MBR工艺处理印染废水的研究进展

高海龙，田 涛，王 静

（江苏省生态环境评估中心，江苏南京 210036）

我国是全球纺织业生产规模最大、产业链最完整、门类最齐全的国家。2017 年中国的化纤产量达到4 919.55 万t，占世界总产量的70%以上。同时，纺织行业属于高能耗、高污染行业，印染废水占工业废水排放量的17%～20%［1］。大量印染废水进入环境，对水体、土壤乃至生态系统造成了不可逆的影响［2］。

近几十年，众多学者对印染废水的处理技术展开了大量研究。其中，膜生物反应器（MBR）由于占地面积小、出水水质好、污泥浓度高、污泥产率低等被用作处理印染废水的首选工艺之一［3］。MBR 采用生物处理单元与膜分离单元相结合，以膜组件取代传统生物处理工艺中的二次沉淀池来实现泥水分离，不仅可以分别控制水力停留时间和污泥停留时间，提高污水处理效率，还能在生物反应器中保持较高的活性污泥浓度和较低的污泥负荷，减小设施的占地面积，减少剩余污泥量［4］。MBR 不需要过滤和消毒就能高效去除污水中的有机物、微生物等污染物［5］。根据生物反应器的类型，MBR 分为好氧型和厌氧型。

1 MBR 处理印染废水的应用

1.1 好氧MBR

Schoeberl 等［6］采用好氧MBR 处理印染废水的COD 和色度去除率分别为89%～94%和65%～91%。Yun 等［7］采用好氧MBR 处理印染废水的COD 和色度平均去除率分别为94.8%和72.9%。印染废水色度的去除机理主要是吸附，因为偶氮染料很难被生物降解，生物降解仅起次要作用。

Huang 等［8］利用MBR 对某印染厂（400 L/d）的废水进行了长达100 d 的监测研究。MBR 进水的COD、BOD、NH3-N、pH 以及色度分别为600～1 200 mg/L、90～170 mg/L、10～23 mg/L、10～14 和250～400 倍。研究发现，当膜通量和跨膜压差分别保持在2～8 L/(m2·h)和5～10 kPa 时，不同水力停留时间（6.0～22.5 h）的处理效果不尽相同。水力停留时间为6.0 h时，好氧MBR运行效率最高，COD、NH3-N 和色度去除率分别为80%～90%、90%～95%和60%～75%。

Yigit等［9］采用MBR处理某印染厂（380～1500 L/d）的高溶解性总固体（TDS，789～4 720 mg/L）、高色度（286～8 100 倍）、高电导率（1 578～9 440 μS/cm）废水。该系统运行包括污泥不外排和污泥龄（SRT）25 d 两个阶段。系统运行期间，MBR 膜通量为20 L/(m2·h)，水力停留时间为14 h，混合液污泥质量浓度（MLSS）为13.9～17.0 g/L。研究发现，好氧MBR 在去除COD、TDS及色度方面效果显著（分别为大于95%、大于99%、大于97%），而对电导率去除效果不佳（小于4%）；SRT为25 d 的运行效果好于污泥不外排。尽管MBR 进水水质波动剧烈，好氧MBR 仍能保持稳定的出水水质，这主要是由于MBR 有较高的MLSS。Huang 等［10］研究了SRT 对传统生物反应器和MBR 废水处理效率的影响。结果表明，对于传统生物反应器，SRT 越短，COD去除效果越差，SRT 为5、10 d 时，COD 去除率分别为70%、80%；而在不同SRT 条件下，MBR 的COD 去除率始终保持在90%以上。

Hoinkis 等［11］采用MBR 处理不同COD 质量浓度的印染废水。研究发现，尽管MBR 进水的COD 质量浓度不同（600～1 250 mg/L），COD 和NH3-N 去除率均高达90%，因为该MBR 系统中SRT 较长（大于30 d）。Sun 等［12］研究了MBR 对印染废水的处理效率，COD、NH3-N 和TN 的平均去除率分别为87%、96%和55%。

综上所述，好氧MBR 对COD 为500～6 000 mg/L、BOD 为90～1 375 mg/L、色度为70～2 700 倍的印染废水处理效果很好，COD 去除率为50%～98%，色度去除率为20～100%。在好氧MBR 运行期间，MLSS 保持在4～15 g/L，跨膜压差10～50 kPa，膜通量5～30 L/(m2·h)。因此，采用好氧MBR 并选用以上运行参数，对水质特点符合上述描述的印染废水处理效果显著。

1.2 厌氧MBR

如表1 所示，与好氧MBR 相比，厌氧MBR 能耗低（无需曝气）、污泥少且副产物为有用气体甲烷。

Ivanovic 等［13］采用厌氧MBR 处理印染废水，结果发现该工艺对COD 和TDS 具有较好的去除效果，对TN 和TP 的去除效果较差。Saddoud 等［14］发现厌氧MBR 对氮、磷有较高的去除率，氮去除率高达60%。

