隨著活性污泥生物處理技術的發(fā)展，MBR工藝因其占地小、出水水質好、泥濃度高、產(chǎn)泥量少等優(yōu)點而得以迅速發(fā)展并應用。膜組件作為MBR工藝的核心組成之一，按常用材料類型，可分為有機材料的PVDF中空纖維膜、平板膜和無機材質的納米平板陶瓷膜等。目前，MBR污水處理系統(tǒng)多數(shù)采用有機膜，有機膜MBR大規(guī)模應用已經(jīng)有10年多的時間。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工藝開始嶄露頭角。相比有機膜而言，陶瓷膜采用無機材料高溫燒制而成，具有化學穩(wěn)定性高、耐酸堿、壽命長等優(yōu)點。平板陶瓷膜在處理水質成分復雜或高濃度的工業(yè)廢水時優(yōu)勢較為顯著，而對于平板陶瓷膜在農村污水處理中的應用情況，現(xiàn)階段則鮮有報道。
通過對北京南部某區(qū)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、痛點，另一方面也根據(jù)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，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
該項目包括十多個農村污水處理站點，分散分布，每個站點均采用一體化陶瓷膜污水處理設備，重點介紹其中7套設計處理規(guī)模為500m3/d的設備運行情況。每個站點的工藝流程相同，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機陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而成的非對稱膜。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膜，其他大分子物質被膜截留，從而達到分離目的。
平板陶瓷膜主要參數(shù)見表1。
由于農村污水水質水量波動大，不同項目差別較大，因此部分運行參數(shù)波動范圍也較大。
該項目一體化設備的設計參數(shù)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
①水量波動
該項目中7個設計處理規(guī)模為500m3/d的站點實際平均處理水量約為198m3/d，平均水量負荷率僅有39.6%，各站點負荷率標準偏差為15%～20%。而其中也不乏部分來水量達到或超過站點設計水量，以及當日來水量極少的情況。這體現(xiàn)了農村污水處理站點的一個重要特點，即水量波動大。
分析原因主要有：農村人口流動性大、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。針對水量波動大的特點，設計時設有冗余量，在設備選型時留有一定的安全系數(shù)。此外，水量波動大帶來的另一個顯著問題就是水量負荷小時，噸水能耗顯著增加。
②水質波動
農村污水處理站點受雨水混入或企業(yè)、養(yǎng)殖戶排污影響，水質波動較大。對其中一個進水異常站點進行了連續(xù)一周不同時間點的進水水質檢測，結果如圖3所示。
該站點進水水質波動較大且普遍濃度較高，通過對該村污水來源進行排查分析后，發(fā)現(xiàn)該站點水質波動主要是其周邊存在小型作坊，間歇排水所致。同樣，也有部分站點來水污染物濃度較低，這些站點分為兩類:一類是明渠來水，存在雨水稀釋作用;另一類是村民在冬季為防止水管凍裂采取的長流水習慣所致，這兩類情況下進水濃度即可接近排放標準。進水濃度較高，以及進水中含難生物降解的有機物時，會導致出水難以達標，而低濃度又會導致污泥濃度難以為繼。
除水質的波動外，農村污水由于管網(wǎng)不完善，還帶來了冬季進水水溫低的嚴重問題，對于明渠來水的站點，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，水中基質間的傳遞變得緩慢，微生物生長繁殖迅速減緩，從而降低常規(guī)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(tǒng)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，低溫將會嚴重影響污水生物處理的效果，特別是會抑制系統(tǒng)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
選取進水水質及水量較為穩(wěn)定的一個站點進行一定頻次(出水每周2～3次，進水每月2～3次)的水質檢測，以了解采用陶瓷膜MBR一體化設備處理常規(guī)農村污水時的效果以及膜污染變化情況。
該站點來水主要為生活污水，部分時段有少量雨水混入，平均進水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，僅進行了幾次達標驗證，通過少量投加外碳源(乙酸鈉)，使得進水碳氮比(COD/TN)＞5即可保證出水TN達標。
來水為管道結合有蓋板渠道的形式，在冬季該點進水溫度能維持在8℃左右，設備內水溫在10℃左右，加之本系統(tǒng)的污泥濃度較高(＞10g/L)，且在30d以上的長污泥齡下，有助于系統(tǒng)馴化適應低溫的微生物，因此在此溫度下，系統(tǒng)出水水質仍能保持穩(wěn)定。出水TP通過化學除磷的方式去除，溫度對其影響較小。本項目中明渠進水水溫在4℃左右，出水氨氮基本未去除。
2.2.1 膜污染及其控制
該穩(wěn)定運行站點的膜污染情況如圖4所示。正常運行時通量為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。每隔半個月對膜系統(tǒng)進行一次在線維護清洗，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，通過重力形式藥液反向流入膜腔內部，浸泡4～6h。在線清洗后，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，部分站點運行壓差維持在－55kPa左右，但為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，通常建議控制在－40kPa以內運行。
