某園區污水處理廠MBR膜生物反應器工程淺析

欒志翔

（青島市團島污水處理廠，山東 青島266001）

0 引 言

某園區隨著基礎設施的逐步完善，入園企業持續增加，擬近期新建1.5 萬m3/d 污水處理廠，峰值系數1.56，出水標準為準四類水體標準。設計進出水水質見表1。

表1 設計進出水水質

該廠主體工藝采用“A/A/O + MBR”工藝，詳細流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

本文結合實際工程，介紹了MBR 工藝特點、膜形式比選、詳細生化設計參數、膜污染控制等方面的內容。

1 MBR 工藝介紹

膜生物反應器（membrane bioreactor，MBR）是將膜分離技術與生物處理單元相結合的水處理新技術。整個反應系統主要由核心膜組器、產水系統、清洗系統等組成。它以高效的膜分離替代了傳統活性污泥法工藝中的二沉池，省去了后者濃縮后剩余污泥的回流。

相比于傳統工藝，MBR 工藝主要具有以下優點：

（1）反應器內的生物相濃度高，提高了容積負荷和抗沖擊能力，減小了生化池容；同時采用膜生物反應器，即替代了傳統污水處理工藝中的沉淀、混凝、過濾等多個處理構筑物，大大縮短了工藝流程，減少了占地。

（2）能夠實現優于傳統沉淀池的高效固液分離，且不受污泥膨脹的影響。出水水質良好穩定，進水以城市污水為例，膜后出水可以直接回用。

（3）膜的高效截留作用使微生物完全滯留，實現了反應器水力停留時間和污泥齡的完全分離，使運行控制更加靈活穩定。

（4）膜生物反應器在高容積負荷、低污泥負荷下運行，有機負荷低、泥齡長，剩余污泥產量低，減少了污泥處置費用。

2 MBR 膜形式比選

一般污水處理領域常用的PVDF 膜按膜孔徑大小區分（以0.1 μm 為界），可分為超濾膜（＜0.1 μm）和微濾膜（≥0.1 μm）。

如圖2 所示，細菌尺寸大于0.1 μm，若采用微濾膜，則大部分細菌可以穿透膜孔，在膜背面繁殖生長，直至膜孔堵塞，這屬于不可逆的污堵，即使附加化學反洗亦不能完全清除；若采用超濾膜由于膜孔徑小于0.1 μm，細菌無法穿透而被截留在膜表面，便可通過曝氣擦洗和化學反洗去除。

圖2 超濾、微濾孔徑與污染物尺寸圖

一般污水處理領域常用的PVDF 膜按膜元件形式區分，可分為中空纖維膜和平板膜，兩者的對比情況見表2。

表2 中空纖維膜與平板膜對比

中空纖維膜可以在線水反洗且裝填密度高，但由于膜絲上下兩端固定的構造，該部位擦洗不充分，容易造成淤積和污染，即使高強度的持續性曝氣，亦不能將此處的積泥吹掃，此時需要將膜組器起吊而出，進行人工干預清洗，即高壓水槍沖洗。此外，若前端預處理不妥善，一旦碰到纖維狀的雜質纏繞外加曝氣，膜絲易斷；當中空纖維膜斷絲率達到一定程度時，即需更換膜組器。

平板膜采用兩側固定、上下通透的構造形式，因此不存在中空纖維膜上下兩端積泥的情況，無須人工干預清洗，且結構強度高，無斷絲現象，抗膜污染能力強，運營維護更簡便，使用壽命更長。

相比而言，平板膜相對價格較高，初期投入較大，但考慮到其更換頻率較低，若從長遠角度來看，與中空纖維膜的投資成本基本持平。若污水處理廠內人員充足，且具備MBR 膜運營維護的經驗，或對膜的使用壽命無嚴格要求（即可接受一定頻率的更換），則從初期成本角度考慮，宜選用中空纖維膜；若廠內不具備足夠的作業人員，或對膜的使用壽命要求較高，則顧及到人工干預清洗的繁復性和膜的抗污堵能力，宜選用平板膜。

本文所述實際工程中，污水處理廠位于起步的園區內，人員配置不足，相關經驗欠缺，難以實現頻繁的MBR 膜運維，特別是人工清洗；同時項目要求膜的使用壽命達到7 a 以上。鑒于上述原因，該污水處理廠選用的是（超濾）平板膜。

