膜生物反应器在印染废水处理中的应用
[摘要]主要阐述了膜生物反应器的分类和工艺特点，介绍了国内外应用于印染废水处理的研究进展，讨论了膜生物反应器处理印染废水的不同工艺组合，最后对膜生物反应器应用于印染废水处理的前景进行了展望。
[关键词]膜生物反应器；印染废水；膜污染
膜生物反应器(MBR)是膜分离技术与生物反应器相结合的新型污水处理技术．它用膜组件代替了传统活性污泥法中的二沉池[1]．具有出水水质好、操作运行简单、污泥产率低、占地面积小、传质效率高，可有效去除氨氮等优点。自20世纪60年代美国首次将其运用于废水处理研究以来．MBR已广泛地应用于多个领域。由给水处理扩展到了生活污水及许多工业废水的处理．被认为是20世纪末至21世纪中期最有发展前途的高效水处理技术．得到了世界各国水处理技术研究者的广泛关注。
印染废水的处理一直是我国废水治理研究的重和难点．其主要特点为有机物成分复杂、难降解物质多、色度高、水质变化大等[2]。现在主要采用物化处理加生化处理的方法对其进行处理．但效果不是十分理想。膜生物反应器作为一种高效水处理技术，在难降解废水处理方面体现出了相当的优越性．在印染废水处理领域具有重要的研究和应用价值。
1 MBR简介
1．1 MBR 分类
MBR利用膜分离组件实现废水生物处理后污泥与水的分离，膜分离组件主要有微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)三种[3] ，根据不同的需要可以进行相应的选择。
按照膜组件在生物反应器中所起的作用．MBR可分为三类：膜分离生物反应器、膜曝气生物反应器和萃取膜生物反应器。在污水处理中，尤其是工业废水处理中主要使用的是膜分离生物反应器。
按照膜组件与生物反应器的组合位置．MBR可分为分置式MBR和一体式MBR两种，其中分置式有助于设备的清洗、更换、增设，但泵的高速旋转对某些菌种会产生失活作用：一体式不使用泵，可省掉循环用管路配置，但膜清洗较为困难，膜污染问题较难解决。另外按照生物反应器是否需氧．MBR还可分为好氧MBR和厌氧MBR；按照生物反应器的形式还可分为膜循环生物反应器及中空纤维膜生物反应器。
1．2 工艺特点
MBR利用膜的高效固液分离作用代替了传统活性污泥法中的二沉池．克服了污泥膨胀等问题。其主要工艺特点如下：(1)污染物去除率高，出水浊度很低，出水可直接回用于市政绿化、工业冷却水等，且设备占地小。(2)能将所有的微生物截留在生物反应器内，与活性污泥法相比，可使反应器中的生物浓度提高5～l0倍．实现反应器水力停留时问和污泥泥龄的完全分离．可提高难降解有机物的降解效率。(3)生物反应器中的微生物浓度高，耐冲击负荷。(4)反应器在低F/M下运行，剩余污泥量少，无污泥膨胀现象，对氮、磷等的去除效率高。(5)传质效率高，氧的转移效率高达60%左右。(6)泥龄可实现无限长，硝化能力强。(7)设备占地面积小，工艺集中，易于操作管理。(8)使用过程中存在的膜污染问题，一定程度上制约了膜生物反应器的应用。
2 MBR在印染废水处理中的研究与应用
作为一种高效的分离技术，MBR在印染废水处理中与其他技术相比有独特的优点：(1)其中的膜分离组件是以分离出废水中的聚乙烯醇、染料、羊毛脂、油剂等污染物来降低COD的，在处理废水的同时还可回收化工原料；(2)处理后的水可以直接回用。因此，MBR处理印染废水同时具有经济效益、环境效益和社会效益。
2．1 MBR在国外印染废水处理中的应用
20世纪70年代后期，大规模好氧MBR首先在北美得到了应用．之后相继于20世纪80年代早期在日本、90年代中期在欧洲得到应用，但在工业废水处理方面的应用从20世纪90年代后才逐渐得到重视。
国外对膜生物反应器在印染废水处理方面的应用进行了大量的研究，20世纪70年代J．J．Porer等[4]就开始将MBR应用于印染废水的处理之中，他们采用反渗透法对l8种染料的回收和再利用进行了试验，试验中采用内压管式醋酸纤维膜、中空纤维聚酰胺膜、卷式醋酸纤维膜以及外压管式Zr(Ⅳ)氧化物一PAA动态膜，分离效果良好，色度去除率>99% ．COD去除率均在92%以上．分离的水可重新使用[4]。1983年T．Liu等[5] 报道了反渗透技术对l3种酸性、碱性染料溶液的分离效果。
