外置式MBR和NF系統(tǒng)運行參數(shù)及膜污染控制技術(shù)改進

蘆旭飛，杜 巍，周小飛，鄭 斌，王進安，劉 禎，卜新宇

（北京環(huán)衛(wèi)工程集團有限公司四清分公司阿蘇衛(wèi)垃圾衛(wèi)生填埋場，北京 100029）

外置式MBR和NF系統(tǒng)運行參數(shù)及膜污染控制技術(shù)改進

蘆旭飛，杜 巍，周小飛，鄭 斌，王進安，劉 禎，卜新宇

（北京環(huán)衛(wèi)工程集團有限公司四清分公司阿蘇衛(wèi)垃圾衛(wèi)生填埋場，北京 100029）

針對北京阿蘇衛(wèi)垃圾衛(wèi)生填埋場滲瀝液處理設(shè)備，即MBR和NF設(shè)備運行過程中的一些控制參數(shù)和傳統(tǒng)的膜污染控制技術(shù)進行現(xiàn)場記錄和分析，并對相關(guān)運行參數(shù)進行研究和控制，經(jīng)擴容改造后阿蘇衛(wèi)垃圾衛(wèi)生填埋場滲瀝液工程采用膜污染控制技術(shù)，從而使設(shè)備穩(wěn)定運行，最大程度地增加回收率，提高了系統(tǒng)的處理效率。

滲瀝液；膜污染；運行參數(shù)；回收率；技術(shù)改進

1 阿蘇衛(wèi)垃圾衛(wèi)生填埋場滲瀝液處理概況

填埋場滲瀝液屬于高濃度有機廢水，并含有大量的氮磷類物質(zhì)、致病微生物、重金屬等有毒有害物質(zhì)。阿蘇衛(wèi)垃圾衛(wèi)生填埋場運行時間已達14 a，收集的滲瀝液既有早期滲瀝液，又有新產(chǎn)生的滲瀝液，成分復(fù)雜。早期的滲瀝液COD、BOD較高，可生化性較好，隨著填埋時間的增加，BOD會逐漸降低，氨氮則逐漸升高，可生化性變差。除此之外，填埋場滲瀝液水質(zhì)、水量還會隨季節(jié)、填埋方式、收集方式和地域的變化而呈現(xiàn)較大波動。

在實際運行中存在操作壓力大、預(yù)處理作用不明顯等情況［1］，阿蘇衛(wèi)水氣處理中心在2007年對原有系統(tǒng)進行了擴容改造，增加了MBR和NF等處理設(shè)備，運行2 a多，由于滲瀝液存在處理難度大、水質(zhì)變化明顯等特點，該設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)了一系列問題，尤其是膜處理環(huán)節(jié)，膜污染對系統(tǒng)的正常運行造成了很大的影響。在國內(nèi)膜處理技術(shù)還處于起步階段，對膜處理技術(shù)的掌握程度以及對膜污染的控制情況直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和運行成本的降低。

2 滲瀝液處理工藝設(shè)計

滲瀝液設(shè)計處理水量為600 m3/d，設(shè)計進出水水質(zhì)見表1。工藝流程見圖1。

表1 滲瀝液設(shè)計進出水水質(zhì)

圖1 阿蘇衛(wèi)垃圾衛(wèi)生填埋場改造后滲瀝液處理工藝流程

3 膜簡介

3.1 MBR膜

MBR是一種集生物處理和膜分離為一體的新型高效生物處理技術(shù)。用膜組件取代二沉池可達到泥水完全分離的效果，并克服了傳統(tǒng)工藝出水水質(zhì)不穩(wěn)定、容易發(fā)生污泥膨脹的不足，具有結(jié)構(gòu)緊湊、處理效率高、容積負荷高、污泥產(chǎn)生量少、自動化程度高等特點。

生化處理段分為前置反硝化和硝化2個部分。在硝化池內(nèi)，好氧微生物的降解作用可降解大部分有機污染物，并使氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽。含有大量硝酸鹽類的污泥經(jīng)過回流管路回流至反硝化池，在缺氧環(huán)境下，通過反硝化細菌的作用，轉(zhuǎn)化為氮氣排出，達到脫氮的目的。

