1 引言
棉纺织行业为保证印染工艺的顺利进行，之前需对织造好的纯棉或棉混纺纤维等布料，进行一系列包括烧毛、退浆、煮练、漂白、丝光等[1～3]工序的预处理，在此过程中产生一定量的印染前处理废水。印染前处理废水水量较小，仅占印染厂生产废水的3%左右，但由于其COD含量极高、可生化性较差(pH：12～14)、且水质易波动、成分复杂等因素，是印染废水污染负荷的重要构成部分，处理难度较大。目前大多数厂家是将前处理废水与印花、染色废水混合后集中处理，但这给混合印染废水处理带来很大的污染负荷冲击，增加了混合废水的处理难度，降低了处理效果，造成印染厂污水处理出水难以达标排放的现状。
膜生化反应器(MBR)是生物反应器和膜分离技术相结合的新型废水处理工艺[6～7]。与传统的生物处理方法相比，具有生化效率高、抗负荷冲击能力强、占地面积小、排泥周期长、易实现自动化控制等优点[8～9]，是废水处理新技术的发展方向之一。本文即是结合某棉纺织厂印染前处理废水的样例，经水解酸化至pH值适宜生物降解后，研究棉纺织印染前处理废水的水质特性与降解特性，实验分析MBR工艺对其实际的处理效果，优化工艺参数，为进一步工业化应用提供一些参考性数据。
2 实验准备
2.1 膜组件
实验用膜组件技术参数如表1所示。
2.2 废水水质实验用废水水质状况如表2所示。
2.3 计算方法
膜生物反应器的处理效果以COD的去除率为评价指标。MBR中生物、膜及系统COD去除率分别由公式
(1)、
(2)、
(3)计算：
η1=(C1-C2)/C1
(1)
η2=(C2-C3)/C2
(2)
η=(C1-C3)/C1
(3)
式中：C1、C2、C3分别表示MBR进水COD浓度、MBR上清液COD浓度及MBR出水COD浓度。
*本实验COD均指CODCr
3 工艺流程
实验装置流程如图1所示。
膜生物反应器4是容积为18L的圆柱体有机玻璃水箱，内径11cm，高度50cm；反应器内置膜组件5，膜丝材质为聚丙烯，规格见表1；气体流量计2控制曝气强度，液体流量计9控制膜出水的流量；真空泵11为膜出水提供抽吸压力，真空压力表10显示膜的抽吸压差，泵上接一三通以控制抽吸压力的大小，时间继电器12用于控制泵的抽停时间；膜出水进入出水瓶13中，由于在泵停止抽吸时出水瓶易发生倒吸现象，另设一取水瓶14，用于分析用水的提取。
4 实验结果与讨论
4.1 MLSS对COD去除率的影响
控制生物反应器中的DO含量在2.5mg/L左右，在24h水力停留时间下，逐渐提高MLSS浓度，考察MLSS对COD去除率的影响。
由图2可以看出，在考察周期的前期，MLSS较低，COD去除率不是很高，因为污泥浓度较低，处理负荷增大，因而去除效果并不理想。可以看出，COD去除率在MLSS为18mg/L时最高，达到85%左右，增大MLSS浓度至22gmg/L的区段内，COD去除率变化不大。但继续增大MLSS浓度，COD去除率呈下降趋势，去除效果逐渐远离峰值。理论上MLSS越高，F/M越低，去除效果越好；但实验证明MLSS不能过高，过高易造成污泥之间对营养物质与溶解氧形成竞争，使反应器中积累大量死细菌及其残留物，降低反应器效率，导致COD去除率不高，而且太高的MLSS会导致膜污染加剧、减小MBR的出水通量，本实验将MLSS控制在20mg/L左右比较适宜。
4.2 HRT对COD去除率的影响
HRT是MBR工艺操作运行可行性的重要技术参数。控制膜生物反应器中MLSS和DO分别维持在20mg/L和2.5mg/L，真空泵的抽停时间按照膜组件供应商的建议设定为工作15min，停留5min，在室温25℃条件下考察HRT对COD去除效果的影响。
