高分子難降解有機(jī)廢水陶瓷平板膜MBR處理技術(shù)

自“水十條”提出以來，各地陸續(xù)制定了嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)的地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，污水處理廠提標(biāo)改造持續(xù)推進(jìn)。膜生物反應(yīng)器（MBR）集合了傳統(tǒng)活性污泥法中的生物處理技術(shù)和膜的高效截留作用，使系統(tǒng)出水水質(zhì)得到大幅度提高，成為極具競爭力的水處理工藝，被廣泛應(yīng)用于市政和工業(yè)污水處理廠的建造和升級改造，滿足了日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)及回用要求。陶瓷膜是無機(jī)材料經(jīng)特殊工藝燒制而形成的非對稱膜，具有分離效率高、效果穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐高溫、抗污染、機(jī)械強(qiáng)度高和使用壽命長等優(yōu)勢，在分離領(lǐng)域和水處理領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注，并形成了陶瓷平板膜MBR技術(shù)。

安徽省某工業(yè)園區(qū)主要生產(chǎn)高分子材料，廢水中含有聚酯、環(huán)氧樹脂、固化劑、催化劑等有毒、難降解成分，有機(jī)膜系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行。本研究基于該工業(yè)園區(qū)的實際廢水處理工程，采用陶瓷平板膜MBR進(jìn)行中試，以確定膜系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的工藝參數(shù)，為解決難降解有機(jī)廢水處理難題提供技術(shù)支持。

1、材料與方法

1.1 進(jìn)水水質(zhì)

安徽省某工業(yè)園區(qū)綜合廢水的處理工藝為“調(diào)節(jié)+催化氧化+水解酸化+好氧生化”，之后作為中試原水進(jìn)入陶瓷平板膜MBR裝置，其COD為1.0～1.6g/L，Cl-、MLSS的質(zhì)量濃度分別為12～13、8～12g/L，pH為6～9，溫度38～42℃。

1.2 中試裝置

中試裝置采用集裝箱式一體化廢水處理設(shè)備，主要包括膜池、產(chǎn)水池、平板陶瓷膜堆、進(jìn)水系統(tǒng)、混合液回流系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、產(chǎn)水系統(tǒng)、反洗系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等，處理工藝流程如圖1所示。

采用的陶瓷平板膜為自主研發(fā)的XM產(chǎn)品，膜性能如表1所示，膜組件所含的膜片數(shù)量為200片，膜面積為20m2。

1.3 研究路線

分別對在線反沖洗運(yùn)行模式（反洗模式）與抽停不反洗運(yùn)行模式（抽停模式）的運(yùn)行情況進(jìn)行研究，通過對2種運(yùn)行模式系統(tǒng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性比較，確定該水質(zhì)條件下的運(yùn)行模式與運(yùn)行通量，并在該運(yùn)行模式與運(yùn)行通量下進(jìn)一步優(yōu)化，保證膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。反洗模式：產(chǎn)水泵運(yùn)行一定時間后停止，反洗泵開啟進(jìn)行反洗，反洗一定時間后反洗泵停止，產(chǎn)水泵運(yùn)行；抽停模式：產(chǎn)水泵運(yùn)行一定時間后停止，停歇一定時間后產(chǎn)水泵再次啟動運(yùn)行。

中試過程中采用恒通量運(yùn)行模式，運(yùn)行過程中連續(xù)曝氣，曝氣強(qiáng)度為20m3/(m2?h)。

1.4 分析測試方法

COD采用5B-3FCOD快速測定儀進(jìn)行測定；濁度采用HACH1900C便攜式快速測定儀進(jìn)行測定；膜通量根據(jù)產(chǎn)水電磁流量計示數(shù)進(jìn)行計算，跨膜壓差（TMP）采用壓力變送器與液位與壓力表高度差進(jìn)行測定計算。

膜性能采用膜通量（J）、TMP、通量恢復(fù)系數(shù)（r）表征。

式中：J和J20分別為溫度θ和20℃時的膜通量，Jo和Ji分別為污染前和清洗后膜通量，Jm為平均膜通量，qV為產(chǎn)水體積流量，A為膜組件面積，t0和tp為1個過濾周期內(nèi)產(chǎn)水泵運(yùn)行、停歇時間，p為壓力，Hp為壓力表位置距膜池液面的高度（以壓力表位置為基準(zhǔn)零點）。

