MABR用于黑臭水体治理的技术应用分析

李庭青

摘要：我国地域辽阔，水资源丰富，水网体系发达。随着国内经济发展、人类活动、管理意识等造成的环境污染以及河道水体治理缺乏成熟的管理体系制度，导致河道水体在未治理或经过治理后仍存在返黑返臭现象，直接影响人类生活质量及身心健康。本文介绍河道水体污染现状及技术措施分析，并对河道治理MABR处理技术进行分析研究。

关键字：MABR技术、黑臭水体

1、引言

从“水十条”、“污染防治攻坚战”、“长江大保护”到“提质增效”、“断面考核”乃至“碳中和”概念的提出，环境治理的发展不断向更宏观的边界延伸，水行业精细化治理趋势凸显。2018年，住建部等有關部门发布《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》及“水十条”等政策，到2020年，城市建成区黑臭水体需控制在10%，到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除，并通过加快城市环境基础设施建设、完善长效机制，从根本上解决导致水体黑臭的相关环境问题。截至2020年底，全国地级及以上城市2914个黑臭水体消除比例达到98.2%[1]。

但水体治理是长期、持续性的跟进研究工作，需要科学治污、精准治污。2021年以来随着中央生态环境保护督察发现多地水体返黑返臭问题频现。表明黑臭水体整治范围不断扩大，不再局限于地级及以上城市，城市建成区的黑臭水体整治将成为下一个巨大的增量市场。

2、黑臭水体形成原因及技术选择分析

2.1黑臭水体形成原因

河道水体污染主要为水中的微生物以及藻类对生活、生产垃圾中的糖类、氨基酸、油脂、蛋白质等有机物的分解而形成的污染。有机物的分解造成水体溶解氧量快速的减少，同时硫酸氢含量增加，进而导致水体变黑变臭。同时，大量污染物出现沉积形成淤泥，随着水体的扰动形成反噬，降低水体复氧能力，加剧水体变黑变臭[2]。

水体黑臭具体形成原因大致可概况为以下几个因素：①上游来水水质不达标，来水水体重度黑臭;②沿河排污口污水及初期雨水排入污染;③河道两岸面源污染源汇入;④底泥有机质和重金属释放;⑤河道水动力较差;⑥河道长期无人管理维护。

通过分析汇总目前成熟黑臭水体治理技术，单一或者组合的物理、化学、生物等处理技术被广泛的运用于城镇及乡村黑臭水体治理，但受制于当地诸多影响因素，在技术选择上采取的控源截污、清淤疏浚、引水补水等技术方案和手段，并没有对污染水体进行系统、全面、有效地控制，也没有有效提升受纳水体自净能力，容易造成水体容易返黑、返臭，从而导致黑臭水体治理陷入反复治理的恶性循环。

2.2黑臭水体治理技术选择

黑臭水体整治技术的选择应遵循“适用性、综合性、经济性、长效性和安全性”等原则，具体可归纳为“管网诊断、控源截污、内源治理、补水活水、生态修复、长效治理”等技术手段。

伴随着治理的升级，在控源截污、点源治理、面源治理的要求下，河道水质提标需求已在加速释放，传统技术已经逐渐不符合可持续发展的需求，它们产生的高耗能、高成本和碳足迹排放都与可持续发展的意愿背道而驰，而能耗低、占地小、脱氮效率高的工艺及成套装备等符合当前市场需求的治理模式也会受到高度重视。因此，结合国内河道污水处理现状，提出膜曝气生物反应器（membrane biofilm reactor，MABR）核心技术，提供了一种高效节能的替代选择。

3、技术介绍与优势

3.1技术介绍

MABR技术将气体分离膜与传统生物膜技术相耦合，主要由膜组件和生物膜组成，以被动曝气为基础、中空纤维膜为载体，保持气体分压在膜组件泡点以下，空气或氧气以无泡曝气的形式扩散进入中空纤维膜，并在压差驱动下向生物膜内扩散，一张好氧硝化生物膜在膜表面生成，通过生物膜吸附和浓度差驱动等作用，实现水体污染物与空气或氧气在膜内呈现相反的传递方向和浓度梯度，从而形成膜分层结构，实现同步硝化及反硝化反应在中空纤维膜表面同时进行。理论研究将100%的氧转移到水中，曝气能耗将降低75%～95%[3]，最大化地解决缺碳、能耗高、占地多的问题、并降低出水中的氮含量。

