膜生物反應(yīng)器處理工業(yè)廢水及膜污染控制研究

趙新景

(山東省核與輻射安全監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250117)

膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor，MBR)是膜技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合的一種新型廢水處理工藝，具有污水處理量大、出水水質(zhì)優(yōu)良、占地面積小等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。目前，MBR已應(yīng)用于工業(yè)廢水、生活污水、醫(yī)療有毒廢水、垃圾滲濾液、生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域的污水處理和深度凈化處理。在工業(yè)廢水處理中，受企業(yè)污水處理設(shè)施占地面積制約、投資成本限制及出水水質(zhì)要求等，MBR因性能優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。圍繞膜污染這一關(guān)鍵問(wèn)題，分析污染成因，提出針對(duì)性控制措施和建議，有助于膜生物反應(yīng)器在工業(yè)廢水處理中的性能改進(jìn)和應(yīng)用推廣。

1 MBR在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

隨著工業(yè)化、城市化的發(fā)展，水資源的需求與消耗不斷增加，工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的廢水對(duì)環(huán)境的壓力越來(lái)越大。工業(yè)企業(yè)廢水成分復(fù)雜、產(chǎn)生量大、處理標(biāo)準(zhǔn)要求高，采用MBR工藝進(jìn)行處理，對(duì)緩解目前水資源缺乏、地表水污染嚴(yán)重等問(wèn)題提供了一種有效解決途徑。

在工業(yè)廢水處理中，MBR及其組合工藝的微濾膜或超濾膜被用作固-液分離裝置，使反應(yīng)器中的活性污泥、懸浮固體以及一些大分子有機(jī)物與流出液相分離。膜分離過(guò)程取代重力沉降過(guò)程，避免了生物體流失而造成的系統(tǒng)失效，且反應(yīng)器內(nèi)維持高比率的氨氮化菌和高濃度的微生物，從而取代傳統(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池，節(jié)約了占地面積和相應(yīng)投資。MBR提高了活性污泥濃度，通過(guò)膜的分離技術(shù)強(qiáng)化了生物反應(yīng)器的功能，從而可以分別控制水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(SRT)。

在工業(yè)廢水處理中，MBR及其組合工藝主要應(yīng)用于電力制造、印刷行業(yè)、石油化工、醫(yī)藥制造、食品加工等行業(yè)，部分工程和研究實(shí)例見(jiàn)表1。

表1 MBR及組合工藝在處理工業(yè)廢水中的應(yīng)用實(shí)例

在這些代表性研究和應(yīng)用中，MBR能夠有效處理相關(guān)工業(yè)廢水，不同工業(yè)廢水中的有關(guān)污染物質(zhì)具有較好的去除效果，出水水質(zhì)符合相關(guān)排放或回用標(biāo)準(zhǔn)。

2 處理工業(yè)廢水存在的膜污染問(wèn)題分析

2.1 膜污染的形成機(jī)理

在處理工業(yè)廢水時(shí)，廢水經(jīng)過(guò)活性污泥作用后，通過(guò)MBR進(jìn)行泥水分離操作而導(dǎo)致膜污染。常見(jiàn)的膜污染，是由于污水中的溶解性物質(zhì)或污泥顆粒物在膜孔中或表面積累而導(dǎo)致滲透流量降低的一種現(xiàn)象[5]。膜污染形成機(jī)理包括：細(xì)微的膠狀顆粒和細(xì)胞體殘骸對(duì)膜微孔的堵塞，溶解性的以及懸浮的胞外聚合物在膜表面的吸附，污泥餅在膜表面的沉積等，這些因素單獨(dú)或共同作用使得膜過(guò)濾過(guò)程產(chǎn)生膜污染。

污泥餅孔中生物聚合簇(BPC)的增長(zhǎng)是MBR過(guò)濾阻力異常變高的主要原因。生物聚合簇(BPC)是沉積在膜表面污泥餅中的游離胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)所組成的親和性絮體有機(jī)物的一種特殊形態(tài)。含有絲狀菌的污泥懸浮體能夠?qū)е聡?yán)重的膜孔阻塞，并且在膜的表面形成無(wú)孔泥餅層。絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)，導(dǎo)致更多的游離胞外聚合物(EPS)產(chǎn)生、低zeta-電位、污泥絮體高疏水性和絮體的無(wú)規(guī)則發(fā)展，對(duì)膜的過(guò)濾產(chǎn)生極大的危害；而含有少量絲狀菌的污泥絮體對(duì)膜滲透能產(chǎn)生積極的作用。所以，控制MBR中的絲狀菌維持在適宜濃度，可以保持MBR正常運(yùn)行和減緩膜污染。

