MBR-RO組合工藝在廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

MBR-RO組合工藝在廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張文華，安洲，龍北生，劉紅波，康華,劉鵬

(長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春130012)

吉林省科技廳項(xiàng)目(20060406)

主要研究污水處理與資源化利用技術(shù)。

摘要：膜生物反應(yīng)器(MBR)與反滲透(RO)的組合工藝已成為廢水處理中的新熱點(diǎn)。對MBR-RO組合工藝進(jìn)行了介紹，并對組合工藝近年來在市政污水、垃圾滲濾液、印染廢水、煤焦化廢水、半導(dǎo)體廢水和化工廢水等廢水處理中的應(yīng)用以及研究成果進(jìn)行了綜述，進(jìn)而指出了MBR-RO在應(yīng)用研究過程中存在的問題，最后對其應(yīng)用前景作了展望。

關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器；反滲透；廢水處理；膜污染；膜清洗

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.018

收稿日期：2015-07-09

基金項(xiàng)目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07202-009-01-02)

作者簡介：張文華(1961-)，男(漢)，河北石家莊，教授

中圖分類號：X703獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

膜分離技術(shù)是通過一種特殊的半透膜分離水中離子或分子的新型流體單元操作技術(shù)，近30年來取得了令人矚目的發(fā)展，膜分離技術(shù)被譽(yù)為 21世紀(jì)水處理領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。常用的膜分離技術(shù)包括超濾、微濾、納濾和反滲透。近年來，各種膜分離技術(shù)的組合與集成工藝成為廢水處理中的研究熱點(diǎn)[4]，其中，膜生物反應(yīng)器(MBR)與反滲透(RO)的組合工藝由于其效率高、工藝簡單、占地面積小和易于自動化操作等特點(diǎn)，在廢水處理中受到越來越廣泛的研究與應(yīng)用。

1MBR-RO組合工藝概述

1.1　MBR簡介

MBR主要由膜組件、生物反應(yīng)器和泵3部分組成。MBR工藝是將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的污水生物處理技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，利用膜把懸浮物和膠體截留下來，使出水水質(zhì)不再受污泥沉降性能好壞的影響，也可使曝氣池中活性污泥的質(zhì)量濃度大大增加[5]。MBR用超濾、微濾膜組件取代了傳統(tǒng)的二沉池，實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(SRT)的完全分離，具有出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)量少、設(shè)備占地面積小和工藝靈活方便等優(yōu)勢，因此，逐漸成為經(jīng)濟(jì)、高效的污水處理工藝。

1.2　RO簡介

RO是當(dāng)今最先進(jìn)和最高效的膜分離技術(shù)，其原理是利用反滲透膜選擇性地只透過溶劑(通常是水)而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜，從而實(shí)現(xiàn)對液體混合物的分離。它的操作壓差一般為1.5～10.5 MPa，可以截留組分大小為1～10A的小分子溶質(zhì)，除此之外，還可以從液體混合物中去除其他全部的懸浮物、溶解物和膠體[6-7]。

1.3　MBR-RO簡介

MBR-RO是將MBR與RO組合應(yīng)用的廢水深度處理技術(shù)。其中，MBR可以去除污水中絕大部分的SS、BOD5和大部分的COD，與其他生物處理工藝相比，其優(yōu)點(diǎn)在于污染物去除率高，出水水質(zhì)好；膜分離可使微生物完全截留在反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器水力停留時(shí)間與固體停留時(shí)間的完全分離，使運(yùn)行更加靈活、穩(wěn)定；MBR內(nèi)污泥質(zhì)量濃度高，裝置處理容積負(fù)荷大，設(shè)備占地面積小等。RO屬于致密膜，是一種高效節(jié)能的技術(shù)，工藝過程簡單，操作和控制容易，可以進(jìn)一步去除水中的金屬離子和殘余的有機(jī)物，使廢水得到深度處理。將MBR和RO有機(jī)地組合在一起，可以將廢水處理為高品質(zhì)的產(chǎn)品水，廣泛地回用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政等方面，可以極大地緩解對新鮮水源的需求，緩解水資源短缺所引發(fā)的矛盾，同時(shí)，這個過程將污水變廢為寶，減少了污染物向環(huán)境中的排放，實(shí)現(xiàn)了廢水的資源化利用[8]。

