印染廢水MBR處理工藝的現(xiàn)狀與展望
膜生物反應(yīng)器(MembraneBioreactor，簡(jiǎn)稱MBR)，是集高效膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)器的生物降解作用于一體的生物化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。它用膜組件替代傳統(tǒng)活性污泥法中的沉淀池，實(shí)現(xiàn)泥水分離，從而對(duì)廢水進(jìn)行處理，具有固液分離率高、出水水質(zhì)好、處理效率高、占地空間小和運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。我國(guó)對(duì)MBR的研究時(shí)間雖不長(zhǎng)，但發(fā)展十分迅速[1]。
1 概述
1.1 膜生物反應(yīng)器(MBR)
目前，我國(guó)研究的膜生物反應(yīng)器(MBR)主要用于固液分離與截留，即分離膜反應(yīng)器，它是懸浮生長(zhǎng)反應(yīng)器和膜過濾裝置的結(jié)合。按照膜單元的放置，MBR分為外置式[循環(huán)式，圖1(a)和浸沒式(一體式，圖1(b)]；按照是否需要氧，又可分為好氧和厭氧膜生物反應(yīng)器。
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外置式膜生物反應(yīng)器(RMBR)的特點(diǎn)是，膜組件自成體系，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，膜通量較大，清洗、更換和增設(shè)方便等。其缺點(diǎn)是泵高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力，會(huì)使某些微生物細(xì)菌體失活，而且一般條件下，為減少污染物在膜表面的沉積，由循環(huán)泵提供的水流流速都較高，因此動(dòng)力消耗也較大。一體式膜生物反應(yīng)器(SMBR)最大的特點(diǎn)是，運(yùn)行費(fèi)用低，但其膜通量相對(duì)也較低，易發(fā)生膜污染，膜組件的拆裝、清洗通常也較困難。不過，中空纖維式膜組件由于體積較小、組裝靈活，可分組設(shè)置成若干框架結(jié)構(gòu)，便于從曝氣池中拿出，克服了不易拆裝的缺點(diǎn)。
膜組件和生物反應(yīng)器的結(jié)合，使MBR具有許多優(yōu)點(diǎn)：膜能將活性污泥完全截留在反應(yīng)器內(nèi)，因此污泥濃度高，大大提高了反應(yīng)速率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的耐沖擊力，還減少了污泥的產(chǎn)生量；實(shí)現(xiàn)了SRT(泥齡)和HRT(水力停留時(shí)間)的分別控制，有利于自動(dòng)化控制，提高污染物停留時(shí)間，一些難降解的大分子顆粒狀物質(zhì)和活性大分子化合物也能被膜截留下來(lái)；增加了生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)的細(xì)菌，如硝化菌和亞硝化菌等，因此MBR脫氮除磷效果比傳統(tǒng)活性污泥法大為增強(qiáng)[2]。
1.2 我國(guó)印染廢水情況
我國(guó)是紡織大國(guó)，印染行業(yè)每天有400多萬(wàn)噸的廢水排放[1]，占工業(yè)廢水的1/10，且每年要耗用100多億噸清潔水，是我國(guó)用水量大、排放量大的工業(yè)部門之一。按1t印染廢水污染20t清潔水體計(jì)算，每年未達(dá)標(biāo)排放的廢水又會(huì)污染清潔水150億噸。印染廢水具有“高濃度、高色度、高pH值、難降解和多變化”等五大特征[3]，其處理難度主要集中在以下兩個(gè)方面。
1.2.1 COD(化學(xué)需氧量)難以降低
加工生產(chǎn)中運(yùn)用的助劑(滲透劑、助染劑等)，95%以上滯留在印染廢水中，造成COD濃度高。染料廢水中的污染物以有機(jī)物為主，理論上大部分可生化，但其水質(zhì)BOD(生物需氧量)與COD比值一般較低，因此可生化而又不易生化。同時(shí)，曝氣池活性污泥對(duì)多變化的染料中間體廢水的馴化、適應(yīng)也不甚容易。這些都是印染廢水難以被有效降解，凈化后水質(zhì)COD值仍然偏高的癥結(jié)所在。如何提高COD去除率，是印染廢水亟待解決的難題之一。印染廢水中還有一些有機(jī)物質(zhì)，無(wú)論其對(duì)微生物有無(wú)抑制作用，都不能被微生物攝食。而在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，這類有機(jī)物質(zhì)經(jīng)多次生化仍難以大量去除，凈化后的COD值仍然較高。我國(guó)科技工作者在對(duì)江、浙、滬、閩、魯和粵等主要紡織地區(qū)調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)大部分印染企業(yè)為提高COD去除率，通常采用增加絮凝和生化反應(yīng)時(shí)間的方法，即所謂“生化再生化”、“絮凝再絮凝”。這將導(dǎo)致污水處理工程占地面積大、流程長(zhǎng)、工程費(fèi)用高，而處理效果也難以令人滿意。在上海、山東、遼寧等地，一些企業(yè)把并聯(lián)曝氣池改為串聯(lián)運(yùn)行，生化處理效率有所提高，但污水凈化程度的提高相當(dāng)有限。
