工艺技术聊聊：膜曝气生物反应器[MABR]的前世今身

查看全部 · 发表于 2021-5-2 11:04:30

我是在2016年的时候才开始了解MABR的。当时因为工作关系，有幸在慕尼黑的IFAT听Fluence公司的人介绍MABR工艺。话说当时Fluence还叫Emefcy (谐音M-F-C，说明这公司跟微生物燃料电池有点关系)。当时就感觉这技术很厉害，但因为商业原因，当时没机会好好介绍一下这工艺。现在条件允许了，我想分两期好好介绍一下MABR工艺，今天我首先聊聊MABR的前世今身。

1、什么是MABR？

MABR，全称Membrane Aeration Bioreactor，即膜曝气生物反应器。顾名思义，它是用膜来曝气的生物工艺，但不要误会，所谓的膜曝气不是指微孔曝气；MABR是传统活性污泥工艺的升级版——它可以在现有的池容基础上，以更少的传氧能耗处理更多的污水。

它是怎么做到的呢？

卖MABR工艺的销售可能会跟你说：“我们有自主研发的透气膜，将氧气传到粘附在透气膜的生物膜上。像人肺一样，这是一种会呼吸的膜。”

没听懂销售的话？我们先来回顾一下它的发展史。

2、MABR的萌芽期

MABR工艺的研究可以追溯到上世纪60年代。著名的F. J. Ludzack和Morris Ettinger在1960年就用透气塑料膜来进行氧化作用。他们当时已经能在塑料膜上看到生物膜的生长。

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不知为何，这方面的研究一度沉寂将近30年。直到1978年在再现相关研究——西弗吉尼亚大学的Charles Jenkins教授的团队在Journal of the Environmental Engineering Division发表了题为《Pure oxygen fixed film reactor》的文章。他们用特氟龙毛细管做成透气膜和合成污水做实验，效果也貌似不错——即使高有机负荷条件下，BOD的去除率高达90%。但他们当时把设计的反应器称作MABR，而是Aerobic Media Trickling Filter。我个人猜测这是因为生物滴滤池更为人熟知，毕竟它是上世纪前半叶最常见的污水处理工艺之一。

他们为什么会想到用特氟龙毛细管做实验呢？据说是受到1972年《Science》的一篇文章的启发——美国医学界的人用人造毛细管做体外的细胞培养。我翻了一下原文，原理确实非常相似。这是否能说明污水界的很多创新都需要抱生物、化学界的大腿？

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Science体外细胞培养文章的原理图 | 图源：Sciencemag.org

3、中试之路

但在此之后，MABR的研究好像又掉线了。直到1986年，加拿大人Pierre Cté博士和另外几位同事在Journal of Membrane Science上发表了下边这篇文章，才算让MABR的研究重新走上正轨。

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Pierre Cté博士在1986和同事发表的论文开头 | 图源：jstor

下面是他画的中空纤维膜组件示意图(当年画个画挺不容易的)：因为氧气从膜的一侧通过扩散作用(diffusion)转移到膜的另一侧，不会产生气泡，所以他们当时把它叫做无泡曝气技术(bubble-free aeration)。

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Cté博士画的中空纤维膜传氧示意图 | 图源：JSTOR

不过后边加拿大人跑去忙更重要的事了——他去了一家伟大的公司研发超滤膜。这家公司叫泽能环境(ZENON Enviroment)，他在1998年当上了公司的CTO，直到后来被GE收购。

幸好当时已经不止Cté博士在捣鼓这玩意，明尼苏达大学的Michael Semmens教授也在进行了相关研究。1999年，他的团队在Water Environment Research期刊上发表了题为《Pilot-Plant Treatment of a High-Strength Brewery Wastewater Using a Membrane-Aeration Bioreactor》的文章。MABR一词算是正式面世，并且进入中试阶段。

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Semmens团队写的一篇膜反应器综述 | 瓦村农夫改编，参考：JSTOR

同年，爱尔兰都柏林大学的Eoin Casey教授的团队也在国际期刊《Biotechnology and Bioengineering》报道关于膜传氧材料的研究进展，而且也用了MABR的缩写，唯一的不同是这里的A是指aerated，而不是aeration。个中的区别，请自行体会。

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Eoin Casey教授和他的MABR膜组件 | 图源：UCD

4、MABR的核心竞争力

读完历史，我们回到最初的问题：为什么说MABR工艺的能耗会远低于其他工艺？

我画了下面这张图来解释一下：
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授会跟你介绍的生物膜的模型，黑色部分是各种载体，在载体上形成的生物膜可以大致分成好氧层和缺氧层两个部分(如果膜够厚，不排除有厌氧区)，然后有机质和氨氮等污染物的传质扩散作用是从混合液一侧向载体一侧进行的。因为氧气是通过曝气片/盘打入混合液中，所以溶解氧的扩散作用和BOD/氨氮是同方向的。这样形成的生物膜，好氧层在污水的一侧，缺氧区在靠近生物膜的一侧。

这图下半部分是大部分同学在大学从未听过的MABR膜的模型。它跟生物膜的不同点在于生物膜的好氧层和缺氧层的位置刚好反过来了！为什么会这样？因为氧气是通过透气膜从膜内传到膜外，因为它的传质扩散作用的方向和BOD/氨氮的方向刚好相反！

这意味着：

1. 氧气的实际停留时间大大延长，膜内的含氧气体不会因为水的浮力被赶走出混合液；

2. 空气可以低压方式进行输送，因为空气不需要克服静水压力来穿过中空纤维膜 (销售说的自呼吸膜，就是指它能在大气压下运行)；

3. 大大降低曝气速率，因为MABR反应器的溶氧传递效率(OTE)可高达90% (。(SUEZ的高级工程师Jeff Peeters说MABR的OTE是微孔曝气的四倍)

