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)雜等問題。針對(duì)上述問題，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簡稱MBR)技術(shù)。針對(duì)MBR技術(shù)的特點(diǎn)，近年來不斷有學(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型，見圖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膜組件，為減少膜面污染，延長運(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)器分開設(shè)置，反應(yīng)器內(nèi)混合液通過泵進(jìn)入膜組件，在壓力作用下混合液濾出液透過膜組件，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，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國外研究進(jìn)展
上世紀(jì)60年代美國開始了其在廢水領(lǐng)域的應(yīng)用研究，最初主要用于處理生活污水。70年代后日本等國對(duì)膜分離技術(shù)進(jìn)行了大力開發(fā)和研究，在90年代，國外在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)，從此國外開始逐步將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)在處理造紙廢水過程中的膜分離操作條件如操作壓力、膜種類、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，文中沒有涉及，還有待進(jìn)一步的研究。
2.2國內(nèi)研究進(jìn)展
在上世紀(jì)90年代，國內(nèi)開展了MBR工藝的相關(guān)研究，近些年來才逐漸被引入到造紙工業(yè)廢水處理中。如今，MBR工藝在中國開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，無色，排放達(dá)到國家指標(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)，分別采用浸沒式與外置式膜生物反應(yīng)器來處理造紙廢水，結(jié)果表明：在相同原水和條件下，浸沒式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，研究者開始將MBR與其他處理工藝有效結(jié)合起來處理造紙廢水，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)均超過一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，出水可回用。采用浸沒式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：浸沒式MBR出水SDI值穩(wěn)定在3以內(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http://www.northcarolinalenders.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、過程控制等研究的深入展開，我們堅(jiān)信MBR必將在中國造紙廢水處理領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用，同時(shí)帶來良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
