超濾膜在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

收稿日期：2024-03-26

作者簡(jiǎn)介：文遠(yuǎn)志（1981—），男，四川南充人，工程師。研究方向：水處理工程、膜工藝工程。

摘要：有機(jī)廢棄物經(jīng)厭氧消化可生產(chǎn)沼氣，但會(huì)產(chǎn)生有機(jī)廢水，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高。作為均質(zhì)膜，超濾膜可用于處理有機(jī)廢水。以沂南縣有機(jī)廢棄物綜合利用項(xiàng)目為例，結(jié)合工藝流程，分析生化處理系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀和膜工藝段設(shè)計(jì)參數(shù)，從而利用超濾膜處理有機(jī)廢水，消除環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：超濾膜；有機(jī)廢水；生化處理；膜工藝

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.053

Application of Ultrafiltration Membrane in Organic Wastewater Treatment

WEN Yuanzhi

（Sichuan Senohang Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Mianyang 621000， China）

Abstract： Organic waste can be anaerobic digested to produce biogas， but it produces organic wastewater， which poses high environmental risks. As a homogeneous membrane， ultrafiltration membrane can be used to treat organic wastewater. Taking the comprehensive utilization project of organic waste in Yinan county as an example， combined with the process flow， the operating status of the biochemical treatment system and the design parameters of the membrane process section are analyzed， in order to use ultrafiltration membrane to treat organic wastewater and eliminate environmental risks.

Keywords： ultrafiltration membrane; organic wastewater; biochemical treatment; membrane process

超濾技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但是超大型沼氣工程末端采用超濾膜處理廢水的案例很少。沂南縣有機(jī)廢棄物綜合利用項(xiàng)目采用超濾膜處理尾水，膜系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整，處理后出水實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

1 項(xiàng)目工藝流程

沂南縣有機(jī)廢棄物綜合利用項(xiàng)目占地面積超過20 000 m2，采用沼氣罐厭氧+兩級(jí)厭氧+兩級(jí)好氧+膜生物反應(yīng)器處理工藝，如圖1所示。設(shè)計(jì)廢水處理能力為870 m3/d，其中450 m3回用，420 m3回灌于氧化塘或農(nóng)田。產(chǎn)水水質(zhì)執(zhí)行《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2021）的旱作標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)節(jié)池進(jìn)水是厭氧塔出料經(jīng)板框壓濾機(jī)處理后的水；排水是消毒殺菌后的清水池出水；回用水是二級(jí)缺氧池后的緩沖水池回用管取水。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、五日生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand after 5 days，BOD5）、懸浮物（Suspended Substance，SS）、氨氮（NH3-N）、總磷（Total Phosphorus，TP）、pH、糞大腸菌群和蛔蟲卵。

2 生化處理系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

該項(xiàng)目屬于超大型沼氣工程，進(jìn)水為壓濾液，COD與氨氮含量偏高，進(jìn)水量波動(dòng)很大，在設(shè)計(jì)生化系統(tǒng)時(shí)，必須充分考慮水質(zhì)和水量波動(dòng)。有機(jī)廢棄物收集后送至配料車間，采用回用水進(jìn)行洗脫。洗脫水收集后提升到沼氣厭氧塔進(jìn)行發(fā)酵，溫度一般保持在30～40 ℃。厭氧塔產(chǎn)生的沼氣送至脫硫塔進(jìn)行脫硫，脫硫后的沼氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐進(jìn)行儲(chǔ)存?，F(xiàn)場(chǎng)配備2臺(tái)沼氣發(fā)電機(jī)組，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的脫硫沼氣燃燒后進(jìn)行發(fā)電。厭氧塔排出的混合液經(jīng)提升泵提升到板框壓濾機(jī)，使固液分離，固相經(jīng)輸送帶輸送到堆肥車間，液相流到調(diào)節(jié)池。板框壓濾機(jī)出水在調(diào)節(jié)池中混合，每日檢測(cè)調(diào)節(jié)池進(jìn)水，以確保水質(zhì)合乎設(shè)計(jì)要求。如果水質(zhì)高于設(shè)計(jì)值，利用末端產(chǎn)水稀釋到設(shè)計(jì)值以下，為生化處理做好準(zhǔn)備。經(jīng)測(cè)定，二級(jí)好氧池混合液懸浮固體濃度（Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS）為8 500 mg/L，溶解氧含量為3.5 mg/L，溫度為22 ℃。生化處理系統(tǒng)各工藝段的水質(zhì)參數(shù)如表2所示。監(jiān)測(cè)日期分別為2023年3月24日和3月26日。