3 MBR 工藝詳細生化設計

以下針對本文所述實際工程的生化設計做詳細描述，新建MBR 生物反應池一座，設計規模為1.5 萬m3/d。

3.1 A/A/O 生物反應池

新建A/A/O 生物反應池一座（分兩組），設計規模1.5 萬m3/d。該池有效水深6.1 m，總有效容積7410 m3，總停留時間11.9 h。

生物反應池主要由厭氧區、缺氧區和好氧區組成，其主要功能是實現污水中有機污染物及氮、磷等污染物的去除。

3.1.1 厭氧區

膜格柵出水進入厭氧區，同時進入的還有缺氧區的回流混合液。厭氧菌通過水解酸化作用將污水中的大分子有機物轉化成小分子有機物；回流污泥中的聚磷菌吸收污水中的磷，并儲存PHB在細菌內部，便于后端好氧區內對磷更好地吸收。

3.1.2 缺氧區

厭氧區出水進入缺氧區，同時進入的還有好氧區的回流混合液。缺氧環境下，反硝化菌利用污水中的有機物作為碳源，將回流混合液中帶入的硝態氮還原成氮氣，達到脫氮的目的；經過缺氧區反硝化后的混合液再回流至厭氧區，降低硝態氮對厭氧釋磷的抑制作用。另外，反硝化作用需要足夠的碳源，通常向缺氧區中投加優質碳源，提高反硝化的脫氮效果。

3.1.3 好氧區

缺氧區出水進入好氧區，同時進入的還有膜池的回流污泥。好氧環境下，好氧微生物將污水中的有機污染物質吸附降解；硝化細菌將氨氮轉化成硝態氮，并通過回流至缺氧區，進行反硝化作用徹底脫氮；聚磷菌利用厭氧區內儲存的PHB，過量攝取磷，降低污水中的磷濃度，最終通過剩余污泥的排放實現對磷的去除。另外由于生物除磷作用通常難以完全達標，因此向好氧區內投加除磷藥劑，同步進行化學除磷。

3.1.4 主要設計參數

設計規模1.5 萬m3/d；總停留時間11.9 h；有效水深6.1 m；厭氧區停留時間1.8 h；缺氧區停留時間2.8 h；好氧區停留時間7.3 h；污泥濃度6～8 g/L；剩余污泥量1300 kg/d；氣水比6.3∶1；膜池至好氧污泥回流比300%～400%；好氧至缺氧混合液回流200%～300%；缺氧至厭氧混合液回流100%～200%。

3.2 MBR 膜池

新建MBR 膜池一座（分四格），設計規模1.5 萬m3/d，選用浸沒式的膜組器作為核心設備。

前端好氧區出水進入MBR 膜池，利用膜高效截留后池內較高的污泥濃度與豐富的生物相，進一步降解污染物質；同時進行泥水的固液分離過程，出水通過泵組抽吸進入后端清水池。

