MBR技術(shù)處理啤酒廢水

啤酒廢水主要是啤酒生產(chǎn)過程中的糖化、發(fā)酵、釀造等工序產(chǎn)生的廢水，具有有機(jī)物含量高，可生化性好的特點(diǎn)，因此，長(zhǎng)期以來(lái)生化法是處理啤酒廢水的首選方法。目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的生化處理工藝，主要包括好氧生物處理（活性污泥法、生物膜法），厭氧生物處理，以及好氧與厭氧聯(lián)合的生物處理方法。這些方法各自都有成功的經(jīng)驗(yàn)，但也存在一些不足之處，如處理工藝流程復(fù)雜，HRT長(zhǎng)，占地面積大，基建投資高，厭氧過程的維護(hù)和管理難度大，易發(fā)生污泥膨脹等。

膜生物反應(yīng)器（MBR）是生物反應(yīng)器處理技術(shù)和膜處理技術(shù)的組合，它能夠在緊湊的空間內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)微生物對(duì)污染物質(zhì)的降解和膜對(duì)污染物質(zhì)的分離，有效地解決傳統(tǒng)啤酒廢水處理工藝的問題。近年來(lái)，研究人員加大了對(duì)MBR 技術(shù)應(yīng)用于啤酒廢水的理論研究，取得了較多的研究成果，本文對(duì)已有的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用成果進(jìn)行了介紹，并在分析和比較的基礎(chǔ)上做了較為深入的探討。

1 MBR 技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

MBR 技術(shù)與傳統(tǒng)的啤酒廢水處理工藝相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

（1）出水水質(zhì)優(yōu)良且穩(wěn)定。啤酒廢水的N、P含量低，傳統(tǒng)活性污泥法容易因C、N 比例失調(diào)而產(chǎn)生污泥膨脹，膜過濾技術(shù)能夠高效地實(shí)現(xiàn)固液分離，因而出水不受生物反應(yīng)器中污泥膨脹等因素影響，出水SS 和濁度接近于零，同時(shí)能夠有效地去除啤酒廢水中的病原微生物。

（2）裝置更加緊湊，占地面積小。MBR 的膜組件代替了傳統(tǒng)的二沉池，簡(jiǎn)化了工藝流程，減少了裝置的占地面積，同時(shí)MBR 中活性污泥濃度較高，提高了容積負(fù)荷，因而可以相應(yīng)減少污泥濃縮儲(chǔ)存槽及曝氣池的體積，使裝置更加緊湊。

（3）系統(tǒng)的硝化效率提高。由于SRT 的延長(zhǎng)以及膜的截留作用，使得增殖緩慢的硝化細(xì)菌能夠較好地生長(zhǎng)繁殖，因而大大提高了系統(tǒng)的硝化效率。

（4）抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，便于維護(hù)管理。啤酒生產(chǎn)廢水間歇排放，水質(zhì)、水量變化較大，經(jīng)常導(dǎo)致傳統(tǒng)活性污泥法出水水質(zhì)惡化、穩(wěn)定性差，而MBR 工藝則因其較高的污泥濃度和膜過濾技術(shù)，在進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)的情況下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定出水。

（5）剩余污泥量少，節(jié)省了處理剩余污泥的部分基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。

此外，MBR 工藝能夠?qū)崿F(xiàn)HRT 和SRT 的完全分離，使運(yùn)行控制更加靈活、穩(wěn)定。MBR 出水水質(zhì)可以滿足目前最嚴(yán)格的啤酒廢水排放或回用標(biāo)準(zhǔn)，因此，MBR 在啤酒廢水處理及回用方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 MBR 處理啤酒廢水的試驗(yàn)研究

啤酒廢水的可生化性良好，CODCr的質(zhì)量濃度為1 000 ～ 2 500 mg/L，BOD5的質(zhì)量濃度為800 ～ 1 500mg/L，SS 的質(zhì)量濃度為200 ～ 600 mg/L，pH 值為5 ～ 9，屬中等濃度有機(jī)廢水。國(guó)外對(duì)MBR 工藝處理啤酒廢水的研究較早，近10 年來(lái)，我國(guó)對(duì)MBR 工藝處理啤酒廢水的研究發(fā)展迅速，主要集中在好氧MBR、厭氧MBR 以及厭氧-好氧MBR 工藝上。MBR 處理啤酒廢水的試驗(yàn)研究如表1 所示。

