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膜污染是MBR工藝應(yīng)用中所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。膜污染是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與其有關(guān)的影響因子眾多，并且各影響因素關(guān)系復(fù)雜。膜污染會(huì)降低膜的透過(guò)性能，跨膜壓差升高的同時(shí)造成高能耗，隨著膜污染水平增加，膜處理能力逐步降低。為了維持產(chǎn)水通量，需要通過(guò)“有效的清洗維護(hù)”使得通量有效恢復(fù)并得以保持，而膜通量的恢復(fù)效果受諸多因素影響。采用MBR工藝水廠的設(shè)計(jì)、調(diào)控條件不同，需對(duì)各影響因素及過(guò)程變量進(jìn)行分析，確定影響膜通量的關(guān)鍵因素，并找到影響通量恢復(fù)效果的因素，從而對(duì)膜污染有一個(gè)更深入的認(rèn)識(shí)，并在日常采取相關(guān)控制策略，達(dá)到膜通量有效恢復(fù)并延緩膜污染速度、從而延長(zhǎng)膜的使用壽命的目標(biāo)。
01研究背景
1.1 行業(yè)背景
膜生物反應(yīng)器（Membrane BioReactor，簡(jiǎn)稱MBR）是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。由于MBR工藝將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，不僅省去了二沉池的建設(shè)，而且大大提高了固液分離效率，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌 (特別是優(yōu)勢(shì)菌群) 的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率。通過(guò)降低 F/M比，減少剩余污泥產(chǎn)生量，因此相比傳統(tǒng)活性污泥法，具有“污染物截留效率高、水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定；容積負(fù)荷高、占地面積?。皇Ｓ辔勰嗔可佟⒉槐乜紤]污泥膨脹問(wèn)題；水力停留時(shí)間與污泥停留時(shí)間完全分離、運(yùn)行控制靈活、自動(dòng)化程度高”的優(yōu)勢(shì)。
20世紀(jì)90年代中后期，越來(lái)越多的歐洲國(guó)家將MBR用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。我國(guó)自1990于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究及小規(guī)模示范開(kāi)始，MBR技術(shù)得以推廣應(yīng)用，2006年我國(guó)第一座萬(wàn)噸/日級(jí)的MBR工程投運(yùn)，并在2010年以后，大型MBR工程應(yīng)用逐漸成熟。但“膜更換成本高、運(yùn)行能耗大、膜污染速度快”一直是制約MBR工程大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。膜污染的產(chǎn)生加劇了膜的損壞進(jìn)度，大大增加了膜的清洗和更換頻率，并使運(yùn)行過(guò)程中的能耗大幅提高。因此，“膜污染”是限制MBR工藝大規(guī)模應(yīng)用的最大瓶頸。
MBR中的膜污染是指混合液中的污泥絮體、膠體粒子、溶解性有機(jī)物或無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜面上的吸附與沉積，或在膜孔內(nèi)吸附造成膜孔徑變小或堵塞，使水通過(guò)膜的阻力增加，過(guò)濾性下降，從而使膜通量下降或跨膜壓差升高的現(xiàn)象。
膜污染是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，行業(yè)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，與膜污染有關(guān)的影響因子眾多，并且各影響因素關(guān)系復(fù)雜。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的MBR運(yùn)行管控來(lái)講，需要對(duì)各影響因素及過(guò)程變量進(jìn)行相關(guān)性分析，確定和膜污染具有最大相關(guān)性的過(guò)程變量，從而對(duì)膜污染有一個(gè)更詳細(xì)的了解，具有一定的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
