膜污染問題一直是MBR所面臨的瓶頸，嚴(yán)重影響了膜組件的過濾性能與使用壽命，并且大幅增加了MBR在運行和維護過程中的能耗需求，限制了該工藝的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。在以往的大量研究中，緩解膜污染的措施主要有膜清洗、膜材料及結(jié)構(gòu)的選擇優(yōu)化、工藝運行條件的優(yōu)化、改善污泥混合液特性等。目前，越來越多的研究者將好氧顆粒污泥（AGS）技術(shù)與MBR結(jié)合形成復(fù)合式好氧顆粒污泥膜生物反應(yīng)器（AGMBR），通過改善污泥混合液性質(zhì)，將絮狀污泥替換成AGS來尋求膜污染控制新途徑。

一體式AGMBR具有占地面積小、HRT短、微生物活性高，能同時發(fā)揮AGS同步脫氮除磷功能和MBR出水水質(zhì)優(yōu)良的優(yōu)點。劉克成等對比分析了傳統(tǒng)MBR工藝與AGMBR工藝對雄安新區(qū)變電站生活污水的處理性能，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)MBR工藝對COD、TN、TP的平均去除率分別為89.4%、41.7%、27.1%，而AGMBR工藝對COD、TN、TP的平均去除率分別高達92.7%、79.5%、67.6%。可以看出，絮狀污泥和顆粒污泥在TN和TP的去除方面差異非常顯著，主要原因應(yīng)該是顆粒污泥內(nèi)部更易形成缺氧、厭氧區(qū)，更加有利于污染物的去除。另外，AGS的加入可以大大緩解膜污染，使其成為近年來廢水處理領(lǐng)域的研究熱點和前沿技術(shù)。

因此，基于AGMBR的研究現(xiàn)狀，綜述了AGMBR的混合液特性、膜污染及膜阻力分布、顆粒污泥粒徑及溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）與胞外聚合物（EPS）對膜污染的影響，進一步探索AGS緩解膜污染的機理，闡明AGS與MBR相結(jié)合的實際意義與價值，并對AGMBR在未來的研究中需要重點關(guān)注的問題提出展望。

1、AGMBR的混合液特性

將成熟穩(wěn)定的AGS引入MBR可使污泥混合液特性發(fā)生變化，AGS獨特的空間結(jié)構(gòu)形成了多功能的微環(huán)境，從而改善了污泥的沉降性能和膜過濾性能。因此，AGMBR無論是在技術(shù)和經(jīng)濟可行性上，還是在工業(yè)級推廣等方面均具有較大優(yōu)勢，值得深入探究。

AGS的粒徑、表面電荷等特性變化會影響污泥的沉降性能以及顆粒污泥與膜表面的相互作用，從而改善膜過濾性能。宋志偉等研究了AGS投加量對MBR污泥混合液特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著AGS投加量的增加，污泥沉降性能得到明顯改善，SVI由135.85mL/g下降至29.36mL/g，這是因為AGS尺寸較大且結(jié)構(gòu)密實，沉降速度較絮狀污泥明顯加快，故而提高了反應(yīng)器內(nèi)污泥的整體沉降性能，且污泥活性得到改善；AGS疏水性能增強，Zeta電位由-20.302mV降低至-4.325mV，膜通量衰減率由63.3%降低至42.8%，膜過濾性能得到提高。Iorhemen等在MBR反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)AGS，25d時系統(tǒng)獲得成熟穩(wěn)定的AGS，污泥粒徑從115μm增長到576μm；SVI30由161mL/g降低至37mL/g，SVI5同樣由187mL/g降低至40mL/g，污泥沉降性能得到明顯改善，且污泥濃度明顯增加，平均MLSS濃度為9200mg/L。可見，與傳統(tǒng)MBR相比，AGS的加入明顯改善了MBR污泥混合液的理化性質(zhì)，二者結(jié)合具有廣闊的應(yīng)用前景。

