污水處理膜分離技術(shù)的研究進展
技術(shù)支持
根據(jù)我國目前的經(jīng)濟發(fā)展情況來看，工業(yè)與生活污水的排放量將逐年增大。由于污水處理能力的不足，僅很少一部分污水得到有效的處理，大部分城市污水與工業(yè)污水經(jīng)簡單處理便直接排入江河，對環(huán)境造成了極為嚴重的危害。同時，我國每年人均占有水量僅為 人均占有量的1/4，加劇了我國的用水矛盾。由此可見，減少污水排放量是緩解我國用水矛盾的有效途徑，探討新的有效污水處理技術(shù)是實現(xiàn)這一目的的重要措施之一。
通常，工業(yè)污水的處理方法可分為：
（1）物理法：沉降、沉淀和過濾等。
（2）化學法：氧化、還原、中和及吸附等。
（3）生物法：好氧性和厭氧性處理。
在生物學處理法中，因利用微生物，故在處理過程的階段，須進行微生物和處理水的固液分離。但該固液分離一直沿用占地面積大、耗時、低效的自然沉降法。近年來，將分離膜引入生物學處理法（活性污泥法）中，形成了新型的污水處理方法——膜分離活性污泥法（MSAS），它包括微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）等膜分離技術(shù)。另外，膜分離技術(shù)以及它與其它技術(shù)的集成技術(shù)將逐步地有針對性地取代目前采用的傳統(tǒng)分離技術(shù)，并對化工、石化、環(huán)保等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。膜分離技術(shù)具有低耗、高效和不產(chǎn)生二次污染的特點，在化工、石化、醫(yī)藥、輕工等能耗較高，污染較重的領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用后，不僅能提高這些相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)裝備水平和產(chǎn)品質(zhì)量，還可以幫其減少污染物的排放，節(jié)能降耗，降低成本。在污水凈化領(lǐng)域中，膜分離技術(shù)的應(yīng)用及基礎(chǔ)研究主要有：
（1）膜的形成、孔徑和膜厚度等材料性能對分離效率的影響。
（2）操作條件，如清洗周期不恰當和雜質(zhì)在膜面上的附著沉積速度過大。
（3）流程設(shè)計，如膜組件前處理不足、清洗效率低下、監(jiān)控手段少和不便于拆卸等措施的進行等。
雖然有關(guān)膜清洗恢復的研究很多，但對連續(xù)運行的污水處理裝置，現(xiàn)有的清洗恢復方法遇到的困難較多。
根據(jù)以上情況，在總結(jié)了水處理膜分離技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展歷史基礎(chǔ)上，本文重點分析了國內(nèi)外污水處理領(lǐng)域的現(xiàn)狀、技術(shù)難點和市場需求，討論了膜分離技術(shù)的機理、特性、分類、膜分離的形式等，并展望了污水處理膜分離技術(shù)的發(fā)展方向。
1 污水處理膜分離技術(shù)國外的進展
自從1748年法國學者Abbe Nollet 提示了膜分離現(xiàn)象。近二、三十年以來，膜分離技術(shù)得到迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了各種有使用價值的MF、UF、NF和RO分離膜等，并在工業(yè)給水處理、純水處理、海水淡化、苦咸水淡化等低濁度水處理中得到推廣和應(yīng)用。近幾年來，膜分離技術(shù)已滲透到高濁度污水處理的領(lǐng)域，并與各種工藝結(jié)合來解決傳統(tǒng)方法難以解決的問題，特別是對于高COD、高SS、有毒難降解有機工業(yè)廢水的處理，在傳統(tǒng)的生物處理法中引進膜分離技術(shù)顯得更為迫切。在高濁度污水處理中，膜組件應(yīng)該具有：膜通量大、抗污染、耐酸堿、耐細菌腐蝕、強度大、不易老化等優(yōu)點。