国外早期的MBR在印染废水中的运用是以分离污染物质为主．主要是考察膜分离组件与生物反应器相结合之后对COD、色度的去除率以及对染料的分离效果。随着科技的进一步发展，现在的研究主要着眼于MBR工艺机理方面的研究以及组合工艺的运用。在水资源短缺的今天，需将出水水质标准提高到回用的标准．初期为杂用水水质回用标准．目前已经可以将膜生物反应组合工艺(甚至单一MBR)的出水直接回用于纺织印染生产中的任一工序，产生了极大的社会效益和经济效益。T．H．Kim等[6]研究了纳滤膜和反渗透膜用于处理活性染料废水的最佳运行条件．并且对其在实际应用中的可行性进行了分析。试验表明，增加压力有助于提高其对COD、色度及盐度的去除效率，且经过脱盐、净化后的出水可回用于印染厂的实际生产中。J．W．Lee等[7]分别用吸附、凝聚、中空纤维微滤膜分离及3种工艺的组合对2种分别含有活性橙l6及活性黑5染料成分的活性染料废水进行了处理，试验表明，组合工艺对2种废水的处理效果远好于单独工艺．中空纤维超滤膜组件能够有效地分离吸附之后剩余的PAC，且出水可回用。这一研究结果表明，MBR能够很好地与现有的生产工艺相结合．且可以大大提高对印染废水的处理效率。在机理研究方面，F．Banat等[8]采用管式聚丙烯膜处理含有亚甲基蓝的染料废水，研究了进水温度、流量以及染料浓度对处理效果的影响，对其中的染料进行了回收，并建立了温度及浓差极化现象的数学模型对数据进行验证。
目前国外MBR工艺在印染废水处理中的应用已日趋成熟，且现已有将其成功应用于印染废水处理的工程实例。S．S．Turk等[9]使用超滤膜和反渗透膜联合处理斯洛文尼亚一家印染厂的活性染料废水．首先采用超滤膜进行处理．出水再经反渗透膜处理，COD、色度、TOC、总磷的去除率分别为94%、99% 、85% 、97% 。
MBR在应用中的一个比较重要的制约因素就是膜污染．但膜污染的产生机理还未完全研究透彻，为了解决这一问题，更好地将MBR应用在印染废水处理中，许多研究人员做了大量的工作。B．Vander Bruggen等[10]研究了用纳滤膜处理印染废水，用超滤膜处理毛纺废水时的膜污染问题。结果表明，第一种工艺中的膜污染主要是由于有机物的吸附引起的，在第二种工艺中，有机物对膜污染的影响较小，但是疏水性化合物对膜污染造成了很大的影响。M．A．Yun等[11]分别在好氧(DO=6．0 mg/L)及厌氧(DO<0．3 mg/L)条件下，用MBR处理印染废水，结果表明，厌氧条件下的膜污染是好氧条件下的5倍，这主要是由于膜表面形成了不同的生物薄层，而厌氧条件下的生物薄层较为均匀和致密的在膜表面展开，导致了较高的膜污染。
2．2 MBR在我国印染废水处理中的应用
我国2O世纪9O年代末期才将MBR应用于废水处理，起步较晚，但发展十分迅速。1991年lO月，岑运华[12]介绍了MBR在日本的研究状况。1993年前后，许多高校与研究所加入了MBR的开发研究工作，之后MBR在我国得到了很快的发展。然而，与国外相比，我国关于MBR在印染废水处理中应用的研究还不够深入，大多集中在实验室，应用工程实例较少。而且国产的专用于MBR的膜材料、膜组件有限．MBR工艺的投资和运行费用较高，这都对MBR在我国的推广造成了一定的困难。但总的来说，我国目前在这方面的研究还是取得了一定的成果。
