處理食品工業(yè)廢水的研究進(jìn)展探析

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摘要:闡述了膜生物反應(yīng)器的工藝特點(diǎn)和國內(nèi)外研究狀況，介紹了近幾年來國內(nèi)外利用膜生物反應(yīng)器處理食品工業(yè)廢水的應(yīng)用實(shí)例。在此基礎(chǔ)上分析膜生物反應(yīng)器存在的問題，對膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于食品工業(yè)廢水處理的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:膜生物反應(yīng)器;廢水;膜污染膜

生物反應(yīng)器(MembraneBio－Reactor，MBR)是一種將膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型高效污水處理工藝［1－2］。通過膜組件的高效分離作用使污泥和水徹底分離，出水水質(zhì)得到優(yōu)化。針對工業(yè)廢水排放量大、CODCr含量高、難降解等特點(diǎn)。MBR以其高效的生物降解能力和良好的出水水質(zhì)，為工業(yè)廢水處理提供了一種有發(fā)展前景的處理技術(shù)，受到了重視。盡管投資成本和膜污染等因素影響MBR技術(shù)的快速推廣，但隨著近年來研究的深入和技術(shù)的成熟，預(yù)計(jì)在未來10年MBR在工業(yè)廢水領(lǐng)域中的應(yīng)用將更加廣泛［3］。本文將對MBR近幾年在工業(yè)廢水中的應(yīng)用及當(dāng)前的研究趨勢進(jìn)行論述，并對出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，對未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

1膜生物反應(yīng)器的特點(diǎn)

膜生物反應(yīng)器具有許多其他生物處理工藝無法比擬的明顯優(yōu)勢，主要特點(diǎn)如下:①裝置更加緊湊，占地面積小。MBR中活性污泥濃度高，因此容積負(fù)荷提高，裝置更加緊湊，此外膜組件替代傳統(tǒng)的二沉池，也縮小了占地面積［4］。②出水水質(zhì)優(yōu)良且穩(wěn)定。能夠高效地進(jìn)行固液分離，出水不受生物反應(yīng)器中污泥膨脹等因素的影響［5］。③MBR有利于增值緩慢的硝化細(xì)菌的截留、生長和繁殖，系統(tǒng)硝化效率高，且污泥濃度(MLSS)較高。④微生物完全截留在反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器水力停留時(shí)間(HRT)和污泥泥齡(STR)的完全分離，使運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定。⑤反應(yīng)器傳質(zhì)效率高，氧轉(zhuǎn)移效率高達(dá)26%～60%。⑥便于維護(hù)管理。相比傳統(tǒng)的活性污泥法，MBR中污泥濃度容易控制，進(jìn)水流量和水質(zhì)變化不大［6］。但膜生物反應(yīng)器曝氣過程等帶來的高能耗，運(yùn)行過程中由于廢水中帶有的污染物和微生物降解產(chǎn)生的胞外聚合物(EPS)等物質(zhì)易產(chǎn)生膜污染，導(dǎo)致跨膜壓差(TMP)升高、產(chǎn)水量降低、運(yùn)行成本昂貴等不利因素一定程度上制約了它在工業(yè)廢水中的應(yīng)用。

