MBR在造纸废水处理中应用的研究进展

Posted 2023-01-12 水处理

篇首语：我的知识和成功，全是靠勤奋学习取得的。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了MBR在造纸废水处理中应用的研究进展相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

膜生物反应器是一种新兴的废水处理技术。本文介绍了膜生物反应器在造纸废水处理中的应用优势，并提出存在的问题及其应用前景展望。
随着水资源的13益紧缺和人们环保意识的增强，废水的处理要求日益提高，传统的水处理方法存在着处理装置容积负荷低、占地面积大、出水水质不稳定、管理操作复杂等问题。针对上述问题，各种新型的废水处理技术应运而生，其中最引人注目的是将膜技术应用于废水处理中所形成的膜生物反应器(MembraneBioreactor简称MBR)技术。针对MBR技术的特点，近年来不断有学者将MBR技术引入造纸废水的处理，并取得了一定的成就。
1.MBR形式及特点
1.1膜生物反应器的形式
根据MBR中膜组件与生物反应器的组合方式不同，可将MBR分为内置式和外置式两种类型，见图1、2。

内置式MBR是将膜组件置入反应器内，在泵的负压抽吸作用下滤出液透过膜组件，为减少膜面污染，延长运行周期，一般采用间歇出水方式运行。
外置式MBR是指膜组件与生物反应器分开设置，反应器内混合液通过泵进入膜组件，在压力作?a href='http://www.baiven.com/baike/224/271348.html' target='_blank' style='color:#136ec2'>孟禄旌弦郝顺鲆和腹ぷ榧ㄋ跻涸蚍祷胤从ζ鳌?BR> 膜组件的形式可分为中空纤维式、平板式、管式、螺旋式等。在外置式MBR中，平板式、管式应用较多；在内置式MBR中，多采用中空纤维膜和平板膜。目前在全球能源危机的大背景下，内置式MBR的研究和应用远超过了外置式MBR(内置式MBR占65%、外置式MBR占35%)。
1.2MBR的特点
MBR可在紧凑的空间内同时实现微生物对污染物质的降解和膜对污染物质的分离，而降解与分离之间又存在着协同作用，是一种高效、实用的污水处理技术，该工艺具有出水水质好、运行维护简单、结构紧凑、占地面积少等优点，在水资源日趋紧张的现实条件下，在污水处理及回用方面有着非常广阔的应用前景。
MBR工艺具有以下特点：
(1)MBR与传统污水处理工艺相比，最大的区别是使用膜组件替代了沉淀池，泥水混合液采用膜过滤出水方式，可以大幅降低出水中的悬浮物。
(2)膜的高效截留作用可防止各种有效微生物菌群的流失，高浓度微生物有利于有机污染物的彻底降解，并且解决了污泥膨胀的问题。
(3)MBR工艺使用了标准化、系列化的膜组件(膜块)设计。MBR的自动化程度高，易于实现从进水到出水的全程自动控制，保证系统的稳定运行。
(4)产生剩余污泥量少。因SRT较长，污泥性质较为稳定，MBR工艺产生的剩余污泥量大大减少，排放量比传统工艺减少2/3，明显降低了污泥处理费用和二次污染威胁。
2.MBR处理造纸废水的研究
目前国内大部分造纸厂采用碱法制浆，而碱法制浆所产生的“黑液"污染最为严重，占整个造纸行业污染的90%，产生“黑液"的主要成分是木质素和碳水化合物的降解产物等，其次“黑液"提取后浆料在洗涤筛选和漂白过程中排出的废水成分与制浆废水相近但浓度低，而且富含漂白阶段产生的对环境危害大的氯苯酚、氯化脂肪酸等有机氯化物，不同工段产生的主要污染物大相径庭，所以一般分别采用不同的处理工艺，而MBR技术由于它工艺上的优势和特点逐渐被引入不同工段的造纸废水处理中。
