBR 的膜污染狀況。Yin等[37]開發(fā)了一種新型的自發(fā)電場-MBR（SEF-MBR）系統(tǒng)（圖2）來緩解膜污染，并研究了電場作用下濾餅層的生長過程。結果表明，相比于普通商用聚偏氟乙烯（PVDF）膜〔圖3(a)〕，Cu-納米線（Cu-NWs）導電微濾膜〔圖3(b)〕中銅的抗菌性能、體系中的電場力以及氧化劑的原位降解的協(xié)同效應減輕了膜污染。在電場存在的情況下，膜表面濾餅層的形成與變化可分為3 個階段：首先，多糖和蛋白質沉積在膜表面，細胞嵌入EPS 基質形成簇；之后，EPS 和細胞總數(shù)進一步增加，導致生物體積增長速度加快；最后，生物體積和濾餅層厚度的生長速率下降，自發(fā)電場延遲了EPS 在膜表面的沉積，產生的H2O2和·OH 有利于有機物的降解，使膜表面的污染物體積變小。

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

圖3 普通PVDF 膜和Cu-NWs 導電微濾膜膜污染對比[37]Fig.3 Comparison of membrane fouling between ordinary PVDF membrane and Cu-NWs conductive microfiltration membrane[37]

4.2 膜材料選擇

有機聚合物材料如聚砜（PSF）、PVDF、聚丙烯（PP）等由于價格低廉，膜的制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式較為多樣等優(yōu)勢，在MBR 中應用較為廣泛。PSF 膜具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，耐輻射，機械強度較高，但是親水性及抗菌性較差，且不耐污染。PP 化學穩(wěn)定性好，耐酸、堿和有機溶劑，價格便宜，但孔徑范圍分布寬，在處理污水時存在使用壽命不長、膜容易破壞等不足。相比較而言，PVDF 膜的制備方法簡單、價格便宜，不僅化學穩(wěn)定性好、耐高溫且具有良好的抗菌性能，機械性能強，還具有高耐磨性，易于加工使用等優(yōu)勢[38]。

納米材料由于具有超親水性及抑菌性等優(yōu)異性能，是目前國際上聚合物膜研究中重要的新型改性劑[39-40]，可使用摻雜的方式用納米材料親水改性PVDF 膜制備得到復合膜，這種復合膜具有優(yōu)異的親水性、抑菌性和抗污染等性能，近年來受到越來越多的關注。

Ni 等[41]采用可見光催化劑CdS/MIL-101(Cr)對PVDF 膜進行改性，通過水下可見光照射，CdS/MIL-101 復合光催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的可見光催化性能，使EPS 被有效降解，對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均表現(xiàn)出顯著的抗生物效果，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑制率分別為92%、95%，成功在厭氧氨氧化MBR 中實現(xiàn)了原位控制膜污染。Zhang等[42]使用碳納米球（CNS）摻雜改性PVDF 制備得到混合基質膜（MMMs），并用于MBR 中提高膜的抗污染性。結果表明，MMMs 膜的親水性顯著提高，孔隙率明顯降低，混合基質膜在MBR 運行中清洗的次數(shù)大大減少，由于CNS 與污染物的排斥作用以及MMMs膜親水性的提高，MMMs 膜的抗污染性能明顯提高。Li 等[43]將氧化石墨烯-納米銀（GO-Ag）復合材料用于摻雜改性PVDF 制備得到復合抑菌膜（圖4），與原膜相比，復合抑菌膜的接觸角降低，純水通量顯著增加。由于復合抑菌膜表面釋放出納米銀，其對大腸桿菌表現(xiàn)出良好的抑制效果，能顯著防止細菌黏附于膜表面及抑制生物膜的形成。

圖4 GO-Ag 摻雜改性PVDF 膜示意[43]Fig.4 Schematic diagram of GO-Ag doped PVDF film[43]

總的來說，選用合適的納米材料對PVDF 膜進行親水改性，不僅可以提高膜的親水性、透水性以及抗污染性能，還可以抑制微生物的生長。

4.3 技術工藝優(yōu)化

褚文瑋等[44]以天津某高校A2O-MBR 污水處理站作為工程案例，通過試驗確定了該校園污水處理站的MBR 膜污染調控方案：污泥齡（SRT）控制在25～35 d，最佳氣水比為18∶1，間歇出水抽停比為8∶2（產水泵運行8 min，停止2 min）。通常情況下，MBR 膜組件清洗周期為3 個月，根據(jù)膜壓差選擇藥劑清洗方式，使MBR 膜組件通量恢復效果較好。Mitra 等[45]使用新型空氣噴射器(圖5)與SMBR耦合來處理實際生活污水，并與擴散器裝置進行對比。結果表明，耦合系統(tǒng)在總氧轉移速率、膜污染控制和總廢水處理方面非常有效，與擴散器曝氣相比，噴射器曝氣在清潔水和廢水中具有更高的氧轉移速率；相同條件下，噴射器MBR 膜污染速率更小，對COD 的去除率更高；對于小規(guī)模處理過程，噴射器的能量需求明顯高于擴散器(約4.6 W)；在較高的空氣流速(12.5 L/min)下，擴散器的標準曝氣效率（SAE）〔0.49 kg/(kW·h)〕低于噴射器〔0.65 kg/(kW·h)〕，這表明噴射器相對于擴散器在單位能量輸入下提供氧氣的效率更高。

