MBR工藝處理印染廢水的研究進(jìn)展

高海龍，田 濤，王 靜

（江蘇省生態(tài)環(huán)境評估中心，江蘇南京 210036）

我國是全球紡織業(yè)生產(chǎn)規(guī)模最大、產(chǎn)業(yè)鏈最完整、門類最齊全的國家。2017 年中國的化纖產(chǎn)量達(dá)到4 919.55 萬t，占世界總產(chǎn)量的70%以上。同時，紡織行業(yè)屬于高能耗、高污染行業(yè)，印染廢水占工業(yè)廢水排放量的17%～20%［1］。大量印染廢水進(jìn)入環(huán)境，對水體、土壤乃至生態(tài)系統(tǒng)造成了不可逆的影響［2］。

近幾十年，眾多學(xué)者對印染廢水的處理技術(shù)展開了大量研究。其中，膜生物反應(yīng)器（MBR）由于占地面積小、出水水質(zhì)好、污泥濃度高、污泥產(chǎn)率低等被用作處理印染廢水的首選工藝之一［3］。MBR 采用生物處理單元與膜分離單元相結(jié)合，以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理工藝中的二次沉淀池來實(shí)現(xiàn)泥水分離，不僅可以分別控制水力停留時間和污泥停留時間，提高污水處理效率，還能在生物反應(yīng)器中保持較高的活性污泥濃度和較低的污泥負(fù)荷，減小設(shè)施的占地面積，減少剩余污泥量［4］。MBR 不需要過濾和消毒就能高效去除污水中的有機(jī)物、微生物等污染物［5］。根據(jù)生物反應(yīng)器的類型，MBR 分為好氧型和厭氧型。

1 MBR 處理印染廢水的應(yīng)用

1.1 好氧MBR

Schoeberl 等［6］采用好氧MBR 處理印染廢水的COD 和色度去除率分別為89%～94%和65%～91%。Yun 等［7］采用好氧MBR 處理印染廢水的COD 和色度平均去除率分別為94.8%和72.9%。印染廢水色度的去除機(jī)理主要是吸附，因?yàn)榕嫉玖虾茈y被生物降解，生物降解僅起次要作用。

Huang 等［8］利用MBR 對某印染廠（400 L/d）的廢水進(jìn)行了長達(dá)100 d 的監(jiān)測研究。MBR 進(jìn)水的COD、BOD、NH3-N、pH 以及色度分別為600～1 200 mg/L、90～170 mg/L、10～23 mg/L、10～14 和250～400 倍。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膜通量和跨膜壓差分別保持在2～8 L/(m2·h)和5～10 kPa 時，不同水力停留時間（6.0～22.5 h）的處理效果不盡相同。水力停留時間為6.0 h時，好氧MBR運(yùn)行效率最高，COD、NH3-N 和色度去除率分別為80%～90%、90%～95%和60%～75%。

Yigit等［9］采用MBR處理某印染廠（380～1500 L/d）的高溶解性總固體（TDS，789～4 720 mg/L）、高色度（286～8 100 倍）、高電導(dǎo)率（1 578～9 440 μS/cm）廢水。該系統(tǒng)運(yùn)行包括污泥不外排和污泥齡（SRT）25 d 兩個階段。系統(tǒng)運(yùn)行期間，MBR 膜通量為20 L/(m2·h)，水力停留時間為14 h，混合液污泥質(zhì)量濃度（MLSS）為13.9～17.0 g/L。研究發(fā)現(xiàn)，好氧MBR 在去除COD、TDS及色度方面效果顯著（分別為大于95%、大于99%、大于97%），而對電導(dǎo)率去除效果不佳（小于4%）；SRT為25 d 的運(yùn)行效果好于污泥不外排。盡管MBR 進(jìn)水水質(zhì)波動劇烈，好氧MBR 仍能保持穩(wěn)定的出水水質(zhì)，這主要是由于MBR 有較高的MLSS。Huang 等［10］研究了SRT 對傳統(tǒng)生物反應(yīng)器和MBR 廢水處理效率的影響。結(jié)果表明，對于傳統(tǒng)生物反應(yīng)器，SRT 越短，COD去除效果越差，SRT 為5、10 d 時，COD 去除率分別為70%、80%；而在不同SRT 條件下，MBR 的COD 去除率始終保持在90%以上。

