隨著(zhù)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)展并應用。膜組件作為MBR工藝的核心組成之一，按常用材料類(lèi)型，可分為有機材料的PVDF中空纖維膜、平板膜和無(wú)機材質(zhì)的納米平板陶瓷膜等。目前，MBR污水處理系統多數采用有機膜，有機膜MBR大規模應用已經(jīng)有10年多的時(shí)間。近幾年，納米平板陶瓷膜國產(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。相比有機膜而言，陶瓷膜采用無(wú)機材料高溫燒制而成，具有化學(xué)穩定性高、耐酸堿、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。平板陶瓷膜在處理水質(zhì)成分復雜或高濃度的工業(yè)廢水時(shí)優(yōu)勢較為顯著(zhù)，而對于平板陶瓷膜在農村污水處理中的應用情況，現階段則鮮有報道。

通過(guò)對北京南部某區采用一體化陶瓷膜污水處理設備的農村污水處理項目的應用研究，一方面分析農村污水處理的一些難點(diǎn)、痛點(diǎn)，另一方面也根據陶瓷膜MBR工藝在農村污水處理中的應用情況分析其設計、運行控制要點(diǎn)，為陶瓷膜MBR工藝更好地應用于農村污水處理提供一定的參考。

1、項目概況

該項目包括十多個(gè)農村污水處理站點(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備，重點(diǎn)介紹其中7套設計處理規模為500m3/d的設備運行情況。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)機陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而成的非對稱(chēng)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，從而達到分離目的。

平板陶瓷膜主要參數見(jiàn)表1。

由于農村污水水質(zhì)水量波動(dòng)大，不同項目差別較大，因此部分運行參數波動(dòng)范圍也較大。

該項目一體化設備的設計參數及運行條件如表2所示。納米陶瓷膜如圖2所示。

2、運行情況與分析

2.1 處理難點(diǎn)

①水量波動(dòng)

該項目中7個(gè)設計處理規模為500m3/d的站點(diǎn)實(shí)際平均處理水量約為198m3/d，平均水量負荷率僅有39.6%，各站點(diǎn)負荷率標準偏差為15%～20%。而其中也不乏部分來(lái)水量達到或超過(guò)站點(diǎn)設計水量，以及當日來(lái)水量極少的情況。這體現了農村污水處理站點(diǎn)的一個(gè)重要特點(diǎn)，即水量波動(dòng)大。

分析原因主要有：農村人口流動(dòng)性大、農業(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。針對水量波動(dòng)大的特點(diǎn)，設計時(shí)設有冗余量，在設備選型時(shí)留有一定的安全系數。此外，水量波動(dòng)大帶來(lái)的另一個(gè)顯著(zhù)問(wèn)題就是水量負荷小時(shí)，噸水能耗顯著(zhù)增加。

②水質(zhì)波動(dòng)

農村污水處理站點(diǎn)受雨水混入或企業(yè)、養殖戶(hù)排污影響，水質(zhì)波動(dòng)較大。對其中一個(gè)進(jìn)水異常站點(diǎn)進(jìn)行了連續一周不同時(shí)間點(diǎn)的進(jìn)水水質(zhì)檢測，結果如圖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)對該村污水來(lái)源進(jìn)行排查分析后，發(fā)現該站點(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(lèi):一類(lèi)是明渠來(lái)水，存在雨水稀釋作用;另一類(lèi)是村民在冬季為防止水管凍裂采取的長(cháng)流水習慣所致，這兩類(lèi)情況下進(jìn)水濃度即可接近排放標準。進(jìn)水濃度較高，以及進(jìn)水中含難生物降解的有機物時(shí)，會(huì )導致出水難以達標，而低濃度又會(huì )導致污泥濃度難以為繼。

除水質(zhì)的波動(dòng)外，農村污水由于管網(wǎng)不完善，還帶來(lái)了冬季進(jìn)水水溫低的嚴重問(wèn)題，對于明渠來(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，這是因為在低溫下一方面微生物的酶活性降低，水中基質(zhì)間的傳遞變得緩慢，微生物生長(cháng)繁殖迅速減緩，從而降低常規生化反應的速率，其中對生化反應速率的影響可以參考阿侖尼烏斯反應公式;另一方面生化系統中起硝化作用的硝化細菌活性受溫度影響尤為明顯，當溫度＜11℃后，硝化反應將受到嚴重的抑制。因此，低溫將會(huì )嚴重影響污水生物處理的效果，特別是會(huì )抑制系統的硝化，使得出水氨氮濃度難以達標。

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，以了解采用陶瓷膜MBR一體化設備處理常規農村污水時(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，僅進(jìn)行了幾次達標驗證，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達標。

來(lái)水為管道結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，設備內水溫在10℃左右，加之本系統的污泥濃度較高(＞10g/L)，且在30d以上的長(cháng)污泥齡下，有助于系統馴化適應低溫的微生物，因此在此溫度下，系統出水水質(zhì)仍能保持穩定。出水TP通過(guò)化學(xué)除磷的方式去除，溫度對其影響較小。本項目中明渠進(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

該穩定運行站點(diǎn)的膜污染情況如圖4所示。正常運行時(shí)通量為16～40L/(m2?h)，平均運行通量約為24L/(m2?h)。在此運行通量下，跨膜壓差(TMP)為－40～－20kPa，壓差上升速率約為1kPa/d。每隔半個(gè)月對膜系統進(jìn)行一次在線(xiàn)維護清洗，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部，浸泡4～6h。在線(xiàn)清洗后，跨膜壓差可恢復至初始的－20kPa左右，之后再逐步上升至－35kPa左右。平板陶瓷膜由于強度大，部分站點(diǎn)運行壓差維持在－55kPa左右，但為了保證系統的穩定，通常建議控制在－40kPa以?xún)冗\行。

