城市污水膜生物反應(yīng)器處理工程中膜壽命預(yù)測(cè)

許穎，雷霆，孫劍宇，夏俊林，薛濤，俞開(kāi)昌，關(guān)晶，陳亦力，黃霞

（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室；清華大學(xué)（環(huán)境學(xué)院）-北京碧水源科技股份有限公司環(huán)境膜技術(shù)研發(fā)中心，北京 100084）

摘要：通過(guò)分析3座大型城市污水膜生物反應(yīng)器（MBR）處理工程（>10000 m³/d）的長(zhǎng)期運(yùn)行情況（>3年）及NaClO離線清洗效果，試圖建立兩種方法對(duì)膜壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，即基于實(shí)際平均比通量下降趨勢(shì)的膜壽命預(yù)測(cè)（T_life-1）和基于離線清洗前后膜滲透性恢復(fù)情況的膜壽命預(yù)測(cè)（T_life-2）。結(jié)果顯示，對(duì)于同一座MBR工程，T_life-2略大于T_life-1，但當(dāng)膜運(yùn)行時(shí)間達(dá)到T_life-1時(shí)，實(shí)際產(chǎn)水量已無(wú)法達(dá)到要求，因此T_life-1更具有實(shí)際工程意義。另外，對(duì)其中1座MBR工程平均比通量和累積化學(xué)清洗強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果表明化學(xué)清洗是膜壽命的重要影響因素，發(fā)現(xiàn)可能存在最大化學(xué)清洗強(qiáng)度，預(yù)示膜壽命終結(jié)，有助于膜清洗方案的優(yōu)化。

1 膜壽命定義

膜壽命一般定義為從開(kāi)始使用到由于膜性能下降、破損、膜框架以及設(shè)備老化等原因引起的MBR工藝無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行（比如出水水質(zhì)、產(chǎn)水量等無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求）或能耗和成本超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)期時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。

2 MBR工程概況及數(shù)據(jù)分析方法

2.1 工程概況

選擇3座處理城市污水的大型MBR工程進(jìn)行調(diào)查。建設(shè)時(shí)間最早的A廠是在已有二級(jí)生物處理出水之后增設(shè)的MBR工程，于2006年開(kāi)始運(yùn)行，至2012年對(duì)膜進(jìn)行部分更換，運(yùn)行6年以上。B和C廠均為與厭氧/缺氧生物脫氮除磷耦合的MBR工程，運(yùn)行時(shí)間分別為4年和5年。3個(gè)MBR工程的基本信息如表1所示，均采用A廠家提供的聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維膜組件，膜孔徑為0.4mm。

表1 MBR工程的基本信息

2.2 化學(xué)清洗方案的調(diào)查

對(duì)C工程的化學(xué)清洗方案進(jìn)行調(diào)查，包括在線清洗和離線清洗所使用的堿洗劑NaClO的濃度、清洗頻率以及清洗時(shí)間，如表2所示。在線清洗頻率以季度為單位進(jìn)行次數(shù)求和，離線清洗頻率以年為單位進(jìn)行次數(shù)求和，清洗劑濃度和清洗時(shí)間均為單次清洗數(shù)據(jù)。

表2 C工程化學(xué)清洗方案

2.3 清洗強(qiáng)度的確定

參考消毒工藝中的濃積時(shí)（CT值）的概念，將在單位膜面積上，與膜接觸的清洗劑濃度與接觸時(shí)間的乘積定義為清洗強(qiáng)度。

2.4 膜壽命預(yù)測(cè)方法

基于實(shí)際平均比通量下降趨勢(shì)的膜壽命預(yù)測(cè)（T_life-1）：在MBR工程實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)平均比通量長(zhǎng)期過(guò)低，無(wú)法達(dá)到產(chǎn)水量要求時(shí)，認(rèn)為此時(shí)膜已達(dá)到使用壽命，需要更換，該方法預(yù)測(cè)的膜壽命用T_life-1表示。

基于膜滲透性恢復(fù)情況的膜壽命預(yù)測(cè)（T_life-2）：隨著MBR的運(yùn)行，膜污染逐漸增加，離線清洗為去除膜污染、恢復(fù)滲透性的主要手段。當(dāng)離線清洗前后比通量沒(méi)有變化時(shí)，說(shuō)明清洗已無(wú)法恢復(fù)膜的滲透性，認(rèn)為此時(shí)為膜壽命的終結(jié)，該方法預(yù)測(cè)的膜壽命用T_life-2表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 膜壽命預(yù)測(cè)

3.1.1 T_life-1

圖1為3座MBR工程季度平均比通量隨單位膜面積累積產(chǎn)水量的變化情況�？梢�(jiàn)，3座污水處理廠的季度平均比通量都隨單位膜面積累積產(chǎn)水量的增加而下降。A共運(yùn)行6年，單位膜面積累積產(chǎn)水量達(dá)到1350 m³/m²，B和C工程運(yùn)行時(shí)間分別為4年和5年，單位膜面積累積產(chǎn)水量相近，均在500~600m³/m²之間。

圖1.3 各MBR工程季度平均比通量隨單位膜面積累積產(chǎn)水量的變化趨勢(shì)