在污水處理中，美國的Smith于1969年 報道了活性污泥法和超濾結(jié)合處理城市污水的方法。在生活污水的處理中，以超濾膜分離替代二沉池，獲得了 的處理效果，BOD＜1mg/L，COD在20～30mg/L，系統(tǒng)的處理能力為10～100m3/d。1970年英國人Hardt報道了超濾與活性污泥法結(jié)合處理COD為23000mg/L的高濃廢水的研究。1972年Shelf等開始了厭氧型濾膜生物反應(yīng)器的研究工作。Grethlein（1978）利用厭氧消化池結(jié)合膜系統(tǒng)處理生活污水。盡管這些工藝取得了良好的出水水質(zhì)，但由于當時膜技術(shù)發(fā)展相對落后，膜材料種類少，膜價格昂貴，使用壽命短，限制了該工藝的長期穩(wěn)定運行，污水膜生物反應(yīng)器仍處于初期研究階段。
八十年代以后，隨著膜制造技術(shù)的發(fā)展、膜分離工藝研究的完善、膜清洗方法的改進和污水廠出水水質(zhì)要求的提高，膜分離與活性污泥法結(jié)合作為固液分離設(shè)備的研究重新獲得重視，并且得到較廣泛的工程應(yīng)用。污水膜生物反應(yīng)器的研究工作有了很大的進展，特別是在以下幾個方面：
（1）提高膜組件性能，具體為提高膜通量與截留率以及減輕膜污染，為膜組件的連續(xù)操作創(chuàng)造條件。
（2）開拓污水膜生物反應(yīng)器應(yīng)用的新領(lǐng)域，探求可行的工作條件和工藝參數(shù)。
（3）降低污水膜處理工藝的動力損耗，使其成為節(jié)能型新工藝。
（4）探討膜分離阻力、污泥濾餅與膜通量等的機理。
Yamamato等（1989）研究了將中空纖維膜直接浸于曝氣池內(nèi)的一體式膜生物反應(yīng)器，證明了采用間歇抽濾和低壓操作，可在很大程度上防止不可恢復的膜堵塞，并使能耗進一步降低。Yamamato等（1991）還進行了SBR工藝與中空纖維超濾膜組件構(gòu)成的膜生物反應(yīng)器處理制革廢水研究。Wong等（1990）研究了中空纖維膜的物理排列與堵塞的程度關(guān)系。Sato（1991）研究了膜通量與活性污泥濃度、溶解性COD、污泥粘度的動力學關(guān)系。Tonelli（1991）研制了處理汽車制造廠含油污水的膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)。Kolega（1991）等研究了中空纖維微濾系統(tǒng)去除細菌和病毒的能力。Chaize（1991）用完全混合生物反應(yīng)器和板框式膜組件系統(tǒng)處理生活污水，研究了污泥產(chǎn)量、穩(wěn)態(tài)下懸浮固體濃度、SRT和HRT對膜生物反應(yīng)器的影響等。Yuichi等（1992）進行了活性污泥加微濾膜生物反應(yīng)器脫氮的研究。Hogetsu（1992）等進行 固定床厭氧消化器與管式中空纖維膜組件組合處理羊毛清洗廢水的研究。Kiat（1992）等進一步研究了中空纖維膜的纖維間污泥積累機制及其較佳設(shè)計密度。Pillay（1992）等對微濾系統(tǒng)凝膠層形成過程、影響因素、條件控制及模型預測進行了研究。
