膜生物反應器在印染廢水處理中的應用
[摘要]主要闡述了膜生物反應器的分類和工藝特點，介紹了國內外應用于印染廢水處理的研究進展，討論了膜生物反應器處理印染廢水的不同工藝組合，最后對膜生物反應器應用于印染廢水處理的前景進行了展望。
[關鍵詞]膜生物反應器；印染廢水；膜污染
膜生物反應器(MBR)是膜分離技術與生物反應器相結合的新型污水處理技術．它用膜組件代替了傳統活性污泥法中的二沉池[1]．具有出水水質好、操作運行簡單、污泥產率低、占地面積小、傳質效率高，可有效去除氨氮等優點。自20世紀60年代美國首次將其運用于廢水處理研究以來．MBR已廣泛地應用于多個領域。由給水處理擴展到了生活污水及許多工業廢水的處理．被認為是20世紀末至21世紀中期最有發展前途的高效水處理技術．得到了世界各國水處理技術研究者的廣泛關注。
印染廢水的處理一直是我國廢水治理研究的重和難點．其主要特點為有機物成分復雜、難降解物質多、色度高、水質變化大等[2]。現在主要采用物化處理加生化處理的方法對其進行處理．但效果不是十分理想。膜生物反應器作為一種高效水處理技術，在難降解廢水處理方面體現出了相當的優越性．在印染廢水處理領域具有重要的研究和應用價值。
1 MBR簡介
1．1 MBR 分類
MBR利用膜分離組件實現廢水生物處理后污泥與水的分離，膜分離組件主要有微濾(MF)、超濾(UF)和納濾(NF)三種[3] ，根據不同的需要可以進行相應的選擇。
按照膜組件在生物反應器中所起的作用．MBR可分為三類：膜分離生物反應器、膜曝氣生物反應器和萃取膜生物反應器。在污水處理中，尤其是工業廢水處理中主要使用的是膜分離生物反應器。
按照膜組件與生物反應器的組合位置．MBR可分為分置式MBR和一體式MBR兩種，其中分置式有助于設備的清洗、更換、增設，但泵的高速旋轉對某些菌種會產生失活作用：一體式不使用泵，可省掉循環用管路配置，但膜清洗較為困難，膜污染問題較難解決。另外按照生物反應器是否需氧．MBR還可分為好氧MBR和厭氧MBR；按照生物反應器的形式還可分為膜循環生物反應器及中空纖維膜生物反應器。
1．2 工藝特點
MBR利用膜的高效固液分離作用代替了傳統活性污泥法中的二沉池．克服了污泥膨脹等問題。其主要工藝特點如下：(1)污染物去除率高，出水濁度很低，出水可直接回用于市政綠化、工業冷卻水等，且設備占地小。(2)能將所有的微生物截留在生物反應器內，與活性污泥法相比，可使反應器中的生物濃度提高5～l0倍．實現反應器水力停留時問和污泥泥齡的完全分離．可提高難降解有機物的降解效率。(3)生物反應器中的微生物濃度高，耐沖擊負荷。(4)反應器在低F/M下運行，剩余污泥量少，無污泥膨脹現象，對氮、磷等的去除效率高。(5)傳質效率高，氧的轉移效率高達60%左右。(6)泥齡可實現無限長，硝化能力強。(7)設備占地面積小，工藝集中，易于操作管理。(8)使用過程中存在的膜污染問題，一定程度上制約了膜生物反應器的應用。
2 MBR在印染廢水處理中的研究與應用
作為一種高效的分離技術，MBR在印染廢水處理中與其他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。
2．1 MBR在國外印染廢水處理中的應用
20世紀70年代后期，大規模好氧MBR首先在北美得到了應用．之后相繼于20世紀80年代早期在日本、90年代中期在歐洲得到應用，但在工業廢水處理方面的應用從20世紀90年代后才逐漸得到重視。
國外對膜生物反應器在印染廢水處理方面的應用進行了大量的研究，20世紀70年代J．J．Porer等[4]就開始將MBR應用于印染廢水的處理之中，他們采用反滲透法對l8種染料的回收和再利用進行了試驗，試驗中采用內壓管式醋酸纖維膜、中空纖維聚酰胺膜、卷式醋酸纖維膜以及外壓管式Zr(Ⅳ)氧化物一PAA動態膜，分離效果良好，色度去除率>99% ．COD去除率均在92%以上．分離的水可重新使用[4]。1983年T．Liu等[5] 報道了反滲透技術對l3種酸性、堿性染料溶液的分離效果。