2．1 好氧MBR 的應(yīng)用

王連軍等首次采用好氧外置式無(wú)機(jī)陶瓷膜生物反應(yīng)器處理啤酒廢水，MBR 對(duì)廢水的CODCr、NH3-N、SS 等均有良好的去除效果。在MBR 與普通活性污泥法的對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，MBR 對(duì)CODCr和NH3-N 的去除率分別為96．13％和99．33％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同條件下的普通活性污泥法。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，由于受循環(huán)泵的水力剪切作用影響，MBR 中無(wú)原、后生動(dòng)物存在，但這并不影響MBR 對(duì)污染物的高效去除，此現(xiàn)象在MBR 相關(guān)研究中鮮有報(bào)道。

Cornelissen 等采用淹沒式MBR 處理啤酒廢水，膜組件為好氧平板膜，結(jié)果表明反應(yīng)器對(duì)CODCr和BOD5有明顯的去除效果，反應(yīng)器中懸浮污泥完全被平板膜所截留，系統(tǒng)出水穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，但反應(yīng)器的脫氮除磷效果未見報(bào)道。張立秋等采用淹沒式MBR 處理合成啤酒廢水，試驗(yàn)結(jié)果表明淹沒式MBR 對(duì)CODCr和NH3-N 有著較好的去除效果，并且淹沒式MBR 具有較強(qiáng)的抗有機(jī)負(fù)荷沖擊的能力；當(dāng)反應(yīng)器中的污泥處于增長(zhǎng)期時(shí)，在生物同化與同步硝化-反硝化的共同作用下，TN具有40％左右的去除率，當(dāng)污泥濃度處于穩(wěn)定期時(shí)，TN 去除率下降為30％左右，主要是同步硝化-反硝化作用的結(jié)果；當(dāng)污泥處于增長(zhǎng)期時(shí)，生物同化作用對(duì)TP 具有一定的去除效果，而當(dāng)污泥濃度穩(wěn)定后，對(duì)TP 基本沒有去除效果，甚至有時(shí)出現(xiàn)負(fù)去除率現(xiàn)象。鐘璟等采用國(guó)產(chǎn)的聚偏氟乙烯中空纖維膜，膜孔徑為0．2 μm，構(gòu)成浸沒式MBR 處理啤酒廢水，確定了最佳HRT 為10 h，研究發(fā)現(xiàn)CODCr和NH3-N 的去除主要依靠生物單元完成，同時(shí)膜對(duì)CODCr具有高效截留作用，但膜對(duì)NH3-N 幾乎無(wú)截留作用，作者分析認(rèn)為這主要是因?yàn)镹H3-N 在pH 值為近中性的水中呈離子態(tài)造成的。

2．2 厭氧MBR 的應(yīng)用

廢水厭氧生物技術(shù)以其投資省、能耗低、可回收利用沼氣能源、負(fù)荷高、產(chǎn)泥量少、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。Ross最早采用厭氧MBR工藝處理啤酒廢水，在進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度為6 700mg/L 的情況下，CODCr的去除率為96％～ 99％。白玲等采用新型浸沒式雙軸旋轉(zhuǎn)厭氧膜生物反應(yīng)器（SDRAnMBR）處理模擬啤酒廢水，試驗(yàn)采用聚醚砜平板膜，截留相對(duì)分子質(zhì)量為50 kDa，有效膜面積為0．32 m2，研究結(jié)果表明，SDRAnMBR 對(duì)啤酒廢水有較好的處理效果，系統(tǒng)具有啟動(dòng)迅速、負(fù)荷提升快、有機(jī)物去除率高、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。在整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行期間，系統(tǒng)沒有做任何清洗，也未排泥，這是因?yàn)槟そ亓艉腿嘈D(zhuǎn)流的共同作用加強(qiáng)了在高污泥濃度（MLSS）和高負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)的混合和傳質(zhì)，從而強(qiáng)化了SDRAnMBR在高M(jìn)LSS 和高容積負(fù)荷下運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證了出水水質(zhì)，系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的抗膜污染性能。

2．3 厭氧-好氧MBR 的應(yīng)用

鑒于厭氧、好氧工藝各自的優(yōu)缺點(diǎn)，研究人員開始在啤酒廢水處理中使用厭氧-好氧反應(yīng)器加膜分離裝置，這樣可以極大地發(fā)揮厭氧區(qū)對(duì)色度的去除效果、好氧區(qū)對(duì)CODCr的去除效果以及膜分離系統(tǒng)的高效分離作用，從而獲得良好的出水水質(zhì)。

