環(huán)境工程污水處理中膜生物反應(yīng)技術(shù)分析

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(1.山西科技學(xué)院，山西 晉城 048011；2.華陽集團碳基合成新材料有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

城市化發(fā)展進程下，人們面臨著環(huán)境污染持續(xù)加重的問題，其中以污水問題最為重要。污水主要分為工業(yè)污水與生活廢水兩種，合理控制水污染至關(guān)重要。當(dāng)前膜生物反應(yīng)技術(shù)在污水處理中的作用逐漸凸顯，不僅如此，在應(yīng)用膜生物反應(yīng)技術(shù)時，所用到的裝置與設(shè)備無需占用過大面積，即使是小型污水處理廠也能安裝膜生物反應(yīng)器，且系統(tǒng)操作性較強，能夠有效提高處理效率。

1 膜生物反應(yīng)技術(shù)的研發(fā)背景

現(xiàn)階段我國城市發(fā)展進程較快，社會發(fā)展依然無法解決水資源稀缺的現(xiàn)狀。人們的生產(chǎn)與生活對水資源的需求持續(xù)加大，人們在使用水資源的過程中將會產(chǎn)生大量污水，一旦處理不當(dāng)，這些污水被直接排放到自然環(huán)境中，將對生態(tài)環(huán)境造成影響。英國十九世紀末期沒有處理好污水，導(dǎo)致泰晤士河被嚴重污染，可見污水處理是生態(tài)環(huán)境工程建設(shè)的一項重要內(nèi)容。最初，人們采用活性污泥法處理污水，但是該方法操作難度比較大，設(shè)備占地面積大，無法大范圍推廣使用。隨著社會的發(fā)展，污水排放量持續(xù)加大，傳統(tǒng)活性污泥法已經(jīng)無法高效處理污水，人們必須尋找一種處理效果好且效率高的方法，此時膜生物反應(yīng)技術(shù)問世[1]。

膜生物反應(yīng)技術(shù)就是通過膜分離與生物技術(shù)的融合形成的新型污水處理方式。以膜分離代替活性污泥法，改變以往的二沉池處理方式，發(fā)揮膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用效果，從而實現(xiàn)廢水的固液分離，再通過微生物與污水內(nèi)的有機物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低有機物含量，經(jīng)過過濾操作使水體渾濁度下降，從而達到污水凈化的目的。因為生物膜在反應(yīng)器內(nèi)的位置不同，所以反應(yīng)器也會有著不同的類型，具體如下：首先，一體式反應(yīng)器。這種裝置主要將膜組件安裝在設(shè)備內(nèi)部，不需要安裝混合液循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)備能耗低且占地小，但膜通量小，容易引發(fā)膜污染現(xiàn)象，工藝技術(shù)維護成本較高。其次，分離式反應(yīng)器，即膜組件與反應(yīng)器需要分開安裝，安裝混合液循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)污水經(jīng)過生物膜的時候，液體會隨著截流物質(zhì)進入設(shè)備內(nèi)部，防止微生物大量流失，該技術(shù)運行穩(wěn)定，膜組件拆卸方便，容易清洗，但混合液循環(huán)容易給微生物帶來損壞，降低其活性，對污水處理效果產(chǎn)生不利影響。最后，復(fù)合式膜生物反應(yīng)器，該設(shè)備可以與其他技術(shù)同時應(yīng)用。

2 膜生物反應(yīng)技術(shù)類型

2.1 連續(xù)循環(huán)曝氣系統(tǒng)

