膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)于20 世紀(jì)60 年代開始應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域,經(jīng)美國(guó)和日本的開發(fā)和研究,MBR 在廢水處理領(lǐng)域逐漸成為主流處理技術(shù)之一〔1-3〕?我國(guó)對(duì)MBR 的應(yīng)用研究始于20 世紀(jì)90年代初, 目前已有數(shù)百套MBR 系統(tǒng)應(yīng)用于各種廢水處理工藝中〔4-5〕?與傳統(tǒng)工藝相比MBR 具有明顯的優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在占地面積小,污染物去除率高,污泥濃度高?泥齡長(zhǎng)且產(chǎn)泥量少,產(chǎn)水水質(zhì)好并可回用,抗沖擊能力強(qiáng),規(guī)模和控制比較靈活等方面?使用MBR 工藝處理石化廢水, 必須根據(jù)實(shí)際情況采取適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行管理措施,同時(shí)控制好膜污染速率,才能充分發(fā)揮MBR 工藝的優(yōu)勢(shì),以達(dá)到降低成本,提高處理量的目的?

　　1 工藝概況

　　惠州大亞灣石化區(qū)綜合污水處理廠為石化區(qū)內(nèi)進(jìn)駐企業(yè)提供污水處理服務(wù)?該污水處理廠采用MBR 工藝,要求出水水質(zhì)必須達(dá)到《廣東省水污染排放限值》(DB 4426—2001)第二時(shí)段一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求?該廠進(jìn)水水質(zhì)及排放標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示?

　　該污水處理廠工藝流程見圖1?

　　該廠所用MBR 膜組件產(chǎn)自日本旭化成公司,其核心聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜是一種耐物理沖擊且化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)良微濾膜,孔徑為0.1~0.2 μm?MBR 單個(gè)膜組件由約3 000 根膜絲及附屬零配件組成,有效膜表面積為25 m2,最高耐受壓差為300 kPa,工作壓差為80 kPa 以下,使用溫度在40 ℃以下?若干個(gè)膜組件組合在一個(gè)膜架中,若干膜架組成一個(gè)污水處理膜組,運(yùn)行膜組的數(shù)量主要根據(jù)水量的變化以及膜組狀況而定?

　　2 MBR 工藝的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

　　大亞灣石化區(qū)綜合污水處理廠所接收石化廢水的特點(diǎn):(1)含有大量毒性化合物(如酚類?胺類?醚類?苯類?含硫化合物等);(2)難降解有機(jī)物(如甲苯?苯烯烴?烷烴?多環(huán)芳烴?單環(huán)芳烴及其衍生物等)含量高;(3)可生化性差,用傳統(tǒng)生化工藝處理該廢水存在COD?色度去除效果差等缺點(diǎn);(4)存在較大程度的沖擊負(fù)荷,含鹽度高,不利于生化處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行?

　　2.1 膜組產(chǎn)水周期的設(shè)置

　　根據(jù)膜組件生產(chǎn)廠家的使用說明和工藝設(shè)計(jì)設(shè)定的運(yùn)行條件,膜組產(chǎn)水周期為10 min,其中過濾產(chǎn)水9 min,膜組反洗1 min?膜組在此模式下運(yùn)行可保持良好的穩(wěn)定性,膜的過濾壓力,即膜壓差(TMP)增長(zhǎng)緩慢,有利于工藝系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行?為檢驗(yàn)不同產(chǎn)水周期對(duì)膜組穩(wěn)定運(yùn)行的影響,且達(dá)到提高產(chǎn)水量的目的,該廠對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?實(shí)驗(yàn)所用兩個(gè)膜組為A 膜組和B 膜組,每個(gè)膜組由7 個(gè)膜架組成,兩個(gè)膜組使用年限?運(yùn)行參數(shù)設(shè)置相同,運(yùn)轉(zhuǎn)情況?膜絲狀況相近?其中A 膜組產(chǎn)水周期仍為10 min(產(chǎn)水9 min,反洗1 min),B 膜組產(chǎn)水周期設(shè)置為13 min(產(chǎn)水12 min,反洗1 min)?通過一段時(shí)間的運(yùn)行和觀察,結(jié)果見圖2?