從圖4還可以看出，當運行超過240d后，系統(tǒng)的運行跨膜壓差增大，且上升速率較快，在線化學清洗后較難恢復到－20kPa，分析原因主要是該段時間排泥少，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，使得膜污染加劇。此時采取的措施是降低污泥濃度至10g/L以內，并進行一次高濃度的化學清洗，將次氯酸鈉濃度提高至2000mg/L，同時將浸泡時間延長一倍，堿洗后再采用質量分數(shù)為2%的檸檬酸酸洗3～4h，以去除膜表面長期積累的少量無機結垢污染物，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(jù)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察，匯總整理了不同進水特點下陶瓷膜系統(tǒng)運行的一些注意事項，主要包括以下幾個方面:
①進水硬質物攔截
平板陶瓷膜由于其平板膜的特性，不會發(fā)生毛發(fā)纖維纏繞等問題，可以不設置超細膜格柵，但由于平板陶瓷膜屬于硬質材料，不能承受硬質物體的不斷撞擊。而農村污水普遍存在雨污合流的問題，進水中經(jīng)常會混入石塊、石子等硬質物體，因此必須設置粗、細(5～10mm)兩道格柵以防止石塊、石子等硬質物體進入系統(tǒng)，在曝氣水流下撞擊膜片導致膜破裂。在進水試運行前，也必須保證系統(tǒng)中無施工期殘留的硬質物體。
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(xiàn)膜曝氣不均時，可通過調整不同膜組器的曝氣閥門，通過憋氣的形式，將堵塞的曝氣裝置進行大氣量沖擦。若是由于底部淤泥過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系密切，建議采用開放式曝氣結構，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(tǒng)工藝的一大優(yōu)勢，然而過高的污泥濃度也會帶來一些不利的影響。一方面，污泥老化分泌較多的胞外聚合物會污堵膜面，使得膜污染加劇;另一方面，過高的污泥濃度可能會堵塞曝氣系統(tǒng)，導致曝氣不均。而過低的污泥濃度除對水質處理效果有不利影響外，也會引起膜污染加劇，影響膜系統(tǒng)穩(wěn)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(jù)經(jīng)驗值，建議控制污泥濃度不超過15g/L，最佳范圍可保持在8～12g/L，其機理有待于進一步研究。
④反沖周期與時間
本項目設計的陶瓷膜反沖洗頻次是產(chǎn)水9min，反沖1min，但在進水污染物濃度低、污泥濃度長期低于1.5g/L時，此運行參數(shù)需要進行適當調整。本項目中的站點C，一段時間內長期進水水質濃度低，來水量也不穩(wěn)定，平均負荷率僅為26.5%，導致污泥濃度很難增長，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清洗后跨膜壓差會大幅下降，開機產(chǎn)水后在短時間內迅速上升。為穩(wěn)定運行，該站點調整為產(chǎn)水6min、反沖洗0.5min。此外，由于低污泥濃度下不會發(fā)生積泥問題，因此適當降低膜吹掃風量以及提高運行壓差的上限值。一般陶瓷膜系統(tǒng)運行時設置的保護限值為－40kPa，在低濃度下可將其限值調整為－55kPa，以延長在線清洗的周期。
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(除磷和膜化學清洗)、常規(guī)設備維護維修費以及污泥處理費。以上述水質水量較為穩(wěn)定的站點為例，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，電耗高達0.65kW•h/m3。
平板陶瓷膜MBR的能耗主要為膜吹掃風機能耗，水量低時風量不變，但噸水能耗相應增大。該情況下可通過調整設備啟停時間，用液位控制集中產(chǎn)水，降低系統(tǒng)電耗。因此在采用此類設備處理農村污水時，一定要做好水量估算，同時調節(jié)池的設置不可或缺，并且其容積不能過小，以調節(jié)來水水量、水質，使得在低水量時能暫停運行，集中產(chǎn)水，降低能耗。當然，關于膜工藝的能耗，還需要通過開發(fā)新的吹掃裝置、新型抗污染膜材料等來進一步優(yōu)化。
MBR工藝由于泥齡長，生物除磷能力較弱，需要輔助化學除磷使TP達標。同時由于泥齡長，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過于分散，若采用傳統(tǒng)工藝，污泥產(chǎn)量大，污泥處理處置極為麻煩。本項目采用移動式疊螺機，根據(jù)MBR設備中的污泥濃度(通常≥12g/L)對站點污泥進行脫水，部分進水水質較低或間歇水量少的站點，排泥時間會超過3個月。
3、結論
①該農村污水處理項目水質、水量波動大，各站點平均水量負荷率僅為39.6%，明渠來水的站點冬季水溫＜4℃。
②陶瓷膜MBR出水水質較好，平均進水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，其壓差平均上升速率為1kPa/d，可通過定期在線維護清洗恢復。
④采用陶瓷膜處理農村污水時，由于長期無人值守，因此需注意做好預處理，嚴禁堅硬固體大量進入;定期巡檢觀察膜吹掃曝氣的均勻性;建議半個月到一個月檢測一次污泥濃度，控制污泥濃度≤15g/L;對于進水濃度低的項目，污泥濃度≤1g/L時，可增大反沖洗頻次且同步減少反沖洗時間，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(guī)農村污水的直接運行成本(電、藥、泥、維護)約為0.571元/m3。（來源：廣西碧清源環(huán)保投資有限公司，北京貝藍特環(huán)保科技有限公司）