MBR 膜池配套產水系統、擦洗系統和加藥清洗系統等。

主要設計參數：設計規模1.5 萬m3/d；停留時間1.6 h；污泥濃度10 g/L；氣水比16∶1；膜池至好氧污泥回流比300%～400%。

3.2.1 膜組器設計參數選擇

膜組器設計參數選擇見表3。

表3 膜組器設計參數

3.2.2 膜擦洗風量

膜組器總數56 套；單位面積擦洗風量0.3 N·m3/（m2·h）；總擦洗風量為56×600×0.3÷60=168（m3/min）。

設備選型：空氣懸浮鼓風機，Q=84 m3/min，H=4.5 m，N= 125 kW，3 臺（2 用1 備，變頻控制）。

3.2.3 抽吸（產水）及反洗雙向泵

兩個膜廊道（即一格膜池）對應一臺雙向泵。

設備運行方式：運行6 min 停1 min，設計流量變化系數為1.3。

抽吸產水流量：Q=15000÷（24×6÷7）÷4×1.3 =237（m3/h），H=-10～10 m，N= 18.5 kW，5 臺（4 用1冷備）。

3.2.4 化學反洗加藥量

由于兩個膜廊道對應一臺雙向泵，則兩個膜廊道也對應一次化學反洗。

次氯酸鈉原液濃度按10%、密度按1.1×103kg/m3計算；檸檬酸原液濃度按30%、密度按1.13×103kg/m3計算。

3.2.4.1 維護性清洗

維護性清洗設計參數（以單格膜池為例）見表4。

表4 維護性清洗設計參數

以下計算以次氯酸鈉為例，檸檬酸亦同：

（1）每次在線清洗加藥量：5 L/m2× 600 m2×14÷1000 =42 m3。

（2）每周原液需求量：2×42 m3×500 mg/L÷10%÷1100 kg/m3=382 kg。

（3）雙向泵反洗運行流量：42 m3×60÷30=84 m3/h。

（4）加藥泵運行流量：84 m3/h×500 mg/L÷10%÷1100 kg/m3=382 L/h。

3.2.4.2 恢復性清洗

恢復性清洗設計參數（以單格膜池為例，原位膜池利用）見表5。

表5 恢復性清洗設計參數

以下計算以次氯酸鈉為例，檸檬酸亦同：

（1）每年離線清洗總加藥量：230 m3×2=460 m3。

（2） 每年原液需求量：460 m3×2000 mg/L÷10% ÷ 1100 kg/m3= 8364 kg。

（3）雙向泵反洗運行流量：230 m3×60÷60 =230 m3/h。

（4）加藥泵運行流量：230 m3/h×2000 mg/L ÷10%÷1100 kg/m3= 4182 L/h。

鑒于在線清洗和離線清洗所需加藥泵運行流量的差距較大，若以高流量為參考選取泵型，則變頻至符合低流量的情況時，加藥泵難以實現精確的流量控制。因此在線清洗和離線清洗的加藥泵分開選型，并配置電磁流量計用以監測加藥量。

4 膜污染控制

MBR 工藝中，膜污染情況是決定核心設備（膜組器）使用壽命的關鍵因素，對膜污染的控制影響著系統能否正常、持久及穩定地運行。根據運行經驗，可以通過以下幾個方面進行控制。

4.1 膜前預處理

工程設計中，在污水進入生物反應池之前，設置膜格柵用于攔截可能對膜組器造成纏繞或堵塞的纖維、毛發等污染物質，保證設備的正常運行。由于平板膜的構造形式，其結構強度高，對預處理的要求（格柵間隙不大于2 mm）低于中空纖維膜（格柵間隙不大于1 mm）。

4.2 運行方式

“抽吸+ 閑置”的運行方式（如本文所述實際工程中運行6 min 停1 min）。閑置指的是當抽吸停歇，但膜池內持續曝氣的一段短時間。在閑置期間，由于曝氣持續且抽吸不足，污水內的污染物質會形成一個遠離膜表面的凈流，借此減緩膜污堵的速率。

4.3 曝氣擦洗

持續性的曝氣擦洗，在膜表面形成氣水沖刷，抑制了污染物質在膜表面的黏附和沉積。

4.4 化學清洗

（1）維護性清洗。定期的原位化學清洗（反洗模式下），以低濃度的化學藥劑進行短時間（例如1 h）的清洗，每周進行一次或幾次。此清洗旨在減緩或避免膜表面上的污垢沉積。

（2）恢復性清洗。定期的原位或離位化學浸泡，以較高濃度的化學藥劑進行幾小時的清洗，每年進行一次或幾次。此清洗旨在去除所有膜表面上的污垢殘留，并將膜的過濾性能“恢復”至接近其初始值或可接受值。每年至少需進行一次該類清洗，以確保膜不受到不可逆的污染或損壞，即使運行狀況良好亦需執行。

次氯酸鈉針對有機和生物質污染，檸檬酸則針對無機污染和結垢。

5 結 語

（1）相較于中空纖維膜，平板膜通量大，依賴于其構造形式，應用過程中無前者積泥或斷絲的現象，因而抗污染能力更強，且無須人工干預清洗，運營維護更簡便，使用壽命更長；同時，平板膜更高的結構強度使其對膜前預處理（膜格柵）的要求低于中空纖維膜。

本文結合實際工程，對人員配置不足（不宜有繁復運維作業） 或對膜使用壽命有較高要求的MBR 工藝污水處理廠選擇平板膜具有一定的借鑒意義。

（2）MBR 工藝能否正常穩定地運行，取決于膜污染的控制是否到位。可以從膜前預處理環節、膜系統運行方式和配套的清洗等方面考慮優化。