1 工藝概況
惠州大亞灣石化區(qū)綜合污水處理廠為石化區(qū)內進駐企業(yè)提供污水處理服務｡該污水處理廠采用MBR 工藝,要求出水水質必須達到《廣東省水污染排放限值》第二時段一級標準的要求｡該廠進水水質及排放標準如表1 所示｡
該污水處理廠工藝流程見圖1｡
該廠所用MBR 膜組件產自日本旭化成公司(Company),其核心聚偏氟乙烯(fluoroethylene)中空纖維膜是一種耐物理沖擊且化學穩(wěn)定性好的優(yōu)良微濾膜,孔徑為0.1~0.2 μm｡MBR 單個膜組件由約3 000 根膜絲及附屬零配件組成,有效膜表面積為25 m2,最高耐受壓差為300 kPa,工作壓差為80 kPa 以下,使用溫度在40 ℃以下｡若干個膜組件組合在一個膜架中,若干膜架組成一個污水處理膜組,運行膜組的數(shù)量主要根據(jù)水量的變化以及膜組狀況而定｡
2 MBR 工藝的運行參數(shù)設置
大亞灣石化區(qū)綜合污水處理廠所接收石化廢水的特性:含有大量毒性化合物;難降解有機物含量高;可生化性差,用傳統(tǒng)生化工藝處理該廢水存在COD､色度去除效果差等缺點;存在較大程度的沖擊負荷,含鹽度高,不利于生化處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行｡
2.1 膜組產水周期的設置
根據(jù)膜組件生產廠家的使用說明和工藝設計設定的運行條件,膜組產水周期為10 min,其中過濾產水9 min,膜組反洗1 min｡膜組在此模式下運行可保持良好的穩(wěn)定性,膜的過濾壓力,即膜壓差增長緩慢,有利于工藝系統(tǒng)(system)長時間安全運行｡為檢驗不同產水周期對膜組穩(wěn)定運行的影響,且達到提高產水量的目的,該廠對此進行了實驗｡實驗所用兩個膜組為A 膜組和B 膜組,每個膜組由7 個膜架組成,兩個膜組使用年限､運行參數(shù)設置相同,運轉情況､膜絲狀況相近｡其中A 膜組產水周期仍為10 min,B 膜組產水周期設置為13 min｡通過一段時間的運行和觀察,結果見圖2｡
由圖2 可以看出,兩個膜組的膜壓差變化情況基本相同,只是在實驗后期,B 膜組的膜壓差超過A膜組5 kPa 左右｡鑒于兩個膜組的運行效果相近,膜壓的差別較小,延長產水周期是可行的,而膜壓差的控制可通過增大曝氣量,增強膜絲的吹掃抖動力度來解決｡通過此實驗,在總生產成本不變的情況下,單個膜組的產水量提高了2.55%,單位污水處理成本下降了2.48%｡
2.2 膜組產水量的設置通過延長膜組產水周期, 雖然提高了單個膜組產水量,但增量有限,不能滿足實際的生產需要,因此,提高產水量參數(shù)勢在必行｡但提高產水量,需要與其他運行參數(shù)聯(lián)動調試, 以避免威脅工藝的穩(wěn)定運行以及加快膜組的折舊｡這些參數(shù)包括曝氣量､污泥濃度､運行液位､污水性質､溶解氧濃度等｡據(jù)此,該廠以C 膜組為實驗膜組, 其構成與A､B 膜組相同,只是使用年限較短,具體實驗情況如下｡
C 膜組產水周期為13 min, 前期產水量設置為50 m3/h,單個膜組件曝氣量為4.17 m3/h,污泥質量濃度為1 700 mg/L, 溶解氧(Oxygen)質量濃度為2.20 mg/L 左右｡運行10 個月后,對C 膜組進行離線化學藥劑清洗工作,使之恢復到初始的膜壓差｡然后保持產水周期不變,產水量設置為60 m3/h,單個膜組件曝氣量為5.36 m3/h,污泥質量濃度為3 000 mg/L,溶解氧質量濃度為2.60 mg/L 左右,MBR 生化池液位提高0.1 m｡運行觀察10 個月后,對比參數(shù)設置前后的膜壓差變化情況,結果見圖3｡