1.2 研究對(duì)象及目標(biāo)
本文研究對(duì)象為城鎮(zhèn)某地下再生水廠，日處理能力60萬(wàn)m3/d，總服務(wù)流域面積約137 km2，主要水處理工藝為MBR工藝，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)滿足北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/890-2012）B標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求?；诘叵滤畯S對(duì)氣體處理的要求，所有MBR膜池均加蓋封閉。
目前該廠已穩(wěn)定運(yùn)行三年，積累了大量運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)本次研究，基于行業(yè)內(nèi)對(duì)膜污染形成機(jī)理的研究成果，對(duì)該廠MBR系統(tǒng)的運(yùn)行工況、清洗維護(hù)、膜性能數(shù)據(jù)等進(jìn)行整理，分析影響膜通量恢復(fù)效果、膜污染速度的關(guān)鍵因素，并有針對(duì)性地提出優(yōu)化運(yùn)行的合理建議，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)清洗效果的合理評(píng)價(jià)、杜絕“無(wú)效清洗”，延緩膜污染速度，延長(zhǎng)膜使用壽命的目標(biāo)。
02地下水廠MBR膜系統(tǒng)基本情況
根據(jù)膜污染的形成機(jī)理和影響因素，需要對(duì)MBR系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝流程和日常運(yùn)行工況等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。
該廠MBR膜系統(tǒng)規(guī)模為60萬(wàn)m3/d，基于地下水廠對(duì)氣體處理的要求，所有MBR膜池均加蓋封閉。分為ABCD四個(gè)系列，每個(gè)系列規(guī)模為15萬(wàn)m3/d。該廠膜絲為PVDF材質(zhì)的中空纖維膜，采用3G-TIPs熱法制膜工藝，孔徑0.08~0.1μm，具有較強(qiáng)的耐堿、耐氧化性，具有化學(xué)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)兼具良好的親水性和機(jī)械性能，抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定的特點(diǎn)。運(yùn)行中采用“產(chǎn)9停1”間歇產(chǎn)水模式，即產(chǎn)水9min松歇1min，在提高產(chǎn)水率的同時(shí)達(dá)到延緩膜污染的目的；產(chǎn)水泵采用液位控制模式，即根據(jù)設(shè)定液位范圍調(diào)節(jié)產(chǎn)水泵頻率，將膜池液位控制在合理范圍內(nèi)，以避免出現(xiàn)高液位造成曝氣強(qiáng)度不足的現(xiàn)象；產(chǎn)水時(shí)采用恒定氣量進(jìn)行擦洗，曝氣方式采取穿孔管強(qiáng)弱曝氣（固定頻率脈沖）和高強(qiáng)度曝氣方式，來(lái)延緩膜污染。
該廠對(duì)原水采取有效的預(yù)處理，以改善膜組件的進(jìn)水水質(zhì)。如在MBR膜系統(tǒng)前段設(shè)置了多級(jí)預(yù)處理，包括4級(jí)格柵（過(guò)濾精度達(dá)到1mm）、曝氣沉砂池和初沉池，可有效去除污水中的無(wú)機(jī)顆粒、懸浮物、纖維等物質(zhì)，對(duì)膜絲起到了較好的保護(hù)作用。同時(shí)在生物處理段，為使出水水質(zhì)實(shí)時(shí)滿足北京市地方出水標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧膜污染控制需求，需合理控制污泥濃度、泥齡等，同時(shí)需要根據(jù)來(lái)水水質(zhì)、溫度等情況，投加碳源等藥劑。
