近年来，联合正渗透（FO）和活性污泥工艺的正渗透膜生物反应器（OMBR）在废水处理和再生领域掀起了一番热潮。OMBR采用高截留率、致密的FO膜代替传统MBR中用于固液分离的微滤（MF）或超滤（UF）膜，可提供高质量的产品水，且具有低结垢特性。然而，OMBR中原液的浓缩和反向盐渗透会导致生物反应器中盐分积累，对FO膜性能和微生物活性产生不利影响。
关于OMBR系统中盐分积累问题，其解决办法大致有两个方向：一是优化操作条件，如选择合适的汲取液、采用高选择性FO膜、缩短污泥停留时间（SRT）等；二是将OMBR与其他系统进行集成。基于汲取液的选择优化，有研究将无机汲取液与表面活性剂进行了混合，但此过程需要确定最佳表面活性剂浓度，因为较高的表面活性剂浓度可能会增加溶液黏度。也有研究利用有机溶质作为汲取液，认为有机溶质很容易被生物降解，不会诱导生物反应器中长期盐分的积累，但是Siddique等和Luo等研究发现，CH3COONa作为汲取液时为微生物提供了额外的碳源，会加剧FO膜污染，同时EDTA-2Na的反向扩散抑制了生物量的生长和活性。此外，通过定期排泥来缩短SRT可以缓解盐分积累，但是Wang等的研究指出，即使在SRT为10d下运行，其盐度仍然很高，而且频繁的排泥会增加污泥处理成本。基于混合系统的开发，将MF膜与OMBR集成MF-OMBR系统，将出水分至两端（MF侧和FO侧），可有效去除反应器中积累的盐分。但系统的水力停留时间（HRT）会影响污泥混合液特性，导致膜污染加剧，因此有必要进一步研究MF-OMBR中HRT的影响。
基于MF-OMBR系统，笔者优化了多孔MF膜与FO膜之间的通量比，确定了最佳水力停留时间，降低了生物反应器中盐分积累量，确保了MF-OMBR系统两端渗透出水的质量，并尽可能地减少了FO膜污染，以期为实际应用中实现盐分管理提供技术支持。
1、材料与方法
1.1 实验材料
接种污泥：接种污泥取自西安市某污水处理厂（A2O工艺）的终沉池，用模拟的生活污水在MFMBR系统（此时未安装FO膜组件，用于前期驯化污泥）中驯化1个月，当污泥浓度稳定达到3.5g/L、污泥沉降比为20%～30%后投入使用。
原水：进水为模拟的生活污水，采用无水乙酸钠作为碳源、氯化铵作为氮源、磷酸二氢钾作为磷源。添加碳酸钙、碳酸镁和七水合硫酸亚铁作为微生物的营养元素。原水TOC、氨氮、TN和TP浓度分别为（109.9±2.65）、（26.39±0.59）、（27.79±0.75）和（3.98±0.28）mg/L，电导率为600~750μS/cm。
汲取液：选择1.0mol/L的NaCl溶液作为汲取液，每天更换，以保证足够的渗透压。将装有汲取液的容器放置在电子天平上，并通过与天平连接的计算机实时监测汲取液质量的变化，从而计算出正渗透膜的通量。
实验装置：分置式MF-OMBR装置如图1所示。生物反应器的有效容积约为1.5L，汲取液池的有效容积约为0.7L。将进水连续地泵入MF-OMBR系统，在反应器中设置液位继电器以保持水位恒定，在使用曝气泵为活性污泥微生物提供氧气的同时对系统中MF膜组件进行表面冲刷。实验在室温（28±2）℃条件下运行，期间水温恒定在（24±2）℃，污泥混合液和汲取液的错流速度均为0.25L/min，SRT为30d。
膜材料：微滤膜采用PVDF外压式中空纤维膜组件，膜丝外径为1.6mm，膜孔径为0.08μm，有效膜面积约为120cm2。正渗透膜为三醋酸纤维（CTA）材质，有效膜面积为52.25cm2，使用前在去离子水中浸泡24h。
1.2 分析项目及方法
1.2.1 盐分积累模型