2MBR-RO在廢水處理中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

2.1　MBR-RO在市政污水處理中的應(yīng)用

在國外，MBR-RO組合工藝已被用于污水處理廠回用處理市政污水，國外的研究表明，MBR-RO系統(tǒng)具有很強(qiáng)的TOC、NH3-N和硝酸鹽等污染物去除能力，RO膜的滲透通量可由17 L/(m2·h)提高至22 L/(m2·h)[9-11]。MBR-RO系統(tǒng)既充分發(fā)揮了MBR工藝的高效生物降解優(yōu)勢，又滿足了RO對原水預(yù)處理的要求，為污水回收利用提供了一種新的處理方法[12]。然而目前國內(nèi)卻鮮見采用MBR-RO組合工藝處理與回收市政污水的報(bào)道。

曹斌、黃霞等[13]研究了MBR-RO組合系統(tǒng)處理并回用城市污水，考察了MBR工藝作為RO預(yù)處理的可行性，研究結(jié)果表明，RO出水平均值為TOC<1.3 mg/L、NH3-N<0.03 mg/L、TN<0.1 mg/L，TP未檢出，電導(dǎo)率和濁度分別小于30 μS/cm和0.12 NTU，MBR對水中無機(jī)離子的去除率接近100%，MBR-RO系統(tǒng)具有很高的脫鹽能力和污染物去除能力，其出水水質(zhì)可以達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2　MBR-RO在垃圾滲濾液處理中的應(yīng)用

垃圾滲濾液是一種高質(zhì)量濃度的有機(jī)廢水，水質(zhì)情況復(fù)雜，污染物種類多且變化范圍大，其水質(zhì)和水量由于受垃圾種類、當(dāng)?shù)丨h(huán)境及降水量、填埋場容積、填埋時(shí)間等諸多因素影響變化較大。新填埋場的垃圾滲濾液水質(zhì)指標(biāo)為：COD 5 000～40 000 mg/L，BOD51 000～6 000 mg/L，NH3-N 1 500～2 600 mg/L。

我國的垃圾滲瀝液處理技術(shù)發(fā)展至今，MBR-RO組合工藝已經(jīng)成為垃圾滲瀝液處理領(lǐng)域中的常用工藝。該工藝具有COD去除效果好、脫氮能力強(qiáng)、出水水質(zhì)穩(wěn)定、污泥量產(chǎn)量少、建構(gòu)筑物占地面積小等特點(diǎn)[14]。

閔海華等[15]采用MBR-RO工藝處理垃圾滲濾液，運(yùn)行調(diào)試的結(jié)果表明，在保證碳源充足的前提下，出水COD<20 mg/L、NH3-N<20 mg/L，優(yōu)于排放標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)也滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)試階段運(yùn)行成本小于2.5元/m3，出水水質(zhì)達(dá)到GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn) 》中一般地區(qū)滲濾液出水水質(zhì)要求，出水水質(zhì)好且運(yùn)行穩(wěn)定，充分體現(xiàn)了MBR-RO系統(tǒng)應(yīng)用在垃圾滲濾液處理中的優(yōu)勢。

2.3　MBR-RO在印染廢水處理中的應(yīng)用

我國是紡織印染大國，全國印染廢水排放量約為(400～500)×104m3/d，約占整個工業(yè)廢水的35%[16]。印染廢水具有色度深、堿性大、有機(jī)污染物含量高、水質(zhì)變化大和組成成分復(fù)雜的特點(diǎn)，一直以排放量大、處理難度高而成為廢水治理工藝研究的難點(diǎn)，是當(dāng)前國內(nèi)外公認(rèn)的較難處理的工業(yè)廢水之一。

邢奕等[17]采用MBR-RO組合工藝對印染廢水進(jìn)行了深度處理試驗(yàn)。原水經(jīng)MBR系統(tǒng)處理后，COD去除率為89.9%，SS去除率為100%，色度去除率為87.5%。MBR系統(tǒng)出水進(jìn)入RO系統(tǒng)進(jìn)行下一步處理，RO對硬度的去除率為99.62%，脫鹽率也可以達(dá)到99.64%。MBR-RO系統(tǒng)對SS、色度的總?cè)コ示鶠?00%，對COD的總?cè)コ蕿?7.1%，系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定，基本滿足生產(chǎn)回用的要求。

2.4　MBR-RO在煤焦化廢水處理方面的應(yīng)用

我國是一個煤焦化產(chǎn)品生產(chǎn)大國，焦化廢水中含有多種污染物質(zhì)，其中包括許多難降解的稠環(huán)芳烴和雜環(huán)化合物，而且氨氮、揮發(fā)酚和氰化物質(zhì)量濃度也較高，是一類難降解、高氨氮的有機(jī)廢水。

