隨著活性污泥生物處理技術(shù)的發(fā)展，MBR工藝因其占地小、出水水質(zhì)好、泥濃度高、產(chǎn)泥量少等優(yōu)點(diǎn)而得以迅速發(fā)展并應(yīng)用。膜組件作為MBR工藝的核心組成之一，按常用材料類型，可分為有機(jī)材料的PVDF中空纖維膜、平板膜和無(wú)機(jī)材質(zhì)的納米平板陶瓷膜等。目前，MBR污水處理系統(tǒng)多數(shù)采用有機(jī)膜，有機(jī)膜MBR大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)有10年多的時(shí)間。近幾年，納米平板陶瓷膜國(guó)產(chǎn)化使得制作成本降低，采用平板陶瓷膜的MBR工藝開(kāi)始嶄露頭角。相比有機(jī)膜而言，陶瓷膜采用無(wú)機(jī)材料高溫?zé)贫?，具有化學(xué)穩(wěn)定性高、耐酸堿、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。平板陶瓷膜在處理水質(zhì)成分復(fù)雜或高濃度的工業(yè)廢水時(shí)優(yōu)勢(shì)較為顯著，而對(duì)于平板陶瓷膜在農(nóng)村污水處理中的應(yīng)用情況，現(xiàn)階段則鮮有報(bào)道。

通過(guò)對(duì)北京南部某區(qū)采用一體化陶瓷膜污水處理設(shè)備的農(nóng)村污水處理項(xiàng)目的應(yīng)用研究，一方面分析農(nóng)村污水處理的一些難點(diǎn)、痛點(diǎn)，另一方面也根據(jù)陶瓷膜MBR工藝在農(nóng)村污水處理中的應(yīng)用情況分析其設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制要點(diǎn)，為陶瓷膜MBR工藝更好地應(yīng)用于農(nóng)村污水處理提供一定的參考。

1、項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目包括十多個(gè)農(nóng)村污水處理站點(diǎn)，分散分布，每個(gè)站點(diǎn)均采用一體化陶瓷膜污水處理設(shè)備，重點(diǎn)介紹其中7套設(shè)計(jì)處理規(guī)模為500m3/d的設(shè)備運(yùn)行情況。每個(gè)站點(diǎn)的工藝流程相同，均為AAO+陶瓷膜MBR工藝。

工藝流程如圖1所示。

其中，納米平板陶瓷膜是以無(wú)機(jī)陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而成的非對(duì)稱膜。陶瓷膜壁密布孔徑約為100nm的微孔，在抽吸外壓的作用下，水等小分子可以透過(guò)膜，其他大分子物質(zhì)被膜截留，從而達(dá)到分離目的。

平板陶瓷膜主要參數(shù)見(jiàn)表1。

由于農(nóng)村污水水質(zhì)水量波動(dòng)大，不同項(xiàng)目差別較大，因此部分運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)范圍也較大。

該項(xiàng)目一體化設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行條件如表2所示。納米陶瓷膜如圖2所示。

2、運(yùn)行情況與分析

2.1 處理難點(diǎn)

①水量波動(dòng)

該項(xiàng)目中7個(gè)設(shè)計(jì)處理規(guī)模為500m3/d的站點(diǎn)實(shí)際平均處理水量約為198m3/d，平均水量負(fù)荷率僅有39.6%，各站點(diǎn)負(fù)荷率標(biāo)準(zhǔn)偏差為15%～20%。而其中也不乏部分來(lái)水量達(dá)到或超過(guò)站點(diǎn)設(shè)計(jì)水量，以及當(dāng)日來(lái)水量極少的情況。這體現(xiàn)了農(nóng)村污水處理站點(diǎn)的一個(gè)重要特點(diǎn)，即水量波動(dòng)大。

分析原因主要有：農(nóng)村人口流動(dòng)性大、農(nóng)業(yè)灌溉和雨水的間歇性混入、周邊小型企業(yè)的間歇性生產(chǎn)廢水排入以及污水輸送管網(wǎng)或溝渠的漏損等。針對(duì)水量波動(dòng)大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)有冗余量，在設(shè)備選型時(shí)留有一定的安全系數(shù)。此外，水量波動(dòng)大帶來(lái)的另一個(gè)顯著問(wèn)題就是水量負(fù)荷小時(shí)，噸水能耗顯著增加。

②水質(zhì)波動(dòng)

農(nóng)村污水處理站點(diǎn)受雨水混入或企業(yè)、養(yǎng)殖戶排污影響，水質(zhì)波動(dòng)較大。對(duì)其中一個(gè)進(jìn)水異常站點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)一周不同時(shí)間點(diǎn)的進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