為延緩膜污染速度，同時(shí)使得膜通量有效恢復(fù)，該廠日常通過(guò)多種清洗方式對(duì)膜進(jìn)行清洗維護(hù)，主要包括維護(hù)性反洗（MC）、加強(qiáng)反洗（LC）和恢復(fù)性清洗（RC），MC清洗為2~3d一次，采用200~300 ppm NaClO溶液對(duì)膜進(jìn)行多次短時(shí)反洗；LC清洗2~3次/年，采用300~350 ppm NaClO溶液對(duì)膜進(jìn)行多次長(zhǎng)時(shí)反洗；RC清洗是通過(guò)NaClO、NaOH和檸檬酸藥劑浸泡、曝氣自由組合，一般的生物污染時(shí)NaClO濃度采用1 000~3 000 ppm，當(dāng)有機(jī)污染較嚴(yán)重時(shí)可投加NaOH調(diào)節(jié)pH在12左右，并定期使用1%~2%檸檬酸調(diào)節(jié)pH在2~3，應(yīng)對(duì)北方水質(zhì)特點(diǎn)帶來(lái)的無(wú)機(jī)污染，藥劑選擇、藥劑濃度和清洗周期可根據(jù)膜污染情況等因素進(jìn)行方案調(diào)整，特殊情況下也可以采取其他的清洗藥劑。
綜上所述，該廠從膜材質(zhì)的選擇、預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)、膜組器曝氣裝置改良、運(yùn)行條件管控、膜清洗過(guò)程監(jiān)管、膜清洗方案調(diào)整等方面著手優(yōu)化MBR膜系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)在保證預(yù)處理系統(tǒng)、MBR產(chǎn)水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、反洗（MC）系統(tǒng)、加藥清洗（RC）系統(tǒng)等配套系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，確保膜通量的有效恢復(fù)和膜污染速度的有效控制。
現(xiàn)對(duì)該廠相關(guān)生產(chǎn)、化驗(yàn)數(shù)據(jù)及膜系統(tǒng)在運(yùn)行周期內(nèi)通量衰減數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，著重分析膜清洗通量恢復(fù)效果及通量衰減影響因素，并針對(duì)性的提出延緩膜污染的精細(xì)化管控的運(yùn)行建議。
03膜清洗恢復(fù)效果影響因素分析
在應(yīng)用MBR膜處理污水的實(shí)際過(guò)程中，由于膜的孔徑細(xì)小很容易被堵塞，單一的物理清洗的方法不能達(dá)到預(yù)期透水率，需要使用化學(xué)方法恢復(fù)膜的透水能力。在實(shí)際應(yīng)用中，僅僅使用單一的清洗方法不能最大程度完成膜清洗的任務(wù)，一般采用兩者結(jié)合起來(lái)的方法。然而，膜的反復(fù)清洗提高了應(yīng)用MBR處理污水的能耗水平，此外，過(guò)度的膜清洗造成膜絲拉扯損傷和腐蝕也不利于膜絲的保護(hù)。
在MBR系統(tǒng)配套各類(lèi)閘閥、加藥管路、曝氣等系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)膜池清洗自控程序正常執(zhí)行的前提下，分析同樣的清洗方案（相同藥劑、濃度、浸泡時(shí)長(zhǎng)、曝氣強(qiáng)度等）下膜通量的恢復(fù)效果，可以看出：在相同清洗方案正常執(zhí)行情況下，其效果仍受多種因素影響。如通量恢復(fù)效果不佳，應(yīng)具體分析原因，盲目采取提高藥劑濃度、延長(zhǎng)浸泡時(shí)長(zhǎng)、增大曝氣強(qiáng)度等手段，并不能起到效果，同時(shí)不利于膜絲保護(hù)和壽命的延長(zhǎng)。
3.1 污染情況
污染情況需要綜合考慮膜絲污染情況和池體污染情況。
3.1.1 膜絲污染情況
膜絲污染情況包括污染類(lèi)型和污染程度兩大因素。
污染類(lèi)型可根據(jù)致膜污染物的物理化學(xué)與生物特性進(jìn)行分類(lèi),分為無(wú)機(jī)污染、有機(jī)污染以及微生物污染。不同污染類(lèi)型，應(yīng)采取不同藥劑進(jìn)行化學(xué)清洗，即應(yīng)用各種化學(xué)試劑，如氧化劑（次氯酸鈉）、酸（鹽酸、硫酸、硝酸等）、堿（氫氧化鈉等）、活性劑、酶、洗滌劑等，對(duì)膜進(jìn)行浸泡和清洗，和物理清洗方法相比是一種更有效的清除膜污染的方法。次氯酸鈉等氧化劑可有效應(yīng)對(duì)膜的微生物污染，堿性清洗液可以有效的清除有機(jī)污染物、二氧化硅和生物污染物，酸類(lèi)清洗劑可以有效去除金屬離子、鹽類(lèi)等無(wú)機(jī)污染物。對(duì)于不同的膜，應(yīng)該選擇不同類(lèi)型的化學(xué)試劑，防止不合適的化學(xué)試劑對(duì)膜產(chǎn)生危害；此外在使用化學(xué)清洗方法對(duì)膜進(jìn)行清洗時(shí)，要注意使用的清洗液的濃度和累積用量，防止過(guò)量的化學(xué)清洗劑對(duì)MBR膜造成損害和對(duì)環(huán)境造成二次污染。
