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膜生物反应器在高氨氮废水处理中的应用

                            膜生物反应器在高氨氮废水处理中的应用
                                     崔雪燕,李 琛
                    (陕西理工学院 化学与环境科学学院,陕西 汉中 723001)
    摘 要: 膜生物反应器作为一种新兴的污水处理技术与工艺,其研究与应用受到了社会各界的广泛关注。文章综述了高氨氮废水的特点、危害,简要介绍了膜生物反应器的特点及各国学者将其应用在废水处理中的研究成果,指出了膜生物反应器的不足和应对策略,展望了未来膜生物反应技术在我国的发展前景。
    关键词:高氨氮废水;膜 生物反应器;膜污染
    中图分类号:X 703 文献标识码:A 文章编号:1671-9905(2014)01-0047-04
    我国是一个人口众多的农业大国,水资源不丰富,再加上近年来不断出现的水污染问题,解决水资源短缺问题更是迫在眉睫。而在我们的实际生活中,氨氮废水污染在水污染问题中占据着相当重要的地位。由于高浓度的氨氮废水成分复杂,不但含有酚类、单环及多环的芳香族化合物,还含有许多难以被微生物降解或有生物毒性的化合物,因此处理起来难度相对较大,尤其是氨氮的去除达标是处理此类污水的关键。由于高浓度氨氮废水对环境危害大,并难以处理,因此高浓度氨氮废水处理技术一直是国内外水处理的焦点。在下文中将主要介绍膜生物反应器对氨氮废水的处理。
    1· 高氨氮废水的来源、特性及危害
    1.1 氨氮废水的来源
    高氨氮废水主要来源于钢铁、炼油、化肥、无机化工、铁合金、 玻璃制造、饲料生产等工业废水的排放。此外,皮革、孵化和动物排泄物等新鲜废水中氨氮的初始浓度虽不高,但是由于废水中存在有机氮的脱氨基反应,在废水积存的过程中氨氮的浓度会迅速地升高[1]。
    1.2 氨氮废水的特性
    氨氮主要是通过含有氨氮的有机物经氨化作用转化而来的,它的去除既可以通过加入碱使之分解变成氨气,也可以通过硝化、反硝化作用使之变成氮气而去除。
    1.3 氨氮的危害
    (1) 对人体的危害:氨氮在水体中经过硝化作用产生硝酸盐和亚硝酸盐,对饮用水带来很大的危害,长期饮用这类水会诱发高铁血红蛋白症状和癌症,而水体中的分子氨可以经过渗透作用进入生物体内,将血红蛋白中的Fe2+ 氧化成Fe3+,从而降低血浆的负氧能力。
    (2) 对水生生物的危害:氨可以影响水生生物的神经系统和肝肾系统,严重时发生肝昏迷以致死亡,急性氨氮中毒的水生生物表现为亢奋、抽搐,严重时会死亡[2]。
    (3) 对水体的危害:废水中所含的氨氮具有很高的耗氧量,是导致水体富营养化的主要因素,会对水体中的鱼类等直接产生毒害作用,甚至会激发它们的熵变[3]。高浓度的氨氮还会引起水体中的藻类及其他的微生物大量繁殖,水体中的生物量达到一定的数量时,会导致水体中的溶解氧急剧下降,水生生物大量死亡,从而导致水质迅速下降。
    2· 膜生物反应器在高氨氮废水处理中的应用
    2.1 膜生物反应器的概况
    膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)是膜分离技术和生物反应器相结合的新技术,MBR 膜反应技术具有较高的反应转化率和转化速度,与它能够将产物或副产物从反应区连续地分离出来,打破反应的平衡这一原因有关。MBR 最早被应用于微生物发酵工业,后来又被应用于生活污水的处理,到了20 世纪90 年代,MBR 的处理对象从生活污水延伸到有机废水和难降解的工业废水。进入水资源紧张、水污染日益严重的新世纪之后,MBR 作为一种高效的水处理技术受到了各国的重视。
    2.2 膜生物反应器的特点[4]
