膜曝氣生物膜反應器（MABR）作為一種能耗低、占地小、脫氮效率高的新技術受到廣泛關注。MABR的供氧方式具有“無泡曝氣”特性，即氧氣從透氧膜內通過擴散作用傳遞至膜外側過程中無氣泡產生，不像傳統微孔曝氣需經過液相邊界層，故其無α系數轉化問題，具備更高的氧傳遞效率。同時，MABR的傳質過程具有“逆向擴散”特性，即來自透氧膜內部的氧氣與來自外部水體中的底物從相反方向進入生物膜，兩者將產生不同的傳質濃度梯度，使生物膜形成獨特的分層結構。MABR內層生物膜因供氧充足且底物濃度低，利于硝化自養菌生長，而外層生物膜與之相反，更有利于異養菌生長，大幅降低了硝化菌與異養菌對氧氣的競爭，以及硝化速率受BOD負荷的影響。一般將MABR置于缺氧區運行，可實現同步硝化反硝化（SND），有效降低系統的硝化液回流量，從而降低運行成本。
MABR的諸多優勢使其具備廣闊應用前景，但目前的實際工程案例還不多，且國內采用其處理市政污水的中試研究規模普遍較小，運行周期也較短。為更加貼合實際工程應用場景和更深入驗證MABR的性能及表現，于南京市某污水處理廠內建設了處理量為400m³/d的示范項目，結合現場實際工況，開展工程規模下的應用研究。示范項目參照目前主流的市政污水處理工藝A2O，采用A2OMABR工藝，按現有工程標準建設及運維，配備完善的自動化數據監測系統及定期的人工采樣檢測，旨在通過對該項目的長期穩定運行監測，收集大量數據進行總結分析，多角度評估MABR的應用效果，為該技術的開發與推廣奠定基礎。
1、項目概況
1.1 設計規模及水質
示范項目位于南京市某市政污水處理廠曝氣沉砂池旁，進水為曝氣沉砂池出水，取水點位于精細格柵后端。設計處理量為400m3/d，占地面積約150m2。設計進水COD、氨氮、TN、TP濃度分別為180、27、30、3.2mg/L，經處理后的出水水質預期達到《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）的Ⅳ類（其中TN≤10mg/L）。
1.2 工藝流程及布置
系統以連續進水連續出水的方式不間斷運行，工藝流程為：進水→厭氧區→缺氧區→好氧區→二沉池→出水。池體采用碳鋼板焊接而成，配套彩鋼房中控室、風機房、水質在線監測室及碳源投加裝置等設施，現場布置見圖1。在缺氧區內安裝2座同規格的MABR膜箱，與缺氧區共同組成“MABR單元”，采用1臺無油風機對2座膜箱供氣。考慮MABR具有高效硝化能力及SND作用，故未設置硝化液內回流，回流泵僅作二沉池污泥回流用。為驗證系統自身的生物脫氮除磷能力及避免干擾，碳源投加僅作強降雨等突發情況下維持污泥活性的應急使用，不用作例行投加以提升處理效果與出水水質。因占地及成本受限，不設配套污泥處置設施，剩余污泥排入污水廠進行處置。
MABR膜箱主要由集成中空纖維膜絲的多列膜組件、整體支撐框架、氣體分配組件與管路構成。工藝運行流程為：風機供氣由膜箱上部進入，經過膜絲利用后，尾氣在膜箱下部的集氣裝置內聚集，再導入至裝置兩側的穿孔管后產生向上的脈沖大氣泡，對膜絲進行擦洗以控制生物膜厚度、沖刷附著的雜質垃圾，并攪動混合周邊缺氧區的活性污泥。空氣在膜絲內腔因溫差產生的冷凝液將存于底部收集槽內，定期由外部水射器吸出排放。
1.3 設計及運行參數
