MBR 技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理中的研究進(jìn)展

何志琴，陳盛，李云*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院

2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心

隨著社會(huì)生產(chǎn)力與經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，我國廣大農(nóng)村地區(qū)正朝著現(xiàn)代化的方向前進(jìn)，農(nóng)村居民的生活物質(zhì)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(nóng)村生活污水治理水平偏低，與農(nóng)村生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和扎實(shí)推進(jìn)美麗宜居鄉(xiāng)村建設(shè)目標(biāo)仍有較大差距[1]，需要因地制宜地進(jìn)行農(nóng)村生活污水治理。膜生物反應(yīng)器（MBR）具有占地面積小、易安裝、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)村生活污水處理中頗受關(guān)注。因此，筆者對MBR 技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用、MBR 膜污染控制以及能耗優(yōu)化等方面進(jìn)行了綜述，以期為農(nóng)村生活污水治理技術(shù)選擇提供參考。

1 農(nóng)村生活污水特點(diǎn)

農(nóng)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(jī)負(fù)荷[3]；灰水來自洗浴、洗衣、廚房等，污染物濃度較低[2]。灰水的排放量大于黑水[4]。我國許多地區(qū)農(nóng)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(nóng)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(fèi)[5]。北方地區(qū)廁所改造后糞污進(jìn)入化糞池處理并進(jìn)行綜合利用，而灰水一般單獨(dú)處理。這種分質(zhì)處理方式有助于最大程度地實(shí)現(xiàn)污水資源化利用。黑水與灰水的化學(xué)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(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀及問題

農(nóng)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(jì)較為發(fā)達(dá)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(shè)集中污水處理設(shè)施處理；而居住較為分散、偏僻，或經(jīng)濟(jì)不夠發(fā)達(dá)的地區(qū)一般采用分散處理方式。

農(nóng)村生活污水處理技術(shù)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(yīng)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(yùn)行管理方便，投資費(fèi)用小，但是其應(yīng)用易受地域氣候特點(diǎn)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(diǎn)包括投資費(fèi)用低、運(yùn)行操作簡單及能耗較低，但存在脫氮效率欠佳的缺點(diǎn)，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(diǎn)，但是其出水指標(biāo)相對較低[9]。生物濾池是對傳統(tǒng)生物濾池的改進(jìn)，具有占地面積小、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)及運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)[10]，但其長時(shí)間運(yùn)營易出現(xiàn)濾池堵塞等問題[11]。A/O、A2O工藝投資費(fèi)用較少、水力停留時(shí)間（HRT）短、不易產(chǎn)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(yùn)輸方便、現(xiàn)場安裝操作簡單及占地面積較小等優(yōu)點(diǎn)[13]，但存在投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理領(lǐng)域有著廣泛、良好的應(yīng)用[14]。MBR 技術(shù)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(guān)的構(gòu)筑物，在節(jié)省面積的同時(shí)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(nèi)置式和復(fù)合式3 種；根據(jù)是否需要進(jìn)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(shù)在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

3.1 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)采用MBR 技術(shù)處理農(nóng)村生活污水的應(yīng)用并不多。裴亮等[16]采用一體化MBR 處理進(jìn)水COD 波動(dòng)較大的農(nóng)村生活污水，HRT 為5～6 h，整套裝置由PLC 自動(dòng)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(dá)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(shù)、PLC 自動(dòng)控制、以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制以及改性超濾膜等功能（圖1），對農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理，經(jīng)過半年的運(yùn)行監(jiān)測，各污染物指標(biāo)均達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A 標(biāo)準(zhǔn)。張文藝等[18]采用移動(dòng)床生物膜-A2O/MBR 對農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理，采用Lawrence-McCarty 模型構(gòu)建污染物降解動(dòng)力學(xué)方程，并通過試驗(yàn)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(dá)到GB 18918—2002 一級B 標(biāo)準(zhǔn)。付麗霞等[19]采用水解酸化-接觸氧化-MBR 一體化裝置對某農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理，MBR 以恒壓方式運(yùn)行，采用逐步提高進(jìn)水負(fù)荷的方式成功啟動(dòng)反應(yīng)系統(tǒng)，經(jīng)90 d 的穩(wěn)定運(yùn)行，出水COD、NH3-N、SS 及TP 濃度均達(dá)到DB13/ 2171—2020《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A 標(biāo)準(zhǔn)和GB 18918—2002 一級A 標(biāo)準(zhǔn)。楊衛(wèi)等[20]采用倒置A2O-MBR 一體化裝置處理農(nóng)村生活污水，通過調(diào)節(jié)缺氧區(qū)和厭氧區(qū)的進(jìn)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(shí)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(yīng)器（C-MBR）對模擬生活污水進(jìn)行處理，通過改變回流比、DO 濃度及HRT等運(yùn)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(qiáng)化除磷效果，結(jié)果表明，在水力負(fù)荷為0.33 m3/(m3·d)的條件下，TP 去除率可達(dá)90.90%。