由圖3 可以看出, 二者的膜壓差變化速率基本一致,在運行的后期隨著膜壓差的增大,產水量大的膜組被污染速度較快｡這一點也不難理解,較大的產水量,勢必加大了膜組的過水通量,污染物在膜表面的沉積作用也相應增大,但總體看來,只要維護及時到位,這種變化是可控的,不會對膜組的使用狀況和壽命(lifetime)造成較大影響｡
對于C 膜組,通過對各運行參數(shù)進行適度的調整,在產水周期13 min,產水量60 m3/h 條件下,取得了產水量增長23.05%, 成本下降18.74%的良好效果｡參數(shù)調整后主要水質指標去除率情況(Condition)如圖4 所示｡
從參數(shù)調整期間的運行效果來看, 處理后的產水COD 去除率為85%~93%,磷酸鹽去除率為80%~97%,氨氮去除率為78%~99%｡整體上COD 的去除率穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒有變動),磷酸鹽和氨氮的去除率波動較大,這主要是由于進水的COD 含量波動相對較小,而磷酸鹽和氨氮含量波動較大｡通過不間斷地監(jiān)測（Food Monitor)和分析,產水各項水質指標均達到了排放標準的要求｡參數(shù)調整后的運行狀況符合工藝要求｡
2.3 膜組反洗設置
該廠在運行初期按照自動化程序的設置, 執(zhí)行了膜組在線反洗程序,但在隨后的實際運行中發(fā)現(xiàn),剛剛過濾后的產水即被打回膜組進行在線反洗工作存在很大的風險:一是產水潔凈度不夠,難以取得良好的效果; 二是一旦有膜組損壞而導致部分產水未被過濾,污染物及污泥顆粒進入產水,用此水進行反洗勢必造成膜絲從內部堵塞, 嚴重影響膜組的安全運行｡為杜絕此安全隱患,該廠在程序中取消了在線反洗,在每個產水周期中,原有的1 min 反洗被代之以1 min 的停止產水, 即以間歇產水的方式方法來保持膜組的穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒有變動)運行｡從圖2 和圖3 可以看出,停止此反洗程序對膜組的穩(wěn)定運行影響不大｡隨著膜組的不斷老化,膜壓差上升的速率不斷加快,就需要加大清洗的頻次,這時只能采取離線化學藥劑清洗措施（指針對問題的解決辦法),雖然清洗徹底,但也操作控制繁雜,對正常的生產運行影響較大｡對此有采取MBR 工藝的污水處理(chǔ lǐ)廠做了改進,如設計了在線藥劑反洗系統(tǒng)(system)或凈水反洗系統(tǒng)等｡
3 MBR 工藝的膜組污染控制
3.1 膜組污染控制的4 個方面
一般情況下, 膜組的污染控制主要從4 個方面考慮:廢水的預處理､膜本身的性質､活性污泥的性質以及MBR 的運行條件,四者相互影響,共同決定膜組的運行狀況｡廢水預處理可以直接改善水的狀況,減少懸浮物及其他污染物含量,從源頭上降低（reduce)膜組污染的速率; 膜材質決定了膜的親水性和膜孔隙率,膜孔的尺寸則會影響膜壓差的大小;反應器的構造與錯流速率將影響到活性污泥中胞外聚合物的生成､污泥絮體結構和大小以及溶解物的性質;MBR 中的HRT/SRT 則直接影響到污泥的濃度和EPS 的形成與生長〔6〕｡膜污染的影響因素如圖5 所示｡
3.2 預處理措施粗､細格柵是控制（control)膜組污染的第一道措施,粗格柵､細格柵柵孔尺寸分別為15､5 mm｡由于石化廢水本身固體懸浮污染物含量較少,經過格柵處理后,廢水中的懸浮污染物可去除80%以上,避免了這些污染物在膜組件內部蓄積｡在實際運行中發(fā)現(xiàn),膜組件內部固體懸浮物較少,膜絲呈現(xiàn)垂順狀,沒有出現(xiàn)處理生活廢水后的雨傘狀乍起｡