    (1) 可以高效地进行固液分离,分离效果优于传统的沉淀池,出水水质比较好,出水的悬浮物和浊度接近零,可以忽略不计,该水可以直接回用,实现了污水的资源化。(2) 膜具有高效截留作用,使得微生物几乎完全被截留在反应器内,实现了反应器水力停留时间和污泥龄的完全分离,使得运行更加灵活稳定。(3) 反应器内的微生物浓度高,耐冲击负荷。(4) 系统硝化的效率较常规有所提高。(5) 结构紧凑,占地面积小,工艺设备集中,易于一体化自动控制。(6) 膜通量较低,故而易出现膜污染问题,在一定程度上限制了膜生物反应器的应用。
    2.3 膜生物反应器在高氨氮废水中的应用
    2.3.1 MBR 工艺在高氨氮废水处理中的应用
    在黄志金等[5] 的研究中,当控制其他条件不变,仅将DO 的浓度由原来的4.0mg·L-1 或2.0mg·L-1降到0.5mg·L-1 时,氨氮的去除率由原来的99.17%降到48.30%,这一研究结果表明膜生物反应器对氨氮具有较好的去除效果,但是其去除效果受到溶解氧的影响。刘静文等[6] 在pH 为7.45~7.94,水温为12.0~28.1 ℃,COD 为91.18~545.4mg·L-1,氨氮含量为244.3~440.7mg·L-1,SS 为91.0~440.0mg·L-1的实验条件下,采用MBR 工艺处理氨氮废水,得出的结论是:MBR 工艺运行稳定,出水的氨氮平均浓度不大于3mg·L-1,MBR 能够抵抗有机物冲击负荷,氨氮的容积负荷可以达到1110mgNH3-N·(m3·d)-1。Aloui 等[7] 在高氨氮浓度(1000mg·L-1< C < 2800mg·L-1),水力停留时间为2~3d 的条件下,采用MBR 工艺处理老龄垃圾渗滤液,可以使得出水氨氮的浓度降低至100mg·L-1。此外,还有很多研究[7-12] 报道表明采用MBR 处理垃圾滤池液,氨氮去除率不低于90%;采用MBR 对新生和老龄渗滤液进行专门处理之后,氨氮的去除效率可达到100%[13]。利用MBR 工艺处理高氨氮废水除了处理效率高这一优点以外,还具有占地面积小,出水水质好,运行稳定,操作简单,易于自动控制等优点,在生活污水和工业废水处理以及回用领域得到大力推广[14-15]。在膜生物反应器的基础上,杨崇豪等[16] 研究了生物固定化MBR 对高氨氮废水的处理,他们的研究表明,采用普通MBR 处理高氨氮废水时,其对氨氮的去除率不高(低于60%)且波动比较大;采用生物固定化MBR 处理高氨氮废水时,出水氨氮低于10mg·L-1,对氨氮的去除率达90% 以上,且非常稳定。而且经过计算可知,该方案所投加的生物固定化载体成本低,经济效益相对较高,比较具有推行的可行性。
    2.3.2 组合MBR 工艺在高氨氮废水处理中的应用
    在Wang 等[17] 的厌氧- 好氧MBR 中,厌氧反应器对氨氮的去除率介于31% 和43% 之间,好氧反应器对氨氮的去除率介于47% 和64% 之间,该项结果表明,好氧反应器的运行状况对氨氮的去除影响比较大。Shin 等[18] 利用浸没式MBR 和厌氧升流床过滤反应器处理猪场废水,结果对氮和总氮的去除率分别达到99% 和60%。Fan 等[19] 采用带有H 型循环导管气升循环浸没式MBR 处理盥洗废水并利用,结果显示,该方法对氨氮的去除效率高达95%,氨氮得以很好地去除。冯久鸿[20] 采用MBR-BAF 工艺处理采油污水,应用的实际结果是氨氮的去除效率高达90%。李红岩等[21] 在实验条件为pH=7.5~8.0,温度为(20±1)℃,氨氮浓度为2000mg·L-1 的条件下,经过一体化膜生物反应器处理以后,出水的氨氮含量仅为20mg·L-1 左右,氨氮的去除率高达99%。在王之晖等[21] 的研究中,他们采用好氧/ 缺氧+ 膜生物反应器(A/O+MBR)组合工艺处理高氨氮生活污水,结果表明,在进水温度为8.3~23.0℃,氨氮浓度为一般城市综合污水的2 倍的条件下,在A/O 工艺中加入纤毛填料,氨氮的去除率高达97.4%,氨氮可以达到一个比较好的去除效果。李强等[23]也采用了A/O-MBR 工艺处理高氨氮废水,通过控制反应条件,使得温度为25~28℃,7.5 ≤ pH ≤ 8.5,进水氨氮的浓度为120~1500mg·L-1,溶解氧(DO)为2.5mg·L-1 时,对氨氮的去除率可以高达93.2%,而控制其他条件不变,溶解氧的去除率降到1.5mg·L-1时,氨氮的去除率仍可以达到一个较高的水平,去除率为87.5%。
