不同MBR膜處理印染污水中試對比研究

摘要：為掌握不同膜生物反應器（MBR）處理印染廢水的效果及膜污染特征，選擇對于市售中空纖維膜和平板膜各2種進行對比研究。研究中將4組膜組件置于某印染污水處理廠的同一膜池內進行試驗，直接處理膜池中的印染廢水。結果表明，試驗膜組件對SS的去除率大于99.6%，對濁度和色度的去除率大于85%，對TP、CODCr、TN和NH3-N的去除率分別達到91%、76%、41%和20%；不同膜組件出水水質及對污染物的去除效率相近；膜組件性能差異主要體現在其出水及抗污堵的能力上；膜組件經有效清洗后，膜通量和跨膜壓差可恢復至接近運行初始狀態，且在后續運行中保持穩定。

關鍵詞：MBR；印染污水；膜池；中空纖維膜；平板膜

基金項目：廣東省住房和城鄉建設廳研究開發項目（2022-K27-383251）

引言

膜生物反應器（MBR）工藝具有泥水分離效率高、占地面積小和在高污泥濃度下仍可高效運行等優點，常與A2/O等工藝結合應用于處理生活污水[1][2]。由于工業廢水可生化性較差，處理成本偏高，且往往具有高油、高溫等特點，因此MBR膜工藝尚未廣泛應用于工業廢水處理[3]。

目前，常用的污水處理過濾膜以中空纖維膜和平板膜為主，且二者各有優劣[4]，而膜組件是MBR膜工藝的核心，高性能的膜組件是MBR工藝良好運行的關鍵[5]。基于此，本研究系統地對比分析了4組MBR膜處理印染類工業污水時的運行表現。相較于已有的MBR工藝研究[6][7]，本研究將4組不同MBR膜組件平行放置，確保原水水質和污泥濃度等運行變量相同。因此，期望通過本研究可積累MBR工藝處理工業廢水的運行經驗，為工業廢水處理降本增效提供借鑒。

1試驗概況與指標檢測

1.1 試驗概況

本試驗項目所在地為某印染污水處理廠，設計進水量為7.5萬t/d，采用工藝為水解酸化+A2/O+MBR。將4組MBR膜組件同時平行置于該廠的同一膜池中，設置“抽8停2”運行，初始膜通量為10～11LMH。運行時間為2023年4月3日至5月25日，共53d。運行周期內，膜池平均水溫39.7℃，平均污泥濃度為11462mg/L。試驗膜組件主要參數如表1所示。

1.2 指標檢測

本試驗主要監測指標為膜通量（LMH）、跨膜壓差（kPa）、膜池及膜組出水水化指標。各水化指標及其檢測方法/標準如表2所示。

2試驗膜組件運行結果對比分析

2.1 膜通量變化

本試驗4組MBR膜組件的膜通量變化如圖1所示。其中，2號膜組的通量衰減速度最快，1號膜組則最慢。2～4號膜組的通量變化規律為運行初期以設定膜通量運行；運行3～4d膜通量衰減20%后，衰減速度減緩；產水30d后，膜通量衰減速度加快。運行結束時，3號和4號膜組的通量相近，約為8.4LMH；1號和2號膜組的通量分別為10LMH和6.9LMH。1號膜組的通量在運行時維持穩定，4號膜組的通量在運行之初持續上升，這一現象的出現可能是由于4號膜組表面生成了活性微生物膜從而短暫地提升了膜的截留作用[8]。

2.2 跨膜壓差變化

本試驗4組MBR膜組件的跨膜壓差變化如圖2所示。4號膜組的跨膜壓差在前1個月內為4組膜中最低，維持在15～20kPa。自5月9日起，4組MBR膜的跨膜壓差均快速升高。其中，4號膜組增速最快，至5月23日，4號膜組的跨膜壓差超過1號膜組并接近3號膜組。運行結束時，2號膜組的跨膜壓差最高為55kPa，3號和4號膜組的跨膜壓差均為45kPa左右，1號膜組的跨膜壓差最低為38 kPa；2號和4號膜組的比跨膜壓差（實時跨膜壓差與初始跨膜壓差的比值）均超過200%，3號和1號膜組的比跨膜壓差分別為150%和155%。

污泥濃度過高會導致MBR膜組件的膜通量衰減和跨膜壓差上升。4月20日，膜池內污泥濃度升至23000mg/L，4月21日開始下降并在3d內逐步降至10000 mg/L。由圖1、圖2可見，4組MBR膜組件的膜通量和跨膜壓差均在4月21日后恢復。1號膜組相較于另外3組膜組件而言，受高污泥濃度影響最大。

除上述劇烈變化外，試驗周期內4組MBR膜組件的跨膜壓差變化分為3個階段，即①運行前4周，比跨膜壓差小于112%，上升緩慢；②第4至6周，比跨膜壓差上升20%～50%；③最后2周，跨膜壓差快速上升。

本試驗跨膜壓差變化與其他研究規律相符，膜污染過程分為3個階段，即①初期形成階段，污泥中聚合物、溶解性有機物及其他顆粒吸附在膜孔中；②緩慢累積階段，膜表面形成沉積層；③快速污染階段，沉積層逐漸變厚、致密，同時膜表面的生物絮體形成凝膠層，跨膜壓差快速升高[9]。

另外，污泥濃度增加會導致混合液粘度，及溶解性有機物、惰性物質濃度上升，加劇膜污染和膜通量衰減[9][10]。研究表明，當污泥濃度高于15000 mg/L 時，浸沒式MBR設備的膜污染開始快速加劇[1]。綜上所述，MBR設備均受污泥濃度影響，但不同MBR膜工藝受污泥濃度影響程度不同。

