老旧污水处理厂提标改造应用纳米陶瓷平板膜的实例分析

王 磊，李卓君

(上海巴安水务股份有限公司，上海 201715)

0 引言

在我国城镇化改革不断推进的过程中以及在习近平总书记的“绿水青山就是金山银山”的倡导下，我国对污水的治理与排放愈加重视，各地区逐渐提高了对污水排放指标的要求，污水处理出水水质的要求从地表水一级A 提高至准Ⅳ类，所以老旧水厂提标改造刻不容缓。但在改造方面，由于受到已建成的老旧污水厂厂区面积和资金预算的限制，达到准Ⅳ类排放标准所需进行的一般技术改造成本可能会超出实际预算，而纳米陶瓷平板膜不仅可以有效地去除CODCr、氨氮，可以保证出水浊度<1 NTU[1]，而且造价低，可以有效减少改造投资的成本。此外纳米陶瓷平板膜还具有高通量、化学清洗后恢复性强、出水水质好、占地面积小等原因，因此可以应用于各水厂提标改造中。

陶瓷平板膜是将无机陶瓷材料Al2O3，TiO2，ZrO2等和添加剂均匀混合，经过成型和高温煅烧而成[2]。陶瓷膜过滤的主要机理为“筛分机理”[3]，即利用膜孔孔径大小和污水中所含物质分子大小不同进行筛分，直径大于膜孔孔径的物质被拦截，而小于膜孔则会透过滤膜，这样有目的性地使进水中的物质分离，从而水体可以得到净化，降低污染。

纳米陶瓷平板膜是在陶瓷平板膜表面涂抹一层特殊的纳米材料，有效的降低了膜污染的速度，延长了陶瓷膜的使用寿命，而根据所选用纳米材料的不同，还可以对一些特殊的污染物进行针对性的去除。

1 项目背景

现以我国某污水处理站提标改造项目进行分析介绍。该项目的提标改造工程分为2 期进行，一期工程设计处理能力为1 000 t/d，二期工程设计处理能力为1 200 t/d。该污水处理站主要处理小镇居民生活污水以及小镇旅游业带来的餐饮垃圾废水，在提标改造前的使用工艺为A2/O，排放标准为一级A。改造前处理情况见表1。

表1 改造前4 个月平均进出水质数据 mg·L-1

表2 一级A 和准Ⅳ类排放标准对比 mg·L-1

由表1、表2 可知，该污水处理站出水已满足污水国家一级A 排放标准，不能满足准Ⅳ类排放标准。该污水处理站原始占地面积较小，且业主在此次改在前曾经对污水处理站进行过改造，导致水厂可利用的面积已全部被利用。所以团队在对其进行准Ⅳ类排放提标改造时，充分考虑占地面积限制的因素后，本着节约资金的目的，选择将原沉淀池改造成MBR 膜池，采用纳米陶瓷平板膜作为主要过滤材质。

改造后的处理工艺采用“A2/O 生化池+MBR 纳米陶瓷平板膜池”，主要设备包括格栅、调节池、A2/O 生化池、MBR 纳米陶瓷平板膜池。工艺流程见图1。

图1 水厂工艺流程

纳米陶瓷平板膜组件见图2。其中图2（a）为单个纳米陶瓷平板膜膜组件，图2（b）为数个膜组件组合而成的纳米陶瓷平板膜膜塔。

图2 纳米陶瓷平板膜示意

2 改造中存在的问题

2.1 老旧水厂历史留存问题对膜的影响

此污水处理站除在进水井设一道粗格栅，后面的3 道平板格栅并未起到实质的过滤作用，且在以往已进行过的生化池改造中，存在大量的弹性填料掉入池底，但未清除干净，残留的填料等垃圾会进入膜池，在本次提标改造试运行中，膜塔因此从上到下被填料堵死。

为解决堵塞严重的问题，在膜池提升泵出水管路上增设过滤精度为2 mm 的快清式提篮过滤器，对来水的垃圾和悬浮物进行有效拦截。从后续运行情况看，改善效果明显，膜池可以稳定运行。

2.2 水质对膜的影响

由于当地属于旅游景点，存在人流量大以及饭店众多等问题，此污水处理站除了要处理生活污水外，每日还需要处理2~4 t 的垃圾渗滤液，这也导致了膜面存在不同程度的“结痂”，从而导致污泥在“结痂”处沉积，致使膜内压力过高，膜通量降低，致使产水量减少，导致膜组件需要频繁清洗。

为此解决此问题，在改造中增加强力曝气装置。曝气装置为中大气泡的穿孔管曝气，这与微孔曝气相比，增强了曝气的剪切方向强度，可以改善污泥性状，使污泥不易沉积。同时为了验证这一方法的效果，进行了对比实验，安装曝气装置的膜池与未安装的曝气装置的膜池相比，膜组件运行稳定，出水水质正常，“结痂”现象得到明显改善，污泥沉积减少，反洗频率和产水量恢复明显。所以，强力曝气装置可以有效解决当地水质变化的问题，改善膜组件的运行环境，降低膜组件的清洗频率。

3 水厂运行情况

3.1 纳米陶瓷平板膜的处理效果

污水处理站升级改造后，在9 月1 日~10 月14日连续监测入膜池进出水CODCr浓度，结果见图3。在连续运行接近2 个月的时间内，纳米陶瓷平板膜对CODCr去除效果显著，出水水质稳定，出水CODCr平均质量浓度在17.50 mg/L 左右。去除率稳定在81%左右。因此，纳米陶瓷平板膜在去除CODCr方面具有较强的稳定性。

