关琦

萃取式膜生物反应器在水处理中的应用

任鸿梅;任龙飞

【摘要】针对水环境中日益严重的难降解有机物污染问题,集萃取膜和专性降解菌

技术为一体的萃取膜生物反应器(EMBR)凭借其废水循环和生物降解分开运行的独

特优势,正得到日益广泛的关注.尽管传统硅橡胶(聚二甲基硅氧烷)管式膜存在传质

慢、易污染等不可避免的问题,但随着新型萃取复合膜的进一步研究,EMBR工艺将

得到进一步地应用推广,对难降解有机物的去除也将提供新思路和新方法,对水资源

安全保障有重要意义.%Aimedtosolvetheproblemofincreasingpollutionof

refractoryorganicpollutantsinaqueounvironment,extractivemembrane

bioreactor(EMBR)integratingnovelextractivecompositemembraneand

obligatedegradingbacteriaisreceivingmoreandmoreattention,asitcan

ther

developmentonextractivecompositemembranecansolvemasstransfer

ovel

membraneswillprovidenewsolutionsonhowtoremoverefractory

organicpollutants,pavethewaytofuturefundamentalstudiesonnovel

extractivecompositemembranetechnology,andprovidetheoretical

ore,EMBRis

ofsignificantimportancetoguaranteethecurityofwaterresource.

【期刊名称】《净水技术》

【年(卷),期】2017(036)0z2

【总页数】4页(P90-92,141)

