MBＲ工(gōng)藝運行(xíng)優化(huà)措施和膜污染控制(zhì)
摘 要(yào): MBＲ工(gōng)藝因爲出水(shuǐ)水(shuǐ)質好，迎合了特許經營服務協議對水(shuǐ)質标準提高(gāo)的要(yào)求，然而其能耗高(gāo)以及用于脫氮除磷的化(huà)學藥劑費(fèi)等會(huì)增加污水(shuǐ)廠的可(kě)控成本。以北(běi)京某 10 × 104 m3 /d MBＲ工(gōng)藝再生水(shuǐ)廠爲例，從(cóng)優化(huà)控制(zhì)溶解氧入手，對氣水(shuǐ)比、水(shuǐ)力停留時間(jiān)、污泥濃度等關鍵因素進行(xíng)管理，在高(gāo)效脫氮、生物(wù)除磷和節能降耗方面取得較好的效果。另外(wài)，從(cóng)化(huà)學清洗、膜吹掃、鼓風機風量配置、膜池進水(shuǐ)量、膜洩漏等方面介紹了膜的抗污染和穩定運行(xíng)的措施。
1 工(gōng)藝簡介
1. 1 改擴建背景
北(běi)京某再生水(shuǐ)廠投産于 1990 年，處理規模爲4 × 104 m3/d，采用 AO 工(gōng)藝，2008 年改造爲 AAO 工(gōng)藝，同時擴建了 6 × 104 m3 /d 規模處理設施，采用MBＲ 工(gōng)藝，其中 1 × 104m3 /d MBＲ 出水(shuǐ)進一步反滲透處理，總規模爲 10 × 104 m3 /d，共用一套預處理設施，出水(shuǐ)水(shuǐ)質一次性達到回用要(yào)求，可(kě)向奧林匹克森(sēn)林公園地(dì)區提供城市綠(lǜ)化(huà)、住宅區沖廁等用途的市政雜用水(shuǐ)，及向奧運湖等河湖水(shuǐ)系定期補、換水(shuǐ)。
2012 年改造 4 × 104 m3 /d AAO 工(gōng)藝爲 MBＲ 工(gōng)藝，2014 年 6 × 104 m3 /d 膜 系 統 換 膜，2015 年嘗試對6 ×104 m3 /d 膜系統在未投加碳源條件(jiàn)下脫氮。2016年特許經營服務協議簽訂後要(yào)求更穩定的水(shuǐ)質，因此改造增加 6 ×104 m3 /d 碳源投加系統，導緻運行(xíng)成本提高(gāo)。2017 年采取措施控氧脫氮，效果較好。
1. 2 工(gōng)藝流程
污水(shuǐ)在集水(shuǐ)池經 8 mm 格栅後由提升泵提升至出水(shuǐ)井，進入曝氣沉砂池，然後分(fēn)别經過 1 mm 細格栅進入6 × 104 m3 /d 系列 MBＲ 和3 mm + 1 mm 的細格栅進入 4 × 104 m3 /d 系列 MBＲ。
再生水(shuǐ)廠工(gōng)藝流程見(jiàn)圖 1。
爲避免曝氣後含氧高(gāo)的回流混合液影響前端脫氮效果，膜池混合液采用三級回流，先回流到好氧池末端，回流比爲 500% ; 厭氧段的出水(shuǐ)進入缺氧段，好氧段的混合液 400% ～ 500% 回流到此進行(xíng)反硝化(huà)反應，缺氧段到厭氧段回流比約 100% 。好氧段采用類似氧化(huà)溝的方式，混合液在渠道(dào)內(nèi)不(bù)斷循環流動。
進、出水(shuǐ)水(shuǐ)質見(jiàn)表 1。
2 溶解氧控制(zhì)措施及效果
運行(xíng)實踐表明，從(cóng)溶解氧入手進行(xíng)工(gōng)藝調控簡單有效，方便實施，出水(shuǐ)水(shuǐ)質穩定。可(kě)用出水(shuǐ)氨氮間(jiān)接表示溶解氧量，出水(shuǐ)氨氮爲 0． 5 ～ 1． 0 mg /L 都視(shì)爲安全達标區域，出水(shuǐ)氨氮 ＜ 0． 5 mg /L 表明此時溶解氧或者氣水(shuǐ)比可(kě)适當降低(dī)，反之亦然。此時溶解氧在 1． 5 ～ 3． 5 mg /L 合理範圍內(nèi)。