HRT的控制：在MF-OMBR系统中从微滤膜和正渗透膜两端出水，在保证FO膜面积不变的前提下，FO端出水流量变化不大，可通过调节MF膜出水泵流量改变生物池HRT。由于FO膜非常致密，所以可溶性化合物不会透过FO膜，因此被生物反应器截留，用污染物停留时间（CRT）表示系统中可溶性化合物的停留时间，原理如图2所示。
HRT、CRT计算过程分别见式（1）和式（2）
式中：HRT为水力停留时间；CRT为污染物停留时间；V为生物反应器有效容积；Q为反应器排出的液体流量；QC为反应器排出的污染物流量；QMF为MF膜的出水流量；QFO为FO膜出水流量；QW为排泥量。
盐分积累因子（CF）：生物反应器中盐分积累主要是因为原液浓缩和反向盐渗透，CF的计算过程见式（3）。
由此可知，CF的大小主要由QFO/QMF值决定。
1.2.2 常规水质分析方法
氨氮、TN、TP参照《水和废水监测分析方法》（第4版）测定，TOC使用TOC分析仪测定。
1.2.3 胞外聚合物的提取及分析
活性污泥中溶解性胞外聚合物（SMP）和附着性胞外聚合物（BEPS）的提取采用加热离心提取法。采用多糖和蛋白质加和的方式表征SMP和BEPS含量，蛋白质的测定采用考马斯亮蓝G250染色法，多糖的测定采用蒽酮试剂法。
1.2.4 膜污染的表征
将正渗透膜裁剪成尺寸为5.0mm×5.0mm的正方形后，用于扫描电镜能谱仪（SEM-EDS）和傅里叶变换衰减全反射红外光谱法（FTIR-ATR）分析。采用SEM-EDS分析FO原膜和污染膜的表面形貌以及元素组成，FTIR-ATR用来检测有机官能团，辨别FO膜表面的有机物种类。另外，裁剪大小为15.0mm×15.0mm的污染膜片用于对其表面的主要污染物进行量化分析，将膜片置于20mL的去离子水中，先后搅拌和超声各5min后过0.45μm滤膜，测定滤液中有机物浓度。
2、结果与讨论
2.1 盐分积累情况
不同HRT条件下反应器中电导率的变化如图3所示。可知，生物反应器整体处于低盐水平，电导率先快速上升后逐渐趋于稳定。当HRT为5、8和12h时，生物反应器稳定电导率分别为1.2、1.25和2.2mS/cm。这主要归因于MF-OMBR装置中引入了MF膜，大部分盐分通过MF膜排出，从而缓解了反应器中盐分的积累。
根据盐分积累模型可知，MF-OMBR系统电导率主要由盐分积累因子CF决定，QFO/QMF减小引起CF值减小，生物反应器中的盐分积累减轻，具体参数见表1。
2.2 MF和FO膜通量的变化规律
不同HRT条件下MF和FO膜通量的变化见图4。由图4可知，不同HRT条件下，FO膜的初始通量约为8.9L/（m2·h），运行过程中FO膜通量不断下降，HRT为5、8和12h的14d膜通量下降率分别为54.8%、49.8%和67.3%。FO膜通量的下降主要归因于FO膜内部的浓差极化（ICP）、盐分累积和膜污染等原因，但因为在MF-OMBR系统中反应器整体处于低盐水平，所以造成通量下降差异的原因是不同HRT产生的ICP现象及膜污染程度的不同。MF膜通量基本稳定且稍有提升，这是由于随着反应的进行，FO膜通量下降，为了匹配HRT的设定值，需要提升MF膜出水泵转速来加大MF膜通量，属于人为调控。
2.3 污染物去除效果
2.3.1 对TOC的去除
不同HRT条件下TOC浓度的变化如图5所示。可知，不同HRT条件下，活性污泥上清液、MF出水、FO出水中的TOC表现几乎一致。MF出水的TOC浓度为（8.0±1.9）mg/L（折算为COD约19.8mg/L）；FO出水的TOC浓度为（5.7±0.8）mg/L（折算为COD约14.8mg/L）。系统对TOC的去除率均可达到93.0%以上，原因是系统对TOC的去除主要依靠微生物降解和两种渗透膜的截留作用，通过改变HRT并不能增强反应器对TOC的降解效果。
2.3.2 对氨氮的去除