2國內(nèi)外膜生物反應(yīng)器研究現(xiàn)狀

國外對MBR實(shí)際應(yīng)用的研究起步較早，1969年，美國首次報(bào)道MBR應(yīng)用于城市生活污水處理，隨后成立的Dorr－Oliver公司開發(fā)研制出第一代商用MBR，并在船舶污水處理中得到應(yīng)用。此后，商用MBR研究更加深入，出現(xiàn)了平板式、中空纖維式和管式膜生物反應(yīng)器。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，膜生物反應(yīng)器廢水處理技術(shù)在發(fā)達(dá)國家迅速發(fā)展，日本投入118億日元，進(jìn)行MBR項(xiàng)目研發(fā)，使得MBR的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。1989年，Yamamoto等人首次提出浸沒式MBR的新工藝，竟而將運(yùn)行成本大大降低。目前，國際上設(shè)計(jì)運(yùn)行能力最大的MBR工程之一，是位于美國華盛頓州KingCounty的使用Ze-non膜組件的Brightwater工程，其設(shè)計(jì)處理量達(dá)到49．5萬m3/d。而到2040年，它的處理量將達(dá)到64．5萬m3/d。表1總結(jié)了國外主要MBR運(yùn)營廠家的各類膜組件及性能參數(shù)。膜生物反應(yīng)器技術(shù)正以每年10．9%的增長速度拓展自身的應(yīng)用領(lǐng)域，2010年，全球MBR市場總產(chǎn)值達(dá)到11．70億美元，按照這一增速2013年將達(dá)到16．0億美元。其中工業(yè)廢水處理所占比率達(dá)到了30%左右，并呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。另外自2008年以來，歐洲市場保持每年新增65個(gè)MBR工程項(xiàng)目［7］。2012年歐洲的MBR工藝裝置有700多個(gè)MBR項(xiàng)目(工業(yè)廢水處理能力＞20m3/d，市政污水處理能力＞500m3/d)啟動(dòng)，其中2/3用于工業(yè)廢水處理。涵蓋了食品、紡織、造紙、制藥、煉油等各個(gè)領(lǐng)域。針對工業(yè)這類高強(qiáng)度的廢水，MBR的成功應(yīng)用，也預(yù)示著MBR技術(shù)已經(jīng)日漸成熟。全球范圍有超過2500個(gè)MBR項(xiàng)目正在運(yùn)行或建設(shè)中，北美地區(qū)已有超過258個(gè)MBR處理系統(tǒng)在建設(shè)中，北美地區(qū)的MBR市場也在不斷增長，其增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水處理工藝中的其他技術(shù)［8］。另外中亞地區(qū)由于特殊的地理因素，對水資源利用率要求高，MBR也得到了廣泛的應(yīng)用。東亞地區(qū)韓國已建有1400多座MBR系統(tǒng)，日本MBR用于工業(yè)廢水處理也達(dá)到200余座。我國關(guān)于膜生物反應(yīng)器的研究起步較晚，但發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，相比于全球膜市場每年10．9%的增速，我國近幾年MBR市場出現(xiàn)翻番的增長趨勢。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國際平均增速［9］。我國第一個(gè)MBR項(xiàng)目是1998年大連大器公司設(shè)計(jì)的200m3/d的市政污水處理與回用工程［9－10］。目前我國最大的MBR工程是北京清河再生水廠二期處理工程，處理量達(dá)到32萬t/d。工業(yè)廢水處理量最大工程是天津空港園區(qū)廢水，處理量為3萬t/d。MBR在我國的應(yīng)用涉及多個(gè)領(lǐng)域，但主要以處理市政污水、高濃度和難處理的工業(yè)廢水為主。除此之外還包括垃圾滲透液、醫(yī)院廢水、餐飲廢水等的處理。表2為MBR技術(shù)在不同領(lǐng)域中所占市場份額。從表2可以看出，城市污水處理與回用占到了57%，說明我國MBR的應(yīng)用主要是在處理此類廢水，技術(shù)也相對成熟。工業(yè)廢水處理領(lǐng)域也占到了41%，大于MBR在國外工業(yè)廢水處理的30%份額。說明MBR在我國工業(yè)廢水中的應(yīng)用前景廣闊。為MBR在工業(yè)廢水中的應(yīng)用可以看到，石化廢水占據(jù)一半的份額。食品加工廢水和化工廢水也各自占到13．9%和16．7%。三者總和占到工業(yè)領(lǐng)域的80%，可見這三個(gè)領(lǐng)域是MBR運(yùn)用最為廣泛的。2004年開始我國開始建造大中型MBR應(yīng)用工程，目前，我國萬噸級(jí)項(xiàng)目超過40多座。而在工業(yè)廢水中的應(yīng)用才剛剛起步，石油化工領(lǐng)域耗水量大，因此率先建造大中型處理規(guī)模，實(shí)現(xiàn)廢水回用和資源化［11］。我國MBR用于工業(yè)廢水處理能力已經(jīng)超過105m3/d，MBR技術(shù)在我國得到了快速的發(fā)展。

3膜生物反應(yīng)器在食品工業(yè)廢水中的應(yīng)用

食品工業(yè)原料廣泛，制品類別繁多，排放的廢水水質(zhì)復(fù)雜，廢水量大，處理難度大。主要來自味精和酒精生產(chǎn)中的廢水以及大豆、谷物、牛乳和飲料加工中的廢水。食品行業(yè)廢水最大的特點(diǎn)是有機(jī)物質(zhì)和懸浮物含量高，易腐敗，且酸堿程度不一，無毒性。其中含有的污染物包括油脂、蛋白質(zhì)、糖類、致病菌毒和氮磷化合物，易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，造成水生生物和魚類的死亡，并引起水中沉積的有機(jī)物產(chǎn)生臭味，惡化水質(zhì)，污染環(huán)境。食品行業(yè)中產(chǎn)生的廢水少部分來自食品生產(chǎn)本身，大部分是食品生產(chǎn)過程中洗滌和浸泡所產(chǎn)生的。食品行業(yè)廢水CODCr一般在300～2000mg/L，NH+4－N在20～600mg/L。我國對于食品廢水的處理起步較晚，以往的食品廢水主要采用活性污泥法，但是受到其降解能力的限制，無法滿足國家排污標(biāo)準(zhǔn)［12］。在20世紀(jì)90年代引入了外置式膜技術(shù)處理食品廢水，隨后傳統(tǒng)活性污泥法與膜技術(shù)的集成工藝MBR因其高效的處理能力和良好的經(jīng)濟(jì)效益，在食品領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。常采用MBR工藝主要包括:UASB－MBR、射流曝氣MBR和多段A/O－MBR等。王蘇南等［13］采用厭氧/缺氧/好氧膜生物反應(yīng)器工藝處理豆制品廢水，CODCr、NH+4－N、TP去除率分別達(dá)到97．06%、97．85%和93．43%。Chen等［14］比較原工藝UASB/CAS和混凝+MBR處理乳制品廢水。結(jié)果顯示，混凝/MBR工藝對濁度、COD的去除率分別為99．9%和99．6%，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于UASB/CAS。表4匯總了近幾年關(guān)于食品工業(yè)廢水處理的相關(guān)實(shí)例，目前，對于食品工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)仍然按照國家頒布的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978－1996)要求。將膜生物反應(yīng)器技術(shù)運(yùn)用到食品廢水的處理，對水質(zhì)中的CODCr去除效果良好，去除率穩(wěn)定在95%以上。由于食品制造加工廠多為中小型企業(yè)，規(guī)模用地有限，采用MBR能有效減少廢水處理裝置的占地面積，由于連續(xù)出水穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，操作方便，為企業(yè)在減少人員上開支。另外，MBR還具備脫氮能力強(qiáng)、菌體截留率高等優(yōu)勢。整體而言，膜生物反應(yīng)器在食品工業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)更將廣泛。

