膜生物反應器在難降解廢水處理中的應用
膜生物反應器(Membrane Bioreactor，簡稱MBR) 是現代膜分離技術與傳統污水生物處理技術相結合的產物。它用膜組件代替傳統活性污泥法中的二沉池來實現泥水分離[1]，具有污染物去除率高、出水水質穩定、生物反應器內的微生物濃度高、硝化能力強、占地空間小、運行管理簡單、應用范圍廣等諸多優點[2]。它最先用于微生物發酵工業， 20 世紀60 年代美國將其應用于污水處理領域， 70 年代后期，日本研究者對膜分離技術在廢水處理中的應用進行了大力研究和開發，使膜生物反應器開始走向實際應用，進入21 世紀，國內外對膜生物反應器的研究有了較大的進展，逐漸進入中試和生產性應用階段[3]。本文主要介紹膜生物反應器在難降解廢水處理中的應用。
1 膜生物反應器的特點
膜生物反應器采用膜組件代替傳統活性污泥工藝中的二沉池，實現了高效的固液分離，克服了傳統活性污泥工藝中水質波動大、易發生污泥膨脹等問題[4]; 與傳統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，而具有其它生物處理工藝無法比擬的明顯優勢，主要是以下幾點:
(1) 出水水質良好。由于膜生物反應器能夠高效地進行固液分離，分離效果遠好于傳統的沉淀池，出水懸浮物和濁度接近于零，可直接回用，實現了污水資源化; (2) 反應器內的微生物濃度高，耐沖擊負荷強; (3) 泥齡長。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器內有足夠的停留時間，大大提高了難降解有機物的降解效率，反應器在高容積負荷、低污泥負荷、長泥齡下運行，基本無剩余污泥排放; (4) 使運行控制更加靈活穩定。由于膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反應器內，實現了反應器水力停留時間(HRT) 和污泥齡(SRT) 的完全分離; (5) 占地面積小，工藝設備集中，系統采用PLC 控制，可實現全程自動化控制[5]。
同時膜生物反應器主要有以下兩個缺點: (1) 膜污染問題，尚沒有簡單有效的清洗技術，給操作管理帶來不便; (2) 膜制造成本偏高，膜生物反應器的基建投資費用較高。
2 膜生物反應器在難降解廢水處理中的應用
膜生物反應器由于其自身的優勢已經在生活污水和工業廢水處理中得到了廣泛的應用，對于生物難降解有機廢水，由于膜生物反應器中富積了大量難降解有機物分解菌和硝化菌等增殖速度慢的微生物，它們同有機物的接觸時間大于水力停留時間(HRT) [6]，從而大大提高了難降解有機物的去除率，因而它在難降解廢水中也得到了應用。
2．1 MBR 在印染廢水處理中的應用
作為一種高效的分離技術，MBR 在印染廢水處理中與其它技術相比有獨特的優點: (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、油劑等污染物來降低COD 的，在處理廢水的同時還可回收化工原料; (2) 處理后的水可以直接回用。因此，MBR 處理印染廢水同時具有經濟效益、環境效益和社會效益。
早期的MBR 在印染廢水中的運用是以分離污染物質為主，主要是考察膜分離組件與生物反應器相結合之后對COD、色度的去除率以及對染料的分離效果。隨著技術的進一步發展，現在的研究主要著眼于MBR 組合工藝的運用。
程剛等[7]采用A/O-MBR 系統處理印染廢水，確定系統最佳運行條件為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，色度去除率達到89．7%，濁度和SS 接近于0。
孫建國等[8]采用復合式膜生物反應器處理印染廢水，對污染物均達到了較好的去除效果。系統穩定運行時COD 容積負荷為1．16 ～ 2．89 kg /(m3·d)，污泥負荷為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，膜生物反應器能夠保持長時間內穩定運行，系統處理水量恒定，有利于減緩膜污染，延長膜的使用壽命。
