【MBR篇】你了解MBR膜得运行与维护吗？

摘要 ：随着我国污水处理行业的发展以及对污水厂出水水质的要求越来越严格，MBR工艺也越来越多地应用于大型污水处理厂。MBR工艺节约占地、节约土建投资、工艺运行更稳定、出水水质更优的特点也逐渐被行业内认可。MBR工艺运行过程中需要做好除砂及除毛发、纤维的预处理工作，还需要严格控制进水的油脂含量，做好预处理是控制MBR膜污染的关键之一。生产运行中，应严格按照MBR工艺要求，保障回流比、膜擦洗曝气强度、膜化学清洗频次等工作。MBR膜过滤技术不同于利用重力进行“泥水分离”的二沉池，受污泥膨胀、污泥沉降性等因素的影响较小，但较好的污泥沉降性更有利于膜污染控制，提高临界膜通量。日常运行维护过程中，还应注意监测膜池混合液的过滤性，以及应对NaClO在线清洗对膜池混合液理化性质的冲击降低其过滤性的处理方法。

关键词 ：MBR膜，跨膜压差，膜通量，曝气强度，膜清洗

1 前言

MBR膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor)是膜分离技术与污水处理技术的结合，膜组器取代了二沉池及后续的过滤工艺，相对于传统的污水处理工艺，占地面积更小、容积负荷更高、出水水质更优更稳定。一般传统工艺的污泥浓度约2.5~4.5g/L， 而MBR工艺可达到8~10g/L。刘纪成等[1]研究发现 MBR工艺在20g/L的超高污泥浓度下，通过更严 格、全面的运行管理，稳定运行了超过600天。MBR膜工艺是利用膜分离技术实现了生化系统的“泥水分离”，克服了传统工艺提高容积负荷与降低污泥负荷间的矛盾。二沉池实现“泥水分离”依赖于重力作用，污泥沉降性能越好，“泥水分离” 效率越高。膜分离是一种强制分离，受污泥沉降性 的影响较小，即使污泥龄(SRT)超长也不引发“跑 泥”问题，因而使得整个生化系统运行稳定性更好。MBR膜过滤孔径一般在0.1~0.4μm，按材质分 为有机高分子膜(如聚乙烯类、聚醚砜类)和无机膜 (如陶瓷膜等)，膜组件的结构形式可分为平板式、 卷式、帘式、圆管式等。以帘式中空纤维膜为例，膜组件和膜组器的常见形式如[图1-1]所示。

图1-1 MBR膜组件（左）与模组器实物图（右）

中空纤维膜的过滤功能层涂布于支撑层的外表面，利用产水泵的抽吸作用，膜丝两端收集过滤后的污水，最 终汇集至膜组器的产水管，通过产水泵排出。中空纤维膜的过滤原理[图1-2]所示。

图1-2 中空纤维膜过滤原理

膜组器底部配置有用于气擦洗的曝气装置，用于吹扫膜丝表明截留的污泥。MBR膜池的配套设施包含进水渠、回流渠、水 泵间(膜设备间)和出水池，回流渠靠近生化池一 侧，进水渠的配水渠靠近膜设备间一侧，如[图1- 3]所示。 附属设施包含膜清洗区、吊装区、膜清洗 加药间及配电室。

图1-3 MBR膜池及配套设施的平面布局图

2 MBR膜的运行管理

2.1 预处理

MBR工艺对预处理工艺段要求更高，需配置沉 砂池、超细格栅(孔径0.5~1mm)，用于除砂和除毛 发、纤维等细小杂物。中空纤维膜组件的上端在膜 吹扫的作用下，容易聚集缠绕毛发、纤维如[图2- 1]，若与抖动的膜丝间发生摩擦，将对膜丝造成不可逆的物理损伤。膜组件顶端聚集缠绕的毛发、纤维，还会影响膜吹扫气体的上升通道，导致膜擦洗不均匀，膜组件上端的膜丝表面浓差极化形成积泥，最终板结。膜组件若出现板结，膜组器的有效过滤面积将减少并承担更多的过水量，容易造成恶性循环，使得跨膜压差(TMP)快速上升。因此，预处理对于MBR工艺而言尤其重要，沉砂池及超细格栅的运行情况是MBR工艺运行管理的重点项之一。

