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(guī)模10萬m3/d，主要工藝采用AAO+MBR，尾水滿足《城鎮(zhèn)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(tǒng)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(xiàn)膜通量的正常衰減以及部分膜絲斷裂、脫落現(xiàn)象，膜通量降低，產(chǎn)能下降，膜系統(tǒng)產(chǎn)能不足，無法保證污水處理廠10萬t/d產(chǎn)水能力。另外，隨著城市進一步發(fā)展以及環(huán)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(chǎn)要求、社會需求，亟需對MBR膜系統(tǒng)進行改造，提升其產(chǎn)量。本次改造工程對象為單組規(guī)模為5萬t/d的膜系統(tǒng)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(wǎng)來水中的生活垃圾、無機物，為保護后續(xù)MBR膜系統(tǒng)，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(nèi)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(qū)，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(nèi)為水溫≤12 ℃時的控制指標

3 MBR膜系統(tǒng)運行現(xiàn)狀及存在的問題

3.1 MBR膜系統(tǒng)設備狀況

(1)MBR膜池與設備間(一體化構筑物內(nèi))

MBR膜池上接AAO池，下聯(lián)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(qū)由22組獨立控制產(chǎn)水單元組成，水力流程上又分為兩套獨立系統(tǒng)運行，便于檢修。膜組件可實現(xiàn)在線、離線清洗。膜設備間有膜系統(tǒng)配套設備，包括產(chǎn)水泵、真空泵、反洗泵、污泥泵及各類管路系統(tǒng)；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(shù)：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(chǎn)水車間的上部。膜清洗加藥間加藥系統(tǒng)為MBR生化系統(tǒng)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(chǎn)水8 min、停產(chǎn)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(tǒng)存在的問題及原因分析

目前，MBR膜系統(tǒng)存在膜通量降低、產(chǎn)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(jīng)討論，主要原因如下。

(1)膜使用年限已達設計年限，出現(xiàn)膜性能的正常衰減，導致膜通量下降、產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)不可逆的污堵現(xiàn)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(tǒng)有效運行時間降低，進一步導致產(chǎn)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(xiàn)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(huán)境形式嚴峻，考慮到現(xiàn)場實際運行情況，在不大規(guī)模停產(chǎn)、減產(chǎn)情況下，保持現(xiàn)有膜箱尺寸不變，對膜箱內(nèi)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(yōu)化，以保證膜系統(tǒng)的產(chǎn)水量。

4.2 設計計算

(1)現(xiàn)狀膜通量

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

(2)計算條件參數(shù)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(guī)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(tǒng)總面積至少為140 800 m2，單組膜池膜面積為12 800 m2。經(jīng)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(tǒng)產(chǎn)水量，膜系統(tǒng)必須滿足表2要求。

表2 膜系統(tǒng)參數(shù)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(xiàn)，并同步更新相關配套設備。

通過本次系統(tǒng)更新，單組膜系統(tǒng)產(chǎn)水規(guī)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(xiàn)狀的基礎上進行。

本次更新后，單組膜系統(tǒng)的膜面積應≥140 800 m2，產(chǎn)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(nèi)最大膜通量折減系數(shù)≥0.9，五年最大膜通量折減系數(shù)≥0.85，5年內(nèi)膜的破損率≥0.5%。

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

根據(jù)膜系統(tǒng)更新需要，同步校核、更新配套設備，如產(chǎn)水泵、真空泵等。

5 投資估算

單邊膜池(5萬t/d)膜系統(tǒng)更新，主要包括膜絲更換以及配套設施匹配更新，新舊系統(tǒng)統(tǒng)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(yōu)化

在項目完工后組織進行系統(tǒng)調試，經(jīng)過一段時間調試運行，改造后的單組系統(tǒng)，最大產(chǎn)能達到6.0萬m3/d，平均產(chǎn)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(jīng)驗，優(yōu)化運行維護操作。

(1)優(yōu)化膜系統(tǒng)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(yōu)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(chǎn)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(chǎn)水。

(3)通過合理調節(jié)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(jù)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(nèi)部積泥現(xiàn)象。

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

7 結語

(1)該廠根據(jù)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(xiàn)產(chǎn)能的提升、滿足了生產(chǎn)和社會環(huán)境發(fā)展的需求。

(2)在設備改造完成后，通過調試，測算出最大產(chǎn)能；同時結合之前運行管理經(jīng)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(yōu)化運行維護措施，確保膜系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定,有效避免因運行維護管理工作對膜系統(tǒng)造成的不可逆污堵和產(chǎn)能的損失。

(3)MBR膜技術由于占地小、出水水質穩(wěn)定、脫氮除磷效果好，在污水處理行業(yè)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(tǒng)的成功改造案例及優(yōu)化后的運行維護管理經(jīng)驗，可為其他城市污水廠膜系統(tǒng)的改造、優(yōu)化運行提供借鑒意義。