環境工程污水處理中膜生物反應技術分析

肖頌娜，林保紅

(1.山西科技學院，山西 晉城 048011；2.華陽集團碳基合成新材料有限責任公司，山西 太原 030000)

城市化發展進程下，人們面臨著環境污染持續加重的問題，其中以污水問題最為重要。污水主要分為工業污水與生活廢水兩種，合理控制水污染至關重要。當前膜生物反應技術在污水處理中的作用逐漸凸顯，不僅如此，在應用膜生物反應技術時，所用到的裝置與設備無需占用過大面積，即使是小型污水處理廠也能安裝膜生物反應器，且系統操作性較強，能夠有效提高處理效率。

1 膜生物反應技術的研發背景

現階段我國城市發展進程較快，社會發展依然無法解決水資源稀缺的現狀。人們的生產與生活對水資源的需求持續加大，人們在使用水資源的過程中將會產生大量污水，一旦處理不當，這些污水被直接排放到自然環境中，將對生態環境造成影響。英國十九世紀末期沒有處理好污水，導致泰晤士河被嚴重污染，可見污水處理是生態環境工程建設的一項重要內容。最初，人們采用活性污泥法處理污水，但是該方法操作難度比較大，設備占地面積大，無法大范圍推廣使用。隨著社會的發展，污水排放量持續加大，傳統活性污泥法已經無法高效處理污水，人們必須尋找一種處理效果好且效率高的方法，此時膜生物反應技術問世[1]。

膜生物反應技術就是通過膜分離與生物技術的融合形成的新型污水處理方式。以膜分離代替活性污泥法，改變以往的二沉池處理方式，發揮膜生物反應器的應用效果，從而實現廢水的固液分離，再通過微生物與污水內的有機物發生化學反應，降低有機物含量，經過過濾操作使水體渾濁度下降，從而達到污水凈化的目的。因為生物膜在反應器內的位置不同，所以反應器也會有著不同的類型，具體如下：首先，一體式反應器。這種裝置主要將膜組件安裝在設備內部，不需要安裝混合液循環系統，設備能耗低且占地小，但膜通量小，容易引發膜污染現象，工藝技術維護成本較高。其次，分離式反應器，即膜組件與反應器需要分開安裝，安裝混合液循環系統。當污水經過生物膜的時候，液體會隨著截流物質進入設備內部，防止微生物大量流失，該技術運行穩定，膜組件拆卸方便，容易清洗，但混合液循環容易給微生物帶來損壞，降低其活性，對污水處理效果產生不利影響。最后，復合式膜生物反應器，該設備可以與其他技術同時應用。

2 膜生物反應技術類型

2.1 連續循環曝氣系統

作為膜生物反應技術最重要的一項，連續循環曝氣系統（CCAS）工藝的應用可以有效提高污水處理效果，并從根源解決污染問題，降低污染物含量，提高水體的凈化程度。CCAS技術主要是在序列間歇式活性污泥技術（SBR）的基礎上進行的工藝改進，不僅使工藝方式得到改進，也對連續進水間隙做出了調整，使出水方式主要分為間隙進水與排水兩種，同時增加了污泥回流，對曝氣鼓風量進行了有效控制，膜組件可直接放置于生物處理池中，對廢水進行過濾分離，進而達到分離、濃縮、凈化的目的。此外，CCAS保留SBR靜態沉淀與出水SS低的優勢，構造了厭氧區，使污水除磷效果更加穩定。

2.2 曝氣生物濾池技術

該技術融合了膜生物反應與生物濾池，使污水處理效果達到最佳狀態。生物濾池中不僅有生物濾料層，還有曝氣與布水布氣系統，微生物膜的使用可以去除溶解性有機物，單孔膜空氣擴散器的應用可以提高系統運行效率，保障系統的運行安全。以膜生物技術升級為基礎，將生物濾池、分離反應器進行綜合應用，降低了污染物數量。但是該技術在應用時會產生較大負荷，為保障污水處理效果，建議采取膜污染防治措施[2]。

2.3 動態內循環系統

為了使膜生物反應技術能夠在污水處理期間發揮最佳效果，就要做好循環系統的升級與管理。當前污水的膜處理使內循環系統效果不理想，無法發揮膜生物反應器的實際作用。動態內循環技術的應用可以改善污水處理時系統內部水流動情況，促使污水的循環流動，并與系統內的污泥多次且充分地接觸，提高過濾水平。不僅如此，動態內循環系統造價低，可以降低生產成本。通過對系統進行不斷改良，可以解決以往系統內的錯流問題，使污水凈化效果更加明顯。該技術在應用時需要對反應器加以改造，使用微網材料制作生物膜，購置渠道簡單，對于系統中的活性污泥，動態內循環系統采取過濾方式，使污泥的處理效果更好，同時還能實現對污水的循環應用。

