城鎮污水處理工程MBR工藝膜系統設計關鍵技術

張新，劉陽，唐啟造

（中交二公局上海遠通路橋工程有限公司，上海 201315）

1 引言

在城鎮污水處理作業大范圍推進過程中，MBR 工藝膜系統在城鎮污水處理工程中的應用優勢逐漸彰顯。 一城鎮污水處理工程擬建一座臨時污水處理站、配套污水管網，其中污水處理站包括調節池、污泥池、集中式污水處理系統、取樣觀察池等埋地構筑物，場地±0.00 m 標高為5.50 m，污水處理關鍵模塊為MBR 工藝膜系統。

2 城鎮污水處理工程MBR的應用優勢

2.1 脫氮效率高

MBR 又可稱之為膜生物反應器，由膜分離單元、生物處理單元組成。 在城鎮污水處理工程中應用MBR，可以全部截留水中微生物，有效分離水力停留時間、污泥齡，延長污泥齡，為硝化細菌增殖提供良好環境，進而提高脫氮效率[1]。

2.2 處理效果佳

在城鎮污水處理工程中應用MBR，可以截留部分大分子難溶性污染物，促使膜生物反應器內污染物停留時間延長，提高難降解污染物以及懸浮物去除效率。 同時，作為一種生化處理工藝，MBR 膜可以將有機物轉化為二氧化碳和水， 將氮污染物轉化為氮氣，降低濃縮液濃度，提高產水率。

2.3 耐沖擊能力強

MBR 的污泥負荷范圍在0.15 kgCOD/ （kgVSS·d）±0.05 kgCOD/（kgVSS·d）之間，體積負荷達到數千克。 在城鎮污水處理工程中應用MBR， 可以有效提高污水處理工程的耐沖擊能力。

2.4 占地面積小

MBR 膜系統截留率較高，反應容器內污泥濃度高于傳統活性污泥法。 在城鎮污水處理工程中應用MBR，可以在污泥濃度一定時減小反應器容積， 進而縮小整個污水處理工程占地面積[2]。

3 城鎮污水處理工程MBR工藝膜系統設計的關鍵技術

3.1 MBR工藝膜組件設計

膜組件即以特定形式在一個基本單元設備組裝膜， 在一定作用力驅動下完成混合液組分分離， 可以在降低工業化生產、安裝效率的同時，實現在單位體積內膜面積最大，促使膜工作效率更高。 城鎮污水處理工程中，MBR 工藝膜組件是膜片拼裝的成果。 常見膜組件形式為板框式、圓管式、中空纖維式，三者定性對比如表1 所示，可以根據要求選擇適宜的膜組件形式。

表1 城鎮污水處理工程中MBR工藝膜組件定性比較

板框式膜組件外形類似于板框式壓濾機，具有組裝簡單、便于維護清洗與更換、操作便捷的優良特點，但也存在密封復雜、裝填密度小、壓力損失大的缺陷。 板框式膜組件采用平板膜，對于平板膜，為彌補膜系統占用空間過大，應控制膜組件之間距離在60 mm 以上但小于80 mm；圓管式膜組件多選擇內壓式，由管內進水，管外流出滲透液，膜直徑大于或等于6 mm 但小于24 mm，料液可以完成湍流控制，清洗難度小，堵塞風險低，壓力損失小，但裝填密度也處于較小的水平；中空纖維式膜組件外徑多大于40 μm 但小于250 μm，內徑多大于25 μm 但小于42 μm，多直接放入反應器內構成浸沒式膜-生物反應器，具有裝填密度高的特點，但也存在清洗困難、污染風險高的問題。 圓管式、中空纖維式膜組件采用管式膜，圓管式膜直徑大于10 mm，中空纖維式膜直徑小于0.5 mm。 為了確保沖洗氣流順利到達頂部膜絲， 膜片與膜片之間的距離應超過100 mm， 軸心距超過140 mm。 若膜片本身膜絲密度較大，則需要進一步增加有效間距，減少膜絲之間的截留物、板結，降低膜組件后期清洗維護效率。

