平板陶瓷膜應用于市政污水處理中試研究

程海峰，孟佳陽，方 芳，范小江，胡 昌，梅愛華，夏仁潔

（1.張家港市水務局，江蘇 蘇州 215600；2.深圳市華遠環(huán)境科技有限公司，廣東 深圳 518055；3.張家港市給排水有限公司，江蘇 蘇州 215600）

前言

近十年來，得益于國家和各級地方政府的重視，我國水污染防治工作得到快速發(fā)展，城鎮(zhèn)污水處理設施建設與改造加快，水環(huán)境質(zhì)量和水生態(tài)明顯改善。我國的污水處理技術借鑒了大量的國外先進經(jīng)驗，并結合國內(nèi)的實際情況不斷改進，形成了適合我國實際情況的污水處理工藝，呈現(xiàn)出百家爭鳴的情況[1]。

膜生物反應器（MBR）工藝將膜分離技術與活性污泥法相結合，實現(xiàn)水力停留時間（HRT）和污泥停留時間(SRT)的分別燮制，同時解決了傳統(tǒng)活性物理法存在的污泥膨脹、污泥濃度低等因素造成的出水水質(zhì)不達標等問題，且具有出水水質(zhì)好、節(jié)省占地、運行穩(wěn)定、自動化程度高等優(yōu)點[2]，在污水處理及其提標中得到廣泛應用。目前MBR 工藝應用中超濾膜以中空纖維膜為主，還有一小部分為有機平板膜。有機膜一般使用壽命5 年左右[3]，膜更換頻繁導致運營成本升高。此外，有機膜耐污染性能一般，在線維護性化學清洗操作頻繁，一定程度上影響產(chǎn)水效率及膜使用壽命[4]。

與有機膜相比，平板陶瓷膜具有機械強度高、運行通量高、耐污染、使用壽命長等優(yōu)點，開始在MBR工藝中得到應用[5]，隨著國產(chǎn)化水平的進一步提高和成本的降低，其在MBR 工藝中的應用優(yōu)勢將更加明顯。

本研究采用國產(chǎn)平板陶瓷膜，研究其在市鎮(zhèn)污水處理中的處理效果、運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟成本，以期為納米平板陶瓷膜在市鎮(zhèn)污水處理中的大規(guī)模應用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

平板陶瓷膜生物反應器中試試驗規(guī)模為100 m3/d，試驗時間長10 個月，從冬季12 月開始。中試設備進水為張家港市某污水廠生化池進水，具體試驗進水水質(zhì)指標見表1。

表1 試驗原水水質(zhì)

1.2 中試裝置與工藝流程

中試工藝流程如圖1 所示，該工藝系統(tǒng)主要由原水提升泵、兼氧池、缺氧池、膜池（好氧池）和清水池組成。污水廠沉砂池出水在原水提升泵的作用下進入兼氧池，由生化池風機向兼氧池供氣，通過兼氧池內(nèi)的在線DO 儀燮制風機的頻率使兼氧池DO 濃度維持在0.6～1.0 mg/L。兼氧池出水進入缺氧池，池內(nèi)布置有攪拌機維持污泥的流動性。缺氧池出水進入膜池，由膜擦洗風機向膜組件曝氣，曝氣量為120 m3/h，膜池DO濃度基本保持在3 mg/L 以上。水在抽吸泵的作用下經(jīng)平板陶瓷膜過濾進入清水池。在膜池內(nèi)還布置有回流泵，將膜池混合液回流至兼氧池，回流比為300%。整個系統(tǒng)由PLC 自動燮制，根據(jù)液位和流量燮制水泵和閥門的啟停。兼氧池、缺氧池、膜池的水力停留時間分別為2.5 h、4.4 h 和3.1 h。

圖1 中試工藝流程和平板陶瓷膜圖片

試驗采用的陶瓷膜為張家港市華遠環(huán)境科技有限公司的產(chǎn)品，共分為3 個膜組件，每個組件含100片陶瓷膜，過濾面積50 m2，共計150 m2，膜片規(guī)格參數(shù)見表2 所示。

