随着城市水资源短缺现象的加剧和污水排放标准的提高，污水再生项目发展迅速，在各类再生水生产工艺中，MBR工艺以其流程短、占地少、水质好等优势而得到较多关注。大中型再生水处理MBR工程一般采用浸没式平板膜组件或浸没式中空纤维膜组件，在相同的进水条件下，两类膜组件的出水水质接近，但最佳操作条件有所不同。与中空纤维膜相比，平板膜具有膜组件结构简单、易于清洗、化学稳定性好、对预处理要求低等优势；同时也具有装填密度小、成本和能耗高等不足。
通过两组平行运行的中试装置，比较了平板膜和中空纤维膜在MBR工艺中的运行特性和适用条件。此外，通过模拟市政污水A2/O-MBR项目，分别估算应用两类膜时的工程投资和运行成本，供项目决策参考。
1材料与方法
MBR膜分离单元中试在我国西南地区某污水处理厂进行，中试运行过程中，污水处理厂A2/O曝气池泥水混合物经细格网过滤后，分别进入平板膜分离单元(FSMBR)和中空纤维膜分离单元(HFMBR)，在产水泵负压作用下，水从膜外侧透过滤膜，污泥被隔离在膜外侧，实现泥水分离。混合物依靠重力回流至二沉池，在膜组件底部曝气进行膜擦洗。水样的MLSS、SV、SVI采用标准方法测定。中试工艺流程见图1。膜分离单元设计参数如表1所示。


2结果与讨论
2.1间歇出水时间
为了控制膜污染，膜分离单元在持续曝气的同时，通过定期暂停出水来减轻膜表面污泥的沉积。MBR工程中间歇出水的典型设置为每过滤8～15min，停止1～2min。这里将产水泵的抽吸时间与停吸时间的比值称为抽停比。由图2和图3可见，两膜的跨膜压差(TMP)上升速率均随抽停比的增加而增大，平板膜TMP变化更为明显。虽然在抽停比为5∶1时两膜TMP上升速率最小，但统筹考虑TMP上升速率和产水量，可认为试验条件下两膜的最佳抽停比均为9∶1。


2.2曝气强度
MBR膜分离单元内曝气的主要作用是产生液流紊动和瞬时剪切力，从而增强膜的渗透性[1]。一般情况下，由于平板膜的堆积密度较小，即单位膜面积所对应的膜组件投影面积较大，需要在相对较大的面积上布气，因此其曝气强度(单位膜面积的曝气量)高于中空纤维膜。
如图4所示，平板膜TMP上升速率随曝气强度的增加而减小，而厂商推荐最低曝气强度为1.14m3/(m2·h)，为保证装置长期运行，将平板膜的曝气强度设定为1.20m3/(m2·h)。

中空纤维膜TMP几乎不受曝气强度变化的影响[曝气强度为0.60～0.99m3/(m2·h)]，为节约能耗，将中空纤维膜的曝气强度设定为0.60m3/(m2·h)。研究表明，高强度曝气对污泥絮体的剪切作用可促进菌胶团解体及胞外聚合物(EPS)释放，导致污泥絮体粒径下降、溶解性微生物产物(SMP)浓度和混合液粘度增加，从而加剧膜污染。根据UV254测定结果，FSMBR内的泥水混合物、混合物上清液及出水的UV254均高于HFMBR。UV254与蛋白质的相对含量关系较为密切，而蛋白质是SMP的主要成分之一，说明FSMBR内高强度曝气引发SMP升高是平板膜TMP上升速率较大的原因之一。
2.3膜通量
根据膜通量与TMP的关系研究两种膜的适宜运行通量(见图5和图6)。两膜TMP随通量变化规律相同，在通量为25L/(m2·h)时TMP逐渐上升，通量下降至20L/(m2·h)后TMP保持稳定，在通量为30L/(m2·h)时TMP迅速上升。由以上规律可见，两膜的临界通量均在20～25L/(m2·h)；通量为25L/(m2·h)时平板膜TMP曲线的斜率较大，说明试验条件下平板膜的临界通量稍低于中空纤维膜。


透水率(膜通量与TMP的比值)可以更直观地反映膜通量与过滤阻力的关系。由图7可见，两膜的透水率较为接近，随着设计通量的增加，平板膜和中空纤维膜的透水率分别呈下降和上升趋势，说明平板膜更适于在相对较低的通量下运行，而中空纤维膜更适于在相对较高的通量下运行。

