膜生物反應(yīng)器在難降解廢水處理中的應(yīng)用
膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor，簡(jiǎn)稱MBR) 是現(xiàn)代膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)污水生物處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥法中的二沉池來(lái)實(shí)現(xiàn)泥水分離[1]，具有污染物去除率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定、生物反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度高、硝化能力強(qiáng)、占地空間小、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。它最先用于微生物發(fā)酵工業(yè)， 20 世紀(jì)60 年代美國(guó)將其應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域， 70 年代后期，日本研究者對(duì)膜分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了大力研究和開(kāi)發(fā)，使膜生物反應(yīng)器開(kāi)始走向?qū)嶋H應(yīng)用，進(jìn)入21 世紀(jì)，國(guó)內(nèi)外對(duì)膜生物反應(yīng)器的研究有了較大的進(jìn)展，逐漸進(jìn)入中試和生產(chǎn)性應(yīng)用階段[3]。本文主要介紹膜生物反應(yīng)器在難降解廢水處理中的應(yīng)用。
1 膜生物反應(yīng)器的特點(diǎn)
膜生物反應(yīng)器采用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池，實(shí)現(xiàn)了高效的固液分離，克服了傳統(tǒng)活性污泥工藝中水質(zhì)波動(dòng)大、易發(fā)生污泥膨脹等問(wèn)題[4]; 與傳統(tǒng)活性污泥工藝以及其它的廢水生物處理工藝相比較，MBR 工藝由于采用具有特殊性能的膜作為泥水分離和澄清出水的介質(zhì)，而具有其它生物處理工藝無(wú)法比擬的明顯優(yōu)勢(shì)，主要是以下幾點(diǎn):
(1) 出水水質(zhì)良好。由于膜生物反應(yīng)器能夠高效地進(jìn)行固液分離，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的沉淀池，出水懸浮物和濁度接近于零，可直接回用，實(shí)現(xiàn)了污水資源化; (2) 反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度高，耐沖擊負(fù)荷強(qiáng); (3) 泥齡長(zhǎng)。膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，大大提高了難降解有機(jī)物的降解效率，反應(yīng)器在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷、長(zhǎng)泥齡下運(yùn)行，基本無(wú)剩余污泥排放; (4) 使運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定。由于膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時(shí)間(HRT) 和污泥齡(SRT) 的完全分離; (5) 占地面積小，工藝設(shè)備集中，系統(tǒng)采用PLC 控制，可實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制[5]。
同時(shí)膜生物反應(yīng)器主要有以下兩個(gè)缺點(diǎn): (1) 膜污染問(wèn)題，尚沒(méi)有簡(jiǎn)單有效的清洗技術(shù)，給操作管理帶來(lái)不便; (2) 膜制造成本偏高，膜生物反應(yīng)器的基建投資費(fèi)用較高。
2 膜生物反應(yīng)器在難降解廢水處理中的應(yīng)用
膜生物反應(yīng)器由于其自身的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在生活污水和工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)于生物難降解有機(jī)廢水，由于膜生物反應(yīng)器中富積了大量難降解有機(jī)物分解菌和硝化菌等增殖速度慢的微生物，它們同有機(jī)物的接觸時(shí)間大于水力停留時(shí)間(HRT) [6]，從而大大提高了難降解有機(jī)物的去除率，因而它在難降解廢水中也得到了應(yīng)用。
2．1 MBR 在印染廢水處理中的應(yīng)用