生化處理系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)試后，調(diào)節(jié)池進(jìn)水逐步送入生化處理系統(tǒng)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)進(jìn)水量。設(shè)計(jì)進(jìn)水COD不超過6 000 mg/L，氨氮含量不超過2 000 mg/L，但是各工藝段的實(shí)際進(jìn)水COD和氨氮均大大超過設(shè)計(jì)值，COD最高達(dá)到8 600 mg/L，氨氮含量最高達(dá)到4 200 mg/L。進(jìn)水水質(zhì)偏高，但是生化處理系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)控制較好，二級(jí)厭氧處理后回用水指標(biāo)完全符合要求。根據(jù)設(shè)計(jì)，如果進(jìn)水水質(zhì)偏高，采用末端產(chǎn)水對(duì)進(jìn)水進(jìn)行稀釋。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，即使進(jìn)水水質(zhì)偏高，生化處理系統(tǒng)仍然能正常運(yùn)行，各工藝段水質(zhì)都達(dá)標(biāo)，可能得益于良好的設(shè)計(jì)。

3 膜工藝段設(shè)計(jì)參數(shù)

超濾膜抗化學(xué)及物理破壞能力強(qiáng)，膜組件的抗氧化性、抗紫外線輻射性、耐酸堿性和化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，使其廣泛適應(yīng)各種污水。作為均質(zhì)膜，超濾膜的氣水比和能耗超低，伸長(zhǎng)率較大，柔軟性好，抗疲勞能力強(qiáng)，膜絲擺動(dòng)阻力小，因此較小的吹掃氣量能使膜絲達(dá)到很好的氣水混合清洗效果。膜絲永久性親水改造帶來高通量產(chǎn)水、低通量衰減。永久親水性改造后，抗污染能力強(qiáng)，跨膜壓力小，能較長(zhǎng)時(shí)間保持較低的產(chǎn)水工作壓力。同時(shí)，跨膜壓差增長(zhǎng)緩慢，產(chǎn)水通量衰減緩慢，保證產(chǎn)水量的長(zhǎng)期穩(wěn)定。超濾膜耐化學(xué)清洗能力強(qiáng)，保證膜的性能恢復(fù)。膜組件工作一段時(shí)間后總會(huì)出現(xiàn)各種污染，是否能通過化學(xué)清洗恢復(fù)膜絲性能尤為重要。膜絲為均質(zhì)膜，化學(xué)性能優(yōu)良，能適應(yīng)多種化學(xué)藥劑的清洗，以恢復(fù)性能。超濾膜裝填密度高，膜系統(tǒng)占地面積小，同時(shí)節(jié)省膜池土建成本[1]。

3.1 超濾膜的選擇

根據(jù)有機(jī)廢棄物壓濾液的特性，兩級(jí)厭氧好氧處理后，評(píng)估二級(jí)好氧池出水混合液的沉降效果及離散狀態(tài)，末端加入超濾膜，以保證出水SS滿足設(shè)計(jì)要求。超濾膜組器置于膜池，在產(chǎn)水泵負(fù)壓抽吸條件下，水穿過膜表面微孔，懸浮物、細(xì)菌及大分子量膠體等物質(zhì)被截留，從而完成過濾，膜池取代傳統(tǒng)二沉池。膜組器底部采用節(jié)能脈沖曝氣產(chǎn)生紊動(dòng)，沖刷膜表面并使顆粒從膜表面脫落，確保膜表面保持清潔。膜前后壓力差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，要進(jìn)行化學(xué)清洗。采用浸沒式膜組器，以適應(yīng)膜池土建尺寸為基本原則，保證膜組器在設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常運(yùn)行和清洗周期合理，以盡可能降低系統(tǒng)的自用水耗和運(yùn)行能耗。膜組器主要包括膜組件、支撐架、曝氣裝置、集水裝置和起吊環(huán)等部件[2]。采用均質(zhì)膜，每套膜裝置有50片膜，每片膜面積為20 m2，兩組膜架同時(shí)置于一個(gè)膜池。膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為420 m3/d，日均膜通量設(shè)計(jì)值為8.75 L/（m2·h）。