Achilli等［15］研究发现，好氧工艺处理废水的运维费用高于厌氧工艺，原因是好氧工艺产生的污泥较多，污泥管理和处理费用较高。Wen 等［16］发现厌氧工艺对温度变化（12～26 ℃）具有良好的适应性，12 ℃时COD 去除率高达88%。Martinez-Sosa 等［17］研究发现，厌氧MBR 在35、20 ℃时COD 去除率均达到90%左右。Hu 等［18］研究厌氧MBR 时发现，水力停留时间的减少导致反应器中COD 质量浓度上升，原因是有机负荷增加。此外，使用厌氧MBR 处理废水时会产生甲烷质量分数高达80%的沼气［19］。

1.3 MBR 与其他先进处理技术的结合

近些年，针对MBR 与其他物理、化学以及物化处理技术结合以提高废水处理效果的研究层出不穷。Qu 等［20］采用鞘氨醇单胞菌MBR 结合光催化氧化技术处理高质量浓度溴氨酸印染废水，进水溴氨酸质量浓度为50～300 mg/L，水力停留时间为15～24 h，该系统运行15 天左右稳定后，色度和COD 去除率分别达到90%和50%。

芬顿氧化技术具有出色的脱色能力，通过产生高活性的羟基自由基促使废水具有更好的生物降解性，经过芬顿氧化后的废水很容易被MBR 处理。由于该工艺运行费用高昂，并未得到广泛应用。

Feng等［21］尝试使用芬顿氧化技术结合MBR 处理印染废水中较难去除的蒽醌染料（活性蓝4），芬顿试剂选用硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）、30%H2O2和二甘醇，MBR 材质为聚偏氟乙烯（PVDF），面积和孔径分别为0.04 m2和0.2 μm。系统每隔2 min 连续曝气8 min，曝气速率为1.5～2.0 L/min。研究发现，该系统对TOC 和色度的去除率分别为88%和90%，表明在运维费用合理的前提下，芬顿氧化技术结合MBR 处理印染废水具有巨大的潜力和可能性。

Qin 等［22］将内电解法和厌氧MBR 结合处理染料废水，对艳蓝染料具有良好的降解效果。内电解法产生的铁离子对COD 和色度的去除影响较大。由于铁离子的存在，絮状污泥变得更稳定，不易在MBR 膜上累积，但可能会引起MBR 膜上无机物的累积污染。因此，铁离子是优化内电解法-MBR 处理效果的关键。

You 等［23］研究发现，采用反渗透和MBR 相结合的方式处理染整废水效果显著。Grilli 等［24］采用纳滤和MBR组合处理染整废水。结果表明，单独采用MBR，COD 和色度去除率分别达90%和70%，后续使用纳滤还可以进一步降低废水中的COD 和色度。此外，纳滤具有除盐作用，使处理后的废水可回用于纺织生产。De Jager 等［24］将纳滤和反渗透作为MBR 的后续处理技术，单独MBR 的色度去除率仅为28.6%，但是与纳滤或反渗透组合，色度去除率大幅度提高，分别为98.3%和97.2%。

综上所述，近年来众多学者采用MBR 与光催化、高级氧化、电化学、反渗透以及纳滤等技术相结合的方式处理印染废水，提高了印染废水的处理效果，但是受制于运维费用较昂贵等原因，目前尚没有用于处理大规模印染废水的成熟工艺。下一步的研究重点应该是如何降低和控制工艺的运维费用。

2 膜污染的控制

MBR 通常会采用一定的预处理减轻和控制膜污染。Park 等［25］研究了在厌氧MBR 中投放粉末活性炭（PAC）对膜污染的去除效果，结果表明，PAC 投放量为5 g/L 时，污垢和滤饼层阻力均下降。Akram 等［26］研究发现，在厌氧MBR 中添加PAC，膜和处理效果均增强，但PAC 投加过量也会成为新的污染物。

Choo 等［27］采用气流反冲洗MBR 控制膜污染，该技术可以有效降低MBR 内部堵塞并防止滤饼压实。Parameshwaran 等［28］同样发现曝气可以提高MBR 的膜通量。虽然该技术对提高膜通量效果显著，但是可能会缩短膜的寿命。反冲洗的效果取决于频率、持续时长以及药剂类型，频率越高，持续时间越长，效果越好，但运行费用越高。

总之，MBR 的膜污染无法避免，未来应重点关注如何减轻膜污染，提高膜的运行效果，建议从3 方面展开研究：（1）膜的自身材质、亲疏水性、电荷以及组件类型等对膜污染的影响；（2）MBR 运行条件（水力停留时间、出水方式、污泥龄、有机负荷等）对膜污染的影响；（3）高效低损耗的膜清洗方式。

3 结论与展望

过去几十年，学者针对MBR 处理印染废水进行了大量研究。采用MBR 处理印染废水是一个不错的选择，厌氧MBR 尤其适合处理高浓度有机废水。厌氧MBR 的主要优势是能生成沼气，但目前只有少数针对该沼气的研究。故开发经济高效的沼气（特别是甲烷）回收技术是厌氧MBR 得到广泛推广的关键。

生物强化是解决细菌适应性问题的方法之一，但是针对各种类型的污染物质，MBR 的生物强化效果并未得到充分研究。废水中的有毒物质会影响活性污泥中的微生物群落，但是围绕有毒物质对MBR中微生物群落的影响研究有限。

MBR 去除污染物的效果取决于其运行条件，但是几乎没有针对MBR 处理印染废水最佳运行参数的研究。因此，如何控制MBR 膜污染并使其渗透性最大化是未来的研究方向之一。