膜生物反應(yīng)器在市政污水處理中的應(yīng)用

蔡 彬

（上海環(huán)境集團(tuán)股份有限公司，上海市200336）

0 引 言

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，進(jìn)一步提高包括市政污水在內(nèi)的各類污水排放標(biāo)準(zhǔn)，是大勢(shì)所趨[1]。為滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)，大規(guī)模應(yīng)用于已建市政污水處理廠的提標(biāo)升級(jí)、擴(kuò)容改造，以及新污水處理廠、再生水廠的建設(shè)[2-5]。其中膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝，是將現(xiàn)代膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的一種新型高效污水處理技術(shù)[6]，其出水水質(zhì)好，可滿足高標(biāo)準(zhǔn)排放要求[7]；運(yùn)行管理自動(dòng)化程度高；在大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，MBR 工藝的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步顯現(xiàn)，處理潛能將進(jìn)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(gòu)建具有高標(biāo)準(zhǔn)、高效能、高能源自給率、環(huán)境友好等基本特征的新型污水處理技術(shù)體系的重要組成部分；在推進(jìn)市政污水“高能耗、高藥耗、低標(biāo)準(zhǔn)”的傳統(tǒng)處理模式向“碳源利用、資源回收、再生水回用”新型環(huán)保處理模式的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，發(fā)揮巨大的促進(jìn)作用。

1 膜生物反應(yīng)器工藝原理及特點(diǎn)

1.1 典型MBR 工藝

MBR 工藝一般由生物反應(yīng)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(yīng)器的構(gòu)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(yīng)池與膜分離池分開(kāi)建造，膜系統(tǒng)置于膜分離池中，以便于膜分離系統(tǒng)的控制和操作；該技術(shù)比較成熟，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為大型市政污水處理MBR 工藝的主流設(shè)計(jì)形式。一體式MBR 工藝中的生物反應(yīng)池與膜分離池合為一體，利用生化部分的曝氣系統(tǒng)，便可以對(duì)膜進(jìn)行曝氣擦洗，同時(shí)節(jié)省了污泥回流泵等設(shè)備，較分置式簡(jiǎn)單。但由于設(shè)備共用，膜清洗等操作難度增大，不便于膜系統(tǒng)的控制、維護(hù)。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(shè)計(jì)。

1.2 MBR 工藝的優(yōu)缺點(diǎn)分析

與傳統(tǒng)污水處理工藝技術(shù)相比較，MBR 工藝具有如下顯著特點(diǎn)：

（1）膜組件模塊化設(shè)計(jì)/ 標(biāo)準(zhǔn)化制造，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性顯著提高；設(shè)備便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，縮短施工周期；同時(shí)，膜系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行；

（2）抵抗污泥膨脹能力強(qiáng)，出水水質(zhì)穩(wěn)定、更優(yōu)，膜可濾除絕大部分細(xì)菌、病毒，后續(xù)消毒藥劑投加量能大幅較少；高標(biāo)準(zhǔn)的出水，可直接用于水環(huán)境補(bǔ)水、景觀用水、城市生活雜用水、熱電廠循環(huán)冷卻水等用途。

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

（4）實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間（HRT）和污泥齡（SRT）的徹底分離，為SRT 的延長(zhǎng)創(chuàng)造了不可或缺的基礎(chǔ)，有利于增殖緩慢的硝化細(xì)菌、反硝化菌群的生長(zhǎng)，從而可提高系統(tǒng)的硝化/反硝化能力。

MBR 工藝存在的主要問(wèn)題包括：

（1）MBR 材料價(jià)格貴、制造工藝要求高、產(chǎn)量相對(duì)較低，造成膜組件價(jià)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(zhì)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(yùn)行能耗高。

