目前我國各類廢水的處理方法主要為物化+膜生物反應器（MBR）法。MBR被認為是一種高效節能的新型污水處理技術。采用MBR能在膜表面有效的形成內部缺氧、外部好氧的階梯環境，從而實現好氧菌、厭氧菌同步去除COD及氨化、硝化、反硝化同步發生去除NH₃-N的效果（同步硝化反硝化，簡稱SND）。由于中空纖維膜具有壽命短、通量小、耐酸堿性差等缺點，利用傳統膜生物反應器的原理，結合陶瓷膜代替中空纖維膜開發的陶瓷膜生物反應器（以下簡稱CMBR），是以無機陶瓷材料經特殊工藝制備而形成的非對稱膜。主要以不同規格的Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂和SiO₂等無機陶瓷材料為支撐體，經表面涂膜、高溫燒制，使其具有耐酸、耐堿、耐重金、耐高溫以及抗微生物能力強等優點，近年來受到廣泛的關注。

1 陶瓷膜

陶瓷膜是無機膜中的一種，以不同規格Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂和SiO₂等無機陶瓷材料為支撐體，經表面涂膜、高溫燒制。下表分析了陶瓷膜與中空纖維膜的性能對比。

目前市場上主要是以Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂和SiO₂為單支撐體的單組分陶瓷膜及ZrO₂-SiO₂、Al₂O₃-SiO₂、Al₂O₃-ZrO₂等功能型多組分復合膜。陶瓷膜具有三層結構（多孔支撐層、過渡層及分離層），呈非對稱分布，其孔徑規格為0.8mm～1μm不等，內部含有大量氣孔，孔隙率在30%以上，呈外密內疏的非對稱結構。

1.1 單組分陶瓷膜

單組分陶瓷膜是以Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂和SiO₂等膜片作為載體制成的分離膜，根據膜孔徑不同可分為微濾膜、納濾膜及超濾膜。單組分陶瓷膜具有性價比高、抗機械強度強、能承受0.4mP以下的反沖洗壓力優點，廣泛運用于食品發酵、生物醫藥、石油化工和水處理等行業。

1.2 復合陶瓷膜

復合分離膜是由一種以上材料或結構復合而成?！皬秃稀卑私Y構的非對稱性及不同材質的復合化兩個概念。通常包括ZrO₂-SiO₂、Al₂O₃-SiO₂、Al₂O₃-ZrO₂等組分復合膜，也包括三組分復合膜。多組分復合陶瓷膜可在單組分陶瓷膜基礎上具有透過率低，穩定性強等優點。其薄膜的表面形貌及表面改性有利于在水處理中起到分離過濾的效果。

2 CMBR制備方法

陶瓷膜常用的制備方法為溶膠-凝膠制備法、擠壓成型法等。溶膠-凝膠法由于具有工藝設備簡單、成本低廉、化學成分可控、可在相對低溫下制備小孔徑的陶瓷薄膜等優點，被普遍認為是制備復合陶瓷膜的較有效的方法。陳云霞等以氧氯化鋯和四氯化鈦為原料，用溶膠-凝膠法制備了高取向的ZrO₂-TiO₂，復合薄膜，該復合薄膜均勻致密，可用作特殊工況條件下的減摩抗磨保護性涂層。

陶瓷膜生物反應器是采用陶瓷膜為載體，采用陶瓷膜的截留作用，不僅能將污染物部分進行截留，也能將生物法菌團截留在反應器內，從而形成活性污泥法與陶瓷膜組件相結合的新型廢水處理技術。以陶瓷膜組件代替傳統工藝的二沉池，將有效的微生物菌團完全截留在反應器內，使得反應器內能維持較高的污泥濃度，從而提高了反應器的處理能力，并且能達到節省占地面積，操作簡單等效果。

3 CMBR處理廢水機理

3.1 陶瓷膜的過濾分離效果

過濾分離機理主要是“篩分機理”。根據膜孔徑大小和原料液中所含物質分子的直徑大小，直徑小于膜孔的小分子或液體透過濾膜，直徑大于膜孔的大分子或固體將被截留，使原水達到過濾、分離、凈化等目的。其中，過濾分離技術的實現主要采用抽吸方式，陶瓷膜的內部有豎狀的集水通道，一端被封閉，一端設有橫向的集水管，集水管口與抽吸泵相連，在吸力的作用下，池內的原水從膜兩側進入，原水中的大分子物質、懸浮顆粒等污染物被陶瓷膜阻隔，從而實現過濾分離效果。

3.2 陶瓷膜的吸附效果

艾曉艷等利用成都粘土對去除垃圾滲濾液中氨氮的實驗研究發現：成分為mAl₂O₃·nSiO₂·nH₂O的黏土對氨氮有吸附效果，而以Al₂O₃為支撐體的陶瓷膜與該黏土相近的成分，也可通過吸附作用去除少量NH₃-N。