污染程度則可根據(jù)膜絲純水通量檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，但該檢測(cè)方法需要局部取膜絲在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，檢測(cè)相對(duì)滯后且易受到取樣位置等因素影響，缺乏一定的代表性。因此，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，可以用膜池實(shí)時(shí)透水率（即單位時(shí)間、單位膜面積的通量/跨膜壓差，LMH/bar）的數(shù)值來(lái)表征整體膜池的膜絲污染程度。固定產(chǎn)水量時(shí)的透水率越低，說(shuō)明膜絲過(guò)水能力下降，即污染程度高。不同污染程度的膜池，通過(guò)吊裝檢查板結(jié)情況與實(shí)際透水率數(shù)據(jù)比對(duì)，可得出《污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》。板結(jié)比率高（透水率低）、板結(jié)時(shí)間久（持續(xù)在低透水率狀態(tài)產(chǎn)水運(yùn)行）（甚至污泥呈現(xiàn)厭氧發(fā)黑狀態(tài)）的膜池，則需要在常規(guī)清洗方案之前，采取一定時(shí)長(zhǎng)的清水曝氣，即“預(yù)曝氣除泥”操作，以便使板結(jié)污泥松動(dòng)脫落。
通過(guò)對(duì)該廠同一使用年限的膜池進(jìn)行觀測(cè)，在相同季節(jié)（溫度一致）挑選10個(gè)不同污染程度的膜池，（且距離上次酸洗時(shí)間基本一致的膜池）按同一種RC清洗方案進(jìn)行清洗，加藥后檢測(cè)pH滿足要求，通過(guò)對(duì)清洗前后透水率數(shù)據(jù)（如圖1所示）和現(xiàn)場(chǎng)吊裝檢測(cè)情況比對(duì)分析，可以得出，該廠在透水率降至90~100 LMH/bar時(shí)，吊裝檢查膜組器內(nèi)部及出水端輕微板結(jié)，執(zhí)行“標(biāo)準(zhǔn)RC方案”清洗后恢復(fù)效果較好；在透水率降至60 LMH/bar以下時(shí)，或70 LMH/bar以下連續(xù)運(yùn)行超過(guò)2周后，吊裝檢查發(fā)現(xiàn)，膜組器內(nèi)部及出水端板結(jié)嚴(yán)重，且泥層較厚（內(nèi)部泥塊有厭氧發(fā)黑現(xiàn)象），如按原清洗方案執(zhí)行，清洗通量恢復(fù)效果不佳，必須采取增加“預(yù)曝氣除泥”操作或監(jiān)測(cè)清洗過(guò)程中pH和氯離子濃度變化并調(diào)整清洗方案。
圖1 不同污染程度下清洗效果對(duì)比
3.1.2 池體污染情況
池體污染情況主要指池底積泥情況。由于大多數(shù)MBR工藝水廠規(guī)模較小，在進(jìn)行恢復(fù)性清洗時(shí)，需要將膜組器吊裝至清洗池進(jìn)行清洗；而本文研究水廠規(guī)模大，膜組器數(shù)量達(dá)1 280個(gè)，因此該廠日常清洗均設(shè)計(jì)為自動(dòng)原位清洗。如果池體內(nèi)部積泥嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致積泥對(duì)藥劑的過(guò)多消耗從而影響清洗效果。因此，相同清洗方案情況下，池體內(nèi)污染情況也是影響清洗恢復(fù)效果的因素之一。
因此，應(yīng)關(guān)注膜池出水端池體角落積泥情況，當(dāng)出現(xiàn)泥層厚度較高時(shí)，應(yīng)通過(guò)反復(fù)執(zhí)行進(jìn)水、泄空操作進(jìn)行池體涮洗，如有必要需采取人工清淤；在清洗加藥后，應(yīng)關(guān)注pH及氯離子濃度是否滿足要求；即使膜池透水率正常，也應(yīng)至少6個(gè)月進(jìn)行一次RC原位清洗或池體涮洗；膜池長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)時(shí)，應(yīng)泄空池體并進(jìn)行清淤，或?qū)⒛そM件清水浸泡。
