搞污水的朋友想必都认同，活性污泥法是目前应用最广泛的污废水处理技术之一。什么AAO、SBR、MBBR、氧化沟、MBR等多种工艺也都是以活性污泥法为核心开发出来的。
但是不管污水处理中用了哪种工艺，曝气工艺段肯定都是必须要有的。从最初的表面搅拌曝气，到后来的粗气泡扩散曝气，再到目前主流的微孔曝气，研究人员一直在不断改进曝气传氧技术，试图提高氧传递效率，降低曝气工艺段所消耗的电能。
也是因此，MABR膜曝气技术出现以来，一直受到水处理行业的关注。
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什么是MABR工艺
MABR，翻译过来叫膜曝气生物膜反应器，与传统曝气方式不同，它是利用放置于污水生化池内的高效传氧膜，来完成传氧。
这个传氧膜可以允许空气中的氧气，以氧分子的形式扩散到污水中，而水不会反向渗透到气相一侧。
这一氧传递过程中并无气泡产生，水深阻力对氧传递过程并无影响，风机出口压力低，耗电量低于传统曝气工艺。
与常用的AAO工艺相比，MABR工艺的厌氧、缺氧、好氧3个工段，处于一个完整的空间内，工段之间并无墙体隔断，这与AAO工艺有本质差别。
AAO好氧区出水的硝化液需回流到前端缺氧区才能进行反硝化，一方面增加了内回流泵的能耗；另一方面，硝酸盐氮的理论去除率会受到内回流比的限制，即反硝化效果不会太高。
而MABR工艺就不存在这2方面问题。尤其是第二点，由于MABR的好氧和缺氧工段之间没有隔断，经好氧区硝化生成的硝酸盐氮，会无障碍地转移到临近的缺氧区进行反硝化反应，反硝化效果不会受到内回流比的限制，硝酸盐氮的理论去除率接近100％。
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基本原理浅析
MABR的基本原理可以归纳为三点：无泡曝气、异相传质、分层结构。
1、无泡曝气
MABR 采用微孔膜（如疏水性聚合物膜）或透气性致密膜（如硅橡胶膜）进行无泡供氧。采用膜组件形式有管式膜和中空纤维膜，且以后者为多。一般气相走膜内腔，废水在膜外侧流动。无泡曝气的传质阻力小，氧转移速率高，且无泡曝气的装置体积和能耗都更低。
与传统曝气相比，无泡曝气还具有以下优点：
①在供氧过程中，生物膜不会受到气泡摩擦，不易脱落；
②氧传递到生物膜过程中不经过液相边界层，因此，传质阻力比常规曝气法小得多，能耗大大降低：
③曝气过程不产生气泡，避免了传统曝气时污水中易挥发性物质随气泡进入大气而对环境造成的污染，同时不会由于表面活性剂的存在而产生泡沫。
④曝气过程中气液两相分离，溶液的混合与供养互不干扰，因此可以各自独立设计，反应器的形式更加灵活多变。
根据气体在膜管内的运行，可以将供氧方式分为贯通式（flow - through )和闭端式（dead -end）两种。
贯通式会不可避免的损失一部分气体。闭端式虽然不损失气体，但会有一部分溶解在水体中的氮气、二氧化碳气和水蒸气反向扩散到膜管内，直致达到饱和状态，最后积累在管的末段，有效的传质面积逐渐减少，传质效果会悉化。
而贯通式不存在这样的问题。尽管气、二氧化碳和水蒸气会进入管内，但都会随着伉流被带到管外而建立起一个平衡。
MABR 的膜材料可以分类：微孔膜，如聚四氯乙烯；致密膜，如硅树脂：还有将致密膜薄层覆盖在微膜上的复合膜。
(1）微孔膜
微孔膜传质是通过微孔内体的均相传递来实现的。在微孔膜内，气体在膜内传递时的阻力可以忽略的。然而，微膜的一个缺点是如果液体渗透到了微孔内，依靠液相压力和微孔直径的传质效果的降低将会出现，同时，蛋白质和细胞残骸等物质可能会导致微孔变成亲水性的，并充满了液体，因而，长期的使用微孔膜的操作是不适宜的。此类膜材米料的另外的一个缺点是较低的泡点，限制了膜界面的压力的最大值。
徽孔膜已经应用在一系列的MABR实验装置中然而，并非是所有的微生物都成功地附着在其上并生长为生物膜，电显微镜的观测证明，对于微孔孔径为10微末的微孔膜，细菌的细胞在绝大多数的微孔的内壁附着并生长。
(2）致密膜
致密膜的组分传质机理属于溶液扩散。较高的渗透性源自氧气等组分在硅树脂中的溶解度要数倍高于其在水中的溶解度。与微孔膜同样厚度的硅树脂膜并非都是适用的，但它的优点是允许使用较高的膜界面压力。当使用纤维加强型的硅树脂，其压力可以大到3×105Pa．由于致密膜对化学物质和机械压力具有很高的抵抗性，因而可以应用在膜曝气中。
