图1  中国科学院生态环境研究中心水污染控制研究室樊耀波老师和赵曙光博士

MBR膜生物反应器一直处在发展中的春天，被越来越多的业主、设计院和工程公司所认可，并应用在水处理工程项目中。近日，《流程工业》水处理专刊便来到了中国科学院生态环境研究中心，与这里的MBR一线研发专家樊耀波老师和赵曙光博士一同探讨MBR膜生物反应器在研究、设计、安装、调试、运行以及维护等环节上亟待解决的问题，在文章的最后特邀两位专家对MBR用户在PROCESS水处理网上提的使用问题进行解答。

PROCESS：樊老师，赵博士，你们好，首先请你们介绍一下你们在MBR上的研究历程？

樊耀波：我于1982年毕业于清华大学环境工程系。1992年开始，在中国科学院生态环境研究中心，在我导师王菊思和姜兆春老师指导下，进入到膜生物反应器（MBR）领域学习，攻读硕士学位。当时两位导师在他们主持的“八五”国家科技攻关专题“石化地区污水回用成套技术研究”中启动了MBR处理石油化工废水的研究。1996年我完成了学业，完成硕士论文“膜生物反应器技术及在石油化工废水净化中的应用研究”，发表了《膜生物反应器净化石油化工污水的研究》及《膜生物反应器中的最佳反冲洗周期》等文章。1996~2000年负责了“九五” 国家科技攻关子专题“膜生物反应器处理染料等工业废水的研究”；2002~2005年，我同清华大学黄霞老师、同济大学吴志超老师及北京碧水源科技股份有限公司共同承担了国家863计划课题“新型膜-生物反应器的研制与应用”，我负责了其中子课题“气升循环分体式膜-生物反应器的研制与应用”，课题于2005年通过国家验收，课题成果“低能耗膜-生物反应器污水资源化新技术与工程应用”于2009年获得国家科技进步二等奖。2006~2010，承担了国家863计划探索导向类课题“新型无机管式动态膜-生物反应器研究”，课题研制了一种无机有机复合膜及其动态膜生物反应器，该课题于2012年通过国家验收。2012年，我们又承担了一个国家自然科学基金项目《MBR流场、传质与能耗的相互关系研究》用计算流体力学的办法来研究膜生物反应器中的结构及运行参数优化问题”，项目于2013年启动至2016年。

赵曙光：我毕业于中国矿业大学（北京），2003年起作为客座学生师从清华大学黄霞老师系统地学习MBR基础理论与工程应用技术。硕士与博士期间的论文均以MBR技术为研究课题，2005年硕士毕业后进入了一家专门研发、生产和安装MBR的公司，我在那主要负责MBR工程设计、调试和技术的研发。负责主持过倒置的A2/O-MBR的工艺处理矿区生活污水的工程设计、建设施工及运行管理。

目前在樊老师的指导下，更深入地研究MBR系统，主要是针对目前MBR结构与工程设计不合理的问题，在CFD模拟下，优化MBR反应器的结构设计，试图开发具有高效脱氮除磷功能的低能耗的一体式A2/O-MBR反应器，并将其成套设备化，以期解决分布广泛的分散的严重污染的点源的治理问题。

PROCESS：依据您个人的研究历程，MBR膜生物反应器在技术研发以及实际工程应用中还需要解决哪些问题？

樊耀波：现在，我们团队主要在MBR以下两个方面开展工作，一是做适用于MBR的新型膜材料研究；二是新型MBR工艺设计和运行参数的科学设置和优化研究。

目前， MBR面对的主要技术问题就个人认为有：

高性能MBR专用膜组件有待发展。常见中空纤维有机膜，在膜材料上强度低，在膜组件结构上膜丝疲劳破坏问题仍未有效解决，所以造成膜丝断裂和膜使用寿命变短；膜组件膜丝装填密度偏高，高膜丝密度虽然可使膜设备体积减小，但易使污染物在膜丝间积累和使膜丝结团，导致膜有效面积减低和膜的抗污染性能变差。为解决以上MBR膜存在的技术问题，需要坚持不懈的开展工作，以研制出高强度、高通量和高抗污染性能的MBR适用膜材料、组件和膜设备。