图2-1 膜组件上端的毛发、纤维缠绕污染

MBR膜的运行还要求水温在10~35℃，高于 35℃会对膜使用和寿命造成不利影响，低于10℃则使膜通量下降明显。油脂还会对膜造成严重污 染，要求总植物油低于50 mg/L，矿物油低于3mg/L。

2.2 产水系统

MBR产水系统如[图2-2]所示. 

图2-2 MBR产水系统示意图

生化池末端的混合液经配水渠进入膜池，膜组器浸没于膜池内，通过产水泵抽吸实现膜组器从混合液中过滤污水，并将污泥截留在膜池内。膜池末段设置有污泥回流泵，使得膜池内高浓度的污泥回流至好氧池前端， 回流比一般在300%~500%，可以有效减小膜池与好氧池之间的污泥浓度差。推荐的膜池污泥浓度在5~10g/L范围。

MBR工艺还配套有膜擦洗曝气系统、抽真空系统、在线清洗系统等。膜产水过程中，MBR膜擦洗风机必须连续运行，冲刷膜表面截留的污泥，降低滤饼层的厚度防止板结。膜擦洗曝气所需的气量采用曝气强度指标衡量，曝气强度指膜组器的单位投影面积上的气量， 一般 地表水或市政污水在60~110 Nm3 /(m2·h)，工业废水及高污染废水在 120~150 Nm3/(m2·h)。膜擦洗风机的能耗占污水厂 能耗的20%~25%，甚至超过MBR工艺好氧池曝气风机的能耗，因而膜擦洗的经济曝气量是MBR工艺节能的研究方向之一。增大膜擦洗的气量，可增加空气在膜表面形成的剪切力，但同时也会使得活性污泥菌胶团的粒径变小，造成混合液的理化性质发生变化，不利于膜污染的控制[ 2 ]。孙剑宇[ 3 ]的研究 中，对膜曝气系统工程改造为高低脉冲曝气(高/低 时间1min/5min)，降低了膜曝气量的31%而不加剧膜污染。日常运行管理过程中，膜曝气强度还可以根据膜池污泥浓度、膜实际运行通量调节，膜池污泥浓度越高或膜实际运行通量越大，应匹配越高的膜曝气强度。膜池液位影响着膜擦洗风机出口的风压，以及膜组器曝气装置出口的实际体积风量。因此，控制较低的膜池液位，也将更有利于膜擦洗风机的节能。

抽真空系统主要的作用是保障产水泵的正常运行，通过真空装置从产水泵入口管路的最高点抽出管内的空气，可有效防止产水泵发生“气缚现象”。跨膜压差(TMP)越高，从膜组器抽吸产出的水夹带的空气越多。

在线化学清洗(CIP)系统包含CIP泵、加药泵等，用于膜组器的日常化学清洗。化学清洗分为酸洗和碱洗：酸洗主要用于去除膜系统的无机污染，如钙盐、镁盐结垢等，可每半年进行一次(硬度高 的水质需适当增加频次)；碱洗用于去除有机污染，如膜表面的生物凝胶层、蛋白质等，需每周一次。药剂的用量按每平方米膜药液量2~4L计，需要考虑管路的体积。

产水泵一般按照预设流量控制，且需按周期性 间歇运行，如“启7min停1min”、“启11min停 2min”等模式。间歇产水是基于减缓膜污染速率而 设定的，有助于抑制膜表面的浓差极化现象。变频 器调控产水泵流量的大小，产水泵启动时频率的加速时间不宜过快。

