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隨著城市水資源短缺現(xiàn)象的加劇和污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，污水再生項(xiàng)目發(fā)展迅速，在各類(lèi)再生水生產(chǎn)工藝中，ＭＢＲ工藝以其流程短、占地少、水質(zhì)好等優(yōu)勢(shì)而得到較多關(guān)注。大中型再生水處理ＭＢＲ工程一般采用浸沒(méi)式平板膜組件或浸沒(méi)式中空纖維膜組件，在相同的進(jìn)水條件下，兩類(lèi)膜組件的出水水質(zhì)接近，但最佳操作條件有所不同。與中空纖維膜相比，平板膜具有膜組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于清洗、化學(xué)穩(wěn)定性好、對(duì)預(yù)處理要求低等優(yōu)勢(shì)；同時(shí)也具有裝填密度小、成本和能耗高等不足。
通過(guò)兩組平行運(yùn)行的中試裝置，比較了平板膜和中空纖維膜在ＭＢＲ工藝中的運(yùn)行特性和適用條件。此外，通過(guò)模擬市政污水Ａ２／Ｏ－ＭＢＲ 項(xiàng)目，分別估算應(yīng)用兩類(lèi)膜時(shí)的工程投資和運(yùn)行成本，供項(xiàng)目決策參考。
１ 材料與方法
ＭＢＲ膜分離單元中試在我國(guó)西南地區(qū)某污水處理廠進(jìn)行，中試運(yùn)行過(guò)程中，污水處理廠Ａ２／Ｏ曝氣池泥水混合物經(jīng)細(xì)格網(wǎng)過(guò)濾后，分別進(jìn)入平板膜分離單元（ＦＳＭＢＲ）和中空纖維膜分離單元（ＨＦＭＢＲ），在產(chǎn)水泵負(fù)壓作用下，水從膜外側(cè)透過(guò)濾膜，污泥被隔離在膜外側(cè)，實(shí)現(xiàn)泥水分離?；旌衔镆揽恐亓亓髦炼脸?，在膜組件底部曝氣進(jìn)行膜擦洗。水樣的ＭＬＳＳ、ＳＶ、ＳＶＩ采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。中試工藝流程見(jiàn)圖１。膜分離單元設(shè)計(jì)參數(shù)如表１所示。
２ 結(jié)果與討論
２．１ 間歇出水時(shí)間
為了控制膜污染，膜分離單元在持續(xù)曝氣的同時(shí)，通過(guò)定期暫停出水來(lái)減輕膜表面污泥的沉積。ＭＢＲ工程中間歇出水的典型設(shè)置為每過(guò)濾８～１５ｍｉｎ，停止１～２ｍｉｎ［１］。這里將產(chǎn)水泵的抽吸時(shí)間與停吸時(shí)間的比值稱(chēng)為抽停比。由圖２和圖３可見(jiàn)，兩膜的跨膜壓差（ＴＭＰ）上升速率均隨抽停比的增加而增大，平板膜ＴＭＰ變化更為明顯。雖然在抽停比為５∶１時(shí)兩膜ＴＭＰ上升速率最小，但統(tǒng)籌考慮ＴＭＰ上升速率和產(chǎn)水量，可認(rèn)為試驗(yàn)條件下兩膜的最佳抽停比均為９∶１。
２．２ 曝氣強(qiáng)度
ＭＢＲ膜分離單元內(nèi)曝氣的主要作用是產(chǎn)生液流紊動(dòng)和瞬時(shí)剪切力，從而增強(qiáng)膜的滲透性［１］。一般情況下，由于平板膜的堆積密度較小，即單位膜面積所對(duì)應(yīng)的膜組件投影面積較大，需要在相對(duì)較大的面積上布?xì)猓虼似淦貧鈴?qiáng)度（單位膜面積的曝氣量）高于中空纖維膜。
如圖４所示，平板膜ＴＭＰ上升速率隨曝氣強(qiáng)度的增加而減小，而廠商推薦最低曝氣強(qiáng)度為１．１４ｍ３／（ｍ２·ｈ），為保證裝置長(zhǎng)期運(yùn)行，將平板膜的曝氣強(qiáng)度設(shè)定為１．２０ｍ３／（ｍ２·ｈ）。
