膜生物反應器在市政污水處理中的應用

蔡 彬

（上海環境集團股份有限公司，上海市200336）

0 引 言

隨著我國對環境保護的日益重視，進一步提高包括市政污水在內的各類污水排放標準，是大勢所趨[1]。為滿足新的排放標準，曝氣生物濾池、活性濾池、反硝化深床濾池、MBR 工藝等各種污水處理新工藝新技術，大規模應用于已建市政污水處理廠的提標升級、擴容改造，以及新污水處理廠、再生水廠的建設[2-5]。其中膜生物反應器（MBR）工藝，是將現代膜分離技術與傳統生物處理技術有機結合起來的一種新型高效污水處理技術[6]，其出水水質好，可滿足高標準排放要求[7]；運行管理自動化程度高；在大量工程實踐經驗積累的基礎上，MBR 工藝的運行優勢將進一步顯現，處理潛能將進一步釋放，尤其是其高效率的脫氮功能，特別令人期待[8-10]。MBR 工藝與高效污泥厭氧工藝、厭氧氨氧化工藝等，成為構建具有高標準、高效能、高能源自給率、環境友好等基本特征的新型污水處理技術體系的重要組成部分；在推進市政污水“高能耗、高藥耗、低標準”的傳統處理模式向“碳源利用、資源回收、再生水回用”新型環保處理模式的轉變過程中，發揮巨大的促進作用。

1 膜生物反應器工藝原理及特點

1.1 典型MBR 工藝

MBR 工藝一般由生物反應器和膜組件兩部分組成，大致可分為分置式MBR 工藝和一體式MBR工藝。兩種反應器的構型如圖1 和圖2 所示。

圖1 分置式MBR 工藝

圖2 一體式MBR 工藝

分置式MBR 工藝中的生物反應池與膜分離池分開建造，膜系統置于膜分離池中，以便于膜分離系統的控制和操作；該技術比較成熟，運行穩定可靠，為大型市政污水處理MBR 工藝的主流設計形式。一體式MBR 工藝中的生物反應池與膜分離池合為一體，利用生化部分的曝氣系統，便可以對膜進行曝氣擦洗，同時節省了污泥回流泵等設備，較分置式簡單。但由于設備共用，膜清洗等操作難度增大，不便于膜系統的控制、維護。因此，這種工藝形式，多用于小型污水處理站，一般不用于大型市政污水處理MBR 工藝的設計。

1.2 MBR 工藝的優缺點分析

與傳統污水處理工藝技術相比較，MBR 工藝具有如下顯著特點：

（1）膜組件模塊化設計/ 標準化制造，產品質量的穩定性和可靠性顯著提高；設備便于現場安裝，縮短施工周期；同時，膜系統可實現全自動標準化運行；

（2）抵抗污泥膨脹能力強，出水水質穩定、更優，膜可濾除絕大部分細菌、病毒，后續消毒藥劑投加量能大幅較少；高標準的出水，可直接用于水環境補水、景觀用水、城市生活雜用水、熱電廠循環冷卻水等用途。

（3）微生物不流失，生物反應器污泥濃度MLSS值可達8～10 g/L，提高體積負荷，相應地較大幅度的減少占地；膜分離池的方形設計，可避免傳統二沉池效能低、占地多、布置難的不足，為污水廠的節地設計帶來很大的挖潛空間。

（4）實現了水力停留時間（HRT）和污泥齡（SRT）的徹底分離，為SRT 的延長創造了不可或缺的基礎，有利于增殖緩慢的硝化細菌、反硝化菌群的生長，從而可提高系統的硝化/反硝化能力。