陳英文等[9]利用自制的高效廉價混凝劑，結合仿生膜生物反應器技術對印染廢水的處理進行了研究。試驗得到: 混凝后COD 的去除率平均達75．1%，色度分別從1 250 倍和390 倍降為30 倍和12 倍。透過率達到84．6%和86．2%，濁度在10 度以下。再經仿生膜生物反應器處理，出水COD 低于50 mg /L，COD去除率為96．2%，出水無色無味，達到部分回用水標準。
王文浪等[10]采用了水解－好氧膜生物反應器組合工藝，實驗考察了反應器的啟動，組合工藝對色度、化學耗氧量(COD) 及濁度的去除效果。結果表明: 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構，為后續MBR 工藝創造了條件;膜生物反應器中活性污泥濃度是影響反應器處理效果和膜通量的因素之一，污泥濃度在8 ～ 15 mg /L 之間運行較為合適。
2．2 MBR 在造紙廢水處理中的應用
造紙廢水的有機物濃度高，可生化性差，采用傳統的生化法很難達到處理要求，而膜生物反應器以其獨特的優勢可以被廣泛應用于造紙廢水處理中。
朱殿林等[11]利用電解/膜生物反應器(MBR) 組合工藝處理造紙廢水。結果表明，電解/MBR 組合工藝對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，達到了《山東省半島流域水污染物綜合排放標準》(DB 37 /676 ～ 2007) 中的一級標準要求。
趙芝清等[12]通過改進式MBR 和復合式MBR 的對比發現，在pH 為6．5 ～ 8．5、HRT 為10 h、溫度為29 ℃的條件下，穩定運行近1 個月，復合式MBR 的平均出水水質分別為COD 110．17 mg /L、BOD5 10．94 mg /L、色度52 倍; 改進式MBR 的平均出水水質分別為COD 126．75 mg /L、BOD5 18．34 mg /L、色度61 倍，略差于復合式MBR。通過上清液分析發現，主要是因為復合式MBR 中的膜組件上凝膠層起了更大的攔截作用。另一方面，阻力分布試驗也表明，由于濃差極化和膜污染產生的阻力，復合式MBR 大約是膜自身阻力的35．23 倍，改進式MBR 僅是膜自身阻力的6．36 倍，說明復合式MBR 更易引起膜污染。
馬春明等[13]采用中試規模的膜生物反應器(MBR) 系統對某造紙廠的造紙廢水進行了處理，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進行了對比。實驗結果表明，在同樣的進水條件下，MBR 出水水質明顯好于原有系統二沉池出水水質。在污泥濃度9 000 mg /L、水力停留時間22 h 的條件下，MBR 出水COD 平均66．4 mg /L、COD 去除率達94．6%，色度平均55．9 C．U．，膜對色度的截留率高達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進水要求。
2．3 MBR 在垃圾滲濾液處理中的應用
目前，我國的城市生活垃圾普遍采用一般的衛生填埋輔以滲濾液循環的方式進行處理。初期產生有機物濃度較高的滲濾液經幾次噴灑回灌后，COD 得到大部分的去除，滲濾液也達到穩定化而排出。此種方式簡單易行而且投資較小，可以認為是我國目前最為實用的滲濾液前處理方法。但循環穩定后仍有一定量的滲濾液無法處理而排出，其中多是以腐殖質的形式存在的難生物降解有機物，必須進行進一步的深度處理才能實現無害化排放。采用膜生物反應器工藝，處理這種可生化性較差的垃圾滲濾液，通過膜組件可以將一定大小的分子及細菌、微生物等截留在反應器中以增強生物降解能力，實現垃圾滲濾液的深度處理。同時，膜生物反應器作為一種后續的處理方式將更容易實現。
閆志明等[14]進行了上流式厭氧污泥復合床(UASCB) 和一體式膜生物反應器(SMBR) 串聯工藝處理垃圾滲濾液兼顧脫氮和去除有機物的研究。發現最佳條件下系統穩定運行參數為: 厭氧反應器COD 去除率44．6%，COD 去除負荷為11．3 kg /m3·d; 膜生物反應器COD 去除率46．7%，COD 去除負荷為0．31 kg /m3·d，反硝化負荷為0．055 kg /m3·d，硝化負荷0．058 kg /m3·d。在此條件下系統出水達到(GB 16889-1997 ) 二級標準。