公彥欣、單明軍等[18]采用MBR-RO組合工藝深度處理煤焦化廢水，結(jié)果表明，原水經(jīng)MBR系統(tǒng)處理后，可有效去除廢水中的COD、NH3-N、濁度和SS，去除率分別達(dá)72.6%、85.4%、98.8%和100%。MBR系統(tǒng)出水進(jìn)入RO系統(tǒng)進(jìn)行下一步處理，RO對硬度的去除率為87.7%、脫鹽率為95.3%，同時(shí)可進(jìn)一步除去剩余濁度和COD。系統(tǒng)出水水質(zhì)滿足GB 50050—2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中再生水水質(zhì)指標(biāo)的要求。

王姣、于冰、孫黎明等[19]以實(shí)際焦化廢水為研究對象，考察了序批式MBR-RO復(fù)合系統(tǒng)對該類廢水污染物的處理效果。實(shí)驗(yàn)期間運(yùn)行結(jié)果表明，復(fù)合系統(tǒng)對COD的去除率穩(wěn)定在93%以上，反滲透出水COD平均質(zhì)量濃度為28.7 mg/L；TN去除率穩(wěn)定在96%以上，反滲透出水TN平均質(zhì)量濃度為4.53 mg/L。MBR-RO系統(tǒng)出水中酚類質(zhì)量濃度為0.24 mg/L，氰化物質(zhì)量濃度為0.02 mg/L，可以實(shí)現(xiàn)對揮發(fā)酚和氰化物等有毒物質(zhì)的有效去除。此外，實(shí)驗(yàn)以膜的臨界通量作為連續(xù)運(yùn)行的初始條件，在連續(xù)60 d的運(yùn)行過程中，MBR比膜通量損失 65.3%，RO比膜通量損失73.2%，說明該運(yùn)行工況下膜污染程度較小。以上研究結(jié)果表明序批式 MBR-RO系統(tǒng)可成功應(yīng)用于焦化廢水常規(guī)預(yù)處理后的直接處理。

2.5　MBR-RO在半導(dǎo)體廢水處理中的應(yīng)用

半導(dǎo)體生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量的廢水，如酸堿廢水、含氟廢水、含氨廢水和化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)廢水[20]。半導(dǎo)體企業(yè)一般將廢水經(jīng)過一級物化處理后，排往城市污水處理廠進(jìn)行處理。而半導(dǎo)體企業(yè)是用水大戶，企業(yè)自身的用水成本較高，半導(dǎo)體廢水的大量排放加重了污水處理廠生化池的處理負(fù)荷。因此，探尋有效的方法處理半導(dǎo)體廢水以實(shí)現(xiàn)工業(yè)回用具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。半導(dǎo)體廢水的主要污染物為納米級至微米級的懸浮物(SS)、有機(jī)物(COD)和無機(jī)鹽，根據(jù)MBR-RO組合工藝的膜孔徑大小與工藝特點(diǎn)，這些污染物是可以有效去除的。

肖燕、陳彤、胡永健等[21]采用中試規(guī)模的MBR-RO裝置深度處理半導(dǎo)體廢水。試驗(yàn)結(jié)果表明，MBR-RO系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的污染物去除效果和運(yùn)行穩(wěn)定性，可以耐受廢水水質(zhì)波動的范圍大。MBR運(yùn)行穩(wěn)定，膜的滲透性易于恢復(fù)，維護(hù)性清洗周期較長(大于16 d)。MBR出水已檢測不到SS，其SDI和COD的平均值分別為2.3 mg/L和10.6 mg/L，水質(zhì)滿足RO進(jìn)水設(shè)計(jì)要求。RO出水水質(zhì)優(yōu)良，電導(dǎo)率為26～142 μS/cm，TOC質(zhì)量濃度小于0.2 mg/L，符合生產(chǎn)回用水要求，表明MBR-RO組合工藝實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體廢水回用是可行的。

2.6　MBR-RO在化工廢水處理中的應(yīng)用

己內(nèi)酰胺(C6H11NO)是一種有機(jī)化工原料，作為生產(chǎn)尼龍的中間體，在生產(chǎn)和聚合過程中產(chǎn)生的廢水一般COD在3 000 mg/L以上，NH3-N在200 mg /L以上，是比較難處理的化工廢水[22-23]。己內(nèi)酰胺廢水中BOD5/COD值較高，具有良好的可生化性，目前，對己內(nèi)酰胺廢水生化處理的研究多為A/O 工藝[24]。