就印染废水而言，不同的染料应选择不同的膜材料才能得到最好的处理效果。一般对带有亲水基团如一SO Na，一COONa等的水溶性染料(活性染料、酸性染料、直接染料等)，须采用纳滤膜和反渗透膜技术；对带有憎水基团如一SOzNH 的水不溶性染料(聚合物染料、靛蓝类、还原染料等)，则需优先考虑超滤膜技术[13]。郭明远等[14]自制了醋酸纤维素纳滤膜，研究了纳滤膜对活性染料X一3B水溶液的分离性能，结果表明，纳滤膜可用于该活性染料印染废水的处理和染料回收。赵宜江等[15]采用氢氧化镁吸附预处理的陶瓷膜微滤技术对含活性染料的印染废水进行脱色处理，脱色率可达98%以上，1．0 m膜的膜通量在150 L/(m ·h)左右。戴海平等[16]分别采用截留相对分子质量6 000的聚砜膜和0．2 m的PVDF微滤膜对天津市某牛仔布印染厂靛蓝废水进行膜处理，结果表明，超滤和微滤对不同的水质指的去除率相差不多，对代表无机物的指标如pH、溶解性总固体(TDS)、电导率、碱度等去除率较低，对染料截流率基本相同，脱色率都在98%以上。
印染废水的处理难点在于其色度高、COD高、水质变化大。我国MBR在印染废水中的应用主要是将膜分离技术与多种生物反应器相结合，利用不同生物反应器的不同作用达到不同的处理效果，使出水达到排放甚至回用标准。郑祥等[17]采用中试规模(10m3/d)的膜一生物膜工艺处理毛纺印染废水，出水COD、BOD 、色度、浊度分别为34．8 mg/L、9．6 mg/L、22倍、0．5 NTU，相应的平均去除率分别为85．7% 、92．3%、64．3%、98．9%，符合CJ/r48— 1999(生活杂用水水质标准》，同时长期的运行结果表明，与膜一活性污泥系统相比，膜一生物膜系统的膜通量没有得到明显的提高。膜通量是影响运行能耗的关键因素，在一定的操作压力下，膜通量越低则运行能耗就越高。
随着MBR形式的不断改进和更新，现在在印染废水处理中常见的是使用厌氧/好氧反应器加膜分离装置，这样可以极大地发挥厌氧区对色度的去除效果、好氧区对COD的去除效果以及膜分离系统的高效分离作用，从而获得良好的出水水质。从现实意义角度出发考虑，这样也可以使印染废水在进入膜分离系统之前得到初步处理，使出水水质得到提高，从而进一步提高膜的使用效率，增加膜的使用寿命，减少固定投资。熊小京等[18]采用厌氧好氧膜生物反应器(A/O MBR)处理含蒽醌染料活性艳蓝KN—R的印染废水，结果表明，在进水pH为9．0时，厌氧槽对脱色率的贡献较大，而当进水pH在5．0～8．0范围内时．好氧槽对系统脱色率的贡献较大。厌氧活性污泥对COD的去除效果基本上不受进水pH的影响，处于较低水平。而好氧槽在进水偏碱性时，膜对可溶性COD的截流作用更明显。当进水pH在5．0～9．0范围内变化时，整个系统对染料及COD的降解性能处于最佳状态。
越来越多的研究表明，将不同的膜分离技术(如微滤、超滤、纳滤等)相结合，或MBR与其他技术(如催化氧化技术、电化学法等)相结合，是印染废水深度处理的一个研究方向。目前正在优化和应用的集成技术有MF/UF/RO集成系统、MBR+RO、抗污染反渗透复合膜等，另外还有离子交换、紫外线消毒等。鄂尔多斯羊绒集团公司将用混凝陶瓷膜一纳滤膜技术对印染废水的二次出水进行处理，试验发现，用聚合氯化铝作为混凝剂，可防止废水中的悬浮固体和胶体颗粒对陶瓷膜的污染，使陶瓷膜的化学清洗周期延长为一周一次；陶瓷膜保护纳滤膜，使之不添加任何化学物也可以连续运行。研究结果表明，水质完全符合CJ/T 48— 1999《生活杂用水水质标准》。
我国MBR在印染废水中的应用已经得到了越来越广泛的重视。尽管现阶段将其应用于工程实践还有一定的困难。但是相信随着我国科技水平的不断进步。这一高效工艺必将在印染废水处理领域发挥越来越大的作用。得到更加广泛的应用。
3 结语
MBR对印染废水有着较好的处理效果，而且其出水可满足中水回用的要求，既符合印染工业清洁生产的要求，也符合循环经济的理念，因此，将MBR应用于印染废水处理。具有相当的经济效益、环境效益和社会效益，有重要的研究价值和广阔的应用前景。
从现阶段看。我国MBR在印染废水中的实际应用以及膜的生产技术都与世界先进水平有着一定的差距，还需要进行进一步的研究，尤其是制约MBR广泛应用的膜污染问题，今后应成为研究的重点，另外，开发高效、廉价的膜材料也是应该努力的方向。
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