Krauth（1993）等考察了加壓活性污泥法與超濾膜構(gòu)成膜生物反應(yīng)器。Ayahidenori等（1993）進行了厭氧膜生物反應(yīng)器去除磷酸鹽的研究。Chiemchaisri（1992）等研究了在中空纖維膜下部裝射流曝氣裝置以增加膜通量的濾膜生物反應(yīng)器。Scott（1994）等進行了消除膜污染方法的研究。Ronald（1994）等研究了膜生物反應(yīng)器處理含大量油脂及重金屬的廢水。Hideki（1994）等對厭氧消化器與板框型超濾組件組合處理高濃度有機顆粒廢水進行了試驗。Arai等（1995）評估了中空纖維膜組件對一體式膜分離活性污泥程（SMSAS）的影響。Ueda等（1996）利用中空纖維膜組件進行了處理城市污水一體式膜分離活性污泥法（SMSAS）的工業(yè)化試驗。Zhang（1996）等對膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)活性污泥法，在微生物種群和細菌活性的對比方面進行了研究。Nagaoka（1996）等，對細菌胞外聚合物（EPS）和污泥粘滯度對膜過濾阻力的影響，進行了動力學分析。Choo（1996）等則對厭氧消化液組分對膜滲透性能的影響進行了研究。近年來，國外污水膜生物反應(yīng)器有的已進入實用階段。自1978年以來，如日本已有20多家公司采用膜分離活性污泥過程處理大樓廢水，經(jīng)處理后的水可回用。
2 污水處理膜分離技術(shù)國內(nèi)現(xiàn)狀
近二十年來，國內(nèi)的污水處理技術(shù)有了很大的發(fā)展。以混凝沉淀、氣浮、中和、氧化等為主的物理化學工藝和以厭氧生物法、好氧生物法為主的生物處理工藝得到了普遍應(yīng)用。由于污水性質(zhì)的復雜性，這些常規(guī)技術(shù)遠遠無法滿足污水處理的技術(shù)需求。至于高濃度有機廢水是一種較普遍的點源污染，全國造紙、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行業(yè)每年高濃度有機污水的排放量很大。對這類污水采用常規(guī)活性污泥處理盡管有一定作用，但出水水質(zhì)遠差于 綜合排放標準的要求。此外，為防止污泥流失還需要精心管理，而實際操作人員的素質(zhì)往往難以滿足這方面要求。要解決上述問題，急需開發(fā)一種處理效果好、自動化程度高、管理簡單方便和較經(jīng)濟的污水處理技術(shù)。
國內(nèi)早在70年代末就開始了超濾膜污水處理的研究和應(yīng)用工作，目前超濾膜分離已應(yīng)用于電泳漆廢水、乳化液廢液、羊毛洗滌廢水、印鈔廢水等工程中，如超濾在電泳漆廢水治理中的應(yīng)用，通過超濾膜分離將混有大量重金屬離子雜質(zhì)的電泳漆從廢水中回收出來重新回用。當超濾膜分離用于污水處理時，濃縮液的產(chǎn)生是必然的，根據(jù)環(huán)保法規(guī)，濃縮液必須處理，如果無有用物質(zhì)回收，錯流運行的高能耗往往使膜分離得不償失，由此可見，超濾膜分離在污水處理中的應(yīng)用受到極大限制。為了擴展膜分離的應(yīng)用范圍，解決濃縮液的處理問題是其中的關(guān)鍵之一。
國內(nèi)有關(guān)污水膜生物反應(yīng)器的研究工作起步較晚，近年來許多高等學校和科研院所都已進行了平板超濾膜、管狀膜與活性污泥結(jié)合的膜生物反應(yīng)器處理生活污水和模擬廢水的性能研究。利用不同分離材料的膜，研究膜與傳統(tǒng)的生物法等廢水處理技術(shù)結(jié)合，來解決工業(yè)上高濃度、難降解有機廢水治理問題。這些污水膜生物反應(yīng)器開發(fā)研究雖已取得一定的進步，但與國外水平相比尚存在較大的差距。特別是污水膜生物反應(yīng)器技術(shù)裝備與規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量、應(yīng)用研究與示范裝置開發(fā)等方面差距更大。