作為一種高效的分離技術(shù)，MBR 在印染廢水處理中與其它技術(shù)相比有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn): (1) 其中的膜分離組件是以分離出廢水中的聚乙烯醇、染料、羊毛脂、油劑等污染物來(lái)降低COD 的，在處理廢水的同時(shí)還可回收化工原料; (2) 處理后的水可以直接回用。因此，MBR 處理印染廢水同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。
早期的MBR 在印染廢水中的運(yùn)用是以分離污染物質(zhì)為主，主要是考察膜分離組件與生物反應(yīng)器相結(jié)合之后對(duì)COD、色度的去除率以及對(duì)染料的分離效果。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)在的研究主要著眼于MBR 組合工藝的運(yùn)用。
程剛等[7]采用A/O-MBR 系統(tǒng)處理印染廢水，確定系統(tǒng)最佳運(yùn)行條件為HRT 為9 ～ 10 h，DO 為2 ～ 3 mg /L，在該條件下可使出水COD 降到100 mg /L 以下，色度去除率達(dá)到89．7%，濁度和SS 接近于0。
孫建國(guó)等[8]采用復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理印染廢水，對(duì)污染物均達(dá)到了較好的去除效果。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)COD 容積負(fù)荷為1．16 ～ 2．89 kg /(m3·d)，污泥負(fù)荷為0．13 ～ 0．27 kg /(kg·d)，COD、色度的平均去除率為90．2%、72．7%。操作壓力保持在0．016 MPa 以下時(shí)，膜生物反應(yīng)器能夠保持長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)處理水量恒定，有利于減緩膜污染，延長(zhǎng)膜的使用壽命。
陳英文等[9]利用自制的高效廉價(jià)混凝劑，結(jié)合仿生膜生物反應(yīng)器技術(shù)對(duì)印染廢水的處理進(jìn)行了研究。試驗(yàn)得到: 混凝后COD 的去除率平均達(dá)75．1%，色度分別從1 250 倍和390 倍降為30 倍和12 倍。透過(guò)率達(dá)到84．6%和86．2%，濁度在10 度以下。再經(jīng)仿生膜生物反應(yīng)器處理，出水COD 低于50 mg /L，COD去除率為96．2%，出水無(wú)色無(wú)味，達(dá)到部分回用水標(biāo)準(zhǔn)。
王文浪等[10]采用了水解－好氧膜生物反應(yīng)器組合工藝，實(shí)驗(yàn)考察了反應(yīng)器的啟動(dòng)，組合工藝對(duì)色度、化學(xué)耗氧量(COD) 及濁度的去除效果。結(jié)果表明: 組合工藝COD 的去除率保持在90%以上，脫色率為82%; 水解酸化池提高了廢水的可生化性，改變了難降解染料的分子結(jié)構(gòu)，為后續(xù)MBR 工藝創(chuàng)造了條件;膜生物反應(yīng)器中活性污泥濃度是影響反應(yīng)器處理效果和膜通量的因素之一，污泥濃度在8 ～ 15 mg /L 之間運(yùn)行較為合適。
2．2 MBR 在造紙廢水處理中的應(yīng)用
造紙廢水的有機(jī)物濃度高，可生化性差，采用傳統(tǒng)的生化法很難達(dá)到處理要求，而膜生物反應(yīng)器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)可以被廣泛應(yīng)用于造紙廢水處理中。
朱殿林等[11]利用電解/膜生物反應(yīng)器(MBR) 組合工藝處理造紙廢水。結(jié)果表明，電解/MBR 組合工藝對(duì)造紙廢水具有良好的處理效果，在原水的COD 為1 100 ～ 2 000 mg /L、色度為160 ～220 倍的條件下，組合工藝的出水COD 可降至80 mg /L 左右、色度在40 倍左右，達(dá)到了《山東省半島流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 37 /676 ～ 2007) 中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。
趙芝清等[12]通過(guò)改進(jìn)式MBR 和復(fù)合式MBR 的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在pH 為6．5 ～ 8．5、HRT 為10 h、溫度為29 ℃的條件下，穩(wěn)定運(yùn)行近1 個(gè)月，復(fù)合式MBR 的平均出水水質(zhì)分別為COD 110．17 mg /L、BOD5 10．94 mg /L、色度52 倍; 改進(jìn)式MBR 的平均出水水質(zhì)分別為COD 126．75 mg /L、BOD5 18．34 mg /L、色度61 倍，略差于復(fù)合式MBR。通過(guò)上清液分析發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)閺?fù)合式MBR 中的膜組件上凝膠層起了更大的攔截作用。另一方面，阻力分布試驗(yàn)也表明，由于濃差極化和膜污染產(chǎn)生的阻力，復(fù)合式MBR 大約是膜自身阻力的35．23 倍，改進(jìn)式MBR 僅是膜自身阻力的6．36 倍，說(shuō)明復(fù)合式MBR 更易引起膜污染。
