近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境的惡化，對(duì)凈水技術(shù)的要求越來(lái)越高，尋找高效、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的污水處理方法已經(jīng)迫在眉睫。膜生物反應(yīng)器處理效率高、占地面積小，于20世紀(jì)90年代被國(guó)內(nèi)研究者們關(guān)注，研究發(fā)展至今已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。但是膜生物反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用仍受其脫氮效果不理想、膜污染嚴(yán)重和運(yùn)行成本高等因素限制。與此同時(shí)，生物膜法具有運(yùn)行穩(wěn)定、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、剩余污泥少、無(wú)污泥膨脹、還有一定的硝化反硝化功能等優(yōu)點(diǎn)，因此在生活污水和某些工業(yè)廢水的處理中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　復(fù)合式膜生物反應(yīng)器是將傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器與生物膜法結(jié)合的新型廢水處理工藝。該工藝結(jié)合了兩者優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器的處理效果，減少了剩余污泥產(chǎn)量，有效緩解了膜污染現(xiàn)象，并為反應(yīng)器內(nèi)的同步硝化反硝化（SND）過(guò)程提供了更有利的條件。目前，復(fù)合式膜生物反應(yīng)器還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，國(guó)內(nèi)外關(guān)于這類(lèi)生物反應(yīng)器的研究報(bào)道并不多。鑒于此，筆者從復(fù)合式膜生物反應(yīng)器的構(gòu)成、工作原理、處理效果、分類(lèi)和應(yīng)用領(lǐng)域幾個(gè)方面對(duì)復(fù)合式膜生物反應(yīng)器進(jìn)行介紹，并在此基礎(chǔ)上指出該工藝的不足和應(yīng)用前景。

1 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器的構(gòu)成

1.1 膜生物反應(yīng)器

　　膜生物反應(yīng)器是將活性污泥法與膜分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一種高效凈水工藝，能在維持較高的污泥濃度條件下，實(shí)現(xiàn)SRT與HRT的分離。除此之外，還具有產(chǎn)泥量少、無(wú)污泥膨脹、占地面積小、操作管理方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，膜生物反應(yīng)器在國(guó)內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、電子、輕工、紡織、冶金、食品、石油化工等領(lǐng)域的廢水處理。

1.2 生物膜法

　　生物膜法是利用附著生長(zhǎng)于某些固體物表面的微生物（即生物膜）進(jìn)行有機(jī)污水處理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厭氧菌、兼性菌、真菌、原生動(dòng)物以及藻類(lèi)等組成的生態(tài)系統(tǒng)，其附著的固體介質(zhì)稱(chēng)為濾料或載體。生物膜法主要有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)、生物接觸氧化、生物流化床等工藝形式，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的廢水處理中。

1.3 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器

　　復(fù)合式膜生物反應(yīng)器是在傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器中投加填料作為微生物附著生長(zhǎng)的載體，懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜共同承擔(dān)去除污水中有機(jī)污染物的作用。該工藝對(duì)污染物的去除主要是靠微生物完成，膜組件的作用是截留懸浮微生物和大分子有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)HRT與SRT的分離。廢水中污染物的去除有3種途徑：（1）活性污泥對(duì)污染物的分解與利用；（2）生物膜對(duì)污染物的降解與循環(huán)；（3）膜組件對(duì)大分子污染物的截留作用。復(fù)合式膜生物反應(yīng)器在國(guó)內(nèi)外研究時(shí)間較短，仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，很多方面還有待進(jìn)一步研究。

2 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器工作原理與性能

2.1 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器工作原理

　　復(fù)合式膜生物反應(yīng)器是將生物載體添加到傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器內(nèi)，形成生物膜和活性污泥共存的生化池。廢水進(jìn)入生化池后，水中的污染物被活性污泥和生物膜分解利用。通過(guò)曝氣為生物過(guò)程提供溶解氧，同時(shí)為填料的流動(dòng)提供流化動(dòng)力。有機(jī)質(zhì)在微生物同化作用下合成為細(xì)胞組織或氧化分解為二氧化碳；氨氮先在活性污泥與生物膜表層進(jìn)行硝化，產(chǎn)生的硝態(tài)氮或者亞硝態(tài)氮擴(kuò)散至生物膜或活性污泥菌膠團(tuán)內(nèi)部進(jìn)行反硝化（主要是生物膜）變成氮?dú)庖萆?。生化池?nèi)相比于傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器具有更豐富的微生物種類(lèi)，除了活性污泥中的碳化菌、硝化菌、反硝化菌之外，在生物膜上還存在原生動(dòng)物、后生動(dòng)物和微生物捕食者，這些生物的存在有效控制了污泥產(chǎn)量。