從圖4還可以看出，當運行超過(guò)240d后，系統的運行跨膜壓差增大，且上升速率較快，在線(xiàn)化學(xué)清洗后較難恢復到－20kPa，分析原因主要是該段時(shí)間排泥少，污泥老化嚴重，且污泥濃度高達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?xún)?，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(cháng)一倍，堿洗后再采用質(zhì)量分數為2%的檸檬酸酸洗3～4h，以去除膜表面長(cháng)期積累的少量無(wú)機結垢污染物，雙重清洗后運行壓差可恢復到－20kPa左右。

2.2.2 膜運行注意事項

根據近一年對平板陶瓷膜污水處理設備在農村污水中的應用觀(guān)察，匯總整理了不同進(jìn)水特點(diǎn)下陶瓷膜系統運行的一些注意事項，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，可以不設置超細膜格柵，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，因此必須設置粗、細(5～10mm)兩道格柵以防止石塊、石子等硬質(zhì)物體進(jìn)入系統，在曝氣水流下撞擊膜片導致膜破裂。在進(jìn)水試運行前，也必須保證系統中無(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最有效的方法之一，在日常巡檢中，一定要注意觀(guān)察設備內膜組器的曝氣狀態(tài)，判斷膜組器曝氣是否均勻。曝氣強度小的組器，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)，最終將導致污泥板結硬化，甚至擠壓膜片至斷裂。當發(fā)現膜曝氣不均時(shí)，可通過(guò)調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、高效性還與曝氣強度、吹掃曝氣裝置的設計關(guān)系密切，建議采用開(kāi)放式曝氣結構，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工藝相比傳統工藝的一大優(yōu)勢，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，導致曝氣不均。而過(guò)低的污泥濃度除對水質(zhì)處理效果有不利影響外，也會(huì )引起膜污染加劇，影響膜系統穩定運行，在低污泥濃度下活性污泥難以形成菌膠團絮體，加之膜池吹掃曝氣強度較大，使得微生物更加松散，易堵塞孔徑約為100nm的微濾膜孔。根據經(jīng)驗值，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，其機理有待于進(jìn)一步研究。

④反沖周期與時(shí)間

本項目設計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(cháng)期低于1.5g/L時(shí)，此運行參數需要進(jìn)行適當調整。本項目中的站點(diǎn)C，一段時(shí)間內長(cháng)期進(jìn)水水質(zhì)濃度低，來(lái)水量也不穩定，平均負荷率僅為26.5%，導致污泥濃度很難增長(cháng)，僅有1g/L左右，然而其膜運行壓差卻依然很高，每次低濃度次氯酸鈉在線(xiàn)清洗后跨膜壓差會(huì )大幅下降，開(kāi)機產(chǎn)水后在短時(shí)間內迅速上升。為穩定運行，該站點(diǎn)調整為產(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，因此適當降低膜吹掃風(fēng)量以及提高運行壓差的上限值。一般陶瓷膜系統運行時(shí)設置的保護限值為－40kPa，在低濃度下可將其限值調整為－55kPa，以延長(cháng)在線(xiàn)清洗的周期。

2.3 運行成本分析

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

平板陶瓷膜MBR的能耗主要為膜吹掃風(fēng)機能耗，水量低時(shí)風(fēng)量不變，但噸水能耗相應增大。該情況下可通過(guò)調整設備啟停時(shí)間，用液位控制集中產(chǎn)水，降低系統電耗。因此在采用此類(lèi)設備處理農村污水時(shí)，一定要做好水量估算，同時(shí)調節池的設置不可或缺，并且其容積不能過(guò)小，以調節來(lái)水水量、水質(zhì)，使得在低水量時(shí)能暫停運行，集中產(chǎn)水，降低能耗。當然，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(cháng)，生物除磷能力較弱，需要輔助化學(xué)除磷使TP達標。同時(shí)由于泥齡長(cháng)，污泥濃度高，因此污泥產(chǎn)量較少，污泥處理費用較少。由于農村污水處理設備站點(diǎn)過(guò)于分散，若采用傳統工藝，污泥產(chǎn)量大，污泥處理處置極為麻煩。本項目采用移動(dòng)式疊螺機，根據MBR設備中的污泥濃度(通?！?/span>12g/L)對站點(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、結論

①該農村污水處理項目水質(zhì)、水量波動(dòng)大，各站點(diǎn)平均水量負荷率僅為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)的通量下運行時(shí)，其壓差平均上升速率為1kPa/d，可通過(guò)定期在線(xiàn)維護清洗恢復。

④采用陶瓷膜處理農村污水時(shí)，由于長(cháng)期無(wú)人值守，因此需注意做好預處理，嚴禁堅硬固體大量進(jìn)入;定期巡檢觀(guān)察膜吹掃曝氣的均勻性;建議半個(gè)月到一個(gè)月檢測一次污泥濃度，控制污泥濃度≤15g/L;對于進(jìn)水濃度低的項目，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，將跨膜保護壓差設置為－55kPa左右。

⑤陶瓷膜一體化設備處理常規農村污水的直接運行成本(電、藥、泥、維護)約為0.571元/m3。（來(lái)源：廣西碧清源環(huán)保投資有限公司，北京貝藍特環(huán)?？萍加邢薰荆?/span>