膜曝气生物膜反应器（membrane-aerated biofilm reactor，MABR）是一种将膜技术与生物反应器技术相结合的新型污水处理技术，其利用氧气选择性透过膜进行无气泡供氧，氧气利用率极高，可显著降低污水处理能耗^〔1〕，同时其负载的生物膜可大大增加系统内的生物总量，从而提高污水处理负荷^〔2〕。另外，MABR生物膜为硝化细菌优势生长生物膜，可在同一生化池内实现同步硝化与反硝化，进而能够强化氮（N）、磷（P）营养物的去除^〔3〕。MABR可直接安装在现有反应池内，安装简单，可实现不停产安装，适用于各种池型，其在处理高需氧量废水^〔4-5〕、挥发性有机污染物废水^〔6〕、高氨氮废水^〔7-8〕方面具有显著的技术优势。随着城市的发展，人口的增加，以及污水排放标准的不断提升，我国众多污水厂目前面临负荷增加，出水无法达标，以及可用占地受限等多方面的挑战。而MABR技术为这些污水厂面临的挑战提供了一项可靠的解决方案。另外，从可持续发展的角度来看，MABR技术节能降耗，是污水厂实现能量自平衡的关键技术之一。

笔者重点介绍了MABR的工艺原理、技术优势、应用领域及其在国外污水处理厂提标改造中的应用案例，以期为我国污水处理厂提标改造提供新的技术途径和参考。

图 1所示为固定生物膜-活性污泥（integrated fixed-film activated sludge，IFAS）与MABR生物膜传质对比。

在IFAS生物膜系统中，氧气的传质方向和氨氮、有机物的传质方向是相同的，表层生物膜上能够生长硝化菌，但当COD较高时，异养菌增殖迅速，会限制自养型硝化菌的生长，影响硝化反应的进行。此外，厌氧条件出现在非渗透性支撑物/生物膜界面附近，能够生长反硝化菌，但由于缺乏电子供体（有机底物），反硝化反应进行较慢或很难进行。

而在MABR生物膜系统中，氧气的传质方向和氨氮、有机物的传质方向是对向流，由于氨氮分子小，其扩散速率远远大于有机污染物，可有效避免自养型硝化菌和异养菌在氧气上的竞争^〔10〕，因而在靠近膜表面形成硝化菌优势生长，可最大程度地提高系统的硝化反应速率及硝化反应的稳定性；同时，反硝化可在远离膜表面的生物膜厌氧区或缺氧区以及悬浮的混合液内进行，实现同步硝化与反硝化。此外，MABR技术通过尾气的大气泡脉冲擦洗膜表面，使得生物膜厚度的控制简单可行。因此，MABR是一项更适合同步硝化反硝化反应的全新生物膜技术。

MABR膜组件结构及安装示意如图 2所示。纱线膜芯支撑多根透气细丝，既柔韧又不会断裂，多根膜丝封装在顶部和底部集管中构成膜组件，膜组件安装在钢架中形成膜箱，膜箱被放置在生物反应器的混合液中，低压空气被输送到膜箱以传递氧并起到混合废水的作用。

MABR反应器可直接安装在现有反应池内，利用氧气选择性透过膜进行无气泡供氧，供氧效率高；所供氧气可被其所载生物膜充分利用，不仅氧气利用率高，而且大大增加了系统的生物总量，从而可实现污水处理厂扩容而不扩建的目的。采用MABR进行升级改造，可根据需求提高现有污水处理厂负荷的20%~40%，甚至更高。

MABR氧气的传质方向和氨氮、有机物的传质方向是对向流，硝化菌在靠近膜表面形成优势生长并得到外层生物膜保护，既提高了系统的硝化反应速率，又确保了硝化反应的稳定性，其优势在负荷冲击及冬季水温较低的情况下尤其明显。有现场中试表明，采用MABR体系处理城市污水，硝化反应速率基本不受冬季低温的影响^〔10〕。将MABR反应器安装在厌氧或兼氧池内，可实现同步硝化与反硝化，在出水总氮相同的条件下，与其他除氮工艺如A²O相比，可减少内回流比，既可提高反硝化效果，又可以节约碳源及能耗。