2、結(jié)果與討論

2.1 反洗模式下運(yùn)行通量的優(yōu)化選擇

在線反沖洗是控制膜污染較為常用的運(yùn)行方式之一，也是陶瓷平板膜相比有機(jī)平板膜的優(yōu)勢之一，反沖洗作用可以沖掉膜孔道內(nèi)和膜表面的污染物，使TMP處于較低的水平，保證膜的高透水性。陶瓷膜應(yīng)用于某些廢水處理時，可以通過控制產(chǎn)水時間與反沖洗頻率保證膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)水COD為800～1000mg/L時，采用抽吸產(chǎn)水9min、反洗1min、反洗水量75L/(m2?h)的運(yùn)行模式。圖2為運(yùn)行通量分別為20、25、30、35L/(m2?h)時TMP的變化趨勢。

由圖2可知，在相同的運(yùn)行條件下，運(yùn)行通量與TMP呈正相關(guān)關(guān)系。運(yùn)行通量越大，對應(yīng)的初始運(yùn)行壓力越大，TMP增長速率也越快。運(yùn)行通量35L/(m2?h)下初始TMP已達(dá)到27.80kPa，而運(yùn)行通量20L/(m2?h)下初始TMP僅有9.86kPa；運(yùn)行過程中，運(yùn)行通量35L/(m2?h)下TMP增長速率為0.30kPa/min，而運(yùn)行通量20L/(m2?h)時TMP增長速率為0.11kPa/min；運(yùn)行通量30、25L/(m2?h)的TMP增長速率變化趨勢介于上述兩者之間，分別為0.28、0.20kPa/min。表明在此廢水處理項目中，為保證膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行通量不應(yīng)高于20L/(m2?h)。

2.2 反洗水量對膜污染的恢復(fù)效果

采用與2.1節(jié)同樣的運(yùn)行條件，控制運(yùn)行通量20L/(m2?h)，對不同反洗水量條件下的膜污染恢復(fù)效果進(jìn)行分析，通量恢復(fù)率如表1所示。

由表2可知，反洗對膜污染的去除效果不佳，不同反洗水量對膜污染的恢復(fù)效果相差不大，膜通量恢復(fù)率低于69%，與文獻(xiàn)中的研究結(jié)果接近。其主要原因可能是，反洗對水質(zhì)要求較高，而系統(tǒng)產(chǎn)水（反洗用水）COD仍然較高，存在部分粒徑與膜孔徑接近的物質(zhì)在反洗過程中造成膜的二次污染的可能；其次，2倍的反洗水量即可將膜污染的濾餅層及膜孔堵塞物去除，進(jìn)一步增大反洗水量并不能去除更多污染物，當(dāng)反洗強(qiáng)度過高時，膜孔內(nèi)的污染物會被水流剪切力所破碎，形成的細(xì)小顆粒更容易被膜孔吸附而不易脫落，造成反洗效果不佳甚至產(chǎn)生反洗效果變差的現(xiàn)象。

2.3 抽停方式下運(yùn)行通量的優(yōu)化

控制抽停時間比的目的主要在于在抽吸產(chǎn)水停止時，利用連續(xù)曝氣對膜面水力條件形成的紊流作用及時沖刷膜表面的污泥層，減輕膜污染程度。進(jìn)水COD為800～1000mg/L，采用抽吸產(chǎn)水5min停止產(chǎn)水1min、不進(jìn)行反洗的運(yùn)行模式，不同運(yùn)行通量下TMP隨運(yùn)行時間的變化如圖3所示。

由圖3可知，運(yùn)行通量與TMP的關(guān)系與2.1節(jié)一致，膜污染達(dá)到一定程度時系統(tǒng)將無法運(yùn)行。通量20L/(m2?h)時TMP增長速率為0.12kPa/min，屬于膜污染的緩慢增長階段；通量40L/(m2?h)時運(yùn)行40min后系統(tǒng)因無法正常產(chǎn)水而停機(jī)，屬于膜污染的快速增長階段，此階段膜面濾餅層被迅速壓實，TMP急劇升高，滲透通量降低，最終將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰；通量30L/(m2?h)膜系統(tǒng)在TMP低于40kPa運(yùn)行時，TMP增長速率為0.45kPa/min，TMP高于40kPa時，膜污染速度達(dá)到1.41kPa/min，是前者的3.13倍，進(jìn)入膜污染的第3階段。表明在此廢水項目中，與采用反洗模式相似，運(yùn)行通量不應(yīng)高于20L/(m2?h)，運(yùn)行過程中TMP應(yīng)控制低于40kPa。