2. 1 脫氮
早在 2015 年，經過優化(huà)調節溶解氧控制(zhì)氨氮在合理範圍的方法，獲得較好的脫氮效果，較低(dī)的溶解氧有利于缺氧區的反硝化(huà)脫氮，在沒有外(wài)加碳源的情況下出水(shuǐ)總氮可(kě)以達标。出水(shuǐ)總氮月平均值如表2 所示。
6 × 104m3 /d MBＲ 系列因爲建設早，未投加碳源，出水(shuǐ)平均值略高(gāo)。4 × 104m3/d MBＲ 系列生物(wù)池缺氧區設置了碳源投加系統，當反硝化(huà)過程中偶爾出現(xiàn)碳源不(bù)足時可(kě)補充碳源。醋酸鈉碳源投加率爲 23． 5 mg /L。
2016 年初開(kāi)始執行(xíng)特許經營服務協議，爲了獲得更穩定、更好的出水(shuǐ)水(shuǐ)質，6 × 104 m3/d MBＲ 系列提标改造，增加了外(wài)碳源投加系統，當年用于碳源和化(huà)學除磷藥劑的費(fèi)用超過千萬元，在運行(xíng)費(fèi)用中占比高(gāo)達 25% ，占動力費(fèi)用的一半多(duō)，僅次于鼓風機電(diàn)耗。
2. 3 生物(wù)除磷
在生物(wù)除磷無法滿足要(yào)求時，可(kě)向污水(shuǐ)中投加濃度爲 10% 的液體(tǐ) PAC( 按 Al2O3 計) 。受當前國(guó)家(jiā)控制(zhì)産能政策綜合因素影響，用于聚合氯化(huà)鋁生産的原材料( 鋁礦土(tǔ)和鋁酸鈣等) 價格上漲，生産廢渣在原材料産地(dì)堆積易造成二次污染; 藥劑質量欠佳，容易堵塞管路(lù); 首都大(dà)型活動期間(jiān)供貨車輛進京受限，廠區內(nèi)的藥罐受到占地(dì)限制(zhì)需采用轉運形式，擴容後需一天 2 次 30 min 頻繁操作等，上述因素給依賴化(huà)學藥劑控制(zhì)出水(shuǐ)達标的污水(shuǐ)廠帶來(lái)了不(bù)穩定的因素，可(kě)見(jiàn)生物(wù)除磷對穩定運行(xíng)意義重大(dà)。
在 MBＲ 工(gōng)藝中，通(tōng)過雙向優化(huà)控制(zhì) DO 實現(xiàn)生物(wù)除磷，此時溶解氧 DO 的阈值範圍較窄，爲 2 ～ 3mg /L，需要(yào)精細化(huà)及時調節。當 DO 較低(dī)時通(tōng)過抑制(zhì)硝化(huà)進程來(lái)完成生物(wù)除磷。當然并不(bù)是(shì)一味降低(dī)生物(wù)池 DO，除磷菌是(shì)兼性菌，好氧池 DO 過低(dī)，活性污泥會(huì)發黑，影響好氧過程磷的吸收。除了調節鼓風機開(kāi)度，還可(kě)通(tōng)過增加剩餘污泥排放量達到系統增氧，反之亦然，進而實現(xiàn) DO 的雙向控制(zhì)。
當好氧區末端 DO ＞ 4． 0 mg /L 時出水(shuǐ)總磷容易升高(gāo)，此時生物(wù)除磷調控不(bù)能通(tōng)過剩餘污泥排放完成。随着生物(wù)池曝氣量降低(dī)總磷會(huì)逐漸下降，氣水(shuǐ)比由 11 調整爲 7( 見(jiàn)表 3) 。爲了更快(kuài)降低(dī)出水(shuǐ)總磷，實際運行(xíng)管理中還會(huì)通(tōng)過減少剩餘污泥的排放，用增加污泥濃度的方式增加系統需氧量，進而減少DO 強化(huà)生物(wù)除磷。此時如果增加剩餘污泥排放量反而會(huì)使 DO 和出水(shuǐ)總磷升高(gāo)。