膜分離段采用孔徑為0．1 μm的有機管式超濾膜組件。通過超濾膜處理后，可以將泥水完全分離，分離后的污泥與厭氧罐出水混合后進入反硝化池，清水則進入NF處理段。

3.2 NF（納濾） 膜

NF是一種介于反滲透與超濾之間的壓力驅(qū)動型膜分離技術(shù)，可有效去除水中分子質(zhì)量大于100 u污染物。納濾膜還可以去除部分鹽分，降低反滲透的運行壓力。

納濾采用的膜材料為聚酰胺復(fù)合膜，工作壓力 0．5～0．8 MPa，膜通量 22 L/（m2·h），膜總面積1 191 m2。納濾裝置分為2段，一段為6根膜柱，二段為2根膜柱。一段濃縮液進入二段進行再處理，可增大系統(tǒng)回收率。一段和二段的透過液混合后形成出水，進入反滲透，進行進一步處理。

4 膜系統(tǒng)主要控制參數(shù)

4.1 MBR系統(tǒng)主要控制參數(shù)

1）溶解氧：好氧池內(nèi)溶解氧下降，會影響生化處理的效果，因此好氧池內(nèi)溶解氧須控制在3．0～5．0 mg/L。缺氧段溶解氧控制在 0．5 mg/L 以下，如果溶解氧較高，將影響反硝化反應(yīng)的進行。

2） 回流比：回流比控制在200%～300%，不宜過高，過高的回流比會影響反硝化作用的進行，適當?shù)幕亓鞅扔欣谔岣呙摰省?/p>

3） pH：pH 必須控制在 6．5～7．5，最佳 pH為6．5～7．0，pH過高或過低都會影響硝化池的處理效果。pH主要通過加堿和加酸來調(diào)節(jié)。

4.2 NF系統(tǒng)主要控制參數(shù)

1）運行壓力：保安過濾器的濾前壓力應(yīng)控制在 0．15～0．22 MPa。膜運行壓力應(yīng)控制在 0．6～0．8 MPa。膜前壓力、段間壓力和膜后壓力之差不能超過 0．15 MPa。

2） 進水pH：進水pH應(yīng)控制在6．5～7．2為佳，這樣可有效減少膜結(jié)垢現(xiàn)象的發(fā)生。

3） ORP：進水 ORP應(yīng)控制在-200～+200 mV，以保證納濾膜不被污水中的氧化還原物質(zhì)破壞。

4） 流量：進水流量應(yīng)控制在25 m3/h左右，出水流量應(yīng)控制為20 m3/h，控制回收率在80%左右有利于延長膜的使用時間。

5 膜系統(tǒng)污染控制

5.1 MBR膜污染的形成機理及主要影響因素

5.1.1 MBR膜污染形成機理

膜污染是指由于污水中的膠體顆粒、溶質(zhì)大分子與膜之間存在物理、化學(xué)或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附和沉積，造成膜孔徑變小、堵塞，使膜通量減小及膜的分離特性產(chǎn)生異化的現(xiàn)象。造成MBR膜污染的物質(zhì)來源于硝化池中的污泥混合液，其成分包括微生物菌群及其代謝產(chǎn)物、廢水中的有機分子、溶解性物質(zhì)和固體顆粒等。在MBR膜過濾過程中，膜污染的形成機理主要有以下幾種：①某些顆粒物質(zhì)的粒徑小于膜的孔徑，能在膜孔中吸附。通過濃縮結(jié)晶、沉淀及生長等作用，這些物質(zhì)會對膜孔產(chǎn)生不同程度的堵塞，造成膜污染。②污水中的懸浮物、膠體物質(zhì)及微生物被膜攔截后，在吸附、架橋、網(wǎng)捕作用下結(jié)合在一起，在膜表面沉積，形成沉積層，導(dǎo)致膜通量下降，造成膜污染。③膜穿透壓力的上升及膜孔的堵塞會導(dǎo)致膜表面出現(xiàn)濃差極化現(xiàn)象，越靠近膜表面，污染物質(zhì)的濃度越高，當達到極限濃度后，溶解性難降解小分子物質(zhì)析出并與污泥混合液（MLSS）結(jié)合，在膜表面形成凝膠層，造成膜污染。