任艷雙等選用聚偏氟乙烯中空纖維簾式膜作為膜組件，采用內(nèi)循環(huán)膜生物反應(yīng)器（ICMBR）處理啤酒廢水。反應(yīng)器是在IC 反應(yīng)器的第2 好氧反應(yīng)室設(shè)置中空纖維膜組件和穿孔曝氣管構(gòu)成ICMBR集成工藝，其運(yùn)行特征相當(dāng)于上流式厭氧污泥床（UASB）和MBR 串聯(lián)運(yùn)行，并利用氣體提升達(dá)到內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，成功實(shí)現(xiàn)有機(jī)物去除和同步生物脫氮，系統(tǒng)CODCr的去除率基本可達(dá)到90％以上，而NH3-N 和TN 的去除率在95％和90％以上。齊美富等采用厭氧污泥復(fù)合床（UASCB）-聚乙烯醇MBR復(fù)合工藝處理啤酒廢水。膜材質(zhì)為聚乙烯醇，最大孔徑為10 μm，膜面積為0．35 m2。將UASCB 作為預(yù)處理單元，大幅度減少了進(jìn)入好氧階段的有機(jī)物量，出水進(jìn)入聚乙烯醇MBR 進(jìn)一步處理，系統(tǒng)最終出水水質(zhì)良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外，作者對(duì)傳統(tǒng)MBR 的底部曝氣進(jìn)行改進(jìn)，將曝氣頭置于反應(yīng)器的中部形成垂直方向的DO 濃度梯度，在缺氧和好氧并存的微環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了70％～ 80％的TN 去除率，但該系統(tǒng)對(duì)TP 的去除未做研究。陳宇等采用射流曝氣MBR 處理啤酒廢水，系統(tǒng)中設(shè)置有缺氧區(qū)和好氧區(qū)，試驗(yàn)所用膜組件為管式陶瓷膜，膜孔徑為0．1 μm，膜面積為0．1 m2。試驗(yàn)表明，膜的高效截留作用有利于CODCr的去除，同時(shí)使系統(tǒng)具有很好的硝化效果，系統(tǒng)對(duì)CODCr、NH3-N、濁度去除效果均較好，射流曝氣MBR 具有充氧性能好、傳質(zhì)效率高、污泥細(xì)碎、比表面積大等特點(diǎn)，為微生物降解CODCr和脫氮提供了良好的條件。但由于系統(tǒng)運(yùn)行期間不排泥，不利于對(duì)磷酸鹽的去除，因此該工藝對(duì)磷酸鹽的去除效果不佳。

3 MBR 處理啤酒廢水的工程應(yīng)用

由于MBR 技術(shù)彌補(bǔ)了許多傳統(tǒng)處理工藝的不足，人們開始將MBR 技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合處理實(shí)際啤酒廢水。通過設(shè)計(jì)組合工藝流程，調(diào)整MBR 工藝運(yùn)行參數(shù)，組合工藝取得了良好的處理效果，積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

劉旭東等應(yīng)用MBR 中試裝置處理啤酒生產(chǎn)廢水，工藝流程如圖1 所示。

試驗(yàn)采用中空纖維膜，膜面積為40 m2，膜孔徑為0．04 μm。試驗(yàn)運(yùn)行60 d，HRT 保持在3 h，SRT 為90 d，曝氣反應(yīng)池DO 的質(zhì)量濃度保持在5mg/L 以上，氣水體積比為20∶1，活性污泥的質(zhì)量濃度大于18 g/L。結(jié)果表明，應(yīng)用MBR 工藝處理啤酒廢水，技術(shù)上具有可行性，裝置具有耐有機(jī)負(fù)荷沖擊的特性，出水水質(zhì)好且穩(wěn)定，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到CJ 25．1-89《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

彭小明等采用UASB-MBR 工藝處理南昌市某啤酒廢水，工藝流程如圖2 所示。

膜組件為聚偏氟乙烯中空纖維膜，膜通量為0．1m3/（m2·d），MLSS 的質(zhì)量濃度為8 ～12 g/L，HRT 為21．6 h，DO 的質(zhì)量濃度為2 mg/L。把UASB 作為預(yù)處理單元，在降低啤酒廢水污染物濃度的同時(shí)，可回收利用所產(chǎn)生的沼氣，同時(shí)降低好氧段的曝氣能耗和剩余污泥產(chǎn)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，UASB-MBR工藝對(duì)啤酒廢水具有良好的處理效果，系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。采用MBR 技術(shù)，使得工藝流程簡(jiǎn)化，大大減少了操作維護(hù)的難度，處理后的出水各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到GB 8978—1996 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

Dai Haiping 等采用MBR 工藝處理天津市某啤酒廢水，系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為4 000 t/d，工藝流程如圖3 所示。