表 3 表明，4 × 104m3 /d 系列 MBＲ 每日剩餘污泥排放量基本穩定不(bù)變，但(dàn)是(shì)出水(shuǐ)總磷變化(huà)趨勢卻因爲氣水(shuǐ)比的下降由超标轉爲達标。分(fēn)析認爲剩餘污泥排放量增加是(shì)相(xiàng)
對增加系統內(nèi) DO，有利于硝化(huà)進程，不(bù)利于磷的去除，反之亦然。2015 年至今，通(tōng)過雙向優化(huà)控制(zhì) DO和剩餘污泥的合理排放實現(xiàn)了階段性生物(wù)除磷。
3 其他工(gōng)藝因素的優化(huà)控制(zhì)
3. 1 根據季節轉換優化(huà)污泥濃度和污泥負荷運行(xíng)
出水(shuǐ)總磷、氨氮等随着季節轉換會(huì)有較大(dà)變化(huà)，應根據季節采取不(bù)同的污泥負荷和污泥濃度的控制(zhì)策略優化(huà)運行(xíng)。
污泥負荷低(dī)時參與反應的生物(wù)量相(xiàng)對多(duō)，此時能耗和成本也會(huì)增加，爲克服透水(shuǐ)率異常衰減需提高(gāo)膜曝氣量，導緻鼓風機能耗增加。當污泥負荷在設計值 0． 059 kgBOD5 /( kgMLSS·d) 附近，MBＲ 工(gōng)藝可(kě)以穩定運行(xíng)。當污泥負荷 ＞ 0． 064 kgBOD5 /( kgMLSS·d) 時，池面白(bái)色泡沫增多(duō)，調控難度增加。較低(dī)的污泥濃度雖然有利于膜池透水(shuǐ)率的正常衰減，卻容易使生物(wù)系統遭到破壞，脫氮除磷機理也不(bù)适用。出水(shuǐ) COD 穩定也有賴于足夠的生物(wù)量，兼顧生物(wù)系統和膜池兩者的穩定運行(xíng)，生物(wù)池 MLSS爲 6 000 ～ 9 000 mg /L 較爲合理。冬季水(shuǐ)溫 ＜ 12 ℃時，生物(wù)系統的硝化(huà)作用受到抑制(zhì)，MLSS 不(bù)宜低(dī)于7 000 mg /L，膜池污泥濃度很(hěn)容易超出 12 000mg /L，避免因膜池污泥濃度過高(gāo)和出水(shuǐ)水(shuǐ)質的變化(huà)，發生不(bù)可(kě)逆的膜污染加劇和透水(shuǐ)率衰減，此時還需增加膜吹掃氣量耗能來(lái)抵抗膜污染。在好氧池硝化(huà)速率較高(gāo)的夏季，采用較低(dī)的生物(wù)池污泥濃度( 6 000 mg /L) 運行(xíng)，有利 于節能降耗和降低(dī)膜污染。
3. 2 進水(shuǐ)量和水(shuǐ)力停留時間(jiān)
爲實現(xiàn)脫氮除磷，MBＲ厭氧段和缺氧段的停留時間(jiān)總和占到生物(wù)池總停留時間(jiān)的 40% ～ 50% ，比傳統 A2O 工(gōng)藝占比大(dà)。MBＲ 工(gōng)藝在高(gāo)容積負荷、低(dī)污泥負荷、長泥齡下運行(xíng)，抗污染負荷沖擊能力強，受膜通(tōng)量的限制(zhì)，抗水(shuǐ)量負荷沖擊弱。進水(shuǐ)量變化(huà)會(huì)影響出水(shuǐ)水(shuǐ)質和膜污染。進水(shuǐ)量過高(gāo)會(huì)加速膜污染，當水(shuǐ)量超負荷運行(xíng) 4 h 以上，常規在線化(huà)學反洗在恢複通(tōng)量方面效果變差，所以要(yào)延長膜的使用壽命還需嚴格控制(zhì) MBＲ 進水(shuǐ)量。