三种MBR工艺深度水处理比较研究

秦 蔚，李云桢，王 维，刘 彦

(1.四川大学建筑与环境学院，成都 610065；2.四川省环境保护科学研究院，成都 610041)

1 引 言

2016年，四川省发布的《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB51/ 2311—2016)，进一步提高了对污水处理出水水质要求，普通生物法脱氮除磷工艺已经很难达到日益严格的排放标准[1]。膜生物反应器(MBR)工艺分离效果好、出水稳定、处理效率高、设备紧凑、占地面积少、操作简便且易实现自动控制，被广泛地运用在市政和工业废水处理中[2～4]。

大中型再生水处理MBR工程采用的膜组件结构形式多样，主要有中空纤维帘式、平板式、管式等几大类，而且其应用也各具特点，这对在实际工程应用中膜组件的选购带来一定困难[5]。因此，本文采用平板膜、中空纤维膜和碟片式膜3种MBR膜工艺系统对污水处理厂尾水进行处理，对比研究3种工艺对废水中主要污染物的去除效果以及成本分析，为城市污水处理厂处理系统的升级改造、强化污水处理系统污染物去除效率提供技术参考数据支持。

2 实验材料及方法

2.1 实验用水

试验工作在某乡镇污水处理厂开展。该厂治污工艺采用改进型CASS工艺，工艺流程是通过城镇排污管道及渠道收集的污水，经格栅和沉砂池将污水中的杂质、砂砾及大块悬浮物及大分子物质快速分离或降解，以降低后续的污染负荷，出水经调节池调节水质水量后进入改进型CASS池，处理后过消毒池达一级A标排放。试验用水取自该污水处理厂消毒池出水。试验期间原水水质如表1所示。

表1 试验原水水质Tab.1 Quality of raw wastewater (mg/L)

2.2 MBR装置

污水处理厂尾水分别进入碟片式膜分离单元、中空纤维膜分离单元和平板膜分离单元，在出水泵负压作用下，水从膜外侧透过滤膜，污泥被隔离在膜外侧，实现泥水分离。中试工艺流程见图1。膜分离单元设计参数如表2所示。

1.进水泵；2.进水池；3.碟片式膜膜箱；4.碟片式膜膜组件；5.鼓风机；6.出水泵；7.出水池；8.中空纤维膜膜箱；9.中空纤维膜膜组件；10.平板膜膜箱；11.平板膜膜组件图1 膜分离中试工艺示意图Fig.1 Schematic of MBR separation process pilot test

参数碟片式膜分离单元中空纤维膜分离单元平板膜分离单元日处理量(m3/d)200.365有效膜面积(m2)50110膜片材质聚偏氟乙烯(PVDF)聚偏氟乙烯(PVDF)聚偏氟乙烯(PVDF)膜片形状圆形丝状长方形膜孔径(um)0.030.2<0.1

2.3 监测指标和分析方法

3 实验结果与讨论

3.1 COD去除效果分析

企业现有污水处理厂以及三种膜工艺系统出水中COD 浓度变化见图2所示。

由图2可知系统运行期间，进水COD 浓度为9.4～44.1 mg/L，平均浓度为31.2 mg/L，经过处理后，平板膜系统、中空纤维膜系统和碟片式膜系统工艺出水COD 浓度范围分别为5.6～20.5mg/L、5.6～19.8mg/L和5.0～17mg/L，平均浓度为10.7mg/L 、11.7 mg/L和9.7mg/L，处理后出水COD 浓度大幅度降低，达到《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB51/ 2311—2016)限值要求。从图3中可以看出，3种膜设备对污水中的COD的总去除率基本相同，基本保持在50%及

图2 COD处理效果对比分析Fig.2 Comparison of COD treatment effects

以上，大部分时间处在60%～70%及以上，其中碟片式膜系统出水的去除率略高于其他两种膜系统。使用统计学方法对3种膜系统的去除率进行检验，通过Friedman检验得到卡方值为14.625，p值为0.001，即3种膜系统对COD的去除率之间的差异具有显著性。3种膜系统处理后COD均大幅度降低，原因是MBR工艺增加了废水处理系统中的生物量和种类，提高生化反应速度和程度，促进有机物降解。此外，MBR膜组件能够将悬浮物以及大分子物质进行截留，并随着MBR 反应器中微生物生长，膜表面形成的凝胶层还可以对部分小分子有机物(分子量小于3 000)进行有效截留[6]。因此，MBR 工艺能够在强化生物降解的基础上，利用膜组件过滤截留的物理特性，进一步保障系统出水质量，表现出优异的有机物去除能力[7]。

图3 COD去除率对比分析Fig.3 Comparison of removal efficiency of COD

图处理效果对比分析Fig.4 Comparison of treatment effects

3.3 总磷去除效果分析

由图5可知系统运行期间，进水总磷(TP)浓度0.46～2.91 mg/L，平均浓度2.17 mg/L，经过处理后，平板膜系统、中空纤维膜系统和碟片式膜系统出水总磷浓度范围分别0.13～2.80mg/L、0.08～2.23mg/L和0.11～2.50mg/L，平均浓度1.72 mg/L 、1.63 mg/L和1.61mg/L，实验结果表明MBR对TP的去除效果不明显，3种膜设备的去除率几乎一样，去除的一部分TP完全依靠膜的截留作用[9]。

图5 TP处理效果对比分析Fig.5 Comparison of TP treatment effects

由于对总磷的去除效果较差，不能达到标准限值，后期采用化学除磷的方式，分别向3台设备投加除磷剂PAC，图6为加药前后TP的对比，数据表明加药后TP去除的效果比较明显，能达到《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB51/ 2311-2016)限值。分析结果表明，加药后平板膜系统、中空纤维膜系统和碟片式膜系统的平均去除率为70%、42%、77%，平板膜系统和碟片式膜系统除磷效果优于中空纤维膜系统，这可能是由于化学除磷后膜本身对胶体形态磷有一定的截留作用，而平板膜系统和碟片式膜系统中膜组件的膜孔径较中空纤维膜系统更小，具有更好的截留作用。

图6 TP加药前后去除对比Fig.6 Comparison of TP removal before and after dosing

4 结 论

城镇污水厂升标改造是一个系统而复杂的工程，MBR工艺运行效果的研究仍然需要进一步完善和加强，未来污水厂在升标改造时可将现有处理工艺与MBR技术整体考虑，合理分配整个污水处理系统进水碳源、生化段各单位停留时间，同时考虑生物、化学协同除磷，强化污水处理系统污染物去除效率。