膜組件為外壓中空纖維浸沒式膜組件，材質(zhì)為聚偏氟乙烯，膜工作壓力為10 ～ 50 kPa，好氧池DO的質(zhì)量濃度控制在2 ～ 3 mg/L，膜池污泥的質(zhì)量濃度控制在6 ～ 8 g/L，氣水體積比控制在12 ∶ 1 ～ 15 ∶1。運(yùn)行結(jié)果表明，在進(jìn)水CODCr的質(zhì)量濃度為642 ～ 1 626 mg/L、NH3-N 的質(zhì)量濃度為15 ～ 35mg/L、TP 的質(zhì)量濃度為0．6 ～ 14.0 mg/L、TN 的質(zhì)量濃度為19．5 ～ 41．1 mg/L 的情況下，MBR 產(chǎn)水CODCr、NH3-N、TP、TN 的質(zhì)量濃度分別小于50、5、0.3、5 mg/L，出水水質(zhì)優(yōu)于GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》的要求。

MBR 技術(shù)在啤酒廢水處理中已有一些工程應(yīng)用，今后會(huì)受到更大的關(guān)注。隨著工程應(yīng)用中廢水處理規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，MBR 技術(shù)處理啤酒廢水的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)需要及時(shí)總結(jié)與完善。目前，制約MBR 技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐的因素主要有投資及運(yùn)行費(fèi)用較高，能耗較高以及膜污染問題等。然而，隨著性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的新型膜材料和工藝的不斷出現(xiàn)以及MBR 技術(shù)在啤酒廢水處理領(lǐng)域研究的逐步深入，膜污染問題得到有效解決，MBR 技術(shù)也必將在啤酒廢水的實(shí)際處理中得到廣泛的應(yīng)用。

4 MBR 處理啤酒廢水的膜污染問題

在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，膜不可避免地會(huì)受到污染，導(dǎo)致其通量逐漸降低。膜污染一般分為可逆污染和不可逆污染。這主要是因?yàn)槲⑸锎x產(chǎn)生的多糖類黏性物質(zhì)和污泥附著在膜表面引起膜污染，因此必須對(duì)膜進(jìn)行清洗。

常用的膜清洗方法有機(jī)械清洗法、化學(xué)清洗法及機(jī)械、超聲波和化學(xué)清洗相結(jié)合的方法。對(duì)于啤酒廢水所引發(fā)的膜污染現(xiàn)象，目前多采用物理和化學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行清洗。宋曉麗等在啤酒廢水造成膜污染的初期定期對(duì)膜進(jìn)行反沖洗，當(dāng)膜污染嚴(yán)重時(shí)，通過先反沖洗10 min，再用0．05mol/L 稀硫酸溶液浸泡2 h，溶解出凝膠層和結(jié)合在有機(jī)大分子間的無(wú)機(jī)金屬離子，然后用0．5 mol /L 的氫氧化鈉溶液浸泡2 h，清除有機(jī)物、二氧化硅及生物污染物質(zhì)，最后用2％ NaClO 溶液浸泡2h，氧化并殺死滋生在膜面上的微生物，清洗后膜的滲透通量可恢復(fù)到新膜的75％以上。Tian 等的研究表明，向反應(yīng)器中直接添加絮凝劑等可以減輕膜污染。封莉等的研究表明，投加PAC 可以改變反應(yīng)器內(nèi)污泥混合液特性，防止膜污染，延長(zhǎng)膜組件的工作周期。Mohiuddin 等通過有無(wú)投加PAC的2 組對(duì)比試驗(yàn)證明，PAC 能減緩跨膜壓差的變化，減輕膜污染。事實(shí)上，目前在水處理領(lǐng)域關(guān)于膜污染防治的最主要的研究方向是綜合各種預(yù)處理方法，以提高膜在低壓力情況下的透水率。

5 展望

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)MBR 技術(shù)處理啤酒廢水的研究已逐漸由試驗(yàn)階段向工程應(yīng)用發(fā)展，然而適合的MBR 組合工藝和操作條件有待更進(jìn)一步探究。為了使MBR 技術(shù)在啤酒廢水處理中得到更廣泛的應(yīng)用，可以從以下幾方面進(jìn)行研究：研制化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐酸堿腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高、價(jià)格低廉的高性能膜材料；開展不同膜組件的應(yīng)用與對(duì)比研究，如無(wú)泡曝氣膜生物反應(yīng)器（MABR）、移動(dòng)床膜生物反應(yīng)器（MBBR）等，為微生物的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造適宜場(chǎng)所；探索新的組合工藝，力求工藝靈活多變，降低動(dòng)力消耗，節(jié)約成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)MBR 的最佳處理效果；通過研究啤酒廢水造成膜污染的機(jī)理，探索更加有效的膜污染防治措施和清洗技術(shù)，降低膜的維護(hù)成本，延長(zhǎng)膜的使用壽命；隨著水資源的逐漸短缺和工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，MBR 憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，必將在啤酒行業(yè)廢水處理領(lǐng)域受到越來(lái)越多地重視。