膜生物反应器在制药废水处理的研究进展

付腾飞，王 璐

（德州市环境保护科学研究所有限公司，山东 德州 253034）

随着我国经济的快速发展，制药行业也取得了很大进步，目前我国生产的常规药物有2 000 多种。因此，制药行业是污水的重要来源之一。由于不同种类的药物采用的原料及生产工艺存在不同，产生的废水也不尽相同，导致制药工业的废水组分复杂。大多数的制药废水属于难降解类废水，有机物种类繁多、浓度高、色度大，而且毒性大，BOD5/CODCr值差异较大。由于制药企业大多采用间歇生产，产品种类变化较大，进而增加了处理难度[1]。膜生物反应器是微生物降解作用与膜的高效分离结合的一种新型污水处理技术，是污水处理物理技术与微生物技术的结合。膜生物反应器最早用于微生物的发酵工程，随后于20世纪60年代开始用于污水处理[2]。随后在美国、日本等专家的研究下，在污水处理领域得到了快速的发展。与传统的污水处理技术相比，膜生物反应器具有适应性强、污染物降解效率高、占地面积小、耐冲击负荷高、易于自动控制等优点。因此，膜生物反应器在污水处理中具有独特的优势，得到了越来越广泛的应用。

1 膜生物反应器

膜生物反应器是采用膜过滤取代传统生物处理技术中二沉池同时结合生物处理技术的新型污水处理工艺。它既有膜分离技术的优势，也吸取了生物处理技术的优点。其凭借独特的污水处理优势，在环保治理领域中应用越来越广泛。膜生物反应器主要有三种类型，分别为分离式膜生物反应器、无泡曝气膜生物反应器及萃取式膜生物反应器[3]。

1.1 分离膜生物反应器

分离膜生物反应器是应用最为广泛的形式，其具有装置体积小、耐冲击负荷强、处理效果稳定等优点。在传统的活性污泥处理工艺中，需要较高的污泥浓度以保证污染物的降解，但污泥浓度太高又影响了二沉池污泥的沉降性能，进而影响出水水质。而分离膜生物反应器中，以膜组件代替了二沉池，既保证了生物反应池中的污泥浓度，也保证了出水水质的稳定。

1.2 无泡曝气膜生物反应器

无泡曝气膜生物反应器采用了一种新型的无泡曝气器，以提高氧气在反应器中的传质效率，提高了水溶液中的溶解氧浓度，保证了好氧微生物的微生物氧化分解作用。该曝气系统采用的膜是一种透气性膜，传质阻力小，能够在高压下运行。在浓度差的作用下，空气或者氧气能够在膜腔内流动，进而向膜外扩散。和传统曝气系统相比，曝气膜供氧更稳定，而且对不同类型的污水可以选择不同的曝气系统。大量的研究表明，无泡曝气膜生物反应器是一种小型、高效的污水处理装置。但其也存在一些缺点，相比传统的曝气装置，膜曝气系统的基建费用更高，在运行过程中需要克服推动力，也增加了运行费用。

1.3 萃取膜生物反应器

萃取膜生物反应器是针对工业污水处理而研制的反应器，其中被处理的废水不和微生物直接接触，废水与活性污泥膜组件被隔离开来。该生物反应器中使用的膜组件由硅胶和其他流水性聚合物制成，具有选择透过性。在反应器运行过程中，膜内废水中的污染物透过萃取膜进入生物反应器中，利用转性的微生物进行污染物的降解与处理，而水与其他物质则留在膜内，随着膜内污染物的不断转移，在膜两侧形成了浓度差，进而不断推动反应器的运行。

2 膜生物反应器在制药废水中的应用

2.1 处理中药类制药废水

中药制药废水水质分成复杂，主要污染物有溶解性物质、胶体以及固体物质等，可生化性较好。废水主要来自中药生产过程的提取工段废水、设备清洗水和下脚料废水等。但由于中药制药过程水量间歇排放，因此水质波动较大，pH 值不稳定，而且排出废水水温较高，还带有颜色及味道[4]。

中成药是采用物理或者化学方法从动植物中提取或者直接形成药物的生产方式。由于不同的药物所选用的材料和生产方法不同，生产过程中形成的污水也不尽相同。有研究者采用膜生物反应器处理“三七”药物废水，处理规模为25 m3/d，进水COD 浓度为 2 000 mg/L。“三七”属于难降解物质，废水中残留一部分药剂，不利于微生物降解作用的发挥。但是，采用膜生物反应器处理该废水，取得了良好的效果，出水能够满足制药生产的回用水标准。