Hoinkis 等［11］采用MBR 處理不同COD 質(zhì)量濃度的印染廢水。研究發(fā)現(xiàn)，盡管MBR 進(jìn)水的COD 質(zhì)量濃度不同（600～1 250 mg/L），COD 和NH3-N 去除率均高達(dá)90%，因?yàn)樵揗BR 系統(tǒng)中SRT 較長（大于30 d）。Sun 等［12］研究了MBR 對印染廢水的處理效率，COD、NH3-N 和TN 的平均去除率分別為87%、96%和55%。

綜上所述，好氧MBR 對COD 為500～6 000 mg/L、BOD 為90～1 375 mg/L、色度為70～2 700 倍的印染廢水處理效果很好，COD 去除率為50%～98%，色度去除率為20～100%。在好氧MBR 運(yùn)行期間，MLSS 保持在4～15 g/L，跨膜壓差10～50 kPa，膜通量5～30 L/(m2·h)。因此，采用好氧MBR 并選用以上運(yùn)行參數(shù)，對水質(zhì)特點(diǎn)符合上述描述的印染廢水處理效果顯著。

1.2 厭氧MBR

如表1 所示，與好氧MBR 相比，厭氧MBR 能耗低（無需曝氣）、污泥少且副產(chǎn)物為有用氣體甲烷。

Ivanovic 等［13］采用厭氧MBR 處理印染廢水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該工藝對COD 和TDS 具有較好的去除效果，對TN 和TP 的去除效果較差。Saddoud 等［14］發(fā)現(xiàn)厭氧MBR 對氮、磷有較高的去除率，氮去除率高達(dá)60%。

Achilli等［15］研究發(fā)現(xiàn)，好氧工藝處理廢水的運(yùn)維費(fèi)用高于厭氧工藝，原因是好氧工藝產(chǎn)生的污泥較多，污泥管理和處理費(fèi)用較高。Wen 等［16］發(fā)現(xiàn)厭氧工藝對溫度變化（12～26 ℃）具有良好的適應(yīng)性，12 ℃時COD 去除率高達(dá)88%。Martinez-Sosa 等［17］研究發(fā)現(xiàn)，厭氧MBR 在35、20 ℃時COD 去除率均達(dá)到90%左右。Hu 等［18］研究厭氧MBR 時發(fā)現(xiàn)，水力停留時間的減少導(dǎo)致反應(yīng)器中COD 質(zhì)量濃度上升，原因是有機(jī)負(fù)荷增加。此外，使用厭氧MBR 處理廢水時會產(chǎn)生甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)80%的沼氣［19］。

1.3 MBR 與其他先進(jìn)處理技術(shù)的結(jié)合

近些年，針對MBR 與其他物理、化學(xué)以及物化處理技術(shù)結(jié)合以提高廢水處理效果的研究層出不窮。Qu 等［20］采用鞘氨醇單胞菌MBR 結(jié)合光催化氧化技術(shù)處理高質(zhì)量濃度溴氨酸印染廢水，進(jìn)水溴氨酸質(zhì)量濃度為50～300 mg/L，水力停留時間為15～24 h，該系統(tǒng)運(yùn)行15 天左右穩(wěn)定后，色度和COD 去除率分別達(dá)到90%和50%。

芬頓氧化技術(shù)具有出色的脫色能力，通過產(chǎn)生高活性的羥基自由基促使廢水具有更好的生物降解性，經(jīng)過芬頓氧化后的廢水很容易被MBR 處理。由于該工藝運(yùn)行費(fèi)用高昂，并未得到廣泛應(yīng)用。

Feng等［21］嘗試使用芬頓氧化技術(shù)結(jié)合MBR 處理印染廢水中較難去除的蒽醌染料（活性藍(lán)4），芬頓試劑選用硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）、30%H2O2和二甘醇，MBR 材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF），面積和孔徑分別為0.04 m2和0.2 μm。系統(tǒng)每隔2 min 連續(xù)曝氣8 min，曝氣速率為1.5～2.0 L/min。研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對TOC 和色度的去除率分別為88%和90%，表明在運(yùn)維費(fèi)用合理的前提下，芬頓氧化技術(shù)結(jié)合MBR 處理印染廢水具有巨大的潛力和可能性。