沉積層是污染物質(zhì)簡單結(jié)合后沉積于膜表面，與膜的結(jié)合力較弱?？刂颇ね吭诤侠淼姆秶鷥?nèi)可減少沉積層的厚度。此外，在膜系統(tǒng)運行過程中，曝氣等操作會形成強烈的水流擾動和錯流作用，對沉積層有很強的去除效果。因此，沉積層對膜的性能影響不大，造成的膜污染也較輕。造成膜通透性能降低的主要因素是膜孔的堵塞和凝膠層的形成。在膜運行過程中，水力作用很難將這2種污染物質(zhì)去除，必須通過專門的清洗才能達到較好的去除效果，這也是導(dǎo)致工藝運行費用增加的主要原因之一。確保膜性能的穩(wěn)定，降低運行成本是控制膜污染的主要目的。因此，抑制膜孔的堵塞和凝膠層的形成是MBR膜污染控制的重點。

5.1.2 影響因素

膜自身的特性和泥水混合液中的生物相尺寸是導(dǎo)致膜孔堵塞的主要因素。膜的特性主要有膜材質(zhì)、膜孔徑大小、空隙率、親疏性、電荷性質(zhì)和粗糙度等。不同特性的膜對混合液中顆粒物的吸附程度不同，所以受到的污染程度也不同。生物相尺寸越小越容易導(dǎo)致膜孔堵塞，且膜孔內(nèi)滯留的微生物在營養(yǎng)物質(zhì)充足的情況下會不斷生長，加重膜孔堵塞的程度。

影響凝膠層析出的因素為反應(yīng)器中的溶解性難降解有機物濃度和泥水混合液中生物相尺寸。溶解性難降解有機物主要是指胞外聚合物。胞外聚合物會導(dǎo)致溶液的黏度增加，使污泥絮體顆粒之間的空隙減小，改變膜面空隙的結(jié)構(gòu)，是凝膠層形成的主要因素。生物相尺寸越小，在過濾過程中就越容易達到膜表面，形成比阻更高的致密層，加速凝膠層的形成。此外，在膜過濾過程中，膜系統(tǒng)的出水流量會影響濃差極化的程度，是影響凝膠層形成的外部因素，因此可通過調(diào)節(jié)出水流量來減輕膜污染的程度。L．Defrance等［2］研究了混合液中各組分對膜污染的影響。試驗結(jié)果表明，溶解性物質(zhì)、膠體和懸浮固體對膜過濾阻力形成的貢獻率分別為5%、30%和65%。由以上分析可知，泥水混合液中的生物相尺寸、膜自身的特性、反應(yīng)器中胞外聚合物的濃度及膜表面的濃差極化現(xiàn)象是影響膜孔堵塞及凝膠層形成的主要因素，控制膜污染須從這些影響因素入手。

5.2 NF膜污染的形成機理及主要影響因素

納濾膜能夠有效地截留分子質(zhì)量在200～2 000 u的污染物質(zhì)，適合于對MBR出水進行深度處理。但在應(yīng)用過程中，納濾膜的污染成為制約其應(yīng)用的主要問題。

研究發(fā)現(xiàn)，造成納濾膜污染的主要影響因素包括進水污染物性質(zhì)、進水溶液條件、膜表面性質(zhì)和水力條件，這些因素對膜污染的貢獻相互關(guān)聯(lián)。國內(nèi)外在減輕膜污染方面已經(jīng)做了許多工作，但納濾膜的污染仍不可避免。因此，對膜進行定期清洗成為減輕膜污染、確保膜系統(tǒng)長期運行的一個必要環(huán)節(jié)。