2.4 組合式污水處理技術

由于污水的來源不同，污水內的雜質也會明顯不同，單純地依靠現有的技術是難以完成對所有類型污水的處理。因此在處理污水時應組合多種處理技術，比如在應用膜生物反應技術時，可依靠技術的優勢制造污水凈化設備。組合式污水處理技術主要是在處理污水期間，將多種技術充分結合，重新構造出新的處理技術，但不同技術的側重點有所差異，膜生物反應器（MBR）技術以過濾懸浮物、處理有機污染源為側重點；厭氧反應器（EGSB）技術以降解有毒物質為側重點。將MBR技術與EGSB技術結合在一起能夠有效處理不同來源的污水，在提高污水凈化效率的同時，實現對水污染的有效治理[3]。

3 膜生物反應技術的優缺點分析

3.1 優點分析

與傳統活性污泥法相比，膜生物反應技術能夠將污水中的水與有機物高效分離。綜合分析膜生物反應技術的應用優勢，主要體現為以下幾點：（1）解決污泥的沉降問題，使污泥的產出量下降。相比之下，使用活性污泥法污泥時的產泥率較高，所以應用膜生物反應方式后可以解決該問題，并使凈化后的水質達到最佳，在降低水體濁度的同時提高了污水資源的利用率，為水資源的節約利用提供幫助。（2）加速水和微生物的分離效果，也使污水凈化操作更靈活。膜生物反應技術改變了傳統的三級處理模式，只需要使用一體化處理系統即可完成所有工作，減小了處理的規模，節約了土地資源，降低了設備投資。不僅如此，設備的平均使用壽命較長，維護起來更加便捷。（3）系統傳氧效率穩定。與其他物質的材料相比，生物膜擁有更強的透氣性，傳質阻力很小，在污水處理過程中，生物膜材料不會受到任何影響，可以保障系統的傳氧效率。

3.2 缺點分析

生物膜反應技術的推廣還面臨著一定阻礙，雖然污水處理廠開始根據自身發展情況引進了先進的處理技術，購置了先進的設備，試圖加強對膜生物反應技術的了解，掌握技術要點，解決以往污水處理存在的問題，這無形中加大了對技術引進的投資，但依然無法使技術的使用效果發揮到最佳狀態。該技術可以與生物技術進行高效聯合，使污水處理廠在關注技術使用要點的同時，還要把握當前微生物的存在條件，了解微生物的活性。該項工作對于企業來說難度較大。微生物只有保持最大活性，才能更好地生存，而中小型污水處理企業難以做好以上工作，甚至有可能引發膜污染現象，使生物膜的使用壽命降低，企業不得不頻繁更換生物膜，加大了對膜生物反應器的維護成本。在污水凈化期間，生物膜污染是無法避免的，所以企業應加強對生物膜的深入研究，使其能夠在污染的狀態下依然能夠發揮污水處理效果，使污水最終能夠達標排放，延長設備的使用壽命。

4 膜生物反應技術的具體應用

4.1 處理工業廢水

工業生產過程中需要消耗大量水源，生產后企業會產出較多的工業廢水。隨著工業廢水污染程度的提高，廢水對環境的污染影響持續加大，并嚴重危害到人體健康。工業廢水的成分十分復雜，凈化難度較大，但是各個城市工業生產較為集聚，一個區域一般只會產生一種廢水，或者廢水的成分相差不大。比如生產電動車電池，廢水處理時應根據工業區的實際情況，構建膜生物反應系統，關注對微生物的合理選擇。根據廢水水溫和氣溫條件選擇微生物，同時關注廢水的酸堿情況，部分微生物在酸性環境下擁有較高的活性，也有的微生物在堿性環境下活性較高。為了實現最佳的污水處理效果，應按照膜生物反應技術的使用現狀構建污水處理系統。

化工生產、紡織生產、皮革生產甚至石油開采產生的廢水都屬于工業廢水，在處理這些廢水時，應用膜生物反應技術，可以使水體中的油與水高效分離。以實際案例為主，在處理工廠印染廢水的時候，以去除水體中的COD為目標，調整水體pH值，使水的酸堿值保持在8左右。融合MBR與EGSB技術，對造紙廠的水解預酸化池出水進行凈化處理，制作EGSB反應器，并采取重鉻酸鉀快速法，配合DO儀完成脫氮除磷，去除廢水中的金屬離子，再將廢水高效回收并二次利用，可提高造紙生產企業的經濟效益與生態效益。機械制造企業生產排放的廢水中含有大量的金屬離子，依靠膜生物反應技術能夠減少金屬離子的含量，去除水體內有毒有害物質，保障出水質量。

4.2 處理生活污水

與工業廢水相比，生活污水的成分較為簡單，居民日常生活用水對生態環境的破壞影響相對較小，但這并不代表可以隨意排放污水。所以生活污水的處理至關重要，居民日常洗衣服用的洗衣液、洗澡用的沐浴露和牙膏，這些物品成分進入水體中產生的水就是廢水。生活污水凈化方式簡單，應用膜生物反應技術時可以使用CCAS技術，發揮連續循環曝氣系統的應用優勢，凈化水中的洗滌劑。污水處理企業為了更有效地解決生活污水問題，還應將關注點放在農村地區的污水處理上，這是因為農村無法集中處理生活污水，也不能集中修建排水設施。依靠膜生物反應技術建立小型凈水器，可有效處理生活廢水，減小設備占地面積，降低生產投資成本。經過膜生物反應處理后的生活污水能夠循環利用，可用于市政道路清洗、植物灌溉、洗車等方面。

