MBR 技術(shù)在啤酒廢水處理中的應(yīng)用及案例
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， 長期以來生化法是處理啤酒廢水的首選方法。目前國內(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，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)微生物對污染物質(zhì)的降解和膜對污染物質(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， 研究人員加大了對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
MBR 技術(shù)與傳統(tǒng)的啤酒廢水處理工藝相比，具有以下幾個優(yōu)勢：
（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。國外對MBR 工藝處理啤酒廢水的研究較早， 近10 年來， 我國對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機(jī)陶瓷膜生物反應(yīng)器處理啤酒廢水， MBR 對廢水的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比研究中發(fā)現(xiàn)， MBR 對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 中無原、后生動物存在， 但這并不影響MBR 對污染物的高效去除， 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)污泥處于增長期時(shí)，生物同化作用對TP 具有一定的去除效果，而當(dāng)污泥濃度穩(wěn)定后，對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CODCr具有高效截留作用， 但膜對NH3－N 幾乎無截留作用， 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 對啤酒廢水有較好的處理效果， 系統(tǒng)具有啟動迅速、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)對色度的去除效果、好氧區(qū)對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)》中一級標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外， 作者對傳統(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， 不利于對磷酸鹽的去除， 因此該工藝對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。