1.2.2 高色度廢水難以脫色
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)染料、顏料類工業(yè)廢水的脫色方法進(jìn)行了大量技術(shù)研究，總結(jié)出了許多行之有效的脫色技術(shù)，如絮凝法、吸附法、氯氣和次氯酸鈉法等。這些技術(shù)針對(duì)性較強(qiáng)，對(duì)不同的廢水處理都能取得一定的效果。但是，由于印染廢水中含有的染料及其中間體品種多、類別復(fù)雜，在處理上有相當(dāng)難度。加之國(guó)產(chǎn)染料上染率較低，印染生產(chǎn)企業(yè)一般都會(huì)超量投加，導(dǎo)致染色后剩余染料較多，不但造成資源浪費(fèi)，而且產(chǎn)污量比發(fā)達(dá)國(guó)家多近一倍，加劇了廢水污染的程度。
從行業(yè)調(diào)查的情況看，目前我國(guó)印染廢水治理普遍存在脫色困難的問題。國(guó)內(nèi)比較成熟的生物活性污泥池處理法和物理化學(xué)處理法等處理技術(shù)，都不同程度地存在各種各樣的問題，脫色效率都不高。
2 國(guó)內(nèi)MBR工藝研究發(fā)展
如上所述，在印染廢水的處理中，傳統(tǒng)方法總存在COD降低不完全、色度去除率低和處理成本高等問題，而MBR技術(shù)在理論上則有較強(qiáng)的針對(duì)性。國(guó)際上將MBR應(yīng)用于處理印染廢水，開始于處理生活污水和市政污水之后，發(fā)展相對(duì)緩慢。在國(guó)內(nèi)，該方面的研究也并不多[4]，如圖2。
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20世紀(jì)90年代初期，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心在國(guó)內(nèi)率先采用分離式膜生物反應(yīng)器對(duì)印染廢水進(jìn)行處理研究[1]劉超翔等采用一體式膜生物反應(yīng)器，對(duì)毛紡廢水處理進(jìn)行了中試研究，系統(tǒng)出水COD<20mg/L，無(wú)SS，色度<4°，水質(zhì)明顯優(yōu)于原先采用接觸氧化工藝處理的出水[5]。中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心鄭祥等采用中試規(guī)模的厭氧-好氧膜生物反應(yīng)器(A/OMBR)處理毛紡印染廢水，當(dāng)HRT為7h時(shí)，進(jìn)水CODBOD5分別為179~358mg/L和44.8~206mg/L。試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)COD、BOD5、色度、濁度的平均去除率分別為92.1%、98.4%、60.7%、98.9%，出水水質(zhì)濃度或指標(biāo)值分別為20.2mg/L、1.6mg/L、25倍、0.51NTU，出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到建設(shè)部生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ2511289)[6]。仝攀瑞對(duì)MBR處理印染廢水的膜污染及清洗進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，膜污染主要是由膜表面凝膠層造成的；化學(xué)清洗的效果優(yōu)于物理清洗(化學(xué)清洗能恢復(fù)膜通量約90%以上，而物理清洗僅能恢復(fù)膜通量約70%)；NaOH的清洗效果優(yōu)于NaClO[7]。楊穎波等采用ABR-MBR組合工藝處理紡織廢水，在廢水COD為476~980mg/L、BOD5為113~392mg/L、色度為40~290倍、濁度為45~107NTU時(shí)，相應(yīng)的出水指標(biāo)分別為22.7mg/L、5.3mg/L、20.2倍、0.89NTU[8]。廈門大學(xué)洪俊明等采用A/O膜生物反應(yīng)器組合工藝處理活性染料廢水，研究了在不同的基質(zhì)濃度、染料濃度以及氨氮濃度下，A/OMBR對(duì)模擬印染廢水的降解特性。研究結(jié)果表明，該工藝對(duì)活性染料的脫色主要由厭氧槽的水解酸化來(lái)完成，而好氧槽主要起去除COD的作用；增加進(jìn)水葡萄糖以及氨氮濃度，對(duì)染料的脫色率基本沒有影響[9]。東華大學(xué)王春玲等采用復(fù)合式MBR(與水解酸化聯(lián)用)對(duì)印染廢水進(jìn)行處理研究，出水水質(zhì)良好，且比較穩(wěn)定，系統(tǒng)出水COD、氨氮、色度較低，無(wú)SS[10]。鄒海燕等為提高膜生物反應(yīng)器(SMBR)的處理效果，在一體式膜生物反應(yīng)器中加入氫氧化鐵絮體，提出了生物鐵-SMBR法，結(jié)果表明，與PAC-SMBR及普通SMBR法相比，生物鐵-SMBR法在提高印染廢水處理效果方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)；在其容積負(fù)荷比普通SMBR平均高25%的情況下，生物鐵-SMBR法對(duì)COD、染料、NH3-N(氨-氮)的去除率分別高1.0%、9.5%、5.2%；與普通SMBR相比，PAC-SMBR也能夠提高對(duì)印染廢水的處理效果，在其容積負(fù)荷比普通SMBR平均高6%的情況下，對(duì)COD、染料、NH3-N的去除率分別比普通SMBR要高0.6%、4.0%、5.3%[11]。天津工業(yè)大學(xué)膜天膜工程技術(shù)有限公司的胡維超采用酸化水解-電解絮凝-MBR工藝對(duì)印染廠污水處理系統(tǒng)進(jìn)行了改造，工藝運(yùn)行平穩(wěn)，耐沖擊負(fù)荷較高；CODCr平均去除率達(dá)90%以上，色度平均去除率約95%，出水pH值為7~8，出水各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國(guó)家GB4287—1992《紡織印染行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]。