3.2 溫度因素
由于北方四季溫差較大，會(huì)出現(xiàn)相同使用年限的膜池，污染類(lèi)型、污染程度基本一致（清洗前膜通量相當(dāng)，且通過(guò)實(shí)驗(yàn)室膜絲檢測(cè)分析污染成分基本相同）的情況下，在冬季、夏季執(zhí)行相同清洗方案時(shí)，通量恢復(fù)效果不同的現(xiàn)象。期間對(duì)清洗過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證藥劑濃度、pH及氯離子濃度均滿足要求，清洗后進(jìn)行吊裝檢查確認(rèn)膜組均無(wú)板結(jié)污泥。分析主要原因?yàn)闇囟葘?duì)膜通量和藥劑效果的雙重影響造成。
相關(guān)研究表明，溫度對(duì)膜的過(guò)濾分離過(guò)程有一定影響，主要是因?yàn)闇囟茸兓鹞勰嗷旌弦赫扯鹊淖兓?，而且還改變了膜表面上污泥層的厚度和粒徑，從而改變膜的通透性，溫度每升高1℃可引起膜通量增加2%；而高溫對(duì)于清洗藥劑藥效的發(fā)揮有一定幫助。清洗液溫度如果在30℃時(shí)清洗效果會(huì)更好，但溫度不得超過(guò)40℃，否則會(huì)引起膜老化，影響膜的使用壽命。
該廠為地下水廠，全年水溫在15~25℃，冬季和夏季溫差達(dá)10℃，相同清洗方案下通量恢復(fù)相差30~60 LMH/bar。因此冬季清洗時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)藥劑浸泡和曝氣時(shí)間，以便加強(qiáng)污染物去除效果。
3.3 MBR膜絲使用時(shí)長(zhǎng)（膜齡）
對(duì)于穩(wěn)定的膜系統(tǒng)，通過(guò)日常清洗維護(hù)可使得膜通量得到一定恢復(fù)，然而隨著膜絲使用時(shí)間的增加，膜的不可恢復(fù)性污染逐漸積累，最直接的體現(xiàn)就是清洗后透水率恢復(fù)程度逐步降低，即透水率的不可逆衰減。因此，可以用歷次清洗達(dá)標(biāo)后的透水率繪制不可逆衰減曲線，來(lái)反映MBR膜的不可恢復(fù)性污染和膜有效過(guò)濾面積的縮小，進(jìn)而反映膜過(guò)濾性能的衰減，從而輔助進(jìn)行膜壽命預(yù)測(cè)。同時(shí)，亦可通過(guò)該曲線，作為日常判斷不同使用年限的膜池透水率恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
由于本次研究對(duì)象水廠規(guī)模較大，MBR膜系統(tǒng)分為8個(gè)系列，每個(gè)系列膜組器分批投運(yùn)，因此選取各系列正常執(zhí)行清洗的膜池2019-2020年間按同樣清洗標(biāo)準(zhǔn)情況下，膜池透水率恢復(fù)數(shù)據(jù)近400條，修正溫度系數(shù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，將同膜齡對(duì)應(yīng)清洗恢復(fù)透水率取均值，得到樣本數(shù)量33個(gè)，繪制膜絲各個(gè)使用年限下(不同膜齡)膜池透水率恢復(fù)曲線。(如下圖所示)
圖2 某地下水廠運(yùn)行1~41個(gè)月期間透水率不可逆衰減曲線
通過(guò)該廠運(yùn)行41個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析可以看出，膜絲清洗恢復(fù)效果與膜絲使用時(shí)長(zhǎng)（即膜齡）存在較明顯的自然對(duì)數(shù)變化趨勢(shì)。其趨勢(shì)為y=-28.01ln(x)+281.29（其中，y為清洗恢復(fù)透水率，x為膜齡）。因此，可進(jìn)一步采用“非線性回歸”分析方法，先通過(guò)數(shù)學(xué)變換，將膜齡“對(duì)數(shù)”化，轉(zhuǎn)為ln(膜齡)，然后通過(guò)線性回歸預(yù)測(cè)方法進(jìn)行分析，即以清洗恢復(fù)透水率為因變量（或稱被解釋變量），以ln(膜齡)為自變量（或稱解釋變量），通過(guò)建立回歸模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明清洗恢復(fù)透水率與ln(膜齡)的總體線性關(guān)系是較為顯著的。根據(jù)t統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)（由t Stat列獲得）可知，膜齡取自然對(duì)數(shù)后，對(duì)膜池清洗透水率恢復(fù)影響較強(qiáng)，有顯著負(fù)相關(guān)。
