隨著水資源的13益緊缺和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，廢水的處理要求日益提高，傳統(tǒng)的水處理方法存在著處理裝置容積負(fù)荷低、占地面積大、出水水質(zhì)不穩(wěn)定、管理操作復(fù)雜等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，各種新型的廢水處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中最引人注目的是將膜技術(shù)應(yīng)用于廢水處理中所形成的膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor簡(jiǎn)稱(chēng)MBR)技術(shù)。針對(duì)MBR技術(shù)的特點(diǎn)，近年來(lái)不斷有學(xué)者將MBR技術(shù)引入造紙廢水的處理，并取得了一定的成就。
1MBR形式及特點(diǎn)
1.1膜生物反應(yīng)器的形式
根據(jù)MBR中膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式不同，可將MBR分為內(nèi)置式和外置式兩種類(lèi)型，見(jiàn)圖1、2。
內(nèi)置式MBR是將膜組件置入反應(yīng)器內(nèi)，在泵的負(fù)壓抽吸作用下濾出液透過(guò)膜組件，為減少膜面污染，延長(zhǎng)運(yùn)行周期，一般采用間歇出水方式運(yùn)行。外置式MBR是指膜組件與生物反應(yīng)器分開(kāi)設(shè)置，反應(yīng)器內(nèi)混合液通過(guò)泵進(jìn)入膜組件，在壓力作用下混合液濾出液透過(guò)膜組件，濃縮液則返回反應(yīng)器。
膜組件的形式可分為中空纖維式、平板式、管式、螺旋式等。在外置式MBR中，平板式、管式應(yīng)用較多；在內(nèi)置式MBR中，多采用中空纖維膜和平板膜。目前在全球能源危機(jī)的大背景下，內(nèi)置式MBR的研究和應(yīng)用遠(yuǎn)超過(guò)了外置式MBR(內(nèi)置式MBR占65％、外置式MBR占35％)。
1.2MBR的特點(diǎn)
MBR可在緊湊的空間內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)微生物對(duì)污染物質(zhì)的降解和膜對(duì)污染物質(zhì)的分離，而降解與分離之間又存在著協(xié)同作用，是一種高效、實(shí)用的污水處理技術(shù)，該工藝具有出水水質(zhì)好、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)，在水資源Et趨緊張的現(xiàn)實(shí)條件下，在污水處理及回用方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。
MBR工藝具有以下特點(diǎn)：
(1)MBR與傳統(tǒng)污水處理工藝相比，最大的區(qū)別是使用膜組件替代了沉淀池，泥水混合液采用膜過(guò)濾出水方式，可以大幅降低出水中的懸浮物。
(2)膜的高效截留作用可防止各種有效微生物菌群的流失，高濃度微生物有利于有機(jī)污染物的徹底降解，并且解決了污泥膨脹的問(wèn)題。
(3)MBR工藝使用了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的膜組件(膜塊)設(shè)計(jì)。MBR的自動(dòng)化程度高，易于實(shí)現(xiàn)從進(jìn)水到出水的全程自動(dòng)控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
(4)產(chǎn)生剩余污泥量少。因SRT較長(zhǎng)，污泥性質(zhì)較為穩(wěn)定，MBR工藝產(chǎn)生的剩余污泥量大大減少，排放量比傳統(tǒng)工藝減少2／3，明顯降低了污泥處理費(fèi)用和二次污染威脅。
2MBR處理造紙廢水的研究
目前國(guó)內(nèi)大部分造紙廠采用堿法制漿，而堿法制漿所產(chǎn)生的“黑液”污染最為嚴(yán)重，占整個(gè)造紙行業(yè)污染的90％，產(chǎn)生“黑液”的主要成分是木質(zhì)素和碳水化合物的降解產(chǎn)物等，其次“黑液”提取后漿料在洗滌篩選和漂白過(guò)程中排出的廢水成分與制漿廢水相近但濃度低，而且富含漂白階段產(chǎn)生的對(duì)環(huán)境危害大的氯苯酚、氯化脂肪酸等有機(jī)氯化物，不同工段產(chǎn)生的主要污染物大相徑庭，所以一般分別采用不同的處理工藝，而MBR技術(shù)由于它工藝上的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)逐漸被引入不同工段的造紙廢水處理中。
2.1國(guó)外研究進(jìn)展
上世紀(jì)60年代美國(guó)開(kāi)始了其在廢水領(lǐng)域的應(yīng)用研究，最初主要用于處理生活污水。70年代后日本等國(guó)對(duì)膜分離技術(shù)進(jìn)行了大力開(kāi)發(fā)和研究，在90年代，國(guó)外在MBR處理效果與運(yùn)行穩(wěn)定性方面已具備了一定的理論基礎(chǔ)，從此國(guó)外開(kāi)始逐步將MBR技術(shù)應(yīng)用到廢水處理工程中。