馬春明等[13]采用中試規(guī)模的膜生物反應(yīng)器(MBR) 系統(tǒng)對(duì)某造紙廠的造紙廢水進(jìn)行了處理，研究了MBR 處理造紙廢水的效果，并與造紙廠原有污水處理系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同樣的進(jìn)水條件下，MBR 出水水質(zhì)明顯好于原有系統(tǒng)二沉池出水水質(zhì)。在污泥濃度9 000 mg /L、水力停留時(shí)間22 h 的條件下，MBR 出水COD 平均66．4 mg /L、COD 去除率達(dá)94．6%，色度平均55．9 C．U．，膜對(duì)色度的截留率高達(dá)62．7%，且基本不含SS，濁度小于0．2 NTU， SDI 小于3，而且完全滿足反滲透系統(tǒng)進(jìn)水要求。
2．3 MBR 在垃圾滲濾液處理中的應(yīng)用
目前，我國(guó)的城市生活垃圾普遍采用一般的衛(wèi)生填埋輔以滲濾液循環(huán)的方式進(jìn)行處理。初期產(chǎn)生有機(jī)物濃度較高的滲濾液經(jīng)幾次噴灑回灌后，COD 得到大部分的去除，滲濾液也達(dá)到穩(wěn)定化而排出。此種方式簡(jiǎn)單易行而且投資較小，可以認(rèn)為是我國(guó)目前最為實(shí)用的滲濾液前處理方法。但循環(huán)穩(wěn)定后仍有一定量的滲濾液無(wú)法處理而排出，其中多是以腐殖質(zhì)的形式存在的難生物降解有機(jī)物，必須進(jìn)行進(jìn)一步的深度處理才能實(shí)現(xiàn)無(wú)害化排放。采用膜生物反應(yīng)器工藝，處理這種可生化性較差的垃圾滲濾液，通過(guò)膜組件可以將一定大小的分子及細(xì)菌、微生物等截留在反應(yīng)器中以增強(qiáng)生物降解能力，實(shí)現(xiàn)垃圾滲濾液的深度處理。同時(shí)，膜生物反應(yīng)器作為一種后續(xù)的處理方式將更容易實(shí)現(xiàn)。
閆志明等[14]進(jìn)行了上流式厭氧污泥復(fù)合床(UASCB) 和一體式膜生物反應(yīng)器(SMBR) 串聯(lián)工藝處理垃圾滲濾液兼顧脫氮和去除有機(jī)物的研究。發(fā)現(xiàn)最佳條件下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)為: 厭氧反應(yīng)器COD 去除率44．6%，COD 去除負(fù)荷為11．3 kg /m3·d; 膜生物反應(yīng)器COD 去除率46．7%，COD 去除負(fù)荷為0．31 kg /m3·d，反硝化負(fù)荷為0．055 kg /m3·d，硝化負(fù)荷0．058 kg /m3·d。在此條件下系統(tǒng)出水達(dá)到(GB 16889-1997 ) 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
董春松等[15]進(jìn)行新型管式動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器及處理垃圾滲濾液的研究表明，動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，在重力自流出水下運(yùn)行近80 d，過(guò)濾壓差為2 900 Pa 的情況下，膜通量維持在3．75L/(m2·h) 左右，在膜組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)之后，膜通量有較大提高，在過(guò)濾壓差為1 450 Pa 下能較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在6 L/(m2·h) 。還考察了動(dòng)態(tài)膜的過(guò)濾性能和系統(tǒng)處理效果，系統(tǒng)出水濁度在110 NTU 以下，對(duì)COD、BOD5和氨氮的平均去除效率分別超過(guò)71%、96%和98%，動(dòng)態(tài)膜對(duì)混合液上清液COD 有19．34% 的截留作用。
崔喜勤等[16]運(yùn)用MBR 處理城市垃圾滲濾液，在水力停留時(shí)間為25 ～112 h，COD 和氨氮容積負(fù)荷分別為0．32 ～2．22 kg/m3·d 和0．14 ～ 0．50 kg /m3·d 的條件下，MBR 對(duì)COD 和氨氮的去除率分別為81．2% ～ 88．2%和99%以上。
陳少華等[17]應(yīng)用一種新型氣升式重力出流膜生物反應(yīng)器(MBR) 處理垃圾滲濾液。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)BOD5負(fù)荷小于1．71 kg /m3·d 時(shí)，BOD5去除率大于99%，出水BOD5小于35 mg /L; 當(dāng)氨氮負(fù)荷為016 ～ 0．24 kg /m3·d，且溶解氧(DO) 控制在2．3 ～ 2．8 mg /L 時(shí)，出水氨氮小于15 mg /L，但溶解性化學(xué)需氧量(SCOD) 的去除率相對(duì)較低(70% ～ 96%) 。