小(xiǎo)規模 MBＲ 工(gōng)藝對停留時間(jiān)變化(huà)更敏感，例如 6 × 104 m3/d MBＲ系列在 4、5 月進水(shuǐ)停留時間(jiān)不(bù)足 13． 2 h( 低(dī)于設計值) 時出水(shuǐ)出現(xiàn)異常，4 × 104 m3 /d MBＲ 系列生物(wù)池停留時間(jiān)稍長，約 17． 6 h，出水(shuǐ)相(xiàng)對穩定。設計停留時間(jiān)短(duǎn)的系統要(yào)完成充分(fēn)的硝化(huà)需要(yào)更高(gāo)的氣水(shuǐ)比和更高(gāo)的能耗，所以小(xiǎo)型水(shuǐ)廠停留時間(jiān)稍長更有利于穩定運行(xíng)。
4 膜污染控制(zhì)措施和效果
4. 1 化(huà)學清洗與膜吹掃
連續産水(shuǐ)膜過濾壓力逐漸升高(gāo)，抗膜污染多(duō)以化(huà)學反洗和離(lí)線清洗來(lái)解決，化(huà)學反洗 3 ～ 7 天一次，可(kě)解決膜的輕度污染，離(lí)線清洗每年兩次。不(bù)可(kě)逆的膜污染大(dà)多(duō)源于吹掃不(bù)足，如 2008 年 6 × 104m3 /d MBＲ 系列開(kāi)始運行(xíng)，2009 年最大(dà)平均産水(shuǐ)能力爲 4． 6 × 104 m3 /d，以後逐年下降，最高(gāo)僅達到設計能力的 82% ，運行(xíng)到第 5 年操作壓力最高(gāo)到 50kPa，化(huà)學清洗後透水(shuǐ)率高(gāo)點僅爲 700 L /( ㎡·h·MPa) ，最低(dī)衰減到 200 L /( ㎡·h·MPa) ，已經無法通(tōng)過提高(gāo)操作壓力達到最大(dà)的通(tōng)量，也不(bù)能通(tōng)過有效的化(huà)學清洗恢複透水(shuǐ)率。膜吹掃氣量不(bù)足是(shì)造成膜污染不(bù)可(kě)逆的主要(yào)原因。2014 年 6 × 104 m3 /d 系列換膜，與 4 × 104 m3 /d 系列對比見(jiàn)表 4。
運行(xíng)初期膜吹掃系統鼓風機 3 用 3 備，總氣量爲 36 000 m3/h，膜吹掃量爲 0． 21 m3/( ㎡·h) ，運行(xíng)一個月膜絲表面積泥嚴重，透水(shuǐ)率衰減嚴重，平均每天透水(shuǐ)率下降超過 10 L /( ㎡ ·h·MPa) 。圖 2是(shì)膜吹掃氣量不(bù)足導緻的膜絲表面積泥，用人(rén)工(gōng)沖洗加上化(huà)學浸泡清洗恢複透水(shuǐ)率、膜通(tōng)量的效果并不(bù)理想。
透水(shuǐ)率最低(dī)衰減到 400 L /( ㎡ ·h·MPa) ，停産進行(xíng)離(lí)線化(huà)學清洗，即人(rén)工(gōng)沖洗之後用 1% 氫氧化(huà)鈉 + 2 000 mg /L 次氯酸鈉洗浸泡 10 h，曝氣，pH值爲 12． 1。然後以 1% 檸檬酸浸泡、曝氣，pH 值爲 3． 4，透水(shuǐ)率可(kě)恢複到平均 1 850 L /( ㎡·h·MPa) ，效果較好。但(dàn)是(shì)由于吹掃氣量不(bù)足，洗後運透水(shuǐ)率最低(dī)衰減到 400 L /( ㎡ ·h·MPa) ，停産進行(xíng)離(lí)線化(huà)學清洗，即人(rén)工(gōng)沖洗之後用 1% 氫氧化(huà)鈉 + 2 000 mg /L 次氯酸鈉洗浸泡 10 h，曝氣，pH值爲 12． 1。然後以 1% 檸檬酸浸泡、曝氣，pH 值爲 3． 4，透水(shuǐ)率可(kě)恢複到平均 1 850 L /( ㎡ ·h·MPa) ，效果較好。但(dàn)是(shì)由于吹掃氣量不(bù)足，洗後運行(xíng)一周透水(shuǐ)率迅速衰減。
