污水处理中影响MBR膜工艺运行的 因素及膜工艺的优缺点

王森(上海青浦排水运营有限公司，上海 201799)

0 引言

随着国家对生态环境的越发重视，污水处理厂在治理环境的过程中承担着越来越重要的角色，随之而来的是更严苛的出水水质指标。如何保证出水水质稳定达标，成为了每个污水处理厂必须研究的课题。而科技飞跃式的发展带来了新的技术，MBR膜工艺的广泛运用在一定程度上促进了污水处理出水质量的稳定达标。

1 MBR膜工艺的发展

自1965年BLATT等[1]由聚阴离子和聚阳离子的复合相互作用产物(Diaplex)形成的膜浓缩蛋白质溶液产生开始，人们就开始了对膜技术的研究。随着科技的发展与研究的深入，膜技术不断成熟，膜工艺的运用也越来越广泛。

MBR膜工艺作为新产生的污水处理膜技术，目前已在污水处理行业中广泛运用。

2 MBR膜工艺的选择

2.1 项目概况

本项目原规模为7 500 m3/d，采用氧化沟工艺，于1998年建成运行，出水执行CJ 3025—1993排放标准(COD、BOD5、SS相当于国标二级标准，氨氮 ≤ 15 mg/L)。由于设备老化严重，目前已无法满足新的出水标准，本项目综合各项因素考虑，采用预处理+膜生物反应(MBR)工艺(图1)。设计规模15 000 m3/d,该工艺达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准，部分指标达到地表水中的IV类水标准。

图1 工艺流程图

2.2 MBR膜工艺膜组件的选择

根据膜组件和生物反应器的位置，MBR可分为一体式和分置式：一体式MBR也被称为浸没式MBR，是将膜组件放置于曝气池中的工艺模式。该种方式大幅降低了处理的能耗和占地面积，具有较强的竞争力[2]。分置式膜是把膜组件和生物反应器分开设置。目前世界上较多采用一体式MBR膜工艺，故本项目也采用一体式MBR膜工艺为主要研究对象。

3 MBR膜工艺的实际运行

3.1 MBR膜系统的组成

本项目中的MBR膜系统主要由膜池、一体式MBR、曝气系统、加药系统及自动控制系统等组成。其中一体式MBR主要部件是PVDF复合膜组件，膜组件与产水管、不锈钢膜架、曝气管组成的膜箱。反冲洗空气通过膜箱的不锈钢框架连接到膜箱底部的配气管进行曝气，滤出水通过膜架上的产水总管和膜滤池上产水母管连接，通过产水泵抽水的方式向外排水。

3.2 影响膜系统正常运行的因素

在正常工况下，膜系统的正常运行可以保证出水水量达到设计标准，出水水质也能稳定达标。但由于膜系统包含的元件及设备众多，影响膜系统正常运行的因素也随之增加。

3.2.1 膜的污堵

MBR工艺中最影响膜通量的因素就是膜的污堵，其污染物质的来源是活性污泥混合液。而混合液的性质包括污泥浓度、污泥颗粒大小、污泥表面电荷、混合液所含胶体粒子及溶解性有机物等[3]。这些污染物质经过长时间的附着在膜丝表面导致膜的通量下降、产水效率降低。

3.2.2 膜帘的断裂

一体式MBR由于长期浸于膜池的混合液中，使用的时间一长，膜帘上连接膜的塑料产水管不可避免的出现老化断裂以及其他现象。每当膜帘断裂，膜池中的混合液就无法进行有效的固液分离，混合液中的活性污泥及其他污染物会随着出水一同排入水体，造成出水污染指标(主要为化学需氧量、固体悬浮物、总磷)的升高，甚至出现超标现象。

3.2.3 设备故障

膜系统包含的设备繁多，设备的正常运行也是膜系统正常运行的一大重要因素。在实际运行的过程中，目前发现的膜系统设备故障主要有：自动系统运行状态故障、膜吹扫风机故障、气动阀门故障、加药设备故障等。自动系统运行的故障可能会造成整个膜系统运行瘫痪；而膜吹扫风机的故障产生后膜池无法正常曝气，池中的活性污泥活性降低，大量污泥附着在膜丝表面，造成膜的污堵；气动阀门在膜系统中用到的地方较多，产水管、反洗水管以及进气管等处都有它的身影。每当气动阀门故障时，控制系统会显示故障状态，由于系统控制是自动排队进行，如果没有及时消除故障状态，单个或多个膜池不能正常运行，最终将导致整个膜工艺系统的瘫痪；加药设备的故障导致维护性清洗不能正常进行，附着在膜丝上的污染物不能有效清除，膜的通量下降。

3.3 膜的清洗

一体式MBR在进行固液分离的同时，活性污泥及颗粒物也容易附着在膜丝表面造成膜的污堵。为保证膜的通量，需要针对不同的情况对膜进行一般清洗(水反洗)、维护性清洗(在线化学清洗)及恢复性清洗(离线化学清洗)。

3.3.1 一般清洗(水反洗)

随着过滤的进行，混合液中的颗粒物会逐渐累积在膜的外表面，从而使过滤系统的跨膜压差增加。水反洗就是将MBR产水反向透过膜丝，物理作用除去膜丝表面的沉积物，水反洗频率一般0.5～1 h进行一次，单次水反洗持续时间一般30～60 s(可根据膜的运行情况适当调整频率及时间)，反洗通量为25～30 LMH。

3.3.2 维护性清洗(在线化学清洗)