【关键词】萃取式膜生物反应器;有机废水;膜材料;聚二甲基硅氧烷

【作者】任鸿梅;任龙飞

【作者单位】山东省桓台县第一中学,山东淄博256400;上海交通大学环境工程与

科学学院,上海200240

【正文语种】中文

【中图分类】TU992

膜生物反应器（membranebioreactor，MBR）是一种集膜的高效分离和生物降

解两种技术优势为一体的水处理技术，具有出水水质优良稳定、占地面积小、水力

停留时间和污泥龄完全分离、便于自动控制等诸多优点。在水资源愈发匮乏和水污

染日益严重的今天，该技术在水处理界受到广泛的重视和应用[1]。根据膜在整个

MBR处理系统中所起的不同作用，通常可将MBR分为以下三类：固液分离膜生

物反应器（solid-liquidparationmembranebioreactor，SLSMBR），无泡

曝气膜生物反应器（bubblefreeaerationmembranebiologicalreactor，

AMBR）和萃取膜生物反应器（extractivemembranebioreactor,EMBR）。然

而传统的一体式MBR（SLSMBR和AMBR）在处理含有挥发、半挥发性有机物的

工业废水及含高酸碱、高盐度、高pH的废水时，其内微生物的生长受到明显抑制，

污染物处理效率显著降低，反应器运行稳定程度受到显著影响。在此情况下，生物

反应区和废水循环区分离并可稳定运行的萃取膜生物反应器，得到了越来越广泛的

关注。

EMBR概念最早由英国帝国理工大学Livingston教授于20世纪90年代提出[2]。

该工艺将膜萃取技术和生物降解技术有效结合，采用选择性透过膜将废水循环单元

和生物降解单元完全隔开，从而具有其独特的原理和优势：废水中只有毒性高的疏

水性的目标有机物污染物透过膜，进入生物降解单元，进而被专性降解菌降解；而

废水中其他无机组分（如酸、碱、盐、重金属等）仍在废水循环单元，不会对微生

物代谢产生影响；生物降解单元中微生物对难降解有机物的降解可选择在最优化的

条件下进行，这使得EMBR非常适合处理强酸、强碱、高盐度、生物有毒物质存

在等不宜与微生物直接接触的，以及在传统好氧活性污泥处理中容易随曝气气流挥

发从而造成二次污染的含挥发和半挥发性有机物的废水。图1为萃取膜生物反应

器（EMBR）的运行原理。

EMBR作为一种特殊的膜生物反应器，与传统的分离技术相比，具有以下几个优

点。

（1）废水中只有有机物污染物可透过膜，进入生物降解单元，进而被专性降解菌

降解；而废水中其他无机组分（如酸、碱、盐、重金属等）仍在废水循环单元，不

会对微生物代谢产生影响。

（2）生物降解单元具有最合适的溶液pH值和离子强度、营养物质、曝气量等，

从而可维持最大的污染物降解速率和微生物活性[3]。

（3）生物降解单元的专性降解菌及其代谢产物、污染物生物代谢的中间产物不会

对废水造成二次污染，不存在微生物与废水的分离问题。

（4）生物降解单元的专性降解菌只对透过膜的有机物进行降解，而不需像其他

MBR工艺需处理全部的废水量，从而使能耗也降低[4]。

（5）膜渗透萃取过程是污染物逐渐释放到微生物体系中的过程，当微生物单元中

的污染物浓度过高时，目标污染物的渗透萃取速率会因浓度梯度和渗透压的变化而

自动降低，从而使微生物单元的有机负荷处于相对稳定的状态。

（6）相较于微滤、超滤等依托于膜孔拦截分离的膜分离过程，膜渗透萃取过程不

易发生膜孔堵塞的问题，在膜的清洗和物料的预处理方面较简易。

（7）在萃取膜生物反应器中，废水循环单元和生物降解单元相互独立，操作管理

方便，处理效果稳定。

工业废水由于其酸碱度高、盐浓度高或者含有挥发性、半挥发性难降解有毒物质，

不宜用废水与微生物直接接触的方法处理，给传统的生物处理带来了一定难度。而

EMBR独特的运行特点却可以解决这些问题，为污水处理提供了新思路和新方法。

目前，国外有关EMBR的研究集中在Livingston教授研究小组。他们在EMBR

中主要采用硅橡胶（聚二甲基硅氧烷，PDMS）管式膜，实现了各类工业废水中苯

酚、氯硝基苯、氯苯、二氯苯胺、二氯丙烯等的高效去除[5－8]。Brookes等[9]

