膜生物反應(yīng)器在高氨氮廢水處理中的應(yīng)用

崔雪燕，李 琛

（陜西理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

環(huán)保與三廢利用

膜生物反應(yīng)器在高氨氮廢水處理中的應(yīng)用

崔雪燕，李 琛

（陜西理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

膜生物反應(yīng)器作為一種新興的污水處理技術(shù)與工藝，其研究與應(yīng)用受到了社會各界的廣泛關(guān)注。文章綜述了高氨氮廢水的特點、危害，簡要介紹了膜生物反應(yīng)器的特點及各國學(xué)者將其應(yīng)用在廢水處理中的研究成果，指出了膜生物反應(yīng)器的不足和應(yīng)對策略，展望了未來膜生物反應(yīng)技術(shù)在我國的發(fā)展前景。

高氨氮廢水；膜生物反應(yīng)器；膜污染

我國是一個人口眾多的農(nóng)業(yè)大國，水資源不豐富，再加上近年來不斷出現(xiàn)的水污染問題，解決水資源短缺問題更是迫在眉睫。而在我們的實際生活中，氨氮廢水污染在水污染問題中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。由于高濃度的氨氮廢水成分復(fù)雜，不但含有酚類、單環(huán)及多環(huán)的芳香族化合物，還含有許多難以被微生物降解或有生物毒性的化合物，因此處理起來難度相對較大，尤其是氨氮的去除達(dá)標(biāo)是處理此類污水的關(guān)鍵。由于高濃度氨氮廢水對環(huán)境危害大，并難以處理，因此高濃度氨氮廢水處理技術(shù)一直是國內(nèi)外水處理的焦點。在下文中將主要介紹膜生物反應(yīng)器對氨氮廢水的處理。

1 高氨氮廢水的來源、特性及危害

1.1 氨氮廢水的來源

高氨氮廢水主要來源于鋼鐵、煉油、化肥、無機(jī)化工、鐵合金、 玻璃制造、飼料生產(chǎn)等工業(yè)廢水的排放。此外，皮革、孵化和動物排泄物等新鮮廢水中氨氮的初始濃度雖不高，但是由于廢水中存在有機(jī)氮的脫氨基反應(yīng)，在廢水積存的過程中氨氮的濃度會迅速地升高[1]。

1.2 氨氮廢水的特性

氨氮主要是通過含有氨氮的有機(jī)物經(jīng)氨化作用轉(zhuǎn)化而來的，它的去除既可以通過加入堿使之分解變成氨氣，也可以通過硝化、反硝化作用使之變成氮氣而去除。

1.3 氨氮的危害

(1)對人體的危害：氨氮在水體中經(jīng)過硝化作用產(chǎn)生硝酸鹽和亞硝酸鹽，對飲用水帶來很大的危害，長期飲用這類水會誘發(fā)高鐵血紅蛋白癥狀和癌癥，而水體中的分子氨可以經(jīng)過滲透作用進(jìn)入生物體內(nèi)，將血紅蛋白中的Fe2+氧化成Fe3+，從而降低血漿的負(fù)氧能力。

(2)對水生生物的危害：氨可以影響水生生物的神經(jīng)系統(tǒng)和肝腎系統(tǒng)，嚴(yán)重時發(fā)生肝昏迷以致死亡，急性氨氮中毒的水生生物表現(xiàn)為亢奮、抽搐，嚴(yán)重時會死亡[2]。

(3)對水體的危害：廢水中所含的氨氮具有很高的耗氧量，是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要因素，會對水體中的魚類等直接產(chǎn)生毒害作用，甚至?xí)ぐl(fā)它們的熵變[3]。高濃度的氨氮還會引起水體中的藻類及其他的微生物大量繁殖，水體中的生物量達(dá)到一定的數(shù)量時，會導(dǎo)致水體中的溶解氧急劇下降，水生生物大量死亡，從而導(dǎo)致水質(zhì)迅速下降。

