關(guān)琦

萃取式膜生物反應(yīng)器在水處理中的應(yīng)用

任鴻梅;任龍飛

【摘要】針對(duì)水環(huán)境中日益嚴(yán)重的難降解有機(jī)物污染問題,集萃取膜和專性降解菌

技術(shù)為一體的萃取膜生物反應(yīng)器(EMBR)憑借其廢水循環(huán)和生物降解分開運(yùn)行的獨(dú)

特優(yōu)勢,正得到日益廣泛的關(guān)注.盡管傳統(tǒng)硅橡膠(聚二甲基硅氧烷)管式膜存在傳質(zhì)

慢、易污染等不可避免的問題,但隨著新型萃取復(fù)合膜的進(jìn)一步研究,EMBR工藝將

得到進(jìn)一步地應(yīng)用推廣,對(duì)難降解有機(jī)物的去除也將提供新思路和新方法,對(duì)水資源

安全保障有重要意義.%Aimedtosolvetheproblemofincreasingpollutionof

refractoryorganicpollutantsinaqueounvironment,extractivemembrane

bioreactor(EMBR)integratingnovelextractivecompositemembraneand

obligatedegradingbacteriaisreceivingmoreandmoreattention,asitcan

ther

developmentonextractivecompositemembranecansolvemasstransfer

ovel

membraneswillprovidenewsolutionsonhowtoremoverefractory

organicpollutants,pavethewaytofuturefundamentalstudiesonnovel

extractivecompositemembranetechnology,andprovidetheoretical

ore,EMBRis

ofsignificantimportancetoguaranteethecurityofwaterresource.

【期刊名稱】《凈水技術(shù)》

【年(卷),期】2017(036)0z2

【總頁數(shù)】4頁(P90-92,141)

【關(guān)鍵詞】萃取式膜生物反應(yīng)器;有機(jī)廢水;膜材料;聚二甲基硅氧烷

【作者】任鴻梅;任龍飛

【作者單位】山東省桓臺(tái)縣第一中學(xué),山東淄博256400;上海交通大學(xué)環(huán)境工程與

科學(xué)學(xué)院,上海200240

【正文語種】中文

【中圖分類】TU992

膜生物反應(yīng)器（membranebioreactor，MBR）是一種集膜的高效分離和生物降

解兩種技術(shù)優(yōu)勢為一體的水處理技術(shù)，具有出水水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定、占地面積小、水力

停留時(shí)間和污泥齡完全分離、便于自動(dòng)控制等諸多優(yōu)點(diǎn)。在水資源愈發(fā)匱乏和水污

染日益嚴(yán)重的今天，該技術(shù)在水處理界受到廣泛的重視和應(yīng)用[1]。根據(jù)膜在整個(gè)

MBR處理系統(tǒng)中所起的不同作用，通常可將MBR分為以下三類：固液分離膜生

物反應(yīng)器（solid-liquidparationmembranebioreactor，SLSMBR），無泡

曝氣膜生物反應(yīng)器（bubblefreeaerationmembranebiologicalreactor，

AMBR）和萃取膜生物反應(yīng)器（extractivemembranebioreactor,EMBR）。然

而傳統(tǒng)的一體式MBR（SLSMBR和AMBR）在處理含有揮發(fā)、半揮發(fā)性有機(jī)物的

工業(yè)廢水及含高酸堿、高鹽度、高pH的廢水時(shí)，其內(nèi)微生物的生長受到明顯抑制，

污染物處理效率顯著降低，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定程度受到顯著影響。在此情況下，生物

反應(yīng)區(qū)和廢水循環(huán)區(qū)分離并可穩(wěn)定運(yùn)行的萃取膜生物反應(yīng)器，得到了越來越廣泛的

關(guān)注。

EMBR概念最早由英國帝國理工大學(xué)Livingston教授于20世紀(jì)90年代提出[2]。

該工藝將膜萃取技術(shù)和生物降解技術(shù)有效結(jié)合，采用選擇性透過膜將廢水循環(huán)單元

和生物降解單元完全隔開，從而具有其獨(dú)特的原理和優(yōu)勢：廢水中只有毒性高的疏

水性的目標(biāo)有機(jī)物污染物透過膜，進(jìn)入生物降解單元，進(jìn)而被專性降解菌降解；而

廢水中其他無機(jī)組分（如酸、堿、鹽、重金屬等）仍在廢水循環(huán)單元，不會(huì)對(duì)微生

物代謝產(chǎn)生影響；生物降解單元中微生物對(duì)難降解有機(jī)物的降解可選擇在最優(yōu)化的

條件下進(jìn)行，這使得EMBR非常適合處理強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高鹽度、生物有毒物質(zhì)存

在等不宜與微生物直接接觸的，以及在傳統(tǒng)好氧活性污泥處理中容易隨曝氣氣流揮

發(fā)從而造成二次污染的含揮發(fā)和半揮發(fā)性有機(jī)物的廢水。圖1為萃取膜生物反應(yīng)

器（EMBR）的運(yùn)行原理。

EMBR作為一種特殊的膜生物反應(yīng)器，與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)

