一體式無支撐軟式平板膜污泥處理工藝中試研究

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(1.同濟大學 環境科學與工程學院,上海污染控制與生態安全研究院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；2.上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

隨著我國城鎮化水平的提升與污水處理基建設施的逐步擴大，剩余污泥量不斷增多。《全國環境統計公報(2015年)》數據顯示，其統計調查的6910座城鎮污水處理廠，2015年全年共處理532.3億m3廢水，同時產生的污泥量達到3015.9萬噸[1]。 2015年4月，國務院正式發布“水十條”中明確指出水處理設施產生的污泥應進行穩定化、無害化和資源化處理處置。然而,目前僅有不足3%的污水處理廠實現污泥穩定化處理，大部分污泥未進行穩定化處理直接進行填埋，得到安全處理處置的污泥不到20%[2]， 因此污泥處置成為當前急需解決的問題[3-5]。

通過污泥濃縮降低處理體積和成本是污泥穩定化處理的前提[3]，目前國內中小型污水處理廠采用最多濃縮方法仍是傳統的重力濃縮，效率較低且容易發生污泥上浮現象[6]。同濟大學王新華等人提出了平板膜污泥濃縮的工藝，可以使污泥濃縮至30g/L，出水水質達到城市雜用水水質標準(GB/T18920——2002)；但運行存在污泥濃縮濃度較低，出水水質不穩定，膜污染速率較高，運行時間較短等問題[6-11]。基于此研究結果,本課題組結合臨界通量隨污泥變化規律[12]設計了4段式平板膜污泥濃縮中試裝置，并運用于示范工程，將運行周期提升了1倍，出泥濃度平均至35g/L,然而裝置本身仍然存在操作維護復雜，占地面積較大等問題[13-14]。

本課題組發明了一種新型膜生物反應器(MBR)無支撐軟式平板膜元件及其組件，解決了平板膜組件裝填密度小、占地大、生產與運輸成本高的問題，降低了單位膜面積的曝氣量，同時具有較好的自清潔和抗污染能力[15]。因此，本研究基于該項專利技術，結合現有臨界通量與污泥濃度的關系，設計并運行了一體式無支撐軟膜污泥濃縮處理工藝，考察運行過程穩定性的同時，研究其出水水質變化以及各段污泥性質變化情況，依據其運行效果為后續工藝改進提供參考。

1 實驗與方法

1.1 實驗裝置與材料

圖1 一體式無支撐軟式平板膜污泥處理工藝設計原理圖

圖2 濃縮池俯視布置圖及無支撐軟膜結構圖[15]

基于課題組前期研究結果，本研究設計了一體式無支撐軟膜污泥處理工藝，流程圖如圖1所示。進料污泥通過潛污泵抽吸進入貯泥池，為精準調控主體工藝進泥量，貯泥池污泥通過潛污泵進入恒流箱而后以設定流量流入1#濃縮池。四個濃縮池初始狀態均為進泥填充，運行初期同時開啟出水泵，經1#池無支撐軟膜組件濃縮后經液位差依次自流至2#，3#和4#池。為了使每格濃縮池的污泥充分混合，采用錯流溢流口設計(如圖2所示)。當污泥濃度達到指定濃度時，開啟4#溢流閥進行污泥排放。

池底通過穿孔曝氣方式曝氣，各段池膜組件為10片無支撐軟式平板膜，每片平板膜內部由兩張襯布及一張導流網組成，膜與膜之間通過墊片隔開并控制間距[15]。

升降流區比為1∶2，并使用擋板隔開。運行方式為間歇抽停出水的方式(開8min，停2min)。其余裝置設計參數詳見表1。污泥來源于上海市某凈化廠曝氣池的活性污泥，污泥濃度為2.5～4.0g/L，MLVSS/MLSS 為0.75～0.8，pH值在7左右。

表1 裝置設計參數

1.2 測試方法

軟式膜跨膜壓差(TMP)由真空壓力表直接讀取，溶解氧(DO)由溶解氧儀(美國哈希公司)直接測定；各池內懸浮物固體濃度(MLSS)和揮發性懸浮物濃度 (MLVSS)采用重量法(GB11901-87)；水質測定中，COD采用重鉻酸鉀法(GB11914-89)，氨氮采用納氏試劑比色法，總氮(TN)采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法[16]。

污泥粒徑分布采用激光粒度分析儀(Mastersizer 3000，英國馬爾文)測定；粘度采用DV79型數字粘度計測量(上海尼潤科技有限公司)；毛細吸水時間(CST)采用CST儀測定(IFP-9050，美國Venture公司)，污泥的濾液COD由0.45μm膜過濾后重鉻酸鉀法測定得到。溶解性微生物產物(SMP)采取離心過濾法[17]，胞外聚合物 (EPS)采取熱提取法[18]，其中糖類使用蒽酮-硫酸法[19]，蛋白質和腐殖酸采用改進 Lowry 法測定[20]。

2 結果與分析

2.1 污泥濃度變化

工藝運行33天內污泥濃度變化情況如圖3所示。可以看出，4#濃縮池污泥在約第7天的時間內達到指定濃度，且后續排泥的平均濃度基本維持在46g/L左右，1#池，2#池，3#池的平均濃度分別位維持在8g/L，16g/L，30g/L。由圖3可以看出在第7～10天排泥初期由于進泥流量過大，對污泥濃度起到了稀釋。四個池子中，1#池污泥濃度相對較為穩定，而其他3格池污泥濃度具有一定的波動，這是因為中試規模運行時，通過純溢流方式排泥具有不穩定性，曝氣對液面的波動、膜污染造成膜通量的下降、進泥流量相應的調整都會對污泥濃度的穩定性造成影響。