2.2 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器性能

2.2.1 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器脫碳效果

　　復(fù)合式膜生物反應(yīng)器不僅具有高微生物濃度，而且包含豐富的微生物種類(lèi)，大量研究表明其對(duì)有機(jī)質(zhì)的去除效果比傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器要好。林紅軍等研究表明，傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)對(duì)有機(jī)質(zhì)的去除率可以達(dá)到90%以上，且其半飽和常數(shù)比傳統(tǒng)活性污泥法高一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明其對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解效率極高。劉強(qiáng)等將復(fù)合式膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合式膜生物反應(yīng)器對(duì)COD、BOD₅的去除率分別比傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器高4.6%、3.8%。Shuai Yang等對(duì)移動(dòng)床膜生物反應(yīng)器處理人工配水做研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)COD去除率達(dá)到96.2%，高于傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器，說(shuō)明復(fù)合式膜生物反應(yīng)器具有極好的去除有機(jī)污染物的能力。

2.2.2 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器脫氮效果

　　復(fù)合式膜生物反應(yīng)器具有懸浮式和附著式微生物，有較好的脫氮效果。這是因?yàn)橄趸钱愷B(yǎng)菌，在傳統(tǒng)復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中，與碳化菌競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)；而在復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中，填料的加入增加了生物量和生物種類(lèi)，有利于世代周期較長(zhǎng)的硝化菌生長(zhǎng)。另外，生物膜的存在為生化池內(nèi)部分微生物提供了缺氧和厭氧環(huán)境，從而可以實(shí)現(xiàn)SND過(guò)程。如此一來(lái)，復(fù)合式膜生物反應(yīng)器不僅能增強(qiáng)脫氮效果，還能節(jié)約能耗。研究表明，復(fù)合式膜生物反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除效果極好，去除率基本都在90%以上。對(duì)于不同的水質(zhì)，因受到碳氮比的影響，其對(duì)TN的去除效果有較大的差別，但其去除效果均優(yōu)于傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器。M. Paetkau等用復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理人工配水，發(fā)現(xiàn)其對(duì)TN的去除達(dá)到80%，其中有48%是通過(guò)SND過(guò)程去除，余下的氮素為微生物的代謝需要所利用或通過(guò)排放剩余活性污泥去除。而在同等條件下，傳統(tǒng)MBR對(duì)TN的去除率只達(dá)到31%。劉強(qiáng)等^〔11〕對(duì)復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理城市生活污水過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)TN的去除率達(dá)到50.9%，比傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器高13.8%。這一結(jié)果不僅出現(xiàn)在小試實(shí)驗(yàn)中，謝富強(qiáng)等采用復(fù)合式與一體式膜生物反應(yīng)器處理生活污水的中試實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在同等條件下，復(fù)合式膜生物反應(yīng)器比一體式（傳統(tǒng)）膜生物反應(yīng)器對(duì)TN的去除率高10%。

2.2.3 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器除磷效果

　　生物法除磷主要是通過(guò)聚磷菌一類(lèi)的微生物超量吸磷，以聚合體儲(chǔ)存在細(xì)菌體內(nèi)，形成高磷污泥，最后作為剩余污泥排出系統(tǒng)，從而達(dá)到除磷目的；因而泥齡短、產(chǎn)泥量高的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的除磷效果。MBR系統(tǒng)一般污泥齡長(zhǎng)、產(chǎn)泥量低，因此從理論上講MBR的除磷效果不是很理想。李旭東等對(duì)間歇曝氣膜生物反應(yīng)器除磷效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在不排泥的條件下其對(duì)COD、氨氮和TN的去除率分別可以達(dá)到90%、100%和80%，但是對(duì)磷幾乎沒(méi)有去除，與理論的除磷效果相一致。

　　同樣，復(fù)合式膜生物反應(yīng)器除磷效果也不理想，但是將復(fù)合式膜生物反應(yīng)器與其他生物除磷工藝或化學(xué)除磷方法相結(jié)合，也能達(dá)到理想的除磷效果。李亞峰等采用UCT工藝的復(fù)合式MBR系統(tǒng)進(jìn)行脫氮除磷實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該組合工藝對(duì)TP的去除率可達(dá)到86.68%，出水TP為0.71 mg/L，滿(mǎn)足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)（1.0 mg/L）。

