膜生物反應器處理工業廢水及膜污染控制研究

趙新景

(山東省核與輻射安全監測中心，山東 濟南 250117)

膜生物反應器(Membrane Bioreactor，MBR)是膜技術與生物技術相結合的一種新型廢水處理工藝，具有污水處理量大、出水水質優良、占地面積小等特點和優勢。目前，MBR已應用于工業廢水、生活污水、醫療有毒廢水、垃圾滲濾液、生態修復等領域的污水處理和深度凈化處理。在工業廢水處理中，受企業污水處理設施占地面積制約、投資成本限制及出水水質要求等，MBR因性能優勢受到廣泛關注。圍繞膜污染這一關鍵問題，分析污染成因，提出針對性控制措施和建議，有助于膜生物反應器在工業廢水處理中的性能改進和應用推廣。

1 MBR在工業廢水處理中的應用

隨著工業化、城市化的發展，水資源的需求與消耗不斷增加，工業企業產生的廢水對環境的壓力越來越大。工業企業廢水成分復雜、產生量大、處理標準要求高，采用MBR工藝進行處理，對緩解目前水資源缺乏、地表水污染嚴重等問題提供了一種有效解決途徑。

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

在工業廢水處理中，MBR及其組合工藝主要應用于電力制造、印刷行業、石油化工、醫藥制造、食品加工等行業，部分工程和研究實例見表1。

表1 MBR及組合工藝在處理工業廢水中的應用實例

在這些代表性研究和應用中，MBR能夠有效處理相關工業廢水，不同工業廢水中的有關污染物質具有較好的去除效果，出水水質符合相關排放或回用標準。

2 處理工業廢水存在的膜污染問題分析

2.1 膜污染的形成機理

在處理工業廢水時，廢水經過活性污泥作用后，通過MBR進行泥水分離操作而導致膜污染。常見的膜污染，是由于污水中的溶解性物質或污泥顆粒物在膜孔中或表面積累而導致滲透流量降低的一種現象[5]。膜污染形成機理包括：細微的膠狀顆粒和細胞體殘骸對膜微孔的堵塞，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，這些因素單獨或共同作用使得膜過濾過程產生膜污染。

污泥餅孔中生物聚合簇(BPC)的增長是MBR過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)和溶解性微生物產物(SMP)所組成的親和性絮體有機物的一種特殊形態。含有絲狀菌的污泥懸浮體能夠導致嚴重的膜孔阻塞，并且在膜的表面形成無孔泥餅層。絲狀菌的過度生長，導致更多的游離胞外聚合物(EPS)產生、低zeta-電位、污泥絮體高疏水性和絮體的無規則發展，對膜的過濾產生極大的危害；而含有少量絲狀菌的污泥絮體對膜滲透能產生積極的作用。所以，控制MBR中的絲狀菌維持在適宜濃度，可以保持MBR正常運行和減緩膜污染。

由于所處理的工業廢水不同，所用的MBR系統也不盡相同，加之微生物掛膜的復雜性等一些列因素的影響，難以建立一個通用的模型對膜污染進行描述。因此，至今還沒有統一標準和結構嚴謹的普遍適用的理論體系來描述膜污染。

2.2 膜污染的影響

膜污染是MBR處理工業廢水應用中的最大障礙，也是限制MBR進一步發展的主要瓶頸。膜污染主要影響有：減少膜過濾的滲透通量，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，提高運行維護成本等。

需要注意的是，膜孔徑過大并不能減緩膜污染，因此，工程應用中應選取孔徑合適的膜。工業廢水經過相應工藝處理后，進入MBR的污染物粒徑小于膜孔徑時，會吸附在膜孔內部造成膜孔堵塞；反之，污染物則會在膜表面形成污染層。但是，選用膜孔徑過大時，污染物容易在膜孔中聚集，通量快速下降，會加快膜的污染過程。雖然膜表面沉積層引起的污染對生物反應器的正常運行、膜的滲透性、處理效率、運行費用等產生不利影響；但是也有有利的一方面，如膜表面的沉積層孔徑小、密實，對廢水中病毒細胞體具有顯著的濾過作用。

3 膜污染的控制

MBR系統處理工業廢水的膜污染性質和程度，主要影響因素有：運行操作條件，膜的特性，膜組件與材料的設計與運行條件，MBR水力條件，活性污泥系統的工藝以及環境狀況，廢水的物理化學特性等。

處理工業廢水工藝中，常見的MBR膜污染控制技術有：低流量運轉，浸沒式裝置中采用高剪切曝氣流，定期停歇，定期反沖洗，化學清洗，水力條件及污泥特性的調控，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的結合是一種非常有效的污染控制措施。曝氣通過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部污染。另外，反沖洗運行成本小，流量恢復效果顯著。

4 討論和展望

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

在膜生物反應器處理工業廢水的工程應用中，可在以下方面加強研究和探索，一是進一步加強對膜污染機理的研究，為膜污染控制提供技術支撐；二是研究膜生產過程中對膜改性的工藝，以從膜自身性能上提高膜抗污染能力；三是改進優化工業廢水的處理工藝，充分利用膜生物反應器性能優勢；四是加強對其他廢水處理的應用和研究，穩步推廣膜生物反應器的市場范圍。