再生水廠MBR 工藝的膜壽命評價

王曉爽，高金華，艾 冰，付 強，常 江，甘一萍

(北京城市排水集團有限責任公司，北京 100124)

膜生物反應器(MBR)是將膜分離技術應用于污水處理領域而產生的污水處理和再生水回用工藝。由于該工藝出水品質高、所需占地面積小［1-3］等特點，從20 世紀90 年代以來得到了廣泛應用。但它始終被認為是一種高成本的工藝，主要是因為膜的初期建設投資費用高、后續膜更換費用高，以及相對傳統活性污泥法需要更高的運行能耗［4］。研究表明膜的更換周期(即膜壽命)是影響MBR 項目投資效益的最關鍵因素［4］。

目前業內對于膜壽命的定義仍未統一。在《膜分離技術術語》(GB/T 20103—2006)［5］中規定，膜壽命是在正常的使用條件下，膜或膜元件維持預定性能的時間。《中空纖維膜生物反應器組器》(HJ 2528—2012)［6］中規定，在設計運行條件下，膜元件使用壽命不低于3 年。《一體式膜生物反應器污水處理應用技術規程》(CECS152:2003)［7］中提出，當膜的運行時間達到規定的使用壽命或在使用中造成損壞，化學清洗不能恢復其功能時，應對膜進行更換。各膜生產商對膜壽命的判斷通常以膜系統的產水量或產水水質不能滿足用戶要求為準。而目前國內在該方面的研究結論也較為鮮見。

本文通過研究北京市某再生水廠已運行5 年的MBR 工藝膜系統，從不同膜壽命概念出發，利用多種方法對該廠膜壽命進行評價，為MBR 膜產品使用壽命的判定提供方法借鑒。

1 某再生水廠MBR 工藝介紹

1.1 再生水廠工程概況

北京市某再生水廠的MBR 污水處理系統于2008 年4 月建成投運，處理規模為6 ×104m3/d，設計及實際運行中進、出水水質如表1 表示。該系統的生物處理部分為UCT 工藝，由厭氧段、缺氧段和好氧段組成。膜處理部分分為8 條膜池，安裝Memcor B30R 膜組件共計4 864 個，總膜面積為182 886.4 m2，系PVDF 中空纖維膜。運行中主要采用維護性清洗(MC)和化學在線清洗(CIP)對膜進行維護。MC 清洗每周一次，采用500 ppm NaClO溶液對膜進行反洗。CIP 清洗分為CIP 氯洗和CIP酸洗。CIP 氯洗視跨膜壓差而定，一般每3 ～6 個月一次，采用1 500 ppm NaClO 溶液在膜系統內循環和浸泡2 ～3 h。CIP 酸洗每6 個月一次，采用2%檸檬酸循環和浸泡。膜系統具體設計參數如表2 表示。

表1 進、出水水質Tab.1 Water Characteristics of Influent and Effluent

表2 MBR 工藝膜系統設計參數Tab.2 Design Parameters of MBR System

1.2 膜系統運行情況

截至2013 年5 月，該MBR 系統已運行5 年，期間未對膜組件進行更換。系統運行3 年后，產水量出現較為明顯的衰減，跨膜壓差在單個CIP 清洗周期內增長迅速，運行中需要縮短清洗周期以維持產水量。

1.2.1 產水量及通量

圖1 為該膜系統產水量、CIP 清洗周期和平均通量的變化。2008 年5 月～2011 年12 月，該MBR系統能夠保持5.3 ×104m3/d 左右的日均產水能力，平均膜通量為13.8 LMH。2013 年上半年，系統日均產水量下降至3.4 ×104m3/d，平均膜通量8.9 LMH，較設計值衰減了43%。

圖1 MBR 膜系統運行情況Fig.1 Operation Conditions of MBR System

1.2.2 產水水質

由表1 中MBR 系統出水水質常規指標可知，雖然進水污染物負荷有逐年增高的趨勢，但MBR 工藝仍然保證了常規指標的穩定達標。圖2 顯示了膜產水的SS、濁度及糞大腸菌群指標，這些指標體現著膜本身的截留分離能力。出水的SS 和濁度始終比較穩定，分別小于5 mg/L 和2 NTU。糞大腸菌群自2012 年起有逐漸升高的趨勢，但基本小于500 個/L，能夠滿足出水水質要求。