2.4 抽停方式與反洗方式的經(jīng)濟(jì)性比較

抽停方式與反洗方式由于運(yùn)行過程中進(jìn)行了停歇或反洗從而影響膜系統(tǒng)的總產(chǎn)水量，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，因此在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，需盡量提高膜系統(tǒng)的平均通量，不同運(yùn)行方案的比較如表3所示。

由表3可知，反洗方式2與抽停方式1的運(yùn)行通量相同，膜污染速率相近，但反洗模式2的平均膜通量比抽停模式1低34.4%，主要原因是反洗過程消耗了大量的產(chǎn)水，導(dǎo)致平均膜通量較低；當(dāng)反洗方式運(yùn)行通量達(dá)到25L/(m2?h)時，平均膜通量才與抽停方式接近，但此時如圖3和圖4中所示反洗模式的膜污染速率明顯較抽停模式快；綜合比較，在相同的進(jìn)水條件下，抽停方式較反洗方式的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性更高。

2.5 反洗在抽停模式中的運(yùn)行效果

與上述運(yùn)行方式類似，控制運(yùn)行通量為20L/（m2?h），對比有無反洗工藝對膜通量的影響。反洗運(yùn)行條件下，抽吸5min停止1min，每2h進(jìn)行1次在線汽水反沖洗，反洗水量為2倍產(chǎn)水量；不反洗運(yùn)行條件下，抽吸5min停止1min，不進(jìn)行反洗。反洗與不反洗時的通量衰減率如圖4所示。

由圖4可知，抽停模式中，有無反洗程序?qū)δね康挠绊懖淮?，反洗對通量的恢?fù)效果不明顯，當(dāng)運(yùn)行至第10次反洗時，有無反洗程序的通量變化沒有差別，表明在本項目中，有無反洗程序?qū)δは到y(tǒng)的污染控制沒有差異，為保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，可不設(shè)計反沖洗程序。

2.6 抽停時間比的優(yōu)化

進(jìn)水COD為800～1000mg/L，控制運(yùn)行通量為20L/(m2?h)，分別采用4種抽停比的方式運(yùn)行。不同抽停時間比下TMP變化如圖5所示。

由圖5可知，60min的運(yùn)行時間內(nèi)，開4min停1min、開5min停1min、開6min停1min方式下的TMP增長速率由0.03kPa/min升高至0.12kPa/min，表明相同的停歇時間內(nèi)，抽吸時間越長膜污染越嚴(yán)重；其次相同有效產(chǎn)水時間條件下，開8停2的膜污染速率遠(yuǎn)大于開4min停1min，主要原因為抽吸時間越長，污染物在膜面被壓實的可能性越大，空氣擦洗膜面污染物所需的停歇時間就越長，隨著膜面殘留的污染物越來越多，膜系統(tǒng)有效過濾孔的堵塞越來越嚴(yán)重，TMP增長加快。本項目中宜采用開4min停1min的方式運(yùn)行，可以保證膜系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，減少清洗頻率。

3、結(jié)論

陶瓷平板膜MBR在處理含聚酯、環(huán)氧樹脂、固化劑等難降解有機(jī)物的廢水時，在線反沖洗對膜通量的恢復(fù)效果不佳，增大反洗水量不能提高反洗效果。在進(jìn)水COD800～1000mg/L，采用反洗運(yùn)行模式和抽停運(yùn)行模式下，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，通量應(yīng)不超過20L/(m2?h)。與反洗運(yùn)行模式相比，抽停運(yùn)行模式經(jīng)濟(jì)性更好；通過控制合適的抽停比可以較好的控制膜污染。采用抽停比開4min停1min時，平板陶瓷膜MBR運(yùn)行較為穩(wěn)定。（來源：浙江中誠環(huán)境研究院有限公司）