城市污水膜生物反應器處理工程中膜壽命預測

許穎，雷霆，孫劍宇，夏俊林，薛濤，俞開昌，關晶，陳亦力，黃霞

（清華大學環(huán)境學院環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室；清華大學（環(huán)境學院）-北京碧水源科技股份有限公司環(huán)境膜技術(shù)研發(fā)中心，北京 100084）

摘要：通過分析3座大型城市污水膜生物反應器（MBR）處理工程（>10000 m³/d）的長期運行情況（>3年）及NaClO離線清洗效果，試圖建立兩種方法對膜壽命進行預測，即基于實際平均比通量下降趨勢的膜壽命預測（T_life-1）和基于離線清洗前后膜滲透性恢復情況的膜壽命預測（T_life-2）。結(jié)果顯示，對于同一座MBR工程，T_life-2略大于T_life-1，但當膜運行時間達到T_life-1時，實際產(chǎn)水量已無法達到要求，因此T_life-1更具有實際工程意義。另外，對其中1座MBR工程平均比通量和累積化學清洗強度的關系進行分析，結(jié)果表明化學清洗是膜壽命的重要影響因素，發(fā)現(xiàn)可能存在最大化學清洗強度，預示膜壽命終結(jié)，有助于膜清洗方案的優(yōu)化。

1 膜壽命定義

膜壽命一般定義為從開始使用到由于膜性能下降、破損、膜框架以及設備老化等原因引起的MBR工藝無法穩(wěn)定運行（比如出水水質(zhì)、產(chǎn)水量等無法達到設計要求）或能耗和成本超過設計預期時的運行時間。

2 MBR工程概況及數(shù)據(jù)分析方法

2.1 工程概況

選擇3座處理城市污水的大型MBR工程進行調(diào)查。建設時間最早的A廠是在已有二級生物處理出水之后增設的MBR工程，于2006年開始運行，至2012年對膜進行部分更換，運行6年以上。B和C廠均為與厭氧/缺氧生物脫氮除磷耦合的MBR工程，運行時間分別為4年和5年。3個MBR工程的基本信息如表1所示，均采用A廠家提供的聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維膜組件，膜孔徑為0.4mm。

表1 MBR工程的基本信息

2.2 化學清洗方案的調(diào)查

對C工程的化學清洗方案進行調(diào)查，包括在線清洗和離線清洗所使用的堿洗劑NaClO的濃度、清洗頻率以及清洗時間，如表2所示。在線清洗頻率以季度為單位進行次數(shù)求和，離線清洗頻率以年為單位進行次數(shù)求和，清洗劑濃度和清洗時間均為單次清洗數(shù)據(jù)。

表2 C工程化學清洗方案

2.3 清洗強度的確定

參考消毒工藝中的濃積時（CT值）的概念，將在單位膜面積上，與膜接觸的清洗劑濃度與接觸時間的乘積定義為清洗強度。

2.4 膜壽命預測方法

基于實際平均比通量下降趨勢的膜壽命預測（T_life-1）：在MBR工程實際運行過程中，根據(jù)運行經(jīng)驗，當平均比通量長期過低，無法達到產(chǎn)水量要求時，認為此時膜已達到使用壽命，需要更換，該方法預測的膜壽命用T_life-1表示。

基于膜滲透性恢復情況的膜壽命預測（T_life-2）：隨著MBR的運行，膜污染逐漸增加，離線清洗為去除膜污染、恢復滲透性的主要手段。當離線清洗前后比通量沒有變化時，說明清洗已無法恢復膜的滲透性，認為此時為膜壽命的終結(jié)，該方法預測的膜壽命用T_life-2表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 膜壽命預測

3.1.1 T_life-1

圖1為3座MBR工程季度平均比通量隨單位膜面積累積產(chǎn)水量的變化情況�？梢姡�3座污水處理廠的季度平均比通量都隨單位膜面積累積產(chǎn)水量的增加而下降。A共運行6年，單位膜面積累積產(chǎn)水量達到1350 m³/m²，B和C工程運行時間分別為4年和5年，單位膜面積累積產(chǎn)水量相近，均在500~600m³/m²之間。

