王森(上海青浦排水運(yùn)營(yíng)有限公司，上海 201799)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的越發(fā)重視，污水處理廠在治理環(huán)境的過(guò)程中承擔(dān)著越來(lái)越重要的角色，隨之而來(lái)的是更嚴(yán)苛的出水水質(zhì)指標(biāo)。如何保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，成為了每個(gè)污水處理廠必須研究的課題。而科技飛躍式的發(fā)展帶來(lái)了新的技術(shù)，MBR膜工藝的廣泛運(yùn)用在一定程度上促進(jìn)了污水處理出水質(zhì)量的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

1 MBR膜工藝的發(fā)展

自1965年BLATT等[1]由聚陰離子和聚陽(yáng)離子的復(fù)合相互作用產(chǎn)物(Diaplex)形成的膜濃縮蛋白質(zhì)溶液產(chǎn)生開(kāi)始，人們就開(kāi)始了對(duì)膜技術(shù)的研究。隨著科技的發(fā)展與研究的深入，膜技術(shù)不斷成熟，膜工藝的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛。

MBR膜工藝作為新產(chǎn)生的污水處理膜技術(shù)，目前已在污水處理行業(yè)中廣泛運(yùn)用。

2 MBR膜工藝的選擇

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目原規(guī)模為7 500 m3/d，采用氧化溝工藝，于1998年建成運(yùn)行，出水執(zhí)行CJ 3025—1993排放標(biāo)準(zhǔn)(COD、BOD5、SS相當(dāng)于國(guó)標(biāo)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮 ≤ 15 mg/L)。由于設(shè)備老化嚴(yán)重，目前已無(wú)法滿足新的出水標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目綜合各項(xiàng)因素考慮，采用預(yù)處理+膜生物反應(yīng)(MBR)工藝(圖1)。設(shè)計(jì)規(guī)模15 000 m3/d,該工藝達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)達(dá)到地表水中的IV類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 工藝流程圖

2.2 MBR膜工藝膜組件的選擇

根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的位置，MBR可分為一體式和分置式：一體式MBR也被稱為浸沒(méi)式MBR，是將膜組件放置于曝氣池中的工藝模式。該種方式大幅降低了處理的能耗和占地面積，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[2]。分置式膜是把膜組件和生物反應(yīng)器分開(kāi)設(shè)置。目前世界上較多采用一體式MBR膜工藝，故本項(xiàng)目也采用一體式MBR膜工藝為主要研究對(duì)象。

3 MBR膜工藝的實(shí)際運(yùn)行

3.1 MBR膜系統(tǒng)的組成

本項(xiàng)目中的MBR膜系統(tǒng)主要由膜池、一體式MBR、曝氣系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。其中一體式MBR主要部件是PVDF復(fù)合膜組件，膜組件與產(chǎn)水管、不銹鋼膜架、曝氣管組成的膜箱。反沖洗空氣通過(guò)膜箱的不銹鋼框架連接到膜箱底部的配氣管進(jìn)行曝氣，濾出水通過(guò)膜架上的產(chǎn)水總管和膜濾池上產(chǎn)水母管連接，通過(guò)產(chǎn)水泵抽水的方式向外排水。

3.2 影響膜系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素

在正常工況下，膜系統(tǒng)的正常運(yùn)行可以保證出水水量達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)也能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。但由于膜系統(tǒng)包含的元件及設(shè)備眾多，影響膜系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素也隨之增加。

3.2.1 膜的污堵

MBR工藝中最影響膜通量的因素就是膜的污堵，其污染物質(zhì)的來(lái)源是活性污泥混合液。而混合液的性質(zhì)包括污泥濃度、污泥顆粒大小、污泥表面電荷、混合液所含膠體粒子及溶解性有機(jī)物等[3]。這些污染物質(zhì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的附著在膜絲表面導(dǎo)致膜的通量下降、產(chǎn)水效率降低。

3.2.2 膜簾的斷裂

一體式MBR由于長(zhǎng)期浸于膜池的混合液中，使用的時(shí)間一長(zhǎng)，膜簾上連接膜的塑料產(chǎn)水管不可避免的出現(xiàn)老化斷裂以及其他現(xiàn)象。每當(dāng)膜簾斷裂，膜池中的混合液就無(wú)法進(jìn)行有效的固液分離，混合液中的活性污泥及其他污染物會(huì)隨著出水一同排入水體，造成出水污染指標(biāo)(主要為化學(xué)需氧量、固體懸浮物、總磷)的升高，甚至出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