此外，AGS中的微生物群落結(jié)構(gòu)對顆粒污泥的生長、穩(wěn)定性及污染物的去除效果起著至關(guān)重要的作用。AGS由于氧擴散的限制而呈層狀結(jié)構(gòu)，顆粒外部為好氧區(qū)，顆粒內(nèi)部核心為厭氧區(qū)，在好氧區(qū)和厭氧區(qū)之間存在一個過渡的缺氧區(qū)。將AGS引入MBR中，絲狀菌增多并相互纏繞形成AGS的骨架，而EPS的分泌促進了AGS維持其顆粒穩(wěn)定性，進而緩解膜污染。AGS與普通絮狀污泥的區(qū)別在于各菌群的占比不同，AGS的獨特結(jié)構(gòu)使得顆粒污泥富集了大量的微生物優(yōu)勢種群（如硝化菌、反硝化菌、聚磷菌），從而維持顆粒污泥的穩(wěn)定性，實現(xiàn)同步硝化與反硝化作用。在反應(yīng)器實際運行中，各工藝參數(shù)的改變不僅會影響顆粒污泥的理化特性，而且會影響AGS微生物群落的豐富度、多樣性及其代謝活動，從而影響顆粒污泥MBR系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性。綜上，AGS的穩(wěn)定性不僅對系統(tǒng)連續(xù)運行具有重要意義，而且在實際廢水中具有廣闊的應(yīng)用價值。目前，影響顆粒污泥生長及穩(wěn)定性的因素還沒有得到很好的認識，深入研究AGS穩(wěn)定性依然是AGMBR的主要挑戰(zhàn)之一。

2、AGMBR中膜污染及膜阻力分布

2.1 膜污染

與傳統(tǒng)MBR相比，AGMBR在膜污染控制方面顯示出了積極的作用。Wang等研究了高通量條件下不同形態(tài)污泥的膜污染情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)性能良好、尺寸較大的好氧顆粒污泥MBR最長運行時間達到61d，TMP總體呈平穩(wěn)上升趨勢，延長了過濾周期；而絮狀、膨脹、粒徑較小的污泥運行時間僅為15d左右，表明膜污染程度與污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)緊湊且成熟穩(wěn)定的顆粒污泥可以大大減緩膜污染進程，從而延長膜組件的使用壽命。Juang等對比分析了傳統(tǒng)MBR與AGMBR的運行情況，實驗研究表明，MBR的TMP在10500min后開始急劇上升并在15000min時達到最高值（60kPa），而AGMBR的TMP在前16000min比較穩(wěn)定，隨后上升至85kPa。可見，當(dāng)污泥粒徑較小時，污泥更容易沉積在膜表面，形成更為致密且滲透性能較差的濾餅層，導(dǎo)致膜通量下降，膜污染程度加重；而顆粒污泥相對穩(wěn)定且密實的結(jié)構(gòu)使其能夠在MBR中維持更好的通量條件，從而緩解膜污染進程。劉克成等通過長期的過濾試驗對比了傳統(tǒng)MBR與AGMBR中膜組件的水力反洗及化學(xué)清洗后膜通量的恢復(fù)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MBR經(jīng)水力反洗后膜通量恢復(fù)率為85%，而AGMBR達到了93%。經(jīng)NaClO離線清洗后，MBR反應(yīng)器中膜通量恢復(fù)率為90%，AGMBR達到了96.8%。兩個膜組件的通量恢復(fù)對比結(jié)果證明了AGS能夠顯著改善膜組件的過濾性能，減緩膜污染。

2.2 膜阻力分布

膜污染類型根據(jù)發(fā)生的位置可分為濾餅層污染和膜孔堵塞污染，而AGMBR與傳統(tǒng)MBR的主要膜污染類型不同。傳統(tǒng)MBR膜污染主要表現(xiàn)為濾餅層污染，而AGMBR中的膜污染以膜孔堵塞為主。

為了更清楚地了解AGS與膜組件的相互作用及膜污染機理，根據(jù)Darcy定律對膜阻力分布進行分析：

式中：RT為膜過濾總阻力；Rm為膜固有阻力；Rf為膜污染阻力；Rp為孔隙堵塞阻力；Rc為濾餅層阻力。

式（1）中，Rp是指由于顆粒沉積到膜孔內(nèi)而產(chǎn)生的不可逆膜污染阻力；Rc可分為Rc，irr和Rc，rev，其中Rc，irr是指膜表面濾餅層所產(chǎn)生的不可逆污染阻力，可通過特別的物理清洗操作去除；Rc，rev是膜表面濾餅層產(chǎn)生的可逆污染阻力，可通過普通反沖洗去除。

AGS因其較大的尺寸和緊湊的結(jié)構(gòu)，阻礙了膜面凝膠層的形成以及污染物在膜孔內(nèi)的吸附和堵塞，很好地延緩了膜污染進程。王成端等考察了AGMBR中的膜組件污染特性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)運行75d后膜過濾總阻力為7.89×1011m-1；膜表面濾餅層阻力和膜孔堵塞阻力分別為5.32×1011m-1和2.34×1011m-1，分別占總阻力的67.42%和29.66%。可見，膜污染的總阻力主要由膜表面濾餅層造成。然而，Wang等在研究高通量下不同形態(tài)污泥的MBR膜污染阻力分布時卻發(fā)現(xiàn)，絮狀污泥和膨脹污泥的Rc/Rf比分別達到了61.23%和79.02%，均大于對應(yīng)的Rp/Rf，說明濾餅層阻力是絮狀污泥和膨脹污泥MBR膜污染的主要原因；而對于好氧顆粒污泥MBR，Rp占膜污染阻力的76.21%，顯著大于Rc占比，表明膜孔堵塞是好氧顆粒污泥MBR膜污染的關(guān)鍵因素。