各生化區有效水深均為3.5m，其中厭氧區尺寸為2.1m×2.4m×3.8m，缺氧區尺寸為6.0m×2.4m×3.8m，好氧段三區尺寸為2.1m×2.4m×3.8m、3.0m×2.4m×3.8m、3.0m×2.4m×3.8m；中進周出輻流式二沉池的尺寸為Ø7.1m×3.8m，有效水深為3.4m，設計表面負荷為0.42m3（/m2·h）。單座MABR膜箱的膜面積約1900m2，體積約11m³。
在2022年10月—2023年7月期間，系統各項運行參數平均值如下：進水量為（298±16）m3/d，進水溫度為（18.6±4.0）℃，進水pH為6~8；污泥回流比為（65±9）%，SRT為（9±2）d；好氧區末端MLSS為2400mg/L；好氧區曝氣量為（92±28）m3/h，DO為（2.6±0.9）mg/L；2座MABR膜箱供氣量共（17.5±1.1）m3/h，供氣壓力為（50.1±1.2）kPa。
1.4 分析指標及方法
通過江蘇德林在線監測儀對系統進出水COD、氨氮、TN、TP進行檢測，頻率為1次/h；采用水質傳感器實時監測生化區的DO、pH、ORP及MLSS；MABR尾氣的氧濃度采用在線氧分析儀（上海昶艾，CI-PC162）實時監測；定期采集缺氧區的進出水水樣，在實驗室采用標準方法測定氨氮、硝酸鹽氮、正磷酸鹽濃度；對MABR的生物膜采樣及處理后，利用高通量測序技術對16SrDNA特征序列進行分析。
1.5 池體水力狀態的示蹤試驗
構筑物的水力狀態對水處理生化反應的傳質過程及效率有顯著影響，進而決定處理效果的優劣。為檢驗生化區有無死區、短流問題，以及是否符合CSTR模型的水力全混狀態，進行了示蹤試驗：將示蹤劑羅丹明B加入待測試的池子中，注入清水至有效水深并開啟攪拌混合設備，再按照設計流量穩定供應清水作為進水源，之后定時取出水口水樣檢測示蹤劑濃度，記錄其隨時間的變化數據并繪制相應變化曲線，從而判斷結果是否符合所采用的流體模型。結果表明，示范項目的生化區池體設計符合CSTR模型，達到了較理想的水力全混狀態，為后續系統發揮處理效能及穩定運行提供了基礎保障。
2、運行結果與分析
2.1 總體運行效果
經過污泥接種培養、MABR掛膜、聯動調試后，系統運行狀態逐漸穩定。2022年10月—2023年7月運行期間總體進出水日均指標見表1，其中進水取樣點為精細格柵后，出水取樣點為二沉池出水口。
運行期間出水水質接近設計要求。對比實際MABR工程對COD、氨氮、TN、TP的去除率，如北方地區某提標改造工程為90%、92%、83%、88%（未加藥），湖北某高速公路服務區試點工程約為95%、99%、97%、96%，本項目對TN、TP的去除率略低。
示范項目進水COD濃度波動較大，出水長期保持穩定。氨氮去除率最高，得益于MABR高效的硝化作用。由于MABR附著固定生長的好氧生物膜，以及高效硝化性能對好氧區硝化作用的替代和增強，A2O-MABR系統可長期保持較低的SRT（約9d）運行，從而排放更多的富磷剩余污泥，有利于提高TP去除率。但出水TP與TN仍未達到設計標準，主要原因是進水碳源不足——長期處于進水BOD5與總凱氏氮之比約為3、BOD5與TP之比約為20的低碳源條件下，且外碳源僅為強降雨時短期投加而非用于日常運行。
2.2 MABR的氧傳遞效果
評判MABR氧傳遞效果的3個重要指標為傳氧效率（OTE，空氣中氧氣傳遞至生物膜上的比例）、傳氧速率（OTR，每平方米膜面積每天傳遞的氧氣量）及充氧動力效率（AE，每消耗1kW·h電量所傳遞的氧氣量）。根據在線氧分析儀監測的膜箱尾氣氧濃度數據，計算出運行期間OTE、OTR、AE的平均值分別為27.4%、9.0g/（m2·d）、4.7kg/（kW·h），與美國YBSD升級改造應用工程及中試案例的數據接近。傳統曝氣裝置的OTE設計值一般為10%~20%，微孔曝氣器的AE為2.6kg/（kW·h），表明MABR具備更高效的氧傳遞能力。