根據(jù)MBR工程的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)平均比通量降低至0.2 L/（m²·h·kPa）時(shí)，MBR工程難以維持穩(wěn)定運(yùn)行，因此可以粗略地認(rèn)為膜已達(dá)到使用壽命。根據(jù)這一預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和擬合方程，估算出3座MBR工程膜壽命終結(jié)時(shí)的單位膜面積累積產(chǎn)水量。再根據(jù)各工程的產(chǎn)水量和膜面積，預(yù)測(cè)得到設(shè)計(jì)產(chǎn)水規(guī)模及實(shí)際產(chǎn)水規(guī)模下的膜壽命如表3所示。

表3.3 各MBR工程季度平均比通量變化趨勢(shì)的回歸方程以及膜壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

3.1.2 T_life-2

在MBR運(yùn)行過(guò)程中，一般情況下離線清洗前比通量降到最低點(diǎn)，離線清洗后膜的滲透性能得到恢復(fù)，比通量達(dá)到最高點(diǎn)。分別對(duì)比通量的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到回歸方程，認(rèn)為當(dāng)兩條曲線相交時(shí)離線清洗已經(jīng)無(wú)法對(duì)膜滲透性能進(jìn)行恢復(fù)，交點(diǎn)的單位膜面積累積產(chǎn)水量即為膜壽命終結(jié)時(shí)的總產(chǎn)水量，進(jìn)而預(yù)測(cè)出膜壽命T_life-2。，各工程清洗后的比通量下降趨勢(shì)明顯，說(shuō)明隨著工程運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，不可恢復(fù)污染逐漸增加；而清洗前的比通量略微下降，兩條曲線有明顯相交的趨勢(shì)，據(jù)此可得到各工程比通量無(wú)法恢復(fù)時(shí)的累積產(chǎn)水量以及在設(shè)計(jì)和實(shí)際產(chǎn)水規(guī)模下的T_life-2，見(jiàn)表4。

表4 各MBR工程離線化學(xué)清洗后比通量無(wú)法恢復(fù)時(shí)的累積產(chǎn)水量

及膜壽命預(yù)測(cè)結(jié)果（T_life-2）

3.1.3 兩種膜壽命預(yù)測(cè)方法的比較

對(duì)于同一座MBR工程，T_life-1小于T_life-2，差距在2年左右。這是由于在膜的使用過(guò)程中，產(chǎn)生的不可逆污染不斷累積，雖然經(jīng)離線清洗還能夠在一定程度上恢復(fù)膜的滲透性能，但清洗后恢復(fù)的比通量已處于較低的水平，需要增加清洗頻率來(lái)維持通量，但實(shí)際平均產(chǎn)水量已經(jīng)無(wú)法達(dá)到工程的設(shè)計(jì)要求，因此，T_life-1低于T_life-2，但更具有實(shí)際工程意義。對(duì)于不同的工程，采用同一方法預(yù)測(cè)得到的膜壽命結(jié)果基本一致，差距小于1年。然而，即使使用同一廠家提供的膜，對(duì)于不同的工程，預(yù)測(cè)得到的膜壽命仍略有差別。這主要是因?yàn)槌�膜材料以外，膜壽命還與進(jìn)水水質(zhì)不同造成的膜污染程度和污染類(lèi)型的差異以及不同清洗方案引起的清洗效果的差異等有關(guān)。其中，A工程在實(shí)際產(chǎn)水規(guī)模下預(yù)測(cè)得到的膜壽命最長(zhǎng)，這可能與A廠是在已有二級(jí)生物處理出水之后增設(shè)的MBR工程，相比較B和C工程，進(jìn)水水質(zhì)較好，運(yùn)行過(guò)程中膜污染程度較低有關(guān)。

3.2 清洗強(qiáng)度對(duì)膜滲透性能的影響

圖2表示C工程的季度平均比通量與NaClO累積清洗強(qiáng)度的關(guān)系�？梢�(jiàn)，隨著累積清洗強(qiáng)度的持續(xù)增大，季度平均比通量不斷下降。這表明，雖然在實(shí)際工程中影響膜壽命的因素有很多，但膜壽命與累積化學(xué)清洗強(qiáng)度之間存在一定的相關(guān)性。如果累積清洗強(qiáng)度不斷增加，至平均比通量下降到無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為膜壽命終結(jié)。認(rèn)為此時(shí)的累積清洗強(qiáng)度為膜所能承受的最大值。從圖2的結(jié)果來(lái)看，所調(diào)研的C程尚未達(dá)到該最大值。

圖2 C工程季度平均比通量與累積清洗強(qiáng)度的關(guān)系

4 結(jié)論

兩種預(yù)測(cè)方法在實(shí)際工程中均具有一定的合理性，但T_life-1更具實(shí)際工程意義。然而，膜壽命的影響因素眾多，其預(yù)測(cè)方法尚需進(jìn)一步完善。

膜的滲透性隨累積清洗強(qiáng)度增大有明顯下降的趨勢(shì)，可能存在最大累積清洗強(qiáng)度，可作為膜壽命終結(jié)的另一重要依據(jù)，并對(duì)清洗方案的優(yōu)化有實(shí)用意義。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第5期“論述與研究”欄目）

微信掃一掃

獲得更多內(nèi)容