在传统活性污泥工艺中，40%~60%的能耗用于曝气，但是鼓风曝气只能将5%~25%的氧转移到水中，剩余的会以气泡的形式逸出进入大气，供氧（O₂）效率一般为1.5 kg/（kW·h）。MABR膜一般采用致密膜，氧气通过分子扩散透过膜壁进入生物膜，通常在生物膜内全部被利用，几乎不产生气泡，因此称为无泡供氧。由于曝气过程不产生气泡，氧气几乎百分之百地被吸收，传质效率可高达100%^〔11〕，供氧（O₂）效率可达6 kg/（kW·h）以上^〔12〕。另外，氧在传递到生物膜的过程中不经过液相边界层，传质阻力比常规曝气法小得多，氧气的传输速率大大提高。同时，通过控制膜内氧气压力，可以对氧气的供应量进行调节，在保证生物膜生长需氧的同时，可避免因过量曝气而使污水中DO浓度过高，这样既可以保证反硝化效果，又可以降低运行费用。此外，MABR还能充分利用进水中的有机物，协同短程硝化反硝化，从而节省额外的碳源投加^〔13〕，这对于我国普遍存在的低C/N的污水而言，将可节省巨额运行费用。简而言之，MABR可直接安装在现有反应池内，无需气泡曝气，比传统活性污泥工艺（CAS）可节省能耗30%，比IFAS可节省能耗50%。

MABR设备紧凑、所占空间小，可直接安装在现有反应池内，适用于各种池型，能实现自动化控制和远程控制，方便污水处理厂的改建扩建，可将现有污水处理厂负荷提高20%~40%。MABR曝气设施维护简单，生物反应过程不易产生泡沫，生物膜厚度可控、易于调节以实现不同处理要求。

除此以外，MABR膜系统还具有同步硝化反硝化、抗水质冲击负荷能力强、生物膜泥龄长活性高、污泥产量少、基建运行成本低等诸多优点^〔14〕。

MABR独有的异向传质生物膜结构使得底物和氧的浓度梯度方向正好和传统的生物膜法相反，其每层区域都能够培育出各自独特的适于本层特征的微生物种群^〔15〕，通过优化氧分压、有机负荷等操作条件，可具有同时去除有机污染物和同步硝化反硝化脱氮的处理功能，有效克服了传统生物膜法存在的载体性能较差、滤料易堵塞、生物膜易脱落等问题^〔16〕，适宜于厌氧消化上清液、垃圾渗滤液、养殖废水、高氨氮工业废水等的处理。A. TERADA等^〔17〕采用终端式MABR反应器对含高氨氮的养殖废水进行处理，结果表明，MABR能够有效处理该废水，当进水总有机碳（TOC）和总氮（TN）的表面负荷分别为5.76、4.48 g/（m²·d）时，TOC和TN的平均去除率可分别达到96%和83%。李意等^〔18〕采用MABR技术对低碳氮比的二级生化出水进行深度脱氮，其采用增强型聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维帘式膜作为MABR的膜组件。结果表明，当控制曝气压力为0.01 MPa，跨膜曝气流速为0.005 cm/min，HRT为8 h时，出水TN能够稳定达到《水污染物综合排放标准》（DB 11/307—2013）的要求。

传统的分散式农村污水处理工艺存在工程占地面积大、工艺流程长、泥水分离效率及生化反应速率低的缺点，且处理系统相对复杂，对后期运维存在较大挑战。MABR因其高效的氧利用效率和内外分层的特殊生物膜结构，便于实现集装箱化和模块化的农村生活污水处理一体化装置。陈文华等^〔19〕进行了浙江省首例MABR农村污水治理项目（项目编号TD-KJ-17-010）的研究，主要研究了MABR装置对生活污水中COD、NH₃-N、TN和SS的去除性能及规律。结果表明，MABR系统运行稳定，处理出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准，MABR系统具有一定的抗高氨氮冲击性。天津大学研制出一台小型MABR实验装置用于处理生活污水，其采用循环挂膜法进行聚丙烯中空纤维表面生物膜的培养。运行结果表明，该装置对污水中的COD和SS具有较好的去除效果，在适宜的条件下，当HRT为10 h时，出水COD可保持在50 mg/L以下，SS可保持在15 mg/L以下^〔20〕。