依靠膜生物反應技術處理糞便污水。實際上，糞便污水也是生活污水的一部分，但不能與生活污水混合處理，這是因為糞便污水中擁有較高含量的有機物和致病菌，糞便污水可以作為農業肥料，經過腐熟后用于農業生產。隨著化肥的普遍使用，糞便污水利用率不斷下降，大量污水的排放成為導致水源污染的關鍵因素。采用膜生物反應技術，依靠好氧環境和高濃度污泥，去除高濃度有機物，使糞便污水最終被有效處理[4]。

4.3 處理醫院污水

醫院日常經營與管理產生的污水毒性較大，處理污水之前必須做好污水的消毒處理，降低水體毒性。需將醫院污水停留5小時，使其出水氨氮含量被控制在4 ml/L左右，出水COD的含量被控制在50 ml/L左右。通過這種處理方式不僅可以提高醫院廢水處理效率，還能保障出水水質。

應用膜生物反應技術滯留硝化細菌，使污水水質得到凈化。硝化細菌是一種對生長環境沒有要求的自養細菌，對水質凈化有著較強的作用。應用膜生物反應技術的同時，還需要在污水設備內滯留硝化細菌，控制其濃度，確保污水處理效果達到最佳預期。與此同時，應用膜生物技術可提高活性泥的濃度，使污水處理與活性泥濃度時刻保持正向關系。如果活性泥的厚度提高，醫院污水的處理效果也就越好，特別是針對有機廢水，膜生物反應技術的應用能夠有效地減少水體內懸浮顆粒的含量，從而縮小污泥處理空間。

4.4 處理垃圾填埋場滲濾液

垃圾場內如果隨意堆放垃圾，在降雨或者垃圾分解的情況下，將會產生滲濾液，其中含有大量的重金屬和有機物，這一系列污染物將會滲入地下水系，給地下水造成污染，同時污染土壤環境。通過膜生物反應技術與反滲透技術的結合，可以對垃圾填埋場中的滲濾液進行綜合處理，在降低其中有機物含量的同時，去除養分，減少重金屬的含量，使滲濾液最終可以達到排放標準[5]。

5 膜污染的有效防治措施

關于膜污染的影響因素，大致包含以下幾點：（1）膜的性質。膜污染會受到混合液的影響，由于膜具有親水性特點，材料的防污水平不同，最終污水處理的效果也會不一樣。（2）污泥混合液性質。混合液中如果污泥濃度較高，其固液分離效果將會受到影響，污泥顆粒與阻力關系密切，顆粒較大時，阻力也會較大。（3）操作條件，即所施加壓力的大小和溫度變化情況。溫度變化將會影響黏液的粘度，溫度升高時，粘度變小，所以生物膜的通透性更強。

膜污染的有效防治措施包括以下幾點：（1）提高膜的抗污染能力。科學選擇膜，充分了解膜的親水性和空隙率，選擇性能最佳的膜，在提高膜抗污染能力的同時，延長膜的使用壽命。（2）加強對膜的管理。當前市面上應用最廣泛的是高分子有機材質固相非對稱膜。常見的膜組件有板框式膜和螺旋卷式膜，應根據實際工藝需求考慮生產成本，盡可能地提高膜的使用壽命，使膜生物反應器內的水流自然順暢，降低膜的污染程度，減少能源的消耗，提高對工業廢水和生活污水的處理效率。（3）改善混合液特性，這是因為混合液特性將會直接對膜污染處理效果產生影響。應用預處理組件調整污泥性質，降低膜污染。使用PAC顆粒，依靠顆粒的吸附能力，使污泥可濾性顯著提升。（4）優化膜的分離條件，改善其操作條件，強化工業廢水與生活污水的處理效果，解決膜污染問題。在過濾工序上，要采用多種過濾方法，并依據廢水的組成情況選擇過濾方法，或者組合應用過濾方式，使污水過濾效果達到預期目標。（5）優化膜生物反應器與膜組件的構成。污水中的雜質成分過多，不同地區、不同類型的污水會產生不同的膜污染問題，建議以膜生物反應技術的使用為基礎，不斷對技術進行創新，推進污水處理系統的升級改造，優化膜生物反應器和膜組件的構成情況，以便針對實際問題提出可行性較高的解決方案。

作為全新的生物技術，膜生物反應器擁有廣闊的市場發展空間，隨著膜生物處理技術的普及應用，污水處理的同時也能夠去除細菌，降低對污泥沉降性的依賴程度。

6 總結

總之，雖然當前全球范圍內經濟發展態勢良好，人們的生活水平顯著提升，但水資源污染及短缺問題依然嚴峻，污水處理不當將會造成水污染。膜生物反應技術就是依靠膜的技術優勢建立污水處理系統，使工業廢水和生活污水處理起來更加科學有效，并能夠提高水資源的利用率。