图2  大型膜生物反应器组器

MBR工艺设计和运行参数科学设置和优化研究有待深入开展。现在常规的水处理工艺已经过百年的研究历程，许多工艺已具有了较成熟的理论，相关工程可用商业化软件进行设计。而MBR还有很多科学和技术问题没有被解决，也未见有成熟的商业化软件用于MBR工程设计。如许多工艺和运行参数还只能采用经验方法给出。举两个例子：一个是现在MBR膜通量的设置仍没有一个科学规范的方法。MBR供应商常基于自己的经验设置膜通量，设置的膜通量取值范围跨度很大，自5~25L/m2.h，甚至35~40L/m2.h。这些膜通量的取值常常没有和原水水质及MBR运行条件或状态参数结合起来，而这些经验、半经验确定出来的膜通量参数，却反过来大大影响着MBR工程的投资、造价和运行稳定性。另一个例子是如何确定浸没式MBR膜出水泵的抽停时间。据资料调研，各MBR工程所设定的膜出水泵抽停时间大多不一样。为什么这样设定呢？基于什么样的原理取值呢？它和MBR工艺、所在区域、环境条件、运行参数、所处理的原水、入水水质及所用膜设备有没有关系呢？这些问题大多没有很好解决。其实还有很多这样的例子。所以不是说MBR已经研究到家了，MBR技术已经成熟了，可以不用再研究了。基于我们对MBR的研究积累、资料调研和了解到的科学技术问题，我们有理由认为随着MBR研究的深入，更多的科学技术问题会展现在我们的面前，MBR需要被持续地研究发展下去、不断进步和完善。

赵曙光：我认为MBR系统本身还是停留在一个比较基础的阶段，虽然已经有上万吨级工程应用的案例，但是整个系统的设计以及优化做得还不够，既没有模块化组装成套设备，也没有专门的设计软件，这导致MBR在运行过程中参数设定具有很大的随意性，其结果是有些工程做得好，有些做得不好。当然设计软件的开发需要一个很漫长的过程，膜产品生产与应用企业应追踪设计与工程应用实际情况，逐步形成开发与完善设计软件的意识，如果没有这个意识，即使做再多的工程，也不会自发产生相关软件，设计水平只能停留在一个很低的水平。

中科院这边已经开始这方面的工作了，在CFD帮助下，模拟反应器的流场分布特征，对前期的设计工作有一个好的参考。之后，我和樊老师的主要任务就是把反应器水力流场特征和降解性的生物特征结合起来研究，我们希望进一步提高MBR的一体化，并降低它的能耗，提高它的效率。为应对国家氮磷排放标准提高及防止水体富营养化，治理分布广泛的、量小但污染严重的点源显得尤其迫切，我之后的一个工作重点是将膜面冲刷的水力特征和反应器的生物降解特征相结合，研究开发具有高效脱氮除磷的低能耗一体化MBR成套设备，以解决由于分散点源N、P排放导致的敏感水体特别是水源地的富营养化问题。

PROCESS：当膜生物反应器已经安装完毕，在具体操作应用中，有哪些您认为比较重要的问题需要提醒业主？

赵曙光：一是厂商要把MBR操作人员培训到位；二是厂商应该对工程运行中的问题持续跟踪与解决，提高与完善其本身的操作技术与水平；三是MBR操作人员需持有认真负责的态度，严格按操作手册运行工程，遇到问题及时与厂商沟通，提供现场的第一手资料，提高自身的解决问题能力与操作水平。

樊耀波：一套技术完备、性能优良的MBR设备，为用户的稳定运行操作奠定了重要的基础。但再先进的技术，用户在设备安装调试完毕后，应该认真学习掌握和严格遵守操作手册，并维护好设备，定时对膜进行化学清洗，化学清洗周期需要科学和优化。

图3  昆明第四污水处理厂

PROCESS：MBR处理后的生活污水都能怎么用？MBR处理后的工业废水可以怎么用？

赵曙光：如果氮磷这种富营养化物质没有得到很好去除的话，如若作为景观用水，会造成湖泊很明显的富营养化，经过A2/0-MBR脱磷除氮后，处理后的水可作为景观补水和中水。生活污水经过MBR处理以后可以用来冲厕所、绿化，经过MBR处理的污水还可以补充湿地用水。MBR出水经过湿地对消除氮磷很有好处，可避免下游承纳水体的富营养化。

至于MBR处理后的工业废水，各个行业的使用方式都不一样，如果处理后的水质达到某一个工艺上的要求，可实现水的重复利用。另外工业企业处理废水主要目的是使废水达到排放标准，一般是达到进入城市下水道的水质标准要求。