王建華[25]以某己內(nèi)酰胺化工廠的LUCAS出水作為研究對象，采用MBR-RO處理工藝，研究此系統(tǒng)對己內(nèi)酰胺廢水的處理效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，MBR工藝適用于該化工廠的廢水處理，出水COD平均值為31.33 mg/L，平均濁度為0.2NTU，氨氮平均值為2.81 mg/L，可以滿足反滲透膜的進(jìn)水要求。在濃縮倍數(shù)為3時(shí)，RO系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且產(chǎn)水可以滿足化工部循環(huán)冷卻水用再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)行結(jié)果表明，MBR-RO組合工藝處理己內(nèi)酰胺化工廢水是可行的。

3MBR-RO工藝應(yīng)用研究中存在的問題

目前，膜分離技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中在膜污染機(jī)理，如何提高膜通量，優(yōu)化工藝參數(shù)，降低運(yùn)行成本等方面[26]。

膜污染是MBR-RO組合工藝在運(yùn)行過程中普遍存在而且也是最難解決的問題。MBR系統(tǒng)中膜本身性質(zhì)、活性污泥特性、膜與活性污泥混合液之間的相互作用力(如靜電作用、范德華力)以及膜分離操作條件(如膜操作壓力、運(yùn)行溫度)等都會對MBR膜污染產(chǎn)生影響；如果在MBR工藝后接RO工藝做進(jìn)一步處理，MBR出水中的微生物、微生物代謝產(chǎn)物、有機(jī)物和膠體物質(zhì)等會對RO系統(tǒng)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的污染，這樣，MBR-RO組合工藝污染機(jī)理將比MBR、RO單獨(dú)運(yùn)行時(shí)候復(fù)雜，研究難度也更大。綜合分析，RO膜的污染大部分原因是與MBR污染相同的，只是在RO系統(tǒng)中，由于MBR膜的過濾截去了比較大的顆粒污染物，因此RO的污染更趨于微粒細(xì)小化。再者，由于RO處理對水具有濃縮性，一般濃縮了3～5倍，使原來污染物產(chǎn)生二次交聯(lián)，所以RO污染也相應(yīng)嚴(yán)重，但RO污染還有其特性，比如由于鹽濃縮而造成無機(jī)鹽的結(jié)垢等。

膜污染會增加膜的清洗頻率，縮短膜的使用壽命，增加運(yùn)行成本，甚至?xí)夯到y(tǒng)的處理效果，降低出水水質(zhì)[26]。因此，膜污染問題是制約MBR-RO組合工藝在廢水處理中大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要原因，而且深入研究MBR-RO組合工藝的膜污染機(jī)理，明確污染因素，并針對污染因素確定經(jīng)濟(jì)高效的膜清洗技術(shù)也成為MBR-RO在廢水處理應(yīng)用研究中亟待解決的問題。

4展望

MBR-RO的組合技術(shù)在中國的研究報(bào)道很多，但產(chǎn)業(yè)化的實(shí)際工程應(yīng)用卻較少。把實(shí)驗(yàn)研究的成果真正應(yīng)用于工程實(shí)際，還需要做大量的工作，因此，應(yīng)該提高膜技術(shù)領(lǐng)域的科研質(zhì)量，加強(qiáng)投資和管理，進(jìn)而加速M(fèi)BR-RO技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣與實(shí)際工程應(yīng)用。今后隨著膜技術(shù)的發(fā)展、膜質(zhì)量的提高、膜制造成本的降低和運(yùn)行條件的優(yōu)化，可以展望，MBR-RO組合工藝將具有更明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，它將成為我國各種廢水處理都可以選擇應(yīng)用的高效組合工藝。

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The research on the application of MBR-RO process in wastewater treatment

ZHANG Wen-hua, et al.

(SchoolofWaterConservancy&EnvironmentEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract：The combination of MBR and RO technology has led to a new focus on wastewater treatment. The article describes the characteristics of MBR-RO technology. The present situation of MBR-RO process application in wastewater treatment are summarized, including municipal sewage, garbage leachate, printing and dyeing wastewater, coal coking wastewater, semiconductor wastewater, and chemical wastewater. Furthermore, it also points out the existing problems in the application and research of MBR-RO process. Finally, this paper prospects the development tendency of MBR-RO process.

Key words：MBR; RO; wastewater treatment; membrane fouling; membrane cleaning