2.3 运行调控

跨膜压差(TMP)是指驱动水通过膜所需的压 力。取产水泵停止运行时泵入口段的压力变送器显 示值(如图[2-2]中的PIT)为P0，P0为常数经确定后一 般不再调整，以产水泵运行时压力变送器显示值为 Pt，MBR膜组器的跨膜压差按TMP=P0-Pt计，中控室上位机可直接显示并保存TMP的结果。跨膜压差 (TMP)是MBR工艺运行过程中最直观的表征膜污染 程度的参数，瞬时产水流量越大或膜污染越严重， 跨膜压差越大。M BR膜的跨膜压差正常值在0~50kPa范围，当跨膜压差接近或达到50kPa时须进行离线清洗。

MBR膜运行过程中，随着膜污染的进行，跨膜压差的上升过程可分为三个阶段，如[2-3]所示。

图2-3 膜污染三个阶段示意图

第I阶段为污染初期，部分膜孔堵塞；第II阶段为缓慢 污染阶段，膜表面出现大分子、胶体附着，日常维 护无法清除的膜污染部分逐渐积累，跨膜压差 (TMP)也逐渐增大；第III阶段为快速污染阶段，膜 表面固体沉积物增加，甚至开始出现板结，有效过 滤面积加速减少。离线清洗应在膜污染进入第三阶 段之前进行，日常运行管理除记录跨膜压差外，还 需要观察膜组器擦洗曝气的均匀性，当出现不均匀曝气时，需及时检查膜组器的板结情况。

单位时间内通过单位膜面积的水量定义为 膜通量 ，MBR膜通量一般在15~25L/(h·m2)， 运行膜通量由瞬时产水流量调控。 临界通量 是指跨膜压差 (TMP)不随时间而明显升高的膜通量，临界通量与膜的材质、膜组器的结构、曝气强度、污泥浓度等 有关。不同膜通量情况下跨膜压差随时间的变化如[图2-4]所示，超临界通量下运行跨膜压差升高速率很快，表明膜污染加剧(部分膜污染是不可逆的)，须避免。MBR膜可在接近临界通量的次临界通量下运行，以平衡产水量和膜组器使用寿命之间的关系。实际生产运行中，应积极采取措施提高临界膜通量。

图2-4 不同膜通量下运行TMP变化示意图

运行通量存在差异，膜污染速率也有所不同。一般情况下，距离产水泵越近的膜组器膜污染越严重， 若实际运行过程中存在这样的情况，可定期调换膜组器的位置，以降低膜污染的平均速率。混合液过滤性是指，5min内50mL混合液经 Φ15cm中速定性滤纸过滤得到的滤液体积。MBR工艺要求混合液过滤性不低于25mL/(50mL·5min)若低于25mL/(50mL·5min)则表示混合液过滤性 差，容易造成膜污染和跨膜压差的上升，需采取措 施调控混合液的性质。滤纸折法要求和测试装置如[图2-5]所示。

图2-5 滤纸的折法(左)和测试装置(右)

混合液过滤性 是影响膜污染速率的重要因素之一，是生产运行过程中提高临界膜通量的重要途 径。污泥龄、污泥浓度、污泥沉降性、混合液粘 度、混合液上清液TOC浓度、活性污泥的胞外多聚物(EPS)和溶解性代谢产物(SMP)等参数，都能一定程度上影响混合液过滤性，而且混合液过滤性检测方法简单，因此 MBR工艺的污水厂应每天检测该指标 ，以提前采取调控措施。

污泥龄调控是提高混合液过滤性的一种简单有 效的办法。污泥龄过低，污泥菌胶团粒径小，会造 成混合液膜过滤性差，引发严重的膜污染。污泥浓 度过高，混合液黏度将显著增加，混合液过滤性也会下降，建议污泥浓度<15g/L为宜。

