污水處理中影響MBR膜工藝運行的 因素及膜工藝的優缺點

王森(上海青浦排水運營有限公司，上海 201799)

0 引言

隨著國家對生態環境的越發重視，污水處理廠在治理環境的過程中承擔著越來越重要的角色，隨之而來的是更嚴苛的出水水質指標。如何保證出水水質穩定達標，成為了每個污水處理廠必須研究的課題。而科技飛躍式的發展帶來了新的技術，MBR膜工藝的廣泛運用在一定程度上促進了污水處理出水質量的穩定達標。

1 MBR膜工藝的發展

自1965年BLATT等[1]由聚陰離子和聚陽離子的復合相互作用產物(Diaplex)形成的膜濃縮蛋白質溶液產生開始，人們就開始了對膜技術的研究。隨著科技的發展與研究的深入，膜技術不斷成熟，膜工藝的運用也越來越廣泛。

MBR膜工藝作為新產生的污水處理膜技術，目前已在污水處理行業中廣泛運用。

2 MBR膜工藝的選擇

2.1 項目概況

本項目原規模為7 500 m3/d，采用氧化溝工藝，于1998年建成運行，出水執行CJ 3025—1993排放標準(COD、BOD5、SS相當于國標二級標準，氨氮 ≤ 15 mg/L)。由于設備老化嚴重，目前已無法滿足新的出水標準，本項目綜合各項因素考慮，采用預處理+膜生物反應(MBR)工藝(圖1)。設計規模15 000 m3/d,該工藝達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準，部分指標達到地表水中的IV類水標準。

圖1 工藝流程圖

2.2 MBR膜工藝膜組件的選擇

根據膜組件和生物反應器的位置，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，具有較強的競爭力[2]。分置式膜是把膜組件和生物反應器分開設置。目前世界上較多采用一體式MBR膜工藝，故本項目也采用一體式MBR膜工藝為主要研究對象。

3 MBR膜工藝的實際運行

3.1 MBR膜系統的組成

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

3.2 影響膜系統正常運行的因素

在正常工況下，膜系統的正常運行可以保證出水水量達到設計標準，出水水質也能穩定達標。但由于膜系統包含的元件及設備眾多，影響膜系統正常運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，其污染物質的來源是活性污泥混合液。而混合液的性質包括污泥濃度、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物等[3]。這些污染物質經過長時間的附著在膜絲表面導致膜的通量下降、產水效率降低。

3.2.2 膜簾的斷裂

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

3.2.3 設備故障

膜系統包含的設備繁多，設備的正常運行也是膜系統正常運行的一大重要因素。在實際運行的過程中，目前發現的膜系統設備故障主要有：自動系統運行狀態故障、膜吹掃風機故障、氣動閥門故障、加藥設備故障等。自動系統運行的故障可能會造成整個膜系統運行癱瘓；而膜吹掃風機的故障產生后膜池無法正常曝氣，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；氣動閥門在膜系統中用到的地方較多，產水管、反洗水管以及進氣管等處都有它的身影。每當氣動閥門故障時，控制系統會顯示故障狀態，由于系統控制是自動排隊進行，如果沒有及時消除故障狀態，單個或多個膜池不能正常運行，最終將導致整個膜工藝系統的癱瘓；加藥設備的故障導致維護性清洗不能正常進行，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在進行固液分離的同時，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，需要針對不同的情況對膜進行一般清洗(水反洗)、維護性清洗(在線化學清洗)及恢復性清洗(離線化學清洗)。

3.3.1 一般清洗(水反洗)

隨著過濾的進行，混合液中的顆粒物會逐漸累積在膜的外表面，從而使過濾系統的跨膜壓差增加。水反洗就是將MBR產水反向透過膜絲，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進行一次，單次水反洗持續時間一般30～60 s(可根據膜的運行情況適當調整頻率及時間)，反洗通量為25～30 LMH。

3.3.2 維護性清洗(在線化學清洗)

膜系統的運行中有些污染物質會吸附在膜絲的表面，并且無法通過一般清洗(水洗)去除。對于這些被吸附的物質，如生物粘膜等，就要通過維護性清洗(在線化學清洗)來去除。根據污染物有機性和無機性的區分，可以選擇堿洗和酸洗的方式進行清洗。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。考慮到鹽酸的危險性較大，本項目酸洗采用危險性相對較小的檸檬酸，堿洗采用次氯酸鈉。

3.3.3 恢復性化學清洗(離線化學清洗)

