环境工程污水处理中膜生物反应技术分析

2023-01-06肖颂娜林保红

皮革制作与环保科技 2022年2期

肖颂娜，林保红

(1.山西科技学院，山西晋城 048011；2.华阳集团碳基合成新材料有限责任公司，山西太原 030000)

城市化发展进程下，人们面临着环境污染持续加重的问题，其中以污水问题最为重要。污水主要分为工业污水与生活废水两种，合理控制水污染至关重要。当前膜生物反应技术在污水处理中的作用逐渐凸显，不仅如此，在应用膜生物反应技术时，所用到的装置与设备无需占用过大面积，即使是小型污水处理厂也能安装膜生物反应器，且系统操作性较强，能够有效提高处理效率。

1 膜生物反应技术的研发背景

现阶段我国城市发展进程较快，社会发展依然无法解决水资源稀缺的现状。人们的生产与生活对水资源的需求持续加大，人们在使用水资源的过程中将会产生大量污水，一旦处理不当，这些污水被直接排放到自然环境中，将对生态环境造成影响。英国十九世纪末期没有处理好污水，导致泰晤士河被严重污染，可见污水处理是生态环境工程建设的一项重要内容。最初，人们采用活性污泥法处理污水，但是该方法操作难度比较大，设备占地面积大，无法大范围推广使用。随着社会的发展，污水排放量持续加大，传统活性污泥法已经无法高效处理污水，人们必须寻找一种处理效果好且效率高的方法，此时膜生物反应技术问世[1]。

膜生物反应技术就是通过膜分离与生物技术的融合形成的新型污水处理方式。以膜分离代替活性污泥法，改变以往的二沉池处理方式，发挥膜生物反应器的应用效果，从而实现废水的固液分离，再通过微生物与污水内的有机物发生化学反应，降低有机物含量，经过过滤操作使水体浑浊度下降，从而达到污水净化的目的。因为生物膜在反应器内的位置不同，所以反应器也会有着不同的类型，具体如下：首先，一体式反应器。这种装置主要将膜组件安装在设备内部，不需要安装混合液循环系统，设备能耗低且占地小，但膜通量小，容易引发膜污染现象，工艺技术维护成本较高。其次，分离式反应器，即膜组件与反应器需要分开安装，安装混合液循环系统。当污水经过生物膜的时候，液体会随着截流物质进入设备内部，防止微生物大量流失，该技术运行稳定，膜组件拆卸方便，容易清洗，但混合液循环容易给微生物带来损坏，降低其活性，对污水处理效果产生不利影响。最后，复合式膜生物反应器，该设备可以与其他技术同时应用。

2 膜生物反应技术类型

2.1 连续循环曝气系统

作为膜生物反应技术最重要的一项，连续循环曝气系统（CCAS）工艺的应用可以有效提高污水处理效果，并从根源解决污染问题，降低污染物含量，提高水体的净化程度。CCAS技术主要是在序列间歇式活性污泥技术（SBR）的基础上进行的工艺改进，不仅使工艺方式得到改进，也对连续进水间隙做出了调整，使出水方式主要分为间隙进水与排水两种，同时增加了污泥回流，对曝气鼓风量进行了有效控制，膜组件可直接放置于生物处理池中，对废水进行过滤分离，进而达到分离、浓缩、净化的目的。此外，CCAS保留SBR静态沉淀与出水SS低的优势，构造了厌氧区，使污水除磷效果更加稳定。

2.2 曝气生物滤池技术

该技术融合了膜生物反应与生物滤池，使污水处理效果达到最佳状态。生物滤池中不仅有生物滤料层，还有曝气与布水布气系统，微生物膜的使用可以去除溶解性有机物，单孔膜空气扩散器的应用可以提高系统运行效率，保障系统的运行安全。以膜生物技术升级为基础，将生物滤池、分离反应器进行综合应用，降低了污染物数量。但是该技术在应用时会产生较大负荷，为保障污水处理效果，建议采取膜污染防治措施[2]。

2.3 动态内循环系统

为了使膜生物反应技术能够在污水处理期间发挥最佳效果，就要做好循环系统的升级与管理。当前污水的膜处理使内循环系统效果不理想，无法发挥膜生物反应器的实际作用。动态内循环技术的应用可以改善污水处理时系统内部水流动情况，促使污水的循环流动，并与系统内的污泥多次且充分地接触，提高过滤水平。不仅如此，动态内循环系统造价低，可以降低生产成本。通过对系统进行不断改良，可以解决以往系统内的错流问题，使污水净化效果更加明显。该技术在应用时需要对反应器加以改造，使用微网材料制作生物膜，购置渠道简单，对于系统中的活性污泥，动态内循环系统采取过滤方式，使污泥的处理效果更好，同时还能实现对污水的循环应用。