因此，日常清洗恢復(fù)效果評(píng)價(jià)時(shí)，除溫度等因素外，還應(yīng)考慮膜齡因素的影響。同時(shí)，通過(guò)擬合水廠“透水率不可逆衰減曲線”，可對(duì)使用壽命期間的清洗效果進(jìn)行預(yù)測(cè)。
需要說(shuō)明的是，由于本次基于膜運(yùn)行1~41個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出在新膜投產(chǎn)前6個(gè)月，透水率不可逆衰減速度較快；在使用6~41個(gè)月期間，不可逆衰減速度減緩。隨著該廠運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累，應(yīng)對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，補(bǔ)充繪制整個(gè)生命周期的“透水率不可逆衰減曲線”。
04膜通量衰減影響因素分析
運(yùn)行過(guò)程中，膜污染的產(chǎn)生受到多重條件的影響，大體可分為三類(lèi)，膜的性質(zhì)、操作條件和污泥混合液性質(zhì)。根據(jù)膜污染的形成途徑及影響因素，可以看出，膜污染的眾多因素之間并不是孤立存在的，它們之間相互影響也相互制約，共同引起膜通量的下降，造成膜污染。
操作條件中如溫度、膜擦洗曝氣量、泥齡、水力停留時(shí)間、污泥負(fù)荷等均影響膜的透水率，影響膜透水率的因素眾多并且關(guān)系復(fù)雜。因此需要結(jié)合水廠運(yùn)行實(shí)際情況進(jìn)行分析，找到控制膜污染的關(guān)鍵因素，并后續(xù)提出延緩污染的解決方案。
本次研究選取該廠穩(wěn)定運(yùn)行期間單個(gè)膜池6個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。期間采用固定的產(chǎn)水模式（產(chǎn)9min停1min）、統(tǒng)一的清洗標(biāo)準(zhǔn)(如：在膜池透水率降至90~100 LMH/bar時(shí)進(jìn)行RC清洗)和清洗方案，恒定擦洗曝氣量模式運(yùn)行，并嚴(yán)格控制膜池液位范圍（保證膜池曝氣強(qiáng)度基本恒定），固定以上工況因素后，觀察其6個(gè)月內(nèi)膜池透水率日衰減變化的情況，并用回歸預(yù)測(cè)分析其主要影響因素。
4.1 數(shù)據(jù)整理及相關(guān)因素選擇
為了得到穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，選取半年內(nèi)基本連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行且定期清洗的膜池重點(diǎn)研究，調(diào)取膜池實(shí)時(shí)透水率數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理得到膜池透水率日均值，如圖3所示。
圖3 某膜池日常透水率衰減曲線
圖中，2020年上半年該膜池共4次清洗，其中第3次清洗后，因該廠水量負(fù)荷較低，膜池間歇運(yùn)行，透水率衰減較緩慢。可以看出，當(dāng)水廠正常產(chǎn)水時(shí)，洗后膜池的透水率變化呈現(xiàn)出衰減先快后慢的規(guī)律。
在膜池清洗之后的完整運(yùn)行周期內(nèi)，膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等因素不發(fā)生明顯差異，因此導(dǎo)致膜污染的因素主要為污泥混合液性質(zhì)和運(yùn)行條件。根據(jù)污水處理廠實(shí)際的運(yùn)行監(jiān)測(cè)條件，確定可能的相關(guān)因素包括進(jìn)水SS、進(jìn)水COD、進(jìn)水NH3-N、進(jìn)水TP、進(jìn)水TN、進(jìn)水BOD/TN、清洗后運(yùn)行天數(shù)、日處理水量、水溫、生物池MLSS、污泥負(fù)荷、排泥量及生物段曝氣DO。
4.2 數(shù)據(jù)分析
以正常運(yùn)行下的膜池透水率日均值作為被解釋變量，生物池MLSS、進(jìn)水SS、清洗后運(yùn)行天數(shù)、日處理水量、水溫、進(jìn)水NH3-N、進(jìn)水TP、進(jìn)水TN、進(jìn)水BOD/TN、污泥負(fù)荷、排泥量和MBR前生物段曝氣DO作為解釋變量，建立回歸分析模型，相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示。