針對這(zhè)一狀況采取措施，2015 年 7 月增開(kāi)一台膜吹掃風機，由 3 用 3 備改爲 4 用 2 備，總氣量爲 41 000 ～ 43 000 m3 /h，此時單位膜面積吹掃氣量提高(gāo)到 0． 25 m3 /( ㎡ ·h) ，膜池污泥濃度 12 000mg /L，膜污染得到及時有效的控制(zhì)，透水(shuǐ)率衰減正常。膜吹掃氣量充足還可(kě)抗水(shuǐ)量負荷的波動。
4. 2 合理配置鼓風機氣量
4 × 104 m3 /d MBＲ 系列生物(wù)池設計需氣量爲17 649 Nm3 /h，實 際 需 氣 量 爲 7 000 ～ 11 000Nm3 /h，6 × 104 m3/d MBＲ系列生物(wù)池設計需氣量爲 37 600 Nm3/h，實 際 需 氣 量 爲 12 000 ～ 18 000Nm3/h。
4 × 104 m3/d MBＲ 系列和 6 × 104 m3 /d MBＲ系列生物(wù)池共用一套鼓風機系統，采用單級高(gāo)速離(lí)心鼓風機 3 台，風量爲 508 m3 /min，實際使用 1 用 2備，全年 2 /3 時間(jiān)由一台鼓風機提供最高(gāo)約 23 000m3 /h 的風量給全廠好氧池曝氣，其餘時間(jiān) 2 用 1 備運行(xíng)，可(kě)見(jiàn)設計需氣量和實際需氣量有較大(dà)差異。
膜擦洗鼓風機設計上稍顯不(bù)足，例如 6 × 104 m3/dMBＲ 系列膜擦洗是(shì) 4 用 1 備，鼓風機風量爲 228m3 /min; 4 × 104 m3 /d MBＲ 系列膜擦洗鼓風機 3 台，單台風量 Q = 180 m3 /min，由于沒有備用鼓風機，當有故障時，膜池隻能減産。
5 膜洩漏和解決措施
膜池取代傳統二沉池進行(xíng)泥水(shuǐ)分(fēn)離(lí)後，污泥上浮和膨脹不(bù)再影響出水(shuǐ)水(shuǐ)質，雖然不(bù)受污泥沉降性能限制(zhì)和影響，但(dàn)是(shì)膜池洩漏會(huì)引起出水(shuǐ)異常。初期洩漏一般不(bù)容易察覺，但(dàn)是(shì)會(huì)引起出水(shuǐ)如總磷等指标的攀升，如果不(bù)能及時判斷采取措施會(huì)最終導緻超标，錯失調控的良機。這(zhè)種情況一般發生在離(lí)線清洗後，由于安裝不(bù)到位或者膜局部損壞所緻。
斷裂的膜絲增多(duō)時會(huì)在投入産水(shuǐ)的初期出水(shuǐ)混濁，但(dàn)是(shì)随着産水(shuǐ)不(bù)斷進行(xíng)，斷絲處會(huì)很(hěn)快(kuài)被高(gāo)濃度的膜池混合液堵塞住，最終不(bù)會(huì)影響到産水(shuǐ)水(shuǐ)質。
解決措施: 根據出水(shuǐ)水(shuǐ)質變化(huà)進行(xíng)分(fēn)析，在線儀表失靈的情況下也适用。4 月 17 日有一組膜池離(lí)線清洗恢複運行(xíng)，次日出水(shuǐ)總磷持續上升，總氮、氨氮指标相(xiàng)對穩定，總氮不(bù)随總磷一起上升，初步判斷不(bù)是(shì)由于溶解氧過高(gāo)所緻，而是(shì)與膜池物(wù)理洩漏相(xiàng)關。4 月 21 日總磷 0． 25 mg /L 接近超标，取樣觀測1、2 号膜池對比樣，發現(xiàn) 1 号膜池出水(shuǐ)混濁。22 日經過排查隔離(lí)膜組器後，出水(shuǐ)總磷和總氮大(dà)幅降低(dī)。