2.4 组合式污水处理技术

由于污水的来源不同，污水内的杂质也会明显不同，单纯地依靠现有的技术是难以完成对所有类型污水的处理。因此在处理污水时应组合多种处理技术，比如在应用膜生物反应技术时，可依靠技术的优势制造污水净化设备。组合式污水处理技术主要是在处理污水期间，将多种技术充分结合，重新构造出新的处理技术，但不同技术的侧重点有所差异，膜生物反应器（MBR）技术以过滤悬浮物、处理有机污染源为侧重点；厌氧反应器（EGSB）技术以降解有毒物质为侧重点。将MBR技术与EGSB技术结合在一起能够有效处理不同来源的污水，在提高污水净化效率的同时，实现对水污染的有效治理[3]。

3 膜生物反应技术的优缺点分析

3.1 优点分析

与传统活性污泥法相比，膜生物反应技术能够将污水中的水与有机物高效分离。综合分析膜生物反应技术的应用优势，主要体现为以下几点：（1）解决污泥的沉降问题，使污泥的产出量下降。相比之下，使用活性污泥法污泥时的产泥率较高，所以应用膜生物反应方式后可以解决该问题，并使净化后的水质达到最佳，在降低水体浊度的同时提高了污水资源的利用率，为水资源的节约利用提供帮助。（2）加速水和微生物的分离效果，也使污水净化操作更灵活。膜生物反应技术改变了传统的三级处理模式，只需要使用一体化处理系统即可完成所有工作，减小了处理的规模，节约了土地资源，降低了设备投资。不仅如此，设备的平均使用寿命较长，维护起来更加便捷。（3）系统传氧效率稳定。与其他物质的材料相比，生物膜拥有更强的透气性，传质阻力很小，在污水处理过程中，生物膜材料不会受到任何影响，可以保障系统的传氧效率。

3.2 缺点分析

生物膜反应技术的推广还面临着一定阻碍，虽然污水处理厂开始根据自身发展情况引进了先进的处理技术，购置了先进的设备，试图加强对膜生物反应技术的了解，掌握技术要点，解决以往污水处理存在的问题，这无形中加大了对技术引进的投资，但依然无法使技术的使用效果发挥到最佳状态。该技术可以与生物技术进行高效联合，使污水处理厂在关注技术使用要点的同时，还要把握当前微生物的存在条件，了解微生物的活性。该项工作对于企业来说难度较大。微生物只有保持最大活性，才能更好地生存，而中小型污水处理企业难以做好以上工作，甚至有可能引发膜污染现象，使生物膜的使用寿命降低，企业不得不频繁更换生物膜，加大了对膜生物反应器的维护成本。在污水净化期间，生物膜污染是无法避免的，所以企业应加强对生物膜的深入研究，使其能够在污染的状态下依然能够发挥污水处理效果，使污水最终能够达标排放，延长设备的使用寿命。

4 膜生物反应技术的具体应用

4.1 处理工业废水

工业生产过程中需要消耗大量水源，生产后企业会产出较多的工业废水。随着工业废水污染程度的提高，废水对环境的污染影响持续加大，并严重危害到人体健康。工业废水的成分十分复杂，净化难度较大，但是各个城市工业生产较为集聚，一个区域一般只会产生一种废水，或者废水的成分相差不大。比如生产电动车电池，废水处理时应根据工业区的实际情况，构建膜生物反应系统，关注对微生物的合理选择。根据废水水温和气温条件选择微生物，同时关注废水的酸碱情况，部分微生物在酸性环境下拥有较高的活性，也有的微生物在碱性环境下活性较高。为了实现最佳的污水处理效果，应按照膜生物反应技术的使用现状构建污水处理系统。

化工生产、纺织生产、皮革生产甚至石油开采产生的废水都属于工业废水，在处理这些废水时，应用膜生物反应技术，可以使水体中的油与水高效分离。以实际案例为主，在处理工厂印染废水的时候，以去除水体中的COD为目标，调整水体pH值，使水的酸碱值保持在8左右。融合MBR与EGSB技术，对造纸厂的水解预酸化池出水进行净化处理，制作EGSB反应器，并采取重铬酸钾快速法，配合DO仪完成脱氮除磷，去除废水中的金属离子，再将废水高效回收并二次利用，可提高造纸生产企业的经济效益与生态效益。机械制造企业生产排放的废水中含有大量的金属离子，依靠膜生物反应技术能够减少金属离子的含量，去除水体内有毒有害物质，保障出水质量。