还有研究者以广州某制药企业废水为例，采用混凝沉淀结合膜生物反应器来处理中成药废水，由于该企业产生的废水水质和水量波动较大，色度和悬浮物浓度较高，还含有难降解物质，其中设计水量为 120 m3/d，进水COD 浓度为3 000～6 000 mg/L，该工艺出水COD 浓度为100 mg/L，去除率约为98%，而且其他各项指标均符合排放标准[5]。

2.2 处理发酵类制药废水

发酵工程是生物制药中重要的一部分，发酵类制药废水主要来自发酵、过滤、提取和精制过程，还有一部分来自溶剂回收、地面冲洗产生的高浓度有机废水。该类型的废水主要特点是有机物浓度高、成分复杂、废水中含有大量发酵过程的代谢产物及盐类，悬浮物含量高，水质、水量波动大。此外，有些发酵类制药废水中含氮量，碳氮比低，对微生物具有抑制作用。

有研究者以某维生素制药厂产生的废水为例，该企业最初的污水处理工艺为厌氧-兼氧-两段接触氧化的组合工艺，出水效果差，而且整个工艺存在很多问题。后采用膜生物反应器代替兼氧池结合接触氧化池的工艺，结果表明，出水水质稳定，各项指标均能满足排放要求，而且降低了运行成本。还有研究者以对发酵类制药废水进行膜生物反应器中试研究，该制药厂主要生产洁霉素、虫草菌粉等，其中进水COD浓度为400～1 000 mg/L，氨氮50～110 mg/L。试验期间不断调整HRT 来控制反应器运行状态，膜生物反应器HRT 为8 h 时，COD、氨氮出水稳定，出水浓度分别为120 mg/L 和2 mg/L 左右，而同样的进水指标采用兼氧-好氧工艺，其运行HRT 为40 h，出水COD 浓度为300 mg/L 左右，相比之下，膜生物反应器处理效果更佳，运行费用更低[6]。

2.3 处理化学制药废水

制药企业中大部分为化学合成制药，其在制药行业中占比很大。化学合成类制药废水主要是生产工艺中产生的废水，主要包括母液类废水、冲洗废水、回收的残液、辅助过程及生活污水。不同车间产生的废水成分不同，相比生物制药类废水，化学制药废水产生量不仅少，而且污染物比较单一，成分相对简单。但COD 浓度较高，有的可高达几十毫克每升，含盐量也很高，pH 值变化大，有的污染物甚至具有毒性。

对于处理制药废水，膜生物反应器具有一定的优势，但是由于化学合成类制药废水的特点，单独的膜生物反应器不能满足废水中污染物的降解，大多数情况下都需要膜生物反应器与其他污水处理工艺相结合来处理。郑炜等针对头孢类制药废水进行处理，采用了接触氧化、水解结合膜生物反应器的工艺，其中设计水量为350 m3/d，进水COD 浓度为2 125～11 561 mg/L，结果表明，COD 的出水浓度可达79～282 mg/L，符合当地工业园区的排放要求[7]。

还有研究者针对赖诺普利依那普利制药废水利进行研究，采用了混凝、接触氧化结合MBR 的组合工艺来处理，设计水量为500 m3/d，进水COD 浓度为3 000 mg/L，结果表明，该工艺处理效果良好，COD 的出水浓度为45 mg/L，去除率可达93%，而且该工艺在运行过程中运行费用只有1.06 元/m3，排放的污水还可以直接回用，减少了水资源的消耗[8]。

干建文等采用一体式膜生物反应器（IMBR）改造工艺开展头孢类制药废水的处理中试研究，发现膜生物反应器的处理大大提高了生化效率，缩短了水力停留时间，并且出水水质明显好于传统生化工艺。头孢类废水厌氧出水经过MBR 处理后，COD 可从3 500 mg/L 降至350 mg/L，去除率平均在90%，污泥龄在40～50 d，污泥浓度控制在6 000～10 000 mg/L，MBR 可长期稳定运行，出水COD、停留时间HRT等参数有很大程度的降低，出水基本无悬浮物，COD去除率好于传统活性污泥处理，系统抗负荷冲击能力强[9]。

3 结语

膜生物反应器是一种新型的污水处理技术，是提高污水处理效率和出水水质的重要技术，在当前水资源短缺、水污染现象严重、环保意识不断增强的社会环境下，膜生物反应器蕴藏着巨大的潜力。该工艺针对制药污水处理具有独特的优势，在试验探索及实际应用中均有良好的效果，近年来，该技术越来越多地应用在制药废水的处理中。膜生物反应器也存在一些缺点，主要是膜污染及寿命限制了其发展与应用，但随着对膜生物反应器的不断深入研究，期必将得到更深入、更广泛的应用。