圖5 帶有空氣噴射適配器的噴射器示意[45]Fig.5 Schematic diagram of the eductor with air injection adapter[45]

5 能耗優(yōu)化研究進展

MBR 應用于農村生活污水的另一個限制因素是能耗問題，農村地區(qū)經(jīng)濟水平發(fā)展相對來說較為落后，因此，做好節(jié)能降耗工作有利于其在農村地區(qū)的推廣應用。研究表明，MBR 在處理生活污水時能耗一般為0.64～6.10 kW·h/m3[28]，隨著處理規(guī)模的增大單位水量能耗會降低，處理水量為200～600 L/d的MBR 系統(tǒng)，其能耗為3～6 kW·h/m3，而處理水量為1 300～2 000 L/d 的MBR，其能耗則為1.4～3.8 kW·h/m3[46]。若以我國工業(yè)平時段的電價0.725元/(kW·h)來計算，處理每噸水需要0.46～4.42 元，費用較高。曝氣占MBR 工藝能耗的75%，所以從控制曝氣入手可以有效優(yōu)化其整體能耗，降低MBR 的運行成本，促進MBR 的大規(guī)模應用。

Atanasova 等[46]應用MBR 來處理某酒店分離的淋浴灰水，系統(tǒng)運行時長為6 個月，采用ZW-10 浸沒式超濾中空纖維膜組件。結果顯示，通過使用空氣沖刷控制系統(tǒng)，曝氣流量從3.5 m3/h 優(yōu)化至0.5 m3/h，成功降低了能耗，且減少了水中病原體的量，解決了灰水水質波動帶來的問題，COD 平均去除率達90%，其中易生物降解COD 去除率達到51%，高于Hocaoglu 等[47]報道的29.3%。黃文佳等[48]以MBR 膜池鼓風機曝氣系統(tǒng)為基礎，分析MBR 膜池工藝需求和曝氣系統(tǒng)能耗變化，使用高次多項式擬合鼓風機參數(shù)變化曲線，求得不同曝氣工況下膜池鼓風機的能耗范圍；根據(jù)最優(yōu)控制原則，對膜池鼓風機控制系統(tǒng)進行自控改造；改造后系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，日均節(jié)電16%左右。葉亮等[49]通過控制膜池MLSS、離線清洗與膜池底部清淤相結合、曝氣系統(tǒng)改造3 種措施對MBR 進行優(yōu)化。結果表明，控制膜池MLSS 為6 000～9 000 mg/L，對膜池進行徹底清淤，有利于減緩膜污染程度，提高產水量并降低膜擦洗風量。結合后續(xù)曝氣系統(tǒng)改造應用，MBR 總曝氣量大幅下降，2017 年電耗年均值僅為0.42 kW·h/m3，較2016 年降低17.7%；優(yōu)化后在線清洗次氯酸鈉用量可降至232.14 g/m2，較優(yōu)化前降低18.75%。

6 結語

目前，農村生活污水的處理主要存在以下幾個問題：由于農村地區(qū)自身的特點和居民的用水習慣，灰水水質波動較大，導致難以選擇合適的處理系統(tǒng)；農村生活污水一般具有有機污染物及病原微生物濃度較高的特點，且在生物處理過程中往往會出現(xiàn)碳源不足的情況。MBR 系統(tǒng)在農村生活污水的處理中具有良好的應用前景，但是膜污染和成本問題制約其在農村生活污水處理中的應用，由于膜的使用壽命而帶來的高運行費用，以及對運行管理具有一定技術要求等也對其在農村地區(qū)的使用帶來限制。

未來，MBR 技術在農村生活污水處理方面的研究可從以下2 個方面做進一步探索：1）加強對膜污染控制的研究。MBR 系統(tǒng)的膜污染問題是近年來的研究熱點，可從電場輔助MBR 控制膜污染、膜改性等方面入手進行進一步探究。電場輔助MBR 控制膜污染可從優(yōu)化反應器結構參數(shù)出發(fā)，探索最佳的自發(fā)電場強度，促進其在實際污水處理中的應用；膜改性可加強采用無機納米材料對PVDF 膜進行親水改性的研究，尋找更為合適的材料進行摻雜，在減輕膜污染的同時節(jié)能降耗。2）研發(fā)兼具處理效率高、成本費用低及運行維護管理簡單的MBR 集成工藝，促進MBR 在廣大農村地區(qū)的使用。