圖1 MBR 一體化處理設(shè)備[17]Fig.1 MBR integrated processing equipment[17]

國內(nèi)關(guān)于MBR 技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村生活污水分質(zhì)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(jìn)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(diào)等問題，采用倒置A2O-MBR 技術(shù)進(jìn)行處理，結(jié)果表明，在春冬兩季若要達(dá)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；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(dá)到GB 18918—2002 一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

表2 列出了以上幾項(xiàng)MBR 技術(shù)處理混合農(nóng)村生活污水效果的對比。由表2 可知，盡管農(nóng)村生活污水進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，MBR 技術(shù)仍能發(fā)揮穩(wěn)定的去除作用。膜能夠?qū)⑽⑸锝亓粼诜磻?yīng)器內(nèi)，使得世代時(shí)間較長的硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌及其他降解有機(jī)物的微生物得到最大限度的增長，同時(shí)，由于MBR 耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，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(dá)到GB 18918—2002 一級A 標(biāo)準(zhǔn)。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?yàn)槲勰帻g較長時(shí)，富磷污泥不能及時(shí)排出，導(dǎo)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(dǎo)致聚磷菌除磷過程中缺乏碳源，硝酸鹽對聚磷菌釋磷也產(chǎn)生一定影響。所以，MBR 一般需要與投加化學(xué)藥劑、控制污泥齡等過程聯(lián)用來達(dá)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(xué)方法輔助除磷。

表2 國內(nèi)MBR 處理農(nóng)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(jìn)展

國外采用MBR 技術(shù)處理分散生活污水的應(yīng)用較為廣泛。Fountoulakis 等[25]使用SMBR 處理希臘克里特島一個(gè)獨(dú)戶住宅的真實(shí)灰水，系統(tǒng)由生物反應(yīng)器和平板膜組成，在膜模塊基部進(jìn)行曝氣。9 個(gè)月的運(yùn)行結(jié)果顯示，出水COD 平均約為60 mg/L。約旦哈姆西大學(xué)使用SMBR 處理某實(shí)際灰水的研究結(jié)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(shí)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(yīng)器（EC-SMBR）組合工藝對灰水進(jìn)行處理，并用無電凝聚的SMBR 進(jìn)行對照，結(jié)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(jié)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(shù)處理某體育中心洗浴灰水，運(yùn)行時(shí)間超過1 年。由于洗浴灰水中有機(jī)負(fù)荷較低，導(dǎo)致系統(tǒng)中生物質(zhì)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(dá)到較高的處理效率。且由于MLSS 較低，MBR 無需反沖洗或化學(xué)清洗即可進(jìn)行長期運(yùn)行。Palmarin 等[30]比較了一種新型的混合膜生物反應(yīng)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(dòng)床介質(zhì)，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(qiáng)，HMBR 的TN 和NH3-N 去除率平均提高了8%和5%。

對以上研究進(jìn)行對比分析(表3)可以看出，MBR 技術(shù)對分散生活污水的處理能達(dá)到較高的效率，有機(jī)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(dá)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。總的來說，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(nóng)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(nóng)村生活污水進(jìn)行處理。值得注意的是，MBR 技術(shù)在較低溫度下對TN 的去除率會(huì)有所下降，膜組件的污染狀況也會(huì)更嚴(yán)重，所以在實(shí)際應(yīng)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(nóng)村地區(qū)。MBR 技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村生活污水時(shí)除降低污染物濃度外，還要關(guān)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(dāng)前MBR 研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

4 膜污染控制

4.1 膜污染機(jī)理

MBR 在運(yùn)行過程中會(huì)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(jī)理主要有2 個(gè)方面：1）在運(yùn)行過程中，活性污泥中的微小粒子、膠團(tuán)或者某些溶質(zhì)分子吸附在膜表面，或是因?yàn)闈獠罴壔沟萌苜|(zhì)在膜表面超過其溶解度，從而形成濾餅層，最終導(dǎo)致膜孔堵塞造成膜污染；2）由于物理作用而引起膜的內(nèi)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]。活性污泥中微生物產(chǎn)生的大量溶解性產(chǎn)物，是殘留有機(jī)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(rèn)為膜的主要污染源是生物質(zhì)。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(zhì)，從而導(dǎo)致產(chǎn)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(dǎo)致膜污染加重的關(guān)鍵因素。李亞峰等[35]研究發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)水量的波動(dòng)也會(huì)影響EPS 的產(chǎn)生，進(jìn)水負(fù)荷的變化會(huì)導(dǎo)致細(xì)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(nóng)村生活污水具有低碳氮比、早晚水量波動(dòng)較大的特點(diǎn)，因此會(huì)產(chǎn)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(jié)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(dǎo)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(yīng)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(gè)階段：首先，多糖和蛋白質(zhì)沉積在膜表面，細(xì)胞嵌入EPS 基質(zhì)形成簇；之后，EPS 和細(xì)胞總數(shù)進(jìn)一步增加，導(dǎo)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(chǎn)生的H2O2和·OH 有利于有機(jī)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(dǎo)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(jī)聚合物材料如聚砜（PSF）、PVDF、聚丙烯（PP）等由于價(jià)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(yīng)用較為廣泛。PSF 膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，耐輻射，機(jī)械強(qiáng)度較高，但是親水性及抗菌性較差，且不耐污染。PP 化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、堿和有機(jī)溶劑，價(jià)格便宜，但孔徑范圍分布寬，在處理污水時(shí)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(jià)格便宜，不僅化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫且具有良好的抗菌性能，機(jī)械性能強(qiáng)，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(fù)合膜，這種復(fù)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(guān)注。