4. 硝化反硝化可以在一个反应池内完成！

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MABR的氮转化示意图 | 设计：瓦村农夫

第四小点是我第一次接触MABR的时候没有注意到的，我仅仅以为它是一种低能耗的曝气技术，后来才知道这生物膜结构的优势——在传统的生物膜或者悬浮系统中，氧气是限制因素，特别在溶解性COD较高的情况下，硝化菌在溶氧的争夺战往往会输给异养菌，为了要给硝化菌提供更多停留时间，往往要设计回流。但在MABR系统中，氧气不再是限制因素，硝化菌也不用跟异养菌争夺氧气了，硝化和反硝化反应分别在生物膜的内外两侧进行(如上图所示)，这时候甚至不需要回流了。在这个系统里，反硝化也不需要额外的碳源了，也意味着相当于可以利用硝态氮来氧化利用污水中的BOD。更重要的一点是，这为主流厌氧氨氧化提供了很好的控制机制。很多团队都在进行这方面的研究了，包括前IWA国际水协会主席、密歇根大学的Glen Daigger教授的团队。

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各种曝气技术的传氧效率对比 | 数据来源：Stenstrom & Rosso+Black & Veatch, 视图制作：瓦村农夫

5、核心问题

你可能会问：说得这么好，为何从1999年到2015年之间MABR都还没什么工程化案例呢?

对于这个价值上亿的问题，小编显然没能力给出官方回答，但我个人认为其中的一个原因是MABR工艺的研发者需要更多时间来理解和搭建MABR生物膜的生长模型。水务投资者在没看到可控的生物膜，怎么会有信心掏腰包？

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MABR膜和传统生物膜的对比 | 制作：瓦村农夫

加拿大的污水建模公司inCTRL Solutions似乎已经找到了其中的奥秘：在去年9月的webinar上，他们就分享了一些最新的分析数据，如下图所示，MABR膜的厚度超过0.5μm之后，出水的硝态氮/亚硝态氮的浓度才能低于5mg/L，但随着膜厚的进一步增加，氨氮的去除效率却会下降。这张图对MABR工艺工程师意义重大，这意味着他们需要根据进水浓度和出水标准找到一个合适的平衡点。

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MABR膜厚有讲究 | 图源：Inctrl solutions

6、艰难的商业化之路

经过过去十几年里的积累，MABR的生意似乎在2013年之后多起来了：

2013年，都柏林大学的spinout公司Oxymem声称率先研发出MABR的商用中空纤维膜，并在2014年6月获得了第一个客户——英国Enisca用Oxymem的MABR技术在爱尔兰的一个堆填区兴建污水处理系统。

2015年，当时的GE水处理公司也推出了MABR商用膜，取名ZeeLung。还记得Pierre Cote博士吗？ZeeLung的很多技术专利都跟他有关，不过2009年的时候他已经自己开公司了。

2016年，以色列的Emefcy公司的新一代平板MABR膜上市。话说该公司早在2008年就成立了，还得到了GE公司的投资。他们当时就声称造出了可呼吸的透气膜技术，不过在随后的运行中遇到了堵塞问题，所以后来一直在优化，2016年的新款是优化后的产品。

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MABR三大厂商的组件外观对比 | 图源：B&V

但在过去几年，这三家公司都相继被合并或者重组：

2017年3月，GE水处理公司被SUEZ收购；

2017年7月，Emefcy和RWL合并成立Fluence;

2019年12月，杜邦公司收购了Oxymem。

这三家公司经过重组之后，似乎都得到了更多的资源：去年9月Oxymem拿下了英国水务公司Severn Trent的Worcestershire污水厂的扩容项目，并且赢得了GWI的“年度技术突破公司奖”。话说，明尼苏达大学的Semmens教授退休后也当起了该公司的顾问。

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英国最大的MABR系统安装现场 | 图源：Oxymem

SUEZ在得到ZeeLung膜技术后，首先在IWA国际水协会的期刊Water Science & Technology上发布了芝加哥O'brien污水厂的中试结果，显示了稳定的氧气传送速率，而且这些氧气大多用于硝化作用。借助权威期刊展示MABR对现有或A2O法的污水厂的节能和扩容的潜力之后，SUEZ于去年8月拿下了加拿大Hespeler污水厂的升级扩容项目，预计今年可以投产。据称这将是目前最大的MABR案例，处理能力约10000m3/天。

相比前两家公司，Fluence公司更积极地在中国拓展市场，已经和葛洲坝、清水源等多家公司合作积累分散式污水处理的案例，似乎要走农村包围城市的道路。此外，他们在以色列Mayan Zvi污水厂的MABR案例还得到了设计咨询巨头Black & Veatch的认可和背书。

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Fluence位于河南洛阳的300m3/天的项目 | 图源：Fluence

上述三家公司的订单貌似大多来自污水厂的原地扩容或节能降耗的需求，这一方面反映了市场对MABR的反应还是很谨慎理性，另一方面说明这是MABR的优势所在，也给MABR厂家宝贵的机会去证明其工艺的优越性。

目前的这些改造工程大多以模块化的方式，将多个膜组件放入现有污水厂的缺氧区，在这个区域完成同时的硝化反硝化，而且可以取消回流旁路。如果这些项目的长期数据能让人信服的话，估计MABR的前景是值得期待的。

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MABR工艺流程图 | 图源：Youtube@fluence

从1960年到2020年，MABR这一路走来也够曲折的了。最后我想分享一张图片，它是Black & Veatch首席工艺工程师Leon Downing博士分享的MABR业绩趋势图。小编个人认为未来的污水处理厂，会有MABR的一席之地，毕竟在污水处理界，再好的技术似乎都要等待十年左右的时间才能迎来自己的春天。

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