迄今為止，我國(guó)在MBR處理印染廢水方面的研究主要有以下特點(diǎn)：
(1)總體研究量少，研究面相對(duì)較窄，多數(shù)研究集中在處理效果上，對(duì)反應(yīng)機(jī)理研究甚少，涉及膜污染方面的內(nèi)容也不多；
(2)研究規(guī)模主要為小試和中試，大多數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室完成的，有的甚至采用模擬印染廢水，與實(shí)際偏差較大，工程實(shí)際應(yīng)用研究極少；
(3)在工藝方面，基本上為好氧MBR與其它工藝組合處理印染廢水，MBR技術(shù)優(yōu)勢(shì)沒有完全體現(xiàn)；
(4)高校在該項(xiàng)研究中占主要力量，如東華大學(xué)和天津工業(yè)大學(xué)，前者前身是中國(guó)紡織大學(xué)，與紡織印染行業(yè)聯(lián)系緊密，后者直屬企業(yè)天津工大膜天膜集團(tuán)公司，是我國(guó)膜行業(yè)的佼佼者，他們開展該方面的研究均與其特殊的身份有關(guān)。
3 MBR工藝的展望
未來(lái)MBR工藝的應(yīng)用及其在印染廢水處理方面的發(fā)展，與我國(guó)印染行業(yè)的變化有很大的關(guān)系。當(dāng)前及未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)印染行業(yè)將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：
(1)行業(yè)規(guī)模越來(lái)越大，廢水產(chǎn)量也將隨之增長(zhǎng)；
(2)在紡織業(yè)集中的東部沿海地區(qū)，已經(jīng)形成了一些以中小企業(yè)為主體的市(縣)、鎮(zhèn)紡織產(chǎn)業(yè)集群，這些分散、小規(guī)模、以追求利潤(rùn)為目標(biāo)的中小企業(yè)對(duì)環(huán)境存在極大的威脅[3]；
(3)水質(zhì)日趨復(fù)雜，隨著染料工業(yè)的飛速發(fā)展和后整理技術(shù)的進(jìn)步，新型助劑、染料等在印染行業(yè)中被大量使用，難降解有毒有機(jī)組分的含量也越來(lái)越多。
MBR技術(shù)的研究將集中在：
(1)膜污染機(jī)理的研究和預(yù)防，保持膜通量的基礎(chǔ)上降低運(yùn)行和維護(hù)成本；
(2)新型膜材料的研究和開發(fā)；
(3)自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高等。
膜技術(shù)作為21世紀(jì)最有前景的水處理技術(shù)，將有著更加廣泛的發(fā)展前景，未來(lái)MBR處理印染廢水的研究將呈現(xiàn)以下幾種趨勢(shì)；
(1)由于MBR技術(shù)對(duì)印染廢水處理有較強(qiáng)的適用性，MBR工藝處理印染廢水的研究和應(yīng)用將越來(lái)越多。
(2)多樣化的組合工藝與MBR工藝組合處理印染廢水，可彌補(bǔ)MBR技術(shù)的不足，充分發(fā)揮其作用。單獨(dú)采用MBR工藝處理印染廢水也將會(huì)是未來(lái)研究的一個(gè)新方向。
(3)MBR技術(shù)處理印染廢水將會(huì)更多地應(yīng)用到實(shí)際工程中，小處理量的成型MBR設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)，并被推廣應(yīng)用于小型分散型印染企業(yè)。
(4)深入研究MBR處理印染廢水過程中的污染情況，預(yù)防和降低膜污染，促進(jìn)MBR在印染廢水處理中的應(yīng)用。
(5)更多的社會(huì)科研機(jī)構(gòu)和個(gè)人將會(huì)參與MBR技術(shù)處理印染廢水的研究。
4 總結(jié)
MBR作為一種較新的印染廢水處理系統(tǒng)，由于其諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的研究和應(yīng)用。印染廢水的特點(diǎn)與MBR工藝有著良好的切合點(diǎn)，隨著MBR技術(shù)研究的發(fā)展和印染行業(yè)清潔生產(chǎn)的倡導(dǎo)，采用MBR技術(shù)處理印染廢水將會(huì)有良好的應(yīng)用前景，其對(duì)印染行業(yè)清潔生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)也將作出重要貢獻(xiàn)。
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