采用了移動(dòng)床膜生物反應(yīng)器處理新聞紙廠的生產(chǎn)廢水，當(dāng)水力停留時(shí)間為4～5h時(shí)，COD和BOD去除率分別達(dá)到65％～75％和85％一95％，在適當(dāng)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間的條件下，COD和BOD的去除率可分別提高到80％和96％。Du~esn.R等分別采用MBR與傳統(tǒng)的活性污泥法處理制漿廢液，結(jié)果表明：MBR法比活性污泥法更能有效地去除漿料中的COD及固體懸浮物，二者去除率分別為99％和88.6％～90.0％。VanDijk、L.等人¨研究一種耐熱膜生物反應(yīng)器并成功應(yīng)用于荷蘭、德國(guó)的3個(gè)不同造紙廠，能有效地去除廢水中的膠狀物和高分子溶解物；對(duì)膜生物反應(yīng)技術(shù)處理造紙廢水進(jìn)行的研究表明：在COD負(fù)荷為0.5kgCOD／(kgVSS•d)、溶解氧濃度大于2mg／L、反應(yīng)器中的pH值為7.9、反應(yīng)溫度為53℃時(shí)，COD含量由700mg／L下降至30.0mg／L。
對(duì)膜生物反應(yīng)技術(shù)在處理造紙廢水過(guò)程中的膜分離操作條件如操作壓力、膜種類(lèi)、流量、溫度等進(jìn)行了初步優(yōu)化研究。結(jié)果表明：在操作壓力為0.15MPa、流量在2～4m／s之間時(shí)處理效果都可以，當(dāng)流量為3.5m／s時(shí)，膜通量可達(dá)100L／(m•h)。對(duì)于特定條件下的膜污染機(jī)理、膜污染的預(yù)防和清洗等，文中沒(méi)有涉及，還有待進(jìn)一步的研究。
2.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
在上世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了MBR工藝的相關(guān)研究，近些年來(lái)才逐漸被引入到造紙工業(yè)廢水處理中。如今，MBR工藝在中國(guó)開(kāi)始逐漸得到廣泛的應(yīng)用，實(shí)踐證明，MBR不僅能有效處理生活污水和工業(yè)廢水，而且對(duì)于一些高濃度有機(jī)廢水和難降解工業(yè)廢水，如造紙廢水、印染廢水、化工廢水及制藥廢水、垃圾滲濾液等的處理，更是具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
對(duì)MBR法與傳統(tǒng)活性污泥工藝進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，MBR法較活性污泥法具有更強(qiáng)的有機(jī)物去除能力(COD去除率達(dá)85％以上)和更為穩(wěn)定良好的出水水質(zhì)，透明，無(wú)色，排放達(dá)到國(guó)家指標(biāo)。韓懷芬等使用MBR處理造紙綜合廢水(黑液中段廢水和白水的混合液)并與傳統(tǒng)的活性污泥法與生物接觸氧化法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用MBR處理造紙廢水，通過(guò)增加污泥濃度，在HRT為18h的條件下，出水COD可以降低到100mg／L以下，整個(gè)反應(yīng)器的總?cè)コ首罡呖蛇_(dá)90％以上。而與之相對(duì)應(yīng)的活性污泥法和接觸氧化法控制HRT近40h后，出水COD還是達(dá)不到MBR的出水效果，分別為149.3mg／L和197.3mg／L。這充分說(shuō)明了MBR對(duì)難降解廢水的處理效果比活性污泥法和生物接觸氧化法要好得多。
采用中空纖維膜生物反應(yīng)器處理造紙廢水的試驗(yàn)結(jié)果表明：MBR在處理造紙廢水這種難降解有機(jī)廢水方面有其明顯的優(yōu)勢(shì)，廢水的COD去除率較高，可達(dá)到85％以上，處理后的水可回用，出水穩(wěn)定性較好。2009年，采用移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)深度處理造紙中段廢水，結(jié)果表明：MBBR工藝可進(jìn)一步削減經(jīng)過(guò)生化處理的中段廢水中的有機(jī)污染物，運(yùn)行穩(wěn)定且處理效果良好。胡維超針對(duì)造紙行業(yè)的中段廢水和白水的特點(diǎn)，分別采用浸沒(méi)式與外置式膜生物反應(yīng)器來(lái)處理造紙廢水，結(jié)果表明：在相同原水和條件下，浸沒(méi)式MBR系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，出水水質(zhì)也明顯優(yōu)于外置式MBR。浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)COD去除率可穩(wěn)定在90％～95％，而外置式在運(yùn)行期間則存在較多問(wèn)題，并且能耗較高。