3.3 膜材質對膜組污染控制的影響該廠采用的膜材質為聚偏氟乙烯,具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性､耐輻射性和耐熱性,但這種材質疏水性極強,易產生吸附污染,維護保養(yǎng)成本較高,限制了其在污水處理中的大規(guī)模應用｡該廠在實際運行中發(fā)現(xiàn),在膜壓差處于高位時,膜絲表面形成了污泥濾餅層,大量膜絲被濾餅黏連在共同,使得內部膜絲不能起到過濾污水的作用, 為了維持設定的產水量,膜絲就會被施以更大的過膜壓力,使膜絲黏連情況更加嚴重, 最后只能通過人工清理加化學藥劑清洗的方式方法去除濾餅層, 以恢復整個膜組的過水通量｡為了減弱膜的疏水性,有學者通過研究認為,可合成兩親聚合物作為添加劑與PVDF 原料共混制膜,可有效改善膜的性能〔7〕｡
3.4 污泥方面的措施（指針對問題的解決辦法)
為有效控制（control)膜組污染, 必須選擇合適的污泥濃度｡MBR 工藝有利于在高污泥濃度狀況下運行,因而污泥負荷較低,較低的污泥負荷,一方面可以使產生的剩余污泥量減少從而降低了處置費用(expense), 但另一方面使得污泥齡變長｡較長的污泥齡有利于世代期較長的細菌生長,但過長的污泥齡會使微生物產生出可溶性代謝產物｡若大分子的SMP 被截留在MBR 中一方面會污染膜, 另一方面SMP 會吸附在氣―水兩相的界面上導致氧傳遞率的降低, 而小分子的SMP 則會穿過膜進入產水,導致產水水質變差｡低污泥負荷還會使污泥產生EPS,使混合液的黏度（viscosity)升高, 從而導致污泥的脫水性能變差,膜過濾阻力變大〔8〕｡該廠根據(jù)石化廢水的性質和實際運行情況, 在膜組工作區(qū)域選擇維持了不高的污泥質量濃度,以保持膜壓差的平穩(wěn),并減少濾餅層的形成｡
3.5 運行條件方面的措施
該廠通過長時間的摸索和對比, 并結合水質情況和工藝系統(tǒng)的運行狀況, 主要采取了如下幾項措施（指針對問題的解決辦法):在約1 000 m3 的膜組工作區(qū)內,安裝了A､B､C 3 個膜組,避免過高的裝填度;在滿足生產(Produce)要求的前提下,對每個膜組設定合適的膜通量,使用年限較長的A､B 膜組設定產水量為40 m3/h,年限較短的C 膜組產水量為60 m3/h;保持穩(wěn)定的污泥濃度,3 000 mg/L 左右,并及時更新污泥,防止EPS 和絲狀菌的大量產生;保持較大的曝氣量,單個膜組件曝氣量為5~6 m3/h, 以確保池內水體的高度紊動,控制（control)濾餅層在膜絲表面的形成;每個產水周期停止產水1 min,以利于膜絲在擾動水流的作用下抖落吸附在表面的污染物;定期對膜組進行離線化學藥劑清洗工作,以徹底（thorough)清除膜絲表面污染物,恢復初始膜壓差｡具體參見
4 結論
為了適應進水質和量的變化,在確保產水達標排放的基礎上, 通過不斷優(yōu)化調整MBR 運行參數(shù),既可以提高工藝系統(tǒng)處理能力,又能夠降低（reduce)生產成本,是MBR 工藝運行管理的核心內容｡
采取合適的膜組污染控制措施是確保MBR工藝系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行的基礎, 在運行參數(shù)調整的同時,務必要考慮到對膜組污染的影響(influence),如果調整后的參數(shù)加快了膜組的污染, 又不能通過管理和技術手段使之減緩和恢復,則不能采用,反之則可行｡
使用MBR 工藝處理石化廢水具有穩(wěn)定､高效（指效能高的）的特點,具有傳統(tǒng)工藝所無法比擬的優(yōu)點,如污泥濃度高､產水水質好､抗沖擊能力強等,是處理類似工業(yè)廢水的有效方法