考慮城鎮污水處理工程中長時間運行膜通量衰減、 城鎮人口增加引發的產水量提高， 需要設計預留1 個膜池的膜通量參數， 每一個膜池預留的膜組件數量為2 個， 膜過濾面積1.5 m2的膜元件對應的膜組件有效過濾面積一定時，可以得出膜組件的組數[3]。比如，在準備檢查維護、離線清洗備用組件的情況下，實際使用21 個膜池，選用252 組膜組件。 在膜組件組數確定的基礎上，根據安裝空間，沿著橫向（或豎向）進行膜片安裝。 輕微下垂膜絲，膜絲下垂幅度在10 mm 左右，在膜絲不承受拉力的情況下盡可能拉直膜絲，避免膜絲、膜絲之間出現雜物殘留。 膜組件體積與安裝密度緊密相關，對攪拌空氣量也具有一定影響， 因此， 應控制單一膜組件處理量小于或等于1.5 m3/h。

3.2 MBR工藝膜系統參數設計

3.2.1 曝氣量

城鎮污水處理工程中，MBR 工藝膜系統曝氣量可以根據經驗設定汽水比為24∶1， 對應常規污水處理池深度為3.5 m。MBR 工藝膜系統的溶氧量（水中氧氣溶解量）超過2.5 mg/L但小于5 mg/L，正常液位下溶氧量為3 mg/L。風機排壓選型較之最高液位高0.01 MPa，配合風機出口泄氣閥全開，泄出70%空氣量。

3.2.2 跨膜壓差

跨膜壓差（泵進水口高度與生化池液位高度差）是MBR工藝膜系統的重要參數，一般需要小于0.03 MPa。若真空表讀數達到0.03 MPa，生化池液位超出泵進水口1m，則MBR 工藝膜跨膜壓差為0.04 MPa； 若真空表讀數達到0.03 MPa，泵安裝高度超過生化池液位1 m， 則MBR 工藝膜跨膜壓差為0.02 MPa。

3.2.3 膜通量

膜通量是MBR 膜分離單元的關鍵參數，特指單位時間內單位膜面積的透水量， 城鎮污水處理的設計膜通量為15～25 L/（m2·h）。 作為一個變化量，膜通量設計需要綜合考慮設計平均膜通量（設計處理規模下設計膜面積通量）、設計峰值膜通量（水量峰值情況下設計膜面積通量）、最大實際膜通量（水量峰值下總產水量）。 在膜元件平均通量為17 L/（m2·h）時，每一片膜元件有效過濾面積為1.5 m2，平均過濾量為1 042 m3/h，可以計算膜的片數。

3.2.4 抽吸與沖洗

為減少MBR 工藝膜堵塞頻率， 設置MBR 抽吸泵運行13 min， 停止2 min。 同時設計工藝膜清洗工序為水沖洗→1.5%±0.5%堿液浸洗2 h→2%檸檬酸浸洗2 h→5%～10%次氯酸鈉浸洗2 h→水沖洗。 若膜絲失水，則將其浸泡到95%工業酒精內2 min。 每間隔24 h 進行一次在線反沖洗，經末端自來水過濾器過濾自來水沖洗，沖洗水量達到正常過濾通量2～3倍，過濾精度達到50 μm，壓力小于2.5 MPa。

3.3 MBR工藝膜系統布置設計

3.3.1 反應器池布置

根據膜組件安裝尺寸， 膜生物反應器池深度為3.0 m，長度、寬度均為4.3 m。 考慮保護高度0.5 m 與生化需氧量容積負荷1.0 kg/（m3·d），設計膜生物反應池容積為64.7 m3。 根據城鎮污水量季節性特征，在膜生物反應池前布置矩形調節池，調節池總體積為210 m3，劃分3 格，每格設計流量8.4 m3/h，停留7 h，將曝氣管布置在調節池內，利用氣管混合水，實現預曝氣。 調節池前布置初沉池，初沉池設計沉淀區、污泥區，其中沉淀區有效水深2 m，長16.2 m，有效容積12.5 m3；污泥區容積由沉淀池進水懸浮物濃度、浮固體去除率（50%）、兩次排泥時間間隔（2 d）、污泥重度、污泥含水率決定，一般為2.0 m3。