作為膜生物反應(yīng)技術(shù)最重要的一項，連續(xù)循環(huán)曝氣系統(tǒng)（CCAS）工藝的應(yīng)用可以有效提高污水處理效果，并從根源解決污染問題，降低污染物含量，提高水體的凈化程度。CCAS技術(shù)主要是在序列間歇式活性污泥技術(shù)（SBR）的基礎(chǔ)上進行的工藝改進，不僅使工藝方式得到改進，也對連續(xù)進水間隙做出了調(diào)整，使出水方式主要分為間隙進水與排水兩種，同時增加了污泥回流，對曝氣鼓風(fēng)量進行了有效控制，膜組件可直接放置于生物處理池中，對廢水進行過濾分離，進而達到分離、濃縮、凈化的目的。此外，CCAS保留SBR靜態(tài)沉淀與出水SS低的優(yōu)勢，構(gòu)造了厭氧區(qū)，使污水除磷效果更加穩(wěn)定。

2.2 曝氣生物濾池技術(shù)

該技術(shù)融合了膜生物反應(yīng)與生物濾池，使污水處理效果達到最佳狀態(tài)。生物濾池中不僅有生物濾料層，還有曝氣與布水布氣系統(tǒng)，微生物膜的使用可以去除溶解性有機物，單孔膜空氣擴散器的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)運行效率，保障系統(tǒng)的運行安全。以膜生物技術(shù)升級為基礎(chǔ)，將生物濾池、分離反應(yīng)器進行綜合應(yīng)用，降低了污染物數(shù)量。但是該技術(shù)在應(yīng)用時會產(chǎn)生較大負荷，為保障污水處理效果，建議采取膜污染防治措施[2]。

2.3 動態(tài)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)

為了使膜生物反應(yīng)技術(shù)能夠在污水處理期間發(fā)揮最佳效果，就要做好循環(huán)系統(tǒng)的升級與管理。當(dāng)前污水的膜處理使內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)效果不理想，無法發(fā)揮膜生物反應(yīng)器的實際作用。動態(tài)內(nèi)循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用可以改善污水處理時系統(tǒng)內(nèi)部水流動情況，促使污水的循環(huán)流動，并與系統(tǒng)內(nèi)的污泥多次且充分地接觸，提高過濾水平。不僅如此，動態(tài)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)造價低，可以降低生產(chǎn)成本。通過對系統(tǒng)進行不斷改良，可以解決以往系統(tǒng)內(nèi)的錯流問題，使污水凈化效果更加明顯。該技術(shù)在應(yīng)用時需要對反應(yīng)器加以改造，使用微網(wǎng)材料制作生物膜，購置渠道簡單，對于系統(tǒng)中的活性污泥，動態(tài)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)采取過濾方式，使污泥的處理效果更好，同時還能實現(xiàn)對污水的循環(huán)應(yīng)用。

2.4 組合式污水處理技術(shù)

由于污水的來源不同，污水內(nèi)的雜質(zhì)也會明顯不同，單純地依靠現(xiàn)有的技術(shù)是難以完成對所有類型污水的處理。因此在處理污水時應(yīng)組合多種處理技術(shù)，比如在應(yīng)用膜生物反應(yīng)技術(shù)時，可依靠技術(shù)的優(yōu)勢制造污水凈化設(shè)備。組合式污水處理技術(shù)主要是在處理污水期間，將多種技術(shù)充分結(jié)合，重新構(gòu)造出新的處理技術(shù)，但不同技術(shù)的側(cè)重點有所差異，膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)以過濾懸浮物、處理有機污染源為側(cè)重點；厭氧反應(yīng)器（EGSB）技術(shù)以降解有毒物質(zhì)為側(cè)重點。將MBR技術(shù)與EGSB技術(shù)結(jié)合在一起能夠有效處理不同來源的污水，在提高污水凈化效率的同時，實現(xiàn)對水污染的有效治理[3]。

