近年来，水污染形势日益严峻，已成为人类亟待解决的环境问题之一。膜生物反应器（MBR）是将膜分离技术与传统活性污泥法结合，同时兼具了生物降解和膜分离2个处理环节，能更高效地去除废水中的污染物。正渗透（FO）膜是一种半渗透膜，将其应用于废水处理，具有截留率高、无需外压、膜污染轻等优点^〔1〕。目前，广泛研究的正渗透膜主要有醋酸纤维（CTA）膜、水通道蛋白（AQP）仿生膜和非对称薄层复合薄（TFC）膜。CTA膜具有良好的亲水性，低污染且机械强度大，应用范围广^〔2〕。AQP膜由于其独特的水通道蛋白结构，具有高水渗透性和单一选择性^〔3〕。TFC膜有自支撑层，孔隙率大，具有良好的化学和热稳定性^〔4〕。选择合适的正渗透膜可以有效提高污水处理效率，因此，研究不同正渗透膜的特性对于其在水处理中的应用具有重要意义。

S. Sahebi等^〔5〕研究了新加坡Asia Pte. Ltd.公司AQP膜的理化性质，发现在以1 mol/L KCl作汲取液的条件下，AQP膜水通量为12.8 L/（m²·h）。Pengjia Dou等^〔6〕用CTA膜和TFC膜浓缩钒沥滤液，发现TFC膜水通量更大，且易被污染，水通量下降速率大。Jinli Li等^〔7〕采用无纺布醋酸纤维（CTA-NW）膜和聚酯聚酰胺聚砜（TFC-ES）复合膜处理浓盐水，发现CTA-NW膜的浓缩效率高于TFC-ES膜，而水通量相反。

目前，国内外对不同材质正渗透膜的OMBR（正渗透膜生物反应器）运行特性的研究甚少。对此，本研究采用OMBR来处理模拟生活污水，考察了2种不同材质正渗透膜对OMBR运行特性的影响，并分析了正渗透膜的污染特性。该项研究可为控制OMBR稳定运行、提高OMBR运行效率提供理论依据。

接种污泥取自芜湖市城南污水处理厂生化池。进水为模拟生活污水，人工配水水质：氨氮（28.08±0.69）mg/L，总氮（28.62±3.12）mg/L，总磷（5.45±0.21）mg/L，TOC（1 202.32±3.25）mg/L。CTA膜为美国HTI公司生产的商业用CTA膜；AQP膜购于国初科技有限公司，为聚砜多孔支撑层涂加AQP有效层结构。

本实验采用分置式膜生物反应器，SBR法培养活性污泥。OMBR采用外置式膜组件，原料液为污泥混合液，汲取液为2 mol/L NaCl溶液，装置如图1所示。蠕动泵为保定创锐BT600LC型，设置流量600 mL/min。设计CTA膜和AQP膜2组平行实验，使用G & G JJ2000B电子天平实时记录汲取液质量，在线连续采集数据，连续运行30 d。膜朝向为活性层对原料液。

使用电子天平实时监测汲取液质量，水通量（J_w）计算公式如式（1）所示。

(1)

式中：J_w——水通量，L/（m²·h）；

S——有效膜面积，m²；

t——运行时间，h；

ΔW——汲取液质量的增加量，g；

ρ——水的密度，1 000 g/L。

使用电导率仪实时测定原料液侧电导率，反渗盐通量（J_s）计算公式如式（2）所示。

(2)

式中：J_s——反渗盐通量，g/（m²·h）；

C_t、C₀——t时间和初始时刻原料液中的TDS，g/L；

V_t、V₀——t时间和初始时刻原料液体积，L；

S——膜的有效面积，m²；

t——正渗透膜分离时间，h。

每天分别取AQP、CTA膜组汲取液检测其中的TOC、总氮、总磷、氨氮指标。采用非色散红外线吸收法（GB 13193—1991）测定TOC；采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法（GB 11894—1989）测定总氮；采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）测定总磷；采用纳氏试剂比色法（GB 7479—1987）测定氨氮。

实验前，对正渗透膜装置进行基准实验。原料液为去离子水，汲取液为2 mol/L NaCl溶液，运行时间为24 h，记录并计算每小时水通量和每3 h的反渗盐通量。结果表明，2组膜的水通量均随时间的增长而减少，反渗盐通量则随时间的增长而增大，且AQP膜的反渗盐通量高于CTA膜。基准实验中，2组膜通量的大小主要取决于膜的结构。

运行期间，不同膜组水通量和反渗盐通量的变化如图2所示。

由图2可知，AQP组水通量大于CTA组，AQP组起始水通量最大，为17.24 L/（m²·h），CTA组起始水通量为10.60 L/（m²·h），与W. A. Phillip等^〔8〕的研究结果一致。AQP膜的高水通量主要源于水通道蛋白对水分子的高选择透过性。随运行天数的增加，膜污染加剧，2组水通量均出现下降趋势。CTA组第1天到第4天水通量下降趋势明显，第4天水通量为5.46 L/（m²·h），第5天开始缓慢下降。AQP组从第1天到第10天水通量下降明显，第10天水通量为6.83 L/（m²·h），第10天以后（第11天开始）水通量稳步缓慢下降。