1.3 MBR 工藝大型工程應(yīng)用現(xiàn)狀

德國(guó)于2005 年建成的北運(yùn)河污水處理廠，處理規(guī)模4.5 萬(wàn)m3/d，是當(dāng)時(shí)全球最大的MBR 工藝污水處理廠。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，瑞典Henriksdal 污水處理廠，全套采用MBR 工藝，其處理規(guī)模已高達(dá)86.4 萬(wàn)m3/d，目前為全球同類型規(guī)模最大的污水處理廠。2016 年投產(chǎn)運(yùn)行的北京槐房再生水廠處理規(guī)模為60 萬(wàn)m3/d。截止2016 年5 月，全球規(guī)模大于15 萬(wàn)m3/d 的MBR 污水處理廠統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 處理規(guī)模大于15 萬(wàn)m3/d 的MBR 污水處理廠統(tǒng)計(jì)

2 膜生物反應(yīng)器工藝運(yùn)行實(shí)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(jīng)二期擴(kuò)改提標(biāo)后目前總處理能力為8 萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水主要指標(biāo)：CODcr≤420 mg/L、NH4-N+≤60 mg/L、TN≤70 mg/L、TP≤8 mg/L。主要排 放 指 標(biāo)：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(lián)完成污水的再生處理，其中2.5 萬(wàn)m3/d 以“A/A/O+ 二沉+ 自清洗過(guò)濾器+ 超濾”為主體處理工藝，另5.5 萬(wàn)m3/d主體處理工藝為“A/A/O/A/O+MBR”。

MBR 車間現(xiàn)場(chǎng)部分照片如圖3 和圖4 所示。該MBR 工藝處理系統(tǒng)于2016 年建成投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)近兩年的生產(chǎn)，運(yùn)行效果完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖3 膜池車間現(xiàn)場(chǎng)

圖4 膜組件上部管道連接

2.2 運(yùn)行效果分析

該廠2.5 萬(wàn)m3/d 的A/A/O 工藝生化池HRT 為19.5 h，5.5 萬(wàn)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(dá)9 g/L。采用了MBR 處理工藝后，生化效率相比傳統(tǒng)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(dá)85%以上，高于傳統(tǒng)脫氮工藝至少10%，優(yōu)于設(shè)計(jì)預(yù)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(gè)周期，其中反洗時(shí)間0.5 min，日常清洗的氣洗采用間歇曝氣；酸堿洗15 d 一個(gè)周期，堿洗每2 d 一次，酸洗15 d 一次，酸堿洗時(shí)間每次均為3 min。定期清洗在膜池內(nèi)完成，操作程序?yàn)榉趴障鄳?yīng)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(nèi)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(shè)定程序自動(dòng)完成。MBR 系統(tǒng)的日常清洗現(xiàn)場(chǎng)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(jié)束工況圖

2.4 膜清洗能耗分析

該廠選擇的MBR 膜，其膜絲強(qiáng)度較大且有韌性，只需要底端固定，就能組裝成型，構(gòu)成穩(wěn)定完整的膜組件。工作時(shí)，除固定于底端的部分膜絲不能擺動(dòng)外，其余部分象海草一樣可在水中自由擺動(dòng)，離底端越遠(yuǎn)膜絲擺動(dòng)幅度越大。這種膜組件不存在頂部污染問(wèn)題，且可避免污染物在膜絲表面的集聚，減少膜面污堵的發(fā)生概率，利于膜表面清洗時(shí)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(qū)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(tǒng)工藝增大。但由于該廠日常清洗時(shí)空氣擦洗為間歇曝氣，在一個(gè)氣洗周期的122 s 內(nèi)，僅有33 s 為曝氣時(shí)間，用氣量只為連續(xù)曝氣清洗氣量的約1/4；同時(shí)，因采用了更易擦洗的單頭固定膜組件設(shè)計(jì)，單位曝氣強(qiáng)度也將下降。因此與其它膜工藝采用的連續(xù)曝氣方式相比，其噸水膜擦洗曝氣量及能耗可節(jié)省75%以上。經(jīng)初步估算，膜系統(tǒng)總能耗約0.14 kW·h/m3水，擦洗風(fēng)機(jī)、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(zhì)為PVDF，膜孔徑0.03 μm，過(guò)水通量18.5 L/m2·h。運(yùn)行近2 a 后，膜組件維護(hù)良好，膜通量累計(jì)衰減率低于10%，膜質(zhì)保7 a，預(yù)計(jì)使用年限不低于8 a。據(jù)了解，其它采用同廠家膜的污水處理廠，經(jīng)過(guò)5 年半的運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定，除TN 外，實(shí)際出水穩(wěn)定達(dá)到類IV 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。可見(jiàn)，膜處理工藝可以保證多年穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 MBR 工藝在我國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 研發(fā)高性能、耐污染的制膜材料