2 膜生物反應(yīng)器在高氨氮廢水處理中的應(yīng)用

2.1 膜生物反應(yīng)器的概況

膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactor,MBR）是膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)器相結(jié)合的新技術(shù)，MBR膜反應(yīng)技術(shù)具有較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化速度，與它能夠?qū)a(chǎn)物或副產(chǎn)物從反應(yīng)區(qū)連續(xù)地分離出來，打破反應(yīng)的平衡這一原因有關(guān)。MBR最早被應(yīng)用于微生物發(fā)酵工業(yè)，后來又被應(yīng)用于生活污水的處理，到了20世紀(jì)90年代，MBR的處理對象從生活污水延伸到有機(jī)廢水和難降解的工業(yè)廢水。進(jìn)入水資源緊張、水污染日益嚴(yán)重的新世紀(jì)之后，MBR作為一種高效的水處理技術(shù)受到了各國的重視。

2.2 膜生物反應(yīng)器的特點[4]

(1)可以高效地進(jìn)行固液分離，分離效果優(yōu)于傳統(tǒng)的沉淀池，出水水質(zhì)比較好，出水的懸浮物和濁度接近零，可以忽略不計，該水可以直接回用，實現(xiàn)了污水的資源化。(2)膜具有高效截留作用，使得微生物幾乎完全被截留在反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時間和污泥齡的完全分離，使得運(yùn)行更加靈活穩(wěn)定。(3)反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度高，耐沖擊負(fù)荷。(4)系統(tǒng)硝化的效率較常規(guī)有所提高。(5)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，工藝設(shè)備集中，易于一體化自動控制。(6)膜通量較低，故而易出現(xiàn)膜污染問題，在一定程度上限制了膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用。

2.3 膜生物反應(yīng)器在高氨氮廢水中的應(yīng)用

2.3.1 MBR工藝在高氨氮廢水處理中的應(yīng)用

在黃志金等[5]的研究中，當(dāng)控制其他條件不變，僅將DO的濃度由原來的4.0mg·L-1或2.0mg·L-1降到0.5mg·L-1時，氨氮的去除率由原來的99.17%降到48.30%，這一研究結(jié)果表明膜生物反應(yīng)器對氨氮具有較好的去除效果，但是其去除效果受到溶解氧的影響。劉靜文等[6]在pH為7.45～7.94，水溫為12.0～28.1℃，COD為91.18～545.4mg·L-1，氨氮含量為244.3～440.7mg·L-1，SS為91.0～440.0mg·L-1的實驗條件下，采用MBR工藝處理氨氮廢水，得出的結(jié)論是：MBR工藝運(yùn)行穩(wěn)定，出水的氨氮平均濃度不大于3mg·L-1，MBR能夠抵抗有機(jī)物沖擊負(fù)荷，氨氮的容積負(fù)荷可以達(dá)到1110mgNH3-N·(m3·d)-1。Aloui等[7]在高氨氮濃度（1000mg·L-1＜C＜2800mg·L-1)，水力停留時間為2～3d的條件下，采用MBR工藝處理老齡垃圾滲濾液，可以使得出水氨氮的濃度降低至100mg·L-1。此外，還有很多研究[7-12]報道表明采用MBR處理垃圾濾池液，氨氮去除率不低于90%；采用MBR對新生和老齡滲濾液進(jìn)行專門處理之后，氨氮的去除效率可達(dá)到100%[13]。利用MBR工藝處理高氨氮廢水除了處理效率高這一優(yōu)點以外，還具有占地面積小，出水水質(zhì)好，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，易于自動控制等優(yōu)點，在生活污水和工業(yè)廢水處理以及回用領(lǐng)域得到大力推廣[14-15]。在膜生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，楊崇豪等[16]研究了生物固定化MBR對高氨氮廢水的處理，他們的研究表明，采用普通MBR處理高氨氮廢水時，其對氨氮的去除率不高（低于60%）且波動比較大；采用生物固定化MBR處理高氨氮廢水時，出水氨氮低于10mg·L-1，對氨氮的去除率達(dá)90%以上，且非常穩(wěn)定。而且經(jīng)過計算可知，該方案所投加的生物固定化載體成本低，經(jīng)濟(jì)效益相對較高，比較具有推行的可行性。