4.2 处理生活污水

与工业废水相比，生活污水的成分较为简单，居民日常生活用水对生态环境的破坏影响相对较小，但这并不代表可以随意排放污水。所以生活污水的处理至关重要，居民日常洗衣服用的洗衣液、洗澡用的沐浴露和牙膏，这些物品成分进入水体中产生的水就是废水。生活污水净化方式简单，应用膜生物反应技术时可以使用CCAS技术，发挥连续循环曝气系统的应用优势，净化水中的洗涤剂。污水处理企业为了更有效地解决生活污水问题，还应将关注点放在农村地区的污水处理上，这是因为农村无法集中处理生活污水，也不能集中修建排水设施。依靠膜生物反应技术建立小型净水器，可有效处理生活废水，减小设备占地面积，降低生产投资成本。经过膜生物反应处理后的生活污水能够循环利用，可用于市政道路清洗、植物灌溉、洗车等方面。

依靠膜生物反应技术处理粪便污水。实际上，粪便污水也是生活污水的一部分，但不能与生活污水混合处理，这是因为粪便污水中拥有较高含量的有机物和致病菌，粪便污水可以作为农业肥料，经过腐熟后用于农业生产。随着化肥的普遍使用，粪便污水利用率不断下降，大量污水的排放成为导致水源污染的关键因素。采用膜生物反应技术，依靠好氧环境和高浓度污泥，去除高浓度有机物，使粪便污水最终被有效处理[4]。

4.3 处理医院污水

医院日常经营与管理产生的污水毒性较大，处理污水之前必须做好污水的消毒处理，降低水体毒性。需将医院污水停留5小时，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。通过这种处理方式不仅可以提高医院废水处理效率，还能保障出水水质。

应用膜生物反应技术滞留硝化细菌，使污水水质得到净化。硝化细菌是一种对生长环境没有要求的自养细菌，对水质净化有着较强的作用。应用膜生物反应技术的同时，还需要在污水设备内滞留硝化细菌，控制其浓度，确保污水处理效果达到最佳预期。与此同时，应用膜生物技术可提高活性泥的浓度，使污水处理与活性泥浓度时刻保持正向关系。如果活性泥的厚度提高，医院污水的处理效果也就越好，特别是针对有机废水，膜生物反应技术的应用能够有效地减少水体内悬浮颗粒的含量，从而缩小污泥处理空间。

4.4 处理垃圾填埋场渗滤液

垃圾场内如果随意堆放垃圾，在降雨或者垃圾分解的情况下，将会产生渗滤液，其中含有大量的重金属和有机物，这一系列污染物将会渗入地下水系，给地下水造成污染，同时污染土壤环境。通过膜生物反应技术与反渗透技术的结合，可以对垃圾填埋场中的渗滤液进行综合处理，在降低其中有机物含量的同时，去除养分，减少重金属的含量，使渗滤液最终可以达到排放标准[5]。

5 膜污染的有效防治措施

关于膜污染的影响因素，大致包含以下几点：（1）膜的性质。膜污染会受到混合液的影响，由于膜具有亲水性特点，材料的防污水平不同，最终污水处理的效果也会不一样。（2）污泥混合液性质。混合液中如果污泥浓度较高，其固液分离效果将会受到影响，污泥颗粒与阻力关系密切，颗粒较大时，阻力也会较大。（3）操作条件，即所施加压力的大小和温度变化情况。温度变化将会影响黏液的粘度，温度升高时，粘度变小，所以生物膜的通透性更强。

膜污染的有效防治措施包括以下几点：（1）提高膜的抗污染能力。科学选择膜，充分了解膜的亲水性和空隙率，选择性能最佳的膜，在提高膜抗污染能力的同时，延长膜的使用寿命。（2）加强对膜的管理。当前市面上应用最广泛的是高分子有机材质固相非对称膜。常见的膜组件有板框式膜和螺旋卷式膜，应根据实际工艺需求考虑生产成本，尽可能地提高膜的使用寿命，使膜生物反应器内的水流自然顺畅，降低膜的污染程度，减少能源的消耗，提高对工业废水和生活污水的处理效率。（3）改善混合液特性，这是因为混合液特性将会直接对膜污染处理效果产生影响。应用预处理组件调整污泥性质，降低膜污染。使用PAC颗粒，依靠颗粒的吸附能力，使污泥可滤性显著提升。（4）优化膜的分离条件，改善其操作条件，强化工业废水与生活污水的处理效果，解决膜污染问题。在过滤工序上，要采用多种过滤方法，并依据废水的组成情况选择过滤方法，或者组合应用过滤方式，使污水过滤效果达到预期目标。（5）优化膜生物反应器与膜组件的构成。污水中的杂质成分过多，不同地区、不同类型的污水会产生不同的膜污染问题，建议以膜生物反应技术的使用为基础，不断对技术进行创新，推进污水处理系统的升级改造，优化膜生物反应器和膜组件的构成情况，以便针对实际问题提出可行性较高的解决方案。

作为全新的生物技术，膜生物反应器拥有广阔的市场发展空间，随着膜生物处理技术的普及应用，污水处理的同时也能够去除细菌，降低对污泥沉降性的依赖程度。