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MBR技術處理啤酒廢水

啤酒廢水主要是啤酒生產過程中的糖化、發酵、釀造等工序產生的廢水，具有有機物含量高，可生化性好的特點，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，以及好氧與厭氧聯合的生物處理方法。這些方法各自都有成功的經驗，但也存在一些不足之處，如處理工藝流程復雜，HRT長，占地面積大，基建投資高，厭氧過程的維護和管理難度大，易發生污泥膨脹等。

膜生物反應器（MBR）是生物反應器處理技術和膜處理技術的組合，它能夠在緊湊的空間內同時實現微生物對污染物質的降解和膜對污染物質的分離，有效地解決傳統啤酒廢水處理工藝的問題。近年來，研究人員加大了對MBR 技術應用于啤酒廢水的理論研究，取得了較多的研究成果，本文對已有的試驗研究和工程應用成果進行了介紹，并在分析和比較的基礎上做了較為深入的探討。

1 MBR 技術的特點及優勢

MBR 技術與傳統的啤酒廢水處理工藝相比，具有以下幾個優勢：

（1）出水水質優良且穩定。啤酒廢水的N、P含量低，傳統活性污泥法容易因C、N 比例失調而產生污泥膨脹，膜過濾技術能夠高效地實現固液分離，因而出水不受生物反應器中污泥膨脹等因素影響，出水SS 和濁度接近于零，同時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的二沉池，簡化了工藝流程，減少了裝置的占地面積，同時MBR 中活性污泥濃度較高，提高了容積負荷，因而可以相應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菌能夠較好地生長繁殖，因而大大提高了系統的硝化效率。

（4）抗沖擊負荷能力強，便于維護管理。啤酒生產廢水間歇排放，水質、水量變化較大，經常導致傳統活性污泥法出水水質惡化、穩定性差，而MBR 工藝則因其較高的污泥濃度和膜過濾技術，在進水水質波動的情況下也能實現穩定出水。

（5）剩余污泥量少，節省了處理剩余污泥的部分基建費用和運行費用。

此外，MBR 工藝能夠實現HRT 和SRT 的完全分離，使運行控制更加靈活、穩定。MBR 出水水質可以滿足目前最嚴格的啤酒廢水排放或回用標準，因此，MBR 在啤酒廢水處理及回用方面有著非常廣闊的應用前景。

2 MBR 處理啤酒廢水的試驗研究

啤酒廢水的可生化性良好，CODCr的質量濃度為1 000 ～ 2 500 mg/L，BOD5的質量濃度為800 ～ 1 500mg/L，SS 的質量濃度為200 ～ 600 mg/L，pH 值為5 ～ 9，屬中等濃度有機廢水。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研究如表1 所示。

2．1 好氧MBR 的應用

王連軍等首次采用好氧外置式無機陶瓷膜生物反應器處理啤酒廢水，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現，MBR 對CODCr和NH3-N 的去除率分別為96．13％和99．33％，遠遠高于相同條件下的普通活性污泥法。同時研究發現，由于受循環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，此現象在MBR 相關研究中鮮有報道。

Cornelissen 等采用淹沒式MBR 處理啤酒廢水，膜組件為好氧平板膜，結果表明反應器對CODCr和BOD5有明顯的去除效果，反應器中懸浮污泥完全被平板膜所截留，系統出水穩定，抗沖擊負荷能力強，但反應器的脫氮除磷效果未見報道。張立秋等采用淹沒式MBR 處理合成啤酒廢水，試驗結果表明淹沒式MBR 對CODCr和NH3-N 有著較好的去除效果，并且淹沒式MBR 具有較強的抗有機負荷沖擊的能力；當反應器中的污泥處于增長期時，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，當污泥濃度處于穩定期時，TN 去除率下降為30％左右，主要是同步硝化-反硝化作用的結果；當污泥處于增長期時，生物同化作用對TP 具有一定的去除效果，而當污泥濃度穩定后，對TP 基本沒有去除效果，甚至有時出現負去除率現象。鐘璟等采用國產的聚偏氟乙烯中空纖維膜，膜孔徑為0．2 μm，構成浸沒式MBR 處理啤酒廢水，確定了最佳HRT 為10 h，研究發現CODCr和NH3-N 的去除主要依靠生物單元完成，同時膜對CODCr具有高效截留作用，但膜對NH3-N 幾乎無截留作用，作者分析認為這主要是因為NH3-N 在pH 值為近中性的水中呈離子態造成的。

