正渗透膜生物反应器及其耦合工艺研究进展

张壹超，丁 玥，郭文萱，刘志强

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266525)

正渗透(FO)膜分离技术因其抗负荷性好、截留率高、预处理简单等优势成为新的研究热点[1]，随着商业化FO膜不断研发，正渗透已应用于海水淡化、沼液浓缩、煤化工废水和渗滤液处理等工程领域[2]。然而，FO过程是依靠原料液与汲取液的渗透压差进行驱动产水，经膜分离后的纯水流入汲取液，这限制了FO作为独立的工艺应用于污水回用。MBR作为高效的污水回用技术，实现了膜分离与生物降解有机结合，但MBR中的多孔微滤(MF)或超滤(UF)膜对微量有机化合物(TOrCs)和病毒的截留作用有限且运行时膜污染严重[3]，增加了能耗和膜更换清洗等成本问题，并可能导致水质恶化。为了在不增加成本和不加剧膜污染的前提下提高出水质量，FO膜被引入MBR中形成了正渗透膜生物反应器(OMBR)，由于无需外加压力，使得OMBR具有较低的膜污染倾向和较高的污染可逆性[4-5]。OMBR利用FO在能耗、截留率和膜污染方面的优势来优化MBR的出水水质，近年来被广泛应用于生物能源回收、污水回用与资源化领域。

1 正渗透膜生物反应器

1.1 OMBR的原理

CORNELISSEN等用FO膜替代传统MBR在液压驱动下使用的多孔MF或UF膜，将活性污泥的生物降解和FO膜的高选择性结合，首次提出了OMBR的概念[6]，OMBR的原理如图1所示，OMBR依靠活性污泥与汲取液的渗透压差进行驱动产水，汲取液在处理过程中会不断被稀释，可以使用反渗透(RO)或膜蒸馏(MD)等工艺进行汲取液浓缩，同时分离出高品质的回用水。由于FO膜对有机化合物和无机离子高截留性，可极大减缓后续反渗透工艺的膜污染。相比MBR，OMBR工艺运行能耗低，水力停留时间短，污染程度轻，出水水质好，纯水回收率高，可有效去除TOC、氮磷、重金属及微量有机物(TOrCs)[7]。但也存在膜通量低、汲取液溶质反渗等因素，制约了OMBR大规模应用。

图1 正渗透膜生物反应器(OMBR)

1.2 OMBR的结构

OMBR主要由FO膜组件和生物反应器组成，在OMBR中，FO膜进行污染物的截留分离，膜组件可以采用外置式和浸没式，外置式膜组件单元与反应器分离，活性污泥从反应器泵出到FO膜的原料液侧，这需要较高的流速冲刷以减缓膜污染，但会破坏活性污泥絮体结构且对膜组件的设计要求较高[8]，因此实际应用中，浸没式膜组件最为常见，膜浸入在活性污泥中，膜组件下面放置曝气装置进行膜面气体冲刷。

生物反应器中进行有机物的氧化和氮的还原，反应器的体积、进水流量和排泥量决定了水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)，进而影响生物处理效果。在早期研究中，反应器是由好氧池结合外置式FO膜组件组成，连续运行时会出现硝酸盐扩散到FO膜，影响出水水质；HOLLOWAY等[9]采用反硝化缺氧区和硝化好氧区循环运行的反应器，在FO膜分离之前实现了硝酸盐的去除；但好氧曝气需要额外的能耗，目前的厌氧膜生物反应器(An-MBR)出水中含有大量溶解性甲烷，加剧温室效应的同时也造成了能源流失，利用孔径更小的FO膜替代UF膜的厌氧正渗透膜反应器(An-OMBR)可进一步提升出水水质，实现沼气回收。因此，An-OMBR的研究或者将OMBR和后续厌氧工艺耦合是实现污水资源化的主要手段。

1.3 OMBR的分类

1) 根据汲取液回收类型不同，可将OMBR分为无汲取液浓缩的开环系统和汲取液再浓缩的闭环系统。开环系统运行过程中需要不断补充汲取液，以保证较恒定的渗透压差，与汲取液再浓缩系统相比，运行管理简单，但应用范围有限，目前常见于以海水做汲取液的正渗透系统中，可用于污水处理后直接排放；闭环系统的汲取液通过MD或RO工艺再浓缩后重新利用，同时分离出高品质的纯水，应用范围较广，但需要额外的能耗投入，目前，OMBR汲取液再浓缩的最佳选择是RO工艺[10]，可用于污水提纯后回用。

