MBR工藝在污水處理再生廠中的工程應用

汪啟光

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

作為一個人口眾多、人均資源極為有限的國家，我國在經濟發展和城鎮化建設過程中同時面臨著水資源短缺和水環境污染兩方面的壓力。隨著用水量的不斷增加，城市水資源的供需矛盾將更加突出，為了緩解這一矛盾，必須加強對淡水資源的開發與管理，尋找新的可利用水源，其中也包括對城市污水資源的再生利用[1，2]。國內外的實踐經驗證明，城市污水經過深度處理后再生利用，可以作為城市可靠、廉價的第二水源。城市污水的處理再生為解決供水需求、減輕水體污染、改善生態環境方面提供了有效途徑。

基于對城市污水資源化的認識，許多發達國家在水環境污染治理戰略目標與技術路線上進行了重大調整，由“污水處理、達標排放”轉變為以水質再生為核心的“水的循環再用”，傳統意義上的污水處理廠由“污水處理再生廠”所取代，可起到削減污染負荷與開發城市污水資源的雙重作用[3]。

我國的城市污水再生利用工作起步較晚，國內已建及在建的城市污水處理廠一般采用常規的二級生化處理工藝。在此基礎上，污水深度處理工藝是實現城市污水再生利用的關鍵。現階段對污水深度處理領域先進工藝的應用探索，對于我國建設高標準的污水處理再生廠以及已建污水處理廠的改造具有重要而深遠的意義。

1 污水處理再生廠項目概況

1.1 污水處理再生廠設計規模

海口市美安科技新城位于海口市西南部，距離海口市中心17 km，美蘭國際機場30 km。規劃區總用地面積為59.29 km2。

根據美安科技新城的規劃定位和設計目標，區域內生活污水經處理后，將再生水回用作為城市雜用水及部分工業用水，給水系統采用“雙上”模式——給水管網、再生水管網，排水系統采用“雙下”模式——生活污水管網、工業廢水管網，水量平衡情況見圖1。

圖1 水量平衡示意圖

美安科技新城近期開發區域的生活污水量預測為1萬m3/d，新建一座處理規模為1萬m3/d的污水處理再生廠，對區域內生活污水全部進行處理再生，作為再生水管網的供水水源。

1.2 進出水水質

確定污水處理再生水廠進水水質時，參考了區域內同類型城市污水處理廠進水水質，結合美安科技新城的實際情況，并考慮到將來的綜合發展。

出水水質的確定綜合參考《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T 18920-2002）、《城市污水再生利用景觀環境用水水質》（GB/T 18921-2002）、《城市污水再生利用工業用水水質指標》（GB/T 19923-2002）的相關指標，出水能滿足再生水用作城市雜用水及工業用水的水質要求，也可作為景觀用水的補充水。

污水處理再生水廠進出水水質見表1。

表1 污水處理再生水廠進出水水質

2 污水深度處理工藝比選

2.1 MBR工藝原理及特點

膜生物反應器（Membrane-Bioreactor，簡稱MBR）是20世紀末發展起來的污水深度處理新興工藝，目前該技術已在歐洲、北美及亞洲一些國家得到較快的發展,并在水處理的許多領域得到應用[4]。我國應用此項技術進行污水再生利用的研究始于1993年，目前已在居住小區污水再生利用、工業企業廢水再生利用等中小規模項目中得到了廣泛應用，市場化前景廣闊[5]。MBR工藝在國內城市污水處理再生廠的應用方面尚屬于發展和推廣應用階段，北京市北小河再生水廠（設計處理規模6萬m3/d）對此率先進行了成功的探索[6]。

MBR工藝將膜分離技術與傳統污水生物處理工藝進行有機結合，利用膜分離的選擇透過性與高效性，由膜組件取代二次沉淀池進行固液分離。膜組件可以提高懸浮固體的去除效率，達到延長污泥停留時間、降低污泥負荷的作用，有利于硝化菌等生長緩慢的細菌在反應器中的生長和富集，從而提高脫氮和分解難降解有機物的效率。因此，MBR工藝一方面提升了傳統工藝固液分離的效果，另一方面改善了生物處理的運行狀態，從而使生物處理效果得到強化。

MBR工藝與傳統生物處理工藝相比，具有以下主要特點：

（1）出水水質良好、處理效果穩定

膜組件的高效分離作用保證了MBR工藝具有良好的出水水質，同時提高生物處理單元的污泥濃度，使得世代周期較長的微生物以及不易形成菌膠團的微生物得以富集和繁殖，形成較為完整的微生物鏈，大大提高處理效率和系統的穩定性。

高污泥濃度使MBR工藝具有很強的抗沖擊負荷能力，城市污水處理再生廠的進水水量、水質往往波動較大，系統耐沖擊負荷的特點對于保證處理效果的穩定非常有利。

（2）節約占地

MBR工藝可以維持較高的系統污泥濃度，通常生物處理單元的MLSS為10～25 g/L，是傳統生物處理的3～5倍，在生物處理單元減小的同時取代二沉池，工藝流程簡單，結構緊湊。