2.4污泥浓度
污泥浓度变化对两膜TMP的影响差异较大。对于平板膜而言，污泥浓度由12000mg/L增加至15000mg/L时TMP下降，由15000mg/L下降至8000mg/L时TMP上升(见图8)；中空纤维膜的变化规律与此相反，当污泥浓度由11000mg/L增加至15000mg/L时TMP上升，由15000mg/L下降至10000mg/L时TMP下降(见图9)。可见在8000～15000mg/L的污泥浓度范围内，平板膜宜以较高的污泥浓度运行、中空纤维膜宜以较低的污泥浓度运行。此类现象在其他研究中也有发现，推测是由于平板膜上形成的二次动态膜在高污泥浓度下具有更好的性状，对膜污染的缓解作用更为明显。


2.5经济指标
由表2可知，目前国内市政污水MBR项目大多选用中空纤维膜，其设计膜通量为14.5～26L/(m2·h)，平板膜的设计通量也在此范围之内。对于处理规模为2万～15万m3/d的市政污水MBR项目，单位投资额为2700～6500元/(m3·d)，按照污水处理厂土建结构类型排序，其单位投资额由大到小依次为：全地下式>半地下式>地上式。
在同类土建结构的污水处理厂中，规模较小的项目单位投资额较高。由于项目建设及运行条件各异，且平板膜应用项目较少，因此无法通过现有项目直接比较两类膜的经济指标。为研究相同条件下两类膜组件在经济指标方面的差异，以处理规模为1万m3/d的市政污水A2/O-MBR项目为例，根据中试结果和污水处理工程的一般情况选择设计运行参数，计算得到项目的技术经济指标如表3所示。A2/O-FSMBR的项目总投资比A2/O-HFMBR高7.7%(见表3)。
平板膜的堆积密度较小，因此根据膜组件安装尺寸计算得到A2/O-FSMBR的膜池容积为A2/O-HFMBR的2.5倍；平板膜分离单元的的设计污泥浓度高50%，故A2/O-FSMBR的生物池容积是A2/O-HFMBR的2/3。平板膜采购费用高于中空纤维膜，此处按照单位膜面积采购费用高25%计算。
A2/O-FSMBR的运行成本和总成本分别比A2/O-HFMBR高14.3%和12.7%(见表3)。分析其原因，由于平板膜组件的曝气强度较大、鼓风机电耗较高，故A2/O-FSMBR的电耗高于A2/OHFMBR；由于平板膜的化学清洗频率远低于中空纤维膜，故A2/O-FSMBR的药耗低于A2/O-HFMBR。
由以上分析可见，A2/O-FSMBR与A2/OHFMBR的项目占地面积接近，前者的投资和运行费用略高于后者。由于平板膜对污水水质适应性较强、设备运行管理相对简单，因此更适用于难降解工业废水和中小规模生活污水处理项目；中空纤维膜投资运行费用相对较低，设备运行管理要求较高，因此更适用于大中型市政污水处理项目。


3结论
通过两组平行运行的MBR膜分离单元中试，对平板膜和中空纤维膜的运行特性进行了研究，得到主要结论如下：
(1)从控制TMP上升速率和保证产水量角度综合考虑，两膜分离单元均可采用9min∶1min的抽停比运行。
(2)由于平板膜的堆积密度小于中空纤维膜，为保证膜通量，平板膜的曝气强度高于中空纤维膜，导致其TMP上升速率较高。
(3)试验条件下，两膜的临界通量均在20～25L/(m2·h)，其中平板膜的临界通量稍低于中空纤维膜，且其在较低通量下的透水率高于后者，即平板膜更适于在相对较低的通量下运行。
(4)在8000～15000mg/L的污泥浓度内，为了控制膜污染，平板膜宜以较高的污泥浓度运行，中空纤维膜宜以较低的污泥浓度运行。
(5)以处理规模为1万m3/d的市政污水A2/OMBR项目为例，计算得到A2/O-FSMBR的项目总投资为4200万元、运行成本为1.36元/m3，总成本为2.49元/m3，分别比A2/O-HFMBR高7.7%、14.3%和12.7%。