　　由圖2 可以看出,兩個(gè)膜組的膜壓差變化情況基本相同,只是在實(shí)驗(yàn)后期,B 膜組的膜壓差超過A膜組5 kPa 左右?鑒于兩個(gè)膜組的運(yùn)行效果相近,膜壓的差別較小,延長(zhǎng)產(chǎn)水周期是可行的,而膜壓差的控制可通過增大曝氣量,增強(qiáng)膜絲的吹掃抖動(dòng)力度來解決?通過此實(shí)驗(yàn),在總生產(chǎn)成本不變的情況下,單個(gè)膜組的產(chǎn)水量提高了2.55%,單位污水處理成本下降了2.48%?

　　2.2 膜組產(chǎn)水量的設(shè)置通過延長(zhǎng)膜組產(chǎn)水周期, 雖然提高了單個(gè)膜組產(chǎn)水量,但增量有限,不能滿足實(shí)際的生產(chǎn)需要,因此,提高產(chǎn)水量參數(shù)勢(shì)在必行?但提高產(chǎn)水量,需要與其他運(yùn)行參數(shù)聯(lián)動(dòng)調(diào)試, 以避免威脅工藝的穩(wěn)定運(yùn)行以及加快膜組的折舊?這些參數(shù)包括曝氣量?污泥濃度?運(yùn)行液位?污水性質(zhì)?溶解氧濃度等?據(jù)此,該廠以C 膜組為實(shí)驗(yàn)?zāi)そM, 其構(gòu)成與A?B 膜組相同,只是使用年限較短(1 a),具體實(shí)驗(yàn)情況如下?

　　C 膜組產(chǎn)水周期為13 min, 前期產(chǎn)水量設(shè)置為50 m3/h,單個(gè)膜組件曝氣量為4.17 m3/h,污泥質(zhì)量濃度為1 700 mg/L, 溶解氧質(zhì)量濃度為2.20 mg/L 左右?運(yùn)行10 個(gè)月后,對(duì)C 膜組進(jìn)行離線化學(xué)藥劑清洗工作,使之恢復(fù)到初始的膜壓差?然后保持產(chǎn)水周期不變,產(chǎn)水量設(shè)置為60 m3/h,單個(gè)膜組件曝氣量為5.36 m3/h,污泥質(zhì)量濃度為3 000 mg/L,溶解氧質(zhì)量濃度為2.60 mg/L 左右,MBR 生化池液位提高0.1 m?運(yùn)行觀察10 個(gè)月后,對(duì)比參數(shù)設(shè)置前后的膜壓差變化情況,結(jié)果見圖3?

　　由圖3 可以看出, 二者的膜壓差變化速率基本一致,在運(yùn)行的后期隨著膜壓差的增大,產(chǎn)水量大的膜組被污染速度較快?這一點(diǎn)也不難理解,較大的產(chǎn)水量,勢(shì)必加大了膜組的過水通量,污染物在膜表面的沉積作用也相應(yīng)增大,但總體看來,只要維護(hù)及時(shí)到位,這種變化是可控的,不會(huì)對(duì)膜組的使用狀況和壽命造成較大影響?

　　對(duì)于C 膜組,通過對(duì)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行適度的調(diào)整,在產(chǎn)水周期13 min,產(chǎn)水量60 m3/h 條件下,取得了產(chǎn)水量增長(zhǎng)23.05%, 成本下降18.74%的良好效果(相對(duì)產(chǎn)水周期10 min,產(chǎn)水量50 m3/h 而言)?參數(shù)調(diào)整后主要水質(zhì)指標(biāo)去除率情況如圖4 所示?

　　從參數(shù)調(diào)整期間的運(yùn)行效果來看, 處理后的產(chǎn)水COD 去除率為85%~93%,磷酸鹽去除率為80%~97%,氨氮去除率為78%~99%?整體上COD 的去除率穩(wěn)定,磷酸鹽和氨氮的去除率波動(dòng)較大,這主要是由于進(jìn)水的COD 含量波動(dòng)相對(duì)較小,而磷酸鹽和氨氮含量波動(dòng)較大?通過不間斷地監(jiān)測(cè)和分析,產(chǎn)水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)的要求?參數(shù)調(diào)整后的運(yùn)行狀況符合工藝要求?

