水資源作為自然界最寶貴的資源之一，越來越受到人們的廣泛關注。近年來，隨著經濟的發展、人口的激增以及人們生活水平的提高，工農業及生活用水量不斷增加，與之相伴的污水排放量也與日俱增，水資源危機日益嚴重。面對水資源危機的嚴峻挑戰，近年來，國內外學者一直在努力探索污水資源化的高效途徑。隨著研究的逐漸深入，一個新的概念 “膜—生物反應器”（Membrane Bioreactor，簡稱MBR）逐漸引起人們的關注。
膜—生物反應器技術將傳統污水生物處理工藝與膜分離技術有機結合起來，是一種新型高效的污水處理與回用工藝。與傳統污水處理工藝相比，膜—生物反應器利用膜分離技術，使污水處理系統的污泥停留時間獨立于水力停留時間存在并得到有效延長，這在很大程度上提高了反應器的處理能力。此外，膜技術的應用取代了傳統工藝中二沉池的泥水分離作用，有效地減少了占地面積，節省了基建費用。膜—生物反應器技術的發展，有效地緩解了我國水資源短缺、人均水資源嚴重不足的現狀，對于推進我國污水處理及資源化技術的發展具有重要意義。
清華大學環境科學與工程系黃霞教授和她的科研團隊自上世紀末以來，一直致力于膜—生物反應器的技術開發及工程應用相關研究。針對我國水污染嚴重和水資源短缺的問題，黃霞和她的科研團隊從降低能耗和穩定運行入手，開發出流化床型、氣升循環分體式、平板式三種低能耗膜—生物反應器。此次獲得國家科技進步二等獎的 “低能耗膜—生物反應器污水資源化新技術與工程應用”研究成果，凝結了這個團隊十多年來的智慧和汗水。
奮斗——千錘百煉
20世紀 90年代中期，國外學者已經對膜—生物反應器技術開展了一些研究，積累了一定的經驗，而我國的相關研究才剛剛起步。在這樣一個技術差距逐年增大的嚴峻背景下，許多高校、科研院所和企業研究機構對膜—生物反應器技術及其在污水處理中的應用表現出濃厚的興趣，并集結眾多優秀科研人員對此展開研究。在我校環境系錢易院士率先倡導下，黃霞帶領科研團隊開始了膜—生物反應器技術的相關研究。
起初，膜—生物反應器還只是一個不夠成熟的概念。不少業內人士對膜技術的成熟度并沒有信心。隨著國際上膜技術的發展和膜材料生產的規模化，膜—生物反應器技術不斷進步，其工程應用也日臻成熟。這為我國膜技術在污水處理中的應用奠定了良好的基礎，但研究人員依然面臨著很多困難與挑戰。
對黃霞和她的科研團隊而言，許多工作都要從零開始。膜材料如何選擇，如何構建高效的膜—生物反應器結構型式，如何優化膜—生物反應器的流態，膜污染如何識別和清除，怎樣針對不同類型污水設計合理的膜—生物反應器組合工藝等等一系列亟待解決的問題擺在眼前。
起步時間晚，國內沒有研究先例可供借鑒，也沒有成熟的研究參考對象，這使得團隊在膜—生物反應器研究中一次又一次面臨嚴峻的挑戰。
隨著研究的不斷深入，膜技術研究與應用中舉足輕重的“膜污染”問題逐漸成為研究人員進一步探索的瓶頸問題：膜在凈化水的同時也“犧牲”著自己。膜—生物反應器在運行中，由于不斷過濾大量含有各種成分的廢水和污泥，污染物不可避免地要對膜造成污染。一些特定大小的分子，如糖類、蛋白質等物質會吸附在膜表面和嵌入內部，引起膜過濾通量的下降，致使處理能力降低，膜—生物反應器系統將逐漸失效。更糟的是，實際工程應用條件下，待處理污水的水質水量多變、突發事件多，這對膜—生物反應器實際工程的正常運行提出了更大的挑戰。
面對這個困擾國內外同行多年的棘手問題，黃霞帶領團隊迎難而上，花費大量時間和精力去摸索嘗試著每一種可能。為了確定復雜過濾體系中降低膜通透性的“罪魁禍首”，他們測試了近百種試驗樣品，并利用統計學原理記錄對比每份樣品的微小差異，從而確定了生物污泥在膜表面形成的污泥層和膠體溶解性有機物在膜表面形成的凝膠層是影響膜—生物反應器穩定運行的關鍵膜污染物質。在此基礎上，他們開發了一系列膜污染控制技術，提出了經濟曝氣量和次臨界通量的操作模式，從而有效地控制了污泥在膜表面的沉積。為了尋找到膜-生物反應器中膜污染的清洗技術，他們不僅從微觀方面利用多種先進的分析手段識別膜表面污染物的具體成分，而且從宏觀上致力于開發多種新型高效的化學清洗劑，雙管齊下，最終建立了以氧化劑為核心的藥劑清洗技術，并研發了投加混凝劑和氧化劑的混合膜過濾性調控技術。這些膜污染控制技術成功地應用到了處理不同類型污水，例如洗浴污水、醫院污水、印染廢水、煙草廢水等的膜—生物反應器工程中。此外，他們還創造性地開發了兩種適合不同規模和自動化操作程度的在線化學清洗模式，并應用于實際工程中，對穩定系統的運行起到了關鍵作用。通過不斷努力，黃霞帶領科研團隊終于解決了膜—生物反應器實際運行過程中復雜環境下膜污染的清除問題。