2.1国外研究进展
上世纪60年代美国开始了其在废水领域的应用研究，最初主要用于处理生活污水。70年代后日本等国对膜分离技术进行了大力开发和研究，在90年代，国外在MBR处理效果与运行稳定性方面已具备了一定的理论基础，从此国外开始逐步将MBR技术应用到废水处理工程中。
Broch等采用了移动床膜生物反应器处理新闻纸厂的生产废水，当水力停留时间为4～5h时，COD和BOD去除率分别达到65%～75%和85%一95%，在适当延长水力停留时间的条件下，COD和BOD的去除率可分别提高到80%和96%。Du～esn.R等分别采用MBR与传统的活性污泥法处理制浆废液，结果表明：MBR法比活性污泥法更能有效地去除浆料中的COD及固体悬浮物，二者去除率分别为99%和88.6%～90.0%。
VanDijk、L.等人研究一种耐热膜生物反应器并成功应用于荷兰、德国的3个不同造纸厂，能有效地去除废水中的胶状物和高分子溶解物；LeonJoore等人对膜生物反应技术处理造纸废水进行的研究表明：在COD负荷为0.5kgCOD/(kgVSS.d)、溶解氧浓度大于2mg/L、反应器中的pH值为7.9、反应温度为53℃时，COD含量由700mg/L下降至30.0mg/L。
NicoWo～el等人对膜生物反应技术在处理造纸废水过程中的膜分离操作条件如操作压力、膜种类、流量、温度等进行了初步优化研究。结果表明：在操作压力为0.15MPa、流量在2～4m/s之间时处理效果都可以，当流量为3.5m/s时，膜通量可达100L/(m.h)。对于特定条件下的膜污染机理、膜污染的预防和清洗等，文中没有涉及，还有待进一步的研究。
2.2国内研究进展
在上世纪90年代，国内开展了MBR工艺的相关研究，近些年来才逐渐被引入到造纸工业废水处理中。如今，MBR工艺在中国开始逐渐得到广泛的应用，实践证明，MBR不仅能有效处理生活污水和工业废水，而且对于一些高浓度有机废水和难降解工业废水，如造纸废水、印染废水、化工废水及制药废水、垃圾渗滤液等的处理，更是具有其独特的优势。
刘锐等对MBR法与传统活性污泥工艺进行了比较研究。结果表明，MBR法较活性污泥法具有更强的有机物去除能力(COD去除率达85%以上)和更为稳定良好的出水水质，透明，无色，排放达到国家指标。韩怀芬等使用MBR处理造纸综合废水(黑液中段废水和白水的混合液)并与传统的活性污泥法与生物接触氧化法进行比较。
实验结果表明，用MBR处理造纸废水，通过增加污泥浓度，在HRT为18h的条件下，出水COD可以降低到100mg/L以下，整个反应器的总去除率最高可达90%以上。而与之相对应的活性污泥法和接触氧化法控制HRT近40h后，出水COD还是达不到MBR的出水效果，分别为149.3mg/L和197.3mg/L。这充分说明了MBR对难降解废水的处理效果比活性污泥法和生物接触氧化法要好得多。
金漫彤等采用中空纤维膜生物反应器处理造纸废水的试验结果表明：MBR在处理造纸废水这种难降解有机废水方面有其明显的优势，废水的COD去除率较高，可达到85%以上，处理后的水可回用，出水稳定性较好。2009年，王庆等钊采用移动床生物膜反应器(MBBR)深度处理造纸中段废水，结果表明：MBBR工艺可进一步削减经过生化处理的中段废水中的有机污染物，运行稳定且处理效果良好。胡维超针对造纸行业的中段废水和白水的特点，分别采用浸没式与外置式膜生物反应器来处理造纸废水，结果表明：在相同原水和条件下，浸没式MBR系统运行更加稳定可靠，出水水质也明显优于外置式MBR。浸没式膜生物反应器系统COD去除率可稳定在90%～95%，而外置式在运行期间则存在较多问题，并且能耗较高。