2.2.4 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器膜污染控制

　　膜污染在膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行過(guò)程中是不可避免的，是阻礙MBR工藝廣泛使用的主要限制性因素，決定了反應(yīng)器中膜的使用壽命，也影響反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。目前研究者們一致認(rèn)為料液中的SMP（溶解性微生物產(chǎn)物）和EPS（胞外聚合物）是影響膜污染的主要原因，EPS含量越高，膜污染越嚴(yán)重。張愛(ài)寧等研究了復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中EPS分布特征與膜污染之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器混合液中松散態(tài)EPS（LB-EPS） 和固著態(tài)EPS（TB-EPS）都隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而增加，并且與跨膜壓差（TMP）的變化存在較強(qiáng)的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系（R²=0.89），EPS 與表征膜污染程度的TMP 明顯相關(guān)（R²=0.91）。

　　近幾年，一些文獻(xiàn)介紹了關(guān)于復(fù)合式膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器膜污染的對(duì)比研究，Jin Hu等對(duì)膜生物反應(yīng)器添加填料與膜污染的直接關(guān)系做了細(xì)致的探討，結(jié)果表明填料的加入使得反應(yīng)器內(nèi)EPS含量降低到76%，并且隨著填料投加比例的增加，EPS含量還會(huì)降低，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是填料的加入引起微生物活性的增加。Fei Yang等對(duì)不同配置的復(fù)合式膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器處理混合廢水，對(duì)膜污染狀況進(jìn)行對(duì)比研究，所得結(jié)論與上述觀點(diǎn)一致。

3 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器分類(lèi)介紹

　　復(fù)合式膜生物反應(yīng)器的具體運(yùn)行形式有很多種，根據(jù)填料的安裝方式大致可以分為流化床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器與固定床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器。流化床膜生物反應(yīng)器中填料密度與水相近，且不固定，可以隨著氣液流在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)或者移動(dòng)，代表性填料有蜂窩填料、硅藻土、活性碳等。固定床膜生物反應(yīng)器中填料被固定安裝在生化反應(yīng)池內(nèi)，其代表性填料有軟性填料、半軟性填料及復(fù)合填料等，也有使用固定安裝的蜂窩填料。

3.1 流化床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器

　　流化床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中以研究蜂窩填料居多，填料的加入對(duì)系統(tǒng)去除污染物效果和膜污染速率有影響。P. Reboleiro-Rivas等對(duì)移動(dòng)床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理生活污水效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)填料填充比例與水力停留時(shí)間的增加均能促進(jìn)系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物的去除。Shuai Yang等在研究中發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器在COD/TN=8.9，TN負(fù)荷為7.85 mg/L條件下，TN和NH₄⁺-N去除率分別達(dá)到70.0%和80.0%。楊帥等在另一項(xiàng)關(guān)于移動(dòng)床膜生物反應(yīng)的研究中還發(fā)現(xiàn)，控制DO在最佳條件下，系統(tǒng)對(duì)TN和氨氮的去除率分別可達(dá)到60%和100%。

　　流化床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器除了對(duì)污染物有很好的去除效果之外，對(duì)膜污染控制也起到很大作用。一是流化形式的填料在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)對(duì)膜表面產(chǎn)生碰撞，這樣可以避免污染物在膜表面沉積；二是填料的流動(dòng)形式會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)方式，從而導(dǎo)致EPS特性的變化。Fei Yang 等對(duì)不同配置的復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理綜合廢水過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)MLSS濃度與附著生長(zhǎng)微生物量的平衡關(guān)系，是控制系統(tǒng)膜污染的關(guān)鍵因素。

3.2 固定床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器

　　對(duì)于固定床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器的研究相對(duì)較少，Zhaobo Chen等對(duì)比研究多級(jí)循環(huán)復(fù)合式膜生物反應(yīng)器（由罐底至罐頂分段固定安裝蜂窩狀填料，并分段安裝膜組件）和傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器處理低強(qiáng)度綜合廢水過(guò)程，探究了SRT=30 d，HRT分別為20、16、12、8 h條件下的處理情況。在4個(gè)月的實(shí)驗(yàn)期內(nèi)COD的平均去除率分別為92.2%和85.3%，SS的平均去除率分別為93.8%和85%，NH₄⁺-N平均去除率分別為84.1%和65.3%；并對(duì)反應(yīng)器內(nèi)活性污泥特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)這種安裝方式更有利于緩解膜污染。K. K. Ng等研究了固定床復(fù)合式膜生物反應(yīng)器去除有機(jī)物效果與膜污染特征，結(jié)果表明系統(tǒng)對(duì)COD的去除率在93%~98%內(nèi)波動(dòng)，反應(yīng)池內(nèi)SMP的分子質(zhì)量有70%以上在100 Da以?xún)?nèi)，可以很大程度上減緩膜孔徑不小于0.036 μm的膜污染。

