图1 近20年膜曝气生物膜反应器发表论文数量

概括

膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种新型的生物废水处理技术。 具有氧传质效率高、底物氧传质各向异性的特点。 可有效对废水进行反硝化，节约能源，减少污泥量。 在文化等方面优势明显，近年来备受关注。 在过去20年的研究中，一系列研究工作对影响MABR运行效果的气体传质、物质传递、微生物群落结构等因素进行了深入探索。 在过程控制与优化、反应器设计与改进、脱硝工艺模型、开发与模拟等方面都取得了较大进展和突破。 随着膜材料的不断改进和综合应用，MABR技术具有良好的工程实践前景。

01 膜材料的开发及曝气性能的提高

1、无泡曝气的优点

传统鼓风曝气活性污泥工艺中，40%~60%的能耗用于曝气，但只有5%~25%的氧气可以转移到水中，剩余的气体会以气泡进入大气。 MABR系统采用疏水性膜材料进行曝气。 由于膜内外氧分压的差异，氧气通过膜扩散并直接到达生物膜。 在MABR中，氧气转移到生物膜表面时不需要穿过液相边界层，传质阻力变小，氧气传质速率（OTR）也提高。 而且MABR中气体的氧分压不受液相深度的影响，即使在浅水中也能保持较大的氧浓度梯度。 与传统曝气相比，膜曝气不产生气泡，因此通过膜扩散的氧气可以被生物膜完全利用，氧传递效率（OTE）可达100%，显着节省能源消耗。 同时，由于MABR的气相和液相是物理分离的，膜曝气系统可以有效分离曝气和混合功能。 结合无泡曝气的氧气利用率高，只需调节氧分压即可达到准确的结果。 控制供氧不仅可以避免气体浪费，还可以间接控制氧气在生物膜中的渗透深度，为各种耦合过程创造独特的供氧条件。

2、膜材料及膜组件的发展与进展

开发低成本、高效膜​​材料对于MABR的推广应用至关重要。 评价膜材料的指标包括传质阻力、泡点压力、生物亲和力等。MABR膜材料分为微孔膜和致密膜。 微孔膜由聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等疏水性材料制成，氧分子通过微孔传递； 致密膜由硅胶等致密材料制成，氧气直接通过分子扩散。 膜。 目前膜材料的研发主要以提高稳定性、氧传质能力和生物亲和力为目标，并在微孔膜和致密膜的基础上开发了一些新形式。 例如，处理高浓度废水时，需要较低的传质阻力和较高的泡点压力，以保证高氧通量而不形成气泡。 微孔膜比致密膜具有更低的传质阻力，但其泡点压力也更低。 另外，微孔膜在使用过程中，溶液和杂质很容易进入缝隙，造成堵塞，对氧通量影响很大。 为了平衡两者的优缺点，研究人员在微孔膜载体上涂覆致密层，形成复合膜，可以在相对较高的操作压力下实现无气泡曝气，并有效保护膜孔不被堵塞通过微生物。 。 在处理主流低浓度污水或用于自养反硝化工艺时，由于进水负荷低，生物膜生长速度慢，硝化细菌等自养细菌胞外聚合物（EPS）产量低，形成了生物膜结构膜材料易碎，因此膜材料的生物亲和性成为更为重要的指标。 一般来说，表面粗糙度高、疏水性好、带正电荷的膜材料具有更好的生物亲和力。 因此，膜修饰可用于在膜表面添加额外的基团，以提高膜材料粘附生物膜的能力。 拉克纳等人之后。 在膜表面引入含氨基的聚乙二醇链，生物膜更容易粘附且更稳定。 侯等人。 使用二羟基苯丙氨酸对PVDF微孔膜进行表面修饰。 改性后，表面粗糙度和亲和力得到改善，COD和总氮去除效果显着提高。 王荣昌等人还通过等离子体法将混合单体接枝到聚四氟乙烯（PTFE）膜上，以提高膜的生物亲和力和氧传质性能。 但复合膜的制作工艺复杂、成本高，需要大量的膜面积来满足处理需要，使得膜制备成本在整个工艺中占比较高。 膜组件通常分为中空纤维膜、管式膜和板式膜。 中空纤维膜组件具有更大的比表面积，可以附着更多的生物质。 这种膜组件在实际工程中经常采用，以减少结构的占地面积。 此外，中空纤维膜组件可以采用模块化方式设计，易于安装，并且比板式曝气膜便宜。 它们现已成为MABR的主流选择。 管式膜和板式膜仅出现在一些MABR机理研究的报道中。