圖2 MBR 膜產水水質Fig.2 Water Quality of Membrane Water Production

2 某再生水廠MBR 工藝膜壽命評價方法的研究

2.1 以產水能力和水質判斷膜壽命

膜廠商多以膜系統的產水量和產水水質不能達到設計要求作為判斷膜壽命的標準。對于該再生水廠而言，僅在2008 年8 月達到了設計日處理量6 ×104m3/d 的要求，隨后因進水水量不足未達產，直至2009 年9 月恢復到日處理量5 ×104m3/d 的水平，產水水質始終穩定達標。若依據上述膜壽命概念，得出的膜壽命結論是不合理的。

2.2 透水率衰減預測膜壽命

Fenu 等［8］認為，MBR 水廠的中空纖維膜壽命可以通過透水率的長期變化來估算。本文將透水率的衰減研究應用于再生水廠膜壽命評估，具體方法如下。

繪制再生水廠膜壽命預測圖(如圖3)，該圖分別列出了膜系統中的兩座膜池在運行5 年期間歷次化學在線清洗前后的透水率數據，這些數據已校正到最不利水溫(15 ℃)。圖中最上方的曲線為化學在線清洗后透水率可恢復的最高值的線性擬合，利用該曲線可追蹤膜的不可恢復性污染。兩座膜池內膜的不可恢復性污染形成速度分別為0. 056 和0.093 LMH/bar·d。最下方的曲線為膜在嚴重污堵的情況下在最高操作壓力(50 kPa)時的透水率，代表了透水率所能達到的最低值。由于已達到最高操作壓力，該曲線以下膜系統無法再透過更多的水量。

圖3 膜壽命預測圖Fig.3 Prediction Map of Membrane Life Span

隨著化學清洗效率越來越低，上方曲線與下方曲線的間距逐漸縮小，并最終相交于一點。在此點處，無法通過提高操作壓力得到更大的通量，也不能通過化學清洗使透水率進一步恢復。因此，此交點可視為實際意義上的膜壽命終點。由圖3 可知兩座膜池的膜壽命終點分別為運行約2 500 與2 100 d，即5.8 ～6.8 年。

2.3 累積氯接觸值法

膜供應商通常會給出膜的最大累積氯接觸值，用于衡量在膜使用期限內膜能夠承受的累積氯接觸量。Memcor 公司就B30R 膜組件給出的最大累積氯接觸值為1 000 000 ppm·h。在運行5 年后，該再生水廠的MBR 膜系統的累積氯接觸值達到250 000 ～330 000 ppm·h。若按照最大清洗頻次，即每膜池1 個月進行兩次CIP 氯洗，還能夠運行3 ～3.5 年。按此方法得出的膜壽命應為8 ～8. 5 年。而實際上，在達到該壽命年限前，該MBR 膜系統就因不可恢復性膜污染導致的透水率衰減而提前結束使用價值了。因此，累積氯接觸值法用于MBR 膜壽命評估并不理想。

2.4 膜性能檢測法

膜性能檢測是對膜所處狀態進行量化的手段，能夠最直接表征膜的優劣。膜性能檢測法是通過膜性能指標的檢測，反映出膜在使用過程中性能的劣化情況，進而根據膜性能判斷其是否能夠繼續使用。

采用0、2.5、5 年為3 個時間點，在2 號、4 號、6號、8 號膜池做化學在線清洗后，從每池中各提取一支膜組件作為檢測對象進行膜性能指標檢測。檢測項目與檢測目的如表3 所示。

表3 膜性能檢測項目、檢測目的與檢測裝置Tab.3 Test Items，Testing Purposes and Testing Facility of Membrane Performance

2.4.1 膜表面形態

將中空纖維膜絲內表面、外表面、斷面制成樣品，用掃描電子顯微鏡成像觀測，成像照片如圖4 所示。其中，外表面與內表面成像放大5 000 倍，斷面成像放大350 ～600 倍不等。

(1)新膜外表面平整光滑，可觀察到細小均勻的膜孔，內表面可觀察到清晰的海綿狀結構。由斷面結構可看出膜結構是起過濾作用的表皮層以及起支撐作用的支撐層構成，支撐層與表皮層相接處有分布均勻但大小并不一致的指狀水通道。

