由于占地的优势和出水水质的稳定性，膜技术近年在水回用领域的应用显著增长。陶瓷膜材料在抗膜结垢和化学冲击方面有着更好的耐固性，但因为其价格相对昂贵，目前在膜生物反应器（MBR）技术中的应用依然有限。但以平板陶瓷膜为例，与传统的高分子聚合物膜相比，其使用寿命可延长一倍，而且运行通量更高，因此行内人士认为陶瓷膜在未来可能会改变MBR膜选择的格局。对此，日本明电舍新加坡分公司（Meiden Singapore）以及新加坡公共事业局（PUB）合作，在樟宜再生水厂安装了一个全尺寸的陶瓷MBR系统，来对它的运行表现进行检验。对于MBR系统，尽管已有不少采用聚合物膜的微滤/超滤（MF/UF）系统的研究报告，但基于陶瓷膜的MBR的工程应用调查研究仍相当有限。过去十年，人们已经对陶瓷膜MBR做过一些小规模测试，结果也显示出它在通量和系统牢固性上的潜在优势。最近几年在工业废水领域开始出现一些陶瓷膜MBR的大型应用。新加坡的樟宜再生水厂过去几年进行了一系列的MBR升级改造项目，以求在不扩大占地面积和更短的施工时间的前提下，提高单位处理能力。2017年，他们在其中一个子项目对陶瓷膜MBR进行大规模研究——他们在膜工厂1.1线里安装了平板陶瓷膜，处理规模达15000m³/天。这是全球最大的陶瓷膜MBR系统之一。本研究的目的是通过这个大规模测试获得更多陶瓷膜MBR处理市政污水的运行维护的经验。这套陶瓷膜系统有两个反应池，每个体积为683立方米。这系统还包括缺氧池和好氧池，HRT相对较短，约3小时，日流量为15000m³（每条线7500m³/天）。下图是膜反应池和膜单元的真实照片。在正常运行时，该系统净通量为30L/㎡/h（LMH）。维护清洗频率为每周两次，清洗剂为次氯酸钠（NaClO）。一个运行周期为14.5分钟的过滤和0.5分钟的反洗。团队从2017年1月开始进行测试，起初的净通量为30-60LMH。自此以后系统就一直成功运行，并在随后超过3个月的时间里保持稳定运行。在每周两次清洗的情况下，A、B两池的通量（渗透性）分别稳定在340和300LMH/bar的水平。由于4月24号前一次控制系统的升级使得数据意外丢失，所以他们只能展示2017年4月24到6月28号期间的在线运行数据。
下图2显示了A池的TMP趋势和渗透流量。TMP的运行范围在9-14kPa之间，流量维持在360m3/h左右。当一条MBR线需要清洗而暂停时，流量升至420–450m3/h，TMP也相应增加。A池的TMP基准线在每次清洗之后都相当稳定，均低于10kPa。下图3显示了B池的TMP趋势和渗透流量。TMP在10-17kPa之间，流量和A池一样，维持在360m3/h左右。与A池相似，当一条MBR线需要清洗的时候，TMP会突增，另一条线的流量也在420–450m3/h左右。B池的TMP基准线在每次清洗之后稳定低于12kPa。
图4显示了A池在2017年4月到6月期间的膜透率指数（permeability index）。这里的膜透率指数代表每次机械清洗或者恢复清洗之后的值。在这期间，膜透率指数在0.81–0.92范围内变化，最高值（1.0）出现在5月5号的恢复清洗之后。恢复清洗之后膜透率的下降率不明显。另外他们发现，机械清洗之后，膜透率指数没有连续下降，在某个清洗周期之后，他们观察到膜透率得到恢复。研究团队认为这是可能是在若干清洗之后，污泥性质稳定且合适，以及维持了良好的水质。
图4.A池的渗透指数趋势
图5显示了B池的膜透率情况。B池的膜透率指数变化范围在0.82–0.93之间，最大值出现在5月11日的恢复清洗之后。恢复清洗之后膜透率的下降可忽略不计。膜透率指数在5月底下降之后，在6月得到恢复。为了将流量变化的影响最小化，他们在相似的渗透流量的水平上对膜透率指数进行比较，但没有考察温度对膜透率指数的影响。下表1显示了2017年3月-6月运行期间的污泥属性。A池和B池的混合液污泥浓度（MLSS）平均值分别为4,396mg/L 和4,496 mg/L，而回流污泥的MLSS则为 5,110 mg/L。在此期间，测得的TTF时间在72-102秒之间（TTF为Time to filter的缩写，是指获得100ml滤液的所需时间），TTF的90百分位数为100秒。污泥沉降比（SV30）在360-470mL/500mL之间，平均值为420mL/500mL。MBR系统的SRT维持在10天。A池和B池的滤液浊度稳定在0.04-0.06NTU的水平。图6显示了A池的滤液浊度趋势。
表1.2017年3月至6月的污泥特性
对于膜生物反应器（MBR）的稳定性，人们最关心的是它能否在更高的通量条件下运行，而且跨膜压差（TMP）不会显著上升。新加坡樟宜再生水厂的这个大规模的陶瓷膜MBR系统，自2017年1月开始就得以成功启动运行。在不同的流量条件下，系统都能稳定运行，A、B两池的TMP值和膜透率指数也维持一个稳定的区间。这次试验反映了基于陶瓷膜的MBR系统在应对流量变化的适应性和稳定性，预计PUB会在这次试验的基础上对陶瓷膜的其他性能做进一步的研究。第十届IWA膜技术大会将于2021年8月1日-4日在美国圣路易斯华盛顿大学召开，欢迎大家预留时间参会，了解更多膜技术前沿进展。大会官网：https://mtc2021.wustl.edu/
参考资料
Performance of a full-scale ceramic MBR systemto treat domestic sewage, T. Niwaa, R. Yina, M. H. Ooa, H. Noguchia, T. Watanabeb, L. Y. Razalic, H. Y. Pngc, W. C. L. Layc, K. A. Ongc and M. Alomc, Water Practice & Technology Vol 13 No 3, doi: 10.2166/wpt.2018.066
https://iwaponline.com/wpt/article/13/3/589/63722/Performance-of-a-fullscale-ceramic-MBR-system-to
IWA微信已开通了原创保护功能，其他公众号转载不得修改其中的任何文字、图片和排版，未经授权不得擅自摘抄复制微信内容