新的合成技術(shù)將促進(jìn)制膜材料的突破，高通量、低跨壓、耐污染的MBR 產(chǎn)品，是膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，依托膜產(chǎn)業(yè)研發(fā)能力的提高，可以從根本上解決降低膜清洗、膜抽吸導(dǎo)致的高能耗問(wèn)題。

3.2 挖掘MBR 工藝潛能，促使成本的進(jìn)一步合理

通過(guò)MBR 更大規(guī)模的量產(chǎn)降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)膜產(chǎn)品價(jià)格的降低。在優(yōu)化MBR 系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的同時(shí)，充分利用生化系統(tǒng)高M(jìn)LSS 值的特性、HRT 和SRT 的分離特性，挖掘微生物協(xié)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(tǒng)高效處理節(jié)省外加碳源成本而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步合理。

3.3 探索MBR 工藝優(yōu)化途徑，克服工藝“水土不服”的問(wèn)題

傳統(tǒng)A/A/O 工藝優(yōu)化為多段多級(jí)A/O 工藝，或A/A/O/A/O 等多級(jí)厭氧缺氧工藝，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)MBR 工藝的最優(yōu)處理效能，既符合我國(guó)環(huán)境治理對(duì)污水處理高標(biāo)準(zhǔn)出水要求的國(guó)情，又真正做到MBR 工藝高端裝備與高標(biāo)準(zhǔn)出水要求的均衡配置，避免高端產(chǎn)品與低標(biāo)準(zhǔn)出水的錯(cuò)配，克服MBR 工藝“水土不服”的問(wèn)題。

3.4 促進(jìn)再生水利用，推動(dòng)MBR 工藝的應(yīng)用

高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)及水資源的實(shí)際性匱乏，將促進(jìn)再生水回用的推廣和普及。再生水回用產(chǎn)生的社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)價(jià)值，客觀上帶來(lái)市政污水處理成本的實(shí)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(shì)。因此，污水處理各類成本的相對(duì)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(gè)行業(yè)對(duì)MBR“高貴、嬌貴、昂貴”的“三貴”印象，重塑市政污水行業(yè)對(duì)膜的認(rèn)識(shí)，并促進(jìn)MBR 工藝的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

4 結(jié) 論

MBR 工藝單位處理負(fù)荷高，脫氮效率高，可節(jié)省外加碳源；隨著高標(biāo)準(zhǔn)出水要求的嚴(yán)格，MBR 工藝節(jié)約藥劑所產(chǎn)生的效益將逐漸擴(kuò)大，其運(yùn)行成本將越來(lái)越接近、甚至低于傳統(tǒng)工藝。經(jīng)過(guò)十幾年的工程實(shí)踐，MBR 工藝無(wú)論從膜材料、膜組件的制造、膜工藝的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用，均取得了巨大的進(jìn)步。在實(shí)際運(yùn)行中，MBR 系統(tǒng)處理效率高、脫氮能力強(qiáng)，具備硝化與反硝化同步脫氮的處理潛能，與此相關(guān)的理論研究和工程實(shí)踐，正在持續(xù)不斷的推進(jìn)。隨著工程實(shí)踐的不斷豐富，MBR 工藝將得到進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。