該站點(diǎn)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大且普遍濃度較高，通過(guò)對(duì)該村污水來(lái)源進(jìn)行排查分析后，發(fā)現(xiàn)該站點(diǎn)水質(zhì)波動(dòng)主要是其周邊存在小型作坊，間歇排水所致。同樣，也有部分站點(diǎn)來(lái)水污染物濃度較低，這些站點(diǎn)分為兩類:一類是明渠來(lái)水，存在雨水稀釋作用;另一類是村民在冬季為防止水管凍裂采取的長(zhǎng)流水習(xí)慣所致，這兩類情況下進(jìn)水濃度即可接近排放標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)水濃度較高，以及進(jìn)水中含難生物降解的有機(jī)物時(shí)，會(huì)導(dǎo)致出水難以達(dá)標(biāo)，而低濃度又會(huì)導(dǎo)致污泥濃度難以為繼。

除水質(zhì)的波動(dòng)外，農(nóng)村污水由于管網(wǎng)不完善，還帶來(lái)了冬季進(jìn)水水溫低的嚴(yán)重問(wèn)題，對(duì)于明渠來(lái)水的站點(diǎn)，其冬季水溫可低至4℃以下。眾多研究表明，微生物在低溫下的活性將大幅降低，這是因?yàn)樵诘蜏叵乱环矫嫖⑸锏拿富钚越档停谢|(zhì)間的傳遞變得緩慢，微生物生長(zhǎng)繁殖迅速減緩，從而降低常規(guī)生化反應(yīng)的速率，其中對(duì)生化反應(yīng)速率的影響可以參考阿侖尼烏斯反應(yīng)公式;另一方面生化系統(tǒng)中起硝化作用的硝化細(xì)菌活性受溫度影響尤為明顯，當(dāng)溫度＜11℃后，硝化反應(yīng)將受到嚴(yán)重的抑制。因此，低溫將會(huì)嚴(yán)重影響污水生物處理的效果，特別是會(huì)抑制系統(tǒng)的硝化，使得出水氨氮濃度難以達(dá)標(biāo)。

2.2 陶瓷膜MBR工藝處理情況

選取進(jìn)水水質(zhì)及水量較為穩(wěn)定的一個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行一定頻次(出水每周2～3次，進(jìn)水每月2～3次)的水質(zhì)檢測(cè)，以了解采用陶瓷膜MBR一體化設(shè)備處理常規(guī)農(nóng)村污水時(shí)的效果以及膜污染變化情況。

該站點(diǎn)來(lái)水主要為生活污水，部分時(shí)段有少量雨水混入，平均進(jìn)水COD、氨氮、TP濃度分別為189.02、40.03、3.95mg/L，平均出水濃度分別為17.54、1.35、0.19mg/L，由于未考核TN指標(biāo)，僅進(jìn)行了幾次達(dá)標(biāo)驗(yàn)證，通過(guò)少量投加外碳源(乙酸鈉)，使得進(jìn)水碳氮比(COD/TN)＞5即可保證出水TN達(dá)標(biāo)。

來(lái)水為管道結(jié)合有蓋板渠道的形式，在冬季該點(diǎn)進(jìn)水溫度能維持在8℃左右，設(shè)備內(nèi)水溫在10℃左右，加之本系統(tǒng)的污泥濃度較高(＞10g/L)，且在30d以上的長(zhǎng)污泥齡下，有助于系統(tǒng)馴化適應(yīng)低溫的微生物，因此在此溫度下，系統(tǒng)出水水質(zhì)仍能保持穩(wěn)定。出水TP通過(guò)化學(xué)除磷的方式去除，溫度對(duì)其影響較小。本項(xiàng)目中明渠進(jìn)水水溫在4℃左右，出水氨氮基本未去除。

2.2.1 膜污染及其控制

該穩(wěn)定運(yùn)行站點(diǎn)的膜污染情況如圖4所示。正常運(yùn)行時(shí)通量為16～40L/(m2•h)，平均運(yùn)行通量約為24L/(m2•h)。在此運(yùn)行通量下，跨膜壓差(TMP)為－40～－20kPa，壓差上升速率約為1kPa/d。每隔半個(gè)月對(duì)膜系統(tǒng)進(jìn)行一次在線維護(hù)清洗，停止產(chǎn)水，在清水池中配制濃度約為1000mg/L的次氯酸鈉溶液，通過(guò)重力形式藥液反向流入膜腔內(nèi)部，浸泡4～6h。在線清洗后，跨膜壓差可恢復(fù)至初始的－20kPa左右，之后再逐步上升至－35kPa左右。平板陶瓷膜由于強(qiáng)度大，部分站點(diǎn)運(yùn)行壓差維持在－55kPa左右，但為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，通常建議控制在－40kPa以內(nèi)運(yùn)行。