PROCESS：MBR膜生物反应器未来将会如何发展？

樊耀波： MBR是一种仿生技术，它的发展具有深远的科学与实际意义。MBR的研究与发展，同其他新技术一样，应该是没有止境的。我们可以看到生物界普遍存在着膜系统，有许多动物都具有完善的膜生物反应器系统，人体本身就是一个很完善的膜生物反应器系统。因此，可以认为MBR采用的是仿生学技术，最早用在制药行业的酶制剂研制和生产上，水处理只是它的一个新的应用领域。MBR具有出水浊度低、有机物去除得比较彻底、占地面积小、应用规模、场所和地点限制小，能够形成一个非常完善的自动化水处理系统，可在车船流动性载体上应用等特点。所以MBR应该是一个很有发展和应用前景的技术。现在MBR的使用常令用户不满意，只能说我们现在仿生学做的膜生物反应器还不够完善，还需要我们不断地开展研发工作、并使其在应用中更加进步和完善，使MBR工艺和设备逐步走向标准化、规范化。

赵曙光：MBR今后的发展，我觉得应该有三个融合，第一个融合是学科间的融合，第二个就是研究开发和应用的融合，最后一个是与自然环境规划的融合。学科间的融合指的是MBR涉及到膜材料、微生物和反应器等多学科的知识，这三个学科之间的交叉、渗透和协同发展可以推动MBR系统的发展。第二个融合是指微生物、反应器的开发、膜反应器的模块化和工程应用之间需要不断融合，理论指导实践，实践完善理论，不断地循环往复，推动MBR反应器向着既高效又低能耗的一体化成套MBR设备与更大规模MBR水处理资源回用工程方面发展。第三个融合是MBR处理的程度与自然环境规划的融合，指的是MBR处理对水质处理的要求应与其所处的自然环境规划相适应。现阶段，大多数水处理设备只停留在治污阶段，而没有上升到污水资源化阶段。目前水处理费用是一个企业不愿意承担的负担，还没有把污水、废水处理当成一种水资源来利用。MBR是水处理的一个有力武器，如果能依据水环境功能区划的要求来考虑水处理程度，将能得到更好的环境效益结果。就像现在汽车分为不同系列、不同类型、不同大小那样满足社会的不同需求。未来MBR也会往系列化的方向发展，针对不同行业、不同种类、不同地域的原水进行分质处理。

采访后记

在采访的最后，聊到MBR行业规范化这个问题的时候，樊老师和赵博士表示：关于MBR膜生物反应器的国家标准和规范还是应该建立起来。而对于MBR用户专业化培训也应该开展起来，从事MBR设备操作的人员也应当得到正规培训，认证上岗，以规范MBR膜生物反应器行业的发展。

PROCESS水处理网网友：生活污水中的钙镁离子对MBR膜片污染的影响有多大？

樊耀波：生活污水中钙镁离子多对MBR膜片是有害的。膜生物反应器中一般使用的都是亲水性膜，膜材料上带有负电性，这种带有负电性的膜具有与带正电的钙镁离子结合的趋势和性质。在膜过滤时由于膜表面具有浓差极化现象，当钙镁离子浓度超过浓度积，这些离子就会在膜表面或在膜孔内沉积或结垢。特别是如果MBR在应用于水回用时，水中钙镁离子会出现循环浓缩现象，其在膜上的结垢会使膜硬化变脆，出现折断现象。我们实施的MBR厕所污水处理工程就出现过这种现象，这时需要采用化学清洗操作去除膜材料上的结垢污染层。

赵曙光：钙镁离子会影响着凝胶层的形成过程，从目前研究来看，大部分时间膜过滤实际上是凝胶层过滤，长期来看，钙镁离子是一种膜污染物，随着污染越积越多，凝胶层增厚，不仅对膜过滤不利，引起跨膜压差（TMP）迅速增大，影响MBR的正常出水；而且MBR膜面上结垢，达到一定程度后需要采用化学清洗来清除，而化学清洗可使膜材料快速老化，大大缩短膜的使用寿命。在生活污水中，钙镁离子浓度并不是特别高，而且钙镁离子形成膜污染需要一个累积的过程。所以从成本这个角度考虑，一般情况下没有必要单对生活污水中的钙镁离子进行预处理。