Ni 等[41]采用可見光催化劑CdS/MIL-101(Cr)對PVDF 膜進(jìn)行改性，通過水下可見光照射，CdS/MIL-101 復(fù)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(shí)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(zhì)膜（MMMs），并用于MBR 中提高膜的抗污染性。結(jié)果表明，MMMs 膜的親水性顯著提高，孔隙率明顯降低，混合基質(zhì)膜在MBR 運(yùn)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(fù)合材料用于摻雜改性PVDF 制備得到復(fù)合抑菌膜（圖4），與原膜相比，復(fù)合抑菌膜的接觸角降低，純水通量顯著增加。由于復(fù)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(xì)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(jìn)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(shù)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(yàn)確定了該校園污水處理站的MBR 膜污染調(diào)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(chǎn)水泵運(yùn)行8 min，停止2 min）。通常情況下，MBR 膜組件清洗周期為3 個(gè)月，根據(jù)膜壓差選擇藥劑清洗方式，使MBR 膜組件通量恢復(fù)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(shí)際生活污水，并與擴(kuò)散器裝置進(jìn)行對比。結(jié)果表明，耦合系統(tǒng)在總氧轉(zhuǎn)移速率、膜污染控制和總廢水處理方面非常有效，與擴(kuò)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(zhuǎn)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(kuò)散器(約4.6 W)；在較高的空氣流速(12.5 L/min)下，擴(kuò)散器的標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(jìn)展

MBR 應(yīng)用于農(nóng)村生活污水的另一個(gè)限制因素是能耗問題，農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)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(nóng)村地區(qū)的推廣應(yīng)用。研究表明，MBR 在處理生活污水時(shí)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(huì)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(shí)段的電價(jià)0.725元/(kW·h)來計(jì)算，處理每噸水需要0.46～4.42 元，費(fèi)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(yùn)行成本，促進(jìn)MBR 的大規(guī)模應(yīng)用。

Atanasova 等[46]應(yīng)用MBR 來處理某酒店分離的淋浴灰水，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長為6 個(gè)月，采用ZW-10 浸沒式超濾中空纖維膜組件。結(jié)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(zhì)波動(dòng)帶來的問題，COD 平均去除率達(dá)90%，其中易生物降解COD 去除率達(dá)到51%，高于Hocaoglu 等[47]報(bào)道的29.3%。黃文佳等[48]以MBR 膜池鼓風(fēng)機(jī)曝氣系統(tǒng)為基礎(chǔ)，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(xiàng)式擬合鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)變化曲線，求得不同曝氣工況下膜池鼓風(fēng)機(jī)的能耗范圍；根據(jù)最優(yōu)控制原則，對膜池鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行自控改造；改造后系統(tǒng)運(yùn)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(jié)合、曝氣系統(tǒng)改造3 種措施對MBR 進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，控制膜池MLSS 為6 000～9 000 mg/L，對膜池進(jìn)行徹底清淤，有利于減緩膜污染程度，提高產(chǎn)水量并降低膜擦洗風(fēng)量。結(jié)合后續(xù)曝氣系統(tǒng)改造應(yīng)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(jié)語

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

未來，MBR 技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理方面的研究可從以下2 個(gè)方面做進(jìn)一步探索：1）加強(qiáng)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(diǎn)，可從電場輔助MBR 控制膜污染、膜改性等方面入手進(jìn)行進(jìn)一步探究。電場輔助MBR 控制膜污染可從優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā)，探索最佳的自發(fā)電場強(qiáng)度，促進(jìn)其在實(shí)際污水處理中的應(yīng)用；膜改性可加強(qiáng)采用無機(jī)納米材料對PVDF 膜進(jìn)行親水改性的研究，尋找更為合適的材料進(jìn)行摻雜，在減輕膜污染的同時(shí)節(jié)能降耗。2）研發(fā)兼具處理效率高、成本費(fèi)用低及運(yùn)行維護(hù)管理簡單的MBR 集成工藝，促進(jìn)MBR 在廣大農(nóng)村地區(qū)的使用。