某污水處理廠MBR膜系統改造與運行管理

趙 誠，江 濤，周 杉

(1.湖南株洲市城市排水有限公司，湖南株洲 412000；2. 上海市城市建設設計研究總院<集團>有限公司株洲分公司，湖南株洲 412000)

1 項目背景

某污水處理廠設計處理規模10萬m3/d，主要工藝采用AAO+MBR，尾水滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A出水排放標準(GB 18919—2002)。MBR膜系統自2013年開始運行，采用孔徑為0.1 μm的浸沒式聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維超濾膜組件。由于膜使用年限已達設計年限，出現膜通量的正常衰減以及部分膜絲斷裂、脫落現象，膜通量降低，產能下降，膜系統產能不足，無法保證污水處理廠10萬t/d產水能力。另外，隨著城市進一步發展以及環保督察、黑臭水體治理要求，周邊污水處理的需求增加。因此，為滿足生產要求、社會需求，亟需對MBR膜系統進行改造，提升其產量。本次改造工程對象為單組規模為5萬t/d的膜系統及配套設備。

2 污水處理廠概況

2.1 工藝流程

該廠污水處理工藝流程如圖1所示。一級處理采用粗格柵、細格柵、曝氣沉砂池、膜格柵，主要處理管網來水中的生活垃圾、無機物，為保護后續MBR膜系統，特設置間距為1 mm的膜格柵。二級處理主要采用AAO+MBR工藝，為增加脫氮除磷效果，特在好氧池后設置預缺氧池，同時在好氧池增設化學除磷，作為強化除磷或應急措施。尾水采用紫外線消毒工藝處理達標后排放就近內港。污泥處理采用物理濃縮+板框深度脫水工藝，脫水至含水率為50%～60%后外運處置。

圖1 某污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of a WWTP

2.2 設計進水及出水水質

該廠設計出水水質為國家一級A排放標準，進出水水質指標如表1所示。由于該廠在南方地區，進水包括一定的雨水量，進水濃度難以達到設計值。因此，生化處理工段的脫氮除磷效果將是運行重點，而出水總磷、總氮指標達標為運行控制難點。

表1 進出水水質Tab.1 Water Quality of Effluent and Influent

注：括號外為水溫>12 ℃時的控制指標；括號內為水溫≤12 ℃時的控制指標

3 MBR膜系統運行現狀及存在的問題

3.1 MBR膜系統設備狀況

(1)MBR膜池與設備間(一體化構筑物內)

MBR膜池上接AAO池，下聯紫外消毒池。MBR膜池為鋼筋砼地下式矩形池，共2組，每組11格，每格8個膜箱，共176套膜組件。采用PVDF 材質簾式膜，孔徑<0.1 μm，每套膜組件64片膜，每片膜面積為25 m2，共計約281 600 m2。

MBR膜區由22組獨立控制產水單元組成，水力流程上又分為兩套獨立系統運行，便于檢修。膜組件可實現在線、離線清洗。膜設備間有膜系統配套設備，包括產水泵、真空泵、反洗泵、污泥泵及各類管路系統；膜擦洗鼓風機為空氣懸浮離心鼓風機，共4臺，3用1備，單臺參數：Q=208 Nm3/min，P=50 kPa。

(2)膜清洗加藥間

膜清洗加藥間設置在膜產水車間的上部。膜清洗加藥間加藥系統為MBR生化系統配套，設置3個儲藥罐，分別儲備酸、堿和NaClO這3種藥劑。

(3)MBR運行方式

膜池運行周期為產水8 min、停產水空曝2 min；單個膜池CEB(在線清洗)時間為1 h，即CEB流程：藥洗10 min→停15 min→藥洗5 min→清水洗8 min→停17 min；離線清洗：1周清洗1個膜池。

3.2 MBR膜系統存在的問題及原因分析

目前，MBR膜系統存在膜通量降低、產能下降、部分膜絲斷裂及脫落、部分膜絲污堵嚴重[1]、清洗頻次及強度增加[2]等問題。經討論，主要原因如下。

(1)膜使用年限已達設計年限，出現膜性能的正常衰減，導致膜通量下降、產能下降[3]。

(2)人工清洗頻次和強度過大，導致清洗過程中部分膜絲斷絲以及脫落現象，有效膜面積減少，同時對出水水質帶來一定影響[4]。

(3)受運行時長和進水水質的影響，部分膜絲逐漸出現不可逆的污堵現象、跨膜壓差增大，較難通過清洗的方式來恢復通量，導致通量下降。

(4)隨著清洗的頻次和強度增加，膜系統有效運行時間降低，進一步導致產能下降[5]。

(5)前期維護運行中，存在著一些操作維護、運行管理不到位、清洗方式不合適等現象，加劇了膜絲性能的衰減。

4 解決方案

4.1 總體思路

由于外部環境形式嚴峻，考慮到現場實際運行情況，在不大規模停產、減產情況下，保持現有膜箱尺寸不變，對膜箱內部結構進行調整，同時更換更高性能和通量、過濾孔徑<0.1 μm的浸沒式超濾MBR膜組件，并對運行管理方式進行優化，以保證膜系統的產水量。