絮凝剂(或除磷药剂)对改善混合液过滤性有一 定的积极作用。冯超[4]的研究发现，PFS、PAC、 FeCl3三种絮凝剂都能提高活性污泥絮体的平均粒 径，降低小颗粒物质，同时也降低了混合液上清液 的COD，对降低膜污染速率起到积极作用，其中PFS效果最好。

3 MBR膜的维护

MBR膜的维护主要包含为恢复膜通量而进行的化学清洗，日常检查膜擦洗曝气的均匀情况，以及少量的膜组器结构方面的维护工作。膜的化学清洗分原位在线清洗和异位离线清洗，其中原位清洗适用于日常维护，异位清洗效果更显著，但更费时费力。

日常在线酸洗每半年进行一次(硬度高的水质需适当增加频次)，药剂可选用1%~2%(质量浓度)的柠檬酸或草酸。在线碱洗每周进行一次，维护性清洗采用500~1500mg/L浓度的NaClO，恢复性清洗按 2000~3000mg/L的NaClO(每月一次)。药剂的用量按每平方米膜药液量2~4L计，需要考虑管路的体积。原位化学清洗的步骤如[表3-1]所示，具体的加药量可根据膜污染的情况而定，也可根据清洗后跨膜压差的恢复情况调整。在线碱洗完成恢复膜池曝气后，膜池会出现适量的泡沫，可根据泡沫量估摸加药量情况，泡沫量少表明加药量可能不足，泡沫过量表明加药过量。

表3-1 原位清洗的步骤参照表

孙明[5]的研究表明，NaClO洗膜过程中会对混合 液造成冲击，污泥的表面γ-降低，絮体出现解体 且混合液过滤性下降，产水后发现膜污染速率显著 增加，运行2天后恢复正常。因此，日常洗膜完成 后，应尽快通过回流泵循环更新膜池内的混合液，洗膜后的初期膜通量建议控制在较低的水平。

离线清洗每年1~2次，酸洗的柠檬酸或草酸药 液浓度2%~3%(质量分数)，碱洗的NaClO浓度为 3000~5000mg/L。一般按照先碱洗后酸洗的顺序进 行，每次清洗完成都需要冲洗干净膜组器表面的药液，并清水漂洗。离线清洗的步骤是将膜组器从膜池内吊装至冲 洗区，必要时将膜组件拆卸并清理缠绕的毛发纤维和膜表面的污泥，如[图3-1]。 冲洗完成后组装送往药液池浸泡12-24小时，浸泡期间可配合少量曝气 提升清洗效果。 浸泡完成后，冲洗膜组器表面的药液并漂洗干净，即可重新安装于膜池投入使用。

图3-1 膜组件离线清理      

膜组器浸泡过程中，药液有效成分会被消耗， 因此需每12h检测一次药液的pH值，并补充药液至 初始pH值。化学药液温度宜大于25℃，温度越 低，清洗效果越差，因此离线清洗宜在入冬季前进行。

4  结论与建议

相比于传统工艺，MBR工艺对预处理的要求更高，严格控制毛发、纤维量、进水含油量有利于控制膜污染以及延长膜使用寿命。

膜擦洗曝气强度、膜池污泥浓度、膜化学清洗 等MBR工艺运行参数要求，基本是围绕膜污染控制 方面的考虑，日常生产运行应严格遵守。根据实际 膜池污泥浓度、运行通量调控膜擦洗曝气量，将有利于MBR工艺的能耗控制。

尽管MBR工艺运行对污泥沉降性、污泥龄等要求不严格，但较好的污泥沉降性、合理的污泥龄调控，将有利于降低膜污染速率，提升膜运行通量。还应加强膜池混合液过滤性的日常监测，及时调整工艺运行状态，提高临界膜通量。NaClO在线清洗将对膜池混合液造成冲击，影 响混合液的理化性质而不利于膜污染控制。日常操 作过程中可加快膜池混合液的循环更新，并降低洗膜后初期的运行通量.