2.3 MABR單元的脫氮除磷效果
為評估MABR單元的脫氮除磷效果，定期采集缺氧區的進出水水樣，分析氨氮、硝酸鹽氮及正磷酸鹽指標。MABR單元對氨氮的去除由其上生長的好氧生物膜通過硝化反應來實現。采用MABR對總進水氨氮的去除占比來評估其硝化能力，結果見圖2。MABR去除占比為19%~37%，平均值為28%。對比北方地區某提標改造工程去除占比為9.6%（該項目本身設計值低），英國某中試案例去除占比為21%~34%，表明本項目MABR的硝化效果良好。且運行期間MABR去除占比基本保持在20%以上，表現出穩定的硝化性能。由圖2可知，MABR的硝化作用與氨氮濃度之間有明顯的相關性，這表明MABR的生物膜系統正處于氨氮限制條件下運行。該特點有利于應對進水氨氮峰值負荷的沖擊，并可為后段好氧區懸浮態活性污泥系統規避或減輕超負荷運行的風險。
MABR單元的SND作用主要由MABR上內層好氧生物膜對氨氮的硝化、外層缺氧生物膜及懸浮態活性污泥對硝酸鹽氮的反硝化組成。根據進出水氨氮及硝酸鹽氮數據，分別計算出兩者的去除量作比較以評估同步硝化反硝化效果，如圖3所示。可知兩者去除量具有較明顯的線性關系，表明MABR單元內SND效果較為良好，使系統可在無硝化液回流的運行方式下滿足生物脫氮需求，既節省了內回流所需的能耗，又避免了傳統A2O工藝內回流夾帶溶解氧對反硝化過程造成抑制的問題。
MABR單元的除磷效果如圖4所示。大多時段下進出水正磷酸鹽濃度相差較小，除磷效果較弱。MABR單元的除磷作用可能是通過一類不同于傳統聚磷菌（PAOs）的反硝化聚磷菌（DPAOs）來實現。DPAOs可在缺氧條件下利用NO2⁻或NO3⁻作為電子受體吸收環境中的無機磷酸鹽合成多聚磷酸鹽進行除磷，而導致除磷效果低的潛在原因有DPAOs富集量較少、前段厭氧區釋磷不充分、水溫較低及反硝化菌對DPAOs的競爭等。因MABR單元對磷的去除貢獻較低，故對于系統整體的除磷作用而言，仍主要依靠傳統聚磷菌的厭氧釋磷及好氧吸磷過程，最終通過排出富磷剩余污泥實現。
2.4 微生物多樣性分析
在系統運行穩定且MABR充分掛膜后，沿著進出水流方向對膜箱前中后段以及左右兩側膜絲進行生物膜采樣，同時采集膜箱周邊活性污泥混合液樣品，進行生物膜厚度測定、微生物群落結構及豐度分析。各點位分別編號為BI（前段）、BM（中段）、BO（后段）、BL（左側）、BR（右側）、AS（混合液），每個點位取3個樣品。
結果顯示，樣品生物膜厚度在200~500μm之間，已具有分層結構特征。各點位生物膜的絕對豐度（以C計）分別為100.4、92.9、81.8、90.9、85.2mg/g，顯示出前中后段的生物膜生物量在依次下降。考慮到后段出水端膜絲受到更少的進水水流沖擊，故排除水力沖刷減少生物量的影響，則前中后段生物膜生物量沿著水流方向下降應與進水端有更豐富的反應底物有關。活性污泥樣品的絕對豐度為76.3mg/g，生物膜上的生物量相對活性污泥明顯更多，說明MABR具備更好的生物富集作用。再對各樣品進行16SrDNA高通量測序后，分別在門、屬分類水平下統計樣品的群落結構，結果如圖5所示。