3 膜生物反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)缺點分析

3.1 優(yōu)點分析

與傳統(tǒng)活性污泥法相比，膜生物反應(yīng)技術(shù)能夠?qū)⑽鬯械乃c有機物高效分離。綜合分析膜生物反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，主要體現(xiàn)為以下幾點：（1）解決污泥的沉降問題，使污泥的產(chǎn)出量下降。相比之下，使用活性污泥法污泥時的產(chǎn)泥率較高，所以應(yīng)用膜生物反應(yīng)方式后可以解決該問題，并使凈化后的水質(zhì)達到最佳，在降低水體濁度的同時提高了污水資源的利用率，為水資源的節(jié)約利用提供幫助。（2）加速水和微生物的分離效果，也使污水凈化操作更靈活。膜生物反應(yīng)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的三級處理模式，只需要使用一體化處理系統(tǒng)即可完成所有工作，減小了處理的規(guī)模，節(jié)約了土地資源，降低了設(shè)備投資。不僅如此，設(shè)備的平均使用壽命較長，維護起來更加便捷。（3）系統(tǒng)傳氧效率穩(wěn)定。與其他物質(zhì)的材料相比，生物膜擁有更強的透氣性，傳質(zhì)阻力很小，在污水處理過程中，生物膜材料不會受到任何影響，可以保障系統(tǒng)的傳氧效率。

3.2 缺點分析

生物膜反應(yīng)技術(shù)的推廣還面臨著一定阻礙，雖然污水處理廠開始根據(jù)自身發(fā)展情況引進了先進的處理技術(shù)，購置了先進的設(shè)備，試圖加強對膜生物反應(yīng)技術(shù)的了解，掌握技術(shù)要點，解決以往污水處理存在的問題，這無形中加大了對技術(shù)引進的投資，但依然無法使技術(shù)的使用效果發(fā)揮到最佳狀態(tài)。該技術(shù)可以與生物技術(shù)進行高效聯(lián)合，使污水處理廠在關(guān)注技術(shù)使用要點的同時，還要把握當(dāng)前微生物的存在條件，了解微生物的活性。該項工作對于企業(yè)來說難度較大。微生物只有保持最大活性，才能更好地生存，而中小型污水處理企業(yè)難以做好以上工作，甚至有可能引發(fā)膜污染現(xiàn)象，使生物膜的使用壽命降低，企業(yè)不得不頻繁更換生物膜，加大了對膜生物反應(yīng)器的維護成本。在污水凈化期間，生物膜污染是無法避免的，所以企業(yè)應(yīng)加強對生物膜的深入研究，使其能夠在污染的狀態(tài)下依然能夠發(fā)揮污水處理效果，使污水最終能夠達標(biāo)排放，延長設(shè)備的使用壽命。

4 膜生物反應(yīng)技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 處理工業(yè)廢水

工業(yè)生產(chǎn)過程中需要消耗大量水源，生產(chǎn)后企業(yè)會產(chǎn)出較多的工業(yè)廢水。隨著工業(yè)廢水污染程度的提高，廢水對環(huán)境的污染影響持續(xù)加大，并嚴重危害到人體健康。工業(yè)廢水的成分十分復(fù)雜，凈化難度較大，但是各個城市工業(yè)生產(chǎn)較為集聚，一個區(qū)域一般只會產(chǎn)生一種廢水，或者廢水的成分相差不大。比如生產(chǎn)電動車電池，廢水處理時應(yīng)根據(jù)工業(yè)區(qū)的實際情況，構(gòu)建膜生物反應(yīng)系統(tǒng)，關(guān)注對微生物的合理選擇。根據(jù)廢水水溫和氣溫條件選擇微生物，同時關(guān)注廢水的酸堿情況，部分微生物在酸性環(huán)境下?lián)碛休^高的活性，也有的微生物在堿性環(huán)境下活性較高。為了實現(xiàn)最佳的污水處理效果，應(yīng)按照膜生物反應(yīng)技術(shù)的使用現(xiàn)狀構(gòu)建污水處理系統(tǒng)。