從圖4還可以看出，當(dāng)運(yùn)行超過(guò)240d后，系統(tǒng)的運(yùn)行跨膜壓差增大，且上升速率較快，在線化學(xué)清洗后較難恢復(fù)到－20kPa，分析原因主要是該段時(shí)間排泥少，污泥老化嚴(yán)重，且污泥濃度高達(dá)15g/L以上。此外，冬季水溫較低，污泥分泌的大量胞外聚合物等黏性物質(zhì)，使得膜污染加劇。此時(shí)采取的措施是降低污泥濃度至10g/L以內(nèi)，并進(jìn)行一次高濃度的化學(xué)清洗，將次氯酸鈉濃度提高至2000mg/L，同時(shí)將浸泡時(shí)間延長(zhǎng)一倍，堿洗后再采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的檸檬酸酸洗3～4h，以去除膜表面長(zhǎng)期積累的少量無(wú)機(jī)結(jié)垢污染物，雙重清洗后運(yùn)行壓差可恢復(fù)到－20kPa左右。

2.2.2 膜運(yùn)行注意事項(xiàng)

根據(jù)近一年對(duì)平板陶瓷膜污水處理設(shè)備在農(nóng)村污水中的應(yīng)用觀察，匯總整理了不同進(jìn)水特點(diǎn)下陶瓷膜系統(tǒng)運(yùn)行的一些注意事項(xiàng)，主要包括以下幾個(gè)方面:

①進(jìn)水硬質(zhì)物攔截

平板陶瓷膜由于其平板膜的特性，不會(huì)發(fā)生毛發(fā)纖維纏繞等問(wèn)題，可以不設(shè)置超細(xì)膜格柵，但由于平板陶瓷膜屬于硬質(zhì)材料，不能承受硬質(zhì)物體的不斷撞擊。而農(nóng)村污水普遍存在雨污合流的問(wèn)題，進(jìn)水中經(jīng)常會(huì)混入石塊、石子等硬質(zhì)物體，因此必須設(shè)置粗、細(xì)(5～10mm)兩道格柵以防止石塊、石子等硬質(zhì)物體進(jìn)入系統(tǒng)，在曝氣水流下撞擊膜片導(dǎo)致膜破裂。在進(jìn)水試運(yùn)行前，也必須保證系統(tǒng)中無(wú)施工期殘留的硬質(zhì)物體。

②曝氣均勻性

膜曝氣吹掃是控制膜污染的方法之一，在日常巡檢中，一定要注意觀察設(shè)備內(nèi)膜組器的曝氣狀態(tài)，判斷膜組器曝氣是否均勻。曝氣強(qiáng)度小的組器，膜表面積累的污泥增多，膜污染速度會(huì)逐漸加快，形成惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致污泥板結(jié)硬化，甚至擠壓膜片至斷裂。當(dāng)發(fā)現(xiàn)膜曝氣不均時(shí)，可通過(guò)調(diào)整不同膜組器的曝氣閥門(mén)，通過(guò)憋氣的形式，將堵塞的曝氣裝置進(jìn)行大氣量沖擦。若是由于底部淤泥過(guò)多導(dǎo)致曝氣裝置堵塞，則需清淤。膜組器的曝氣均勻性、高效性還與曝氣強(qiáng)度、吹掃曝氣裝置的設(shè)計(jì)關(guān)系密切，建議采用開(kāi)放式曝氣結(jié)構(gòu)，避免積泥，以及大氣泡形式提高沖刷效果。

③污泥濃度

高污泥濃度是MBR工藝相比傳統(tǒng)工藝的一大優(yōu)勢(shì)，然而過(guò)高的污泥濃度也會(huì)帶來(lái)一些不利的影響。一方面，污泥老化分泌較多的胞外聚合物會(huì)污堵膜面，使得膜污染加劇;另一方面，過(guò)高的污泥濃度可能會(huì)堵塞曝氣系統(tǒng)，導(dǎo)致曝氣不均。而過(guò)低的污泥濃度除對(duì)水質(zhì)處理效果有不利影響外，也會(huì)引起膜污染加劇，影響膜系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在低污泥濃度下活性污泥難以形成菌膠團(tuán)絮體，加之膜池吹掃曝氣強(qiáng)度較大，使得微生物更加松散，易堵塞孔徑約為100nm的微濾膜孔。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，建議控制污泥濃度不超過(guò)15g/L，最佳范圍可保持在8～12g/L，其機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