近年来，我国加大了对城市河道污染的治理力度。MABR技术的特点决定了其在城市河道水体生物修复方面具有独特的优势，包括氧气传质速率高、生物膜载体比表面积大、可直接在河道水体中布设、运行费用低等。李保安等^〔21〕以天津市华苑受污染河道水为研究对象，设计了新型连续式MABR反应器，进行了河道水长期净化实验。结果表明，MABR对河道水中的COD和氨氮具有十分显著的去除效果，对COD、氨氮和总氮的去除效能分别达到1.9、0.35、0.28 g/（m²·d）。李浩等^〔22〕为地表水劣Ⅴ类水质的天津高新区海泰南北大街景观河设计研发了水草式MABR膜组件及其水体修复系统，连续5个月的水质监测与观察结果表明，MABR生物修复系统有效地提高了景观河水体的自净能力，经处理河道水体的氨氮、总磷、COD均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类或Ⅳ类标准，总氮达到Ⅴ类标准，运行期间未发生藻类水华现象。研究表明，MABR技术在河道水体生物修复方面具有广阔的应用前景。

近年来，我国对污水处理厂污水的排放要求越来越严格，越来越多的污水处理厂为响应国家节能减排的号召，将排放标准由原来的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中的一级B标准提升为一级A或者更高标准。然而，许多水厂由于设计原因，原有的处理单元已无法满足更加严格的排放要求，因此对污水处理厂进行提标改造势在必行。MABR设备紧凑、所占空间小，尤其是针对低C/N和低挥发性残渣（VSS）的污水特性，充氧效率高，可节省运行能耗和额外碳源投加；另外，其可直接安装在现有缺氧生化反应池中，无需新增占地，适合于城市污水处理厂的提标改造。该技术在美国、加拿大、比利时等国家已有多个成功应用的工程案例，可为其在我国污水处理厂的推广应用提供参考。

美国伊利诺伊州Yorkville-Bristol Sanitary Dis- trict（简称YBSD）污水处理厂建设了目前全球最大的MABR系统，处理规模为13 700 m³/d，工程于2017年10月建成投运。该工程将原有10个好氧生化池升级改造成2个厌氧池、2个MABR缺氧池和6个好氧池，安装了12套MABR组件至缺氧池中，将原本的好氧工艺改造成为脱氮除磷工艺，实现了在提高处理负荷的同时，强化生物脱氮除磷的目标。图 3所示为YBSD污水处理厂的MABR膜池。

该MABR装置生物膜培养驯化期仅为3周，污水处理系统正常运转后，进水BOD₅负荷提高到0.60 kg/（m³·d），相比提升改造前水厂进水BOD₅负荷提高了47%。水厂最终出水各项指标均达到了设计预期值，其中出水BOD₅ < 10 mg/L、总悬浮物（TSS） < 10 mg/L、NH₃-N < 1.5 mg/L、TP < 1.0 mg/L，氧（O₂）传递速率（OTR）和氧传递效率（OTE）的平均值分别为10.8 g/（m²·d）和33.3%^〔23〕。通过对生物膜微生物种群进行分析发现，氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）占到了微生物种群的40%，比传统活性污泥法高出了4倍多。另外，相较于同规模新建的CAS工艺（投资成本2 500万美元，建造时间2.5 a），MABR工艺的投资成本仅500万美元，建造时间1 a，成本和建造时间均大大降低。

