膜法水处理方法在水环境治理中的应用

摘 要：由于污水治理难度增加，因此对水环境治理方法提出了更高的要求。膜法水因运行管理简单、占地面积小以及出水质量高等特点，逐渐成为解决水环境问题的主要方式。本文对污水处理厂初沉池出水，家庭废水进行试验，对膜法水的处理效果进行试验，结果表明，膜法水处理方法对总磷、COD、总氮、NH3-N等指标具有明显的改善效果，值得推广应用。

关键词：水环境治理；膜法水处理；废水试验

中图分类号：X 52" " " 文献标志码：A

目前，我国水资源匮乏，人均水资源占有量为2200m³，在全国约600座城市中，超过400座城市处于缺水状态。我国水污染问题也比较突出，废水的回收率较低，根据数据，在全国700多条河道中，只有32.2%的断面满足饮用水水质，受污染影响不能饮用的断面比例达到67.8%。在水资源匮乏与水体污染共存的背景下，须引入膜法水处理方法，对水环境进行治理[1]。

1 膜法水处理方法的特性分类

膜法水处理是一项多学科交叉的新兴技术，无论是人工合成膜还是天然膜，均具有一定的选择通过性。其中，膜分离是利用电场作用，对两组或多组分溶剂进行富集、纯化、分级以及分离的一种新方法[2]。目前，广泛使用的膜组件包括圆管式、平板式、螺旋卷式、毛细管式以及中空纤维式[3]。

2 水环境治理领域引入膜法水处理方法的技术原理

2.1 曝气膜-生物反应器

该技术是由Cote. P首次提出的一种新型的膜技术，是利用具有高透过性的致密膜和疏水膜，通过平板或空心纤维组合，在保证气相分压小于气泡点的条件下，达到无气泡充气的目的[4]。这种方法具有氧气传递效果好、接触时间长等优点，且不会受到常规曝气过程中停留时间、气泡尺寸等因素的影响[5]。

2.2 萃取膜-生物反应器

萃取膜-生物反应器（EMBR）是一种新型的高效分离技术，由于pH较高，或含有生物毒性物质，因此，不宜采用与微生物直接接触的方法来处理。在含有易挥发的危险材料的废水中，如果使用常规好氧生化工艺，那么污染物极易随着曝气气体的挥发而产生逸出现象，从而导致处理效果不稳定和空气污染问题[6]。

3 水环境治理领域引入膜法水处理方法的试验设计

3.1 主要装置

本装置主要由预处理池、膜组件、MBR反应器、水箱以及缺氧池组成。

3.1.1 水箱

初沉池出水，通过0.6mm的机械格栅，由潜水泵抽取后再送入水池。在所述储槽的底部设置一台潜泵，将原水从缺氧槽中抬起，潜泵按照缺氧槽内的水位自动打开，上部设有泄水孔，将过多的原水排放出去。水箱规格为1200mm×1400mm×1400mm。

3.1.2 缺氧池

在低氧条件下，反硝化细菌将硝态氮转变成N2O或N2排放，具有一定的反硝化功能。部分有机质在酸性条件下会发生水解，利于好氧微生物降解。在缺氧罐上面安装一台电动搅拌器，保证充分混合，并与微生物、基质充分接触。缺氧池规格为5000mm×800mm×1200mm，有效容积为2.8m³。

3.1.3 预处理池

在厌氧池的后面增加一个预处理池，并配有鼓风机，在MBR中溶解氧含量较低的情况下，启动鼓风机，以达到预曝气的目的。混合液从低氧池自流至前处理池，通过阀调节开启程度。在膜生物反应器的底部设置一台循环泵，将混合液送入膜生物反应器内，每10min运行一次，每次运行10min。预处理池规格为5000mm×800mm×1200mm，有效容积2.8m³。

3.1.4 MBR反应器

在MBR反应器底部设置一根内径13mm的穿孔板，其孔间距为30mm，孔径为5mm。MBR反应器采用双层膜结构，上部设有溢流管，将部分混合液回流到低氧槽内进行脱氮处理。MBR反应器规格为5000mm×1200mm×1200mm，有效容积为5m³。

3.1.5 膜组件

使用H3-510型膜片，单片面积490mm×1000mm。

3.2 试验原水

试验原水为某污水处理厂初沉池出水，以家庭废水为主要成分，并含有部分工厂废水、餐饮废水，是具有代表性的城市废水[7]。

3.3 分析项目与方法

COD项目主要采用回流法，NH3-N项目主要采用酚二磺酸分光光度法，总磷项目主要采用紫外分光光度法，总氮项目主要采用分光光度计等。

3.4 试验主要内容

考察膜法水处理方法对废水中总磷、COD、总氮、NH3-N以及浊度等指标的治理成效。对经膜法水处理方法后的出水进行检验，分析水质是否满足《城市污水再生利用―城市杂用水水质》（GB/T 18920—2020）标准。

4 水环境治理领域引入膜法水处理方法的污染物去除效果

4.1 COD

对进水、出水及反应器上层清液进行定期检测，以4000r/min的速度离心15min，采用定性滤纸过滤。这种工艺中的入水、出水及反应器上层的COD值随时间的变化情况如图1所示。

从图1得出以下结论。1）启动速度快。该技术从入泥至完成只有9d。2）COD去除率高。MLSS（5g/L～13g/L）较高，能有效地脱除入水中的有机物，确保COD去除效率维持在较高水平。3）当每次启动设备时，微生物未完全发育，MLSS低于6g/L，因此，该过程对COD的脱除效率低于90%，在此期间，由于微生物有增殖与驯化作用，因此COD的去除效果逐渐提高，在稳定状态下均在90%以上。4）COD变化值为7mg/L～39mg/L，平均值为20mg/L，若不考虑启动阶段的因素，则运行期间COD去除率约为95%。

