膜技術在污水廠提標改造中的應用和啟示

孫光遜

摘 要：膜技術在近幾年來已經得到了長足的進步和發展，廣泛應用于北京地區的污水處理廠提標改造工藝中。膜技術所擁有的出水水質優良穩定、剩余污泥量少、設備緊湊，占地少的優勢，適用于深圳這種土地集約利用需求高于工程投資限制的地區。

關鍵詞：膜技術；高碑店污水廠；翠湖新水源廠；稻香湖再生水廠；提標改造

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0166-02

1 工作概況

作者于2016年前往北京開展了為期三天的膜技術污水處理考察工作。先后參觀了北京高碑店再生水廠、北京翠湖新水源廠、北京稻香湖污水處理廠，同時，參觀了某膜技術公司總部及其膜生產基地，并和相關技術人員進行了深入的交流和探討，對膜工藝的生產、膜工藝在污水處理行業的運用以及北京污水處理行業提標改造工藝的技術路線有了一定的認識。

2 對膜過濾技術的認識

膜過濾是一種與膜孔徑大小相關的篩分過程，以膜兩側的壓力差為驅動力，以膜為過濾介質，在一定的壓力下，當原液流過膜表面時，膜表面密布的許多細小的微孔只允許水及小分子物質通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質則被截留在膜的進液側，成為濃縮液，因而實現對原液的分離和濃縮的目的。膜過濾技術是深度水處理的一種高級手段，根據膜選擇性的不同，可分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）等。

3 膜技術在市政污水處理行業的運用

膜處理技術作為一種新型高效、精密分離技術，相比其他物理、化學及生物處理技術有自己的特點：（1）通過膜處理，物質前后的物理、化學性質不會發生改變；（2）膜處理技術依靠得是膜的孔徑及選擇透過性實現污染物的分離，無需投加化學藥品等；（3）膜處理技術具有處理高效，應用普遍的優勢，且能將有機物、無機物以及微小的細菌甚至病毒分離；（4）膜處理技術易操作、易維修，且不需要占用很大場地。

膜技術在污水治理及回用中作為一項實用技術，其優點是幾乎可完全脫除懸浮物（SS）、一般的細菌、病毒、大腸桿菌等，且可脫色，減少生成三氯甲烷（THM）的前驅物，出水水質優良，由于膜裝置占用的空間小，特別適合于老廠改造升級或建廠空間受限制的條件下采用。

在城市污水的處理、回用中，膜技術常用于二級處理后的深度處理中，多以微濾（MF）、超濾（UF）替代常規深度處理中的沉淀、過濾、吸附、除菌等預處理，以納濾（NF）、反滲透（RO）進行水的軟化和脫鹽。在污水處理中，目前使用最多的是以MF、UF與活性污泥組成的膜生物反應器（MBR），用以代替原工藝中的二沉池。

當然，膜技術也存在一些不足。主要表現在以下幾個方面：（1）膜造價高，使膜生物反應器的基建投資一般會高于傳統污水處理工藝；（2）膜污染容易出現，給操作管理帶來不便；（3）能耗高：首先MBR泥水分離過程必須保持一定的膜驅動壓力，其次是MBR池中MLSS濃度非常高，要保持足夠的傳氧速率，必須加大曝氣強度，還有為了加大膜通量、減輕膜污染，必須增大流速，沖刷膜表面，造成MBR的能耗要比傳統的生物處理工藝高。所以，在污水處理工藝設計中，應根據污水的來源、處理后出水的標準和周邊的環境條件等，進行綜合比較和考量，合理選擇處理工藝。

4 北京地區污水處理廠膜技術考察案例

4.1 北京市高碑店污水處理廠（高碑店再生水廠）

北京市高碑店污水處理廠是北京市建設的第一座大型、現代化的城市污水處理廠，廠區占地1020畝，遠期建設規模250萬m3/d，近期建設規模100萬m3/d，占全市污水處理總量的40%。出水標準按國家標準《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級B標準排放。2012年，北京開始著手對高碑店污水廠進行提標改造，即在原廠范圍內建深度處理措施，即新建北京市高碑店再生水廠，日處理規模達到100萬噸，占到本市全部再生水處理量的40%以上，是國內規模最大的再生水廠。高碑店污水廠提標改造（即高碑店再生水廠工程）工藝路線是先將現有二級生化工藝（A2O）進行改造，增加生物反應池容積，并在好氧曝氣池的硝化段添加填料，提高硝化污泥濃度，強化硝化反應，使出水的氨氮濃度小于1mg/l；通過強化生物處理，輔助化學除磷，使出水二級生化段出水總磷小于1mg/l；深度處理段采用反硝化生物濾池進行脫氮，視情況在濾池前補充碳源和投加化學除磷藥劑；生物濾池出水經過濾器和超濾膜過濾，去除膠體和顆粒物，再經臭氧氧化脫色，紫外消毒后出水。

