设计案例 | 某污水处理厂MBR膜系统改造与运行管理

Part 1 项目背景

某污水处理厂设计处理规模10万 m³/d，主要工艺采用AAO+MBR，尾水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A出水排放标准(GB 18919—2002)。MBR膜系统自2013年开始运行，采用孔径为0.1 μm的浸没式聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维超滤膜组件。由于膜使用年限已达设计年限，出现膜通量的正常衰减以及部分膜丝断裂、脱落现象，膜通量降低，产能下降，膜系统产能不足，无法保证污水处理厂10万 t/d产水能力。另外，随着城市进一步发展以及环保督察、黑臭水体治理要求，周边污水处理的需求增加。因此，为满足生产要求、社会需求，亟需对MBR膜系统进行改造，提升其产量。本次改造工程对象为单组规模为5万t/d的膜系统及配套设备。

Part 2 污水处理厂概况

2.1 工艺流程

该厂污水处理工艺流程如图1所示。一级处理采用粗格栅、细格栅、曝气沉砂池、膜格栅，主要处理管网来水中的生活垃圾、无机物，为保护后续MBR膜系统，特设置间距为1 mm的膜格栅。二级处理主要采用AAO+MBR工艺，为增加脱氮除磷效果，特在好氧池后设置预缺氧池，同时在好氧池增设化学除磷，作为强化除磷或应急措施。尾水采用紫外线消毒工艺处理达标后排放就近内港。污泥处理采用物理浓缩+板框深度脱水工艺，脱水至含水率为50%～60%后外运处置。

2.2 设计进水及出水水质

该厂设计出水水质为国家一级A排放标准，进出水水质指标如表1所示。由于该厂在南方地区，进水包括一定的雨水量，进水浓度难以达到设计值。因此，生化处理工段的脱氮除磷效果将是运行重点，而出水总磷、总氮指标达标为运行控制难点。

Part 3 MBR膜系统运行现状及存在的问题

3.1 MBR膜系统设备状况

(1)MBR膜池与设备间(一体化构筑物内)

MBR膜池上接AAO池，下联紫外消毒池。MBR膜池为钢筋砼地下式矩形池，共2组，每组11格，每格8个膜箱，共176套膜组件。采用PVDF 材质帘式膜，孔径<0.1 μm，每套膜组件64片膜，每片膜面积为25 m2，共计约281 600 m2。

MBR膜区由22组独立控制产水单元组成，水力流程上又分为两套独立系统运行，便于检修。膜组件可实现在线、离线清洗。膜设备间有膜系统配套设备，包括产水泵、真空泵、反洗泵、污泥泵及各类管路系统；膜擦洗鼓风机为空气悬浮离心鼓风机，共4台，3用1备，单台参数：Q=208 Nm3/min，P=50 kPa。

(2)膜清洗加药间

膜清洗加药间设置在膜产水车间的上部。膜清洗加药间加药系统为MBR生化系统配套，设置3个储药罐，分别储备酸、碱和NaClO这3种药剂。

(3)MBR运行方式

膜池运行周期为产水8 min、停产水空曝2 min；单个膜池CEB(在线清洗)时间为1 h，即CEB流程：药洗10 min→停15 min→药洗5 min→清水洗8 min→停17 min；离线清洗：1周清洗1个膜池。

3.2 MBR膜系统存在的问题及原因分析

目前，MBR膜系统存在膜通量降低、产能下降、部分膜丝断裂及脱落、部分膜丝污堵严重[1]、清洗频次及强度增加[2]等问题。经讨论，主要原因如下。

(1)膜使用年限已达设计年限，出现膜性能的正常衰减，导致膜通量下降、产能下降[3]。

(2)人工清洗频次和强度过大，导致清洗过程中部分膜丝断丝以及脱落现象，有效膜面积减少，同时对出水水质带来一定影响[4]。

(3)受运行时长和进水水质的影响，部分膜丝逐渐出现不可逆的污堵现象、跨膜压差增大，较难通过清洗的方式来恢复通量，导致通量下降。

(4)随着清洗的频次和强度增加，膜系统有效运行时间降低，进一步导致产能下降[5]。

(5)前期维护运行中，存在着一些操作维护、运行管理不到位、清洗方式不合适等现象，加剧了膜丝性能的衰减。

Part 4 解决方案

4.1 总体思路

由于外部环境形式严峻，考虑到现场实际运行情况，在不大规模停产、减产情况下，保持现有膜箱尺寸不变，对膜箱内部结构进行调整，同时更换更高性能和通量、过滤孔径<0.1 μm的浸没式超滤MBR膜组件，并对运行管理方式进行优化，以保证膜系统的产水量。