中空纖維膜ＴＭＰ幾乎不受曝氣強(qiáng)度變化的影響［曝氣強(qiáng)度為０．６０～０．９９ｍ３／（ｍ２·ｈ）］，為節(jié)約能耗，將中空纖維膜的曝氣強(qiáng)度設(shè)定為０．６０ｍ３／（ｍ２·ｈ）。研究表明，高強(qiáng)度曝氣對(duì)污泥絮體的剪切作用可促進(jìn)菌膠團(tuán)解體及胞外聚合物（ＥＰＳ）釋放，導(dǎo)致污泥絮體粒徑下降、溶解性微生物產(chǎn)物（ＳＭＰ）濃度和混合液粘度增加，從而加劇膜污染［３～５］。根據(jù)ＵＶ２５４測(cè)定結(jié)果，ＦＳＭＢＲ內(nèi)的泥水混合物、混合物上清液及出水的ＵＶ２５４均高于ＨＦＭＢＲ。ＵＶ２５４與蛋白質(zhì)的相對(duì)含量關(guān)系較為密切，而蛋白質(zhì)是ＳＭＰ的主要成分之一，說(shuō)明ＦＳＭＢＲ內(nèi)高強(qiáng)度曝氣引發(fā)ＳＭＰ升高是平板膜ＴＭＰ上升速率較大的原因之一。
２．３ 膜通量
根據(jù)膜通量與ＴＭＰ的關(guān)系研究?jī)煞N膜的適宜運(yùn)行通量（見(jiàn)圖５和圖６）。兩膜ＴＭＰ隨通量變化規(guī)律相同，在通量為２５Ｌ／（ｍ２·ｈ）時(shí)ＴＭＰ逐漸上升，通量下降至２０Ｌ／（ｍ２·ｈ）后ＴＭＰ保持穩(wěn)定，在通量為３０Ｌ／（ｍ２·ｈ）時(shí)ＴＭＰ迅速上升。由以上規(guī)律可見(jiàn)，兩膜的臨界通量均在２０～２５Ｌ／（ｍ２·ｈ）；通量為２５Ｌ／（ｍ２·ｈ）時(shí)平板膜ＴＭＰ曲線(xiàn)的斜率較大，說(shuō)明試驗(yàn)條件下平板膜的臨界通量稍低于中空纖維膜。透水率（膜通量與ＴＭＰ的比值）可以更直觀地反映膜通量與過(guò)濾阻力的關(guān)系。由圖７可見(jiàn)，兩膜的透水率較為接近，隨著設(shè)計(jì)通量的增加，平板膜和中空纖維膜的透水率分別呈下降和上升趨勢(shì)，說(shuō)明平板膜更適于在相對(duì)較低的通量下運(yùn)行，而中空纖維膜更適于在相對(duì)較高的通量下運(yùn)行。
２．４ 污泥濃度
污泥濃度變化對(duì)兩膜ＴＭＰ的影響差異較大。對(duì)于平板膜而言，污泥濃度由１２０００ｍｇ／Ｌ增加至１５０００ｍｇ／Ｌ時(shí)ＴＭＰ下降，由１５０００ｍｇ／Ｌ下降至８０００ｍｇ／Ｌ時(shí)ＴＭＰ上升（見(jiàn)圖８）；中空纖維膜的變化規(guī)律與此相反，當(dāng)污泥濃度由１１０００ｍｇ／Ｌ增加至１５０００ｍｇ／Ｌ時(shí)ＴＭＰ上升，由１５０００ｍｇ／Ｌ下降至１００００ｍｇ／Ｌ時(shí)ＴＭＰ下降（見(jiàn)圖９）?？梢?jiàn)在８?。埃埃啊保担埃埃埃恚纾痰奈勰酀舛确秶鷥?nèi)，平板膜宜以較高的污泥濃度運(yùn)行、中空纖維膜宜以較低的污泥濃度運(yùn)行。此類(lèi)現(xiàn)象在其他研究中也有發(fā)現(xiàn)，推測(cè)是由于平板膜上形成的二次動(dòng)態(tài)膜在高污泥濃度下具有更好的性狀，對(duì)膜污染的緩解作用更為明顯
２．５ 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
由表２可知，目前國(guó)內(nèi)市政污水ＭＢＲ項(xiàng)目大多選用中空纖維膜，其設(shè)計(jì)膜通量為１４．５～２６Ｌ／（ｍ２·ｈ），平板膜的設(shè)計(jì)通量也在此范圍之內(nèi)。對(duì)于處理規(guī)模為２萬(wàn)～１５萬(wàn)ｍ３／ｄ的市政污水ＭＢＲ項(xiàng)目，單位投資額為２７００～６５００元／（ｍ３·ｄ），按照污水處理廠土建結(jié)構(gòu)類(lèi)型排序，其單位投資額由大到小依次為：全地下式＞半地下式＞地上式。在同類(lèi)土建結(jié)構(gòu)的污水處理廠中，規(guī)模較小的項(xiàng)目單位投資額較高。