（3）便于管理和自動控制

MBR工藝克服了污泥膨脹和污泥流失的問題，實現了生化反應的SRT和HRT的分離，易于實現自動化控制，操作管理更簡便。

同時由于MBR工藝的模塊化特征，污泥濃度有很寬的可控范圍，可以通過增加膜組件來靈活應對處理規模的增長。

（4）節省污泥處理處置費用

MBR工藝污泥泥齡長，污泥產率低，可以大大節省后續對剩余污泥進行處理處置的費用。

2.2 方案比選

設有粗、細格柵、沉砂池等預處理單元，在美安科技新城污水處理再生廠深度處理的方案比選中，將MBR工藝與目前廣泛應用的A2/O+過濾工藝進行了綜合對比，見表2。

表2 MBR與A2/O+過濾工藝對比表

目前，將傳統A2/O脫氮除磷單元與過濾單元組合進行深度處理的工藝已經非常成熟，在過濾單元的研究上，發展出了高效纖維濾池、連續流砂濾池、纖維過濾轉盤等新型工藝，在實際工程應用中取得了良好的效果。

方案一：MBR工藝（見圖2）

方案二：A2/O＋過濾工藝（見圖3）

圖3 A2/O＋過濾工藝示意

通過對上述二個方案的全面比較和分析可知，MBR工藝與A2/O+過濾工藝在技術、經濟和運行管理上各有優勢。在本工程深度處理方案的比選中，主要考慮以下方面的實際需要和要求。

（1）出水水質要求高

本工程出水作為再生水管網的供水水源，要求滿足再生水用作城市雜用水、工業用水或景觀用水的水質要求。如果出水不能達到水質要求，或出現較大的水質波動，將給再生水的應用和推廣造成障礙。

（2）用地要求緊湊

本工程污水處理再生廠要求采用緊湊的用地布置，以節約寶貴的土地資源，也符合國家在市政建設領域嚴格土地管理、促進集約用地的發展要求

（3）減少對周邊環境的影響

根據美安科技新城“現代化綠色科技產業新城”的建設定位，本工程污水處理再生廠要求對運行過程中產生的臭氣、噪聲、污泥進行有效處理，減少對周邊環境的二次污染。

MBR工藝與A2/O+過濾工藝相比，出水水質和穩定性更好，顯著節約用地，構筑物占地小從而更有利于除臭降噪。因此，雖然總投資比A2/O+過濾工藝略高10%～15%，但MBR工藝更適合作為本工程新建污水處理再生廠的深度處理工藝。

在A2/O+過濾工藝中，保證二沉池的沉淀效果是系統穩定、高效運行的關鍵。對于二沉池的運行效果良好、穩定的已建污水處理廠，A2/O+過濾工藝適合作為提標改造時的深度處理工藝。

3 MBR工藝設計

本工程污水處理再生廠中建設一座處理規模為1萬m3/d的MBR系統，系統由缺氧池、曝氣池、膜池以及綜合車間組成，合建構筑物平面尺寸為61.2 m×24.7 m，地面以上高3.5～6.5 m，深1.5 m，見圖4、圖5。

進水經粗、細格柵、沉砂池等單元預處理后，依次經過缺氧池、曝氣池和膜池。缺氧池、曝氣池和膜池均設有規模相同的兩座，通過進水端配水渠進行配水。各池設計參數如下。

（1）缺氧池

停留時間：2 h；

單組有效容積：417 m（3共兩座）。

（2）曝氣池

停留時間：6 h；

單組有效容積：1 251 m（3共兩座）；

污泥回流量：360 m3/h。

圖4 MBR系統平面圖（單位：mm）

圖5 MBR系統剖面圖（單位：mm）

（3）膜池

污泥濃度：8.0 gMLSS/L；

膜組件：采用PVC中空纖維膜組件，每座膜池含18組，共36組；

過濾面積：650 m2/組；

過濾通量：18.0 L/m2·h；

在線化學清洗：15～30 d一次，采用在線清洗泵，由清洗池抽水，分別加入次氯酸鈉和檸檬酸對每個系列膜組件進行在線清洗；

離線化學清洗：半年一次，設置次氯酸鈉清洗池（堿洗池）和檸檬酸清洗池（酸洗池），每批清洗3個組件。

4 結語

MBR工藝作為一種新型高效污水處理工藝，具有諸多傳統工藝所不具備的優點，但目前存在的一些技術難點對其推廣應用造成了阻礙。如膜材料的壽命較低，更換膜組件的需要使得系統整體運行費用偏高；膜組件出現阻塞和污染時需要進行清洗，日常維護管理工作量較大。但隨著新型膜材料日新月異的進步，膜材料質量的進一步提升和制造成本的降低，以及膜組件及裝備集成技術的不斷推陳出新，發展完善，有望逐步破解現存的技術難點和應用障礙，為MBR工藝在污水再生領域的應用帶來更光明的前景。

[1] 鄧風.城市污水深度處理工藝及回用途徑探討[J].節能,2002(4):41-42.

[2] 雷樂成,楊岳平,汪大翠,等.污水回用新技術及工程設計[M].北京:化學工業出版社,2002.

[3] 張 杰 ,曹開朗.城市污水深度處理與水資源可持續利用[J].中國給水排水,2001,17(3):20-21.

[4] Ren Nan-qi,Yan Xian-feng,Chen Zhao-bo,etc.Feasibility and simulation model of a pilot scale membrane bioreactor for wastewater treatment and reuse from Chinese traditional medicine[J].Journal of Environmental Sciences,2007,19(2):129-134.

[5] 鄧耀杰,李平,朱凡,等.以回用為目標的污水深度處理組合工藝及其發展[J].環境工程,2005,23(3):10-14.

[6] 楊岸明,甘一萍,常江,等.北京市北小河再生水廠MBR工藝介紹[J].膜科學與技術,2011,31(4):95-98.