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處理食品工業(yè)廢水的研究進(jìn)展探析

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處理食品工業(yè)廢水的研究進(jìn)展探析

摘要:闡述了膜生物反應(yīng)器的工藝特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外研究狀況,介紹了近幾年來國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)MBR近幾年在工業(yè)廢水中的應(yīng)用及當(dāng)前的研究趨勢(shì)進(jìn)行論述,并對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié),對(duì)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(shì),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(zhǎng)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(guó)內(nèi)外膜生物反應(yīng)器研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)MBR實(shí)際應(yīng)用的研究起步較早,1969年,美國(guó)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(guó)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(guó)際上設(shè)計(jì)運(yùn)行能力最大的MBR工程之一,是位于美國(guó)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(guó)外主要MBR運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)速度拓展自身的應(yīng)用領(lǐng)域,2010年,全球MBR市場(chǎng)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(zhǎng)的趨勢(shì)。另外自2008年以來,歐洲市場(chǎng)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(duì)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(chǎng)也在不斷增長(zhǎng),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(duì)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(guó)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(guó)關(guān)于膜生物反應(yīng)器的研究起步較晚,但發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁,相比于全球膜市場(chǎng)每年10.9%的增速,我國(guó)近幾年MBR市場(chǎng)出現(xiàn)翻番的增長(zhǎng)趨勢(shì)。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)際平均增速[9]。我國(guó)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(guó)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(guó)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(chǎng)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(guó)MBR的應(yīng)用主要是在處理此類廢水,技術(shù)也相對(duì)成熟。工業(yè)廢水處理領(lǐng)域也占到了41%,大于MBR在國(guó)外工業(yè)廢水處理的30%份額。說明MBR在我國(guó)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(guó)開始建造大中型MBR應(yīng)用工程,目前,我國(guó)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(guó)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(guó)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(yíng)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(guó)對(duì)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(guó)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(duì)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(duì)于食品工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)仍然按照國(guó)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(duì)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?gòu)U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(shì)。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(shì)

4.1膜生物反應(yīng)器應(yīng)用中存在的問題

相對(duì)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(gòu)置和膜的更換。隨著膜材料成本的降低,膜的購(gòu)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(duì)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(duì)于MBR而言是客觀存在的,但一些研究正在減小這些問題對(duì)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(gòu)置膜方面的費(fèi)用。另外通過對(duì)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(duì)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(shì)

如今面對(duì)水資源匱乏和廢水排放增加的雙重壓力,各國(guó)都相應(yīng)出臺(tái)應(yīng)對(duì)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(zhǎng)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(guó)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