4應(yīng)用中存在的問題及發(fā)展趨勢

4．1膜生物反應(yīng)器應(yīng)用中存在的問題

相對于傳統(tǒng)的污水處理工藝而言，膜生物反應(yīng)器具有出水水質(zhì)好、設(shè)備占地面積小、自動(dòng)化程度高及污泥濃度高等優(yōu)點(diǎn)。但是，不可否認(rèn)，MBR在實(shí)際應(yīng)用中存在一系列的問題使其無法取代傳統(tǒng)的活性污泥法。主要有以下幾個(gè)方面:①膜污染帶來的高費(fèi)用和高能耗［4］。膜生物反應(yīng)器的投資主要來自膜的購置和膜的更換。隨著膜材料成本的降低，膜的購置費(fèi)也大大降低。膜的更換頻率與膜的壽命直接相關(guān)，而膜污染在很大程度上決定了膜的更換頻率，增加了膜的更換次數(shù)。另外，膜污染造成膜通量下降，致使能耗加大，這是造成MBR高能耗的主要原因之一。膜污染和由此帶來的設(shè)備維護(hù)和操作費(fèi)用的提高是制約膜生物反應(yīng)器技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展的主要障礙。②設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用高。較高的能耗是制約MBR廣泛應(yīng)用的主要問題之一。MBR系統(tǒng)的曝氣能耗占MBR運(yùn)行能耗的比例達(dá)70%以上，甚至高達(dá)95%，是MBR運(yùn)行能耗的最主要來源。由于膜生物反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高，生物反應(yīng)和維持污泥懸浮狀態(tài)需要消耗的氧氣量大，其高濃度的污泥環(huán)境下氧的傳質(zhì)效率低。因此如何確定最佳的曝氣量以及提高氧的傳質(zhì)和利用率，對MBR運(yùn)行費(fèi)用的降低有著非常重要的意義。③膜產(chǎn)品規(guī)格不統(tǒng)一、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善、技術(shù)人員缺乏經(jīng)驗(yàn)等問題也阻礙著膜生物反應(yīng)器的進(jìn)一步發(fā)展。上述問題對于MBR而言是客觀存在的，但一些研究正在減小這些問題對MBR的影響。通過膜材料的改性，選用親水性更好和價(jià)格更便宜的材料，減少購置膜方面的費(fèi)用。另外通過對膜組件和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、工藝運(yùn)行條件等參數(shù)的優(yōu)化也能進(jìn)一步減少膜污染［19－21］。利用無泡曝氣裝置，進(jìn)一步提高氧氣利用率，減少能耗，對膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用也起到至關(guān)重要的作用。相信通過研究的深入，制約MBR的問題也會(huì)在不久的將來得到解決，從而成為處理廢水的首選方法。

4．2膜生物反應(yīng)器的發(fā)展趨勢

如今面對水資源匱乏和廢水排放增加的雙重壓力，各國都相應(yīng)出臺(tái)應(yīng)對政策，提高廢水處理標(biāo)準(zhǔn)，減少水資源浪費(fèi)。這些都促使膜生物反應(yīng)器工藝在城市污水和工業(yè)廢水處理領(lǐng)域中得到了更多的應(yīng)用。但MBR仍然存在一些問題，所以在今后的發(fā)展中可以集中在以下幾點(diǎn):①研發(fā)高性能膜材料。增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和延長使用壽命，以此減少更換費(fèi)用。②研究膜污染機(jī)理及防治技術(shù)。了解MBR污染機(jī)理，采取合理的處理手段，減少膜污染帶來的高能耗。研發(fā)出耐污染的高性能膜組件。③預(yù)處理的優(yōu)化。有效地預(yù)處理工藝，不僅可以有效地減少膜污染，降低能耗，而且可以得到更優(yōu)的出水水質(zhì)。④規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。建立一套詳盡的膜生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)，有利于該項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。隨著研究的深入，MBR將在未來替代傳統(tǒng)的生物處理工藝，無需擴(kuò)大占地面積即可增大處理量和提高出水水質(zhì)，必將成為今后人們控制水污染和解決污水回用問題的重要手段之一。

作者:張國宣 褚喜英 師媛媛 侯玉梅 單位:河南金丹乳酸科技股份有限公司