3.氧传质性能评价

膜材料的氧气传质系数Km可以反映膜的传质阻力，对于确定供气条件具有重要意义。 如何更准确地评估实际工况下的Km是研究的重点。 寺田等人。 首先研究了气压和膜表面积对硝化速率的影响，认为可以通过调节气压和膜表面积来控制OTR，并且三者之间的关系与Km有关。

早期研究主要通过测量清水试验中的溶解氧浓度来计算氧通量并确定Km。 后续研究发现该方法得到的Km太小，即高估了膜材料的传质阻力，导致实际操作中暴露过多。 气体。 这是因为清水试验中得到的传质阻力包含了固液边界层的阻力，但在实际运行中，由于生物膜的存在，固液边界层阻力不再影响氧气传质。 拉克纳等人。 重新考虑边界层的影响，提出了一种简单的方法来确定MABR实际运行工况下的Km，纠正了计算中对氧通量的低估。 王荣昌等. 还利用上述方法分析了生物膜生长过程中的硝化性能和成分变化，并证实当生物膜存在时，MABR的氧传质能力比清水试验中的更强。 基于溶解氧微电极技术，Perez-Calleja 等人。 设计了一种基于边界层溶解氧梯度确定膜传质阻力的方法，可以得到更准确的膜材料的Km值。 这些研究在供气压力与OTR之间建立了相对准确、清晰的关系，为MABR设计和运行中氧气的准确评估提供了支持。 但在实际运行中，除了膜材料的Km外，生物膜的厚度、密度和活性也会影响OTR。 未来对生物膜部分氧传质阻力的研究将进一步加深人们对MABR氧传质过程的认识。

4、气路设计的改进

除了膜材料外，不同的膜组件曝气模式也对传质性能产生影响。 MABR的曝气方式分为贯通式或死端式。 在死端曝气膜中，供应到膜的所有氧气都被输送到生物膜，OTE可以达到100%。 然而，随着水蒸气凝结和其他气体在膜腔末端积聚，膜腔内的氧气浓度会产生轴向梯度，导致微生物沿膜丝生长不均匀，从而降低OTR。 在穿流式曝气的MABR中，整个膜腔内的气体流速非常高，腔内的平流传质远大于气体的跨膜传质，这将使腔内的氧气浓度升高更均匀，从而产生更高的平均 OTR。 然而，在这种模式下，只有一小部分氧气会通过扩散穿过膜，大量气体会在开口端损失，造成能量浪费和OTE低。 目前实际工程案例大多采用穿流式曝气，在高OTR下，OTE可达30%~40%以上。 如何同时提高OTR和OTE对于发挥MABR的节能优势起着关键作用。 近年来，Perez-Calleja 等人。 提出了一种改进的曝气方式，在死端式的基础上采用间歇排气（关闭30分钟，排气20秒），使OTE保持在95%以上，同时获得不低于穿透力。 加气 OTR。 间歇排气系统比较复杂，目前还没有更多的研究和应用。 其优越性和稳定性有待后续研究验证。

02 工艺原理的理论理解和发展

1.生物膜特性

传统的载体生物膜是同向传质生物膜，即氧与有机物、氨氮等底物沿同一方向扩散。 在生物膜外侧，电子受体和供体底物浓度最高，生物代谢最活跃。 在处理含有机物和氨氮的废水时，由于异养细菌的竞争，好氧硝化细菌往往在有机物浓度最低的生物膜内部生长。 然而，生物膜内的氧气浓度较低，导致硝化活性较低。 在膜曝气生物膜中，氧气从生物膜内部提供，基质从生物膜两侧扩散到生物膜中，形成特殊的基质浓度分布。 这种各向异性的传质可以在 MABR 中产生独特的特性。 微生物群落结构。 生物膜内部有机物含量低，氧气浓度高，有利于好氧硝化细菌的生长。 当受控液相主体处于缺氧状态时，生物膜外部有机物浓度较高，氧浓度较低，有利于异养反硝化细菌的生长。 因此，在异方传质生物膜中，硝化和反硝化可以在内部和外部同时进行（图2）。 一些研究认为，这种独特的层状结构也可能有利于抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）。