MBR 工藝存在的主要問題包括：

（1）MBR 材料價格貴、制造工藝要求高、產量相對較低，造成膜組件價格較高；

（2）MBR 在使用中，膜通量等性能將逐漸衰減；受到膜的質量、操作方式等因素影響，一般正常使用5～10 a 后必須更換，其更新再投入成本較大；

（3）MBR 清污擦洗、抽吸出水及高倍污泥回流，需要消耗較多電能，膜組件運行能耗高。

1.3 MBR 工藝大型工程應用現狀

德國于2005 年建成的北運河污水處理廠，處理規模4.5 萬m3/d，是當時全球最大的MBR 工藝污水處理廠。經過十多年的發展，瑞典Henriksdal 污水處理廠，全套采用MBR 工藝，其處理規模已高達86.4 萬m3/d，目前為全球同類型規模最大的污水處理廠。2016 年投產運行的北京槐房再生水廠處理規模為60 萬m3/d。截止2016 年5 月，全球規模大于15 萬m3/d 的MBR 污水處理廠統計見表1。

表1 處理規模大于15 萬m3/d 的MBR 污水處理廠統計

2 膜生物反應器工藝運行實踐

2.1 工程概況

某再生水廠位于北方，一期工程于2008 年建成，2012 年經二期擴改提標后目前總處理能力為8 萬m3/d，設計進水主要指標：CODcr≤420 mg/L、NH4-N+≤60 mg/L、TN≤70 mg/L、TP≤8 mg/L。主要排 放 指 標：CODcr≤30 mg/L、NH4-N+≤1.5 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L。尾水部分用于市政綠化用水。該再生水廠共2 條工藝流程，并聯完成污水的再生處理，其中2.5 萬m3/d 以“A/A/O+ 二沉+ 自清洗過濾器+ 超濾”為主體處理工藝，另5.5 萬m3/d主體處理工藝為“A/A/O/A/O+MBR”。

MBR 車間現場部分照片如圖3 和圖4 所示。該MBR 工藝處理系統于2016 年建成投產，經過近兩年的生產，運行效果完全達到設計目標。

圖3 膜池車間現場

圖4 膜組件上部管道連接

2.2 運行效果分析

該廠2.5 萬m3/d 的A/A/O 工藝生化池HRT 為19.5 h，5.5 萬m3/d 的A/A/O/A/O+MBR 工藝的生化池HRT 為14.65 h，且污泥濃度MLSS 高達9 g/L。采用了MBR 處理工藝后，生化效率相比傳統工藝提高了30%。此外，膜處理工藝在不加或者加入少量碳源的情況下，出水中TN 在8 mg/L 以下，去除率高達85%以上，高于傳統脫氮工藝至少10%，優于設計預期。

2.3 膜的清洗方式

MBR 的清洗分為日常清洗和定期清洗。日常清洗包括水反洗和酸（檸檬酸）堿（次氯酸鈉）洗；水反洗10.5 min 一個周期，其中反洗時間0.5 min，日常清洗的氣洗采用間歇曝氣；酸堿洗15 d 一個周期，堿洗每2 d 一次，酸洗15 d 一次，酸堿洗時間每次均為3 min。定期清洗在膜池內完成，操作程序為放空相應膜池，注入清水，酸堿各浸泡8 h，每半年一次，定期清洗不需要人工起吊，在工作膜池內完成即可完成，不需另行建造膜清洗池。日常清洗和定期清洗均按照設定程序自動完成。MBR 系統的日常清洗現場照片如圖5 和圖6 所示。

圖5 膜清洗氣洗工況圖

圖6 膜清洗氣洗結束工況圖

2.4 膜清洗能耗分析

該廠選擇的MBR 膜，其膜絲強度較大且有韌性，只需要底端固定，就能組裝成型，構成穩定完整的膜組件。工作時，除固定于底端的部分膜絲不能擺動外，其余部分象海草一樣可在水中自由擺動，離底端越遠膜絲擺動幅度越大。這種膜組件不存在頂部污染問題，且可避免污染物在膜絲表面的集聚，減少膜面污堵的發生概率，利于膜表面清洗時污物的脫除。另外膜組件的中間曝氣方式，改變了膜組件下部的曝氣方式，極大地提高了曝氣擦洗效率，從而較大幅度的減少膜絲擦洗能耗。不同膜組裝和曝氣方式的區別如圖7 和圖8 所示。