不同HRT条件下氨氮浓度的变化如图6所示。可知，不同HRT运行条件下反应器内氨氮浓度均较低，MF和FO出水中的氨氮浓度与混合液相差不大，约为1.5mg/L，系统对氨氮的去除率均可达到95.6%以上。这是由于反应器是单独的好氧环境，氨氮通过硝化作用转化为硝酸盐，对氨氮的去除主要依靠微生物降解作用，两种渗透膜对氨氮的截留效果不明显。
2.3.3 对TN和TP的去除
不同HRT条件下TN和TP浓度的变化见图7。由图7可知，随着HRT的增加，生物反应器中TN和TP积累越来越严重，这是由于反应器内缺少反硝化和厌氧释磷过程，无法通过微生物去除TN和TP，再加上FO膜对硝酸盐和磷酸盐的截留作用，导致TN和TP在反应器内积累。由表1可知，HRT越长，QFO/QMF值越大，进而TN和TP在反应器中积累越多。另外，受到混合液中TN和TP积累的影响，MF出水中TN和TP的浓度也将随之升高，但此时MF出水水质仍可满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920—2020）要求，可用于冲厕、车辆冲洗、道路清扫、消防和建筑施工等。而FO膜对TN和TP的去除率分别可达77.0%和98.7%以上，这主要归因于FO膜的致密性和高截留性能，磷酸盐几乎全部被截留在反应器内，由于NO3-离子半径小于PO43-，使得FO膜对其截留率略低。杨应明等人采用NaCl和EDTA-2Na作为汲取液来运行OMBR，系统对TN和TP的去除率分别可达到71.7%和99.2%以上；Holloway等人的研究表明，OMBR和UF-OMBR对氮和磷的平均去除率分别超过82%和99%，与本研究获得的结果类似。
2.4 污泥性质的变化
不同HRT条件下SS、VSS和VSS/SS的变化情况见图8。
由图8可知，在HRT为5和8h条件下，VSS/SS稍有增长，最后分别稳定在71.0%和71.7%，微生物活性提高。分析原因，随着运行时间的延长，反应器中盐分较低且逐步稳定，污泥浓度和微生物活性也不断趋于稳定。而当HRT为12h时，VSS/SS呈现出先上升后下降的变化趋势，最后稳定在60.7%，这是由于较长的HRT使得营养物质缺乏，微生物进行内源呼吸导致活性降低。整体看来，在MF-OMBR系统中，VSS/SS的变化波动较小，微生物活性较高。
不同HRT条件下，MF-OMBR系统中SMP和BEPS含量均有差异。相比于5和12h，HRT为8h时的SMP浓度较低。分析原因，在较短的HRT条件下，微生物代谢营养物的同时会释放SMP，而当HRT较长时，微生物由于内源呼吸作用产生了SMP的积累，只有当HRT为8h时，基质被完全降解且SMP也被充分降解，此时SMP量相对较少。而HRT为12h的BEPS含量明显低于5和8h的。这是由于当HRT为5和8h时，微生物在基质分解过程中产生了BEPS和基质利用相关产物（UAP），导致BEPS含量略高。而当HRT为12h时，较长的HRT导致进水基质不能满足微生物营养所需，此时微生物将产生内源呼吸作用，BEPS中多糖作为碳源而被降解。
2.5 膜污染分析
2.5.1 膜表面污染物FTIR分析
FO原膜和FO污染膜的FTIR光谱图见图9。从图9（a）可知，FO原膜在1741、1371、1224和1041cm-1等处有特征吸收峰，经过14d运行后原膜的峰消失或减弱。由图9（b）可知，在1017~1020cm-1处发现多糖的C—O峰，在1634~1638cm-1和1532~1535cm-1处发现蛋白质的酰胺Ⅰ峰和酰胺Ⅱ峰。可见，不同HRT运行条件下在FO膜表面均发生了以多糖和蛋白质为代表物的有机污染。
2.5.2 有机物量化分析