    2.3.3 MBR 应用的工程实例
    桑卫民[24] 在山西晋丰煤化工责任有限公司3652 项目一期工程的研究中,为了处理高氨氮废水,采用缺氧- 好氧+ 生物膜反应器技术相结合,将废水中的氨氮除去了80%,达到了一个很好的处理效果。此外,我国密云污水处理厂再生水厂、北小河污水处理厂、内蒙古金桥污水处理厂等大型MBR污水处理工程均已投入运行[25]。
    3·膜生物反应器(MBR)的不足及解决对策
    3.1 MBR 技术的不足
    MBR 作为水工业发展历程中一项新兴的技术,具有占地面积小、处理效果稳定、启动快、操作简便、温度和酸碱度对脱氨效率影响小等优点;但与此同时,MBR 也面临着严峻的挑战与不足,其不足之处如下:(1)膜材料以及膜工艺问题。我国的MBR 技术的发展相对来说比较晚,在膜材料方面的研究开发技术也较西方落后,国产膜存在不耐高温、易溶涨等问题,这些问题也导致了膜的泡点压力比较低,操作条件不稳定等问题。故而,改进膜制备技术,开发出优质的膜材料是目前亟需解决的一大问题[26]。除此之外,还要积极地寻找廉价的膜材料,降低膜的成本。(2) 膜污染问题。蒋展鹏等[27] 研究发现,由于污泥混合液的成分比较复杂,而膜组件直接与污泥混合液接触,所以膜生物反应器的膜污染情况比一般的膜污染更为严重。在此基础上,L.Defrance 等[28] 认为悬浮物占膜污染的比例是65%、胶体占膜污染的比例是30%,它们是膜污染的最主要因素。(3)膜组件问题。通过优化膜组件的结构、填装长度,提高膜组件的处理效率等,促使膜组件的研究朝处理能力大、低能耗的方向发展[26]。(4)MBR 的经济性问题。与常规的生物处理方法相比,MBR 的运行费用要稍微高一些,为了增强MBR 的竞争性,亟待解决的问题就是降低MBR 的处理成本。(5)膜生物反应器工艺问题。当下,膜生物反应器(MBR)的工艺存在着一些不足与缺陷,为了使MBR 处理效果达到一个更好的效果,当务之急就是优化膜生物反应器工艺及膜生物反应器(MBR)能耗技术的研究。
    3.2 MBR 的应对策略
    在大力提倡环境保护的时代背景下,为了提高MBR 的市场竞争力,除了考虑MBR 的经济效益以外,还需要考虑MBR 是否会对环境造成污染。而在MBR 技术中,膜污染问题是MBR 对环境造成消极影响的一个最主要的因素。应对膜污染问题,主要的策略如下:(1)开发出耐高温、化学稳定性好、耐污染性强、产水性能优、使用寿命长的膜材料[29]。(2)在废水中投加吸附性物质(如活性炭等)吸附悬浮物,将悬浮物的浓度控制在一定的水平,以此防止膜污染。(3)蒋展鹏等提出,在膜污染发生以后,为了防止膜污染继续发展,可以采用“间歇式”的方法对膜进行清除。对于膜清除方案,龚泰石[30] 也提出了自己的观点,认为间歇式方法对膜污染可以有一个很好的控制,但是化学法清除比较困难,是不可行的。
    4 ·展望
    尽管MBR 较其他水处理技术是一种新兴的水处理技术,自身存在着不足与缺陷(运行费用高、易造成膜污染等),但是MBR 膜生物反应器处理技术是一种将膜的高效分离作用与生物降解作用有机地结合在一起的技术,它具有占地面积小、流程简单、出水水质优良、耐冲击负荷等优点,这些优点使得它在水处理中占据着一定的位置[31]。膜生物处理器在污水处理中的研究与应用涉及微生物学、材料学、水力学、经济学和环境学等多门学科,相信在未来,只要国家大力地开展、衔接好学科之间的交流与合作,MBR 技术一定会有飞速的发展,它必将成为我国控制水污染和解决污水回用问题的核心技术。
    参考文献:略


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