圖7 單頭膜固定方式

圖8 兩頭膜固定方式

MBR 工藝能耗較傳統工藝增大。但由于該廠日常清洗時空氣擦洗為間歇曝氣，在一個氣洗周期的122 s 內，僅有33 s 為曝氣時間，用氣量只為連續曝氣清洗氣量的約1/4；同時，因采用了更易擦洗的單頭固定膜組件設計，單位曝氣強度也將下降。因此與其它膜工藝采用的連續曝氣方式相比，其噸水膜擦洗曝氣量及能耗可節省75%以上。經初步估算，膜系統總能耗約0.14 kW·h/m3水，擦洗風機、抽水泵能耗約各占46%以上，污泥回流泵能耗占比不到8%。

2.5 膜性能衰減分析

該廠MBR 為超濾膜，材質為PVDF，膜孔徑0.03 μm，過水通量18.5 L/m2·h。運行近2 a 后，膜組件維護良好，膜通量累計衰減率低于10%，膜質保7 a，預計使用年限不低于8 a。據了解，其它采用同廠家膜的污水處理廠，經過5 年半的運行，出水水質穩定，除TN 外，實際出水穩定達到類IV 水質標準。可見，膜處理工藝可以保證多年穩定的運行。

3 MBR 工藝在我國的發展趨勢

3.1 研發高性能、耐污染的制膜材料

新的合成技術將促進制膜材料的突破，高通量、低跨壓、耐污染的MBR 產品，是膜產業發展的必然趨勢。因此，依托膜產業研發能力的提高，可以從根本上解決降低膜清洗、膜抽吸導致的高能耗問題。

3.2 挖掘MBR 工藝潛能，促使成本的進一步合理

通過MBR 更大規模的量產降低生產成本，促進膜產品價格的降低。在優化MBR 系統節能設計的同時，充分利用生化系統高MLSS 值的特性、HRT 和SRT 的分離特性，挖掘微生物協同降解污染物的能力，尤其是硝化菌和反硝化菌同步脫氮的可能潛力，因系統高效處理節省外加碳源成本而產生的經濟效益，可以沖抵部分能耗成本，甚至膜更換等成本，促使MBR 工藝市政污水處理成本的進一步合理。

3.3 探索MBR 工藝優化途徑，克服工藝“水土不服”的問題

傳統A/A/O 工藝優化為多段多級A/O 工藝，或A/A/O/A/O 等多級厭氧缺氧工藝，并對設計參數進行優化組合，實現MBR 工藝的最優處理效能，既符合我國環境治理對污水處理高標準出水要求的國情，又真正做到MBR 工藝高端裝備與高標準出水要求的均衡配置，避免高端產品與低標準出水的錯配，克服MBR 工藝“水土不服”的問題。

3.4 促進再生水利用，推動MBR 工藝的應用

高標準的出水水質及水資源的實際性匱乏，將促進再生水回用的推廣和普及。再生水回用產生的社會、環境、經濟價值，客觀上帶來市政污水處理成本的實際性提高，MBR 投資及使用成本在污水處理全成本的占比，將呈下降趨勢。因此，污水處理各類成本的相對變化，特別是膜部分投資和使用成本占比的下降，將逐漸改變整個行業對MBR“高貴、嬌貴、昂貴”的“三貴”印象，重塑市政污水行業對膜的認識，并促進MBR 工藝的進一步推廣和應用。

4 結 論

MBR 工藝單位處理負荷高，脫氮效率高，可節省外加碳源；隨著高標準出水要求的嚴格，MBR 工藝節約藥劑所產生的效益將逐漸擴大，其運行成本將越來越接近、甚至低于傳統工藝。經過十幾年的工程實踐，MBR 工藝無論從膜材料、膜組件的制造、膜工藝的工程設計及應用，均取得了巨大的進步。在實際運行中，MBR 系統處理效率高、脫氮能力強，具備硝化與反硝化同步脫氮的處理潛能，與此相關的理論研究和工程實踐，正在持續不斷的推進。隨著工程實踐的不斷豐富，MBR 工藝將得到進一步推廣和應用。