图2 异方传质生物膜示意图

2. 流程原则的制定

由于MABR具有独特的好氧缺氧生物膜层状结构，它可以在生物膜的不同层次上耦合自养硝化细菌和异养反硝化细菌，实现同步硝化反硝化（SND）。 SND工艺可以利用MABR同时去除有机物和氨氮，简化了传统两级生物脱氮工艺的反应器设计和实验操作。 2000年以后，有研究人员通过控制MABR的供氧量来控制亚硝酸盐阶段的硝化过程，实现MABR的短程硝化和反硝化。 与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化可节省25%的需氧量和40%左右的有机碳源用量，进一步减少反应器体积和能源物耗。

随着厌氧氨氧化（ANAMMOX）的发现，短程硝化-厌氧氨氧化（PN-A）成为一种更加节能的反硝化途径。 在厌氧氨氧化菌（AnAOB）的作用下，短程硝化产生的亚硝酸盐可以作为电子受体，直接与氨氮反应，完成反硝化作用。 MABR凭借其生物膜分层和精确控制供氧能力，使得同一反应器内硝化和厌氧氨氧化的耦合成为现实。 2008年，Gong等人。 首先在MABR中实施PN-A流程。 与传统反硝化工艺相比，PN-A工艺可节省54%的曝气量和100%的碳源添加量。

3. 生物膜模型模拟

在MABR工艺理论不断发展的过程中，MABR生物膜模型也在同步发展。 生物膜模型能够更加准确地拟合底物浓度与不同微生物活性之间的动态关系，对于深入理解工艺原理和优化MABR操作条件具有重要的指导意义。 1999 年，凯西等人。 首先在传统的同向性传质生物膜模型的基础上建立了各向异性传质生物膜模型，研究生物膜厚度与氧利用率的关系。 Shanahan 等人通过在 MABR 中应用同步硝化和反硝化工艺。 建立了同时去除COD和氨氮并含有多种微生物的各向异性传质生物膜模型。 寺田等人。 建立了完全自养反硝化的异向传质生物膜模型，并将其与同向传质生物膜进行了比较。 他们发现异向传质生物膜的TN去除率明显优于同向传质生物膜。 ，为后续在MABR中实施PN-A流程提供了理论依据。 最近，刘等人。 将氨氧化古菌（AOA）的代谢过程引入到模型中，通过整合现有模型参数构建了AOA-Anammox MABR的预测模型，发现与AOB相比，AOA和AnAOB耦合的PN-A过程可以实现更高的反硝化率和抗冲击性。 尽管该模型尚未得到实际数据的验证，但其前瞻性的视角为未来耦合过程研究提供了新的方向。 近年来，模型更多地用于解释运行现象和难以通过实验解决的问题，例如氮氧化物排放。 倪等人。 建立了全自养反硝化MABR氮氧化物排放模型，模拟了不同供氧量下的反硝化率和N2O排放量，找到了实现高反硝化率和低N2O排放量的相对平衡。 观点。 倪等人。 另一项模型研究中还发现，间歇曝气可以增加AnAOB活性，最终间接减少氮氧化物排放。 在未来的模型研究中，生物膜脱落与平衡、液体边界层厚度、生物膜纵向梯度特性等重要参数仍需要通过大量实验数据进行修正。

03 工艺设计与开发

1.异养反硝化

MABR通过同步硝化和反硝化作用，可以同时去除污水中的有机物和氨氮。 MABR中的全程硝化和反硝化相对容易实现，但如何实现短程硝化并尽可能降低能源和物耗是研究人员关心的问题。 寺田等人。 早先采用MABR处理养猪废水，TOC 4500 mg/L，TN 4000 mg/L。 停留时间15天时，TOC去除率达到96%，TN去除率达到83%。 通过核算发现，TN的去除率86%是通过短程硝化反硝化途径完成的，这证明MABR可以通过同步硝化反硝化去除高氨氮废水，具有实现短程硝化反硝化的潜力。硝化作用。 但当进水氨氮浓度较低时，由于游离氨（FA）对NOB缺乏抑制作用，仅通过控制较低的溶解氧浓度很难实现稳定的短程硝化。 唐宁等人。 研究了单根膜纤维在3mg/L进水条件下的MABR。 通过控制进口压力来控制液相体在无氧条件下，MABR可实现短程硝化、反硝化和无硝态氮反硝化。 积累，但反硝化率和氨氮去除率较低。 如何通过控制进水负荷、供氧条件、水力条件等综合条件，实现低氨氮浓度条件下长期稳定的短时硝化作用，仍然是研究人员当前研究工作的重点。