采用中試規(guī)模的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9000mg／L、水力停留時(shí)間22h的條件下，MBR出水COD平均66.4mg／L，COD去除率達(dá)94.6％。
3MBR組合工藝處理造紙廢水的研究進(jìn)展
從實(shí)際研究結(jié)果可以看出，膜生物反應(yīng)器在COD和色度去除方面有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷的能力，因此能夠有效處理造紙廢水。但也有一些問(wèn)題在一定程度上制約了MBR的應(yīng)用與發(fā)展，如能耗高、投資大、易引起膜污染等。另外，造紙廢水中含有難生物降解的有機(jī)物，在運(yùn)行過(guò)程中容易引起膜污染，造成膜通量下降，影響反應(yīng)器的處理效果。在這種情況下，研究者開(kāi)始將MBR與其他處理工藝有效結(jié)合起來(lái)處理造紙廢水，這樣既可以減小能耗、減緩膜污染，還可以提高系統(tǒng)的處理效果，以滿足日益提高的環(huán)保要求，并且實(shí)現(xiàn)廢水的高效處理及回收利用的目標(biāo)。
采用混凝協(xié)同好氧生物膜技術(shù)深度處理造紙廢水，結(jié)果表明：以氯化鐵為絮凝劑協(xié)同好氧生物膜技術(shù)效果最為顯著，色度去除率高達(dá)69.3％，且各項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，出水可回用。采用浸沒(méi)式MBR作為反滲透進(jìn)水前的預(yù)處理系統(tǒng)，初步進(jìn)行了浸沒(méi)式MBR處理后出水滿足RO系統(tǒng)進(jìn)水條件的可行性研究。
在浸沒(méi)式MBR與反滲透組合處理造紙中段廢水和白水的實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明：浸沒(méi)式MBR出水SDI值穩(wěn)定在3以?xún)?nèi)，可以滿足后續(xù)反滲透組件穩(wěn)定運(yùn)行的要求，并且在原水COD值為1500mg／L的情況下，最后RO系統(tǒng)出水COD可降至10mg／L。采用電解一MBR組合工藝處理造紙廢水，利用電解產(chǎn)生的自由基、過(guò)氧化氫和氫氧化物的絮凝等物質(zhì)將廢水中難降解的有機(jī)物吸附去除，從而有效降低COD并提高廢水可生化性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：處理后出水COD降至80mg／L左右，色度降至4O倍，去除率分別達(dá)到95％和75％。而單獨(dú)采用MBR工藝處理后出水COD和色度分別為200mg／L和140倍。
利用光催化氧化一MBR的組合工藝處理難降解有機(jī)廢水，結(jié)果表明：經(jīng)組合工藝處理，廢水COD、濁度、色度降解率分別達(dá)到93.5％、99.9％和98.9％。還有研究表明，采用水解酸化一MBR工藝可有效去除有機(jī)物及色度，這是由于水解酸化將有機(jī)大分子化合物降解成小分子有機(jī)物，提高了廢水的可生化性，為后續(xù)MBR生化處理創(chuàng)造了條件，處理后廢水平均脫色率可達(dá)到81.58％，COD和氨氮去除率則分別為83.53％和80.39％。
很多研究表明，將不同的膜分離技術(shù)(如：微濾、超濾、納濾等)相組合，或者將MBR與其他技術(shù)(如催化氧化技術(shù)、電化學(xué)等)組合已成為造紙廢水深度處理的一個(gè)重要研究及應(yīng)用方向。具體參見(jiàn)http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4前景展望
膜生物反應(yīng)器具有無(wú)相變、占地面積小、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于污水處理、中水回用等領(lǐng)域，并已取得良好的效果。造紙廢水污染嚴(yán)重，對(duì)其有效處理已經(jīng)成為中國(guó)廢水處理的一個(gè)重要方面。傳統(tǒng)的造紙廢水處理方法不僅投資高、能耗大，而且很難持續(xù)滿足國(guó)家環(huán)保排放的要求。此時(shí)，高效的膜生物反應(yīng)器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于造紙廢水的處理已引起國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。
膜生物反應(yīng)器在推廣應(yīng)用過(guò)程中還存在著一些不足，如膜初期投資費(fèi)用較高、操作不當(dāng)容易引起膜污染等問(wèn)題。但在水資源日益缺乏的今天，隨著膜加工生產(chǎn)技術(shù)、工藝優(yōu)化、過(guò)程控制等研究的深入展開(kāi)，我們堅(jiān)信MBR必將在中國(guó)造紙廢水處理領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用，同時(shí)帶來(lái)良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