MABR创新的“双膜法”技术使得生物膜从与污水接触区域到膜中心区域依次为厌氧层、缺氧层和好氧层。厌氧层基本不含有氧气，菌群主要由厌氧发酵菌、产氢产乙酸菌及产甲烷菌组成，针对可生化性差的难降解有机物实现水解酸化预处理;缺氧层区域溶解氧含量较低，菌群主要由反硝化细菌组成，利用厌氧层的产物或污水中存在的易降解有机物作为碳源，将从好氧层传递过来的硝酸盐、亚硝酸盐等氧化物还原为NO、N2O和N2;好氧层溶解氧浓度较高，菌群主要由世代周期较长的硝化菌和异养好氧菌，进行氨氮和易降解有机物的氧化分解。这种独特的分层结构使MABR具有同步硝化反硝化、能耗低、占地小、氧气利用率高、泥龄长浓度高及运行费用低等许多优点[4]。

MABR技术作为近年来新兴的一种污水处理工艺，已受到越来越多科研人员的关注，并从微观和宏观两方面进行研究。微观层面，对MABR膜组件在运行过程建立数学模型，研究各层生物膜中微生物种类、数量、机理及生物膜各层中氧气和污染物的传递效率、传递速率及传递机理;宏观层面，主要对膜材料性能改性、膜组件及系统装备的集成改进、系统运行过程各参数（水流流速、曝气压力、营养物比例、pH等）的优化、MABR与其他工艺段的组合优化及大规模应用研究。

3.2技术优势

在传统活性污泥工艺中，40%～60%的能耗用于曝气，但是鼓风曝气只能将5%～25%的氧转移到水中，剩余的会以气泡的形式逸出进入大气。MABR技术与传统工艺相比，理论上可将100%的氧转移到水中[5]，鼓风曝气的能耗将降低75%～95%。同时曝气膜可以实现原位净化，膜系统可直接一次性横跨或岸边安装于河道水体中，施工极为简便，不影响河道行船排涝。同时膜系统通过培养驯化本土微生物进行污染物降解去除，实现长效生态治理，水质持续提升。

在实际运行过程中，MABR技术具有优异的抗水力及污染物冲击能力，后期维护简单，可实现在无人值守的条件下可持续运行，从而实现高性价比。

（1）氨氮去除效果

MABR技术中，各类微生物吸附生长于曝气膜丝外表面，达到稳定附着后，处于动态平衡状态，不会随水流冲击而迅速较少，SRT理论研究认为较长，诸如硝化菌等生长世代周期较长、增殖速度缓慢的微生物，实现快速富集;同时，曝气膜保证了氧气的传质效率和速率，为硝化反硝化反应提供了必要条件，这是MABR技术能快速降解河道氨氮的主要原因。

（2）总氮去除效果

在新一轮提标改造及水质提升的背景下，总氮的脱除和成本的平衡都是较难解决的问题。传统脱氮工艺是在独立空间的缺氧区完成，使硝化和反硝化过程独立进行，由于内回流导致缺氧环境破坏，脱氮效果较差。而在河道本体内，无法实现缺氧和好氧区的物理分离，而MABR技术，通过将曝气膜至于河道内，调整曝气压力，实现无泡曝气，控制生物膜厚度及形成时间，实现无泡曝气或间歇曝气的方式达到河道水体总氮的脱除。