为了进一步确认污染膜表面的有机物浓度，对不同HRT条件下污染膜表面污染层中的蛋白质和多糖进行量化分析。结果显示，HRT为5和12h的污染膜表面蛋白质含量约为HRT为8h的3倍，多糖含量约为2倍，可见当HRT为8h时FO膜表面多糖和蛋白质的含量最少。
当HRT为5、8、12h时，SMP分别为5.20、4.25、6.70mg/L，BEPS分别为16.20、15.80、13.50mg/L。相比于HRT为5和12h，当HRT为8h时SMP浓度较低，这归因于在较短的HRT条件下微生物代谢营养物的同时能够释放SMP，而当HRT较长时，微生物发生内源呼吸而使SMP发生累积，只有当HRT为8h时，基质才被完全降解并且SMP也得到了充分降解，此时系统的SMP量相对较少。与HRT为5和8h相比，HRT为12h时表现出相对较低的BEPS浓度，这归因于较长的HRT导致进水基质不能满足微生物营养所需，BEPS中多糖被微生物作为碳源而降解。通过观察BEPS可以发现，12h时的BEPS含量最低，但有机膜污染并不是最轻的。观察SMP的情况发现，当HRT为5和12h时，二者SMP含量均为高值，对应有机膜污染也较为严重。因此，FO膜表面有机污染的程度主要取决于反应器内的SMP含量。
2.5.3 膜表面污染物SEM-EDS分析
FO原膜和污染膜的表面形貌如图10所示。可知，原膜活性层表面平整且光滑，14d后污染膜活性层覆盖了一层污染物，且当HRT为8h时膜沉积的污染物最少。
原膜和污染膜的EDS图谱结果表明，原膜主要有C、O两种元素，而污染膜中出现了Na、Mg、Al、Si、P、K、Ca、Fe等新元素，存在于FO膜表面和内孔中。其中，Al、Si、K来自于接种活性污泥，其余元素来自于进水基质，具体元素含量见表2。
从表2可以看出，除C、O元素外，当HRT为12h时，其他元素的相对含量百分比明显高于HRT为8h的污染膜（除Na外），而HRT为5h的Na、Mg、P、S、K、Ca、Fe等元素相对含量百分比高于HRT为8h的污染膜，说明HRT为8h的FO膜无机污染相对较轻，与形貌分析结果一致，这归因于FO膜活性层的高排斥性和支撑层中的高内部浓差极化水平。
3、结论
①在MF-OMBR系统中，反应器HRT越大，盐分积累越明显，但整体处于低盐水平。HRT为5、8和12h的14d通量下降率分别为54.8%、49.8%和67.3%，造成通量下降差异的原因是不同HRT产生ICP现象及膜污染程度不同。
②当HRT为5、8和12h时，MF-OMBR系统对生活污水的处理效果良好，MF和FO对TOC和氨氮的去除率分别达到93.0%和95.6%以上，FO对TN和TP的去除率分别达到77.0%和98.7%以上。当HRT为5h时，MF低品质出水占比过大，HRT为12h时需要的构筑物占地面积较大。从技术经济性角度考虑，HRT为8h较合适。此时MF-OMBR系统可以获得符合《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920—2020）的MF出水和高品质的汲取液（FO出水）。
③在MF-OMBR系统中，相比于HRT为5和12h，当HRT为8h时SMP平均浓度较低，BEPS平均浓度在HRT为12h的条件下明显下降。FTIR和量化分析结果表明，HRT不会影响FO膜表面有机物的种类，但不同HRT条件下有机物浓度相差甚远。膜表面主要有机物为蛋白质和多糖，HRT为8h的污染物浓度远低于5和12h的，其污染程度主要取决于FO膜表面的SMP含量。（来源：西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西省膜分离重点实验室，西安建筑科技大学网络与信息化管理处，中国建筑设计研究院有限公司）