(2)使用2.5 年后的膜，外表面已覆蓋有污染層，局部仍可見細小膜孔，內表面存在少量污染物。

(3)使用5 年后的膜，外表面未見均勻分布的孔徑，污染層較厚。表皮層磨損嚴重，暴露出支撐層的大孔(孔徑大于10 μm)，過濾精度已不能保證。斷面支撐層膜孔狀態較好，未見明顯污染物沉積。

圖4 膜表面電鏡檢測照片Fig.4 SEM Analysis of Membrane Surface

2.4.2 膜組件純水通量

將新膜組件與使用5 年的膜組件用純水通量檢測裝置進行通量檢測，檢測結果如圖5 所示。使用5 年的膜組件透水性能衰減嚴重，在20 與50 kPa 的跨膜壓差下，純水通量分別為61.6 和92.6 LMH，較新膜組件衰減46.0%和30.7%。

圖5 膜組件純水通量曲線Fig.5 Pure Water Flux Curve of Membrane Module

2.4.3 機械強度

拉伸試驗結果如圖6 所示。抗拉強度是基于膜絲拉斷時所受的最大拉伸力的計算值，反映膜材料的斷裂抗力，其值在2.5 年時為1.94 MPa，在5 年時為1.45 MPa，分別下降到初始值(2.20 MPa)的88%和66%。伸長率是膜絲斷裂時的長度與拉伸前長度的百分比，體現膜絲抵抗變形的能力，其值在使用5 年后下降了10%。

圖6 膜的材料力學性能衰減曲線Fig.6 Decay Curve of Membrane Material Mechanical Properties

2.4.4 膜性能檢測結論

(1)膜表面由于污染物沉積、水流擾動和雜質摩擦的作用發生膜孔污染和表面磨損。膜的外表面磨損嚴重，局部表皮層已磨穿，暴露出支撐層，過濾精度已無法保證，但出水水質仍能夠滿足設計要求。

(2)使用5 年后，膜組件的純水通量較新膜組件衰減30.7% ～46.0%，直接導致膜系統產水量無法滿足設計要求。

(3)膜材料機械性能下降。膜絲抗拉強度下降到初始值的66%，若膜系統繼續運行斷絲速度會大幅增加，運行風險較大。

由于MBR 膜性能并沒有具體的標準規定其在應用中的限值，此外膜性能檢測還受到樣品檢測量和取樣代表性的影響，因此用該方法來評估膜壽命目前僅能作為一種輔助手段。在本實例中，基于膜透水性能和機械性能的大幅衰減，以及表面磨損導致過濾精度下降，已存在較大的運行風險，判定該再生水廠MBR 系統的膜壽命已到期，應進行膜組件的更換。

3 結果與討論

本文從不同的膜壽命概念，用4 種方法對MBR再生水廠的膜壽命進行了評價，并對各方法有以下結論。

(1)以系統的產水能力和產水水質來判斷膜壽命不具有通用性。對于某些設計能力不足或上游來水不穩定的膜系統，該方法就不適用。此外，對于進水超標、突發異常膜污染等運行事故，產水水量和水質短時無法達到要求，也不能就此得出膜壽命到期的結論。

(2)透水率衰減法對預測膜壽命具有指導意義。對于一個穩定的膜系統，隨著運行時間的增加，膜的不可恢復性污染逐漸積累，最直接的體現就是透水率衰減。利用透水率衰減曲線來反映膜的不可恢復性污染和膜有效過濾面積的縮小是可行的。

(3)根據累積氯接觸值法能夠得出一個膜壽命的期待值，但該值通常遠超出膜的實際使用年限，因此用于預測膜壽命并不理想。隨著累積氯接觸值的增大，膜絲與膜組件框架之間的結合逐漸減弱，膜絲容易脫出膜組件框架造成斷絲，膜絲的機械性能也會衰減［10］。但在達到最大累積氯接觸值前，膜就因為不可恢復性污染等原因失去了使用價值。

(4)膜性能檢測法可以作為判斷膜壽命的一種方法。膜性能檢測能夠定量地反映出膜絲各方面的性能變化。對長期運行的膜進行周期性的跟蹤檢測，能夠幫助運行人員對膜絲狀態有更直觀的了解，也有助于規避運行中的潛在風險。但由于業內尚缺少相關膜性能指標限值的標準，以及受樣品檢測量和取樣代表性的限制，此方法僅推薦作為判斷膜壽命的輔助手段。

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