2.3.2 組合MBR工藝在高氨氮廢水處理中的應(yīng)用

在Wang等[17]的厭氧-好氧MBR中，厭氧反應(yīng)器對氨氮的去除率介于31% 和43%之間，好氧反應(yīng)器對氨氮的去除率介于47%和64%之間，該項結(jié)果表明，好氧反應(yīng)器的運(yùn)行狀況對氨氮的去除影響比較大。Shin等[18]利用浸沒式MBR和厭氧升流床過濾反應(yīng)器處理豬場廢水，結(jié)果對氮和總氮的去除率分別達(dá)到99%和60%。Fan等[19]采用帶有H型循環(huán)導(dǎo)管氣升循環(huán)浸沒式MBR處理盥洗廢水并利用，結(jié)果顯示，該方法對氨氮的去除效率高達(dá)95%，氨氮得以很好地去除。馮久鴻[20]采用MBR-BAF工藝處理采油污水，應(yīng)用的實際結(jié)果是氨氮的去除效率高達(dá)90%。李紅巖等[21]在實驗條件為pH＝7.5～8.0，溫度為（20±1）℃，氨氮濃度為2000mg·L-1的條件下，經(jīng)過一體化膜生物反應(yīng)器處理以后，出水的氨氮含量僅為20mg·L-1左右，氨氮的去除率高達(dá)99%。在王之暉等[21]的研究中，他們采用好氧/缺氧+膜生物反應(yīng)器（A/O+MBR）組合工藝處理高氨氮生活污水，結(jié)果表明，在進(jìn)水溫度為8.3～23.0℃，氨氮濃度為一般城市綜合污水的2倍的條件下，在A/ O工藝中加入纖毛填料，氨氮的去除率高達(dá)97.4%，氨氮可以達(dá)到一個比較好的去除效果。李強(qiáng)等[23]也采用了A/O-MBR工藝處理高氨氮廢水，通過控制反應(yīng)條件，使得溫度為25～28℃，7.5≤pH≤8.5，進(jìn)水氨氮的濃度為120～1500mg·L-1，溶解氧（DO）為2.5mg·L-1時，對氨氮的去除率可以高達(dá)93.2%，而控制其他條件不變，溶解氧的去除率降到1.5mg·L-1時，氨氮的去除率仍可以達(dá)到一個較高的水平，去除率為87.5%。

2.3.3 MBR應(yīng)用的工程實例

桑衛(wèi)民[24]在山西晉豐煤化工責(zé)任有限公司3652項目一期工程的研究中，為了處理高氨氮廢水，采用缺氧-好氧+生物膜反應(yīng)器技術(shù)相結(jié)合，將廢水中的氨氮除去了80%，達(dá)到了一個很好的處理效果。此外，我國密云污水處理廠再生水廠、北小河污水處理廠、內(nèi)蒙古金橋污水處理廠等大型MBR污水處理工程均已投入運(yùn)行[25]。

3 膜生物反應(yīng)器（MBR）的不足及解決對策

3.1 MBR技術(shù)的不足

MBR作為水工業(yè)發(fā)展歷程中一項新興的技術(shù)，具有占地面積小、處理效果穩(wěn)定、啟動快、操作簡便、溫度和酸堿度對脫氨效率影響小等優(yōu)點；但與此同時，MBR也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)與不足，其不足之處如下：（1）膜材料以及膜工藝問題。我國的MBR技術(shù)的發(fā)展相對來說比較晚，在膜材料方面的研究開發(fā)技術(shù)也較西方落后，國產(chǎn)膜存在不耐高溫、易溶漲等問題，這些問題也導(dǎo)致了膜的泡點壓力比較低，操作條件不穩(wěn)定等問題。故而，改進(jìn)膜制備技術(shù)，開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的膜材料是目前亟需解決的一大問題[26]。除此之外，還要積極地尋找廉價的膜材料，降低膜的成本。（2） 膜污染問題。蔣展鵬等[27]研究發(fā)現(xiàn)，由于污泥混合液的成分比較復(fù)雜，而膜組件直接與污泥混合液接觸，所以膜生物反應(yīng)器的膜污染情況比一般的膜污染更為嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上，L.Defrance等[28]認(rèn)為懸浮物占膜污染的比例是65%、膠體占膜污染的比例是30%，它們是膜污染的最主要因素。（3）膜組件問題。通過優(yōu)化膜組件的結(jié)構(gòu)、填裝長度，提高膜組件的處理效率等，促使膜組件的研究朝處理能力大、低能耗的方向發(fā)展[26]。（4）MBR的經(jīng)濟(jì)性問題。與常規(guī)的生物處理方法相比，MBR的運(yùn)行費(fèi)用要稍微高一些，為了增強(qiáng)MBR的競爭性，亟待解決的問題就是降低MBR的處理成本。（5）膜生物反應(yīng)器工藝問題。當(dāng)下，膜生物反應(yīng)器（MBR）的工藝存在著一些不足與缺陷，為了使MBR處理效果達(dá)到一個更好的效果，當(dāng)務(wù)之急就是優(yōu)化膜生物反應(yīng)器工藝及膜生物反應(yīng)器（MBR）能耗技術(shù)的研究。