該提標改造工程的特點是：（1）對現有污水處理設施的影響較小，全廠四個系列，按實際進水量80萬噸/天計算，開三個系列，停一個系列進行改造，沖擊負荷影響不大，新建的深度處理工程遠離現有設施，單獨建設，對現有生產影響極少。（2）反硝化濾池適合低濃度污染處理，膜過濾工藝有效截留顆粒物、膠體和微生物，對出水水質穩定起到重要作用；（3）整個深度處理流程較長，運行靈活，可根據出水水質情況超越或部分運行處理構筑物；也可處理部分進水，出水混合達標，以節省運行費用。

4.2 北京翠湖新水源廠

北京翠湖新水源廠（原名翠湖再生水廠）原日處理水量為1萬噸，處理工藝是SBR+活性砂濾，出水指標達到北京地標《水污染物排放標準》（DB11/307-2005）一級B標準（略高于國標一級B，低于一級A）。2014年，該廠提標后，日處理水量從當前的1萬噸增加到2萬噸，出水標準達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中II類水體的標準，成為北京的戰備水源之一。

該提標改造工程采用了“雙膜過濾”的污水處理工藝，即MBR+NF，就是微濾+納濾工藝。改造過程中沒有新增占地，基本保留原來的裝置，增加了一個膜格柵，將SBR池按照MBR工藝要求改造成A2O生化池，在原有空地增加一座MBR膜池，出水再經過新建的納濾車間過濾后排放。經過“雙膜過濾”的污水，已經達到了地表II類的排放標準，相當于飲用水的水質，出水標準遠高于一般污水廠。該廠噸水占地為0.5m2/m3，比一般常規工藝污水廠占地略小，這也是膜工藝污水處理的特點；但該廠全流程噸水投資僅4000元，其中納濾系統噸水投資1000元，而前段MBR工藝噸水投資僅3000元，和一般污水處理工藝噸水投資相當；直接運行成本也僅1.8元/噸，其中納濾段占0.9元/噸，而前段MBR工藝（達到地表IV類出水）直接運行成本僅為0.9元/噸。該經濟指標顛覆了作者對膜工藝特別是MBR工藝的常規認知。該提標改造工程是一個解決水污染、污水資源化的示范性工程，類似于新加坡新生水廠解決方案（新加坡新生水廠出水標準更高，采用了RO反滲透工藝），為我們污水處理資源化、開發新水源、解決水資源短缺問題方面做出了積極探索，提供了新的思路。

4.3 北京稻香湖再生水廠

稻香湖再生水廠是北京市首座全封閉的地下再生水廠。再生水廠總設計規模26萬噸/天，一期設計規模8萬噸/天，一期占地2.46公頃，工程總投資為4.73億元，出水水質執行北京市《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》（DB11/890-2012）中的B標準，同時其主要指標滿足地表Ⅳ類水水質要求。該工程一期采用了多點進水（精確曝氣）A2O+二沉池+浸沒式超濾膜工藝，地下污水處理廠的主要處理設備廠房均建在地下16m到18m處。從整個工藝來看，基本還是在常規二級生化工藝的基礎上加上超濾膜過濾的深度處理工藝，有膜工藝在末尾的把關，出水水質還是有保證的。另外，該廠雖然號稱為全地下污水廠，但綜合樓和污泥脫水車間（外運輸送部分）也還是地上式建筑，便于管理和污泥脫水后的外運。

5 北京地區污水處理廠提標工藝技術路線總結

5.1 進、出水水質

5.1.1 污水廠進水水質

北京地處半干旱地區，地下水位較低，地下水滲入污水管網的量很少，加上降雨量不算大，所以污水管網中即便是合流系統，其收集的生活污水濃度都較高，一般COD在400～500mg/l，BOD在200～250mg/l，SS在250mg/l左右，氨氮20～30mg/l，總氮40mg/l。