　　2.3 膜組反洗設(shè)置

　　該廠在運(yùn)行初期按照自動(dòng)化程序的設(shè)置, 執(zhí)行了膜組在線反洗程序,但在隨后的實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),剛剛過濾后的產(chǎn)水即被打回膜組進(jìn)行在線反洗工作存在很大的風(fēng)險(xiǎn):一是產(chǎn)水潔凈度不夠,難以取得良好的效果; 二是一旦有膜組損壞而導(dǎo)致部分產(chǎn)水未被過濾,污染物及污泥顆粒進(jìn)入產(chǎn)水,用此水進(jìn)行反洗勢(shì)必造成膜絲從內(nèi)部堵塞, 嚴(yán)重影響膜組的安全運(yùn)行?為杜絕此安全隱患,該廠在程序中取消了在線反洗,在每個(gè)產(chǎn)水周期中,原有的1 min 反洗被代之以1 min 的停止產(chǎn)水, 即以間歇產(chǎn)水的方式來保持膜組的穩(wěn)定運(yùn)行?從圖2 和圖3 可以看出,停止此反洗程序?qū)δそM的穩(wěn)定運(yùn)行影響不大?隨著膜組的不斷老化,膜壓差上升的速率不斷加快,就需要加大清洗的頻次,這時(shí)只能采取離線化學(xué)藥劑清洗措施,雖然清洗徹底,但也操作繁雜,對(duì)正常的生產(chǎn)運(yùn)行影響較大?對(duì)此有采取MBR 工藝的污水處理廠做了改進(jìn),如設(shè)計(jì)了在線藥劑反洗系統(tǒng)或凈水反洗系統(tǒng)等?

　　3 MBR 工藝的膜組污染控制

　　3.1 膜組污染控制的4 個(gè)方面

　　一般情況下, 膜組的污染控制主要從4 個(gè)方面考慮:廢水的預(yù)處理?膜本身的性質(zhì)?活性污泥的性質(zhì)以及MBR 的運(yùn)行條件,四者相互影響,共同決定膜組的運(yùn)行狀況?廢水預(yù)處理可以直接改善水的狀況,減少懸浮物及其他污染物含量,從源頭上降低膜組污染的速率; 膜材質(zhì)決定了膜的親水性和膜孔隙率,膜孔的尺寸則會(huì)影響膜壓差的大小;反應(yīng)器的構(gòu)造與錯(cuò)流速率(CFV)將影響到活性污泥中胞外聚合物(EPS)的生成?污泥絮體結(jié)構(gòu)和大小以及溶解物的性質(zhì);MBR 中的HRT/SRT 則直接影響到污泥的濃度和EPS 的形成與生長(zhǎng)〔6〕?膜污染的影響因素如圖5 所示?

　　3.2 預(yù)處理措施粗?細(xì)格柵是控制膜組污染的第一道措施,粗格柵?細(xì)格柵柵孔尺寸分別為15?5 mm?由于石化廢水本身固體懸浮污染物含量較少,經(jīng)過格柵處理后,廢水中的懸浮污染物可去除80%以上,避免了這些污染物在膜組件內(nèi)部蓄積?在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),膜組件內(nèi)部固體懸浮物較少,膜絲呈現(xiàn)垂順狀,沒有出現(xiàn)處理生活廢水后的雨傘狀乍起?

　　3.3 膜材質(zhì)對(duì)膜組污染控制的影響該廠采用的膜材質(zhì)為聚偏氟乙烯(PVDF),具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性?耐輻射性和耐熱性,但這種材質(zhì)疏水性極強(qiáng),易產(chǎn)生吸附污染,維護(hù)保養(yǎng)成本較高,限制了其在污水處理中的大規(guī)模應(yīng)用?該廠在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),在膜壓差處于高位時(shí),膜絲表面形成了污泥濾餅層,大量膜絲被濾餅黏連在一起,使得內(nèi)部膜絲不能起到過濾污水的作用, 為了維持設(shè)定的產(chǎn)水量,膜絲就會(huì)被施以更大的過膜壓力,使膜絲黏連情況更加嚴(yán)重, 最后只能通過人工清理加化學(xué)藥劑清洗的方式去除濾餅層, 以恢復(fù)整個(gè)膜組的過水通量?為了減弱膜的疏水性,有學(xué)者通過研究認(rèn)為,可合成兩親聚合物作為添加劑與PVDF 原料共混制膜,可有效改善膜的性能〔7〕?