圖3 污泥濃度隨運行時間變化

2.2 運行跨膜壓差與溶解氧變化

從圖4可以看出，反應時間內1#和2#池的膜壓力基本均維持在10kPa以下，膜通量未發生衰減，3#池和4#池的膜壓力在污泥濃度上升時間段快速上升，一方面說明無支撐軟式平板膜在短時間會隨著污泥濃度快速上升而迅速污染，另一方面說明預設污泥濃度過高，污泥濃度的上升會導致膜面錯流速度的降低,不利于控制膜污染[21]，后續實驗改進應提前排泥時間。隨著排泥期污泥濃度的穩定性，3#池膜壓力穩定在30 kPa以下，4#池由于污泥濃度過高(>40g/L)膜壓力一直較高無法恢復，所以相對于之前污泥分段濃縮實驗[12-14]而言，雖然裝置實現了污泥濃度的提升，后續研究可以從膜材料，曝氣量提升，出水抽停比等方向考慮，解決高濃度污泥下延緩膜污染的問題。

圖4 反應器膜壓力隨運行時間變化

圖5 不同反應器溶解氧隨運行時間變化

溶解氧在運行周期內的變化如圖5所示。1#和2#池溶解氧變化較劇烈，3#和4#池較穩定，分別維持在1 mg/L和0.5 mg/L以下。氣液反應器傳質理論分析表明,較高污泥濃度引起了污泥混合液粘度增大，因此傳氧速率系數降低[21]。雖然3#和4#池的曝氣強度已經提升(如表1所示)，但是不足以維持與1#與2#池相似的好氧消化環境。

2.3 水質變化

裝置各格濃縮池的出水水質變化與總出水水質變化情況如圖6所示。總出水的COD可以維持在125 mg/L以下，氨氮維持在5 mg/L以下，總氮維持在45 mg/L以下，總磷維持在6 mg/L以下。由于4#中對高濃度污泥的持續沖刷，污泥絮體被逐步破壞，導致出水COD較高；1#池和2#池的溶解氧滿足了硝化過程，導致兩池出水以及總出水的氨氮排放濃度較低；由于四個池子的貧營養環境使得反硝化過程無法完成，因此總氮出水偏高；對于總磷的濃度，也主要取決于四個池子之間溶解氧環境的差別，1#，2#池的好氧環境使得污泥吸收磷，3#，4#池的厭氧環境又使得磷重新釋放至水體。

以某日均污水處理量為10萬m2的污水處理廠為例，污泥產生量為6～18t污泥(含水率99%)，若使用相同日處理量的該工藝設備進行污泥濃縮處理，出水量為6～18t/d，根據中試出水水質計算，若使用混合曲陽污水處理廠出水排放，則裝置出水對于安全排放的影響基本可以忽略不計。

圖6 出水水質COD、總氮、氨氮和總磷變化

2.4 污泥性質變化

由圖7可以看到4個池子在不同運行時間的污泥粒徑的變化情況。1#和2#池由于水力停留時間較短，以及曝氣量較小，污泥粒徑變化沒有顯著改變，而3#和4#池由于相對較長的水力停留時間和較大的曝氣強度，污泥粒徑隨著時間而逐步變小，如7(d)圖所示，4#池污泥粒徑逐步變小且體積分布曲線更加窄，說明后期池中污泥大顆粒絮體逐步解體成更多的小顆粒絮體。

圖7 不同反應器污泥粒徑分布變化

圖8展示了四池中污泥CST，粘度以及濾液COD的變化情況。可以反映出污泥在四個池子中的脫水性能，粘度逐漸下降，且4#池的脫水性能顯著變差，說明45g/L左右的污泥濃度下與持續氣體的沖刷對其影響很大。但同時帶來的濾液COD的顯著提升，有利于污泥后續的穩定化處理。

圖8 不同反應器污泥性質變化

2.5 SMP與EPS變化情況

圖9反映了裝置內整體以及單位VSS下的SMP和EPS的濃度變化，以及糖類，蛋白質和腐殖酸變化情況。圖9(a)中可以看到，前期到中期過程，隨著污泥濃度的提升，SMP增長較為顯著，這導致了4#膜污染的迅速加劇；圖9(c)中，對于單位VSS下的SMP，在反應器穩定排泥的時期并沒有顯著變化。圖9(b)顯示，在前期到中期過程，反應器EPS濃度也逐步提升，但是到后期， EPS濃度明顯降低，圖9(d)中也可以看到，3#和4#池的單位VSS下EPS的同樣顯著降低，這是由于在貧營養條件下，微生物降解了EPS來維持自身生命活動[22]，說明污泥絮體進行了消化，實現了一定的穩定化處理[9-11]。且結果顯示污泥EPS中的蛋白質占比較高，而EPS的下降也主要是由于蛋白質和糖類的減少，說明消化的主要成分為蛋白質和糖類。

圖9 不同反應器污泥SMP和EPS變化

3 結論

無支撐軟式平板膜污泥濃縮處理中試裝置中的應用研究表明，裝置在節省占地和成本的同時可以實現長期穩定運行。排泥平均濃度維持在46g/L左右；1#和2#池為好氧環境，3#和4#池為缺氧和厭氧環境；工藝出水對污水處理廠出水影響很小，總出水的COD可以維持在125mg/L以下，氨氮維持在5mg/L以下，總氮維持在45mg/L以下，總磷維持在6mg/L以下，可以采用混合出水的方式排放；隨著運行時間增加，排泥的粒徑逐漸變小，脫水性能變差，胞外聚合物中的蛋白質和糖類逐步減少實現了一定的消化作用。