3.2.3 設(shè)備故障

膜系統(tǒng)包含的設(shè)備繁多，設(shè)備的正常運(yùn)行也是膜系統(tǒng)正常運(yùn)行的一大重要因素。在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，目前發(fā)現(xiàn)的膜系統(tǒng)設(shè)備故障主要有：自動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)故障、膜吹掃風(fēng)機(jī)故障、氣動(dòng)閥門故障、加藥設(shè)備故障等。自動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的故障可能會(huì)造成整個(gè)膜系統(tǒng)運(yùn)行癱瘓；而膜吹掃風(fēng)機(jī)的故障產(chǎn)生后膜池?zé)o法正常曝氣，池中的活性污泥活性降低，大量污泥附著在膜絲表面，造成膜的污堵；氣動(dòng)閥門在膜系統(tǒng)中用到的地方較多，產(chǎn)水管、反洗水管以及進(jìn)氣管等處都有它的身影。每當(dāng)氣動(dòng)閥門故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)顯示故障狀態(tài)，由于系統(tǒng)控制是自動(dòng)排隊(duì)進(jìn)行，如果沒(méi)有及時(shí)消除故障狀態(tài)，單個(gè)或多個(gè)膜池不能正常運(yùn)行，最終將導(dǎo)致整個(gè)膜工藝系統(tǒng)的癱瘓；加藥設(shè)備的故障導(dǎo)致維護(hù)性清洗不能正常進(jìn)行，附著在膜絲上的污染物不能有效清除，膜的通量下降。

3.3 膜的清洗

一體式MBR在進(jìn)行固液分離的同時(shí)，活性污泥及顆粒物也容易附著在膜絲表面造成膜的污堵。為保證膜的通量，需要針對(duì)不同的情況對(duì)膜進(jìn)行一般清洗(水反洗)、維護(hù)性清洗(在線化學(xué)清洗)及恢復(fù)性清洗(離線化學(xué)清洗)。

3.3.1 一般清洗(水反洗)

隨著過(guò)濾的進(jìn)行，混合液中的顆粒物會(huì)逐漸累積在膜的外表面，從而使過(guò)濾系統(tǒng)的跨膜壓差增加。水反洗就是將MBR產(chǎn)水反向透過(guò)膜絲，物理作用除去膜絲表面的沉積物，水反洗頻率一般0.5～1 h進(jìn)行一次，單次水反洗持續(xù)時(shí)間一般30～60 s(可根據(jù)膜的運(yùn)行情況適當(dāng)調(diào)整頻率及時(shí)間)，反洗通量為25～30 LMH。

3.3.2 維護(hù)性清洗(在線化學(xué)清洗)

膜系統(tǒng)的運(yùn)行中有些污染物質(zhì)會(huì)吸附在膜絲的表面，并且無(wú)法通過(guò)一般清洗(水洗)去除。對(duì)于這些被吸附的物質(zhì)，如生物粘膜等，就要通過(guò)維護(hù)性清洗(在線化學(xué)清洗)來(lái)去除。根據(jù)污染物有機(jī)性和無(wú)機(jī)性的區(qū)分，可以選擇堿洗和酸洗的方式進(jìn)行清洗。其使用的藥劑品種也較多，常用的酸、堿洗藥劑有：檸檬酸、鹽酸、次氯酸鈉。考慮到鹽酸的危險(xiǎn)性較大，本項(xiàng)目酸洗采用危險(xiǎn)性相對(duì)較小的檸檬酸，堿洗采用次氯酸鈉。

3.3.3 恢復(fù)性化學(xué)清洗(離線化學(xué)清洗)

當(dāng)系統(tǒng)的一般清洗(水反洗)和維護(hù)性清洗(在線化學(xué)清洗)沒(méi)有使膜組件的通量保持較高水平，則需要采用更為徹底的恢復(fù)性清洗(離線化學(xué)清洗)進(jìn)行恢復(fù)?；謴?fù)性化學(xué)清洗歸因于膜污染更嚴(yán)重，通過(guò)空氣沖刷與維護(hù)性清洗無(wú)法去除膜的污染?；謴?fù)性清洗需要在專用膜池內(nèi)進(jìn)行，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的化學(xué)藥劑浸泡清洗來(lái)恢復(fù)膜的通量，其同樣有堿洗和酸洗兩種方式，典型情況下采用先堿洗后酸洗的順序。通常情況下，每年完成一次恢復(fù)性化學(xué)清洗(離線化學(xué)清洗)即可，當(dāng)膜的使用年限較長(zhǎng)時(shí)，次數(shù)可能會(huì)有所增加。

3.4 系統(tǒng)故障的可能原因及簡(jiǎn)單排查

MBR膜工藝系統(tǒng)運(yùn)行正常的情況時(shí)，各項(xiàng)步驟按部就班地進(jìn)行，但該系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不能正常運(yùn)行。這時(shí)，就需要我們快速的分析可能的原因，并做出簡(jiǎn)單的排查，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行，總結(jié)了一些主要的膜工藝系統(tǒng)運(yùn)行故障，如表1所示。

表1 膜工藝系統(tǒng)運(yùn)行故障分析及排除方法

4 MBR膜工藝實(shí)際運(yùn)行后總結(jié)的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 膜工藝的優(yōu)點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池，膜工藝最大的優(yōu)勢(shì)在于固液分離的效果不依賴混合液懸浮固體的濃度或者其沉降特性，因此它具有傳統(tǒng)工藝無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