化工生產(chǎn)、紡織生產(chǎn)、皮革生產(chǎn)甚至石油開采產(chǎn)生的廢水都屬于工業(yè)廢水，在處理這些廢水時，應(yīng)用膜生物反應(yīng)技術(shù)，可以使水體中的油與水高效分離。以實際案例為主，在處理工廠印染廢水的時候，以去除水體中的COD為目標(biāo)，調(diào)整水體pH值，使水的酸堿值保持在8左右。融合MBR與EGSB技術(shù)，對造紙廠的水解預(yù)酸化池出水進行凈化處理，制作EGSB反應(yīng)器，并采取重鉻酸鉀快速法，配合DO儀完成脫氮除磷，去除廢水中的金屬離子，再將廢水高效回收并二次利用，可提高造紙生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益。機械制造企業(yè)生產(chǎn)排放的廢水中含有大量的金屬離子，依靠膜生物反應(yīng)技術(shù)能夠減少金屬離子的含量，去除水體內(nèi)有毒有害物質(zhì)，保障出水質(zhì)量。

4.2 處理生活污水

與工業(yè)廢水相比，生活污水的成分較為簡單，居民日常生活用水對生態(tài)環(huán)境的破壞影響相對較小，但這并不代表可以隨意排放污水。所以生活污水的處理至關(guān)重要，居民日常洗衣服用的洗衣液、洗澡用的沐浴露和牙膏，這些物品成分進入水體中產(chǎn)生的水就是廢水。生活污水凈化方式簡單，應(yīng)用膜生物反應(yīng)技術(shù)時可以使用CCAS技術(shù)，發(fā)揮連續(xù)循環(huán)曝氣系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢，凈化水中的洗滌劑。污水處理企業(yè)為了更有效地解決生活污水問題，還應(yīng)將關(guān)注點放在農(nóng)村地區(qū)的污水處理上，這是因為農(nóng)村無法集中處理生活污水，也不能集中修建排水設(shè)施。依靠膜生物反應(yīng)技術(shù)建立小型凈水器，可有效處理生活廢水，減小設(shè)備占地面積，降低生產(chǎn)投資成本。經(jīng)過膜生物反應(yīng)處理后的生活污水能夠循環(huán)利用，可用于市政道路清洗、植物灌溉、洗車等方面。

依靠膜生物反應(yīng)技術(shù)處理糞便污水。實際上，糞便污水也是生活污水的一部分，但不能與生活污水混合處理，這是因為糞便污水中擁有較高含量的有機物和致病菌，糞便污水可以作為農(nóng)業(yè)肥料，經(jīng)過腐熟后用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著化肥的普遍使用，糞便污水利用率不斷下降，大量污水的排放成為導(dǎo)致水源污染的關(guān)鍵因素。采用膜生物反應(yīng)技術(shù)，依靠好氧環(huán)境和高濃度污泥，去除高濃度有機物，使糞便污水最終被有效處理[4]。

4.3 處理醫(yī)院污水

醫(yī)院日常經(jīng)營與管理產(chǎn)生的污水毒性較大，處理污水之前必須做好污水的消毒處理，降低水體毒性。需將醫(yī)院污水停留5小時，使其出水氨氮含量被控制在4 ml/L左右，出水COD的含量被控制在50 ml/L左右。通過這種處理方式不僅可以提高醫(yī)院廢水處理效率，還能保障出水水質(zhì)。

應(yīng)用膜生物反應(yīng)技術(shù)滯留硝化細菌，使污水水質(zhì)得到凈化。硝化細菌是一種對生長環(huán)境沒有要求的自養(yǎng)細菌，對水質(zhì)凈化有著較強的作用。應(yīng)用膜生物反應(yīng)技術(shù)的同時，還需要在污水設(shè)備內(nèi)滯留硝化細菌，控制其濃度，確保污水處理效果達到最佳預(yù)期。與此同時，應(yīng)用膜生物技術(shù)可提高活性泥的濃度，使污水處理與活性泥濃度時刻保持正向關(guān)系。如果活性泥的厚度提高，醫(yī)院污水的處理效果也就越好，特別是針對有機廢水，膜生物反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地減少水體內(nèi)懸浮顆粒的含量，從而縮小污泥處理空間。

