MBR技术在制药废水处理的应用

　　目前我国生产的常用药物达2000 种左右，不同种类的药物采用的原来种类和数量各不相同，生产工艺及合成路线也存在差异，因此造成制药生产工业及废水的组成十分复杂。制药废水通常属于难降解的高浓度废水，其特点是组分复杂，有机污染物种类多、浓度高，CODCr 值和BOD5 值高且波动性大，废水的BOD5/CODCr值差异较大，NH3-N 浓度高，色度大，毒性大，固体悬浮物浓度高[1]。此外，制药厂通常采用间歇生产，而且产品种类变化较大，增加了制药废水的处理难度。

　　制药废水常用的处理方法有物化法、化学法和生物法。其中，生物法作为最经济的处理方式，是目前制药废水处理普遍采用的方法，已经成为研发和推广应用的重点。目前国内外制药废水处理多采用SBR(Sequencing Batch Reactor) 法、CASS(Cyclic Activated Sludge System)法、ICEAS(Intermittent Cycle Extended Aeration)法、氧化沟、接触氧化法等为主体工艺，但由于废水中存在抑制性物质和难降解有机物，导致这些方法的处理效果不理想。

　　膜生物反应器技术是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术。它利用膜分离组件将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留，代替二沉池，提高活性污泥浓度并保证出水水质，从而大大强化了生物反应器的功能[2]。

　　1 MBR 反应器概况

　　1.1 MBR 反应器的组成

　　MBR 一般由生物反应器、膜组件和泵三部分组成。根据生物反应器和膜组件的设置位置和加压方式分为外置式(External)和浸没式(Internal)[3]两种，如图1 所示。

　　外置式MBR，其生物反应器内的混合液经泵增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的水透过膜成为处理出水，其余物质被截留并随浓缩液回流到反应器内，系统过滤水的方向由内向外。为了降低膜污染，用增压泵将混合液以较高流速压入膜组件，在膜表面形成错流冲刷[4]。该反应器运行稳定，膜易于清洗，操作管理简单，但增压能耗较大。

　　浸没式MBR，也称一体式MBR，膜组件置于生物反应器内，滤液由泵吸出，设在膜组件下方的曝气装置除具有充氧功能外，造成的强烈搅拌作用减轻了混合液中悬浮物在膜表面的吸着[5]。

　　该反应器结构紧凑、体积小、能耗小。

　　1.2 膜与膜组件的组成

　　膜按表面孔径的大小，一般可分为微滤膜、超滤膜、纳滤和反渗透膜，其分离目标见表1。常用于MBR 处理工艺中的是微滤膜和超滤膜。

图1 MBR 示意

Fig.1 The schematic diagram of MBR

　　按材质分为无机膜和有机膜。目前国内普遍采用有机膜，其成本相对较低，制造工艺较为成熟，膜孔径和样式较为多样，但运行过程易污染、强度低、使用寿命短。有机膜包括：聚丙烯类、聚乙烯类、聚丙烯腈、聚砜类、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。无机膜是固态膜的一种，是由无机材料如金属、金属氧化物、陶瓷、多空玻璃、沸石、无机高分子材料等制造成的半透膜。在MBR 中使用的无机膜多为陶瓷膜。其通量高、耐污染、寿命长，在高浓度工业废水处理中具有很大的竞争力。但无机膜不耐碱、弹性小，且造价昂贵。

　　膜组件按其结构形式可分为中空纤维式、毛细管式、管式、卷式、板框式等。在外置式MBR 工艺中，板框式、管式等应用较多。在浸没式MBR 工艺中，多采用中空纤维式、板框式等。

表1 膜分离过程及分离特点

Tab.1 Membrane separation processes and main features

　　2 MBR 在制药废水处理的优势

　　2.1 分离效率高，出水水质有保证

　　制药废水中含有大量悬浮物质，通过膜的高效分离作用，使得出水中悬浮物和浊度接近于零。此外，由于废水中含有毒害性物质，容易导致污泥发生膨胀现象，在膜分离作用下，不会使出水水质受到影响[6]。

　　2.2 污泥浓度高，生化能力强

　　以膜组件代替二沉池，几乎全部活性污泥均可停留在反应器内，能够有效的提高污泥浓度，MBR 的污泥浓度最高可达18000~19000 mg/L[7]。与传统工艺相比，能够提高污泥浓度，且在发生污泥膨胀后可避免活性污泥流失。由于制药废水水质和水量具有较大的波动性，污泥浓度的提高，增加了反应器的处理能力，并可承受较高的抗冲击负荷[5]。

　　2.3 提高了难降解有机物的净化效率高，缩短了水力停留时间

　　制药废水中的难降解有机物被截留在反应器内，获得了比传统生物法过多的与微生物接触的时间，有利于某些专性微生物的培养，提高难降解有机物的净化效率[8]。此外，由于难降解有机物的净化效率高，在保证出水水质的前提下，MBR 可缩短HRT。干建文等[2]采用自组装300 L的MBR对头孢类制药废水厌氧处理出水进行处理并与传统活性污泥法进行比较。在COD 去除率达90 %的前提下，传统活性污泥法的HRT 为80 h，而MBR 的HRT为35 h。

　　2.4 利于硝化细菌生长，NH3-N 去除效果好

　　MBR 的膜不能对NH3-N 产生截留作用，导致MBR 具有较高的NH3-N 去除率的主要原因是反应器内存在大量硝化细菌。在膜的分离作用下，生长缓慢的硝化细菌被停留在反应器内，为其生长繁殖创造了有利条件。硝化细菌在反应器内的大量累积，使MBR 对NH3-N 具有很高的去除效果。范举红等[9]利用活性污泥法-水解酸化法-MBR 组合工艺处理某化学制药厂废水，进水氨氮浓度为72.8~92.4 mg/L，结果发现几乎所有氨氮都在MBR 池被除去，出水氨氮浓度为1.4~4.1 mg·L-1，总去除率为94.5 %~97.6 %。