膜法水处理方法去除有机污染物，主要由膜截留、活性污泥两部分作用组成[8]。其中，活性污泥是COD的主要降解途径，其处理效果可达60%，其主要原因是微生物停留时间长、浓度高。同时，利用膜对溶解性微生物代谢物（SMP）等有机物的高效滞留作用，可有效解决生化过程中的不稳定问题，保证出水质量。

4.2 NH3-N

图2为NH3-N的去除效果。由于亚硝化菌和硝化菌的传代周期比较长，因此初期对氨氮的去除效果并不理想。但在本次试验中，该过程始终保持良好的处理效果，这可能与初始投料污泥中的硝化菌数量大以及监测时已驯化7d有关。氨氮平均去除率平均达到98%。出水氨态氮为0mg/L～1.3mg/L，平均值0.5mg/L。

4.3 总氮

图3为TN的去除效果。污泥中的污泥浓度偏低，不利于厌氧的形成，污泥的厌氧微生物数量会降低，因此在初始阶段，总氮的去除率约为40%～80%。120d后，由于污水中的悬浮物含量从4000mg/L增至6000mg/L～

10000mg/L，由于厌氧反应器内微生物数量持续增加，因此使厌氧条件逐渐变好，同时反应器内污泥龄较长，总氮的去除率逐渐稳定，去除率也有了很大提高（平均为74%），而出水中总氮逐渐降至20mg/L以下。运行195d后，设备失灵，活性污泥大量排出，导致MLSS重新降至6000mg/L以下，该过程全氮的去除率呈下降趋势。出水总氮在237d后再次趋于平稳。

4.4 总磷

图4为TP的去除效果。在初始阶段，总磷去除率因过程的不稳定而出现明显起伏。TP的脱除率为30%～80%，在稳定运行条件下，该工艺的TP去除率基本稳定。生物除磷是指聚磷菌从外界大量吸收磷，并以聚合状态贮存于体内，形成高磷污泥，高效去除磷。因此，采用低泥龄工艺，能有效去除大量的残余污泥，从而达到良好的除磷效果。然而，在MBR中，污泥泥龄大，对生物除磷不利，但采用缺氧-好氧模式的MBR系统除磷效率很高，体现了MBR中聚磷菌对磷的作用。

4.5 工艺出水与回用标准比较

工艺出水基本与《城市污水再生利用―城市杂用水水质》（GB/T 18920—2020）标准相符，见表1。

4.6 试验小结

膜法水处理方法效果良好，出水质量稳定，出水COD，NH3-N，SS，细菌等各项指标均达到《城市污水再生利用―城市杂用水水质》（GB/T 18920—2020）标准，实现了预定的目标。

由于污泥龄较长，有利于难降解的有机降解细菌繁殖与富集，该试验不仅能有效地处理一般污染物，还能有效去除难降解的挥发性酚类、LAS、石油以及氰化物和重金属等。

在不同条件下，厌氧-好氧两种模式可起到一定的除磷效果。

4.7 建议

建议系统性分析膜法水处理方法中发生的同步硝化-反硝化，并对F/M、C/N以及DO等对同步硝化-反硝化性能的影响进行总结，便于提高脱氮效果，进一步降低运行成本。

建议在膜池内投加混凝剂，以此强化除磷效果，并通过观察分析，判断对微生物的影响，并对下一步的试验进行改进。

建议进一步研究减缓膜污染方法，避免因膜污染导致水处理效果降低的问题，方法包括研制新型膜材料；对膜结构与组成进行优化（开发膜-生物反应器联用技术等）；调控水动力条件（亚临界流量调控、气-水两相流以及非稳定流操作技术等）；采用超声法、臭氧氧化法以及反冲洗法等，对膜污染进行强行去除；可在膜法水处理前增设过滤、沉淀的环节，并定期对膜进行维护、清洗。

建议降低能耗，较高的膜法水处理技术能耗不符合“双碳”要求，其主要原因在于水处理过程需要提高压力，通过高渗透压差实现膜法水处理，因此，可以在这方面减低能耗，例如选择低压膜、高通量膜以及节能膜等技术。

5 结论

膜法水处理方法作为一种低成本、对环境友好、高效便捷的水处理新方法，在水环境治理领域的应用越来越广泛，并将在今后的发展中逐渐完善，为保护生态、改善生活环境做出贡献。

参考文献

[1]郑超，朱军，张宁，等.水处理膜技术发展现状及趋势分析[J].中国设备工程，2022（14）：109-110.

[2]曹焕义.全膜法水处理中各系统主要的PLC控制解析[J].中国新技术新产品，2017（19）：8-11.

[3]周超，吴东海，陆光华，等.膜法水处理中膜污染的化学控制研究进展[J].工业水处理，2019，39（2）：6-10.

[4]庞流.膜法在电镀工业废水处理中的应用[J].中国新技术新产品，2012（21）：223-223.

[5]朱峰，李彦华.反渗透膜法在核电站水处理中的应用[J].中国新技术新产品，2010（24）：1.

[6]马昕，安东子，寇彦德，等.焦化废水膜法组合深度处理工艺设计与应用[J].工业水处理，2017，37（4）：102-105.

[7]孙秋里，王国英，张小平，等.双膜法勾兑深处理焦化废水工艺设计[J].水处理技术，2012，38（9）：120-122.

[8]李瑞峰，于守政，李治刚.双膜法在污水再生处理中的应用及运行维护[J].工业用水与废水，2020，51（5）：65-68.