2.3 膜池系統及膜組件對污染物的處理效果

MBR設備可以有效降低水中總懸浮物（SS）、濁度、色度、總磷（TP）、CODCr、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）。其中，MBR膜通過去除污水中顆粒態磷來降低TP濃度，膜池內TN、CODCr、NH3-N的去除則依賴于膜池的工藝及生化能力。膜池污水及膜組件出水水化數據如表3所示，MBR膜的過濾作用對NH3-N去除并無貢獻，這是由于NH3-N在水中屬無機小分子，可自由穿過膜孔[11]。

2.4 膜清洗對比

膜清洗是去除膜污染的有效方法，通常用次氯酸鈉堿洗去除有機污染物，用酸洗去除無機污染物[12]。

由于上述運行結束后，1號膜組設備損壞，因此僅對2～4號膜組進行在線清洗。根據膜結構和管道容積差異，確定藥劑體積為2號膜組150L、3號和4號膜組600L。根據生產廠商建議，確定在線清洗所用次氯酸鈉濃度為2號膜組1000mg/L、3號和4號模組7500mg/L。酸洗藥劑為10000mg/L 檸檬酸溶液。

在線清洗后3組膜的膜通量恢復，2號和3號膜組的跨膜壓差下降25%～52%，但高于30kPa；4號膜組的跨膜壓差降至16kPa。在線清洗后運行1d，2號和4號膜組的膜通量衰減8%，跨膜壓差上升30%；3號膜組的膜通量衰減37%，跨膜壓差上升73%。據此判斷，需進行離線清洗。

離線清洗時，3組膜均先后置于6000mg/L次氯酸鈉溶液和10000mg/L檸檬酸溶液中各浸泡24h。離線清洗后3組膜的膜通量恢復，跨膜壓差下降65%左右，其中4號膜組恢復至20kPa，1號和2號膜組恢復至25kPa以下。離線清洗后運行7d內，3組膜的膜通量穩定且跨膜壓差無明顯上升。

3試驗結果與改進建議

4組試驗MBR膜組件的出水水質相近，對常見污染物的去除能力相近。4組MBR膜的性能差異主要為產水和抗污染能力。1號和3號膜組性能較優，其膜通量衰減和比跨膜壓差上升幅度均低于2號和4號膜組。

2號膜組出水能力較弱，但其電耗僅為其他膜組的30%，且膜絲材料為PVDF，售價較低，在成本上存在優勢；1號和2號膜組為中空纖維膜，在線清洗成本較低，單次所需在線清洗藥劑體積為3號和4號膜組（平板膜）的25%。

在處理印染污水時，MBR膜組件對SS去除率大于99.6%；對濁度和色度去除率為86.6%～88.2%和87.4%～89.4%；對TP的去除依賴于膜對顆粒態磷的截留及膜池的生化效果，平均去除率為91%～93%；對CODCr、TN和NH3-N的平均去除率分別為76.45%、41.4%和20%。

膜組件經有效清洗后，膜通量和跨膜壓差恢復至接近運行初始狀態且運行穩定。過高的污泥濃度會直接降低MBR膜組件出水能力，因此在選用MBR設備時應注意結合實際污泥濃度，考量不同MBR設備受污泥濃度影響的差異性。

結語

綜上所述，MBR膜組件對于印染污水處理的節能增效至關重要，不同材料和工藝的膜組件在出水水質上相近，但在出水能力、穩定性、抗污堵能力和成本上差異顯著，在選用MBR膜組件時應充分考量其經濟效益、環境效益和項目實際情況。

參考文獻

[1]馬志剛，蘆秀青，王靜，等.不同無機碳水平下MBR運行性能與膜污染行為研究[J].環境科技，2023，36（6）：8-13.

[2]田海成，楊紅紅，焦文海，等.AAO+MBR組合工藝各工段設計要點[J].中國給水排水，2023，39（6）：71-77.

[3]沈超，任玉輝.多點進水AAO-A+MBR工藝在低C/N污水處理廠的工程應用[J].凈水技術，2023，42（1）：168-173.

[4]徐錫言.中空纖維膜與陶瓷平板膜在印染廢水深度處理中的應用對比[J].技術與市場.2022，29（11）：55-58.

[5]謝震方，馬金星，吳志超，等.平板膜材料基本性質評價及在膜-生物反應器運行性能研究[J].水處理技術，2014，40（1）：109-113，117.

[6]秦蔚，李云楨，王維，等.三種MBR工藝深度水處理比較研究[J].四川環境，2018，37（5）：25-28.

[7]楊帆.3種型式MBR工藝處理煤化工廢水中試對比研究[J].水處理技術，2018，44（7）：74-77.

[8]陳鵬，張紹青，張立秋，等.MBR中膜污染表征手段的研究進展[J].工業水處理，2021，41（8）：25-33.

[9]陳潤生.一體式MBR污泥特性及對其過濾性能的影響[J].環境工程，2012，30（4）：39-42.

[10]王昊文.中空纖維膜用于污水深度處理時膜污染成因及控制[J].化工與醫藥工程，2016，37（3）：48-53.

[11]張軒，王瑩，文亞萍，等.MBR處理市政污水的膜清洗方法及污染特性研究[J].四川環境，2023，42（4）：16-22.

[12]李紅兵，顧國維，謝維民.中空纖維膜生物反應器處理生活污水的特性[J].環境科學，1999（2）：54-57.

作者簡介

王英實（1999—），男，漢族，湖南湘潭人，助理工程師，碩士，研究方向為污水處理工程與技術研究。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-04-30