老舊污水處理廠提標改造應用納米陶瓷平板膜的實例分析

王 磊，李卓君

(上海巴安水務股份有限公司，上海 201715)

0 引言

在我國城鎮化改革不斷推進的過程中以及在習近平總書記的“綠水青山就是金山銀山”的倡導下，我國對污水的治理與排放愈加重視，各地區逐漸提高了對污水排放指標的要求，污水處理出水水質的要求從地表水一級A 提高至準Ⅳ類，所以老舊水廠提標改造刻不容緩。但在改造方面，由于受到已建成的老舊污水廠廠區面積和資金預算的限制，達到準Ⅳ類排放標準所需進行的一般技術改造成本可能會超出實際預算，而納米陶瓷平板膜不僅可以有效地去除CODCr、氨氮，可以保證出水濁度<1 NTU[1]，而且造價低，可以有效減少改造投資的成本。此外納米陶瓷平板膜還具有高通量、化學清洗后恢復性強、出水水質好、占地面積小等原因，因此可以應用于各水廠提標改造中。

陶瓷平板膜是將無機陶瓷材料Al2O3，TiO2，ZrO2等和添加劑均勻混合，經過成型和高溫煅燒而成[2]。陶瓷膜過濾的主要機理為“篩分機理”[3]，即利用膜孔孔徑大小和污水中所含物質分子大小不同進行篩分，直徑大于膜孔孔徑的物質被攔截，而小于膜孔則會透過濾膜，這樣有目的性地使進水中的物質分離，從而水體可以得到凈化，降低污染。

納米陶瓷平板膜是在陶瓷平板膜表面涂抹一層特殊的納米材料，有效的降低了膜污染的速度，延長了陶瓷膜的使用壽命，而根據所選用納米材料的不同，還可以對一些特殊的污染物進行針對性的去除。

1 項目背景

現以我國某污水處理站提標改造項目進行分析介紹。該項目的提標改造工程分為2 期進行，一期工程設計處理能力為1 000 t/d，二期工程設計處理能力為1 200 t/d。該污水處理站主要處理小鎮居民生活污水以及小鎮旅游業帶來的餐飲垃圾廢水，在提標改造前的使用工藝為A2/O，排放標準為一級A。改造前處理情況見表1。

表1 改造前4 個月平均進出水質數據 mg·L-1

表2 一級A 和準Ⅳ類排放標準對比 mg·L-1

由表1、表2 可知，該污水處理站出水已滿足污水國家一級A 排放標準，不能滿足準Ⅳ類排放標準。該污水處理站原始占地面積較小，且業主在此次改在前曾經對污水處理站進行過改造，導致水廠可利用的面積已全部被利用。所以團隊在對其進行準Ⅳ類排放提標改造時，充分考慮占地面積限制的因素后，本著節約資金的目的，選擇將原沉淀池改造成MBR 膜池，采用納米陶瓷平板膜作為主要過濾材質。

改造后的處理工藝采用“A2/O 生化池+MBR 納米陶瓷平板膜池”，主要設備包括格柵、調節池、A2/O 生化池、MBR 納米陶瓷平板膜池。工藝流程見圖1。

圖1 水廠工藝流程

納米陶瓷平板膜組件見圖2。其中圖2（a）為單個納米陶瓷平板膜膜組件，圖2（b）為數個膜組件組合而成的納米陶瓷平板膜膜塔。

圖2 納米陶瓷平板膜示意

2 改造中存在的問題

2.1 老舊水廠歷史留存問題對膜的影響

此污水處理站除在進水井設一道粗格柵，后面的3 道平板格柵并未起到實質的過濾作用，且在以往已進行過的生化池改造中，存在大量的彈性填料掉入池底，但未清除干凈，殘留的填料等垃圾會進入膜池，在本次提標改造試運行中，膜塔因此從上到下被填料堵死。

為解決堵塞嚴重的問題，在膜池提升泵出水管路上增設過濾精度為2 mm 的快清式提籃過濾器，對來水的垃圾和懸浮物進行有效攔截。從后續運行情況看，改善效果明顯，膜池可以穩定運行。

2.2 水質對膜的影響

由于當地屬于旅游景點，存在人流量大以及飯店眾多等問題，此污水處理站除了要處理生活污水外，每日還需要處理2~4 t 的垃圾滲濾液，這也導致了膜面存在不同程度的“結痂”，從而導致污泥在“結痂”處沉積，致使膜內壓力過高，膜通量降低，致使產水量減少，導致膜組件需要頻繁清洗。

為此解決此問題，在改造中增加強力曝氣裝置。曝氣裝置為中大氣泡的穿孔管曝氣，這與微孔曝氣相比，增強了曝氣的剪切方向強度，可以改善污泥性狀，使污泥不易沉積。同時為了驗證這一方法的效果，進行了對比實驗，安裝曝氣裝置的膜池與未安裝的曝氣裝置的膜池相比，膜組件運行穩定，出水水質正常，“結痂”現象得到明顯改善，污泥沉積減少，反洗頻率和產水量恢復明顯。所以，強力曝氣裝置可以有效解決當地水質變化的問題，改善膜組件的運行環境，降低膜組件的清洗頻率。

3 水廠運行情況

3.1 納米陶瓷平板膜的處理效果

污水處理站升級改造后，在9 月1 日~10 月14日連續監測入膜池進出水CODCr濃度，結果見圖3。在連續運行接近2 個月的時間內，納米陶瓷平板膜對CODCr去除效果顯著，出水水質穩定，出水CODCr平均質量濃度在17.50 mg/L 左右。去除率穩定在81%左右。因此，納米陶瓷平板膜在去除CODCr方面具有較強的穩定性。