困難沒有到此為止，在解決了“膜污染”問題后，科研團隊的注意力聚焦到了 “膜能耗”問題上。與傳統工藝相比，膜—生物反應器能耗較高一直是阻礙膜—生物反應器推廣應用的重要因素之一。而膜—生物反應器運行的主要能量消耗，又集中在為防止污泥沉積而對膜組件采取的曝氣處理上。為了既不減少曝氣對膜表面沉積污染物的清除作用，又能降低曝氣過程中所消耗的能量，黃霞和科研團隊不斷努力嘗試，創新地利用流化床的工作原理，并經過不斷的調整與修改，終于制造出具有自主知識產權的流化床型膜—生物反應器。這一高效節能的新型膜—生物反應器技術將膜—生物反應器的研究工作推上了又一個新的臺階。
榮譽——實至名歸
跨入新千年，中國的膜—生物反應器技術研究“苦盡甘來”，終于迎來了新的春天。自2002年以來，我國開始以實際應用為出發點，開展了大小數百項膜—生物反應器技術項目。尤其是2006年以來，由黃霞和她的科研團隊研發的低能耗膜—生物反應器技術陸續應用于北京密云再生水廠 （日處理能力4.5萬噸）、北京溫榆河水資源利用工程（日處理能力10萬噸）、懷柔再生水廠 （日處理能力3.5萬噸）、無錫碩放污水處理廠 （日處理能力2.5萬噸）等大型污水處理與回用工程中，并取得顯著成效。其中，北京密云再生水廠是亞洲第一座日處理量萬噸級以上的大型城市污水膜—生物反應器工程，在中國大型膜—生物反應器工程應用中具有里程碑意義。目前膜—生物反應器技術在城市污水、小區生活污水、醫院污水和工業廢水等的處理和回用中得到了大規模推廣應用，截至2008年底累計處理水量超過23萬立方米/天。為城市的發展帶來了良好的環境、社會和經濟效益。
十余年的刻苦鉆研與不懈努力，終于換來了社會的認可。2009年，由我校、中國科學院生態環境研究中心等單位牽頭，由黃霞等數十位研究人員組成的研究小組完成的 “低能耗膜—生物反應器污水資源化新技術與工程應用”項目獲得了國家科技進步獎二等獎。
回顧艱辛而難忘的研究歷程，黃霞感慨萬千：“一路走來，大家全力投入，真正地為了一個目標不懈奮斗并取得了階段性的成果。此次獲得國家科技進步獎二等獎，既是對我們十幾年工作的鼓勵，也是我們團隊共同努力的結果。”
展望膜技術產業蓬勃發展的前景，黃霞滿懷信心地說：“膜技術產業是 21世紀的朝陽產業。想要使膜—生物反應器技術得到更大的發展和應用，還需要許多人共同努力，繼續攀登。”
未來——朝陽產業
黃霞和她的科研團隊已經在膜—生物反應器技術的研究上取得了較大成績，但是他們并沒有滿足，他們還在朝更高的目標努力。
為了促進技術向產業的轉化，更好地服務于社會，我校環境系專門成立了膜技術研發中心，旨在通過高校科研與企業合作的模式，為膜技術的產業化架設橋梁，搭建平臺，積極將研發的技術進行推廣應用。由于膜—生物反應器技術是一項新技術，為了讓更多的人了解和應用膜—生物反應器技術，自 2008年起，他們還開辦了膜—生物反應器技術培訓班，向來自全國各地的環保企業、設計院和高校的學員講授膜—生物反應器技術知識。培訓受到了學員的歡迎，每屆報名參加人數都達到70人左右。“今后如果有需要，我們還可以繼續辦下去。現在膜技術是朝陽產業，許多企業和技術人員都想做這方面的研究”。黃霞和她的研究團隊為促進中國膜—生物反應器技術的發展作出了積極的貢獻。
黃霞和她的科研團隊對低能耗膜—生物反應器技術的研究仍在繼續。黃霞表示，項目接下來會側重于繼續開發更有效的膜污染控制技術、降低膜成本和運行能耗的技術，使低能耗膜—生物反應器技術更加完善，得到更加廣泛的應用。同時，隨著膜技術的日臻成熟，可應用的范圍也在增加，膜技術還可以應用于工業廢水中的資源回收、飲用水凈化等方面。
可以預見，隨著人們節水意識的提升和國家環保政策的不斷改善，膜技術在水和廢水處理中的應用將受到更大的關注。我國的膜污水處理技術前景光明，相信以“用心”為研究標準的黃霞和她的科研團隊會繼續刻苦鉆研，讓膜技術的應用得到更大的發展。
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