Qin 等［22］將內(nèi)電解法和厭氧MBR 結(jié)合處理染料廢水，對艷藍(lán)染料具有良好的降解效果。內(nèi)電解法產(chǎn)生的鐵離子對COD 和色度的去除影響較大。由于鐵離子的存在，絮狀污泥變得更穩(wěn)定，不易在MBR 膜上累積，但可能會引起MBR 膜上無機(jī)物的累積污染。因此，鐵離子是優(yōu)化內(nèi)電解法-MBR 處理效果的關(guān)鍵。

You 等［23］研究發(fā)現(xiàn)，采用反滲透和MBR 相結(jié)合的方式處理染整廢水效果顯著。Grilli 等［24］采用納濾和MBR組合處理染整廢水。結(jié)果表明，單獨(dú)采用MBR，COD 和色度去除率分別達(dá)90%和70%，后續(xù)使用納濾還可以進(jìn)一步降低廢水中的COD 和色度。此外，納濾具有除鹽作用，使處理后的廢水可回用于紡織生產(chǎn)。De Jager 等［24］將納濾和反滲透作為MBR 的后續(xù)處理技術(shù)，單獨(dú)MBR 的色度去除率僅為28.6%，但是與納濾或反滲透組合，色度去除率大幅度提高，分別為98.3%和97.2%。

綜上所述，近年來眾多學(xué)者采用MBR 與光催化、高級氧化、電化學(xué)、反滲透以及納濾等技術(shù)相結(jié)合的方式處理印染廢水，提高了印染廢水的處理效果，但是受制于運(yùn)維費(fèi)用較昂貴等原因，目前尚沒有用于處理大規(guī)模印染廢水的成熟工藝。下一步的研究重點(diǎn)應(yīng)該是如何降低和控制工藝的運(yùn)維費(fèi)用。

2 膜污染的控制

MBR 通常會采用一定的預(yù)處理減輕和控制膜污染。Park 等［25］研究了在厭氧MBR 中投放粉末活性炭（PAC）對膜污染的去除效果，結(jié)果表明，PAC 投放量為5 g/L 時，污垢和濾餅層阻力均下降。Akram 等［26］研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧MBR 中添加PAC，膜和處理效果均增強(qiáng)，但PAC 投加過量也會成為新的污染物。

Choo 等［27］采用氣流反沖洗MBR 控制膜污染，該技術(shù)可以有效降低MBR 內(nèi)部堵塞并防止濾餅壓實(shí)。Parameshwaran 等［28］同樣發(fā)現(xiàn)曝氣可以提高M(jìn)BR 的膜通量。雖然該技術(shù)對提高膜通量效果顯著，但是可能會縮短膜的壽命。反沖洗的效果取決于頻率、持續(xù)時長以及藥劑類型，頻率越高，持續(xù)時間越長，效果越好，但運(yùn)行費(fèi)用越高。

總之，MBR 的膜污染無法避免，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如何減輕膜污染，提高膜的運(yùn)行效果，建議從3 方面展開研究：（1）膜的自身材質(zhì)、親疏水性、電荷以及組件類型等對膜污染的影響；（2）MBR 運(yùn)行條件（水力停留時間、出水方式、污泥齡、有機(jī)負(fù)荷等）對膜污染的影響；（3）高效低損耗的膜清洗方式。

3 結(jié)論與展望

過去幾十年，學(xué)者針對MBR 處理印染廢水進(jìn)行了大量研究。采用MBR 處理印染廢水是一個不錯的選擇，厭氧MBR 尤其適合處理高濃度有機(jī)廢水。厭氧MBR 的主要優(yōu)勢是能生成沼氣，但目前只有少數(shù)針對該沼氣的研究。故開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的沼氣（特別是甲烷）回收技術(shù)是厭氧MBR 得到廣泛推廣的關(guān)鍵。

生物強(qiáng)化是解決細(xì)菌適應(yīng)性問題的方法之一，但是針對各種類型的污染物質(zhì)，MBR 的生物強(qiáng)化效果并未得到充分研究。廢水中的有毒物質(zhì)會影響活性污泥中的微生物群落，但是圍繞有毒物質(zhì)對MBR中微生物群落的影響研究有限。

MBR 去除污染物的效果取決于其運(yùn)行條件，但是幾乎沒有針對MBR 處理印染廢水最佳運(yùn)行參數(shù)的研究。因此，如何控制MBR 膜污染并使其滲透性最大化是未來的研究方向之一。