圖3 納米陶瓷平板膜對COD 的去除效果

納米陶瓷平板膜對TN 的去除效果見圖4。進水的TN 平均質量濃度為16.84 mg/L，使用納米陶瓷平板膜后，出水的TN 平均質量濃度為5.10 mg/L，去除率可達約70%，可見納米陶瓷平板膜對TN 去除效果明顯。

圖4 納米陶瓷平板膜對TN 的去除效果

納米陶瓷平板膜去除TP 的效果見圖5。由圖5可知，納米陶瓷平板膜對TP 的去除效果十分顯著，出水TP 的平均質量濃度可以降至約0.07 mg/L，去除率可達97%左右，滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅳ類水質標準[5]。且納米陶瓷平板膜運行效果穩定，在進水水質波動較大時依然可以保持良好的TP 去除率，有效保證了提標后出水水質良好。

圖5 納米陶瓷平板膜對TP 的去除效果

在實際運行中，同時還檢測了納米陶瓷平板膜對NH3-N 和SS 的去除效果。實際出水的NH3-N 平均質量濃度為0.11 mg/L，去除率約為77.6%；出水的SS 平均質量濃度為3.68 mg/L，去除率約為89.3%。在使用納米陶瓷平板膜進行提標改造后，所測指標均可滿足我國地表水準Ⅳ類水標準。

3.2 納米陶瓷平板膜的清洗周期

為了使納米陶瓷平板膜的運行保持穩定，定期的化學清洗必不可少。運行過程中的膜過濾壓力和通量變化見表3。

表3 納米陶瓷平板膜過濾壓力及通量

由表3 可知，在保證納米陶瓷平板膜的通量一定的情況下，膜負壓從15 400 Pa 增長至22 100 Pa，此過程時間為16 d 左右。在此之后隨著膜污染的逐漸加重，壓力也愈加增大，膜通量大幅降低導致出水水量減小，因此必須進行化學清洗。化學清洗主要使用的是次氯酸鈉和檸檬酸。次氯酸鈉的主要作用是去除納米陶瓷膜表面附著的有機物和微生物； 檸檬酸的主要作用是去除納米陶瓷膜表面的無機礦物質殘渣[6]。藥劑的儲存量按照 1 個月（30 d）計算，所使用的儲存容器為50 L 的儲罐。

經過化學清洗后，膜通量和膜壓力均可基本恢復到初始狀態。為了保證膜組件的穩定運行，避免發生不可逆的膜污染，設定的清洗周期一般為7~10 d。相比其他類型同規模的膜組件，納米陶瓷平板膜反洗周期長，運行穩定，反洗時藥劑消耗量低，有效降低了污水處理廠的運行成本和維護周期。

在9 月、10 月連續 2 個月不間斷運行中，納米陶瓷平板膜表現出了良好的穩定性。出水可以滿足準Ⅳ類水質的排放標準。為了保證運行的穩定，推薦納米陶瓷平板膜的清洗周期為7~10 d，這樣不僅可以節約藥劑的使用量而且可以降低工作人員的操作頻率，清洗完后基本可以恢復到初始通量，這也使得水廠自動化程度得到提升，操作工人僅需要定期對儀表進行檢查即可。并且由于膜組件塔占地面積小，可以利用原有構筑物進行改造，減小了對廠區面積的要求也極大的降低了改造成本。

3.3 改造后污水處理站出水

改造后污水處理站執行GB 3838—2002 《地表水環境質量標準》中準Ⅳ類水質標準。在連續穩定運行的2 個月（9~10 月）內，檢測的污水處理站出水質量情況見表4。

表4 改造前后污水處理站平均出水數據 mg·L-1

由表4 可知，經過改造后污水處理站出水水質明顯提高，可以滿足排放標準要求。

綜上，納米陶瓷平板膜不僅可以長時間穩定連續運行且水體污染處理的效果較優，出水水質滿足準Ⅳ類排放標準要求，具有一定的經濟優勢，對于全國老舊水廠提標改造具有一定的參考價值。

4 結論

（1）通過分析我國某污水處理站提標改造的案例，可知采用“A2/O 生化池+MBR 納米陶瓷平板膜池”工藝，可以穩定運行并滿足準Ⅳ類的排放標準。改造后，出水CODCr質量濃度為18 mg/L，去除率81%； 出水 NH3-N 質量濃度為 0.1 mg/L，去除率77.6%； 出水 SS 質量濃度為 4.0 mg/L，去除率89.3%； 出水 TN 質量濃度為 5.0 mg/L，去除率達70%；出水TP 質量濃度為0.07 mg/L，去除率97%。

（2）同時針對前段工藝存在可能堵塞膜組件塔的問題，可以在膜池提升泵出水管路上增設過濾器得到有效解決。對于污泥沉積在膜面結垢，可以使用穿孔曝氣，增加膜表面的剪切方向強度，使膜通量恢復。在全國污水處理廠的提標改造過程中可能遇到的問題具有一定的參考、借鑒價值。

（3）在我國目前推行準Ⅳ類排放要求的環境下，納米陶瓷平板膜依靠具有高通量、化學清洗后恢復性強、出水水質好、施工組裝方便、使用壽命高、采用公壁連接方法可以大大節省構筑物的面積，并且在正常運行過程中，基本不用吊裝維修，清洗周期長，省去了頻繁更換膜組件等一系列優勢，在老舊水廠的提標改造工程方面具有積極的、廣泛的工程借鑒意義。