近10年来，一些中试规模的MABR逐渐​​出现，扩大了MABR的应用前景。 在这些中试中，MABR主要依靠传统的厌氧-缺氧-好氧（AAO）工艺来利用膜曝气的优势，提高处理能力。 皮特斯等人。 在AAO工艺缺氧段增加MABR膜组件，利用膜建立硝化细菌的载体，增加硝化细菌的数量，实现同步硝化反硝化，达到80%的反硝化率，OTR MABR链路的重量达到8~16g/(d·m2)。 孙等人。 在中试AAO工艺的好氧段添加MABR膜组件，提高氧气利用率。 生活污水COD、氨氮、TN去除率分别达到（89. 0±3. 2）%和（98. 8）。 ±1。 3）%和（68. 5±4. 2）%，污泥浓度降至1800 mg/L。 随着实验室研究的深入，应开展更多独立于传统工艺的MABR中试，充分发挥MABR高效、低能耗的优势。

2.自养反硝化

利用MABR实现PN-A过程的难点在于如何富集AnAOB并抑制NOB。 在丰富 AnAOB 方面，Gong 等人。 在曝气膜表面包裹无纺布富集AnAOB，并率先采用MABR在进水氨氮浓度200 mg/L下启动PN-A工艺。 李等人。 在MABR主液相中接种Anammox颗粒污泥，在主流浓度（约60mg/L）下，在PN-A工艺的基础上实现全流程自养反硝化。 在NOB抑制方面，除了控制低溶解氧浓度外，Pellicer-Nacher等人。 是第一个使用间歇曝气来增强 NOB 抑制并在 MABR 中实现完全自养反硝化的公司。 目前自养反硝化MABR的难点仍然在于低氨氮浓度下NOB的抑制和AnAOB的大量富集。 稳定运行的条件仍需进一步探索。 基于自养反硝化的MABR中试试验还相对较少。

3.其他工艺设计

MABR可以使好氧-缺氧-厌氧菌群协同工作，无泡曝气过程中污染物不易挥发到大气中，因此可用于处理难降解有机物和挥发性有机污染物（如乙腈、苯酚） ）化合物、莠去津​​、四环素等），厌氧区实现污染物的分解，好氧区完成硝化作用，缺氧区实现反硝化作用。 例如，硝基苯胺在MABR生物膜外层厌氧区在共代谢底物存在下被还原，并通过单加氧酶的作用形成氨基，随后硝化并裂解生物膜中的苯环。有氧层。 近年来，利用MABR处理不同类型的难降解有机物已成为热门方向，吸引了众多研究者的关注。

04 流程优化运营

1、供气条件优化

MABR通过调节气体压力来控制氧气通量，从而控制反应器性能。 稳定运行的关键是控制膜的供氧速率，不向异养菌提供过多的氧气。 否则，异养细菌对碳源的消耗会影响反硝化效率。 当旨在实现短程硝化时，供氧量对于抑制 NOB 活性也起着重要作用。 在早期研究中，研究人员通过调节供气压力来保持高氧气利用率，同时使用低溶解氧来抑制NOB，从而使本体溶液保持缺氧状态。 随着对氧气传质过程的深入研究，根据测得的膜材料Km，可以确定供气压力与OTR的关系，然后根据进水负荷进行定量曝气。 本斯等人。 基于短程硝化的测量关系匹配进水氨氮负荷和OTR，在实际污水处理中实现稳定的PN-A反硝化，TN去除率超过80%。 此外，许多研究人员使用间歇通气作为 NOB 抑制的增强方法。 佩利塞-纳赫等人。 率先采用间歇曝气在MABR中实现全流程自养反硝化。 本斯等人。 将间歇曝气（5 min空气，1 min氮气，25 min不曝气）MABR与连续曝气MABR进行比较，发现间歇曝气可以实现更稳定的NOB抑制和反硝化。 马等人。 建立一维（1-D）多物种硝化生物膜模型来研究间歇曝气MABR对NOB的抑制机制。 通过比较DO、pH、FA和游离亚硝酸盐(FNA)对AOB和NOB的影响，发现FA的周期性变化可能是抑制NOB的关键因素。 间歇曝气的最佳条件和抑制机制有待进一步研究。