點(diǎn)。

（1）廢水中只有有機(jī)物污染物可透過膜，進(jìn)入生物降解單元，進(jìn)而被專性降解菌

降解；而廢水中其他無機(jī)組分（如酸、堿、鹽、重金屬等）仍在廢水循環(huán)單元，不

會(huì)對(duì)微生物代謝產(chǎn)生影響。

（2）生物降解單元具有最合適的溶液pH值和離子強(qiáng)度、營養(yǎng)物質(zhì)、曝氣量等，

從而可維持最大的污染物降解速率和微生物活性[3]。

（3）生物降解單元的專性降解菌及其代謝產(chǎn)物、污染物生物代謝的中間產(chǎn)物不會(huì)

對(duì)廢水造成二次污染，不存在微生物與廢水的分離問題。

（4）生物降解單元的專性降解菌只對(duì)透過膜的有機(jī)物進(jìn)行降解，而不需像其他

MBR工藝需處理全部的廢水量，從而使能耗也降低[4]。

（5）膜滲透萃取過程是污染物逐漸釋放到微生物體系中的過程，當(dāng)微生物單元中

的污染物濃度過高時(shí)，目標(biāo)污染物的滲透萃取速率會(huì)因濃度梯度和滲透壓的變化而

自動(dòng)降低，從而使微生物單元的有機(jī)負(fù)荷處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

（6）相較于微濾、超濾等依托于膜孔攔截分離的膜分離過程，膜滲透萃取過程不

易發(fā)生膜孔堵塞的問題，在膜的清洗和物料的預(yù)處理方面較簡易。

（7）在萃取膜生物反應(yīng)器中，廢水循環(huán)單元和生物降解單元相互獨(dú)立，操作管理

方便，處理效果穩(wěn)定。

工業(yè)廢水由于其酸堿度高、鹽濃度高或者含有揮發(fā)性、半揮發(fā)性難降解有毒物質(zhì)，

不宜用廢水與微生物直接接觸的方法處理，給傳統(tǒng)的生物處理帶來了一定難度。而

EMBR獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)卻可以解決這些問題，為污水處理提供了新思路和新方法。

目前，國外有關(guān)EMBR的研究集中在Livingston教授研究小組。他們在EMBR

中主要采用硅橡膠（聚二甲基硅氧烷，PDMS）管式膜，實(shí)現(xiàn)了各類工業(yè)廢水中苯

酚、氯硝基苯、氯苯、二氯苯胺、二氯丙烯等的高效去除[5－8]。Brookes等[9]

對(duì)傳統(tǒng)活性污泥和EMBR進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明，對(duì)于不經(jīng)前期處理的含2,3

－二氯苯胺（23DCA）和3,4－二氯苯胺（34DCA）的實(shí)際工業(yè)廢水，難以利用

活性污泥法處理。而利用EMBR工藝，苯胺類物質(zhì)可以選擇透過PDMS膜萃取進(jìn)

入生物反應(yīng)器，在長達(dá)5個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)中，對(duì)DCA的去除率均高達(dá)

95%～99%。

同時(shí)，Livingston教授研究小組在改進(jìn)前期投影（PT）技術(shù)的基礎(chǔ)上增加計(jì)算機(jī)

控制的攝像技術(shù)（VIT）[10]，實(shí)時(shí)監(jiān)測膜上生物膜的厚度和生長情況。苗峻赫等

[11]在研究MBR中生物膜的生長特性時(shí)，采用平行試驗(yàn)，將反應(yīng)器控制在同一工

況下進(jìn)行掛膜，在不同時(shí)間段依次拆卸反應(yīng)器，并對(duì)生物膜進(jìn)行離線觀察。

國內(nèi)科研工作者在EMBR應(yīng)用方面也有一些報(bào)道。肖澤儀等[12]采用PDMS膜在

EMBR中以甲苯為目標(biāo)污染物的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)進(jìn)行探究。戴寧等[13]也利用含有

苯酚降解菌的菌懸液體系與萃取膜生物反應(yīng)器相結(jié)合，對(duì)苯酚廢水進(jìn)行了處理。試

驗(yàn)結(jié)果表明，與活性污泥體系相比較，菌懸液體系生物膜厚度較薄，對(duì)苯酚的降解

比較徹底，基本無苯酚中間產(chǎn)物的殘留[12]。此外，王玉軍等[13]研究了膜萃取反

應(yīng)器去除水中的對(duì)氨基苯磺酸，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)初始質(zhì)量濃度為1000mg／L時(shí)，萃取

效果高達(dá)97%，大幅降低了萃取液的COD值。杜飛等[14]采用管式硅橡膠膜對(duì)水

楊酸廢水進(jìn)行處理，在優(yōu)化的條件下去除率均高達(dá)93%～99%以上。

地下水水量豐富，容易獲取，濁度低，是供水水源的一個(gè)較好選擇。在我國部分農(nóng)

村地區(qū)，地下水往往直接用作飲用水源。但目前部分地下水面臨硝酸鹽含量較高，

進(jìn)入人體后易導(dǎo)致亞硝酸鹽中毒，引起高鐵血紅蛋白癥、智力低下、死亡等問題。

曹敬華等[15]采用中空纖維膜做膜材料進(jìn)行反硝化去除地下水中的硝酸鹽，試驗(yàn)結(jié)