4.3 結(jié)論
從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看到調(diào)整的擬合度R2=0.854，說(shuō)明擬合度較高。方差分析結(jié)果說(shuō)明回歸效果較顯著。根據(jù)t統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)（由t Stat列獲得）可知，進(jìn)水SS、進(jìn)水COD、進(jìn)水TN、進(jìn)水TP、進(jìn)水NH3-N、進(jìn)水BOD/TN、生物段曝氣DO、污泥負(fù)荷、排泥量和水溫對(duì)膜池透水率無(wú)顯著影響，可剔除解釋變量；清洗后運(yùn)行天數(shù)、日處理水量及生物池MLSS與膜池透水率呈顯著負(fù)相關(guān)。
得到的擬合多元線性回歸方程為：透水率=4.711-(8.448×清洗后運(yùn)行天數(shù))-(2.526×處理水量)-(1.969×生物池 MLSS)。隨著清洗后運(yùn)行天數(shù)增加，透水率衰減明顯；日處理水量即膜絲單位時(shí)間內(nèi)通量越高，以及生物池MLSS的增加，均會(huì)導(dǎo)致透水率的下降。
4.4 污泥濃度對(duì)混合液過(guò)濾性的影響
由于該水廠地域特點(diǎn)明顯，具有冬季水溫降低、進(jìn)水水質(zhì)濃度偏高的特點(diǎn)，因此為提高脫氮效果，保證水廠有一定抗負(fù)荷沖擊能力，通常會(huì)在秋冬季節(jié)提高污泥濃度。但污泥濃度不僅影響污染物的去除效果，還影響膜組件的產(chǎn)水量，相關(guān)研究得出，膜通量與污泥濃度的關(guān)系為J=-14.44MLSS+215.56。即污泥濃度越大，膜污染越嚴(yán)重。高M(jìn)LSS固然可以保證有機(jī)負(fù)荷高峰期的出水水質(zhì)，而在低有機(jī)負(fù)荷時(shí)，污泥則進(jìn)行自身消化(微生物內(nèi)源呼吸)。當(dāng)膜表面MLSS升高時(shí)，微生物內(nèi)源呼吸加劇，由于缺氧，污泥厭氧呼吸而使得膜表面積累一層黑色物質(zhì)，這層黑色物質(zhì)多為死細(xì)菌及其殘留物，而且，微生物內(nèi)源呼吸后產(chǎn)生20%的殘留物質(zhì)是難降解的；同時(shí)，污泥濃度增加，會(huì)導(dǎo)致污泥粘度的增大、通量下降，阻礙氧氣的轉(zhuǎn)換，從而影響污泥的流動(dòng)性和分離性能。
結(jié)合相關(guān)研究和本文分析確定的影響該廠膜通量衰減的關(guān)鍵因素，現(xiàn)進(jìn)一步通過(guò)混合液過(guò)濾性實(shí)驗(yàn)，分析污泥濃度對(duì)本水廠膜通量的實(shí)際影響程度。
在冬季、夏季分別定期取膜池混合液，在實(shí)驗(yàn)室條件測(cè)試混合液過(guò)濾性Vf，用以表征膜池混合液透過(guò)性能。測(cè)定方法為：取50mL 膜池混合液，經(jīng)過(guò)15cm 的中速定性濾紙，5min后讀取過(guò)濾后液體體積。同時(shí)測(cè)定該膜池污泥濃度。將數(shù)據(jù)根據(jù)冬季、夏季進(jìn)行分組，如圖4可以看出，冬季污泥濃度MLSS與混合液過(guò)濾性Vf存在明顯負(fù)相關(guān)，而在夏季則相關(guān)性不佳。進(jìn)一步對(duì)冬季數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到結(jié)果如表3。從表中的預(yù)測(cè)結(jié)果可以看到擬合度R2=0.523，說(shuō)明擬合度較高。方差分析的結(jié)果說(shuō)明回歸效果較顯著，F(xiàn)=82.2388，說(shuō)明透水率日衰減速率與各影響因素的總體線性關(guān)系是較為顯著的。根據(jù)t統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)（由t Stat列獲得）可知，污泥濃度對(duì)混合液過(guò)濾性影響較強(qiáng)，有顯著負(fù)相關(guān)。
圖4 冬季和夏季污泥濃度與混合液過(guò)濾性的關(guān)系
因此得出結(jié)論：該廠在冬季時(shí)，污泥濃度的變化對(duì)混合液過(guò)濾性影響更大，而在夏季混合液過(guò)濾性受污泥濃度影響較小。因此在冬季更應(yīng)關(guān)注污泥濃度的控制，膜池污泥濃度應(yīng)不超過(guò)11 000mg/L，避免過(guò)高污泥濃度加快膜污染速度。