对传统活性污泥和EMBR进行了对比研究，结果表明，对于不经前期处理的含2,3

－二氯苯胺（23DCA）和3,4－二氯苯胺（34DCA）的实际工业废水，难以利用

活性污泥法处理。而利用EMBR工艺，苯胺类物质可以选择透过PDMS膜萃取进

入生物反应器，在长达5个月的连续运行试验中，对DCA的去除率均高达

95%～99%。

同时，Livingston教授研究小组在改进前期投影（PT）技术的基础上增加计算机

控制的摄像技术（VIT）[10]，实时监测膜上生物膜的厚度和生长情况。苗峻赫等

[11]在研究MBR中生物膜的生长特性时，采用平行试验，将反应器控制在同一工

况下进行挂膜，在不同时间段依次拆卸反应器，并对生物膜进行离线观察。

国内科研工作者在EMBR应用方面也有一些报道。肖泽仪等[12]采用PDMS膜在

EMBR中以甲苯为目标污染物的细胞生长动力学进行探究。戴宁等[13]也利用含有

苯酚降解菌的菌悬液体系与萃取膜生物反应器相结合，对苯酚废水进行了处理。试

验结果表明，与活性污泥体系相比较，菌悬液体系生物膜厚度较薄，对苯酚的降解

比较彻底，基本无苯酚中间产物的残留[12]。此外，王玉军等[13]研究了膜萃取反

应器去除水中的对氨基苯磺酸，试验发现初始质量浓度为1000mg／L时，萃取

效果高达97%，大幅降低了萃取液的COD值。杜飞等[14]采用管式硅橡胶膜对水

杨酸废水进行处理，在优化的条件下去除率均高达93%～99%以上。

地下水水量丰富，容易获取，浊度低，是供水水源的一个较好选择。在我国部分农

村地区，地下水往往直接用作饮用水源。但目前部分地下水面临硝酸盐含量较高，

进入人体后易导致亚硝酸盐中毒，引起高铁血红蛋白症、智力低下、死亡等问题。

曹敬华等[15]采用中空纤维膜做膜材料进行反硝化去除地下水中的硝酸盐，试验结

果表明，硝酸盐从待处理地下水至反硝化区的扩散速率得以提高，而且由于中空纤

维膜直径较小，萃取膜生物反应器中的膜比表面积较高，提高了地下水中硝酸盐的

去除速率。

香草醛是一种稀有的香料，由于天然香草醛量少价高，故许多研究工作者利用生物

技术人工合成生物香草醛，作为天然香草醛的替代品。冯明等[16]用以PDMS复

合膜为核心的萃取式膜生物反应器对生物香草醛进行了生产分离耦合化的研究。相

较于摇瓶试验，产物的抑制和香草醛的氧化损失等方面得到了消除。

EMBR工艺过程中，膜材料将含难降解有机污染物的废水相和含有微生物的液相

隔开，膜两侧的浓度差作为驱动力，保证废水相中的污染物能持续地透过膜，然后

在含有微生物的液相侧，被微生物降解。采用的膜材料决定了萃取过程的性能，膜

材料一般采用致密膜（如PDMS膜，膜中无微孔，物质仅从高分子链段之间的自

由空间通过）、非对称膜（如中空纤维膜，由同一种高分子材料制成，膜的表面层

与膜的内部结构不相同，表面层为0.1～0.25μm的活性层，内部为较厚的多孔

层）。这些膜的厚度普遍在100～300μm，膜的厚度大必然导致通过膜的阻力大、

渗透通量小，应用范围小。同时高昂的价格和生物膜附着问题，进一步影响了

EMBR的应用及推广。除了价格问题，膜的溶胀问题使膜的寿命受到明显影响，

膜的透过性能等也会受到影响，因而会降低膜装置的寿命，增加膜材料的成本。

EMBR中也存在另外一些问题需要引起注意和关注，例如污染物反向渗透的问题，

一旦生物降解单元的微生物处理效果受到影响，其内的有机污染物积累过剩，会因

浓度差，使污染物反向渗透到膜腔内，这影响了萃取膜生物反应器的工业化、系统

化应用。

专为EMBR工艺设计的膜材料是EMBR技术具备可行性和推广应用的关键，也是

EMBR发展面临的巨大挑战[4]。理想的膜应对待处理的难降解有机污染物有较高

的选择透过性，且可截留无机离子和水，有强疏水性，同时膜阻力较小。而减小膜

阻力、提高渗透通量的最直接有效的方法就是减小膜厚度，利用由超薄硅橡胶皮层

（0.1～10μm）和多孔支撑层组成的PDMS复合膜等新型膜材料。超薄的

PDMS分离层可实现对有机物较高的选择透过特性和渗透通量，而支撑层可使膜

具有足够的机械强度。近年来，针对膜萃取分离技术，已有PDMS复合膜应用的

尝试[17]。Xiao等[18]通过相转化法制备平板式PDMS／PVDF杂化膜，成功在

1.0L的芳香烃膜回收系统（membranearomaticrecoverysystem，MARS）

中实现含酚废水的高效回收，其苯酚传质效率为1.5×10－6m／s，与传统PDMS

管式膜（1.0～3.5×10－7m／s）相比提高数倍。Daisley等[19]采用PDMS复合

膜对芳香酸废水进行膜萃取处理。结果表明，使用PDMS复合膜萃取废水中苯酚

时，也发现膜阻力降低，苯酚的总传质系数和渗透通量都有很大提高。Loh等[20]

也通过在PEI中空纤维膜表面涂覆PDMS层（0.5～5μm）制备了新型PDMS复

合膜，在EMBR中可连续稳定运行250h以上，且实现了苯酚的有效降解，其内

的苯酚传质效率也增长为7.5×10－7m／s。

EMBR工艺在难降解有机物去除、有机无机复合废水处理等方面优势显著，对有

机污染物无害化处理、水资源安全保障意义重大。新型萃取复合膜材料的研发及应

用，进一步拓展了EMBR工艺的应用范围和领域，极大地突破了原有工艺的传质

效率瓶颈，对新型EMBR工艺的应用推广提供理论指导和实践依据。

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