5.3 膜污染控制優(yōu)化

5.3.1 MBR運行參數(shù)及膜污染控制優(yōu)化

5.3.1.1 曝氣量控制

在MBR中，曝氣除了為微生物供氧外，還可在膜水箱中形成良好的紊流狀態(tài)。研究表明，大量氣泡以較高速度穿過中空纖維膜組件時，會形成強烈的紊流，強烈的紊流對膜表面有一定的沖刷作用，能減輕濃差極化現(xiàn)象，阻礙凝膠層的形成。因此，加大曝氣量可在一定程度上減輕膜污染。但是，通過長期運行發(fā)現(xiàn)，在進水量相同的情況下，反應(yīng)器曝氣量過大，會導(dǎo)致膜表面周圍的污泥顆粒粒徑減小。污泥中小粒徑顆粒的增多會使膜表面濾餅層結(jié)構(gòu)更加致密，導(dǎo)致膜過濾阻力增加。而且過量曝氣會導(dǎo)致混合液紊流作用加劇，巨大的錯流作用可能導(dǎo)致膜絲斷裂。因此MBR膜池曝氣量應(yīng)控制在 2 m3/（m2·min） 左右。MBR膜池曝氣量主要通過單獨的1臺小風機進行控制，在曝氣量不足的情況下可以通過硝化池曝氣系統(tǒng)進行補充。

5.3.1.2 污泥濃度控制

污泥性狀主要通過控制進水負荷、曝氣量、硝化池溫度、系統(tǒng)pH和污泥濃度的方式進行調(diào)節(jié)。在實際運行過程，將進水COD控制為10～15 g/L，曝氣量控制在使溶解氧為2～5 mg/L，溫度控制為 30～38 ℃，系統(tǒng) pH 控制為 6．8～7．5，硝化池內(nèi)微生物生長狀態(tài)良好，污泥絮體大而密實，對污染物質(zhì)的降解能力顯著提高，出水水質(zhì)明顯變好。在以上條件一定的情況下，將硝化池內(nèi)污泥濃度控制在一定的范圍內(nèi)時，污泥絮體會在膜表面形成比較穩(wěn)定的動態(tài)膜，可減輕濃差極化現(xiàn)象，抑制凝膠層的產(chǎn)生，并防止膠體物質(zhì)及各種細小顆粒進入膜孔，這一濃度稱之為臨界污泥濃度。在確保出水水質(zhì)的前提下，控制硝化池內(nèi)污泥濃度在臨界污泥濃度范圍內(nèi)可減少膜污染。臨界污泥濃度可以通過一定曝氣強度下，產(chǎn)水量的降低隨污泥濃度的變化情況來確定。產(chǎn)水量下降最慢時對應(yīng)的濃度即為臨界污泥濃度。通過試驗得出，污泥臨界濃度為15 g/L。

5.3.1.3 反沖洗及化學(xué)清洗

反沖洗是用水泵將清水從出水端打入膜絲內(nèi)，在壓力作用下，透過膜絲進入污水一側(cè)，對膜絲表面進行清洗。對MBR定期進行反沖洗操作，可破壞濾餅層，將其沖刷掉，并可減輕濃差極化作用，抑制凝膠層的形成，有效降低膜污染。通過不斷試驗總結(jié)，將MBR系統(tǒng)反沖洗操作設(shè)定為運行20 min，反沖洗1．5 min。在膜污染較輕時，反沖洗可使膜通量基本恢復(fù)到上次沖洗前。

在膜污染加重、反沖洗操作效果下降時，需對膜進行化學(xué)清洗。膜的化學(xué)清洗不是單純酸洗或堿洗，單獨的酸洗或堿洗對于膜通量的恢復(fù)作用都不大，只有兩者共同使用才能達到較好的恢復(fù)效果。進行膜清洗操作時，應(yīng)先對膜進行水力清洗，再進行化學(xué)清洗。通過水力、化學(xué)清洗可使膜通量恢復(fù)95%以上。用酸清洗時pH應(yīng)控制在 1．5～2．0，用堿清洗時 pH 應(yīng)控制在 11～12，清洗過程中如果發(fā)現(xiàn)pH變化明顯，說明膜污染較嚴重，需把清洗液排凈，重新配置清洗液再次進行清洗，直到清洗液pH無明顯變化，化學(xué)清洗完成。

5.3.1.4 空曝氣

在MBR運行過程中，膜池內(nèi)會有部分污泥不能及時回流，以致于在膜池中不斷積累，導(dǎo)致污泥濃度增大，加重膜的污染。當發(fā)現(xiàn)膜池內(nèi)壁上污泥顯著附著時，要對MBR膜池進行排泥操作，在排空膜池污泥后，將膜池加滿清水，進行清水曝氣。對膜組件進行空曝氣可以延長膜的清洗時間間隔，一般空曝氣時間控制在2～4 h最佳。