2 水力条件优化

除了氧气传质之外，从液相到生物膜的底物传质也是影响MABR运行的重要因素。 基质的传质性能主要受液相与生物膜之间的边界层阻力控制。 良好的水力条件会减少边界层的厚度，提高基质的传质效率，从而提高生物膜的活性和OTR。 自从研究人员开始专注于优化MABR操作条件以来，探索最佳液体流量一直是研究的重要组成部分。 高液体流量可以减少边界层厚度，但由此产生的动力成本可能占MABR运行成本的很大比例，并带来短流量的隐患。 此外，液体流速对生物膜形成、分层或结构的影响也是研究的热点。 魏等人。 通过加强水动力条件改善基质到生物膜的传质并提高 COD 去除效率。 但搅拌过强或错流速度过高会增加能耗，并可能导致生物膜脱落，从而影响COD去除。 因此，必须确定最佳水动力条件并将其应用于MABR的运行中。 凯利等人。 将计算流体力学（CFD）与生物膜生长模型耦合，建立了卷膜MABR的二维动力学模型，更好地反映了剪切力等因素引起的生物膜分布不均匀，以及覆盖度和厚度的影响关于反硝化率。 今后基于该模型的进一步研究对于优化MABR水力条件具有重要意义。

除了优化液体流量外，近年来，许多研究人员从反应器的角度优化了水力条件，包括优化流动方向和减少流动中断。 魏等人。 设计了一种新型FT-MABR反应器，将膜丝环形缠绕在柱式反应器内壁上，克服了水流的短路现象，使水流速度均匀且流动方向几乎垂直于中空纤维膜，促进液相传质效果。 也证明增加水流量会提高抗冲击载荷和氧气利用率，但这种反应器类型不能提供更高的膜比表面积。 卡斯特里洛等人。 挤压膜组件两端距离，使膜丝向各个方向不规则弯曲，增强了水流的湍流，OTR和氨氮去除效果也显着提高。 这些新的膜组件形式为MABR提供了更多的可能性。 未来能够使生物膜更加均匀的膜模块和反应器类型也需要进一步探索。

3.生物膜厚度和稳定性

除了由氧和底物传质引起的微生物群落活动的差异之外，在MABR的异性传质生物膜中，生物膜的形态特征和种群变化还会对微生物群落和运营结果产生更大的影响。 在此阶段，微电极技术分析通常用于监测生物膜厚度，并且生物膜的上和下边界是通过检测不同培养基在不同培养基界面上通过微电极界面上溶解氧的浓度梯度的变化来确定的。 在MABR研究的早期阶段，研究人员意识到生物膜厚度对操作绩效的影响。 太薄的生物膜不能提供足够的生物量来降解污染物，而太厚的生物膜会增加缺氧区域的厚度，并增加氮的耐药性，例如氮从转移到内部有氧运动区域中。 因此，生物膜具有有助于传质的最佳厚度。 研究人员提出，可以通过调节水流或间歇性充气和冲洗以在生物膜脱落和生长之间达到平衡来控制缺氧生物膜的厚度。 但是，实际上，精确的生物膜厚度控制仍然难以实现，间歇性冲洗可能会破坏生物膜的稳定性。 一方面，将来可以通过更精确的监测方法和更智能的冲洗方法来解决生物膜厚度的问题。 另一方面，在MABR实验中，用于全自自养的非硝化实验，生物量控制的问题相对较小。 由于与异嗜性相比，自养生具有相对较低的生长速率和产量系数，因此这种系统中的生物膜积累更容易通过侵蚀和生物量衰减来平衡。 近年来，生物对膜体育生物膜的影响受到了更多关注。 金等人。 研究了原生动物捕食对异养生物膜中生物膜积累的影响，并发现当CoD不足时，原生动物将捕食生物膜，形成膜中的孔，并加速生物膜脱落。 因此，在生长过程中限制原生动物活性的生物膜中对于生物膜稳定性也至关重要。

05 Outlook

尽管MABR在理论上具有很好的应用前景，但仍然有许多未解决的问题值得进一步研究。

1）膜材料的成本和性能仍然是限制M​​ABR大规模应用的限制。 低成本和高效膜材料的发展对于促进MABR具有重要意义。

2）模型构建是未来研究的重要辅助手段。 在生物膜和液压学研究中进行建模可以直观地显示整个微观动态过程，并为MABR的理论研究提供进一步的支持。

3）生物膜厚度是影响MABR性能的重要因素，但是很难在实际应用中实现简单易于的连续监控和控制。

4）缺乏如何将现有研究推向实际应用的经验。 传入水的差异将导致不同的生物膜结构，并改变微生物的最佳活性层的位置。 现有的研究内容不足以建立可以用作实际项目的参考的工作条件数据库。 当面对污水质量的差异时，仍然需要大量时间来找到MABR的最佳工作条件。