3.2 MBR的應(yīng)對策略

在大力提倡環(huán)境保護(hù)的時代背景下，為了提高M(jìn)BR的市場競爭力，除了考慮MBR的經(jīng)濟(jì)效益以外，還需要考慮MBR是否會對環(huán)境造成污染。而在MBR技術(shù)中，膜污染問題是MBR對環(huán)境造成消極影響的一個最主要的因素。應(yīng)對膜污染問題，主要的策略如下：（1）開發(fā)出耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐污染性強(qiáng)、產(chǎn)水性能優(yōu)、使用壽命長的膜材料[29]。（2）在廢水中投加吸附性物質(zhì)（如活性炭等）吸附懸浮物，將懸浮物的濃度控制在一定的水平，以此防止膜污染。（3）蔣展鵬等提出，在膜污染發(fā)生以后，為了防止膜污染繼續(xù)發(fā)展，可以采用“間歇式”的方法對膜進(jìn)行清除。對于膜清除方案，龔泰石[30]也提出了自己的觀點，認(rèn)為間歇式方法對膜污染可以有一個很好的控制，但是化學(xué)法清除比較困難，是不可行的。

4 展望

盡管MBR較其他水處理技術(shù)是一種新興的水處理技術(shù)，自身存在著不足與缺陷（運(yùn)行費(fèi)用高、易造成膜污染等），但是MBR膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)是一種將膜的高效分離作用與生物降解作用有機(jī)地結(jié)合在一起的技術(shù)，它具有占地面積小、流程簡單、出水水質(zhì)優(yōu)良、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點，這些優(yōu)點使得它在水處理中占據(jù)著一定的位置[31]。膜生物處理器在污水處理中的研究與應(yīng)用涉及微生物學(xué)、材料學(xué)、水力學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和環(huán)境學(xué)等多門學(xué)科，相信在未來，只要國家大力地開展、銜接好學(xué)科之間的交流與合作，MBR技術(shù)一定會有飛速的發(fā)展，它必將成為我國控制水污染和解決污水回用問題的核心技術(shù)。

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Application of Membrane Bioreactor in High Ammonia-nitrogen Containing Wastewater Treatment

CUI Xue-yan, LI Chen
(School of Chemistry and Environmental Science, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, China)

As a new technology of wastewater treatment, a public attention was paid on MBS study and use. Characteristic, negative inf l uence of high ammonia-nitrogen wastewater were summarized. Characteristic of MBR and the achievements which researchers of many countries took out through applying MBR system to the removal of high ammonia-nitrogen in wastewater. The disadvantages and processes was pointed out. The foreground of MBR in our country was also looked ahead brief l y.

high ammonia-nitrogen wastewater；membrane bioreactor；fouling of membrane

X 703

A

1671-9905(2014)01-0047-04

陜西理工學(xué)院科研支持項目（11JK0760），陜西理工學(xué)院博士科研啟動項目（SLGQD13-5）

崔雪雁（1992-），女，安徽宿州人，本科生

李琛(1980-)，男，河南周口人，碩士，講師，主要從事環(huán)境污染治理與環(huán)境修復(fù)方面的教學(xué)與科研研究

2013-11-04