表2 平板陶瓷膜參數(shù)

1.3 分析項目與檢測方法

CODCr經(jīng)微波消解后采用HACH DR3900 快速測定儀檢測；氨氮采用納氏試劑比色法檢測，TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法檢測，TP 采用鉬酸銨分光廣度法檢測，SS 采用重量法進行檢測。DO、ORP、跨膜壓差、流量、液位等采用在線傳感器進行檢測。

2 結果與討論

2.1 污染物去除率（COD氨氮、TN、TP、SS）

圖2 所示為平板陶瓷膜MBR 工藝對CODCr的去除效果。可以看出，試驗期間進水CODCr濃度范圍為80～273mg/L，平均進水濃度160.3 mg/L。中試設備出水CODCr的濃度低于20 mg/L，平均出水濃度12 mg/L，達到地表III 類水標準，出水水質(zhì)受進水濃度波動影響較小，耐沖擊燮荷能力強。從季節(jié)上看，冬季時中試設備對CODCr平均去除率（90.5%）略低于春節(jié)（93.2%）和夏季（94%），這可能是冬季水溫較低，微生物活性相對較低所致。

圖2 CODCr 的去除效果

陶瓷膜MBR 中試對氨氮的去除效果如圖3 所示，試驗期間設備進水氨氮濃度為11～53 mg/L，平均進水濃度30.4 mg/L，陶瓷平板膜MBR 出水氨氮濃度穩(wěn)定低于1.0 mg/L，平均濃度為0.3 mg/L，去除率高于90%，出水水質(zhì)達到地表III 類水標準。

圖3 氨氮的去除效果

圖4 為平板陶瓷膜MBR 工藝對TN 的去除效果。從圖中可以看出，進水TN 濃度為13～54 mg/L，平均進水濃度31.8 mg/L，陶瓷膜MBR 出水TN 濃度低于10 mg/L，平均出水濃度6.6 mg/L。去除率方面，陶瓷膜CMBR 中試冬季對TN 平均去除率為68.6%，比春季（78.1%）和夏季（78.5%）低，這主要是由于冬季水溫低，反硝化細菌活性相對較低所致。

圖4 TN 的去除效果

由圖5 可知，平板陶瓷膜MBR 中試進水TP 濃度為1.3～7 mg/L，平均進水濃度3.5 mg/L，陶瓷膜MBR出水TP 濃度為0.1～1.3 mg/L，平均濃度0.42 mg/L。結合運行期間可以看出，在污泥濃度上升階段MBR 出水TP 濃度基本低于0.3 mg/L，在污泥濃度維持穩(wěn)定階段出水TP 濃度達到1.0 mg/L 左右。單獨的生化除磷不能滿足出水要求，需增加化學除磷。

圖5 TP 的去除效果

2.2 運行情況

陶瓷膜MBR 試驗MLSS 的啟動濃度為8 000 mg/L，第55 天濃度上升至15 014 mg/L，根據(jù)污泥增長速率制定排泥計劃，每天排泥0.3 m3，將MLSS 濃度燮制在15 000 mg/L 左右。

試驗啟動期，陶瓷膜MBR 膜通量由15LMH 提升至35LMH，跨膜壓差從-4.1 kPa 上升至-13.5 kPa，第32 天開始，將膜通量提高至40LMH，跨膜壓差穩(wěn)定在-14～-16 kPa，在線化學清洗周期維持30 d 以上。

3 結論

平板陶瓷膜MBR 對COD、氨氮、TN 的去除效果穩(wěn)定，出水COD 濃度低于20 mg/L，氨氮濃度低于1 mg/L，TN 濃度低于10 mg/L，出水水質(zhì)達到回用要求。受生物除磷效率的影響，MBR 出水TP 需要增加化學除磷才能達到0.3 mg/L 的排放要求。膜系統(tǒng)運行通量可達40LMH，MLSS 濃度可達15 000 mg/L，系統(tǒng)污泥減量效果明顯。