3 污水膜分離生物技術(shù)的特點和機理
污水膜分離生物技術(shù)的特點如下：
（1）裝置緊湊：由于省去了活性污泥的沉降槽，且活性污泥的膜分離可在較高濃度下操作，所以污泥濃縮駐留槽及曝氣槽體積小，裝置緊湊。
（2）高濃度污水處理：由于能夠保持曝氣槽內(nèi)活性污泥的高濃度，所以可適應(yīng)高濃度污水。
（3）高品質(zhì)的處理水：由于引入膜分離，所以對SS去除徹底，可得到十分澄清的處理水。同時，對生物分解困難的高分子污染物也能有效去除，處理水的BOD值低。一般不含病菌和病原體，無需消毒，出水中不僅有機物濃度相對較低，而且總氮和總磷的濃度也遠低于傳統(tǒng)生物法。在污水膜生物反應(yīng)器中，微生物的種類、數(shù)量和泥齡等主要是根據(jù)對污染物質(zhì)降解有利與否來控制，一般無需考慮污泥的絮凝沉降性能，這也就使得微生物更加有利于對污染物的降解轉(zhuǎn)化，可獲得更高的去除效率。進水中的大分子、膠體受膜的截留而不斷地流到生物反應(yīng)池，使得這些物質(zhì)在生物反應(yīng)器中停留時間延長，從而為它們的進一步降解創(chuàng)造了條件，尤其是本身可生物降解，但降解速度相對較低的大分子和膠體物質(zhì)。
（4）維護管理容易：傳統(tǒng)的活性污泥法，為了維持良好的處理水質(zhì)，對污泥管理須付注很多勞力和精力。膜分離活性污泥法省去了沉降槽，對污泥濃度管理容易，設(shè)備占地面積小，操作的自動化程度高，管理人員少。
污水膜生物反應(yīng)器是將傳統(tǒng)的生物處理法與膜分離相結(jié)合。它不僅以膜分離取代二沉池，完全去除懸浮固體引起的污染物量，還通過膜分離的作用，將二沉池無法截留的游離細菌和大分子有機物完全阻隔在生物池內(nèi)。因此，它改變了傳統(tǒng)生物處理中污染物的構(gòu)成，使得大分子有機物和膠體明顯上升。當被膜截留污染物的量小于生物分解量時，有機物濃度不出現(xiàn)累積。當被膜截留污染物的量大于生物分解量時，有機污染物濃度會出現(xiàn)明顯累積，這樣一來改變生物反應(yīng)器內(nèi)有機物的構(gòu)成，也改變了微生物生長代謝的環(huán)境，促進了專性分解累積的有機物微生物的繁殖，并逐漸提高生物池內(nèi)相應(yīng)微生物濃度，經(jīng)過一段時間，有機物的累積速度和微生物降解速度達到一個動態(tài)平衡，使得生物池內(nèi)有機物濃度維持在一個高水平上，但不再持續(xù)上升。此外，當被膜截留的污染物質(zhì)為不可生物降解的物質(zhì)時，累積有機物的濃度將穩(wěn)步上升，除非定期排泥，否則，生物系統(tǒng)會遭受致命破壞，而膜水通量也會明顯下降，因而不適宜采用膜生物反應(yīng)器來處理。在污水膜生物技術(shù)中，由于膜分離的對象為微生物的聚集體——活性污泥，不再是經(jīng)過粗過濾的凈水，濃差極化現(xiàn)象的程度將遠超過水處理的膜分離過程。隨著污水膜生物處理時間的延長，膜表面微生物生長或粘附的污泥逐漸增厚而且緊密，具體厚度取決于膜面流速。但是無論厭氧生物工藝還是好氧生物工藝，膜表皮層的污泥始終處于厭氧狀態(tài)，離膜表皮遠的上層污泥則受循環(huán)液的溶解氧濃度影響，有不同的氧濃度分布。從污泥濃度看，由主體循環(huán)液向膜的表面污泥濃度逐漸提高。如條件控制惡化，造成膜表面污泥的流態(tài)發(fā)生突變時，膜表面污泥層的阻力急劇增大，透膜水通量迅速下降。