在此過程中，随着調低(dī)溶解氧，氨氮指标升高(gāo)趨勢，總磷和總氮下降。洩漏原因是(shì)膜片産水(shuǐ)收集管處斷裂，拆開(kāi)更換後恢複正常産水(shuǐ)，總磷也随之下降。
最後，MBＲ 工(gōng)藝在線儀表品質參差不(bù)齊，價格昂貴，初期投入較高(gāo)，敏感性差異和局限性對于工(gōng)藝調控的參考作用也有限，日後維護需投入大(dà)量的人(rén)力、物(wù)力，應避免過度依賴。在實踐中根據實際運行(xíng)狀況，結合部分(fēn)常規手持溶解氧儀進行(xíng)出水(shuǐ)趨勢判斷、邏輯技術分(fēn)析來(lái)調控，可(kě)減少部分(fēn)在線儀表的一次性投入和後期的維護量。
6 結語
① 進水(shuǐ)碳氮比不(bù)是(shì)制(zhì)約 MBＲ工(gōng)藝脫氮除磷的主要(yào)因素，在氨氮出水(shuǐ)達标的情況下優化(huà)控制(zhì)溶解氧阈值範圍在 1． 5 ～ 3． 5 mg /L，可(kě)在沒有外(wài)加碳源的情況下實現(xiàn)高(gāo)效脫氮和生物(wù)除磷，反硝化(huà)脫氮也不(bù)會(huì)受到回流污泥所攜帶的氧影響，平均脫氮率達到 90% ，在節約藥劑成本的同時不(bù)引入有機物(wù)的二次污染，年節約藥劑費(fèi)用千萬餘元。
② 優 化(huà) 控 制(zhì) 污 泥 負 荷 在 0． 059 kgBOD5 /( kgMLSS·d) ，生物(wù)池污泥濃度在 6 000 ～ 9 000mg /L，生物(wù)池氣水(shuǐ)比冬季 6 ～ 8，夏季 4 ～ 6 等關鍵工(gōng)藝參數，水(shuǐ)力停留時間(jiān)≥13． 2 h，出水(shuǐ)可(kě)滿足特許經營服務協議和北(běi)京市《城鎮污水(shuǐ)處理廠水(shuǐ)污染物(wù)排放标準》( DB 11 /890—2012) 的一級 B 标準要(yào)求，獲得其他工(gōng)藝不(bù)易得到的出水(shuǐ)水(shuǐ)質的同時可(kě)降低(dī)鼓風機單耗。
③ 定期化(huà)學清洗可(kě)以抵抗輕度膜污染，膜吹掃氣量充足比膜的化(huà)學清洗來(lái)得重要(yào)，單位膜面積吹掃氣量≥0． 24 m3 /( ㎡·h) 可(kě)維持透水(shuǐ)率正常衰減，同時控制(zhì)膜池污泥濃度不(bù)超過 12 000 mg /L。控制(zhì)進水(shuǐ)量有利于抗膜污染，延長膜的使用壽命。
④ MBＲ 回流混合液所帶回的氧可(kě)以給生物(wù)池補給作用，在設計上 MBＲ 膜擦洗鼓風機備用普遍稍顯不(bù)足，而好氧池鼓風機配置有餘。建議在今後的 MBＲ 工(gōng)藝設計和運行(xíng)中改進和改造。
⑤ MBＲ 工(gōng)藝污泥濃度比傳統工(gōng)藝高(gāo)，出水(shuǐ)水(shuǐ)質好，避免了污泥膨脹問(wèn)題，但(dàn)需要(yào)防止由于膜洩漏引起的出水(shuǐ)水(shuǐ)質異常。根據出水(shuǐ)水(shuǐ)質和工(gōng)藝參數變化(huà)的邏輯關系進行(xíng)分(fēn)析判斷可(kě)以有效杜絕超标。
來(lái)源：北(běi)極星水(shuǐ)處理網
