水资源作为自然界最宝贵的资源之一，越来越受到人们的广泛关注。近年来，随着经济的发展、人口的激增以及人们生活水平的提高，工农业及生活用水量不断增加，与之相伴的污水排放量也与日俱增，水资源危机日益严重。面对水资源危机的严峻挑战，近年来，国内外学者一直在努力探索污水资源化的高效途径。随着研究的逐渐深入，一个新的概念 “膜—生物反应器”（Membrane Bioreactor，简称MBR）逐渐引起人们的关注。
膜—生物反应器技术将传统污水生物处理工艺与膜分离技术有机结合起来，是一种新型高效的污水处理与回用工艺。与传统污水处理工艺相比，膜—生物反应器利用膜分离技术，使污水处理系统的污泥停留时间独立于水力停留时间存在并得到有效延长，这在很大程度上提高了反应器的处理能力。此外，膜技术的应用取代了传统工艺中二沉池的泥水分离作用，有效地减少了占地面积，节省了基建费用。膜—生物反应器技术的发展，有效地缓解了我国水资源短缺、人均水资源严重不足的现状，对于推进我国污水处理及资源化技术的发展具有重要意义。
清华大学环境科学与工程系黄霞教授和她的科研团队自上世纪末以来，一直致力于膜—生物反应器的技术开发及工程应用相关研究。针对我国水污染严重和水资源短缺的问题，黄霞和她的科研团队从降低能耗和稳定运行入手，开发出流化床型、气升循环分体式、平板式三种低能耗膜—生物反应器。此次获得国家科技进步二等奖的 “低能耗膜—生物反应器污水资源化新技术与工程应用”研究成果，凝结了这个团队十多年来的智慧和汗水。
奋斗——千锤百炼
20世纪 90年代中期，国外学者已经对膜—生物反应器技术开展了一些研究，积累了一定的经验，而我国的相关研究才刚刚起步。在这样一个技术差距逐年增大的严峻背景下，许多高校、科研院所和企业研究机构对膜—生物反应器技术及其在污水处理中的应用表现出浓厚的兴趣，并集结众多优秀科研人员对此展开研究。在我校环境系钱易院士率先倡导下，黄霞带领科研团队开始了膜—生物反应器技术的相关研究。
起初，膜—生物反应器还只是一个不够成熟的概念。不少业内人士对膜技术的成熟度并没有信心。随着国际上膜技术的发展和膜材料生产的规模化，膜—生物反应器技术不断进步，其工程应用也日臻成熟。这为我国膜技术在污水处理中的应用奠定了良好的基础，但研究人员依然面临着很多困难与挑战。
对黄霞和她的科研团队而言，许多工作都要从零开始。膜材料如何选择，如何构建高效的膜—生物反应器结构型式，如何优化膜—生物反应器的流态，膜污染如何识别和清除，怎样针对不同类型污水设计合理的膜—生物反应器组合工艺等等一系列亟待解决的问题摆在眼前。
起步时间晚，国内没有研究先例可供借鉴，也没有成熟的研究参考对象，这使得团队在膜—生物反应器研究中一次又一次面临严峻的挑战。
随着研究的不断深入，膜技术研究与应用中举足轻重的“膜污染”问题逐渐成为研究人员进一步探索的瓶颈问题：膜在净化水的同时也“牺牲”着自己。膜—生物反应器在运行中，由于不断过滤大量含有各种成分的废水和污泥，污染物不可避免地要对膜造成污染。一些特定大小的分子，如糖类、蛋白质等物质会吸附在膜表面和嵌入内部，引起膜过滤通量的下降，致使处理能力降低，膜—生物反应器系统将逐渐失效。更糟的是，实际工程应用条件下，待处理污水的水质水量多变、突发事件多，这对膜—生物反应器实际工程的正常运行提出了更大的挑战。
面对这个困扰国内外同行多年的棘手问题，黄霞带领团队迎难而上，花费大量时间和精力去摸索尝试着每一种可能。为了确定复杂过滤体系中降低膜通透性的“罪魁祸首”，他们测试了近百种试验样品，并利用统计学原理记录对比每份样品的微小差异，从而确定了生物污泥在膜表面形成的污泥层和胶体溶解性有机物在膜表面形成的凝胶层是影响膜—生物反应器稳定运行的关键膜污染物质。在此基础上，他们开发了一系列膜污染控制技术，提出了经济曝气量和次临界通量的操作模式，从而有效地控制了污泥在膜表面的沉积。为了寻找到膜-生物反应器中膜污染的清洗技术，他们不仅从微观方面利用多种先进的分析手段识别膜表面污染物的具体成分，而且从宏观上致力于开发多种新型高效的化学清洗剂，双管齐下，最终建立了以氧化剂为核心的药剂清洗技术，并研发了投加混凝剂和氧化剂的混合膜过滤性调控技术。这些膜污染控制技术成功地应用到了处理不同类型污水，例如洗浴污水、医院污水、印染废水、烟草废水等的膜—生物反应器工程中。此外，他们还创造性地开发了两种适合不同规模和自动化操作程度的在线化学清洗模式，并应用于实际工程中，对稳定系统的运行起到了关键作用。通过不断努力，黄霞带领科研团队终于解决了膜—生物反应器实际运行过程中复杂环境下膜污染的清除问题。