4.2 設計計算

(1)現狀膜通量

現狀單格膜池內有8套膜箱，單個膜箱的膜面積為1 600 m2，單格膜池內膜面積為12 800 m2?，F狀膜的通量為7.8～15.6 L/(m2·h)。

(2)計算條件參數選取

更換后運行方式仍按開8停2，單側膜池共11組，單側規模為5萬m3/d；為滿足清洗要求，假定每天有1組膜池進行離線清洗或其它工況無法運行；每天有1組膜池需要進行1 h的在線清洗；本次更新后，在膜箱結構不改變的情況下，單側膜池膜系統總面積至少為140 800 m2，單組膜池膜面積為12 800 m2。經計算，本次更新所需膜的通量為13.6～22.7 L/(m2·h)[6]。

為保證本次更新后膜系統產水量，膜系統必須滿足表2要求。

表2 膜系統參數Tab.2 Parameters of Membrane System

4.3 改造總體方案

本次改造方案由于受到投資成本及時間因素的限制，在不改變膜池和膜架結構下，主要通過更換更高性能和通量的膜來實現，并同步更新相關配套設備。

通過本次系統更新，單組膜系統產水規模達到5萬m3/d。

本次更新在維持原有膜架尺寸、集水管路、曝氣管路現狀的基礎上進行。

本次更新后，單組膜系統的膜面積應≥140 800 m2，產水期間平均膜通量≥18.2 L/(m2·h)，最大膜通量應≥22.7 L/(m2·h)，最小膜通量應≥13.6 L/(m2·h)。

采用孔徑<0.1 μm的浸沒式聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維超濾膜組件。

膜的使用壽命應≥5年，三年內最大膜通量折減系數≥0.9，五年最大膜通量折減系數≥0.85，5年內膜的破損率≥0.5%。

單格膜系統清洗前產水量(即運行最小產水量)應大于等于最大運行產水量的60%；

根據膜系統更新需要，同步校核、更新配套設備，如產水泵、真空泵等。

5 投資估算

單邊膜池(5萬t/d)膜系統更新，主要包括膜絲更換以及配套設施匹配更新，新舊系統統一兼容等。設備單價按目前市場價計算，以后應按實際定貨價進行調整。工程總投資為2 200.07萬元，其中建安工程費為2 063.23萬元。

6 改造后運行效果及運行優化

在項目完工后組織進行系統調試，經過一段時間調試運行，改造后的單組系統，最大產能達到6.0萬m3/d，平均產能達5.2萬m3/d，滿足設計要求。

針對改造前運行過程中存在的膜絲膜絲斷絲、脫落；部分膜絲污堵嚴重，清洗頻次及強度大等問題，結合運行經驗，優化運行維護操作。

(1)優化膜系統的清洗維護方式，采取清水反洗和在線加藥反洗組合方式，調整反洗加藥濃度至300 mg/L。

(2)優化清洗步驟[5]：改變原有的清洗步驟及時長，清水反洗1次/d，時間為2 min；在線加藥反洗(CEB)：停止產水→進藥15 min→曝氣浸泡15 min→進藥15 min→清水反洗10 min→曝氣浸泡15 min→恢復產水。

(3)通過合理調節清洗頻次、增加自動清洗等方式，盡量減少人工清洗頻次，避免造成膜絲斷裂。

(4)根據膜絲運行情況，及時觀察膜絲鼓風擦洗效果，定期調整風量大小，減少膜絲內部積泥現象。

(5)強化前期預處理效果，避免雜物進入后續工段，造成對膜絲纏繞、板結等現象。

7 結語

(1)該廠根據自身特點，采取不增加膜箱尺寸、不改變原有土建結構為前提，通過增加膜的總過濾面積、提升膜的結構性能和總體通量，成功實現產能的提升、滿足了生產和社會環境發展的需求。

(2)在設備改造完成后，通過調試，測算出最大產能；同時結合之前運行管理經驗，針對存在的問題，總結出符合自身實際情況的一套膜清洗方式、清洗步驟、清洗頻率等，進一步優化運行維護措施，確保膜系統運行安全、穩定,有效避免因運行維護管理工作對膜系統造成的不可逆污堵和產能的損失。

(3)MBR膜技術由于占地小、出水水質穩定、脫氮除磷效果好，在污水處理行業有著廣泛的需求，但由于其運行管理要求相對較高，一直制約著膜技術在污水處理領域的推廣應用。該污水廠膜系統的成功改造案例及優化后的運行維護管理經驗，可為其他城市污水廠膜系統的改造、優化運行提供借鑒意義。