3.3 陶瓷膜表面形式SND效果

廢水以COD、BOD₅、NH₃-N為主要污染物，生物法除NH₃-N主要是利用在微生物的作用下，將有機氮轉化為氣態物，如N₂等的方法。過程包括有機氮的氨化反應過程、亞硝化菌和硝化菌的硝化反應過程、反硝化菌的反硝化反應過程以及同化作用過程；生物法除COD是通過活微生物在有氧及缺氧的情況下，將有機物合成新的細胞物質或將其解代謝。

基于以Al₂O₃為支撐體的陶瓷膜，利用陶瓷膜上下層的回流來代替傳統活性污泥法的好氧/厭氧分離，由于污泥濃度高，溶解氧受擴散速度的限制，在微生物絮體或生物膜微環境區域產生溶解氧梯度，利于硝化菌和氨化菌的生長繁殖，越深入內部，溶解氧濃度越低，從而形成溶解氧梯度環境。以上CMBR優點為COD去除及SND的實現創造了良好的工藝條件。同時，CMBR內可兼具有機物降解、硝化、反硝化、厭氧釋磷和好氧攝磷等多個生物化學反應。因此，研究CMBR過程中的SND效果是工藝的關鍵所在。

4 CMBR在廢水處理中的試驗研究

4.1 CMBR在生活廢水中的應用

生活廢水仍是我國污水的較大一部分來源，受雨污未徹底分流、C/N比不均衡等問題影響，部分生活廢水污水處理廠出現出水水質不穩定等問題。采用陶瓷膜組件的截留過濾作用能對生活廢水中的COD、氨氮等污染物進行有效的處理，同時確保出水水質的穩定。董越通過采用浸沒式陶瓷膜建立平板陶瓷膜生物反應器，達到對分散式生活廢水進行處理，實驗表明COD處理率可達91%、氨氮去除率達92.3%，出水水質穩定。劉莉莉等采用分置式厭氧陶瓷膜生物反應器處理生活廢水，在厭氧反應器啟動60d時，膜出水COD在22.58mg/L左右，COD總去除率平均95.53%，出水水質穩定。

4.2 CMBR在工業廢水中的應用

工業廢水水質復雜，處理難度較大。Yeongmi Jeong等通過厭氧陶瓷膜生物反應器（AnCMBR）與傳統厭氧膜生物反應器（AnMBR）的比較發現：AnCMBR的有機物去除率高于AnMBR，因為CMBR中保留了高濃度的生物量。結果表明CMBR的表面能較好地富集微生物，形成高濃度生物量。Marta Waszak等采用管狀超濾陶瓷膜對肉湯的細菌和其他懸浮物進行分離，研究處理后肉湯的濁度為0.1NTU，對檸檬酸桿菌有一定的截留作用。俞科成發現用平板陶瓷膜微濾技術處理車輛段廢水的方法是可行的，平板陶瓷膜可有效處理鐵路車輛段含油廢水，處理后的固體懸浮物、COD和油的含量分別為35mg/L、22mg/L、0.88mg/L，能滿足《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）中一級排放標準。劉斌通過采用平板陶瓷膜對垃圾滲濾液進行處理，發現陶瓷膜對COD、NH₃-N等有一定的截留及去除效果，對COD、NH₃-N和TN的去除效果分別為70.5%、57.5%和40.0%。Hasan等采用低成本的陶瓷過濾器對合成廢水（由洗發香波、洗碗劑和洗衣粉制成），在HRT為1.7d時，有機碳總量去除率大于88%，表面活性劑能完全被處理。Hang-Sik Shin等學者研究了膜生物反應器（MBR）中可溶性微生物產物（SMP）的形成及命運。研究發現在SRT為20天、進水COD為112mg/L、HRT為6h的條件下，產生的SMP為4.7mg/L，其SMP57%被膜去除或保留。

從上文可知，陶瓷膜生物反應器在生活廢水中得到了較好的應用，但在工業廢水處理中大多僅限于其截留作用，未結合活性污泥在陶瓷膜表面形成溶解氧梯度環境，形成陶瓷膜生物反應器對廢水進行處理。

5 結語

綜上所述，盡管大量學者研究了陶瓷膜在各種污水中的應用，但僅有少部分學者在陶瓷膜表面形成溶解氧梯度環境從而達到好氧菌、厭氧菌同步處理COD及SND效果的原理下，對陶瓷膜生物反應器中SND效果及微生物菌群特征進行分析。本文認為CMBR處理廢水將來發展的方向主要為：

（1）由于CMBR的機理與傳統的MBR存在一定的區別。因此，需要從陶瓷膜生物反應器的機理及操作條件上探討對不同支撐材料的陶瓷膜表面形成氧氣梯度環境的情況下，對SND效果、氧穿透率及污染物去除處理效果等進行研究。

（2）結合部分工業廢水的水質較復雜，含有酸堿或重金屬離子，對優勢菌群有一定的抑制作用，可以從陶瓷膜表面負載吸附劑，給優勢菌群創建良好的生長環境，從而確定優勢菌群等方向進行研究。