目前我国各类废水的处理方法主要为物化+膜生物反应器（MBR）法。MBR被认为是一种高效节能的新型污水处理技术。采用MBR能在膜表面有效的形成内部缺氧、外部好氧的阶梯环境，从而实现好氧菌、厌氧菌同步去除COD及氨化、硝化、反硝化同步发生去除NH₃-N的效果（同步硝化反硝化，简称SND）。由于中空纤维膜具有寿命短、通量小、耐酸碱性差等缺点，利用传统膜生物反应器的原理，结合陶瓷膜代替中空纤维膜开发的陶瓷膜生物反应器（以下简称CMBR），是以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而形成的非对称膜。主要以不同规格的Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂和SiO₂等无机陶瓷材料为支撑体，经表面涂膜、高温烧制，使其具有耐酸、耐碱、耐重金、耐高温以及抗微生物能力强等优点，近年来受到广泛的关注。

1 陶瓷膜

陶瓷膜是无机膜中的一种，以不同规格Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂和SiO₂等无机陶瓷材料为支撑体，经表面涂膜、高温烧制。下表分析了陶瓷膜与中空纤维膜的性能对比。

目前市场上主要是以Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂和SiO₂为单支撑体的单组分陶瓷膜及ZrO₂-SiO₂、Al₂O₃-SiO₂、Al₂O₃-ZrO₂等功能型多组分复合膜。陶瓷膜具有三层结构（多孔支撑层、过渡层及分离层），呈非对称分布，其孔径规格为0.8mm～1μm不等，内部含有大量气孔，孔隙率在30%以上，呈外密内疏的非对称结构。

1.1 单组分陶瓷膜

单组分陶瓷膜是以Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂和SiO₂等膜片作为载体制成的分离膜，根据膜孔径不同可分为微滤膜、纳滤膜及超滤膜。单组分陶瓷膜具有性价比高、抗机械强度强、能承受0.4mP以下的反冲洗压力优点，广泛运用于食品发酵、生物医药、石油化工和水处理等行业。

1.2 复合陶瓷膜

复合分离膜是由一种以上材料或结构复合而成。“复合”包含了结构的非对称性及不同材质的复合化两个概念。通常包括ZrO₂-SiO₂、Al₂O₃-SiO₂、Al₂O₃-ZrO₂等组分复合膜，也包括三组分复合膜。多组分复合陶瓷膜可在单组分陶瓷膜基础上具有透过率低，稳定性强等优点。其薄膜的表面形貌及表面改性有利于在水处理中起到分离过滤的效果。

2 CMBR制备方法

陶瓷膜常用的制备方法为溶胶-凝胶制备法、挤压成型法等。溶胶-凝胶法由于具有工艺设备简单、成本低廉、化学成分可控、可在相对低温下制备小孔径的陶瓷薄膜等优点，被普遍认为是制备复合陶瓷膜的较有效的方法。陈云霞等以氧氯化锆和四氯化钛为原料，用溶胶-凝胶法制备了高取向的ZrO₂-TiO₂，复合薄膜，该复合薄膜均匀致密，可用作特殊工况条件下的减摩抗磨保护性涂层。

陶瓷膜生物反应器是采用陶瓷膜为载体，采用陶瓷膜的截留作用，不仅能将污染物部分进行截留，也能将生物法菌团截留在反应器内，从而形成活性污泥法与陶瓷膜组件相结合的新型废水处理技术。以陶瓷膜组件代替传统工艺的二沉池，将有效的微生物菌团完全截留在反应器内，使得反应器内能维持较高的污泥浓度，从而提高了反应器的处理能力，并且能达到节省占地面积，操作简单等效果。

3 CMBR处理废水机理

3.1 陶瓷膜的过滤分离效果

过滤分离机理主要是“筛分机理”。根据膜孔径大小和原料液中所含物质分子的直径大小，直径小于膜孔的小分子或液体透过滤膜，直径大于膜孔的大分子或固体将被截留，使原水达到过滤、分离、净化等目的。其中，过滤分离技术的实现主要采用抽吸方式，陶瓷膜的内部有竖状的集水通道，一端被封闭，一端设有横向的集水管，集水管口与抽吸泵相连，在吸力的作用下，池内的原水从膜两侧进入，原水中的大分子物质、悬浮颗粒等污染物被陶瓷膜阻隔，从而实现过滤分离效果。

3.2 陶瓷膜的吸附效果

艾晓艳等利用成都粘土对去除垃圾渗滤液中氨氮的实验研究发现：成分为mAl₂O₃·nSiO₂·nH₂O的黏土对氨氮有吸附效果，而以Al₂O₃为支撑体的陶瓷膜与该黏土相近的成分，也可通过吸附作用去除少量NH₃-N。