　　3.4 污泥方面的措施

　　為有效控制膜組污染, 必須選擇合適的污泥濃度?MBR 工藝有利于在高污泥濃度狀況下運(yùn)行,因而污泥負(fù)荷較低,較低的污泥負(fù)荷,一方面可以使產(chǎn)生的剩余污泥量減少從而降低了處置費(fèi)用, 但另一方面使得污泥齡變長(zhǎng)?較長(zhǎng)的污泥齡有利于世代期較長(zhǎng)的細(xì)菌生長(zhǎng)(如硝化菌),但過長(zhǎng)的污泥齡會(huì)使微生物產(chǎn)生出可溶性代謝產(chǎn)物(SMP)?若大分子的SMP 被截留在MBR 中一方面會(huì)污染膜, 另一方面SMP 會(huì)吸附在氣—水兩相的界面上導(dǎo)致氧傳遞率的降低, 而小分子的SMP 則會(huì)穿過膜進(jìn)入產(chǎn)水,導(dǎo)致產(chǎn)水水質(zhì)變差?低污泥負(fù)荷還會(huì)使污泥產(chǎn)生EPS,使混合液的黏度升高, 從而導(dǎo)致污泥的脫水性能變差,膜過濾阻力變大〔8〕?該廠根據(jù)石化廢水的性質(zhì)和實(shí)際運(yùn)行情況, 在膜組工作區(qū)域選擇維持了不高的污泥質(zhì)量濃度(3 000 mg/L 左右),以保持膜壓差的平穩(wěn),并減少濾餅層的形成?

　　3.5 運(yùn)行條件方面的措施

　　該廠通過長(zhǎng)時(shí)間的摸索和對(duì)比, 并結(jié)合水質(zhì)情況和工藝系統(tǒng)的運(yùn)行狀況, 主要采取了如下幾項(xiàng)措施:(1)在約1 000 m3 的膜組工作區(qū)內(nèi),安裝了A?B?C 3 個(gè)膜組,避免過高的裝填度;(2)在滿足生產(chǎn)要求的前提下,對(duì)每個(gè)膜組設(shè)定合適的膜通量,使用年限較長(zhǎng)的A?B 膜組設(shè)定產(chǎn)水量為40 m3/h,年限較短的C 膜組產(chǎn)水量為60 m3/h;(3)保持穩(wěn)定的污泥濃度,3 000 mg/L 左右,并及時(shí)更新污泥,防止EPS 和絲狀菌的大量產(chǎn)生;(4)保持較大的曝氣量,單個(gè)膜組件曝氣量為5~6 m3/h, 以確保池內(nèi)水體的高度紊動(dòng),控制濾餅層在膜絲表面的形成;(5)每個(gè)產(chǎn)水周期停止產(chǎn)水1 min,以利于膜絲在擾動(dòng)水流的作用下抖落吸附在表面的污染物;(6)定期對(duì)膜組進(jìn)行離線化學(xué)藥劑清洗工作,以徹底清除膜絲表面污染物,恢復(fù)初始膜壓差?具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　(1)為了適應(yīng)進(jìn)水質(zhì)和量的變化,在確保產(chǎn)水達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上, 通過不斷優(yōu)化調(diào)整MBR 運(yùn)行參數(shù),既可以提高工藝系統(tǒng)處理能力,又能夠降低生產(chǎn)成本,是MBR 工藝運(yùn)行管理的核心內(nèi)容?

　　(2)采取合適的膜組污染控制措施是確保MBR工藝系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ), 在運(yùn)行參數(shù)調(diào)整的同時(shí),務(wù)必要考慮到對(duì)膜組污染的影響,如果調(diào)整后的參數(shù)加快了膜組的污染, 又不能通過管理和技術(shù)手段使之減緩和恢復(fù),則不能采用,反之則可行?

　　(3)使用MBR 工藝處理石化廢水具有穩(wěn)定?高效的特點(diǎn),具有傳統(tǒng)工藝所無法比擬的優(yōu)點(diǎn),如污泥濃度高?產(chǎn)水水質(zhì)好?抗沖擊能力強(qiáng)等,是處理類似工業(yè)廢水的有效方法