盡管研究已證實AGMBR中膜污染得到了緩解，但反應(yīng)器能夠長期穩(wěn)定運行才是最終目標(biāo)。diTrapani等通過RIS模型研究了AGMBR處理高濃度柑橘廢水時的膜污染阻力分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在短期內(nèi)盡管AGMBR主要污染機制是Rc，irr，但在整個實驗過程中Rc，irr出現(xiàn)了下降，同時觀察到Rp占比從41.20%下降到25.92%；且Rc，rev占比出現(xiàn)顯著增加，從8.95%升至28.52%。這表明在污染發(fā)展和可逆性方面，AGMBR系統(tǒng)的短期效果可能更好。然而，在系統(tǒng)長期運行中，經(jīng)過化學(xué)清洗操作后的剩余阻力RRes（即使利用化學(xué)藥劑也不能被去除的不可逆污染阻力）不容忽視，因為這可能會嚴(yán)重影響膜的過濾性能，導(dǎo)致膜清洗操作成本增加并且縮短膜的使用壽命。因此，如果能維持顆粒污泥的粒徑與穩(wěn)定性，加上顆粒污泥緊湊的結(jié)構(gòu)以及豐富的微生物群落特征，AGMBR系統(tǒng)將會有極大的應(yīng)用潛力。

3、AGS特性對MBR膜組件的影響

3.1 AGS粒徑對膜污染的影響

AGS的粒徑和結(jié)構(gòu)改變了MBR污泥混合液的特性，污泥粒徑的變化可能會導(dǎo)致污泥沉降性能、顆粒質(zhì)量、氧傳遞阻力等發(fā)生改變，從而影響膜污染行為。Zhang等探究了不同粒徑（0～0.5、0.5～0.7、0.7～1、1～1.2、1.2～1.7、>1.7mm）AGS對MBR膜污染的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MBR膜污染出現(xiàn)了一個臨界AGS尺寸（1~1.2mm）：粒徑在1.2mm以上時，AGS因尺寸較大不易在膜表面沉積，故形成了較為疏松的濾餅層；粒徑在1mm以下時，AGS尺寸越小，膜過濾性能越好，這是因為分泌的EPS含量減少，從而減輕了膜污染。在臨界尺寸下，由于膜表面濾餅層的致密結(jié)構(gòu)和更多EPS的附著作用，膜組件表現(xiàn)出了嚴(yán)重的膜孔堵塞和不可逆污染。Wang等研究了AGMBR膜表面污染層中的污泥粒徑大小分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膜表面污染層中以絮狀污泥（d≤0.18mm）為主，占污染層中污泥總量的50%，且不同粒徑的顆粒污泥（d>0.18mm）在污染層中所占比例均略低于混合液污泥。這些數(shù)據(jù)表明，大量的顆粒污泥傾向于保持懸浮而不易沉積在膜表面。相反，大部分絮狀污泥更容易沉積在膜表面而形成密實的濾餅層，導(dǎo)致TMP迅速上升，膜污染速率更快。

伍璐瑩研究了增強型AGMBR中的膜污染情況，通過污泥粒徑分布分析證明了平均粒徑較小（239μm和202μm）的顆粒污泥更易附著并累積在膜表面而造成膜污染。Shen等研究了浸沒式MBR中絮體粒徑對膜污染的影響。研究發(fā)現(xiàn)，絮體尺寸的降低顯著增加了濾餅層的水力阻力和滲透壓阻力，導(dǎo)致膜過濾性能變差，膜污染速率變快。AGS在反應(yīng)器中的培養(yǎng)馴化與穩(wěn)定直接關(guān)系到AGMBR在廢水處理過程中的污染物去除效率和膜污染程度。因此，在未來的研究中調(diào)控AGS粒徑以及維持AGS的穩(wěn)定性是控制膜污染、提高膜通量的有效方法。

3.2 EPS的成分和含量對膜污染的影響

以往的研究指出，EPS是AGMBR中主要的膜污染物。EPS可分為結(jié)合態(tài)EPS和溶解態(tài)EPS（sEPS），也有研究者將sEPS稱為溶解性微生物產(chǎn)物（SMP），結(jié)合態(tài)EPS又分為緊密結(jié)合型EPS（TBEPS）和松散結(jié)合型EPS（LB-EPS）。EPS是一種復(fù)雜的高分子聚合物，存在于細胞外和微生物聚集體內(nèi)，主要由PN、PS、腐殖酸和核酸類物質(zhì)等組成。EPS的成分和含量決定了膜污染的性質(zhì)與程度，對AGMBR中的EPS進行深入分析并監(jiān)測污染發(fā)展是非常重要的。