2) 根据膜组件位置的不同，OMBR又可分为外置式OMBR和浸没式OMBR，如图2所示。外置式OMBR运行能耗高，膜表面结垢严重，因此，常见于早期的OMBR系统中，实际应用中大多采用浸没式OMBR。

图2 不同类型的正渗透膜生物反应器(OMBR)

此外，OMBR还可根据膜朝向、处理对象和能源回收等进行分类。

1.4 OMBR的应用

目前，OMBR在市政污水、电厂脱硫和煤化工等工业废水领域不断拓展，同时结合反渗透、膜蒸溜和厌氧处理等技术在海水淡化和能源回收领域也取得了良好的经济效益[11]，LAY等[12]发现OMBR可高效截留新兴污染物，在污水回用、食品加工等领域有较高的应用价值；HOLLOWAY等[10]指出OMBR工艺是最具研究前景的再生水直接饮用技术(DPR)。借助FO膜的浓缩效能可高效制备厌氧消化原料液，提高厌氧反应器的产甲烷性能。随着高截留抗污膜的研发，OMBR工艺在去除痕量有机物和纳米颗粒等特定领域会得到大规模普及[5]。

虽然OMBR比MBR具有更好的出水水质和更低的膜污染程度，但OMBR目前仍处于研究阶段，商业化应用还需克服很多挑战，局限之一是汲取溶质的不断反渗流失，导致原料液(活性污泥)中盐度积累[5, 10]，汲取液再生利用需要额外的单元。如果采用RO浓缩汲取液，会进一步造成溶质浪费[9]。OMBR中另一个引起广泛关注的方面是膜污染[5]，在OMBR中，FO膜暴露在含有大量悬浮物和杂质的废水中，膜表面极易受到有机污染[13]，虽然FO膜的抗污染性较强，但在OMBR中悬浮微生物和EPS的沉积仍会堵塞膜孔，增加运行功耗，降低膜的过水通量。较低的水通量和溶质反渗导致的盐度积累制约了该技术广泛应用。对此，国内外学者在优化OMBR操作参数的同时通过耦合其他工艺来改善溶质反渗积累和减缓膜污染，不断拓展OMBR的应用范围。通过对2008—2020年发表的相关文献统计，可以看出近年来关于OMBR技术的研究越来越多，自2016年以来，发表的论文数量迅速增加(图3)。OMBR技术在水处理、资源回收和能源获取等领域取得显著进展的同时也出现了许多新的研究方向和耦合工艺，以达到特定的应用目标[12, 14-15]。

图3 2008—2020年已发表的OMBR相关论文数量

2 OMBR耦合工艺

2.1 MF/UF-OMBR

尽管MF和UF膜可以改善反应器内的盐度积累[17]，但MF的集成不可避免地增加了能耗和工艺的复杂性。随着微生物数量增加，膜表面污染也会加重，进一步造成通量衰减，从而导致系统运行进入恶性循环，从而影响整个过程的可靠性[19]。同时，如何处理MF/UF分离出的高盐度上清液也是一个挑战[10]。

2.2 An-OMBR

厌氧生物处理可实现清洁能源回收，是备受关注的污水资源化手段，但目前的厌氧膜生物反应器(An-MBR)在出水中往往会检出溶解性甲烷，这不仅会产生二次污染，还造成了能源流失，限制了该技术进一步应用[20]。CHEN等[21]将FO与厌氧生物技术耦合，首次提出厌氧正渗透膜生物反应器(An-OMBR)的概念，与传统的An-MBR系统相比An-OMBR具有较好的污染物去除率[21-23]，甲烷产量更高。 FO膜的引入也有效截留了溶解性CH4，已有研究表明，H2和CO2可以透过FO膜，而CH4几乎不能透过FO膜，在极大提高了能源回收率的同时还避免了反应器内H2积累而造成的酸化现象[20]，有利于厌氧硝化的进行，实现了良好的能量回收效果，近年来已经成为污水处理领域的热点工艺[21]。然而，盐积累仍然是导致膜通量严重下降、抑制微生物活性和膜污染加重的主要问题[24]。TANG等[22-23]通过缩短污泥沉淀和定期排放上清液来控制盐度累积，但无法实现反应器的连续运行。WANG等[24]在MF-OMBR的基础上，提出了An MF-OMBR的概念，利用MF膜有效控制了反应器内的盐浓度，使混合液的电导率维持在2.5～4.0 mS/cm的低范围内，可进行连续周期操作。但长时间运行发现反应器内的FO膜污染也较为严重，导致反应器通量衰减较大，胡涛战等[25]研究发现，An MF-OMBR中的FO膜污染属于无机污染、有机污染与生物污染结合的复合污染，而电场对MBR中膜污染的控制被认为是一种可行的选择。将微生物电解电池(MEC)与An-OMBR结合[26]，通过钢丝网阴极与膜表面接触，可以缓解浓差极化，控制膜污染。但直接与膜接触的钢丝网减少了有效膜面积，复杂的设计也限制了有效膜面积。此外，导电膜作为电极具有更大的优势[27]，因为其电极之间的电阻更小，设计也更简单。XU等[28]以导电FO膜作为分离装置和阴极，研制出电辅助厌氧正向渗透膜生物反应器(An-OMEBR)，通过膜表面与带负电荷的污垢间的相互作用来抑制污垢在膜表面的吸附，提高了膜表面的有机负荷率，污水处理能力是An-OMBR的近1.5倍，为减缓膜污染、提高废水处理能力提供了有效的策略。