　　固定床填料有多種，除了將蜂窩狀填料固定外，T. T. Nguyen等還研究了用海綿作為填料進(jìn)行預(yù)處理的ST-MBR工藝處理生活污水，發(fā)現(xiàn)其對(duì)DOC的去除率達(dá)到95%，氨氮和磷酸鹽去除率分別為83.6%和75.5%，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中膜污染速率受生化池內(nèi)的MLSS濃度影響較大。

3.3 新型復(fù)合式膜生物反應(yīng)器 

3.3.1 活性炭膜生物反應(yīng)器

　　活性炭是一種黑色多孔固體炭質(zhì)，具有比表面積大，吸附性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。活性炭加入到膜生物反應(yīng)器內(nèi)既可以作為生物載體供微生物附著生長(zhǎng)，同時(shí)也能吸附料液中大分子有機(jī)物，對(duì)難降解有機(jī)物的去除和膜污染的緩解都有一定作用。不過(guò)活性炭的過(guò)量添加也會(huì)加劇膜污染，因?yàn)榛钚蕴勘旧硪部赡軐?dǎo)致膜孔堵塞。Cong Ma等對(duì)以活性炭作為生物載體的復(fù)合式MBR在10 ℃條件下處理輕污染地表水實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)活性炭的加入有效控制了膜組件的不可逆污染，并對(duì)氨氮、DOC和UV254的去除率分別達(dá)到93%、75%和85%。Xueqing Li等對(duì)活性炭膜生物反應(yīng)器處理微量污染物做了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)在投加活性炭之前膜生物反應(yīng)器對(duì)磺胺甲惡唑的去除率為64%，對(duì)卡馬西平幾乎沒(méi)有去除，當(dāng)活性炭的投加量從0.1 g/L增加到1.0 g/L時(shí)，系統(tǒng)對(duì)兩種物質(zhì)的去除率分別達(dá)到82%和92%，污染物去除率的提高主要是由于活性炭對(duì)污染物的吸附作用，使得一些難降解的有機(jī)物得到去除。L. N. Nguyen等對(duì)MBR-GAC設(shè)備去除疏水性和難降解微生物產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，活性炭的加入使得MBR對(duì)疏水性和穩(wěn)定化學(xué)物質(zhì)的去除取得突破性進(jìn)展。

3.3.2 蠕蟲(chóng)膜生物反應(yīng)器

　　蠕蟲(chóng)膜生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理在于通過(guò)在生化池內(nèi)接種蠕蟲(chóng)延長(zhǎng)食物鏈，通過(guò)蠕蟲(chóng)對(duì)菌膠團(tuán)的吞噬，起到改善池內(nèi)料液特性和減少剩余污泥產(chǎn)量的作用。歷年來(lái)研究者們對(duì)蠕蟲(chóng)的接種方式做了大量嘗試，發(fā)現(xiàn)游離態(tài)接種蠕蟲(chóng)不易控制，其對(duì)原工藝的影響尚不明確。此后，Xuesong Guo等將蠕蟲(chóng)池與活性污泥池分開(kāi)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)剩余污泥減少了45%~60%。Yu Tian等對(duì)分離的蠕蟲(chóng)膜生物反應(yīng)器膜污染情況作了具體研究，發(fā)現(xiàn)蠕蟲(chóng)的加入導(dǎo)致料液中EPS含量大幅度減少，并能破壞EPS中的芳香類(lèi)蛋白質(zhì)與色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)，對(duì)膜污染現(xiàn)象起到明顯的緩解作用。

4 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理不同廢水的應(yīng)用

　　目前，復(fù)合式膜生物反應(yīng)器的研究雖然只在實(shí)驗(yàn)室和中試階段，但是研究者們對(duì)該工藝處理不同廢水的嘗試從未間斷。復(fù)合式膜生物反應(yīng)器部分典型的研究報(bào)道如表 1所示。

表 1 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理不同廢水的研究

5 結(jié)論與展望

　　復(fù)合式膜生物反應(yīng)器是一種將活性污泥法、接觸氧化法與膜分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型水處理工藝，對(duì)高負(fù)荷與難降解的有機(jī)污染物都有很好的去除效果，并且能降低活性污泥濃度、減少剩余污泥產(chǎn)量、減緩膜污染，受到研究工作者青睞。目前有關(guān)此類(lèi)反應(yīng)器的研究已經(jīng)取得一定進(jìn)展，但總體來(lái)說(shuō)尚不夠深入和系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，未來(lái)復(fù)合式膜生物反應(yīng)器的研究應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：（1）依據(jù)各種填料特性，探討微生物不同填充方式的基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)，深入探究填充方式與膜污染的關(guān)系；（2）關(guān)注微生物填充比例對(duì)基質(zhì)降解效率及膜污染的影響，優(yōu)化反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)；（3）探索反應(yīng)器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行工藝條件的實(shí)現(xiàn)及成本控制。