4.4 處理垃圾填埋場滲濾液

垃圾場內(nèi)如果隨意堆放垃圾，在降雨或者垃圾分解的情況下，將會產(chǎn)生滲濾液，其中含有大量的重金屬和有機物，這一系列污染物將會滲入地下水系，給地下水造成污染，同時污染土壤環(huán)境。通過膜生物反應(yīng)技術(shù)與反滲透技術(shù)的結(jié)合，可以對垃圾填埋場中的滲濾液進行綜合處理，在降低其中有機物含量的同時，去除養(yǎng)分，減少重金屬的含量，使?jié)B濾液最終可以達到排放標(biāo)準[5]。

5 膜污染的有效防治措施

關(guān)于膜污染的影響因素，大致包含以下幾點：（1）膜的性質(zhì)。膜污染會受到混合液的影響，由于膜具有親水性特點，材料的防污水平不同，最終污水處理的效果也會不一樣。（2）污泥混合液性質(zhì)。混合液中如果污泥濃度較高，其固液分離效果將會受到影響，污泥顆粒與阻力關(guān)系密切，顆粒較大時，阻力也會較大。（3）操作條件，即所施加壓力的大小和溫度變化情況。溫度變化將會影響?zhàn)ひ旱恼扯龋瑴囟壬邥r，粘度變小，所以生物膜的通透性更強。

膜污染的有效防治措施包括以下幾點：（1）提高膜的抗污染能力。科學(xué)選擇膜，充分了解膜的親水性和空隙率，選擇性能最佳的膜，在提高膜抗污染能力的同時，延長膜的使用壽命。（2）加強對膜的管理。當(dāng)前市面上應(yīng)用最廣泛的是高分子有機材質(zhì)固相非對稱膜。常見的膜組件有板框式膜和螺旋卷式膜，應(yīng)根據(jù)實際工藝需求考慮生產(chǎn)成本，盡可能地提高膜的使用壽命，使膜生物反應(yīng)器內(nèi)的水流自然順暢，降低膜的污染程度，減少能源的消耗，提高對工業(yè)廢水和生活污水的處理效率。（3）改善混合液特性，這是因為混合液特性將會直接對膜污染處理效果產(chǎn)生影響。應(yīng)用預(yù)處理組件調(diào)整污泥性質(zhì)，降低膜污染。使用PAC顆粒，依靠顆粒的吸附能力，使污泥可濾性顯著提升。（4）優(yōu)化膜的分離條件，改善其操作條件，強化工業(yè)廢水與生活污水的處理效果，解決膜污染問題。在過濾工序上，要采用多種過濾方法，并依據(jù)廢水的組成情況選擇過濾方法，或者組合應(yīng)用過濾方式，使污水過濾效果達到預(yù)期目標(biāo)。（5）優(yōu)化膜生物反應(yīng)器與膜組件的構(gòu)成。污水中的雜質(zhì)成分過多，不同地區(qū)、不同類型的污水會產(chǎn)生不同的膜污染問題，建議以膜生物反應(yīng)技術(shù)的使用為基礎(chǔ)，不斷對技術(shù)進行創(chuàng)新，推進污水處理系統(tǒng)的升級改造，優(yōu)化膜生物反應(yīng)器和膜組件的構(gòu)成情況，以便針對實際問題提出可行性較高的解決方案。

作為全新的生物技術(shù)，膜生物反應(yīng)器擁有廣闊的市場發(fā)展空間，隨著膜生物處理技術(shù)的普及應(yīng)用，污水處理的同時也能夠去除細菌，降低對污泥沉降性的依賴程度。

6 總結(jié)

總之，雖然當(dāng)前全球范圍內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢良好，人們的生活水平顯著提升，但水資源污染及短缺問題依然嚴峻，污水處理不當(dāng)將會造成水污染。膜生物反應(yīng)技術(shù)就是依靠膜的技術(shù)優(yōu)勢建立污水處理系統(tǒng)，使工業(yè)廢水和生活污水處理起來更加科學(xué)有效，并能夠提高水資源的利用率。