图3 纳米陶瓷平板膜对COD 的去除效果

纳米陶瓷平板膜对TN 的去除效果见图4。进水的TN 平均质量浓度为16.84 mg/L，使用纳米陶瓷平板膜后，出水的TN 平均质量浓度为5.10 mg/L，去除率可达约70%，可见纳米陶瓷平板膜对TN 去除效果明显。

图4 纳米陶瓷平板膜对TN 的去除效果

纳米陶瓷平板膜去除TP 的效果见图5。由图5可知，纳米陶瓷平板膜对TP 的去除效果十分显著，出水TP 的平均质量浓度可以降至约0.07 mg/L，去除率可达97%左右，满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅳ类水质标准[5]。且纳米陶瓷平板膜运行效果稳定，在进水水质波动较大时依然可以保持良好的TP 去除率，有效保证了提标后出水水质良好。

图5 纳米陶瓷平板膜对TP 的去除效果

在实际运行中，同时还检测了纳米陶瓷平板膜对NH3-N 和SS 的去除效果。实际出水的NH3-N 平均质量浓度为0.11 mg/L，去除率约为77.6%；出水的SS 平均质量浓度为3.68 mg/L，去除率约为89.3%。在使用纳米陶瓷平板膜进行提标改造后，所测指标均可满足我国地表水准Ⅳ类水标准。

3.2 纳米陶瓷平板膜的清洗周期

为了使纳米陶瓷平板膜的运行保持稳定，定期的化学清洗必不可少。运行过程中的膜过滤压力和通量变化见表3。

表3 纳米陶瓷平板膜过滤压力及通量

由表3 可知，在保证纳米陶瓷平板膜的通量一定的情况下，膜负压从15 400 Pa 增长至22 100 Pa，此过程时间为16 d 左右。在此之后随着膜污染的逐渐加重，压力也愈加增大，膜通量大幅降低导致出水水量减小，因此必须进行化学清洗。化学清洗主要使用的是次氯酸钠和柠檬酸。次氯酸钠的主要作用是去除纳米陶瓷膜表面附着的有机物和微生物； 柠檬酸的主要作用是去除纳米陶瓷膜表面的无机矿物质残渣[6]。药剂的储存量按照 1 个月（30 d）计算，所使用的储存容器为50 L 的储罐。

经过化学清洗后，膜通量和膜压力均可基本恢复到初始状态。为了保证膜组件的稳定运行，避免发生不可逆的膜污染，设定的清洗周期一般为7~10 d。相比其他类型同规模的膜组件，纳米陶瓷平板膜反洗周期长，运行稳定，反洗时药剂消耗量低，有效降低了污水处理厂的运行成本和维护周期。

在9 月、10 月连续 2 个月不间断运行中，纳米陶瓷平板膜表现出了良好的稳定性。出水可以满足准Ⅳ类水质的排放标准。为了保证运行的稳定，推荐纳米陶瓷平板膜的清洗周期为7~10 d，这样不仅可以节约药剂的使用量而且可以降低工作人员的操作频率，清洗完后基本可以恢复到初始通量，这也使得水厂自动化程度得到提升，操作工人仅需要定期对仪表进行检查即可。并且由于膜组件塔占地面积小，可以利用原有构筑物进行改造，减小了对厂区面积的要求也极大的降低了改造成本。

3.3 改造后污水处理站出水

改造后污水处理站执行GB 3838—2002 《地表水环境质量标准》中准Ⅳ类水质标准。在连续稳定运行的2 个月（9~10 月）内，检测的污水处理站出水质量情况见表4。

表4 改造前后污水处理站平均出水数据 mg·L-1

由表4 可知，经过改造后污水处理站出水水质明显提高，可以满足排放标准要求。

综上，纳米陶瓷平板膜不仅可以长时间稳定连续运行且水体污染处理的效果较优，出水水质满足准Ⅳ类排放标准要求，具有一定的经济优势，对于全国老旧水厂提标改造具有一定的参考价值。

4 结论

（1）通过分析我国某污水处理站提标改造的案例，可知采用“A2/O 生化池+MBR 纳米陶瓷平板膜池”工艺，可以稳定运行并满足准Ⅳ类的排放标准。改造后，出水CODCr质量浓度为18 mg/L，去除率81%； 出水 NH3-N 质量浓度为 0.1 mg/L，去除率77.6%； 出水 SS 质量浓度为 4.0 mg/L，去除率89.3%； 出水 TN 质量浓度为 5.0 mg/L，去除率达70%；出水TP 质量浓度为0.07 mg/L，去除率97%。

（2）同时针对前段工艺存在可能堵塞膜组件塔的问题，可以在膜池提升泵出水管路上增设过滤器得到有效解决。对于污泥沉积在膜面结垢，可以使用穿孔曝气，增加膜表面的剪切方向强度，使膜通量恢复。在全国污水处理厂的提标改造过程中可能遇到的问题具有一定的参考、借鉴价值。

（3）在我国目前推行准Ⅳ类排放要求的环境下，纳米陶瓷平板膜依靠具有高通量、化学清洗后恢复性强、出水水质好、施工组装方便、使用寿命高、采用公壁连接方法可以大大节省构筑物的面积，并且在正常运行过程中，基本不用吊装维修，清洗周期长，省去了频繁更换膜组件等一系列优势，在老旧水厂的提标改造工程方面具有积极的、广泛的工程借鉴意义。