國外早期的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。隨著科技的進一步發展，現在的研究主要著眼于MBR工藝機理方面的研究以及組合工藝的運用。在水資源短缺的今天，需將出水水質標準提高到回用的標準．初期為雜用水水質回用標準．目前已經可以將膜生物反應組合工藝(甚至單一MBR)的出水直接回用于紡織印染生產中的任一工序，產生了極大的社會效益和經濟效益。T．H．Kim等[6]研究了納濾膜和反滲透膜用于處理活性染料廢水的最佳運行條件．并且對其在實際應用中的可行性進行了分析。試驗表明，增加壓力有助于提高其對COD、色度及鹽度的去除效率，且經過脫鹽、凈化后的出水可回用于印染廠的實際生產中。J．W．Lee等[7]分別用吸附、凝聚、中空纖維微濾膜分離及3種工藝的組合對2種分別含有活性橙l6及活性黑5染料成分的活性染料廢水進行了處理，試驗表明，組合工藝對2種廢水的處理效果遠好于單獨工藝．中空纖維超濾膜組件能夠有效地分離吸附之后剩余的PAC，且出水可回用。這一研究結果表明，MBR能夠很好地與現有的生產工藝相結合．且可以大大提高對印染廢水的處理效率。在機理研究方面，F．Banat等[8]采用管式聚丙烯膜處理含有亞甲基藍的染料廢水，研究了進水溫度、流量以及染料濃度對處理效果的影響，對其中的染料進行了回收，并建立了溫度及濃差極化現象的數學模型對數據進行驗證。
目前國外MBR工藝在印染廢水處理中的應用已日趨成熟，且現已有將其成功應用于印染廢水處理的工程實例。S．S．Turk等[9]使用超濾膜和反滲透膜聯合處理斯洛文尼亞一家印染廠的活性染料廢水．首先采用超濾膜進行處理．出水再經反滲透膜處理，COD、色度、TOC、總磷的去除率分別為94%、99% 、85% 、97% 。
MBR在應用中的一個比較重要的制約因素就是膜污染．但膜污染的產生機理還未完全研究透徹，為了解決這一問題，更好地將MBR應用在印染廢水處理中，許多研究人員做了大量的工作。B．Vander Bruggen等[10]研究了用納濾膜處理印染廢水，用超濾膜處理毛紡廢水時的膜污染問題。結果表明，第一種工藝中的膜污染主要是由于有機物的吸附引起的，在第二種工藝中，有機物對膜污染的影響較小，但是疏水性化合物對膜污染造成了很大的影響。M．A．Yun等[11]分別在好氧(DO=6．0 mg/L)及厭氧(DO<0．3 mg/L)條件下，用MBR處理印染廢水，結果表明，厭氧條件下的膜污染是好氧條件下的5倍，這主要是由于膜表面形成了不同的生物薄層，而厭氧條件下的生物薄層較為均勻和致密的在膜表面展開，導致了較高的膜污染。
2．2 MBR在我國印染廢水處理中的應用
我國2O世紀9O年代末期才將MBR應用于廢水處理，起步較晚，但發展十分迅速。1991年lO月，岑運華[12]介紹了MBR在日本的研究狀況。1993年前后，許多高校與研究所加入了MBR的開發研究工作，之后MBR在我國得到了很快的發展。然而，與國外相比，我國關于MBR在印染廢水處理中應用的研究還不夠深入，大多集中在實驗室，應用工程實例較少。而且國產的專用于MBR的膜材料、膜組件有限．MBR工藝的投資和運行費用較高，這都對MBR在我國的推廣造成了一定的困難。但總的來說，我國目前在這方面的研究還是取得了一定的成果。
就印染廢水而言，不同的染料應選擇不同的膜材料才能得到最好的處理效果。一般對帶有親水基團如一SO Na，一COONa等的水溶性染料(活性染料、酸性染料、直接染料等)，須采用納濾膜和反滲透膜技術；對帶有憎水基團如一SOzNH 的水不溶性染料(聚合物染料、靛藍類、還原染料等)，則需優先考慮超濾膜技術[13]。郭明遠等[14]自制了醋酸纖維素納濾膜，研究了納濾膜對活性染料X一3B水溶液的分離性能，結果表明，納濾膜可用于該活性染料印染廢水的處理和染料回收。趙宜江等[15]采用氫氧化鎂吸附預處理的陶瓷膜微濾技術對含活性染料的印染廢水進行脫色處理，脫色率可達98%以上，1．0 m膜的膜通量在150 L/(m ·h)左右。戴海平等[16]分別采用截留相對分子質量6 000的聚砜膜和0．2 m的PVDF微濾膜對天津市某牛仔布印染廠靛藍廢水進行膜處理，結果表明，超濾和微濾對不同的水質指的去除率相差不多，對代表無機物的指標如pH、溶解性總固體(TDS)、電導率、堿度等去除率較低，對染料截流率基本相同，脫色率都在98%以上。