4.2 设计计算

(1)现状膜通量

现状单格膜池内有8套膜箱，单个膜箱的膜面积为1 600 m2，单格膜池内膜面积为12 800 m2。现状膜的通量为7.8～15.6 L/(m2·h)。

(2)计算条件参数选取

更换后运行方式仍按开8停2，单侧膜池共11组，单侧规模为5万m3/d；为满足清洗要求，假定每天有1组膜池进行离线清洗或其它工况无法运行；每天有1组膜池需要进行1 h的在线清洗；本次更新后，在膜箱结构不改变的情况下，单侧膜池膜系统总面积至少为140 800 m2，单组膜池膜面积为12 800 m2。经计算，本次更新所需膜的通量为13.6～22.7 L/(m2·h)[6]。

为保证本次更新后膜系统产水量，膜系统必须满足表2要求。

表2膜系统参数

Tab.2 Parameters of Membrane System

4.3 改造总体方案

本次改造方案由于受到投资成本及时间因素的限制，在不改变膜池和膜架结构下，主要通过更换更高性能和通量的膜来实现，并同步更新相关配套设备。

通过本次系统更新，单组膜系统产水规模达到5万m³/d。

本次更新在维持原有膜架尺寸、集水管路、曝气管路现状的基础上进行。

本次更新后，单组膜系统的膜面积应≥140 800 m2，产水期间平均膜通量≥18.2 L/(㎡·h)，最大膜通量应≥22.7 L/(㎡·h)，最小膜通量应≥13.6 L/(㎡·h)。

采用孔径<0.1 μm的浸没式聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维超滤膜组件。

膜的使用寿命应≥5年，三年内最大膜通量折减系数≥0.9，五年最大膜通量折减系数≥0.85，5年内膜的破损率≥0.5%。

单格膜系统清洗前产水量(即运行最小产水量)应大于等于最大运行产水量的60%；

根据膜系统更新需要，同步校核、更新配套设备，如产水泵、真空泵等。

Part 5 投资估算

单边膜池(5万 t/d)膜系统更新，主要包括膜丝更换以及配套设施匹配更新，新旧系统统一兼容等。设备单价按目前市场价计算，以后应按实际定货价进行调整。工程总投资为2 200.07 万元，其中建安工程费为2 063.23 万元。

Part 6 改造后运行效果及运行优化

在项目完工后组织进行系统调试，经过一段时间调试运行，改造后的单组系统，最大产能达到6.0万 m³/d，平均产能达5.2万 m3/d，满足设计要求。

针对改造前运行过程中存在的膜丝膜丝断丝、脱落；部分膜丝污堵严重，清洗频次及强度大等问题，结合运行经验，优化运行维护操作。

(1)优化膜系统的清洗维护方式，采取清水反洗和在线加药反洗组合方式，调整反洗加药浓度至300 mg/L。

(2)优化清洗步骤[5]：改变原有的清洗步骤及时长，清水反洗1次/d，时间为2 min；在线加药反洗(CEB)：停止产水→进药15 min→曝气浸泡15 min→进药15 min→清水反洗10 min→曝气浸泡15 min→恢复产水。

(3)通过合理调节清洗频次、增加自动清洗等方式，尽量减少人工清洗频次，避免造成膜丝断裂。

(4)根据膜丝运行情况，及时观察膜丝鼓风擦洗效果，定期调整风量大小，减少膜丝内部积泥现象。

(5)强化前期预处理效果，避免杂物进入后续工段，造成对膜丝缠绕、板结等现象。

Part 7 结语

(1)该厂根据自身特点，采取不增加膜箱尺寸、不改变原有土建结构为前提，通过增加膜的总过滤面积、提升膜的结构性能和总体通量，成功实现产能的提升、满足了生产和社会环境发展的需求。

(2)在设备改造完成后，通过调试，测算出最大产能；同时结合之前运行管理经验，针对存在的问题，总结出符合自身实际情况的一套膜清洗方式、清洗步骤、清洗频率等，进一步优化运行维护措施，确保膜系统运行安全、稳定,有效避免因运行维护管理工作对膜系统造成的不可逆污堵和产能的损失。

(3)MBR膜技术由于占地小、出水水质稳定、脱氮除磷效果好，在污水处理行业有着广泛的需求，但由于其运行管理要求相对较高，一直制约着膜技术在污水处理领域的推广应用。该污水厂膜系统的成功改造案例及优化后的运行维护管理经验，可为其他城市污水厂膜系统的改造、优化运行提供借鉴意义。