芝加哥Terrence J. O’Brien再生水厂1928年开始运行，服务人口130万人，处理能力为1.26×10⁶ m³/d，处理工艺以“初沉池—传统活性污泥反应池—紫外（UV）消毒”为主，是美国大芝加哥污水管理局下辖的7座再生水厂之一。近年来，水厂面临春季运行负荷高、现有污水处理设施抗冲击负荷能力差的问题，需要进行生化处理设施的升级改造。为此，Terrence J. O’Brien再生水厂建设了三级硝化的MABR中试示范项目，目的是对MABR反应器在大型污水厂低温、高水力负荷条件下，对水中TSS和氮的去除效果和能耗情况进行评估，同时测试其能否满足未来的磷排放要求。

项目开始于2015年，分为2个实验周期，第1周期145 d，膜箱内含有64个模块组件；第2周期151 d，膜箱内含有48个模块组件。整个反应阶段，膜箱生物膜厚度维持在200~300 μm的范围内，均未发现膜漏损和生物膜过度积累的问题。在最佳反应条件下，64个模块组件和48个模块组件的充氧（O₂）动力效率分别达到了4.0、3.6 kg/（kW·h）。项目组与著名的污水建模公司Hydromantis公司合作，基于成熟的MBBR工艺模型，开发了MABR生物膜模型，通过GPS-X模拟软件对MABR的表现进行预测。模拟结果显示，MABR技术能在现有设施条件下完成改造，结合了MABR技术的改造工程能在相同的处理能力且不影响硝化作用的前提下，将污泥停留时间（SRT）从11 d减少到6 d，MLSS降至低于2 000 mg/L，有效解决了二沉池的负荷问题，同时能够满足1.0 mg/L的出水磷标准，无需新增反应池体积或化学除磷^〔24〕。项目研究结果表明，MABR技术具有稳定的氧气传送速率，且传递的氧气大部分都用于硝化作用，能够在显著改善现有生化处理设施的同时，有效降低污水厂的能耗。

比利时Schilde污水处理厂是欧洲建设的第1座采用MABR技术的污水处理厂。Schilde污水处理厂原设计处理能力为28 000个人口当量（包括水力和生物容量）。近年来，水厂的实际运行负荷已逐渐增加至35 000个人口当量，远远超出了水厂的设计处理能力。针对此问题，Schilde污水处理厂于2015年进行改扩建，50%的污水流量（约8 000 m³/d）由MBR系统处理，另外50%污水流量的处理由传统活性污泥系统升级为MABR系统，项目由污水处理公司Aquafin承建。

2017年项目建成运行后，显著改善了Schilde污水处理厂传统活性污泥系统的总氮去除能力，提高了生化系统的处理效能，相比于新建生化处理池，能够节约不少于25%的基建费用。

（1）与传统的生物膜技术相比，MABR氧气的传质方向和氨氮、有机物的传质方向是对向流，可有效避免自养型硝化菌和异养菌在氧气上的竞争，反硝化可在远离膜表面的生物膜厌氧区或缺氧区以及悬浮的混合液内进行，实现同步硝化与反硝化。

（2）MABR技术具有提标扩容、节能降耗、安装操作简便、抗水质冲击负荷能力强、生物膜泥龄长活性高、污泥产量少、基建运行成本低等诸多优点，适宜应用在高氨氮废水处理、农村生活污水处理、城市河道水体生物修复、污水处理厂提标改造等领域。

（3）污水处理厂提标改造面临的主要问题是脱氮除磷，涉及的工艺复杂，所需的反应池体大，能耗高。采用MABR技术，无需新增占地和进行复杂的改造，即能在原有池体基础上实现营养物高效去除和扩容的目标，同时大幅降低能耗。美国、加拿大、比利时等国家已拥有多个成功应用MABR技术的工程案例，可为该技术在我国污水处理厂的推广应用提供参考。

（4）我国在MABR研究领域起步较晚，今后应加强对MABR系统关键影响因子、异向传质生物膜的理化及流变特性、反应机理以及与其他技术耦合应用等方面的研究，开发廉价膜组件，进一步提升系统性能，降低设备能耗，使MABR技术具有更广阔的应用前景。