2．2 厭氧MBR 的應用

廢水厭氧生物技術以其投資省、能耗低、可回收利用沼氣能源、負荷高、產泥量少、耐沖擊負荷等優點而受到廣泛關注。Ross最早采用厭氧MBR工藝處理啤酒廢水，在進水CODCr質量濃度為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厭氧膜生物反應器（SDRAnMBR）處理模擬啤酒廢水，試驗采用聚醚砜平板膜，截留相對分子質量為50 kDa，有效膜面積為0．32 m2，研究結果表明，SDRAnMBR 對啤酒廢水有較好的處理效果，系統具有啟動迅速、負荷提升快、有機物去除率高、耐沖擊負荷能力強、運行穩定等特點。在整個試驗運行期間，系統沒有做任何清洗，也未排泥，這是因為膜截留和三相旋轉流的共同作用加強了在高污泥濃度（MLSS）和高負荷條件下運行時的混合和傳質，從而強化了SDRAnMBR在高MLSS 和高容積負荷下運行的穩定性，保證了出水水質，系統表現出了良好的抗膜污染性能。

2．3 厭氧-好氧MBR 的應用

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

任艷雙等選用聚偏氟乙烯中空纖維簾式膜作為膜組件，采用內循環膜生物反應器（ICMBR）處理啤酒廢水。反應器是在IC 反應器的第2 好氧反應室設置中空纖維膜組件和穿孔曝氣管構成ICMBR集成工藝，其運行特征相當于上流式厭氧污泥床（UASB）和MBR 串聯運行，并利用氣體提升達到內循環狀態，成功實現有機物去除和同步生物脫氮，系統CODCr的去除率基本可達到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合床（UASCB）-聚乙烯醇MBR復合工藝處理啤酒廢水。膜材質為聚乙烯醇，最大孔徑為10 μm，膜面積為0．35 m2。將UASCB 作為預處理單元，大幅度減少了進入好氧階段的有機物量，出水進入聚乙烯醇MBR 進一步處理，系統最終出水水質良好，各項指標均達到了GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中一級標準的要求。此外，作者對傳統MBR 的底部曝氣進行改進，將曝氣頭置于反應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境中實現了70％～ 80％的TN 去除率，但該系統對TP 的去除未做研究。陳宇等采用射流曝氣MBR 處理啤酒廢水，系統中設置有缺氧區和好氧區，試驗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。試驗表明，膜的高效截留作用有利于CODCr的去除，同時使系統具有很好的硝化效果，系統對CODCr、NH3-N、濁度去除效果均較好，射流曝氣MBR 具有充氧性能好、傳質效率高、污泥細碎、比表面積大等特點，為微生物降解CODCr和脫氮提供了良好的條件。但由于系統運行期間不排泥，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用

由于MBR 技術彌補了許多傳統處理工藝的不足，人們開始將MBR 技術與傳統工藝相結合處理實際啤酒廢水。通過設計組合工藝流程，調整MBR 工藝運行參數，組合工藝取得了良好的處理效果，積累了寶貴的實踐經驗。

劉旭東等應用MBR 中試裝置處理啤酒生產廢水，工藝流程如圖1 所示。

試驗采用中空纖維膜，膜面積為40 m2，膜孔徑為0．04 μm。試驗運行60 d，HRT 保持在3 h，SRT 為90 d，曝氣反應池DO 的質量濃度保持在5mg/L 以上，氣水體積比為20∶1，活性污泥的質量濃度大于18 g/L。結果表明，應用MBR 工藝處理啤酒廢水，技術上具有可行性，裝置具有耐有機負荷沖擊的特性，出水水質好且穩定，各項水質指標均達到CJ 25．1-89《生活雜用水水質標準》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 的質量濃度為8 ～12 g/L，HRT 為21．6 h，DO 的質量濃度為2 mg/L。把UASB 作為預處理單元，在降低啤酒廢水污染物濃度的同時，可回收利用所產生的沼氣，同時降低好氧段的曝氣能耗和剩余污泥產量。試驗結果表明，UASB-MBR工藝對啤酒廢水具有良好的處理效果，系統耐沖擊負荷能力強。采用MBR 技術，使得工藝流程簡化，大大減少了操作維護的難度，處理后的出水各項指標均達到GB 8978—1996 一級標準的要求。