CTA组反渗盐通量第1天为6.22 g/（m²·h），第8天达到7.72 g/（m²·h）；AQP组反渗盐通量第1天为10.34 g/（m²·h），第8天增加到18.72 g/（m²·h）。段文松等^〔9〕也提出，CTA正渗透膜生物反应器运行期间反渗盐通量变化小，呈缓慢上升趋势；而对于AQP正渗透膜生物反应器，其呈明显上升趋势，而后趋于稳定。由于AQP分子在载体膜表面分布不均，且含AQP载体在基膜表面容易形成缺陷^〔10〕；而CTA膜活性层结构致密，对汲取溶质反渗具有更好的截留作用，故CTA膜反渗盐通量较小。

不同膜组OMBR处理模拟生活污水的效果如图3所示。

由图3（a）可知，AQP组TOC去除率整体较高，出水TOC最高为11.68 mg/L，TOC去除率为99.03%。CTA组TOC去除率均大于98.7%，出水TOC最高为14.92 mg/L。由此可见，AQP膜组微生物降解TOC效率更高，代谢活动更旺盛。

由图3（b）可知，CTA组氨氮去除率比AQP组高，去除效果较为稳定。整个运行周期30 d内均保持在93%以上，最高可达99.9%，出水氨氮最高为0.53 mg/L。AQP组氨氮去除效果相对较差，氨氮去除率变化较大，最小为55.3%，最大为99.5%，出水氨氮平均质量浓度为3.8 mg/L。

由图3（c）可知，CTA组总氮去除率整体比AQP组高，最大为97.7%，最小为86.2%，出水总氮最高为3.94 mg/L。运行到第13天，CTA组总氮去除率降低5%左右，可能与膜污染加剧有关。AQP组总氮去除率最低为69.6%，最高为94.6%，出水总氮最高为8.65 mg/L，从第4天起，基本保持在84.9%到94.6%之间。

由图3（d）可知，CTA和AQP组的总磷去除率均达到94.9%以上，出水总磷最高分别为0.26、0.51 mg/L，说明CTA和AQP膜能高效去除污水中的总磷。

综上所述，CTA膜对氨氮、总氮以及总磷的去除效果明显高于AQP膜。AQP膜对污染物的截留效果较差可能归因于现阶段AQP膜工艺较不完善，活性层中AQP分布不均匀存在缺陷。2组OMBR对TOC的去除率都很高，均达到98%以上，说明2种膜对TOC都起到了很好的截留作用。

分别取干净的CTA膜、AQP膜以及OMBR运行30 d后污染的CTA膜、AQP膜进行SEM表征，结果如图4所示。

由图4可知，CTA膜具有光滑的活性层表面，下层可见无纺布支撑层结构。AQP膜有效层表面涂饰AQP，下层为多孔聚砜支撑结构。运行30 d后，CTA、AQP污染膜表面均出现白色亮块，为NaCl晶体。可见，2种OMBR经过长期运行后，FO膜表面附着了厚厚的污染层，可以观察到很多无机颗粒，AQP膜表面的无机颗粒更密集一些。

采用能量色散X射线光谱仪（EDX）分别对CTA和AQP污染膜表面成分进行分析。结果表明，AQP膜和CTA膜表面污染物成分相似，以C、O为主，其原子数占比分别为47.19%、35.13%和66.71%、24.38%。因为原料液侧为活性污泥混合液，OMBR运行期间产生溶解性微生物产物（SMP）和胞外聚合物（EPS）等有机污染物，其易附着在膜表面。Na元素和Cl元素含量相对较高，主要是因为本研究采用的汲取液是NaCl溶液，钠离子和氯离子反向传输到原料液侧，也导致其在膜表面富集。AQP膜面Si元素含量明显高于CTA膜。由Fangang Meng等^〔11〕的研究结果可知，Si、P、S、Al、Ca等元素对膜表面污染物的形成具有重要作用，故AQP膜面污染更严重。

拆除运行30 d后的OMBR反应器，分别剪取5 mm×5 mm大小的污染物附着均匀的CTA、AQP膜片，染色处理后利用激光共聚焦显微镜拍摄。结果显示，CTA膜表面蛋白质染色面积大、多糖染色面积小，平均荧光强度分别为71.12和14.39，膜面污染主要是蛋白质，多糖较少。由于多糖和蛋白质是SMP和EPS的主要组成成分^〔12〕，所以膜面污染主要是微生物代谢物。AQP膜表面多糖含量更高，平均荧光强度为79.49，蛋白质平均荧光强度为72.98。AQP膜表面形成的多糖基质包裹层更厚，膜污染更严重。

综上所述，AQP膜表面污染更严重，原因可能是其粗糙的膜表面更易吸附多糖类污染物。又由TOC去除率推测，AQP膜面微生物代谢能力更强，故膜表面的微生物代谢产物含量更高，导致膜污染更严重。

（1）30 d的运行结果表明，AQP膜水通量大于CTA膜，溶质反渗作用更严重。AQP膜和CTA膜的起始（第1天）水通量分别为17.24、10.60 L/（m²·h），在第30天分别下降到6.83、4.53 L/（m²·h）；起始反渗盐通量分别为10.34、6.23 g/（m²·h），分别上升到18.72、7.72 g/（m²·h）后趋于稳定。

（2）相比AQP膜组，CTA膜组对氨氮、总氮和总磷的去除效果更佳；相比CTA膜组，AQP膜组对TOC的去除效果更佳。CTA组TOC、氨氮、总氮和总磷平均去除率分别为99.7%、98.8%、94.1%和98.9%，AQP组则分别为99.9%、83.7%、87.8%和98.1%。

（3）AQP膜膜污染更严重。CTA膜和AQP膜表面污染层中的蛋白质平均荧光强度分别为71.12和72.98，多糖平均荧光强度分别为14.39和79.49。