MBR膜系统性能与混合液特性的相关性和健康度表征

MBR可通过完全固液分离获得低浊度的出水，同时季节性SVI、污膨胀等微生物的冲击和清零将不再是主要运行问题。MBR较长的SRT也提高了工艺稳定性和污染物去除效率，且对于流量和污泥可过滤性变化可实现自动控制以减少人工成本。然而，MBR膜的污染与控制是MBR运行过程中不可回避和需要解决的问题。图1列举了MBR膜污染的四大类型：

①滤饼层：由于膜的完全固液分离功能，使得在膜表面会始终存在吸附、压实和胶体等的沉淀现象，通常这是不可逆的；

②膜孔堵塞：这与污染物颗粒直径和膜孔径直径及分布相关，膜孔径越小会使得膜孔堵塞程度越低，所以小孔径的超滤膜将会成为MBR膜的首选；

③内孔吸附：当可透过膜的物质进入到膜孔通道时，其与膜材料的亲和性将是导致膜内孔吸附的重要影响因素，这也与膜材料化学以及制膜工艺密切相关；

④生物污染：这是由胞外聚合物EPS组成的生物膜所造成，可通过一定频率和强度的维护性清洗和恢复性清洗来解决。

图1 MBR膜的污染

为了更好地控制MBR膜的污染和污堵，我们需要在工艺设计上从预处理和混合液特性来综合考虑。除了需要考虑生化处理的功能要求之外，MBR预处理需要去除损伤和污染膜的物质。同时对于MBR而言，由于无二沉池沉降问题，所以混合液的沉降性并不重要，而混合液的可过滤性将是MBR长期稳定运行的关键。

首先对于市政污水厂而言，不大于2 mm的穿孔细格栅（通常称之为膜格栅）是必须配置的预处理单元，工程上通常会在生化池之前或膜池之前推荐设置1 mm孔状超细格栅，且要求 N +1设计以满足维护和检修要求，安装不允许有旁路或超越管。为了评估膜格栅的处理性能，建议采用标准筛定期检测混合液滤渣，最低要求为2 mm标准筛的滤渣含量<2mg/L，这样可以有效地控制MBR膜上的缠绕物淤积。

在进行适当有效的预处理之后，对于MBR的混合液而言要求做到完全硝化，通常控制膜池进水氨氮浓度小于1mg/L，且控制膜池平均MLSS浓度在10g/L。虽然实际污水厂由于排泥和污泥处置等原因会在短期内较高污泥浓度下运行，但是建议最好控制最大MLSS浓度不超过12g/L，否则会导致膜组件上的污泥淤积现象而影响膜系统的性能和最终使用寿命。在此基础上，针对图1所示的膜污染类型进一步细分从实际工程和水厂用户角度如何实现膜污染的表征和控制，表1罗列了目前学术研究和工程实践中所采用的主要MBR膜污染行为分析方法，来表征膜表面滤饼层和膜孔深层的污染特性。

表1 影响MBR膜污染的因素

通常活性污泥法的日常运行会测定MLSS和SV值，而对于混合液的特性和可过滤性也需要更简单易行的日常监测方法。根据ZeeWeed MBR三十年的工程和运行经验，通过TTF和胶体性TOC这两个参数的综合评估，可以反映生化设计和日常运行过程中的混合液特性及对膜污染控制的影响。建议这两个指标每周至少做一次，最后根据这些指标参数结果的高低所导致MBR膜的临界通量不同来判断所选择的设计通量和实际运行通量的安全余量。

2.1 可过滤时间（TTF，Time to Filter）                        

TTF表征混合液污泥的可过滤时间，反映了低膜擦洗剪切力下的滤饼层过滤性及膜表面的污堵性状。在MBR污水厂中TTF将是重要的日常运行监测数据。如图2所示，TTF测定系统由Whatman 934AH玻纤滤纸、100mm布氏漏斗、1000mL锥形抽滤瓶、改良的100mL量筒、真空泵和秒表等组成，其检测方法是从MBR膜池取250 mL的混合液采用90mm直径过滤精度1.5μm的玻璃超细纤维滤纸，在真空泵51kPa负压抽吸过滤，分别记录滤出25、50和100mL的时间（以秒计），以100mL的时间作为TTF值。同时记录取样时间、对应膜池的跨膜压差、产水流量、全厂处理流量、水温、混合液溶解氧、污泥浓度，以及原水和出水的pH、悬浮物、BOD和氨氮值等。

图2 TTF测定系统

从图3可见TTF对应的ZeeWeed MBR膜的临界通量值，TTF值越高临界通量将会越低，这样设计的运行膜通量也会越低，否则将会使得MBR膜在持续高的跨膜压差下运行。

