2000-2022年间膜式光生物反应器处理污水研究的文献计量分析

文献类型可以反映一个主题的成熟程度，书籍和综述多表示成熟度高，会议报告多表示是一项新技术。MPBR领域主要以科学论文为主，占比87%，会议报告占6%，书籍和综述很少，这表明MPBR技术仍处于快速增长和成熟阶段。

在Scopus中用 “Photobioreactor”、“Membrane”和“Wastewater”在题目、摘要与关键词中检索，时间范围为2000~2022年。共检索到848份文献，其中15%涉及MPBR。虽然占比很低，但由于光生物反应器在科学界尚未达成共识，因此在设计和技术建议方面存在高度的异质性。此外，从处理过的水中分离藻类需要对生物反应器和分离系统的进行良好协调集成，除了MPBR之外还有许多其他的分离方法，如微藻生物膜、微藻-真菌共培养、微藻-活性污泥共培养以及微藻自絮凝等。MPBR的主要优势在于可将悬浮物完全分离出来，提高处理效率。

自2011年以来，MPBR相关文献逐渐增多，特别是在2018~2021年期间，发文量达到峰值，表明科学界对MPBR的兴趣逐渐增加（图1）。S 曲线增长模型预测显示MPBR目前最有可能处于发展和成熟阶段。

图1. 膜式光生物反应器的研究趋势

依据Scopus数据库自动提供的发表领域，环境科学占比最高（图2），且呈稳步上升趋势，2022年占比33%；其次是化学工程和能源领域。被引用最多的文章主题是关于MPBR去除营养物质。

图2. 不同领域每年发文量变化情况

Bioresource Technology发表MBPR相关研究的首选期刊，发表了23篇文献，远高于排名第二的期刊。大多数发文量较高的期刊均处于Q1（图3）。自2011年以来，Bioresource Technology持续发表MBPR相关研究，而其余期刊发表该主题相关研究数量变化不规律，大多数期刊（42种）只发表了1篇论文，少数期刊（16种）发表了1篇以上的论文。

图3. MPBR的期刊发文量及期刊影响因子

表 1 总结了与MPBR 处理污水相关的5篇被引数最多的文献，它们的被引次数均超过100次，其中2篇是研究论文，3篇是综述。引用次数最多的是一篇是MPBR处理水产养殖废水的研究论文，研究结果明确了Chlorella vulgaris生长更好，证实了MPBR处理低浓度污水时良好的营养物去除能力（TN和TP去除率分别达到86.1%和82.7%），强调了在短HRT（1 d）下可实现可观的生物生长量（42.6 mg/L天），为后续研究提供了基础。在引用第三多的文章中，作者评估了实验室规模的MBPR处理浸没式厌氧膜生物反应器出水的效能，发现该出水适合微藻的生长，NH4+与磷酸盐的去除率分别超过67%与98%。该研究证实了本地物种混合多元培养增长强劲，可有效去除实际污水中的营养物质。

在3篇综述论文中，一篇文章主要分析了影响MPBR的运行条件、污水特性与生物方面（如藻类-细菌联合体的建立等），以及这些方面如何影响系统的营养物去除能力。此外，还研究了MBPR的技术经济性。另一篇文章深入分析了运行参数对MPBR中生物生长与营养物去除性能等的影响，重点分析了pH、HRT、SRT、光照、曝气和温度的影响，并考虑了这些参数之间的相互关系。

表1. 被引用次数最多的文献

MPBR在全球范围内引起了广泛关注，中国是发文量最多的国家，与西班牙、美国、新加坡及加拿大等发文量较多的国家均有合作。尽管西班牙是该主题的发文量第二多的国家，但其合作仅限于意大利。相反，发文量较低的国家，如澳大利亚和印度，却展现了相当高水平的国际合作。此外，从发文单位来看，瓦伦西亚理工大学和瓦伦西亚大学从众多单位中脱颖而出，分别发表12篇文献，几乎占据了西班牙发文总量的60%（图4）。排名第三的是新加坡国立大学，该校发表了新加坡在该主题方面的所有文献。

表2 发文量前十的国家及合作关系

图4. 发文量前二十的单位

图5显示了检索到的 111 篇文献作者使用的关键词及相互关系。结果表明，MPBR主要应用于污水中营养物质的去除。此外，“正渗透”和“膜污染”也是近年常用的关键词，主要研究集中于膜污染成因分析以及减少膜面污染物沉积的最佳运行条件。

图5 近十年来研究关键词的时间演变

70%的研究选择C. vulgaris作为参考物种，其他研究中也采用Scenedesmus obliquus作为参考物种。处理对象主要是碳氮比较低的城市污水，如二级处理出水（60%）、合成污水（39%）或实际污水（21%）。此外，其他类型的工业废水（电子器件生产废水、畜牧废水或乳清废水）在使用MBPR处理前通常要经过二级处理。

MBPR中常用的微滤膜材质为聚偏氟乙烯（PVDF）或聚醚砜（PES），膜组件多为中空纤维或平板形式，采用低膜通量（1.3~12 L/(h·m2) ）运行。在光照方面，通常采用LED或荧光灯提供连续光照或12 h黑暗/12 h光照周期循环，光照强度在60~300 μmol/(m²·s)之间。在pH与温度调控方面，常通过提供外源CO2将 pH 值稳定在最佳水平（7~8）；运行温度通常为20~25°C。此外，HRT与SRT也是关键运行参数，通常分别维持在0.5~5 d以及2~40 d。

微藻纯培养的MPBR使用最为广泛，占已发表论文的46%。处理含大量碳物质（COD= 30~100 mg/L）或未经处理的污水（COD > 400 mg/L）促进了微藻-细菌光生物反应器的发展（MB-MBPRs），这种装置可以在不同微生物之间建立协同作用，占已有研究的26%。在其他28%的研究中，生物膜微藻-细菌膜光合生物反应器（B-MP-MPB）、渗透膜光合生物反应器（O-MPBR）和光-厌氧膜生物反应器（PAnMBR）也是常见装置构型。

大量研究对MBPR在实际污水处理中的应用进行了评估，以便根据水质特性得出最佳培养条件。试验阶段是该技术工业化推广的关键一步，但没有研究专门分析该过程在实际条件下的经济可行性。

膜污染控制是MPBR运行的关键，但对于膜污染及其特性的连续分析和研究相对较少。揭示微藻分泌物对膜污染的影响，开发膜污染控制方法是未来的研究方向之一。

已有研究将MBPR用于污水原水处理，但进水需经过离心、筛选和沉淀处理，降低悬浮固体，只有碳、氮和磷进入系统，因此MPBR可用于污水二级或三级处理。但是，MBPR的HRT通常长达7~10 d，对占地需求大。探索其他设计和运行策略，提高微藻或微藻-细菌在MBPR中的浓度以实现短HRT下高效稳定运行是未来重要的研究方向。

藻-细菌联合体在MPBR中可用于持久性有机污染物的生物降解和吸附，但需要进一步研究污染物的吸附效果和对生物生长的抑制浓度，以确定最佳运行条件。

针对MPBR生物质生产率较低的问题，可采用开放式系统，如流道或薄层反应器，将产生的生物质用于农业生物肥料与生物燃料等多个领域。但是，污水中重金属和较低的磷含量可能会影响生物质品质。生物质热解也是利用微藻生产生物燃料的一种重要方法，其关键是要解决微藻灰分含量高的问题，提升热解产品的产量。

使用实验数据建立各种变量（如照明、温度、气候影响、微藻物种、污水类型等）对工艺的影响模型，可作为工艺性能预测和系统设计的有力工具。