2．4 MBR 在其它難降解廢水處理中的應(yīng)用
魯南等[18]采用一體式膜生物反應(yīng)器處理抗生素廢水。原水試驗(yàn)中，在廢水pH 8．0 左右、DO 2．5 mg /L、溫度30 ℃、COD 體積負(fù)荷0．957 kg /(m3·d) 條件下，出水COD、NH3-N 質(zhì)量濃度平均值分別達(dá)到26．53 mg /L 和2．84 mg /L。
許寧等[19]采用膜生物反應(yīng)器處理醫(yī)院污水。對(duì)醫(yī)院污水進(jìn)行處理，并定時(shí)分析處理前后水中COD、NH3-N、大腸桿菌、濁度，結(jié)果表明對(duì)COD、NH3-N 去除率均達(dá)90% 以上，大腸桿菌的去除率接近100%，出水濁度保持在1 NTU 以下，水質(zhì)優(yōu)于GB8978-1996 的一級(jí)指標(biāo)，表明膜生物反應(yīng)器處理醫(yī)院污水在技術(shù)上是可行的。
樊耀波等[20]采用膜生物反應(yīng)器進(jìn)行石油化工污水凈化研究。研制了一套實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的好氧分離式膜生物反應(yīng)器，膜組件為中空纖維超濾膜，生物反應(yīng)器為活性污泥曝氣池。該實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)石油化工污水中COD、BOD5、SS、濁度、石油類的去除率分別為78%～ 98%、96% ～ 99%、74% ～ 99%、98% ～ 100%、87%。膜生物反應(yīng)器出水濁度低，出水水質(zhì)穩(wěn)定，宜于回用。膜生物反應(yīng)器COD 污泥負(fù)荷可達(dá)0．11 ～ 1．14 kg (COD) /(kg (ML SS) ·d) ; 碳、氮、磷比值以COD∶NH3-N∶P 表示為100∶1．215∶0．16。
白曉慧等[21]采用厭氧膜生物反應(yīng)器工藝對(duì)生產(chǎn)醫(yī)藥中間體酰氯的廢水進(jìn)行了中試。結(jié)果表明，膜生物反應(yīng)器具有抗沖擊能力強(qiáng)，處理效果好，占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，適合于處理水量小、濃度高的廢水。當(dāng)原水COD 為7 000 ～ 51 550 mg /L，pH 值為4 ～ 13 時(shí)，厭氧池去除效率保持在50% 左右，膜生物反應(yīng)器處理效率保持在80%以上，COD 等指標(biāo)可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
3 膜生物反應(yīng)器工藝今后的研究方向
雖然膜生物反應(yīng)器在難降解廢水方面得到了應(yīng)用，但還存在許多課題需要進(jìn)一步去研究[22]。
(1) 加強(qiáng)膜生物反應(yīng)器應(yīng)用過(guò)程中膜污染及控制對(duì)策的研究。膜生物反應(yīng)器對(duì)污水處理的有效性是勿容置疑的，但如何控制膜污染，維持膜分離的穩(wěn)定運(yùn)行是該工藝實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。膜污染控制不力將會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前有關(guān)膜污染的控制和穩(wěn)定運(yùn)行條件的研究尚不夠深入，應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)膜污染和影響因素的研究，探討控制膜污染的方法，這對(duì)于膜生物組合工藝的實(shí)際應(yīng)用是十分重要的。
(2) 加強(qiáng)適應(yīng)于廢水處理的高通量、耐污染、長(zhǎng)壽命和低價(jià)格的膜材料與組件的開(kāi)發(fā)。膜材料的開(kāi)發(fā)是影響膜生物反應(yīng)器在實(shí)際中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前在膜材料的開(kāi)發(fā)研究方面雖然已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍需進(jìn)一步加強(qiáng)研究，提高膜性能，降低膜價(jià)格，以便更好地適應(yīng)污水處理的需要。
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作者簡(jiǎn)介: 任永忠(1968-)，男，工程師，學(xué)士學(xué)位，主要從事油田生產(chǎn)工藝技術(shù)管理和研究，研究方向: 原油處理和污水處理技術(shù)及應(yīng)用。
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