果表明，硝酸鹽從待處理地下水至反硝化區(qū)的擴(kuò)散速率得以提高，而且由于中空纖

維膜直徑較小，萃取膜生物反應(yīng)器中的膜比表面積較高，提高了地下水中硝酸鹽的

去除速率。

香草醛是一種稀有的香料，由于天然香草醛量少價(jià)高，故許多研究工作者利用生物

技術(shù)人工合成生物香草醛，作為天然香草醛的替代品。馮明等[16]用以PDMS復(fù)

合膜為核心的萃取式膜生物反應(yīng)器對(duì)生物香草醛進(jìn)行了生產(chǎn)分離耦合化的研究。相

較于搖瓶試驗(yàn)，產(chǎn)物的抑制和香草醛的氧化損失等方面得到了消除。

EMBR工藝過程中，膜材料將含難降解有機(jī)污染物的廢水相和含有微生物的液相

隔開，膜兩側(cè)的濃度差作為驅(qū)動(dòng)力，保證廢水相中的污染物能持續(xù)地透過膜，然后

在含有微生物的液相側(cè)，被微生物降解。采用的膜材料決定了萃取過程的性能，膜

材料一般采用致密膜（如PDMS膜，膜中無微孔，物質(zhì)僅從高分子鏈段之間的自

由空間通過）、非對(duì)稱膜（如中空纖維膜，由同一種高分子材料制成，膜的表面層

與膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不相同，表面層為0.1～0.25μm的活性層，內(nèi)部為較厚的多孔

層）。這些膜的厚度普遍在100～300μm，膜的厚度大必然導(dǎo)致通過膜的阻力大、

滲透通量小，應(yīng)用范圍小。同時(shí)高昂的價(jià)格和生物膜附著問題，進(jìn)一步影響了

EMBR的應(yīng)用及推廣。除了價(jià)格問題，膜的溶脹問題使膜的壽命受到明顯影響，

膜的透過性能等也會(huì)受到影響，因而會(huì)降低膜裝置的壽命，增加膜材料的成本。

EMBR中也存在另外一些問題需要引起注意和關(guān)注，例如污染物反向滲透的問題，

一旦生物降解單元的微生物處理效果受到影響，其內(nèi)的有機(jī)污染物積累過剩，會(huì)因

濃度差，使污染物反向滲透到膜腔內(nèi)，這影響了萃取膜生物反應(yīng)器的工業(yè)化、系統(tǒng)

化應(yīng)用。

專為EMBR工藝設(shè)計(jì)的膜材料是EMBR技術(shù)具備可行性和推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，也是

EMBR發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)[4]。理想的膜應(yīng)對(duì)待處理的難降解有機(jī)污染物有較高

的選擇透過性，且可截留無機(jī)離子和水，有強(qiáng)疏水性，同時(shí)膜阻力較小。而減小膜

阻力、提高滲透通量的最直接有效的方法就是減小膜厚度，利用由超薄硅橡膠皮層

（0.1～10μm）和多孔支撐層組成的PDMS復(fù)合膜等新型膜材料。超薄的

PDMS分離層可實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物較高的選擇透過特性和滲透通量，而支撐層可使膜

具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。近年來，針對(duì)膜萃取分離技術(shù)，已有PDMS復(fù)合膜應(yīng)用的

嘗試[17]。Xiao等[18]通過相轉(zhuǎn)化法制備平板式PDMS／PVDF雜化膜，成功在

1.0L的芳香烴膜回收系統(tǒng)（membranearomaticrecoverysystem，MARS）

中實(shí)現(xiàn)含酚廢水的高效回收，其苯酚傳質(zhì)效率為1.5×10－6m／s，與傳統(tǒng)PDMS

管式膜（1.0～3.5×10－7m／s）相比提高數(shù)倍。Daisley等[19]采用PDMS復(fù)合

膜對(duì)芳香酸廢水進(jìn)行膜萃取處理。結(jié)果表明，使用PDMS復(fù)合膜萃取廢水中苯酚

時(shí)，也發(fā)現(xiàn)膜阻力降低，苯酚的總傳質(zhì)系數(shù)和滲透通量都有很大提高。Loh等[20]

也通過在PEI中空纖維膜表面涂覆PDMS層（0.5～5μm）制備了新型PDMS復(fù)

合膜，在EMBR中可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行250h以上，且實(shí)現(xiàn)了苯酚的有效降解，其內(nèi)

的苯酚傳質(zhì)效率也增長為7.5×10－7m／s。

EMBR工藝在難降解有機(jī)物去除、有機(jī)無機(jī)復(fù)合廢水處理等方面優(yōu)勢顯著，對(duì)有

機(jī)污染物無害化處理、水資源安全保障意義重大。新型萃取復(fù)合膜材料的研發(fā)及應(yīng)

用，進(jìn)一步拓展了EMBR工藝的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，極大地突破了原有工藝的傳質(zhì)

效率瓶頸，對(duì)新型EMBR工藝的應(yīng)用推廣提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐依據(jù)。

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