5.1.2 污水廠出水水質

由于有中水回用的大量需求，北京歷來對污水廠出水水質有自己的地方標準，如基于國標《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的北京地標《水污染物排放標準》（DB11/307-2005）和近年來執行的北京地標《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》（DB11/890-2012），都嚴于國家標準。特別是DB11/890-2012，基本是按照國標《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中地表III類和IV類制定的。

5.2 北京地區污水處理主流技術路線

由于北京地區污水的進水濃度高，而要求的處理出水濃度低，還都有回用要求，故對于污水處理的去除率要求就顯得很高了，勢必對市政污水處理工藝的要求高。經過多年的實踐和運行，北京的污水處理工藝的技術路線基本已經較為明確，即采用膜工藝技術，要么是MBR工藝，要么是A2O+超濾膜工藝。如最近新建的高碑店再生水廠、稻香湖再生水廠、槐房再生水廠、清河第二再生水廠、定福莊再生水廠、小紅門再生水廠等新建（提標改造）的大、中、小型污水廠無一例外均采用膜技術。

對此現象，我們也進行了分析和研究，北京是國內較早在污水處理中運用膜技術的城市，有關膜技術的優缺點和運行經驗都已有比較成熟和客觀的認識。同時，北京面臨著水資源匱乏、土地緊缺、污水回用需求高，出水標準高等一系列的問題，加上北京本地有大型的膜生產企業以及政府的產業支持和政策導向，使得膜技術在北京污水處理工藝中得到了廣泛的推廣和應用。

6 對深圳地區污水處理廠提標改造工程的相關啟示

隨著深圳治水提質計劃的穩步推進，深圳也在如火如荼的開展污水廠提標改造和新建污水廠的工作。而從目前深圳的污水處理工藝設計路線來看，還是采用常規工藝加深度沉淀過濾的型式多，即大多是采用的是A2O生物池+二沉池+高效沉淀池+快速濾池，這種工藝設計技術上也能達到出水地表IV類。深圳地區前段A2O生物池+二沉池的工藝基本和其他地區設計思路一致，基本可以解決COD、BOD、NH3-N以及TN的降解，關鍵在于后續對TP和SS去除的思路與其他地區（特別是北京地區）是有差別的。對于后段TP和SS的去除，北京的工藝設計主要是靠超濾膜過濾來解決，出水水質好且穩定。深圳地區的設計則采用高效沉淀池+快速過濾的型式，從占地的角度看，高效沉淀池+快速過濾遠大于膜過濾技術的占地，且出水還是受到沉淀池和濾池運行效果的影響，現在常用的快速濾池有纖維濾池、濾布濾池，這兩種濾池已有反映出效果不理想了。如此一來，深圳采用的深度處理工藝無論從占地還是出水效果都不如北京的工藝有優勢。這的確值得我們深思。

究其原因，認為還是深圳的設計單位對于膜技術的認識還比較保守，基本認識還都基于幾年前對膜技術的評價，即膜技術工程投資高，運行費用高，維護成本高。其實，近年來，膜技術得到了飛速發展，其研究水平、制造工藝以及產品性能和價格已經發生了翻天覆地的變化，特別是國內大型膜技術生產企業的成長，已經讓膜技術克服了上述缺點，這也是北京地區敢把膜技術作為其主流污水處理技術的原因。

通過本次考察交流得知，膜技術在近幾年來已經得到了長足的進步和發展，已經不再是我們原來的膜技術造價高，能耗高，周期短的印象了。根據相關單位提供的資料，如今的MBR工藝的噸水能耗已從原來的0.6～1kwh/m3降到0.41kwh/m3，膜的使用壽命已從原來的1～2年增加到5～8年，新建MBR工藝污水廠單位噸水投資已經可以降到1500～2050元/m3，污水廠提標改造至地表IV（采用MBR工藝）的單位噸水投資為900～1100元/m3，單位運行成本已經可以降到0.5元/m3左右。這個數據對于我們污水處理工藝設計者來說，是十分震撼的，基本可以和一般的常規污水處理工藝同臺競爭了。而膜技術所擁有的出水水質優良穩定、剩余污泥量少、設備緊湊，占地少的優勢，對于深圳地區這種土地集約利用需求高于工程投資限制的地區來說是具有相當的誘惑力的，值得我們作為設計者認真的研究和比較。

參考文獻：

[1]于海琴.膜技術及其在水處理中的應用[M].北京：水利水電出版社，2011.

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