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。可見，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�，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）

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