印染廢水的處理難點在于其色度高、COD高、水質變化大。我國MBR在印染廢水中的應用主要是將膜分離技術與多種生物反應器相結合，利用不同生物反應器的不同作用達到不同的處理效果，使出水達到排放甚至回用標準。鄭祥等[17]采用中試規模(10m3/d)的膜一生物膜工藝處理毛紡印染廢水，出水COD、BOD 、色度、濁度分別為34．8 mg/L、9．6 mg/L、22倍、0．5 NTU，相應的平均去除率分別為85．7% 、92．3%、64．3%、98．9%，符合CJ/r48— 1999(生活雜用水水質標準》，同時長期的運行結果表明，與膜一活性污泥系統相比，膜一生物膜系統的膜通量沒有得到明顯的提高。膜通量是影響運行能耗的關鍵因素，在一定的操作壓力下，膜通量越低則運行能耗就越高。
隨著MBR形式的不斷改進和更新，現在在印染廢水處理中常見的是使用厭氧/好氧反應器加膜分離裝置，這樣可以極大地發揮厭氧區對色度的去除效果、好氧區對COD的去除效果以及膜分離系統的高效分離作用，從而獲得良好的出水水質。從現實意義角度出發考慮，這樣也可以使印染廢水在進入膜分離系統之前得到初步處理，使出水水質得到提高，從而進一步提高膜的使用效率，增加膜的使用壽命，減少固定投資。熊小京等[18]采用厭氧好氧膜生物反應器(A/O MBR)處理含蒽醌染料活性艷藍KN—R的印染廢水，結果表明，在進水pH為9．0時，厭氧槽對脫色率的貢獻較大，而當進水pH在5．0～8．0范圍內時．好氧槽對系統脫色率的貢獻較大。厭氧活性污泥對COD的去除效果基本上不受進水pH的影響，處于較低水平。而好氧槽在進水偏堿性時，膜對可溶性COD的截流作用更明顯。當進水pH在5．0～9．0范圍內變化時，整個系統對染料及COD的降解性能處于最佳狀態。
越來越多的研究表明，將不同的膜分離技術(如微濾、超濾、納濾等)相結合，或MBR與其他技術(如催化氧化技術、電化學法等)相結合，是印染廢水深度處理的一個研究方向。目前正在優化和應用的集成技術有MF/UF/RO集成系統、MBR+RO、抗污染反滲透復合膜等，另外還有離子交換、紫外線消毒等。鄂爾多斯羊絨集團公司將用混凝陶瓷膜一納濾膜技術對印染廢水的二次出水進行處理，試驗發現，用聚合氯化鋁作為混凝劑，可防止廢水中的懸浮固體和膠體顆粒對陶瓷膜的污染，使陶瓷膜的化學清洗周期延長為一周一次；陶瓷膜保護納濾膜，使之不添加任何化學物也可以連續運行。研究結果表明，水質完全符合CJ/T 48— 1999《生活雜用水水質標準》。
我國MBR在印染廢水中的應用已經得到了越來越廣泛的重視。盡管現階段將其應用于工程實踐還有一定的困難。但是相信隨著我國科技水平的不斷進步。這一高效工藝必將在印染廢水處理領域發揮越來越大的作用。得到更加廣泛的應用。
3 結語
MBR對印染廢水有著較好的處理效果，而且其出水可滿足中水回用的要求，既符合印染工業清潔生產的要求，也符合循環經濟的理念，因此，將MBR應用于印染廢水處理。具有相當的經濟效益、環境效益和社會效益，有重要的研究價值和廣闊的應用前景。
從現階段看。我國MBR在印染廢水中的實際應用以及膜的生產技術都與世界先進水平有著一定的差距，還需要進行進一步的研究，尤其是制約MBR廣泛應用的膜污染問題，今后應成為研究的重點，另外，開發高效、廉價的膜材料也是應該努力的方向。
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