由于所處理的工業(yè)廢水不同，所用的MBR系統(tǒng)也不盡相同，加之微生物掛膜的復(fù)雜性等一些列因素的影響，難以建立一個(gè)通用的模型對(duì)膜污染進(jìn)行描述。因此，至今還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠毡檫m用的理論體系來(lái)描述膜污染。

2.2 膜污染的影響

膜污染是MBR處理工業(yè)廢水應(yīng)用中的最大障礙，也是限制MBR進(jìn)一步發(fā)展的主要瓶頸。膜污染主要影響有：減少膜過(guò)濾的滲透通量，增大跨膜壓差，降低廢水處理效率，縮短膜的使用壽命，增加膜清洗工作量，提高運(yùn)行維護(hù)成本等。

需要注意的是，膜孔徑過(guò)大并不能減緩膜污染，因此，工程應(yīng)用中應(yīng)選取孔徑合適的膜。工業(yè)廢水經(jīng)過(guò)相應(yīng)工藝處理后，進(jìn)入MBR的污染物粒徑小于膜孔徑時(shí)，會(huì)吸附在膜孔內(nèi)部造成膜孔堵塞；反之，污染物則會(huì)在膜表面形成污染層。但是，選用膜孔徑過(guò)大時(shí)，污染物容易在膜孔中聚集，通量快速下降，會(huì)加快膜的污染過(guò)程。雖然膜表面沉積層引起的污染對(duì)生物反應(yīng)器的正常運(yùn)行、膜的滲透性、處理效率、運(yùn)行費(fèi)用等產(chǎn)生不利影響；但是也有有利的一方面，如膜表面的沉積層孔徑小、密實(shí)，對(duì)廢水中病毒細(xì)胞體具有顯著的濾過(guò)作用。

3 膜污染的控制

MBR系統(tǒng)處理工業(yè)廢水的膜污染性質(zhì)和程度，主要影響因素有：運(yùn)行操作條件，膜的特性，膜組件與材料的設(shè)計(jì)與運(yùn)行條件，MBR水力條件，活性污泥系統(tǒng)的工藝以及環(huán)境狀況，廢水的物理化學(xué)特性等。

處理工業(yè)廢水工藝中，常見(jiàn)的MBR膜污染控制技術(shù)有：低流量運(yùn)轉(zhuǎn)，浸沒(méi)式裝置中采用高剪切曝氣流，定期停歇，定期反沖洗，化學(xué)清洗，水力條件及污泥特性的調(diào)控，間歇吸氣操作或者添加粉末活性炭等。其中，曝氣和反沖洗兩種技術(shù)的結(jié)合是一種非常有效的污染控制措施。曝氣通過(guò)噴射流的沖刷作用消除外部污染，反沖洗能夠有效地消除內(nèi)部污染。另外，反沖洗運(yùn)行成本小，流量恢復(fù)效果顯著。

4 討論和展望

膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用范圍和規(guī)模不斷增加，具有非常廣闊的前景。膜組件的污染控制和相關(guān)清洗技術(shù)仍然是膜生物反應(yīng)器工藝應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)。

在膜生物反應(yīng)器處理工業(yè)廢水的工程應(yīng)用中，可在以下方面加強(qiáng)研究和探索，一是進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)膜污染機(jī)理的研究，為膜污染控制提供技術(shù)支撐；二是研究膜生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)膜改性的工藝，以從膜自身性能上提高膜抗污染能力；三是改進(jìn)優(yōu)化工業(yè)廢水的處理工藝，充分利用膜生物反應(yīng)器性能優(yōu)勢(shì)；四是加強(qiáng)對(duì)其他廢水處理的應(yīng)用和研究，穩(wěn)步推廣膜生物反應(yīng)器的市場(chǎng)范圍。