中空膜生物反应器由膜组件和生物反应器组成，按其布设形式可分为错流式(CMBR)和淹没式(SMBR)两大类。在CMBR中，膜组件置于生物反应器之外，因此也称之为分置式反应器；在SMBR中，将膜组件直接淹没在生物反应器中，因此又称之为一体式反应器。从能耗的角度来看，SMBR优于CMBR［1］。
我国对MBR的研究刚刚起步，目前国内尚未有应用膜式生物反应器处理生活污水的处理厂。
1 试验装置
本研究在自行设计的复合淹没型膜式生物反应器试验装置(见图1)中进行，该反应器由前置反硝化A段和好氧硝化O段两部分组成。生物反应器的容积：A段为4.0 L，O段为13.9 L。A段反应器内装填大颗粒陶粒，陶粒为直径1.0～1.5cm、长1.2～3.7cm的近似圆柱体，空隙率为46%(其中陶粒间隙率占42%，陶粒本身的孔隙率占4%)。O段好氧反应器下部装填盾形泡沫填料，装填密度为1 个/L。每个填料所用泡沫约3.0g，将泡沫制成细长条，用塑料片加以固定，构成直径约120 mm，质量为5～6 g的盾形填料。用抗微生物分解的绳子将填料串联成一串，填料间用陶瓷环加以分隔。填料形式如图2所示。O段反应器上部装填中空纤维膜组件，膜面积为1.0m2，材料为聚丙烯，孔径为0.01 μm。O段反应器底部装有砂盘曝气器，并由带调节阀的转子流量计控制曝气量。原水经前置反硝化A段进入好氧膜式生物反应器，在出水泵的抽吸作用下得到膜过滤出水。
2 系统工艺特性
系统由前置反硝化A段和好氧硝化O段组成A/O工艺。由于硝化液回流，好氧反应器中的DO随硝化液进入A段反应器，在A段上部进水区形成缺氧条件。下部由于带入反应器内的DO很快被微生物利用而消耗殆尽，形成完全厌氧条件。因此在A段反应器内实际上进行着缺氧—厌氧两种反应。由于填料的存在，水在反应器内流速较快形成紊流状态，不安装搅拌装置就能使进水与回流硝化液充分混合，从而使系统简化，能耗降低。综上所述，在整个A/O系统中，实际上实现了A2/O运行条件。有文献报导［2］，在A2/O工艺中，同等条件下缺氧/厌氧/好氧运行方式的出水水质优于厌氧/缺氧/好氧运行方式。
在活性污泥曝气池中投放填料，是降低污泥负荷、防止污泥膨胀和实现硝化的有效措施。在O段好氧生物反应器中投放的泡沫填料具有比表面积大、孔隙率高、易挂膜和吸水后体积质量略大于水等优点。由于填料的介入，污水中微生物的生存环境由原先气、水两相转变为气、水、固三相，为微生物创造了更丰富的生存形式，部分微生物附着在填料上，其余的悬浮在水中，以生物膜和活性污泥两种方式构成新的生态系统，且这一系统在纵横两个方向上互相关联。在纵向上微生物构成一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等多个营养级组成的复杂生态系统，其中每个营养级的生物量都受到环境和其他营养级的制约，最终达到动态平衡。在横向上沿着水流到载体的方向，构成了一个悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统。从系统论的观点看，系统的结构越复杂，其稳定性越强，适应环境变化的能力也越强。试验证明，该复合系统具有运行稳定和抗冲击负荷强的优势。
在O段好氧反应器上部装置中空纤维超滤膜，这是保证出水水质的关键，当膜组件进行固液分离时，容易引起浓差极化现象。浓差极化使得膜表面附近溶质浓度相对增高，从而引起膜通量下降，而且高分子物质和胶体物质在膜表面附近的积蓄会形成一个凝胶层，即所谓的第二动态膜，它严重影响了液体的流动，同时增加了水和低分子物质的透过阻力，致使增加外界的压力与所产生的阻力相平衡，其结果只能使凝胶层的厚度增加而无法再使通量提高，这就大大影响了超滤的经济效益。当产生凝胶层时，膜的透过速率可用下式表示［3］
JV＝VW/1+Rg/Rm
式中
JV——水的膜透过速率，m3/(m2d)
VW——纯水的膜透过速率，m3/(m2d)
Rg——凝胶层对流动产生的阻力，N
Rm——膜对流动产生的阻力，N
由上式可以看出，减缓浓差极化现象可以从两个方面入手，其一是提高料液的流速，使其处于紊流状态，让膜面的高浓度与主流浓度更好地混合：其二是对膜面不断进行清洗，消除已形成的凝胶层。本研究采用前一种方式，通过控制曝气量来控制上升气流的流速，使水流处于紊流状态。上升气流带动水流对膜表面进行冲刷，有效降低了浓差极化。因此，曝气是决定过滤条件的主要因素［1］。
3 结果与讨论
试验用水采用直链淀粉、牛肉膏、蛋白胨、尿素、复合肥、NH4Cl、KH2PO4、Na2HPO4配置成模拟生活污水，试验水质见表1。试验期间进水量为3.0L/h；HRT为6.0h，其中A段1.4 h，O段4.6 h；