3.2 超濾膜的運(yùn)行

前端生化處理系統(tǒng)運(yùn)行良好，污水進(jìn)入膜池時(shí)，膜池混合液狀態(tài)很好。取膜池混合液、二級(jí)好氧池混合液和純水，采用定性濾紙（孔徑0.45 μm）測(cè)定3種水樣的過濾時(shí)間，判斷過濾性能[3]，如表3所示。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，膜池混合液的過濾性能很好。膜池MLSS為7 600 mg/L，溫度為22 ℃，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為5.28 m3/min。結(jié)合膜裝置設(shè)計(jì)及膜池狀態(tài)，膜系統(tǒng)采用產(chǎn)水8 min、停歇2 min的運(yùn)行模式（產(chǎn)水周期10 min）。根據(jù)二級(jí)好氧池水質(zhì)數(shù)據(jù)、膜池混合液狀態(tài)和膜裝置吹掃風(fēng)量，來水量大時(shí)，膜系統(tǒng)產(chǎn)水量可在短時(shí)間內(nèi)提升10%，以適應(yīng)來水量的波動(dòng)。膜系統(tǒng)處理的水經(jīng)過脫色池后，在清水池中消毒，然后經(jīng)過排放泵進(jìn)入農(nóng)灌管網(wǎng)。經(jīng)取樣檢測(cè)，膜池產(chǎn)水管COD為95～123 mg/L，BOD5為46～63 mg/L，SS含量不大于5 mg/L。

3.3 超濾膜的清洗

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)硬件配置，結(jié)合清洗要求，超濾膜在線周期性清洗可以進(jìn)行。要結(jié)合相關(guān)要求，開展離線清洗。具體來說，清洗前做好安全培訓(xùn)。由安全員進(jìn)行培訓(xùn)后，方可開始清洗。清洗時(shí)，安全員全程監(jiān)督整個(gè)清洗過程是否符合安全規(guī)范。離線清洗前，將整個(gè)生化處理系統(tǒng)的液位降低至4 m左右，中間池排空備用。膜控制系統(tǒng)關(guān)閉自動(dòng)運(yùn)行，采用手動(dòng)模式，二級(jí)好氧池出水不進(jìn)入膜池。手動(dòng)控制回流泵開啟，用回流泵將膜池混合液排空。對(duì)膜池內(nèi)部進(jìn)行鼓風(fēng)，檢測(cè)氧含量正常后，觀察膜池底部的膜絲斷絲、積泥情況。如果積泥嚴(yán)重，首先進(jìn)行人工清洗。用消防栓將水注入膜池，注水液位高于膜架30 cm即可。加入次氯酸鈉，調(diào)節(jié)濃度至1 000 mg/L，鼓泡10 min，攪拌均勻，浸泡6～8 h。浸泡過程中，每隔2 h風(fēng)機(jī)開啟5 min。排空膜池內(nèi)的次氯酸鈉溶液，用自來水清洗膜架膜絲，排空。膜池再次注水，淹沒膜架30 cm，加入檸檬酸，調(diào)節(jié)濃度至1%，鼓泡開啟，浸泡6～8 h。排空膜池檸檬酸溶液，用自來水清洗膜架膜絲，排空；二級(jí)好氧池出水進(jìn)入膜池，淹沒膜架；關(guān)閉膜系統(tǒng)控制的手動(dòng)模式，打開自動(dòng)模式，正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

有機(jī)廢棄物經(jīng)厭氧消化可生產(chǎn)沼氣，沼氣可用于發(fā)電。但是，有機(jī)廢水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高，超濾膜是處理有機(jī)廢水的有效方式。數(shù)據(jù)顯示，膜系統(tǒng)的高質(zhì)量運(yùn)行對(duì)前端生化處理系統(tǒng)的要求頗高，生化處理系統(tǒng)必須處于較好的狀態(tài)。原水屬于有機(jī)廢棄物壓濾液，設(shè)計(jì)進(jìn)水COD不大于6 000 mg/L，但是實(shí)際進(jìn)水COD最高值已接近9 000 mg/L。根據(jù)膜生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目壓濾液的膜通量為8.75 L/（m2·h），但是實(shí)際產(chǎn)水通量可達(dá)10.23 L/（m2·h），有機(jī)廢棄物壓濾液膜通量可以取9～11 L/（m2·h）。有機(jī)廢棄物厭氧消化與填埋垃圾厭氧發(fā)酵的機(jī)理基本一致，但是兩者原料成分相差太大，可生化性差異很大。有機(jī)廢棄物壓濾液COD高達(dá)60 000 mg/L，可生化性較好，使得生化處理系統(tǒng)的活性污泥性狀較好，膜生物反應(yīng)器的膜污染較小，膜裝置在線清洗及離線清洗的頻次很低。膜生物反應(yīng)器處理有機(jī)廢棄物的應(yīng)用研究較少，該項(xiàng)目采用超濾膜，未來要長(zhǎng)期跟蹤運(yùn)行數(shù)據(jù)，明確有機(jī)廢水對(duì)膜通量衰減的影響。

參考文獻(xiàn)

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3 馬東兵，岳 崢，丁西明，等.兩級(jí)AO+內(nèi)置式超濾+兩級(jí)納濾工藝處理垃圾滲濾液[J].中國(guó)給水排水，2022（18）：78-82.