05總結(jié)及建議
對(duì)于已建成MBR工藝水廠，工藝流程、膜材質(zhì)、膜擦洗曝氣方式等影響膜通量的部分因素已基本確定，因此日常運(yùn)行時(shí)，在保證MBR配套設(shè)施設(shè)備自控系統(tǒng)的正常穩(wěn)定及預(yù)處理正常運(yùn)行的同時(shí)，還需要對(duì)膜運(yùn)行情況、清洗情況加強(qiáng)關(guān)注。盡管膜清洗是膜通量恢復(fù)的有效手段，但反復(fù)清洗不僅提高了應(yīng)用 MBR處理污水的能耗水平（包括電耗和藥耗），此外，過(guò)度的膜清洗造成的表面膜絲的拉扯和腐蝕也不利于膜使用壽命的延長(zhǎng)。
通過(guò)本文研究，分析該廠膜通量衰減規(guī)律，在限定膜污染分析的邊界條件后，找到了該廠控制膜污染的關(guān)鍵點(diǎn)為冬季污泥濃度的控制；而通過(guò)對(duì)該廠膜清洗效果的分析，發(fā)現(xiàn)在相同清洗方案正常執(zhí)行情況下，其效果仍受膜組污染程度、溫度、膜齡等多種因素影響。因此在實(shí)際運(yùn)行中，提出以下建議：
?。?）每個(gè)MBR工藝水廠都應(yīng)根據(jù)自身運(yùn)行操作情況，建立運(yùn)行清洗臺(tái)賬及膜絲檢測(cè)臺(tái)賬，積累數(shù)據(jù)，繪制本廠不同膜齡透水率衰減曲線、機(jī)械強(qiáng)度變化曲線，用于清洗效果評(píng)價(jià)和不可逆污染預(yù)測(cè)，從而進(jìn)一步輔助進(jìn)行膜絲使用壽命預(yù)測(cè)。
?。?）由于MBR膜污染影響因素復(fù)雜，每個(gè)MBR工藝水廠都應(yīng)找出影響透水率衰減相關(guān)性最高的關(guān)鍵因素，作為日常運(yùn)行控制膜污染的關(guān)鍵管控因素。對(duì)于本次研究對(duì)象，由于該廠產(chǎn)水、曝氣等控制模式可以合理控制擦洗曝氣強(qiáng)度、產(chǎn)水通量、膜池液位等因素，因此，日常運(yùn)行時(shí)，更需關(guān)注污泥濃度的控制，同時(shí)提高對(duì)外回流泵、剩余污泥泵設(shè)備保障度；并針對(duì)不同污泥濃度，制定精細(xì)化的曝氣方案，尤其在冬季污泥濃度較高時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高曝氣強(qiáng)度以延緩膜污染。
?。?）膜絲檢測(cè)（膜性能檢測(cè)法）是一種常見(jiàn)的機(jī)理分析方法，即通過(guò)取樣檢測(cè)膜性能指標(biāo)，反映出膜的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而判斷膜的污染情況等。但在實(shí)際應(yīng)用中，膜絲檢測(cè)作為一種離線檢測(cè)方法，檢測(cè)相對(duì)滯后，且易受到取樣位置等因素影響，缺乏一定的代表性。因此每個(gè)水廠都應(yīng)找到可以表征膜的污染狀態(tài)的替代指標(biāo)，作為日常實(shí)時(shí)判斷膜污染情況的依據(jù)，如透水率、跨膜壓差等。
（4）應(yīng)對(duì)膜污染狀態(tài)程度進(jìn)行分級(jí)判斷，并結(jié)合季節(jié)等因素，制定精細(xì)化清洗方案；加強(qiáng)對(duì)清洗效果的評(píng)估，綜合考量影響膜通量恢復(fù)的因素。如通量恢復(fù)效果不佳時(shí)，應(yīng)具體分析原因，不可盲目采取提高藥劑濃度、延長(zhǎng)浸泡時(shí)長(zhǎng)、增大曝氣強(qiáng)度等手段。
?。?）地下水廠膜池通常加蓋封閉，日常不易發(fā)現(xiàn)曝氣不均問(wèn)題，加快個(gè)別膜池污染速度，需要針對(duì)造成膜污染的關(guān)鍵因素，建立預(yù)警機(jī)制，做到實(shí)時(shí)關(guān)注膜系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)、指標(biāo)，對(duì)膜污染進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。
作者：胡松、阜崴、姜若菡、田征、趙國(guó)清、程秋音、李寅、盧鵬飛；作者單位：北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司。
來(lái)源：給水排水公眾號(hào)