3.3.2 膜組件清洗布置

為減少MBR 工藝膜系統運行強度，以膜組件清洗為切入點，規劃膜組件出池入池定位，水管、氣管經優質法蘭（或球閥）連接。 在膜組件清洗槽布置時，設置3 個化學浸泡槽與配套塑料排污泵，浸泡槽容量滿足全部膜組件浸泡要求（淹沒膜絲后預留500 mm 高），總深度為池底平臺高度、膜組件底部到最上部膜絲高度、500 mm 超高的和，并設置穿孔曝氣管道、保護平臺，便于藥液由浸泡槽轉移到儲液桶。 同時，將2 個儲液桶設置在3 個化學浸泡槽邊緣， 儲液桶容量超過化學浸泡槽有效容積， 為MBR 工藝膜組件清洗藥液的重復使用提供依據。比如，次氯酸鈉經澄清處理后儲存回用等。在這個基礎上，根據MBR 工藝膜系統內浸泡槽攪拌空氣量，以劇烈攪拌為基準，進行浸泡槽設置與調節閥安裝。 經自來水加入管道連通浸泡槽， 浸泡槽注滿時間在10 min 左右。 一般在自來水壓力達到2～3 MPa 時，DN50 的自來水管流量應超過18 m3/h 但小于22 m3/h。

3.4 MBR工藝膜系統設備設計

3.4.1 曝氣裝置

MBR 工藝膜系統中曝氣裝置由2 臺羅茨風機、1 個曝氣器、1 組管路閥門組成。 曝氣裝置設計MBR 進水生化需氧量為114 mg/L，處理水流量202 m3/d，出水生化需氧量5.7 mg/L。可以經膜組件承托架、 膜組件滑入導軌固定在城鎮污水處理池底部，也可與膜組件連接。 曝氣裝置中的曝氣管借助DN20穿孔管，每一膜片間隙對應一路穿孔管，穿孔間距、穿孔直徑分別為100 mm、φ2 mm。 相互毗鄰的兩路曝氣管穿孔位置交錯，孔口設置單排，均與水平方向成90°，避免沉降污泥堵塞孔口。

根據每一個膜組件曝氣需求，進行單獨調節閥設置，并為整個生化槽充氧曝氣設置控制閥，引入微孔充氧曝氣裝置，滿足攪拌空氣量、充氧空氣量的靈活調整要求。 同時，在泄氣口增設消音裝置，控制生化槽內溶解氧值。

3.4.2 抽吸泵

根據每一個膜組件壓力、通量等狀態觀測要求，為每一個膜組件配置1 臺抽吸泵，抽吸泵盡可能低于液位安裝，膜組件正常狀態下虹吸出水，或者將MBR 池設置在地下，為抽吸泵提供足夠吸程。 對于抽吸泵出口管路，則設置可直觀顯示水質狀態透明流量計、可調節膜組件出水量的取樣調節閥，調節閥位于流量計前端（或后端）。 在電接點壓力表超出設置限度時，關停MBR 抽吸泵，并發出警報。 在MBR 抽吸泵關停的同時關閉風機，確保運行效率。

4 結語

綜上所述，MBR 工藝在高難廢水處理工藝中廣泛應用，對膜組件設計提出了更高的要求。 設計人員應根據城鎮污水處理工程實際情況，合理設計膜組件，科學設計膜系統參數，并進行膜系統布置格局的調整與膜系統設備的合理設計，確保MBR 工藝膜系統的耐沖擊、占地面積小、脫氮效率高、處理效率佳等優勢得到充分發揮， 為城鎮污水處理效率的提高提供依據。