Dai Haiping 等采用MBR 工藝處理天津市某啤酒廢水，系統設計處理能力為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，材質為聚偏氟乙烯，膜工作壓力為10 ～ 50 kPa，好氧池DO的質量濃度控制在2 ～ 3 mg/L，膜池污泥的質量濃度控制在6 ～ 8 g/L，氣水體積比控制在12 ∶ 1 ～ 15 ∶1。運行結果表明，在進水CODCr的質量濃度為642 ～ 1 626 mg/L、NH3-N 的質量濃度為15 ～ 35mg/L、TP 的質量濃度為0．6 ～ 14.0 mg/L、TN 的質量濃度為19．5 ～ 41．1 mg/L 的情況下，MBR 產水CODCr、NH3-N、TP、TN 的質量濃度分別小于50、5、0.3、5 mg/L，出水水質優于GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景觀環境用水水質》的要求。

MBR 技術在啤酒廢水處理中已有一些工程應用，今后會受到更大的關注。隨著工程應用中廢水處理規模的進一步擴大，MBR 技術處理啤酒廢水的工程設計和運行經驗需要及時總結與完善。目前，制約MBR 技術應用于工程實踐的因素主要有投資及運行費用較高，能耗較高以及膜污染問題等。然而，隨著性能優良、價格低廉的新型膜材料和工藝的不斷出現以及MBR 技術在啤酒廢水處理領域研究的逐步深入，膜污染問題得到有效解決，MBR 技術也必將在啤酒廢水的實際處理中得到廣泛的應用。

4 MBR 處理啤酒廢水的膜污染問題

在長期運行過程中，膜不可避免地會受到污染，導致其通量逐漸降低。膜污染一般分為可逆污染和不可逆污染。這主要是因為微生物代謝產生的多糖類黏性物質和污泥附著在膜表面引起膜污染，因此必須對膜進行清洗。

常用的膜清洗方法有機械清洗法、化學清洗法及機械、超聲波和化學清洗相結合的方法。對于啤酒廢水所引發的膜污染現象，目前多采用物理和化學相結合的方法進行清洗。宋曉麗等在啤酒廢水造成膜污染的初期定期對膜進行反沖洗，當膜污染嚴重時，通過先反沖洗10 min，再用0．05mol/L 稀硫酸溶液浸泡2 h，溶解出凝膠層和結合在有機大分子間的無機金屬離子，然后用0．5 mol /L 的氫氧化鈉溶液浸泡2 h，清除有機物、二氧化硅及生物污染物質，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到新膜的75％以上。Tian 等的研究表明，向反應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 可以改變反應器內污泥混合液特性，防止膜污染，延長膜組件的工作周期。Mohiuddin 等通過有無投加PAC的2 組對比試驗證明，PAC 能減緩跨膜壓差的變化，減輕膜污染。事實上，目前在水處理領域關于膜污染防治的最主要的研究方向是綜合各種預處理方法，以提高膜在低壓力情況下的透水率。

5 展望

目前，國內外對MBR 技術處理啤酒廢水的研究已逐漸由試驗階段向工程應用發展，然而適合的MBR 組合工藝和操作條件有待更進一步探究。為了使MBR 技術在啤酒廢水處理中得到更廣泛的應用，可以從以下幾方面進行研究：研制化學性質穩定、耐酸堿腐蝕、機械強度高、價格低廉的高性能膜材料；開展不同膜組件的應用與對比研究，如無泡曝氣膜生物反應器（MABR）、移動床膜生物反應器（MBBR）等，為微生物的生長繁殖創造適宜場所；探索新的組合工藝，力求工藝靈活多變，降低動力消耗，節約成本，同時實現MBR 的最佳處理效果；通過研究啤酒廢水造成膜污染的機理，探索更加有效的膜污染防治措施和清洗技術，降低膜的維護成本，延長膜的使用壽命；隨著水資源的逐漸短缺和工業廢水排放標準的提高，MBR 憑借其獨特優勢，必將在啤酒行業廢水處理領域受到越來越多地重視。