圖1.3 各MBR工程季度平均比通量隨單位膜面積累積產(chǎn)水量的變化趨勢

根據(jù)MBR工程的實際運行經(jīng)驗，認為當平均比通量降低至0.2 L/（m²·h·kPa）時，MBR工程難以維持穩(wěn)定運行，因此可以粗略地認為膜已達到使用壽命。根據(jù)這一預測標準和擬合方程，估算出3座MBR工程膜壽命終結(jié)時的單位膜面積累積產(chǎn)水量。再根據(jù)各工程的產(chǎn)水量和膜面積，預測得到設計產(chǎn)水規(guī)模及實際產(chǎn)水規(guī)模下的膜壽命如表3所示。

表3.3 各MBR工程季度平均比通量變化趨勢的回歸方程以及膜壽命預測結(jié)果

3.1.2 T_life-2

在MBR運行過程中，一般情況下離線清洗前比通量降到最低點，離線清洗后膜的滲透性能得到恢復，比通量達到最高點。分別對比通量的最高點和最低點進行擬合，得到回歸方程，認為當兩條曲線相交時離線清洗已經(jīng)無法對膜滲透性能進行恢復，交點的單位膜面積累積產(chǎn)水量即為膜壽命終結(jié)時的總產(chǎn)水量，進而預測出膜壽命T_life-2。，各工程清洗后的比通量下降趨勢明顯，說明隨著工程運行時間增長，不可恢復污染逐漸增加；而清洗前的比通量略微下降，兩條曲線有明顯相交的趨勢，據(jù)此可得到各工程比通量無法恢復時的累積產(chǎn)水量以及在設計和實際產(chǎn)水規(guī)模下的T_life-2，見表4。

表4 各MBR工程離線化學清洗后比通量無法恢復時的累積產(chǎn)水量

及膜壽命預測結(jié)果（T_life-2）

3.1.3 兩種膜壽命預測方法的比較

對于同一座MBR工程，T_life-1小于T_life-2，差距在2年左右。這是由于在膜的使用過程中，產(chǎn)生的不可逆污染不斷累積，雖然經(jīng)離線清洗還能夠在一定程度上恢復膜的滲透性能，但清洗后恢復的比通量已處于較低的水平，需要增加清洗頻率來維持通量，但實際平均產(chǎn)水量已經(jīng)無法達到工程的設計要求，因此，T_life-1低于T_life-2，但更具有實際工程意義。對于不同的工程，采用同一方法預測得到的膜壽命結(jié)果基本一致，差距小于1年。然而，即使使用同一廠家提供的膜，對于不同的工程，預測得到的膜壽命仍略有差別。這主要是因為除膜材料以外，膜壽命還與進水水質(zhì)不同造成的膜污染程度和污染類型的差異以及不同清洗方案引起的清洗效果的差異等有關。其中，A工程在實際產(chǎn)水規(guī)模下預測得到的膜壽命最長，這可能與A廠是在已有二級生物處理出水之后增設的MBR工程，相比較B和C工程，進水水質(zhì)較好，運行過程中膜污染程度較低有關。

3.2 清洗強度對膜滲透性能的影響

圖2表示C工程的季度平均比通量與NaClO累積清洗強度的關系�？梢姡�隨著累積清洗強度的持續(xù)增大，季度平均比通量不斷下降。這表明，雖然在實際工程中影響膜壽命的因素有很多，但膜壽命與累積化學清洗強度之間存在一定的相關性。如果累積清洗強度不斷增加，至平均比通量下降到無法穩(wěn)定運行時，可以認為膜壽命終結(jié)。認為此時的累積清洗強度為膜所能承受的最大值。從圖2的結(jié)果來看，所調(diào)研的C程尚未達到該最大值。

圖2 C工程季度平均比通量與累積清洗強度的關系

4 結(jié)論

兩種預測方法在實際工程中均具有一定的合理性，但T_life-1更具實際工程意義。然而，膜壽命的影響因素眾多，其預測方法尚需進一步完善。

膜的滲透性隨累積清洗強度增大有明顯下降的趨勢，可能存在最大累積清洗強度，可作為膜壽命終結(jié)的另一重要依據(jù)，并對清洗方案的優(yōu)化有實用意義。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第5期“論述與研究”欄目）

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