董春松等[15]進行新型管式動態膜生物反應器及處理垃圾滲濾液的研究表明，動態膜生物反應器運行穩定，在重力自流出水下運行近80 d，過濾壓差為2 900 Pa 的情況下，膜通量維持在3．75L/(m2·h) 左右，在膜組件的結構參數改進之后，膜通量有較大提高，在過濾壓差為1 450 Pa 下能較長時間穩定在6 L/(m2·h) 。還考察了動態膜的過濾性能和系統處理效果，系統出水濁度在110 NTU 以下，對COD、BOD5和氨氮的平均去除效率分別超過71%、96%和98%，動態膜對混合液上清液COD 有19．34% 的截留作用。
崔喜勤等[16]運用MBR 處理城市垃圾滲濾液，在水力停留時間為25 ～112 h，COD 和氨氮容積負荷分別為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]應用一種新型氣升式重力出流膜生物反應器(MBR) 處理垃圾滲濾液。試驗結果表明，當BOD5負荷小于1．71 kg /m3·d 時，BOD5去除率大于99%，出水BOD5小于35 mg /L; 當氨氮負荷為016 ～ 0．24 kg /m3·d，且溶解氧(DO) 控制在2．3 ～ 2．8 mg /L 時，出水氨氮小于15 mg /L，但溶解性化學需氧量(SCOD) 的去除率相對較低(70% ～ 96%) 。
2．4 MBR 在其它難降解廢水處理中的應用
魯南等[18]采用一體式膜生物反應器處理抗生素廢水。原水試驗中，在廢水pH 8．0 左右、DO 2．5 mg /L、溫度30 ℃、COD 體積負荷0．957 kg /(m3·d) 條件下，出水COD、NH3-N 質量濃度平均值分別達到26．53 mg /L 和2．84 mg /L。
許寧等[19]采用膜生物反應器處理醫院污水。對醫院污水進行處理，并定時分析處理前后水中COD、NH3-N、大腸桿菌、濁度，結果表明對COD、NH3-N 去除率均達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，水質優于GB8978-1996 的一級指標，表明膜生物反應器處理醫院污水在技術上是可行的。
樊耀波等[20]采用膜生物反應器進行石油化工污水凈化研究。研制了一套實驗室規模的好氧分離式膜生物反應器，膜組件為中空纖維超濾膜，生物反應器為活性污泥曝氣池。該實驗裝置對石油化工污水中COD、BOD5、SS、濁度、石油類的去除率分別為78%～ 98%、96% ～ 99%、74% ～ 99%、98% ～ 100%、87%。膜生物反應器出水濁度低，出水水質穩定，宜于回用。膜生物反應器COD 污泥負荷可達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器工藝對生產醫藥中間體酰氯的廢水進行了中試。結果表明，膜生物反應器具有抗沖擊能力強，處理效果好，占地面積小的優點，適合于處理水量小、濃度高的廢水。當原水COD 為7 000 ～ 51 550 mg /L，pH 值為4 ～ 13 時，厭氧池去除效率保持在50% 左右，膜生物反應器處理效率保持在80%以上，COD 等指標可以達到排放標準。
3 膜生物反應器工藝今后的研究方向
雖然膜生物反應器在難降解廢水方面得到了應用，但還存在許多課題需要進一步去研究[22]。
(1) 加強膜生物反應器應用過程中膜污染及控制對策的研究。膜生物反應器對污水處理的有效性是勿容置疑的，但如何控制膜污染，維持膜分離的穩定運行是該工藝實現工程化應用的關鍵。膜污染控制不力將會影響系統的穩定運行。目前有關膜污染的控制和穩定運行條件的研究尚不夠深入，應加強有關膜污染和影響因素的研究，探討控制膜污染的方法，這對于膜生物組合工藝的實際應用是十分重要的。
(2) 加強適應于廢水處理的高通量、耐污染、長壽命和低價格的膜材料與組件的開發。膜材料的開發是影響膜生物反應器在實際中廣泛應用的關鍵。目前在膜材料的開發研究方面雖然已經取得了長足的進步，但仍需進一步加強研究，提高膜性能，降低膜價格，以便更好地適應污水處理的需要。
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作者簡介: 任永忠(1968-)，男，工程師，學士學位，主要從事油田生產工藝技術管理和研究，研究方向: 原油處理和污水處理技術及應用。
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