（3）总磷去除效果

生物除磷通过好氧/厌氧的交替运行，使过量积聚磷酸盐的聚磷菌占优势生长，通过厌氧状态下释放磷，好氧状态下过量地摄取磷，再经过排放富磷剩余污泥，除磷效率约为40%。MABR技术中中空纤维膜作为微生物繁殖载体，生物量远大于悬浮生长的生物量，微生物在增殖过程中需摄取磷元素，实现总磷浓度去除;另外，大量的微生物分泌的EPS（胞外聚合物）具有较强吸附能力，能够吸附水体中的磷酸盐，实现总磷浓度去除;第三，河道水体中，自身形成的各类生物链，对于磷浓度的降低也起到了至关重要的作用。

4、MABR技术在黑臭水体治理中的应用

在河道治理、黑臭水体整治技术的选择中，国内较常采用生态修复、河道曝气、河道清淤、微生物投加等传统技术手段。生态修复结合河道曝气技术具有能耗低、一次性投资少、无二次污染等优点成为目前广泛采用的手段，但其具有气温周期性、见效慢等缺点。通过向河道水体中供氧，提高微生物数量及活性，提高河道自净能力，加快微生物对污染物的降解和吸收，从而净化水体。但是在曝气过程时，随着气泡扰动，河道底泥随之搅动，造成底泥中污染物的加速释放，同时曝气传氧效率极低，能耗较高。另外秋冬季气温较低，沉水植物、挺水植物开始枯萎，不僅无法进行水体营养物的吸收，同时未能及时清理的枯叶也将对河道行程二次污染。

与传统河道水体治理技术相比，MABR技术改变了污染物及氧气传统传递路线，实现在浓差驱动和生物膜吸附等作用下，氧气和污染物均由生物膜外侧向内侧扩散传递，使得生物膜具有分层的结构特点，生物膜内层氧气较足且有机污染物含量低，有利于硝化菌的聚集，而外层为厌氧层，长期处于缺氧乃至厌氧状态且有机污染物较为丰富，为反硝化提供了良好条件，从而实现去除有机碳的目的。

MABR技术应用在黑臭河道及微污染河道水体中，不仅能够快速提高水体中溶解氧的含量，降低氨氮、COD等主要污染物的含量。而且能够有效抑制水体蓝藻的爆发，提高河道整体感观性。MABR技术在城市河道黑臭水体修复中效果显著，值得推广。

5、总结

城市及乡镇水体黑臭不仅损害城市人文环境，也严重影响城市形象。目前随着《水污染防治行动计划》等国家及地方政策的陆续出台，黑臭河道治理及水质提升工作依旧处于起步发展阶段，但河道治理需要专业评估，一河一策，长效管控。为适应越来越严格的水质提升标准，MABR技术因具有无泡曝气、原位净化、同步硝化反硝化、安装运维方便等优点完全可以实现黑臭河道治理及提标的需求。

虽然国内对MABR技术研究已经取得突破性发展，但与成熟的污水处理传统工艺相比，MABR技术仍然存在较多问题。例如：（1）在氧传递效率、氧传递速率与微生物附着等关键技术因素之间，目前缺少高性价比的MABR膜元件;（2）目前在MABR技术高效脱氮除磷及节能降耗等方面的机理仍处于推理阶段，对OTE、OTR、生物膜厚度、硝化反硝化速率等实际过程指标的检测及分析是一个亟待解决的问题。（3）针对不同的废水特征，MABR技术缺乏大中型实际应用案例、数据及操作条件，暂无法满足大规模推广;

参考文献

[1]胡晓勇，蒋尊芳，苏士安，舒波.黑臭水体治理技术分析[J].资源节约与环保，2021（06）：102-103.

[2]宫志杰.MABR用于上海城市河道水生态修复的初步研究[J].科学技术创新，2019（32）：109-111.

[3]陈珺.未来污水处理工艺发展的若干方向[J].规律及应用科技信息综述，2018（44）：129-141.

[4]李保安，田海龙，李浩.膜曝气生物膜反应器微生物膜结构研究进展[J].膜科学与技术，2013，12（33）：1-6.

[5]王晓东，赵新华，李霞.膜曝气生物反应器的研究进展[J].化工进展，2015，24（10）：1141-1146.