膜生物反应器处理工业废水及膜污染控制研究

赵新景

(山东省核与辐射安全监测中心，山东 济南 250117)

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)是膜技术与生物技术相结合的一种新型废水处理工艺，具有污水处理量大、出水水质优良、占地面积小等特点和优势。目前，MBR已应用于工业废水、生活污水、医疗有毒废水、垃圾渗滤液、生态修复等领域的污水处理和深度净化处理。在工业废水处理中，受企业污水处理设施占地面积制约、投资成本限制及出水水质要求等，MBR因性能优势受到广泛关注。围绕膜污染这一关键问题，分析污染成因，提出针对性控制措施和建议，有助于膜生物反应器在工业废水处理中的性能改进和应用推广。

1 MBR在工业废水处理中的应用

随着工业化、城市化的发展，水资源的需求与消耗不断增加，工业企业产生的废水对环境的压力越来越大。工业企业废水成分复杂、产生量大、处理标准要求高，采用MBR工艺进行处理，对缓解目前水资源缺乏、地表水污染严重等问题提供了一种有效解决途径。

在工业废水处理中，MBR及其组合工艺的微滤膜或超滤膜被用作固-液分离装置，使反应器中的活性污泥、悬浮固体以及一些大分子有机物与流出液相分离。膜分离过程取代重力沉降过程，避免了生物体流失而造成的系统失效，且反应器内维持高比率的氨氮化菌和高浓度的微生物，从而取代传统活性污泥工艺中的二沉池，节约了占地面积和相应投资。MBR提高了活性污泥浓度，通过膜的分离技术强化了生物反应器的功能，从而可以分别控制水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)。

在工业废水处理中，MBR及其组合工艺主要应用于电力制造、印刷行业、石油化工、医药制造、食品加工等行业，部分工程和研究实例见表1。

表1 MBR及组合工艺在处理工业废水中的应用实例

在这些代表性研究和应用中，MBR能够有效处理相关工业废水，不同工业废水中的有关污染物质具有较好的去除效果，出水水质符合相关排放或回用标准。

2 处理工业废水存在的膜污染问题分析

2.1 膜污染的形成机理

在处理工业废水时，废水经过活性污泥作用后，通过MBR进行泥水分离操作而导致膜污染。常见的膜污染，是由于污水中的溶解性物质或污泥颗粒物在膜孔中或表面积累而导致渗透流量降低的一种现象[5]。膜污染形成机理包括：细微的胶状颗粒和细胞体残骸对膜微孔的堵塞，溶解性的以及悬浮的胞外聚合物在膜表面的吸附，污泥饼在膜表面的沉积等，这些因素单独或共同作用使得膜过滤过程产生膜污染。

污泥饼孔中生物聚合簇(BPC)的增长是MBR过滤阻力异常变高的主要原因。生物聚合簇(BPC)是沉积在膜表面污泥饼中的游离胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)所组成的亲和性絮体有机物的一种特殊形态。含有丝状菌的污泥悬浮体能够导致严重的膜孔阻塞，并且在膜的表面形成无孔泥饼层。丝状菌的过度生长，导致更多的游离胞外聚合物(EPS)产生、低zeta-电位、污泥絮体高疏水性和絮体的无规则发展，对膜的过滤产生极大的危害；而含有少量丝状菌的污泥絮体对膜渗透能产生积极的作用。所以，控制MBR中的丝状菌维持在适宜浓度，可以保持MBR正常运行和减缓膜污染。

由于所处理的工业废水不同，所用的MBR系统也不尽相同，加之微生物挂膜的复杂性等一些列因素的影响，难以建立一个通用的模型对膜污染进行描述。因此，至今还没有统一标准和结构严谨的普遍适用的理论体系来描述膜污染。

2.2 膜污染的影响

膜污染是MBR处理工业废水应用中的最大障碍，也是限制MBR进一步发展的主要瓶颈。膜污染主要影响有：减少膜过滤的渗透通量，增大跨膜压差，降低废水处理效率，缩短膜的使用寿命，增加膜清洗工作量，提高运行维护成本等。

需要注意的是，膜孔径过大并不能减缓膜污染，因此，工程应用中应选取孔径合适的膜。工业废水经过相应工艺处理后，进入MBR的污染物粒径小于膜孔径时，会吸附在膜孔内部造成膜孔堵塞；反之，污染物则会在膜表面形成污染层。但是，选用膜孔径过大时，污染物容易在膜孔中聚集，通量快速下降，会加快膜的污染过程。虽然膜表面沉积层引起的污染对生物反应器的正常运行、膜的渗透性、处理效率、运行费用等产生不利影响；但是也有有利的一方面，如膜表面的沉积层孔径小、密实，对废水中病毒细胞体具有显著的滤过作用。

3 膜污染的控制

MBR系统处理工业废水的膜污染性质和程度，主要影响因素有：运行操作条件，膜的特性，膜组件与材料的设计与运行条件，MBR水力条件，活性污泥系统的工艺以及环境状况，废水的物理化学特性等。

处理工业废水工艺中，常见的MBR膜污染控制技术有：低流量运转，浸没式装置中采用高剪切曝气流，定期停歇，定期反冲洗，化学清洗，水力条件及污泥特性的调控，间歇吸气操作或者添加粉末活性炭等。其中，曝气和反冲洗两种技术的结合是一种非常有效的污染控制措施。曝气通过喷射流的冲刷作用消除外部污染，反冲洗能够有效地消除内部污染。另外，反冲洗运行成本小，流量恢复效果显著。

4 讨论和展望

膜生物反应器在污水处理中的应用范围和规模不断增加，具有非常广阔的前景。膜组件的污染控制和相关清洗技术仍然是膜生物反应器工艺应用的关键技术和研究热点。

在膜生物反应器处理工业废水的工程应用中，可在以下方面加强研究和探索，一是进一步加强对膜污染机理的研究，为膜污染控制提供技术支撑；二是研究膜生产过程中对膜改性的工艺，以从膜自身性能上提高膜抗污染能力；三是改进优化工业废水的处理工艺，充分利用膜生物反应器性能优势；四是加强对其他废水处理的应用和研究，稳步推广膜生物反应器的市场范围。