Iorhemen等在TOC為（266±27）mg/L及HRT為10h條件下對AGMBR中的EPS進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TB-EPS中顯示出較高的PS（25.49mg/gMLVSS）與PN含量（171.67mg/gMLVSS）；而LB-EPS中PS（<1mg/gMLVSS）與PN含量（0.01~1.92mg/gMLVSS）均較低。盡管TB-EPS中的PN/PS濃度很高，但TMP的增長速率緩慢，整個實驗過程中都低于10kPa，較低的LB-EPS含量是AGMBR膜污染程度減輕的重要原因，證實了LB-EPS與膜污染的相關(guān)性顯著強于TB-EPS。另外，溶液sEPS中的PS與PN組分濃度分別低于20mg/L和10mg/L，低于傳統(tǒng)MBR，使得AGMBR中的膜污染程度降低。劉克成等對傳統(tǒng)MBR與AGMBR反應(yīng)器中污泥分泌的EPS含量及構(gòu)成進行了30d的連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)AGMBR反應(yīng)器中PS的平均濃度僅為傳統(tǒng)MBR的46%，EPS總量也明顯低于傳統(tǒng)MBR，僅為傳統(tǒng)MBR的75.2%。可以看出，在AGMBR反應(yīng)器中，不論是PS組分濃度還是EPS總量，好氧顆粒污泥都明顯低于普通的絮狀污泥，這可能是導(dǎo)致AGMBR反應(yīng)器中膜污染進程緩慢的主要原因之一。

Tavana等對已運行60d的AGMBR中的EPS進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LB-EPS中并沒有檢測到PN，而在第四階段PS含量達到最高，SMP中PS含量同樣表現(xiàn)出很高的含量，此時MBR膜組件經(jīng)歷了最嚴(yán)重的膜污染。可見，PN和PS的含量與膜污染的程度緊密相關(guān)。

然而，Wang等對AGMBR中不同粒徑生物質(zhì)的EPS和膜污染物進行分析時發(fā)現(xiàn)，絮狀污泥的沉降性能和過濾性能隨EPS含量的增加而顯著降低。而對于顆粒污泥，EPS含量與污泥特性無顯著相關(guān)性。另外，對于絮狀污泥，過濾比阻（SRF）隨EPS的增加而顯著增大；而顆粒污泥中的EPS與SRF的關(guān)系并不顯著。伍璐瑩研究發(fā)現(xiàn)，AGMBR混合液中SMP含量較低，而膜污染物中的SMP含量非常高，推斷SMP是導(dǎo)致膜污染的主要原因。因此，應(yīng)對SMP和EPS的化學(xué)組成及其與膜組件之間的相互作用進行深入研究，尋找有效的方法來控制SMP與EPS的含量，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，從而實現(xiàn)最大限度的膜污染控制。

4、結(jié)論與展望

AGMBR工藝具有占地面積小、處理效果優(yōu)良、成本低等優(yōu)勢，工程化應(yīng)用前景良好。然而，膜污染是影響MBR工藝穩(wěn)定運行及廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。未來對于AGMBR的研究需要關(guān)注以下兩方面的問題：

①增強AGS的穩(wěn)定性。雖然AGMBR系統(tǒng)在污染物去除和膜污染控制方面具有優(yōu)勢，但AGS的穩(wěn)定性與制粒機制直接關(guān)系膜污染的程度，深入探究影響AGS生長及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。例如，群體感應(yīng)已被證明可以調(diào)節(jié)EPS的種類和分泌量，因此可從微觀層面研究分子和細胞對顆粒污泥穩(wěn)定性的影響。

②控制MBR膜組件的不可逆污染。由于AGMBR中膜表面形成的濾餅層較為疏松，但無法阻礙膠體顆粒、SMP和EPS進入膜孔，在系統(tǒng)運行后期會造成嚴(yán)重的不可逆膜污染，從而嚴(yán)重縮短反應(yīng)器運行時間并且增大膜清洗的成本與膜更換頻率。因此如何控制或克服AGMBR運行后期出現(xiàn)的不可逆膜污染將是該工藝未來發(fā)展中面臨的一個重大挑戰(zhàn)。（來源：江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，贛州市贛江流域水質(zhì)安全保障技術(shù)創(chuàng)新中心，西安晶能環(huán)保科技有限公司）