图3 TTF对ZeeWeed MBR膜临界通量的影响

2.2 胶体性TOC（cTOC，Colloidal TOC）                        

cTOC表征胶体性有机物的浓度，反映高膜擦洗剪切力下的胶体性有机物颗粒对膜孔的污染势。如果污水厂现场不方便检测TOC，也可用COD替代。该指标也与膜孔径大小直接相关，由于Zeeweed MBR标称膜孔径是0.04微米（第三方实测为0.03μm），所以能够界定颗粒物质的截留。对于大孔径的膜，cTOC的测定或许没有实际意义。

cTOC的测定通常是在TTF检测同步进行的，即同时检测TTF滤液和MBR膜产水的TOC或COD，计算两者的差值即可得到胶体性有机物含量（以mg/L计），其计算公式为：

从图4中MBR膜的临界通量与cTOC关系图可知，胶体性有机物浓度越高，对应的临界通量会越低，那么设计的运行通量也会越低。如果进一步采用0.45μm滤纸过滤TTF滤液而测得的滤液TOC与膜产水TOC的差值，可以定义为超细TOC（sfTOC，Super-fine TOC），这部分有机物的变化与标准化透水率相关性的灵敏度会更高。

图4 cTOC对ZeeWeed MBR膜临界通量的影响

图5是将TTF和cTOC两个指标综合起来评估，反映了多个实际的MBR工程下不同水温条件下不同泥龄、不同污泥浓度的TTF和cTOC统计数据。从图5可见，泥龄过高或过低、超高污泥浓度均会导致较差的混合液过滤特性，这也进一步证实了MBR泥龄选择和污泥浓度控制的重要性。

图5 TTF和胶体性TOC的关系

根据图5的实际统计数据，可以提炼简化生成图6所示的MBR混合液特性图谱，并用来指导MBR系统的日常运行维护。从这个图谱可以看到绿色区域TTF小于100s和cTOC小于10mg/L的混合液是最理想的MBR运行状态，而大多数的MBR混合液是处于黄色区域，这也是MBR认可的良好运行状态。如果测出结果在红色区域，即TTF大于200s或胶体性TOC大于30mg/L，混合液的过滤特性会变得很差，我们需要降低膜通量运行，同时寻找产生该恶性状况的原因并解决它。针对具体的MBR工程项目，可在工艺设计阶段根据以往同类工程和长期运行经验来制定相应的稳定可靠的MBR膜通量设计和运行导则。

图6 MBR活性污泥混合液特性图谱

通过比对MBR活性污泥混合液特性图谱，可知知道混合液的过滤性状，而对于MBR膜系统而言，标准化透水率（Standardized Permeability）将是重要的膜健康度关键性能指标参数（KPI），其表征了单位跨膜压差（TMP）下的膜通量（gfd/psi或LMH/kPa），即考虑了膜的污染状况和温度修正后的膜通量值，真实地反映了膜的实际性能和“健康”状态，其计算公式为：

表2列举了两个实际案例，来解读如何利用标准化透水率数据鉴别不同原因造成的MBR膜污染行为，并通过这些数据分析来实现对MBR系统的智能化运行。此外，通过标准化透水率的历史数据分析，也可评估和预测MBR膜的使用寿命，如图7所示。

表2 利用标准化透水率数据来鉴别MBR膜污染行为

图7 某MBR膜系统第5年至第7年的标准化透水率（LMH/kPa，20 ℃）

由图7可知，该MBR膜系统由4列膜池组成，运行到第5 ～ 7年时的标准化透水率在0.5 ～ 1.5LMH/kPa，某些膜列的恢复性清洗频率也从每年两次增加到三次，根据这一历史运行数据趋势表征，客户于第6年开始着手制定膜更换计划，其中1 ^# 膜列于第7年更换了膜组件，新膜的标准化透水率在2 ～ 3.5LMH/kPa之间。其他的3个膜列分别在第8年和第9年完成膜的更换。

通过回顾ZeeWeed MBR的工程案例和运行维护经验，本文对MBR混合液特性和膜系统性能进行了系统分析，明确了恰当的工艺设计和运行、与适当有效的预处理是减少膜污染和污堵的关键因素。同时对于MBR系统的运行管理，可以从以下两方面来完善：                        

①可过滤时间（TTF）和胶体性TOC（cTOC）提供了一种简单易行的MBR混合液可过滤特性的综合分析方法，这对完善MBR水厂的运行管理是至关重要的，可帮助客户预测膜系统的运行趋势，找到膜性能变差的原因并从工艺参数操作上来解决，从而优化MBR系统的长期运营。                        

②标准化透水率是将大量枯燥的MBR运行数据报表演变为可指导优化运行的数字化表征评估，用以诊断膜系统的健康度状态和预测膜将来的使用寿命，客户可通过标准化透水率的历史数据趋势曲线来剖析同一MBR系统不同膜列的膜性能状态，从而与膜厂家一起制定合理且经济的膜更换计划。