從圖5（a）可以看出，在門水平上分類出10種主要細菌門類，且生物膜與活性污泥樣品的微生物種群結構相似，但生物膜樣品的群落分布和多樣性隨水流方向而有所區別，結合上述水流方向上生物量下降的現象，可從側面證明MABR單元的水力流態良好，無阻塞短流等狀況。無論在生物膜還是活性污泥中，變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）及硝化螺旋菌門（Nitrospirae）的相對豐度較高，這與其他中試案例的結果類似。此三者是污水處理系統中的常見細菌類群，Proteobacteria是大多數污水處理系統中最優勢的菌門，是參與脫氮除磷、有機物降解的主要菌種；Bacteroidetes菌門的物種可降解有機物、參與反硝化過程；Nitrospirae則是典型的硝化優勢菌門。
從圖5（b）可以看出，在屬水平上硝化螺旋菌屬（Nitrospira）的相對豐度較高，其是污水處理系統中亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的優勢種屬。各生物膜樣品中Nitrospira占比為5%~18%，平均占比為12%，而在活性污泥中其占比則不到4%。這驗證了MABR對硝化菌的富集作用，該特點是MABR具備更優硝化性能的基礎保障。
2.5 運行能耗分析
運行期間通過現場安裝的電表讀數，統計系統的耗電量在152~188kW·h/d之間，平均為171kW·h/d，平均能耗約為0.57kW·h/m3。對比處理規模<1×104m3/d的實際污水處理廠（0.346±0.211）kW·h/m3的平均能耗統計數據，本項目總體能耗偏高。多方位分析后總結造成系統能耗偏高的主要原因有：示范項目各類儀表、中控設備、照明及換氣等公共系統的用電在總體用電中占比不低，但項目規模相比實際污水廠還不足夠大，故無法較大程度上平攤該部分用電量而使噸水能耗較高；為使系統調控有足夠的操作空間，示范項目在設備選型上往往有較大的負荷冗余，導致工作功率上升、能耗增加。
單獨統計MABR系統的平均能耗為0.11kW·h/m3，相對北方地區某提標改造工程（MABR工藝段運行能耗為0.61kW·h/m3）而言較低。示范項目MABR運行能耗僅占總體能耗的19%，而傳統活性污泥法中好氧曝氣能耗約占總能耗的50%以上。MABR系統的低能耗得益于其曝氣量相比傳統工藝的好氧區大幅降低，故所需鼓風機裝機負荷小、用電量低。同時A2O-MABR工藝降低或取消傳統活性污泥法的硝化液回流后，原有回流設備對應的電耗也將被節省。綜上所述，A2O-MABR工藝具有降低能耗的作用，但因項目規模所限導致能耗降低效果不明顯。而隨著MABR技術不斷推廣，在更大規模工程化應用場景下節能降碳優勢將會更加顯著。
3、結論
①示范項目水池水力條件達到CSTR全混狀態，這是系統穩定運行的基礎。
②系統總體出水水質接近設計要求；MABR的氧傳遞及硝化性能穩定，硝化去除的氨氮占總進水氨氮的28%；MABR單元的同步硝化反硝化效果明顯，除磷效果因各種因素影響而不顯著。
③MABR掛膜效果良好，生物富集作用更強，存在豐富的各類污水處理系統典型菌種，且生物膜內硝化菌相對豐度更高，平均值達到12%。
④MABR系統的耗電量僅占總體能耗的19%，在未來更大規模的工程化項目中將會進一步突顯出節能降碳的優勢，應用前景廣闊。（來源：南京智島水環境科技有限公司，蘇交科集團股份有限公司，江蘇金陵環境股份有限公司，南京市給排水工程設計院有限公司）