然而，由于缺乏额外压力和结构上的差异[5]， FO膜工艺的膜污染机理和缓解措施与压力驱动的MF和UF膜工艺不尽相同，膜污染问题仍然值得研究，寻找其他有效的污垢控制方法，如使用改性FO膜、进行化学清洗等以优化An-OMBR系统的运行[24]。

2.3 BF-OMBR

2.4 BES-OMBR

近年来，一种同步实现污水处理、膜分离与生物电能回收作用于一体的正渗透微生物燃料电池(Os-MFC)在水处理领域得到广泛研究。产电微生物可以将FO膜截留的有机物转化为生物电，同步实现了水质净化和电能回收。相比MFC，Os-MFC可以产生较高的水通量，且出水水质好，产电性能高[31]。MFC和OMBR之间协同作用研究也表明，可以利用OMBR中的盐积累来提高MFC的功率输出[32]。但FO膜污染和盐反渗现象会影响电极室内微生物活性，限制了Os-MFC的产电效率。生物电化学系统(BES)利用阳极上的电化学活性菌氧化有机物，并将生成的电子转移到阴极上的终端电子受体，可以与OMBR联用以减少污泥产量，提高能量回收效率，溶质导电性和缓冲能力的提高可以大大增强BES电流，促进溶质运动，以减少盐度累积。但来自汲取液的残余盐度仍然可以影响酶活性和呼吸速率，杨玉立[33]选用可生物降解的聚合电解质聚丙酸钠盐(PAA-Na)溶液作为电解液，构建了电化学正渗透膜反应器(BES-OMBR)处理实际废水，有效地控制盐反渗通量在0.05 gMH以下，汲取液回收效率在99%以上，且反应器运行稳定能够产生较高的电流密度。响应汲取溶质PAA-Na可以通过pH进行回收，操作成本更低。随着系统的连续运行，质子消耗和羟基的积累会导致电解液碱化，高pH值的电解液又可用于将质子化的PAA转换为聚电解质，从而减少资源消耗[34]。

BES-OMBR工艺在改善盐反渗、减轻膜污染的同时还强化了出水水质和电能回收效率，使用PAA-Na作为汲取溶质在提高水回收率和改善反应器性能方面具有潜在优势，生物降解的PAA和阳极侧残留的PAA存在动态平衡，通过调节外部pH和提高阴极pH相结合的方法来回收PAA-Na[34],实现了反应器长周期运行，有良好的应用前景。然而，微生物在微电流下的群落结构的变化规律相对复杂，如何制备经济性的电极材料和提升电流密度仍是未来的研究方向。

2.5 OMBR-ED

电渗析(ED)技术目前已广泛应用于咸水淡化脱盐，由于在脱盐过程中会产生浓盐水，因此ED可实现与FO工艺高效结合，ED单元将OMBR原料液中的盐分离后浓缩，通过外加电场进行离子迁移，降低进水盐度，并将浓盐水回用做汲取液。LU等[35]应用OMBR-ED系统有效地缓解盐度在OMBR中的积累，随着不断增加外加电压，盐浓度的增长速率减缓，水通量的下降速率也不断降低，当施加3 V电压时，OMBR-ED工艺运行维护周期延长至普通OMBR的6倍， ED单元显著降低了OMBR的维护成本和膜清洗频率，提高了反应器的污水处理能力，实现了约6.23 L/(m2·h)的稳定水通量和1.26 kg/m3的溶质回收，经过ED单元回收的废盐也可以作为OMBR的汲取溶质。