3.3 陶瓷膜表面形式SND效果

废水以COD、BOD₅、NH₃-N为主要污染物，生物法除NH₃-N主要是利用在微生物的作用下，将有机氮转化为气态物，如N₂等的方法。过程包括有机氮的氨化反应过程、亚硝化菌和硝化菌的硝化反应过程、反硝化菌的反硝化反应过程以及同化作用过程；生物法除COD是通过活微生物在有氧及缺氧的情况下，将有机物合成新的细胞物质或将其解代谢。

基于以Al₂O₃为支撑体的陶瓷膜，利用陶瓷膜上下层的回流来代替传统活性污泥法的好氧/厌氧分离，由于污泥浓度高，溶解氧受扩散速度的限制，在微生物絮体或生物膜微环境区域产生溶解氧梯度，利于硝化菌和氨化菌的生长繁殖，越深入内部，溶解氧浓度越低，从而形成溶解氧梯度环境。以上CMBR优点为COD去除及SND的实现创造了良好的工艺条件。同时，CMBR内可兼具有机物降解、硝化、反硝化、厌氧释磷和好氧摄磷等多个生物化学反应。因此，研究CMBR过程中的SND效果是工艺的关键所在。

4 CMBR在废水处理中的试验研究

4.1 CMBR在生活废水中的应用

生活废水仍是我国污水的较大一部分来源，受雨污未彻底分流、C/N比不均衡等问题影响，部分生活废水污水处理厂出现出水水质不稳定等问题。采用陶瓷膜组件的截留过滤作用能对生活废水中的COD、氨氮等污染物进行有效的处理，同时确保出水水质的稳定。董越通过采用浸没式陶瓷膜建立平板陶瓷膜生物反应器，达到对分散式生活废水进行处理，实验表明COD处理率可达91%、氨氮去除率达92.3%，出水水质稳定。刘莉莉等采用分置式厌氧陶瓷膜生物反应器处理生活废水，在厌氧反应器启动60d时，膜出水COD在22.58mg/L左右，COD总去除率平均95.53%，出水水质稳定。

4.2 CMBR在工业废水中的应用

工业废水水质复杂，处理难度较大。Yeongmi Jeong等通过厌氧陶瓷膜生物反应器（AnCMBR）与传统厌氧膜生物反应器（AnMBR）的比较发现：AnCMBR的有机物去除率高于AnMBR，因为CMBR中保留了高浓度的生物量。结果表明CMBR的表面能较好地富集微生物，形成高浓度生物量。Marta Waszak等采用管状超滤陶瓷膜对肉汤的细菌和其他悬浮物进行分离，研究处理后肉汤的浊度为0.1NTU，对柠檬酸杆菌有一定的截留作用。俞科成发现用平板陶瓷膜微滤技术处理车辆段废水的方法是可行的，平板陶瓷膜可有效处理铁路车辆段含油废水，处理后的固体悬浮物、COD和油的含量分别为35mg/L、22mg/L、0.88mg/L，能满足《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中一级排放标准。刘斌通过采用平板陶瓷膜对垃圾渗滤液进行处理，发现陶瓷膜对COD、NH₃-N等有一定的截留及去除效果，对COD、NH₃-N和TN的去除效果分别为70.5%、57.5%和40.0%。Hasan等采用低成本的陶瓷过滤器对合成废水（由洗发香波、洗碗剂和洗衣粉制成），在HRT为1.7d时，有机碳总量去除率大于88%，表面活性剂能完全被处理。Hang-Sik Shin等学者研究了膜生物反应器（MBR）中可溶性微生物产物（SMP）的形成及命运。研究发现在SRT为20天、进水COD为112mg/L、HRT为6h的条件下，产生的SMP为4.7mg/L，其SMP57%被膜去除或保留。

从上文可知，陶瓷膜生物反应器在生活废水中得到了较好的应用，但在工业废水处理中大多仅限于其截留作用，未结合活性污泥在陶瓷膜表面形成溶解氧梯度环境，形成陶瓷膜生物反应器对废水进行处理。

5 结语

综上所述，尽管大量学者研究了陶瓷膜在各种污水中的应用，但仅有少部分学者在陶瓷膜表面形成溶解氧梯度环境从而达到好氧菌、厌氧菌同步处理COD及SND效果的原理下，对陶瓷膜生物反应器中SND效果及微生物菌群特征进行分析。本文认为CMBR处理废水将来发展的方向主要为：

（1）由于CMBR的机理与传统的MBR存在一定的区别。因此，需要从陶瓷膜生物反应器的机理及操作条件上探讨对不同支撑材料的陶瓷膜表面形成氧气梯度环境的情况下，对SND效果、氧穿透率及污染物去除处理效果等进行研究。

（2）结合部分工业废水的水质较复杂，含有酸碱或重金属离子，对优势菌群有一定的抑制作用，可以从陶瓷膜表面负载吸附剂，给优势菌群创建良好的生长环境，从而确定优势菌群等方向进行研究。