马春明等采用中试规模的MBR系统对某造纸厂的造纸废水进行了处理，研究了MBR处理造纸废水的效果，并与造纸厂原有污水处理系统进行了对比。实验结果表明，在同样的进水条件下，MBR出水水质明显好于原有系统二沉池出水水质。在污泥浓度9000mg/L、水力停留时间22h的条件下，MBR出水COD平均66.4mg/L，COD去除率达94.6%。
3.MBR组合工艺处理造纸废水的研究进展
从实际研究结果可以看出，膜生物反应器在COD和色度去除方面有较大的优势，同时还具有较强的抗冲击负荷的能力，因此能够有效处理造纸废水。但也有一些问题在一定程度上制约了MBR的应用与发展，如能耗高、投资大、易引起膜污染等。另外，造纸废水中含有难生物降解的有机物，在运行过程中容易引起膜污染，造成膜通量下降，影响反应器的处理效果。在这种情况下，研究者开始将MBR与其他处理工艺有效结合起来处理造纸废水，这样既可以减小能耗、减缓膜污染，还可以提高系统的处理效果，以满足日益提高的环保要求，并且实现废水的高效处理及回收利用的目标。
张苗等采用混凝协同好氧生物膜技术深度处理造纸废水，结果表明：以氯化铁为絮凝剂协同好氧生物膜技术效果最为显著，色度去除率高达69.3%，且各项指标均超过一级排放标准，出水可回用。胡维超等采用浸没式MBR作为反渗透进水前的预处理系统，初步进行了浸没式MBR处理后出水满足RO系统进水条件的可行性研究。
在浸没式MBR与反渗透组合处理造纸中段废水和白水的实验中，结果表明：浸没式MBR出水SDI值稳定在3以内，可以满足后续反渗透组件稳定运行的要求，并且在原水COD值为1500mg/L的情况下，最后RO系统出水COD可降至10mg/L。朱殿林等采用电解一MBR组合工艺处理造纸废水，利用电解产生的自由基、过氧化氢和氢氧化物的絮凝等物质将废水中难降解的有机物吸附去除，从而有效降低COD并提高废水可生化性，实验结果表明：处理后出水COD降至80mg/L左右，色度降至4O倍，去除率分别达到95%和75%。而单独采用MBR工艺处理后出水COD和色度分别为200mg/L和140倍。
高永等利用光催化氧化一MBR的组合工艺处理难降解有机废水，结果表明：经组合工艺处理，废水COD、浊度、色度降解率分别达到93.5%、99.9%和98.9%。还有研究表明，采用水解酸化一MBR工艺可有效去除有机物及色度，这是由于水解酸化将有机大分子化合物降解成小分子有机物，提高了废水的可生化性，为后续MBR生化处理创造了条件，处理后废水平均脱色率可达到81.58%，COD和氨氮去除率则分别为83.53%和80.39%。很多研究表明，将不同的膜分离技术(如：微滤、超滤、纳滤等)相组合，或者将MBR与其他技术(如催化氧化技术、电化学等)组合已成为造纸废水深度处理的一个重要研究及应用方向。
4.前景展望
膜生物反应器具有无相变、占地面积小、操作灵活等优点，已被广泛地应用于污水处理、中水回用等领域，并已取得良好的效果。造纸废水污染严重，对其有效处理已经成为中国废水处理的一个重要方面。传统的造纸废水处理方法不仅投资高、能耗大，而且很难持续满足国家环保排放的要求。此时，高效的膜生物反应器以其独特的优势应用于造纸废水的处理已引起国内外同行的广泛关注。
膜生物反应器在推广应用过程中还存在着一些不足，如膜初期投资费用较高、操作不当容易引起膜污染等问题。但在水资源日益缺乏的今天，随着膜加工生产技术、工艺优化、过程控制等研究的深入展开，我们坚信MBR必将在中国造纸废水处理领域发挥越来越大的作用，同时带来良好的环境效益、经济效益和社会效益。