无锡市高新水务公司梅村污水处理厂位于无锡市新区梅村镇,厂区占地面积200亩(1亩≈667m²),污水处理总规模11万m³/d,一期采用SBR工艺,处理规模3万m³/d,二期和三期采用MBR工艺,处理规模8万m³/d,出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。其中二期3万m³/d系统采用ZeeWeed的MBR系统,于2009年1月投运,已连续稳定运行了7年多。本文将介绍该系统七年来的运行情况和经验。

　　 结合进水以生活污水和工业废水(电子行业为主)混合的水质特点,梅村二期MBR系统采用生物脱氮除磷(BNR)和化学除磷相结合的厌氧-缺氧-好氧(A²/O)生化系统设计,其中厌氧池(HRT1.6h)、缺氧池(HRT 3.3h)和好氧池(HRT 6h)分别占总生化池容积的15%、30%和55%。同时根据表1水质分析可知,虽然生化系统设计是按照可生化性差的污水来考虑的,但实际上从2013年以来进水BOD/COD维持在0.3~0.4,可生化性并不差。同时由于进水碳氮比低,在实际运行中采用了多点进水(厌氧区∶缺氧区=3∶1)方式,以减少外碳源的投加量甚至不外加碳源,来实现总氮的去除。

　　 7年来的运行数据表明,实际的进水浓度要低于设计值,MBR出水水质一直稳定达到GB 18912-2002的一级A要求,图1列出了2014~2015年的进出水水质数据。

　　 梅村二期采用ZeeWeed MBR系统,所选的ZeeWeed 500膜为加强支撑型PVDF中空纤维帘式膜,按4列膜池布置,每列膜池安装10个ZeeWeed500膜箱。

　　 ZeeWeed MBR膜7年来的日平均膜通量稳定维持在22~23LMH,处理流量能够稳定在3万m³/d的设计值,即使在1列膜池进行化学清洗时仍能满足设计负荷。图2显示了4列膜池在第5~7年的跨膜压差(TMP),可见运行5年后跨膜压差还能稳定在-10~-40kPa的设计范围内。图3为对应时间段经过温度修正后的膜透水率值:在20℃水温下ZeeWeed膜的透水率在0.5~1.5LMH/kPa。透水率表征了单位压力下的膜通量,即考虑了膜的污染状况和修正温度后的膜通量值,真实反映了膜的实际性能和“健康”状态。原预计梅村二期的膜寿命会在5年以上,参考ZeeWeed 500膜在其他工程案例中的经验(典型寿命会在8~10年),并根据目前透水率数据可预期这批膜在梅村还能再运行1年左右,可运行8年。

　　 MBR膜池的曝气擦洗十分重要,有效的擦洗可以将固体物质从膜表面冲刷下来。目前循环曝气方式已经广泛地应用于大中型城市污水处理MBR工程,在这种曝气模式下,鼓风机连续运行,通过气体转换阀使气流在不同管路间循环,从而实现循环曝气。由于每个膜箱中的膜元件一般连接在同一根气管上,因此空气得以循环。这种循环曝气方式在工艺上和经济上均优于连续曝气。在工艺上,连续曝气常导致膜元件内形成气流通路,只能彻底清洗组件的一部分。而通过循环曝气,剪切力和气流都变得不稳定,可以有效防止气流通路的形成。连续运行的曝气装置还易发生堵塞,而循环曝气可以对曝气装置进行有效地擦洗,显著地减轻了这一问题。目前循环曝气方式有两种,一种是10秒开/10秒关(简称10/10),另一种是10秒开/30秒关(简称10/30)。这可实现在较低能耗条件下提高膜的性能和使用寿命,同时降低了缺氧区的溶解氧(DO)浓度而提高了反硝化过程。

　　 循环擦洗阀的选择对膜擦洗能耗的影响至关重要,在系统运行前5年由于所选循环擦洗阀较难实现10/30和10/10的操作时间,膜擦洗自2012年6月开始一直处于70秒开/210秒关和70秒开/70秒关的运行模式而导致膜擦洗能耗远高于设计值,后来于2015年4月更换高性能气动隔膜阀同时考虑膜透水率水平而实现了10秒开/10秒关模式,从而大大降低了这部分能耗。

　　 清洗对于保证MBR系统的正常运行和稳定处理流量是至关重要的。梅村二期MBR厂设计的清洗系统包括全自动清洗过程,如停歇、反洗、维护性清洗和由操作人员启动的恢复性清洗。ZeeWeed膜组件设计为中空纤维式,就是希望系统具备多样性,适于不同方式,不同频率的自动清洗,并且能更好地适应水质波动。膜能够进行频繁清洗需要具备能够在一定流量和膜所能承受的压力下反洗,同时能够快捷地清洗,并且能够在清洗后迅速恢复运行,不需要“熟化”或形成过滤“凝胶”层。

　　 膜有两种化学清洗的方式,如表2所示,其中次氯酸钠是用于去除有机污堵和生物污堵,而柠檬酸是用于去除无机污堵:

　　 (1)维护性清洗:此类清洗持续时间较短,采用较低的化学药品浓度、清洗频率较高:200mg/L次氯酸钠每周2次,2 000mg/L柠檬酸每周1次。其目的在于保持膜的透水性和延长恢复性清洗周期。

　　 (2)恢复性清洗:此类清洗持续时间较长(但仍然相当短)、采用化学药品浓度较高,清洗频率较低:建议1 000 mg/L次氯酸钠每年2次,2 000 mg/L柠檬酸每年2次。其目的在于恢复膜的透水性。恢复性清洗是当产水过程中TMP达到最大预计值时启动的。

　　 在系统投运后,维护性清洗严格按照上述清洗频率进行,但恢复性清洗由于ZeeWeed膜的跨膜压差较低且增加缓慢(即膜污染十分缓慢),所以实际恢复性清洗会根据实际运行情况相应调整,详见表2。

　　 由于本MBR系统采用铁盐进行化学除磷,但进水磷浓度的波动较大(设计值5.6mg/L,实际1~5mg/L,平均值3.5 mg/L),所以会造成铁盐的过量投加而造成膜的铁污染,于是在2013年4月开始采用草酸替代柠檬酸进行恢复性化学清洗。但是2015年下半年以来,污水处理厂收纳的工业废水比例变化导致来水钙硬度大幅度提高(高达435mg/L,以CaCO₃计),这导致草酸清洗时会产生膜丝内部的二次结垢堵塞,即草酸和高浓度的钙离子会发生化学反应生成草酸钙结晶体。经过实验室分析研究,采用EDTA-2Na碱性条件清洗得以恢复了膜的性能,随后恢复性清洗改为柠檬酸加盐酸的方案。

　　 本文回顾了梅村二期MBR的系统设计,通过剖析关键的性能指示参数,包括出水水质、膜的透水率,分析了7年多的MBR运行效果和膜性能。根据收集到的运行数据和计算分析,可以得到以下结论:

　　 (1)MBR的出水水质全面达到并由于排放和回用标准,其中COD<30 mg/L、BOD<4 mg/L、NH₃-N<1mg/L、TN<15mg/L、TP<0.4mg/L和浊度<0.3NTU。

　　 (2)强化生物除磷和铁盐化学除磷可以获得稳定的出水TP水平,并通过合理化学清洗和铁盐剂量投加来控制膜的污染,这有利于降低化学除磷药剂和膜清洗药剂的消耗。

　　 (3)7年多的长期运行,4列膜池的平均膜透水率在3.0~0.5LMH/kPa,这表明7年间膜系统十分稳定。