困难没有到此为止，在解决了“膜污染”问题后，科研团队的注意力聚焦到了 “膜能耗”问题上。与传统工艺相比，膜—生物反应器能耗较高一直是阻碍膜—生物反应器推广应用的重要因素之一。而膜—生物反应器运行的主要能量消耗，又集中在为防止污泥沉积而对膜组件采取的曝气处理上。为了既不减少曝气对膜表面沉积污染物的清除作用，又能降低曝气过程中所消耗的能量，黄霞和科研团队不断努力尝试，创新地利用流化床的工作原理，并经过不断的调整与修改，终于制造出具有自主知识产权的流化床型膜—生物反应器。这一高效节能的新型膜—生物反应器技术将膜—生物反应器的研究工作推上了又一个新的台阶。
荣誉——实至名归
跨入新千年，中国的膜—生物反应器技术研究“苦尽甘来”，终于迎来了新的春天。自2002年以来，我国开始以实际应用为出发点，开展了大小数百项膜—生物反应器技术项目。尤其是2006年以来，由黄霞和她的科研团队研发的低能耗膜—生物反应器技术陆续应用于北京密云再生水厂 （日处理能力4.5万吨）、北京温榆河水资源利用工程（日处理能力10万吨）、怀柔再生水厂 （日处理能力3.5万吨）、无锡硕放污水处理厂 （日处理能力2.5万吨）等大型污水处理与回用工程中，并取得显著成效。其中，北京密云再生水厂是亚洲第一座日处理量万吨级以上的大型城市污水膜—生物反应器工程，在中国大型膜—生物反应器工程应用中具有里程碑意义。目前膜—生物反应器技术在城市污水、小区生活污水、医院污水和工业废水等的处理和回用中得到了大规模推广应用，截至2008年底累计处理水量超过23万立方米/天。为城市的发展带来了良好的环境、社会和经济效益。
十余年的刻苦钻研与不懈努力，终于换来了社会的认可。2009年，由我校、中国科学院生态环境研究中心等单位牵头，由黄霞等数十位研究人员组成的研究小组完成的 “低能耗膜—生物反应器污水资源化新技术与工程应用”项目获得了国家科技进步奖二等奖。
回顾艰辛而难忘的研究历程，黄霞感慨万千：“一路走来，大家全力投入，真正地为了一个目标不懈奋斗并取得了阶段性的成果。此次获得国家科技进步奖二等奖，既是对我们十几年工作的鼓励，也是我们团队共同努力的结果。”
展望膜技术产业蓬勃发展的前景，黄霞满怀信心地说：“膜技术产业是 21世纪的朝阳产业。想要使膜—生物反应器技术得到更大的发展和应用，还需要许多人共同努力，继续攀登。”
未来——朝阳产业
黄霞和她的科研团队已经在膜—生物反应器技术的研究上取得了较大成绩，但是他们并没有满足，他们还在朝更高的目标努力。
为了促进技术向产业的转化，更好地服务于社会，我校环境系专门成立了膜技术研发中心，旨在通过高校科研与企业合作的模式，为膜技术的产业化架设桥梁，搭建平台，积极将研发的技术进行推广应用。由于膜—生物反应器技术是一项新技术，为了让更多的人了解和应用膜—生物反应器技术，自 2008年起，他们还开办了膜—生物反应器技术培训班，向来自全国各地的环保企业、设计院和高校的学员讲授膜—生物反应器技术知识。培训受到了学员的欢迎，每届报名参加人数都达到70人左右。“今后如果有需要，我们还可以继续办下去。现在膜技术是朝阳产业，许多企业和技术人员都想做这方面的研究”。黄霞和她的研究团队为促进中国膜—生物反应器技术的发展作出了积极的贡献。
黄霞和她的科研团队对低能耗膜—生物反应器技术的研究仍在继续。黄霞表示，项目接下来会侧重于继续开发更有效的膜污染控制技术、降低膜成本和运行能耗的技术，使低能耗膜—生物反应器技术更加完善，得到更加广泛的应用。同时，随着膜技术的日臻成熟，可应用的范围也在增加，膜技术还可以应用于工业废水中的资源回收、饮用水净化等方面。
可以预见，随着人们节水意识的提升和国家环保政策的不断改善，膜技术在水和废水处理中的应用将受到更大的关注。我国的膜污水处理技术前景光明，相信以“用心”为研究标准的黄霞和她的科研团队会继续刻苦钻研，让膜技术的应用得到更大的发展。
（来源：新清华1823期，作者：学生记者、潘正道、成书冉、胡雨寒，上海供排水项目网胡旺云编辑，2010年12月22日）