4.1.1 出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)且較穩(wěn)定

MBR膜將廢水中的懸浮物質(zhì)、生物單元流失的微生物菌、群膠體物質(zhì)與已凈化的水高效分離，出水指標(biāo)能穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)可達(dá)到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，在景觀環(huán)境用水、城市雜用水、工業(yè)用水等領(lǐng)域可直接回用，具有較高的水質(zhì)安全性。

4.1.2 工藝流程短，占地面積小

由于膜的高效固液分離作用，故不必額外單獨(dú)設(shè)立沉淀、過(guò)濾等固液分離池。處理單元內(nèi)生物量可維持較高濃度，使得容積負(fù)荷大大提高，進(jìn)一步減少基建所需占地面積。同時(shí)由于膜分離的高效性，大大縮短了處理單元水力停留時(shí)間。

4.1.3 對(duì)水質(zhì)的變化適應(yīng)力強(qiáng)，系統(tǒng)抗沖擊性強(qiáng)

膜過(guò)濾可以有效防止各種微生物菌群的流失，有利于生長(zhǎng)速度緩慢的細(xì)菌(硝化細(xì)菌等)的生長(zhǎng)。使一些大分子難降解有機(jī)物的停留時(shí)間變長(zhǎng)，有利于它們的分解，從而保證系統(tǒng)中各種代謝過(guò)程順利進(jìn)行。其膜池中的微生物濃度相對(duì)于傳統(tǒng)生物處理方法的濃度更高，膜工藝系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)變化的適應(yīng)能力也較強(qiáng)，具有較強(qiáng)的抗沖擊性。

4.1.4 污泥泥齡長(zhǎng)，污泥排放量較少

污水處理過(guò)程中將產(chǎn)生剩余污泥，這些剩余污泥須經(jīng)脫水處理后才能運(yùn)出廠區(qū)，并進(jìn)行最終處置。剩余污泥的產(chǎn)生量將影響污水廠內(nèi)污泥處理系統(tǒng)的規(guī)模和投資以及污泥的最終處置費(fèi)用。目前，剩余污泥如何有效處置是全世界的一個(gè)難題。MBR膜工藝系統(tǒng)可以在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷、長(zhǎng)泥齡條件下運(yùn)行，剩余污泥排放量約為傳統(tǒng)方法的30%～50%左右，減少了污泥處理和處置的費(fèi)用，也將在一定程度上緩解剩余污泥難有效處置的難題。

4.1.5 自動(dòng)化程度高，管理簡(jiǎn)單

MBR膜工藝系統(tǒng)運(yùn)用電腦全自動(dòng)控制，所有設(shè)備通過(guò)電腦軟件發(fā)出指令，有條不紊地控制開(kāi)停狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了高度的集成化與智能化，操作管理相對(duì)簡(jiǎn)單。

4.2 MBR膜工藝的缺點(diǎn)

MBR膜工藝有較多的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也比較明顯，主要體現(xiàn)在前期基建投資較高、運(yùn)行費(fèi)用較高、水量會(huì)根據(jù)膜工藝的運(yùn)行狀況出現(xiàn)波動(dòng)等。

4.2.1 基建投資較高

MBR膜的造價(jià)高、使用壽命短、整個(gè)膜系統(tǒng)包含的設(shè)備多，使得MBR膜工藝的基建投資高于傳統(tǒng)二級(jí)生物處理工藝。

4.2.2 運(yùn)行費(fèi)用較高

膜工藝過(guò)程中使用的膜吹風(fēng)機(jī)和出水的產(chǎn)水泵等設(shè)備導(dǎo)致電耗的增加。此外，膜通量保持正常運(yùn)行狀態(tài)所需的藥劑費(fèi)用也相對(duì)較高，使得整個(gè)工藝運(yùn)行產(chǎn)生的費(fèi)用較高。

4.2.3 產(chǎn)水量的不確定性

由于整個(gè)膜系統(tǒng)包含設(shè)備較多，部分設(shè)備故障導(dǎo)致單個(gè)或多個(gè)膜池不能正常產(chǎn)水，產(chǎn)水量也隨之下降。且采用水反洗、在線化學(xué)清洗和離線化學(xué)清洗的方式保持膜通量的正常穩(wěn)定，也會(huì)減少產(chǎn)水量，清洗頻率越高，水量減少得越明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，MBR膜工藝在污水處理行業(yè)的運(yùn)用很大程度上提高了污水處理的效果。但一切事物都有其兩面性，MBR膜工藝相比于傳統(tǒng)污水處理工藝有較大優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也存在一定的劣勢(shì)，如何取舍在于各方面因素的考量。隨著科技日新月異的發(fā)展，更多的污水處理工藝會(huì)出現(xiàn)，MBR膜工藝也會(huì)不斷地優(yōu)化更新，在污水處理行業(yè)得到更普遍的應(yīng)用，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮作用。