尽管增加ED单元相比常规OMBR或OMBR-RO工艺能耗较高，但RO由于渗透压力的限制无法实现100%的盐水分离，造成一定的盐分流失。考虑到溶质回收再利用，OMBR-ED具有无需汲取液额外投加和污水减量化的优势，可进一步优化系统运行或使用可再生能源来降低能耗。ISLAM等[36]论证了利用太阳能集热器系统为MD过程提供加热是可行的，从而在很大程度上减少了混合FO-MD过程的能源足迹。

2.6 Bacillus-OMBR-MD

耦合MF/UF，ED等工艺的OMBR增加了系统工艺的复杂性，An-OMBR中厌氧过程启动周期长，且存在一定的安全隐患，因此有必要研发更紧凑的新型工艺来提高OMBR的适用性。除了外部耦合外，改善生物反应器内污泥性质是减缓盐累积的根本措施，最常见的方法是通过减少污泥停留时间(SRT)，维持微生物活性[37-38]，但缩短SRT会额外增加污泥量，提高了污泥处置成本，且反应器内盐度不断上升还是会造成水通量下降，而通过接种培养耐盐微生物可以从根本上改善活性污泥特性，提高长期运行效率，实现反应器稳定运行[39]，已有研究表明芽孢杆菌对高盐等极端环境具有较强的耐受性且可通过群体猝灭减缓对膜污染的影响[40-41]。SONG等[42]在反应器中接种芽孢杆菌，构建了Bacillus-OMBR-MD工艺处理工业废水，相比OMBR，Bacillus-OMBR对总氮的去除率明显提高(40%～79%)，芽孢杆菌可以促进脱氮微生物生长且不产生生物污染，微生物对高盐度环境适应性较好，在反应后期SMP和EPS的降解速率加快，反应器内观察到了大面积的脱氮微生物群落，研究表明在较低DO浓度下，脱氮效率可进一步提高。

芽孢杆菌对pH、温度和高盐等极端环境都具有较强的耐受性，相比耦合其他工艺单元的常规污泥反应器，Bacillus-OMBR能耗投入低，应用性强，可以防止盐度累积对微生物群落、污泥特性和处理效果造成的负面影响，对高盐和高氨氮等工业废水处理效果好，并产生高质量的再生水。

3 结束语与展望

全球水资源短缺和严重的水污染问题突出了开发高效、经济的水处理技术的重要性[43]，借助FO膜高效浓缩和截留污染物的性能，OMBR在能源回收、出水水质和能耗等方面相较于MBR具有无可比拟的优势， OMBR耦合工艺在近几年的研究中也取得了很大的创新和进步，MF/UF-OMBR工艺通过引入MF/UF单元不仅有效去除积累的盐分，还可以从生物反应器富集磷等营养元素，便于直接提取回收[7, 18]；改变反应器形式可有效缓解OMBR膜污染现象，当生物处理过程采用固定生物膜或聚合物基质的BF-OMBR形式时，反应器中自由态微生物数量明显减少，悬浮的微生物从反应器的侧流出水中去除，最大限度地减少了污染物在FO膜上的沉积，从而实现了最小化的膜污染倾向，提高了反应器的水通量和磷的回收率[29]。此外，采用移动床生物膜形式的反应器，控制曝气强度或研发生物改性膜也有助于提升FO膜的抗污性能[44-46]；耦合厌氧的An-OMBR为微生物降解有机物和产甲烷提供了最佳条件，可以缓解出水中溶解性甲烷造成的二次污染，更好地回收废水中的生物质能[47]；An MF-OMBR污泥产量较低，可以同时进行能源回收和水的再生利用，是一种很有前景的废水可持续处理的资源化技术[24]；Bacillus-OMBR工艺通过接种耐盐污泥，从根本上解决了反应器内盐度累积带来的负面影响。另外，采用丙酸钠和乙酸根离子的有机化肥等汲取液也可改善反应器内盐度累积[48-49]； BES-OMBR，OMBR-ED和An-OMBR工艺是实现能源回收和污水资源化主要解决方案，但还需要评估现有耦合工艺的能耗来优化整体的能源需求，使其与目前的污水厂运行功耗相媲美。

不同的OMBR耦合工艺有其特定的应用场景，也存在相应的制约因素，为实现OMBR从实验室规模向实际应用转化，必须根据不同的水质情况对反应器的设计和运行采用统一的方法，包括曝气强度的选择、膜组件的设计、HRT/SRT比值等参数的调试[5, 10, 50]，优化反应器内浓度因子和混合液的pH以实现磷元素的高效回收[51]，开发研究功能化汲取液(磁性纳米颗粒等)和膜污染控制联用技术，提高反应器整体性能，分离盐分的同时回收氮、磷等营养元素。减少能源消耗，实现OMBR工艺低碳资源化仍是未来实践和研究的前沿方向。