MBR膜的运行及维护

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。

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