5.3.1.5 加強膜的日常維護

在各種運行條件都正常的情況下，產(chǎn)水水質(zhì)變壞，說明膜組件出現(xiàn)斷絲或漏氣的情況。需排空膜池，沖洗膜柱，對膜組件進行檢查。定期對膜組件進行維護可以有效地增加膜的使用壽命，膜組件維護主要包括檢修曝氣系統(tǒng)，緊固膜柱和產(chǎn)水部分連接組件，對膜進行測漏。膜測漏情況如圖1、2所示，膜測漏主要是對損壞的膜絲進行判斷，封堵?lián)p壞膜絲。

圖1 膜測漏組件及安裝

圖2 膜測漏后堵漏情況

5.3.2 NF運行參數(shù)及膜污染控制優(yōu)化

5.3.2.1 納濾前端過濾器濾芯的更換

保安過濾器可以有效截留進水中較大的懸浮顆粒物，對納濾膜起到保護作用。過濾器兩端的壓差超過0．2 MPa時，要及時更換濾芯，防止壓差過大，濾芯變形，導(dǎo)致過濾器失效，懸浮顆粒物進入納濾膜內(nèi)，引起膜的堵塞。

5.3.2.2 運行壓力控制

運行壓力升高，會使膜組件透水量線性上升，脫鹽率升高。當壓力升至一定值時，脫鹽率趨于平穩(wěn)。但是，壓力太高會使膜通量衰減加劇，甚至損壞膜組件。為延長膜組件的使用壽命，通常在脫鹽率和產(chǎn)水量滿足生產(chǎn)要求時，采用較低的運行壓力，保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。系統(tǒng)不同，膜的運行壓力也不盡相同，一般納濾膜系統(tǒng)的運行壓力不能高于0．7 MPa。

5.3.2.3 對膜進行物理清洗

物理清洗是用低壓大流量的清水沖洗膜組件，將附著在膜表面的污染物和堆積物沖掉的過程。膜的物理沖洗可以減少深度差，防止膜脫水現(xiàn)象的發(fā)生。在條件允許的情況下，建議經(jīng)常對系統(tǒng)進行物理清洗，多次物理清洗比進行單次化學(xué)清洗的效果更好。物理清洗的頻率可根據(jù)水質(zhì)情況而定，一般物理清洗的頻率以1次/d為佳。

5.3.2.4 定期對膜進行化學(xué)清洗

盡管采用了合理的預(yù)處理系統(tǒng)和良好的運行管理，也只能使NF膜元件受污染的程度有所降低，要完全消除膜污染是不可能的。因此，納濾膜系統(tǒng)運行一段時間后，必須對膜組件進行化學(xué)清洗。一般情況下，產(chǎn)水量下降l5%左右，進水和濃水之間的系統(tǒng)壓降升高到初始值的1．5倍，產(chǎn)水水質(zhì)有明顯下降時，必須進行化學(xué)清洗。

納濾膜受到的污染主要以有機物、微生物粘膠層、垢類及金屬氫氧化物為主?；瘜W(xué)清洗時，首先要判斷污染物種類，然后根據(jù)膜的特性選擇合適的清洗配方和清洗工藝。對于分段式納濾膜，為了保證清洗效果，可以采用分段清洗的方法進行操作。清洗效果可通過比較清洗前后的脫鹽率、產(chǎn)水量和壓降等性能來進行判斷。通常情況下，納濾膜清洗要先酸洗再堿洗，根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況而定。目前系統(tǒng)化學(xué)清洗時主要采用如下方法：首先進行堿洗，去除微生物污染和有機物污染；再進行酸洗，消除垢類污染及金屬氫氧化物污染。特別要注意作為清洗液的用水不可含有余氯或其他氧化成分，防止對膜造成不可逆轉(zhuǎn)的氧化作用。酸洗和堿洗的清洗間隔至少為2 h。