④反沖周期與時(shí)間

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的陶瓷膜反沖洗頻次是產(chǎn)水9min，反沖1min，但在進(jìn)水污染物濃度低、污泥濃度長(zhǎng)期低于1.5g/L時(shí)，此運(yùn)行參數(shù)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本項(xiàng)目中的站點(diǎn)C，一段時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)期進(jìn)水水質(zhì)濃度低，來(lái)水量也不穩(wěn)定，平均負(fù)荷率僅為26.5%，導(dǎo)致污泥濃度很難增長(zhǎng)，僅有1g/L左右，然而其膜運(yùn)行壓差卻依然很高，每次低濃度次氯酸鈉在線清洗后跨膜壓差會(huì)大幅下降，開(kāi)機(jī)產(chǎn)水后在短時(shí)間內(nèi)迅速上升。為穩(wěn)定運(yùn)行，該站點(diǎn)調(diào)整為產(chǎn)水6min、反沖洗0.5min。此外，由于低污泥濃度下不會(huì)發(fā)生積泥問(wèn)題，因此適當(dāng)降低膜吹掃風(fēng)量以及提高運(yùn)行壓差的上限值。一般陶瓷膜系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)設(shè)置的保護(hù)限值為－40kPa，在低濃度下可將其限值調(diào)整為－55kPa，以延長(zhǎng)在線清洗的周期。

2.3 運(yùn)行成本分析

一體化平板陶瓷膜污水處理設(shè)備的直接運(yùn)行成本主要包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)(除磷和膜化學(xué)清洗)、常規(guī)設(shè)備維護(hù)維修費(fèi)以及污泥處理費(fèi)。以上述水質(zhì)水量較為穩(wěn)定的站點(diǎn)為例，2019年各項(xiàng)直接運(yùn)行費(fèi)用平均分別約為0.449、0.062(除磷0.02)、0.05、0.01元/m3，共計(jì)0.571元/m3。其中電費(fèi)占比最大，而電耗受水量負(fù)荷率影響較大(見(jiàn)圖5)，水量負(fù)荷率為80%左右，平均電耗為0.45kW•h/m3，而在水量負(fù)荷率不足60%時(shí)，電耗高達(dá)0.65kW•h/m3。

平板陶瓷膜MBR的能耗主要為膜吹掃風(fēng)機(jī)能耗，水量低時(shí)風(fēng)量不變，但噸水能耗相應(yīng)增大。該情況下可通過(guò)調(diào)整設(shè)備啟停時(shí)間，用液位控制集中產(chǎn)水，降低系統(tǒng)電耗。因此在采用此類設(shè)備處理農(nóng)村污水時(shí)，一定要做好水量估算，同時(shí)調(diào)節(jié)池的設(shè)置，并且其容積不能過(guò)小，以調(diào)節(jié)來(lái)水水量、水質(zhì)，使得在低水量時(shí)能暫停運(yùn)行，集中產(chǎn)水，降低能耗。當(dāng)然，關(guān)于膜工藝的能耗，還需要通過(guò)開(kāi)發(fā)新的吹掃裝置、新型抗污染膜材料等來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化。

MBR工藝由于泥齡長(zhǎng)，生物除磷能力較弱，需要輔助化學(xué)除磷使TP達(dá)標(biāo)。同時(shí)由于泥齡長(zhǎng)，污泥濃度高，因此污泥產(chǎn)量較少，污泥處理費(fèi)用較少。由于農(nóng)村污水處理設(shè)備站點(diǎn)過(guò)于分散，若采用傳統(tǒng)工藝，污泥產(chǎn)量大，污泥處理處置極為麻煩。本項(xiàng)目采用移動(dòng)式疊螺機(jī)，根據(jù)MBR設(shè)備中的污泥濃度(通常≥12g/L)對(duì)站點(diǎn)污泥進(jìn)行脫水，部分進(jìn)水水質(zhì)較低或間歇水量少的站點(diǎn)，排泥時(shí)間會(huì)超過(guò)3個(gè)月。

3、結(jié)論

①該農(nóng)村污水處理項(xiàng)目水質(zhì)、水量波動(dòng)大，各站點(diǎn)平均水量負(fù)荷率僅為39.6%，明渠來(lái)水的站點(diǎn)冬季水溫＜4℃。

②陶瓷膜MBR出水水質(zhì)較好，平均進(jìn)水COD、氨氮、TP濃度分別為189.02、40.03、3.95mg/L，出水平均濃度分別為17.54、1.35、0.19mg/L。

③平板陶瓷膜在16～40L/(m2•h)的通量下運(yùn)行時(shí)，其壓差平均上升速率為1kPa/d，可通過(guò)定期在線維護(hù)清洗恢復(fù)。

④采用陶瓷膜處理農(nóng)村污水時(shí)，由于長(zhǎng)期無(wú)人值守，因此需注意做好預(yù)處理，嚴(yán)禁堅(jiān)硬固體大量進(jìn)入;定期巡檢觀察膜吹掃曝氣的均勻性;建議半個(gè)月到一個(gè)月檢測(cè)一次污泥濃度，控制污泥濃度≤15g/L;對(duì)于進(jìn)水濃度低的項(xiàng)目，污泥濃度≤1g/L時(shí)，可增大反沖洗頻次且同步減少反沖洗時(shí)間，將跨膜保護(hù)壓差設(shè)置為－55kPa左右。