PROCESS水处理网网友：曝气方式对MBR膜的污染和活性污泥的生长状况有影响吗？

樊耀波：曝气方式对MBR膜的污染和活性污泥的生长状况有重要影响。浸没式膜生物反应器的膜污泥层污染控制是通过鼓风曝气形成的气水混合流对膜表面进行冲洗来实现的。鼓气方式应包括布气器选型、布置方式、曝气量参数、曝气操作程序如间歇还是连续等。布气器的种类很多，在MBR中多采用穿孔管。

MBR中曝气量大小、气泡的直径、布气器的数量、位置和布置、曝气间歇还是连续都直接影响着对膜污染的冲洗效果。而曝气方式对MBR膜污染控制效果的研究仍在深入开展中，如我们课题组正在开展的计算流体力学对MBR的模拟和优化研究就包含曝气方式对MBR膜污染控制效果及相关机理的研究。

图4  MBR运行过程中的泡沫问题

在MBR中，曝气除了用于MBR膜污染控制外，曝气的目的是给微生物供氧。在处理城市污水这种有机物浓度较低的污水时，膜冲洗的曝气量常常超过给微生物供氧的鼓气量。更高的供气量会使活性污泥絮团更易破碎，但未发现对水中有机物去除效果有不良影响。但高强度曝气带来的问题是使MBR运行能耗增高；在厌氧-缺氧-好氧-膜生物反应器（A2/O-MBR）中高强度曝气造成高的溶解氧会影响厌氧、缺氧单元的运行条件及其生物生长状况，影响脱氮除磷效果。

PROCESS水处理网网友：之前MBR运行过程中，用次氯酸钠和盐酸在线药洗，负压可以降下来，通量也可以恢复到设计值。最近MBR通量降下来了，用次氯酸钠和盐酸洗，没有效果，负压几乎不变。我们处理的是印染废水，工艺流程是厌氧池（有填料）+接触氧化池+MBR，另外现在MBR的泡沫很多，都满出来，泡沫呈灰白色。请专家指教？

樊耀波：目前研究认为泡沫的产生主要由丝状菌大量增殖、生物代谢产生大量表面活性物质和原水中含有较多表面活性剂三方面因素所致。具体原因常通过F/M值、活性污泥沉降比及显微镜观察测定的方法来确认。在MBR中，如果MLSS浓度高，F/M值偏低，会产生微棕色泡沫，如果F/M偏高，会产生白色泡沫；次氯酸钠的频繁清洗也会导致泡沫问题；此外EPS中蛋白质含量过高也会产生泡沫问题。处理泡沫的措施有：降低污泥浓度、调整营养剂投加量、重新接种污泥、投加絮凝剂（如明矾）、减少膜曝气和投加消泡剂等。

膜生物反应器运行中存在着膜污染物积累问题。MBR膜的一个主要特性是阻挡胶体物质，包括微生物的分泌物即胞外聚合物，而这些物质恰恰又是膜的主要污染物。当这些物质浓度升高时，在MBR中常会表现出泡沫较多的现象。当膜生物反应器因上述物质浓度较高导致泡沫较多时，需要通过排放污泥来控制。污泥排放的周期应依据不同工程，不同水质、系统规模大小以及污泥浓度的高低等因素来确定。另外还存在一种情况，膜生物反应器在处理某些行业废水时，微生物需要一个适应和驯化过程。当膜生物反应器的微生物对所处理水质，如上述印染废水，适应或优势菌种出现后，泡沫会逐步消失。

对于用次氯酸钠洗膜开始管用后来不管用的问题，这种现象较大程度上与MBR中膜污染物的积累和浓度较高有关。当生物反应器中膜污染物浓度不是很高时，化学清洗后膜过滤能力恢复效果明显；但当MBR中膜污染物积累到一定程度，即使经化学洗膜过滤能力已恢复很好，一旦将膜再放回膜污染物浓度较高的MBR中，膜会在短时间内被污染，此时膜化学清洗效果难以体现。所以，MBR的膜污染物积累问题需要作为一个重要问题研究解决。

赵曙光：在线药洗这种方式维护MBR的运行是必要的，但是出现这种通量突然的下降，应该专门设置一个化学清洗池，用次氯酸钠和盐酸对膜进行体外清洗，而不是在线清洗。如果这样都洗不出来，就证明膜已经污染得很厉害了，需要换膜了。

致谢：采访稿修改中郑祥副教授、徐荣乐博士生、罗南博士生、张晴硕士生给予很有参考价值的修改意见和建议并被本文采纳。以上观点谨供参考，存在的疏漏和错误敬请同行专家、学者和广大读者批评指正。特此感谢！