清洗過程中，需對主要參數(shù)進行控制。①清洗液的pH：酸洗pH為1．5～2．0，絕對不能低于1．5；堿洗pH為11～12，絕對不能超過12。清洗過程中要不斷觀察pH變化，如清洗液較臟或pH變化較大，需配置清洗液進行再次清洗，保證其清洗效果。②流量及清洗時間：低流量輸入清洗液，分段進行清洗，一段進行清洗時，循環(huán)清洗液 15～30 min，浸泡 1～2 h，大流量沖洗 30～45 min，由于二段進水是一段濃縮液，污染比較嚴重，二段進行清洗時，要浸泡2～3 h，流量可通過泵前后端的閥門進行調(diào)節(jié)。

5.3.2.5 對膜原件進行離線清洗

若膜系統(tǒng)受到重度污染（受到污染后，單段壓差大于系統(tǒng)運行初期單段壓差值的 2倍以上，納濾系統(tǒng)產(chǎn)水量下降30%以上，通過清洗無法進行恢復(fù)）或膜系統(tǒng)在進行多次化學(xué)清洗后還是無法恢復(fù)其性能，就需要對膜元件進行離線清洗。離線清洗首先需拆卸膜組件，把膜從膜柱中抽出，觀察膜受污染的情況。主要污染情況如圖3、4所示。

清洗方法：用清水沖洗膜柱表面及兩端的污染物，待沖洗干凈后，用反沖洗泵手動沖洗膜柱，沖洗干凈后，將其裝入專門的離線清洗設(shè)備，進行長時間化學(xué)藥劑循環(huán)清洗。

圖3 納濾膜柱表面污染情況

圖4 納濾膜柱兩端污染情況

6 結(jié)論及展望

1）造成MBR膜污染的主要因素是膜孔堵塞、沉積層與凝膠層的形成。預(yù)防和控制膜污染的方法主要有控制曝氣量、控制污泥濃度、對膜柱進行反沖洗及化學(xué)清洗、對膜進行空曝氣和加強膜的日常維護。

2）造成NF膜污染的主要因素有進水污染物性質(zhì)、進水溶液條件、膜表面性質(zhì)和水力條件，并且上述因素對膜污染的貢獻相互關(guān)聯(lián)。預(yù)防和控制NF膜污染的主要方法有控制運行壓力、對膜進行物理清洗、對膜進行化學(xué)清洗、對膜柱進行離線清洗和定期更換納濾前端過濾器濾芯。

3）在以后的系統(tǒng)運行過程中，可對其他影響因素進一步研究，并建立長期膜污染控制研究機制，對膜污染的控制技術(shù)進行更深入的研究，提高設(shè)備的使用效率。

［1］王進安，劉學(xué)建，杜巍，等．北京阿蘇衛(wèi)垃圾衛(wèi)生填埋場滲瀝液處理［J］．環(huán)境衛(wèi)生工程，2006，14（3）：15-17．

［2］ Defrance L，Jaffrin M Y，Gupta B，et al．Contribution of Various Constituents of Activated Sludge to Membrane Bioreactor Fouling［J］．Bioresour Technol，2000，73 （2）：105-122．

Improving of Operating Parameters and Membrane Pollution Control Technology of External MBR and NF System

Lu Xufei,Du Wei，Zhou Xiaofei，Zheng Bin，Wang Jin’an，Liu Zhen，Pu Xinyu
（Asuwei Waste Sanitary Landfill Site,Siqing Branch Company，Beijing Environment Sanitation Engineering Group Co．，Ltd，Beijing 100029）

Some control parameters and traditional membrane pollution control technology in the operation of MBR and NF equipment in Asuwei Waste Sanitary Landfill Site were noted on spot and analyzed,and the related operating parameters were studied and controlled．The membrane pollution control technology was used in the leachate expansion renovation project of Asuwei Waste Sanitary Landfill Site,in order to operate equipment steadily,gain the highest recovery,and improve treating efficiency of the system．

leachate；membrane pollution；operating parameter；recovery；technological improvement

X703．1

A

1005-8206（2012）05-0039-05

2012-02-14

蘆旭飛（1983—），工程師，主要從事固體廢物處理和管理的研究。

（責任編輯：鄭雯）