當系統的一般清洗(水反洗)和維護性清洗(在線化學清洗)沒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性清洗(離線化學清洗)進行恢復。恢復性化學清洗歸因于膜污染更嚴重，通過空氣沖刷與維護性清洗無法去除膜的污染。恢復性清洗需要在專用膜池內進行，通過長時間的化學藥劑浸泡清洗來恢復膜的通量，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，每年完成一次恢復性化學清洗(離線化學清洗)即可，當膜的使用年限較長時，次數可能會有所增加。

3.4 系統故障的可能原因及簡單排查

MBR膜工藝系統運行正常的情況時，各項步驟按部就班地進行，但該系統是一個較為復雜的系統，當系統發生故障時，不能正常運行。這時，就需要我們快速的分析可能的原因，并做出簡單的排查，使系統恢復正常運行。本項目經過幾年的運行，總結了一些主要的膜工藝系統運行故障，如表1所示。

表1 膜工藝系統運行故障分析及排除方法

4 MBR膜工藝實際運行后總結的優缺點

4.1 膜工藝的優點

相較于傳統活性污泥工藝中的二沉池，膜工藝最大的優勢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，因此它具有傳統工藝無法比擬的優點。

4.1.1 出水水質達標且較穩定

MBR膜將廢水中的懸浮物質、生物單元流失的微生物菌、群膠體物質與已凈化的水高效分離，出水指標能穩定達到國家一級A標準，部分指標可達到地表水IV類標準，在景觀環境用水、城市雜用水、工業用水等領域可直接回用，具有較高的水質安全性。

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，故不必額外單獨設立沉淀、過濾等固液分離池。處理單元內生物量可維持較高濃度，使得容積負荷大大提高，進一步減少基建所需占地面積。同時由于膜分離的高效性，大大縮短了處理單元水力停留時間。

4.1.3 對水質的變化適應力強，系統抗沖擊性強

膜過濾可以有效防止各種微生物菌群的流失，有利于生長速度緩慢的細菌(硝化細菌等)的生長。使一些大分子難降解有機物的停留時間變長，有利于它們的分解，從而保證系統中各種代謝過程順利進行。其膜池中的微生物濃度相對于傳統生物處理方法的濃度更高，膜工藝系統對水質變化的適應能力也較強，具有較強的抗沖擊性。

4.1.4 污泥泥齡長，污泥排放量較少

污水處理過程中將產生剩余污泥，這些剩余污泥須經脫水處理后才能運出廠區，并進行最終處置。剩余污泥的產生量將影響污水廠內污泥處理系統的規模和投資以及污泥的最終處置費用。目前，剩余污泥如何有效處置是全世界的一個難題。MBR膜工藝系統可以在高容積負荷、低污泥負荷、長泥齡條件下運行，剩余污泥排放量約為傳統方法的30%～50%左右，減少了污泥處理和處置的費用，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 自動化程度高，管理簡單

MBR膜工藝系統運用電腦全自動控制，所有設備通過電腦軟件發出指令，有條不紊地控制開停狀態，實現了高度的集成化與智能化，操作管理相對簡單。

4.2 MBR膜工藝的缺點

MBR膜工藝有較多的優點，但其缺點也比較明顯，主要體現在前期基建投資較高、運行費用較高、水量會根據膜工藝的運行狀況出現波動等。

4.2.1 基建投資較高

MBR膜的造價高、使用壽命短、整個膜系統包含的設備多，使得MBR膜工藝的基建投資高于傳統二級生物處理工藝。

4.2.2 運行費用較高

膜工藝過程中使用的膜吹風機和出水的產水泵等設備導致電耗的增加。此外，膜通量保持正常運行狀態所需的藥劑費用也相對較高，使得整個工藝運行產生的費用較高。

4.2.3 產水量的不確定性

由于整個膜系統包含設備較多，部分設備故障導致單個或多個膜池不能正常產水，產水量也隨之下降。且采用水反洗、在線化學清洗和離線化學清洗的方式保持膜通量的正常穩定，也會減少產水量，清洗頻率越高，水量減少得越明顯。

5 結語

綜上所述，MBR膜工藝在污水處理行業的運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膜工藝相比于傳統污水處理工藝有較大優勢的同時，也存在一定的劣勢，如何取舍在于各方面因素的考量。隨著科技日新月異的發展，更多的污水處理工藝會出現，MBR膜工藝也會不斷地優化更新，在污水處理行業得到更普遍的應用，在生態環境保護中發揮作用。