平板陶瓷膜应用于市政污水处理中试研究

程海峰，孟佳阳，方 芳，范小江，胡 昌，梅爱华，夏仁洁

（1.张家港市水务局，江苏 苏州 215600；2.深圳市华远环境科技有限公司，广东 深圳 518055；3.张家港市给排水有限公司，江苏 苏州 215600）

前言

近十年来，得益于国家和各级地方政府的重视，我国水污染防治工作得到快速发展，城镇污水处理设施建设与改造加快，水环境质量和水生态明显改善。我国的污水处理技术借鉴了大量的国外先进经验，并结合国内的实际情况不断改进，形成了适合我国实际情况的污水处理工艺，呈现出百家争鸣的情况[1]。

膜生物反应器（MBR）工艺将膜分离技术与活性污泥法相结合，实现水力停留时间（HRT）和污泥停留时间(SRT)的分别燮制，同时解决了传统活性物理法存在的污泥膨胀、污泥浓度低等因素造成的出水水质不达标等问题，且具有出水水质好、节省占地、运行稳定、自动化程度高等优点[2]，在污水处理及其提标中得到广泛应用。目前MBR 工艺应用中超滤膜以中空纤维膜为主，还有一小部分为有机平板膜。有机膜一般使用寿命5 年左右[3]，膜更换频繁导致运营成本升高。此外，有机膜耐污染性能一般，在线维护性化学清洗操作频繁，一定程度上影响产水效率及膜使用寿命[4]。

与有机膜相比，平板陶瓷膜具有机械强度高、运行通量高、耐污染、使用寿命长等优点，开始在MBR工艺中得到应用[5]，随着国产化水平的进一步提高和成本的降低，其在MBR 工艺中的应用优势将更加明显。

本研究采用国产平板陶瓷膜，研究其在市镇污水处理中的处理效果、运行稳定性和经济成本，以期为纳米平板陶瓷膜在市镇污水处理中的大规模应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 原水水质

平板陶瓷膜生物反应器中试试验规模为100 m3/d，试验时间长10 个月，从冬季12 月开始。中试设备进水为张家港市某污水厂生化池进水，具体试验进水水质指标见表1。

表1 试验原水水质

1.2 中试装置与工艺流程

中试工艺流程如图1 所示，该工艺系统主要由原水提升泵、兼氧池、缺氧池、膜池（好氧池）和清水池组成。污水厂沉砂池出水在原水提升泵的作用下进入兼氧池，由生化池风机向兼氧池供气，通过兼氧池内的在线DO 仪燮制风机的频率使兼氧池DO 浓度维持在0.6～1.0 mg/L。兼氧池出水进入缺氧池，池内布置有搅拌机维持污泥的流动性。缺氧池出水进入膜池，由膜擦洗风机向膜组件曝气，曝气量为120 m3/h，膜池DO浓度基本保持在3 mg/L 以上。水在抽吸泵的作用下经平板陶瓷膜过滤进入清水池。在膜池内还布置有回流泵，将膜池混合液回流至兼氧池，回流比为300%。整个系统由PLC 自动燮制，根据液位和流量燮制水泵和阀门的启停。兼氧池、缺氧池、膜池的水力停留时间分别为2.5 h、4.4 h 和3.1 h。

图1 中试工艺流程和平板陶瓷膜图片

试验采用的陶瓷膜为张家港市华远环境科技有限公司的产品，共分为3 个膜组件，每个组件含100片陶瓷膜，过滤面积50 m2，共计150 m2，膜片规格参数见表2 所示。

表2 平板陶瓷膜参数

1.3 分析项目与检测方法

CODCr经微波消解后采用HACH DR3900 快速测定仪检测；氨氮采用纳氏试剂比色法检测，TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法检测，TP 采用钼酸铵分光广度法检测，SS 采用重量法进行检测。DO、ORP、跨膜压差、流量、液位等采用在线传感器进行检测。

2 结果与讨论

2.1 污染物去除率（COD氨氮、TN、TP、SS）

图2 所示为平板陶瓷膜MBR 工艺对CODCr的去除效果。可以看出，试验期间进水CODCr浓度范围为80～273mg/L，平均进水浓度160.3 mg/L。中试设备出水CODCr的浓度低于20 mg/L，平均出水浓度12 mg/L，达到地表III 类水标准，出水水质受进水浓度波动影响较小，耐冲击燮荷能力强。从季节上看，冬季时中试设备对CODCr平均去除率（90.5%）略低于春节（93.2%）和夏季（94%），这可能是冬季水温较低，微生物活性相对较低所致。

图2 CODCr 的去除效果

陶瓷膜MBR 中试对氨氮的去除效果如图3 所示，试验期间设备进水氨氮浓度为11～53 mg/L，平均进水浓度30.4 mg/L，陶瓷平板膜MBR 出水氨氮浓度稳定低于1.0 mg/L，平均浓度为0.3 mg/L，去除率高于90%，出水水质达到地表III 类水标准。

图3 氨氮的去除效果

图4 为平板陶瓷膜MBR 工艺对TN 的去除效果。从图中可以看出，进水TN 浓度为13～54 mg/L，平均进水浓度31.8 mg/L，陶瓷膜MBR 出水TN 浓度低于10 mg/L，平均出水浓度6.6 mg/L。去除率方面，陶瓷膜CMBR 中试冬季对TN 平均去除率为68.6%，比春季（78.1%）和夏季（78.5%）低，这主要是由于冬季水温低，反硝化细菌活性相对较低所致。

图4 TN 的去除效果

由图5 可知，平板陶瓷膜MBR 中试进水TP 浓度为1.3～7 mg/L，平均进水浓度3.5 mg/L，陶瓷膜MBR出水TP 浓度为0.1～1.3 mg/L，平均浓度0.42 mg/L。结合运行期间可以看出，在污泥浓度上升阶段MBR 出水TP 浓度基本低于0.3 mg/L，在污泥浓度维持稳定阶段出水TP 浓度达到1.0 mg/L 左右。单独的生化除磷不能满足出水要求，需增加化学除磷。

图5 TP 的去除效果

2.2 运行情况

陶瓷膜MBR 试验MLSS 的启动浓度为8 000 mg/L，第55 天浓度上升至15 014 mg/L，根据污泥增长速率制定排泥计划，每天排泥0.3 m3，将MLSS 浓度燮制在15 000 mg/L 左右。

试验启动期，陶瓷膜MBR 膜通量由15LMH 提升至35LMH，跨膜压差从-4.1 kPa 上升至-13.5 kPa，第32 天开始，将膜通量提高至40LMH，跨膜压差稳定在-14～-16 kPa，在线化学清洗周期维持30 d 以上。

3 结论

平板陶瓷膜MBR 对COD、氨氮、TN 的去除效果稳定，出水COD 浓度低于20 mg/L，氨氮浓度低于1 mg/L，TN 浓度低于10 mg/L，出水水质达到回用要求。受生物除磷效率的影响，MBR 出水TP 需要增加化学除磷才能达到0.3 mg/L 的排放要求。膜系统运行通量可达40LMH，MLSS 浓度可达15 000 mg/L，系统污泥减量效果明显。