图3可知，水力停留时间经12h，MBR系统COD生物去除率在50%左右，膜分离去除率达62%，最终出水COD在1000mg/L以下，COD去除率在80%以上。延续水力停留时间分别为18、24、30和36h时，图3表明，生物单元COD去除率处于不断上升阶段，膜分离去除率则与之相反，逐步降低；而系统COD总去除率则稳定在85%左右，说明膜对COD的去除率与生物去除率呈互补关系，对保障MBR系统COD去除率的稳定起到了关键作用。由图3还可以看出，水力停留时间为24h时，COD生物去除率达62%，继续延长HRT对COD生物单元去除率影响不大。
4.3 Nv对COD去除率的影响
保持MLSS、DO等操作参数稳定，以水力停留时间作为周期，调节进水COD值在一定范围内波动，考察不同Nv对COD去除率的影响。
由图4可以看出，Nv在1.0～3.0KgCOD.m-3.d-1范围内波动时，系统COD去除率随Nv变化波动很大，MBR上清液出水水质极不稳定，虽然有膜分离去除的互补作用，但系统总的出水水质波动较大。实验表明，Nv的急剧波动，不但使生物处理单元不能产生应有的效率，而且使膜污染加剧，寿命缩短。实验表明，MBR工艺Nv取2.0Kg-COD.m-3.d-1左右时，系统不仅具有较强的抗负荷冲击能力，且能充分发挥生物处理单元的效能，保证出水水质稳定。
4.4 DO对COD去除效果的影响
DO对膜生物反应器运行效果有着重要的影响。合理地控制系统的曝气强度，既可使反应器中泥水混合物具有足够的紊动强度，又可给反应器中的污泥提供足够多的溶解氧，保证系统的处理效果。
图5可知，对膜来说，当反应器中的DO控制在1.5～3.5mg/L范围内，DO越高，COD去除率越高，当DO超高3.5mg/L后，COD去除率反而呈下降趋势；而对生物来说，当反应器中的DO控制在2.5～4.5mg/L范围内时，DO越高，COD去除率反而越低，这是因为当DO太高时，反应器中的紊动强度太大，易对絮状污泥造成较大的冲击，难以使污泥保持絮状颗粒状态，且较大的曝气量会消耗更多的能量，是一种不经济的选择，所以，综合考虑，选取最佳DO为2.5mg/L。
4.5 水温对COD去除效果的影响
水温(T)是影响活性污泥存活性状的一项重要指标，一般而言，当水温在20～30℃范围时比较适宜于微生物的生存，高于35℃或者低于15℃，微生物的活性就会比较差。由于棉纺织印染前处理加工工序都是在高温条件下进行，原水温度一般都较高，在60℃左右，所以在MBR中，调节合适的水温是可行的。
由表3可知，T对系统中生物去除效果有比较大的影响，生物部分COD去除率在42%～68%之间变化。在15～30℃范围内，水温越高，COD去除率越高，当T超过30℃后，生物去除率呈下降趋势。有研究表明，温度的变化会引起混合液黏度的变化，提高温度有利于膜分离，温度升高1℃可以使膜的通水量增加2%(体积分数)。但在本实验温度范围内，温度对膜的COD去除率影响并不明显，所以控制在27℃左右为宜。
5 结论
(1)运用MBR工艺处理印染前废水，针对水质样例COD4000～7000mg/L，得出优化的工艺参数为：MLSS20g/L，HRT24h，Nv2.0KgCOD.m-3.d-1，DO2.5mg/L及T27℃，在此工艺条件下，MBR系统COD去除率在80%以上，出水COD在1000mg/L以下。
(2)结果表明，用MBR预处理印染前废水，可以有效去除COD，缓解混合印染废水处理中污染负荷的波动冲击。但膜易污染及寿命周期短的问题较突出，有待进一步研究。