由于項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)行條件各異，且平板膜應(yīng)用項(xiàng)目較少，因此無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有項(xiàng)目直接比較兩類(lèi)膜的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為研究相同條件下兩類(lèi)膜組件在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面的差異，以處理規(guī)模為１萬(wàn)ｍ３／ｄ的市政污水Ａ２／Ｏ－ＭＢＲ項(xiàng)目為例，根據(jù)中試結(jié)果和污水處理工程的一般情況選擇設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算得到項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表３所示。Ａ２／Ｏ－ＦＳＭＢＲ的項(xiàng)目總投資比Ａ２／Ｏ－ＨＦＭＢＲ高７．７％（見(jiàn)表３）。平板膜的堆積密度較小，因此根據(jù)膜組件安裝尺寸計(jì)算得到Ａ２／Ｏ－ＦＳＭＢＲ的膜池容積為Ａ２／Ｏ－ＨＦＭＢＲ的２．５倍；平板膜分離單元的的設(shè)計(jì)污泥濃度高５０％，故Ａ２／Ｏ－ＦＳＭＢＲ的生物池容積是Ａ２／Ｏ－ＨＦＭＢＲ的２／３。平板膜采購(gòu)費(fèi)用高于中空纖維膜，此處按照單位膜面積采購(gòu)費(fèi)用高２５％計(jì)算。Ａ２／Ｏ－ＦＳＭＢＲ 的運(yùn)行成本和總成本分別比Ａ２／Ｏ－ＨＦＭＢＲ 高１４．３％和１２．７％（見(jiàn)表３）。分析其原因，由于平板膜組件的曝氣強(qiáng)度較大、鼓風(fēng)機(jī)電耗較高，故Ａ２／Ｏ－ＦＳＭＢＲ的電耗高于Ａ２／ＯＨＦＭＢＲ；由于平板膜的化學(xué)清洗頻率遠(yuǎn)低于中空纖維膜，故Ａ２／Ｏ－ＦＳＭＢＲ的藥耗低于Ａ２／Ｏ－ＨＦＭＢＲ。
由以上分析可見(jiàn)，Ａ２／Ｏ－ＦＳＭＢＲ與Ａ２／ＯＨＦＭＢＲ的項(xiàng)目占地面積接近，前者的投資和運(yùn)行費(fèi)用略高于后者。由于平板膜對(duì)污水水質(zhì)適應(yīng)性較強(qiáng)、設(shè)備運(yùn)行管理相對(duì)簡(jiǎn)單，因此更適用于難降解工業(yè)廢水和中小規(guī)模生活污水處理項(xiàng)目；中空纖維膜投資運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低，設(shè)備運(yùn)行管理要求較高，因此更適用于大中型市政污水處理項(xiàng)目。
３ 結(jié)論
通過(guò)兩組平行運(yùn)行的ＭＢＲ膜分離單元中試，對(duì)平板膜和中空纖維膜的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究，得到主要結(jié)論如下：
（１）從控制ＴＭＰ上升速率和保證產(chǎn)水量角度綜合考慮，兩膜分離單元均可采用９ｍｉｎ∶１ｍｉｎ的抽停比運(yùn)行。
（２）由于平板膜的堆積密度小于中空纖維膜，為保證膜通量，平板膜的曝氣強(qiáng)度高于中空纖維膜，導(dǎo)致其ＴＭＰ上升速率較高。
?。ǎ常┰囼?yàn)條件下，兩膜的臨界通量均在２０～２５Ｌ／（ｍ２·ｈ），其中平板膜的臨界通量稍低于中空纖維膜，且其在較低通量下的透水率高于后者，即平板膜更適于在相對(duì)較低的通量下運(yùn)行。
（４）在８０００～１５０００ｍｇ／Ｌ的污泥濃度內(nèi)，為了控制膜污染，平板膜宜以較高的污泥濃度運(yùn)行，中空纖維膜宜以較低的污泥濃度運(yùn)行。
（５）以處理規(guī)模為１萬(wàn)ｍ３／ｄ的市政污水Ａ２／ＯＭＢＲ項(xiàng)目為例，計(jì)算得到Ａ２／Ｏ－ＦＳＭＢＲ的項(xiàng)目總投資為４?。玻埃叭f(wàn)元、運(yùn)行成本為１．３６元／ｍ３，總成本為２．４９元／ｍ３，分別比Ａ２／Ｏ－ＨＦＭＢＲ高７．７％、１４．３％和１２．７％。