不像是微孔膜，膜孔的堵塞和灾难性的液体进入对于致密膜而言不算什么问题。然而，到目前为止，还没有全面系统地对 MABR 氧传质特点进行分析。
（3）复合膜
复合膜在 MABR 中的应用最早由 Wilderer PA 提出。1微米厚度的聚合物覆盖在微孔膜上（微孔孔径0.04-1.0微米），这样来获得无泡曝气，而且压力可达到
6.95×10，复合膜兼有微孔膜和致密膜的特点。
2、异相传质
氧和营养物分别从生物膜的两侧（即生物腿的异相）进入到生物膜内，而在常规的生物膜系统内，氧和营养物从膜的同侧进入膜内，这是无泡曝气生物膜系统传质的最特殊之处，见下图的对比：
3、分层结构
由于无泡曝气和异相传质这两个重要因素，再加上传质阻力的存在，附着在膜材料上的生物膜内部出现了氧和底物的浓度梯度分布而出现了活性中心分层的结构。
理解 MABR 独特的分层结构是理解其所具有的处理性能的基础。以硝化反硝化为例，由于微生物膜内部存在非常明显的氧和底物的浓度梯度，在最外层，溶解氧浓度较低，而有机碳源充足，适合反硝化反应的进行；而在生物膜的层，溶解氧浓度很高，有机碳浓度较低，适合硝化质应的进行。因而 MABR 非常适合完成同步硝化反硝化脱氮的功能。
03
MABR技术特点及优势
提标扩容
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。
而且所供氧气可被生物膜充分利用，大大增加了系统的生物总量，这也是污水处理厂能扩容而不必扩建的主要原因。
采用MABR进行升级改造，可根据需求提高现有污水厂负荷的20％～40％，甚至更高。
节能降耗
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，供氧效率一般。
MABR膜一般采用致密膜，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％，比传统活性污泥工艺可节省能耗30％。
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，这对于我国普遍存在的低C/N污水而言，省了巨额的运行费用。
安装操作简便
MABR设备紧凑、所占空间小，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。
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MABR污水厂应用案例
美国YBSD污水厂
美国伊利诺伊州 Yorkville-Bristol Sanitary District（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13700m3／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。
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 0.60kg/(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<10mg/L、总悬浮物（TSS）＜10mg/L、NH3-N<1.5 mg/L、TP<1.0 mg/L，氧传递速率（OTR）和氧传递效率（OTE）的平均值分别为10.8g/(㎡·d)和33.3%。
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2500万美元，建造时间2.5a），MABR工艺的投资成本仅500万美元，建造时间1a，成本和建造时间均大大降低。
比利时Schilde污水处理厂
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。原设计处理能力为28000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35000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8000m3／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。
最后
虽然目前MABR技术已应用于污水处理的各领域，但大多还处于实验室和中试研究，并没有在污水厂进行大规模的推广应用，相信随着技术的发展，MABR必然会在未来水处理行业占有一席之地。