膜系统的运行中有些污染物质会吸附在膜丝的表面，并且无法通过一般清洗(水洗)去除。对于这些被吸附的物质，如生物粘膜等，就要通过维护性清洗(在线化学清洗)来去除。根据污染物有机性和无机性的区分，可以选择碱洗和酸洗的方式进行清洗。其使用的药剂品种也较多，常用的酸、碱洗药剂有：柠檬酸、盐酸、次氯酸钠。考虑到盐酸的危险性较大，本项目酸洗采用危险性相对较小的柠檬酸，碱洗采用次氯酸钠。

3.3.3 恢复性化学清洗(离线化学清洗)

当系统的一般清洗(水反洗)和维护性清洗(在线化学清洗)没有使膜组件的通量保持较高水平，则需要采用更为彻底的恢复性清洗(离线化学清洗)进行恢复。恢复性化学清洗归因于膜污染更严重，通过空气冲刷与维护性清洗无法去除膜的污染。恢复性清洗需要在专用膜池内进行，通过长时间的化学药剂浸泡清洗来恢复膜的通量，其同样有碱洗和酸洗两种方式，典型情况下采用先碱洗后酸洗的顺序。通常情况下，每年完成一次恢复性化学清洗(离线化学清洗)即可，当膜的使用年限较长时，次数可能会有所增加。

3.4 系统故障的可能原因及简单排查

MBR膜工艺系统运行正常的情况时，各项步骤按部就班地进行，但该系统是一个较为复杂的系统，当系统发生故障时，不能正常运行。这时，就需要我们快速的分析可能的原因，并做出简单的排查，使系统恢复正常运行。本项目经过几年的运行，总结了一些主要的膜工艺系统运行故障，如表1所示。

表1 膜工艺系统运行故障分析及排除方法

4 MBR膜工艺实际运行后总结的优缺点

4.1 膜工艺的优点

相较于传统活性污泥工艺中的二沉池，膜工艺最大的优势在于固液分离的效果不依赖混合液悬浮固体的浓度或者其沉降特性，因此它具有传统工艺无法比拟的优点。

4.1.1 出水水质达标且较稳定

MBR膜将废水中的悬浮物质、生物单元流失的微生物菌、群胶体物质与已净化的水高效分离，出水指标能稳定达到国家一级A标准，部分指标可达到地表水IV类标准，在景观环境用水、城市杂用水、工业用水等领域可直接回用，具有较高的水质安全性。

4.1.2 工艺流程短，占地面积小

由于膜的高效固液分离作用，故不必额外单独设立沉淀、过滤等固液分离池。处理单元内生物量可维持较高浓度，使得容积负荷大大提高，进一步减少基建所需占地面积。同时由于膜分离的高效性，大大缩短了处理单元水力停留时间。

4.1.3 对水质的变化适应力强，系统抗冲击性强

膜过滤可以有效防止各种微生物菌群的流失，有利于生长速度缓慢的细菌(硝化细菌等)的生长。使一些大分子难降解有机物的停留时间变长，有利于它们的分解，从而保证系统中各种代谢过程顺利进行。其膜池中的微生物浓度相对于传统生物处理方法的浓度更高，膜工艺系统对水质变化的适应能力也较强，具有较强的抗冲击性。

4.1.4 污泥泥龄长，污泥排放量较少

污水处理过程中将产生剩余污泥，这些剩余污泥须经脱水处理后才能运出厂区，并进行最终处置。剩余污泥的产生量将影响污水厂内污泥处理系统的规模和投资以及污泥的最终处置费用。目前，剩余污泥如何有效处置是全世界的一个难题。MBR膜工艺系统可以在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄条件下运行，剩余污泥排放量约为传统方法的30%～50%左右，减少了污泥处理和处置的费用，也将在一定程度上缓解剩余污泥难有效处置的难题。

4.1.5 自动化程度高，管理简单

MBR膜工艺系统运用电脑全自动控制，所有设备通过电脑软件发出指令，有条不紊地控制开停状态，实现了高度的集成化与智能化，操作管理相对简单。

4.2 MBR膜工艺的缺点

MBR膜工艺有较多的优点，但其缺点也比较明显，主要体现在前期基建投资较高、运行费用较高、水量会根据膜工艺的运行状况出现波动等。

4.2.1 基建投资较高

MBR膜的造价高、使用寿命短、整个膜系统包含的设备多，使得MBR膜工艺的基建投资高于传统二级生物处理工艺。

4.2.2 运行费用较高

膜工艺过程中使用的膜吹风机和出水的产水泵等设备导致电耗的增加。此外，膜通量保持正常运行状态所需的药剂费用也相对较高，使得整个工艺运行产生的费用较高。

4.2.3 产水量的不确定性

由于整个膜系统包含设备较多，部分设备故障导致单个或多个膜池不能正常产水，产水量也随之下降。且采用水反洗、在线化学清洗和离线化学清洗的方式保持膜通量的正常稳定，也会减少产水量，清洗频率越高，水量减少得越明显。

5 结语

综上所述，MBR膜工艺在污水处理行业的运用很大程度上提高了污水处理的效果。但一切事物都有其两面性，MBR膜工艺相比于传统污水处理工艺有较大优势的同时，也存在一定的劣势，如何取舍在于各方面因素的考量。随着科技日新月异的发展，更多的污水处理工艺会出现，MBR膜工艺也会不断地优化更新，在污水处理行业得到更普遍的应用，在生态环境保护中发挥作用。