MBR技術在城市湖泊水華治理工程中的應用

王國青 焦懷金 高鵬杰

（1. 北京市水利規(guī)劃設計研究院 北京 100048 2. 北京市水利建設管理中心 北京 100036）

1 動物園湖現狀及主要

北京動物園園內水面由6個湖泊串聯(lián)而成，全長1000余m，較大的湖面有6處，分別為暢觀樓西湖、暢觀樓東湖、黑鸛湖、水禽湖、天鵝湖、迎湖，總水面面積4.4萬m2，總水量6.5萬m3，其中水禽湖、天鵝湖為園內各種珍稀野生水禽的主要棲息地，水禽湖面積為1.1萬m2，水深1~1.6m；天鵝湖面積0.7萬m2，水深1.2~1.8m。通過調查可知，與大多數北京城市河湖一樣，動物園湖水環(huán)境主要問題為：（1）補水水源水質不穩(wěn)定，水質波動較大，主要為BOD、TP、TN超標，TP、TN為劣Ⅴ類水體。（2）水體年補水量較少，大部分時間水體處于封閉狀態(tài)，水體基本不流動，夏季經常發(fā)生水華。（3）動物糞便、暴雨徑流進入湖泊造成污染。（4）游人投喂動物、樹木落葉，導致湖泊污染。

2 膜-生物反應器工藝特點

膜-生物反應器（Membrane-Bioreactor，簡稱MBR）是一種將膜分離技術與傳統(tǒng)污水生物處理工藝有機結合的新型高效污水處理與回用工藝，近年來在水處理技術領域得到了較大的推廣和應用。該技術通過膜組件的高效分離作用，大大提高了泥水分離效率，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中優(yōu)勢菌的出現，提高了生化反應速率。同時，該工藝能大大減少剩余污泥的產量，從而基本解決了傳統(tǒng)生物方法存在的剩余污泥產量大、占地面積大、運行效率低等突出問題。14

在膜生物反應器中，由中空纖維膜組成的膜組件浸放于好氧曝氣區(qū)中，由于中空纖維膜0.2μm的孔徑可完全阻止細菌的通過，所以將菌膠團和游離細菌全部保留在曝氣池中，只將過濾過的水匯入集水管中排出，從而達到泥水分離，免除了二沉池，各種懸浮顆粒、細菌、藻類、濁度、氮磷和 COD及有機物均得到有效地去除。由于微濾膜的近乎百分之百的菌種隔離作用，可使曝氣池中的生物濃度達到一萬毫克/升以上，這樣不僅提高了曝氣池抗沖擊負荷的能力，而且大大減少了所需的曝氣池容積。池容積的縮小又相應大比例降低了生化系統(tǒng)的土建投資費用。

和傳統(tǒng)的活性污泥法比較，MBR工藝主要有以下特點：（1）膜生物反應器采用PVDF膜，其孔徑只有 0.1～0.4μm，能夠高效地進行固液分離，懸浮物和濁度接近于零；（2）運行控制更加靈活穩(wěn)定。膜的高效截流作用，使微生物完全截流在反應器內，實現了反應器水力停留時間（HRT）和污泥齡（SRT）的完全分離；（3）對水質水量的變化適應力強，耐沖擊負荷強；（4）膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應器內有足夠的停留時間，有利于專性菌的培養(yǎng)，大大提高了難降解有機物的降解效率，COD去除率高；（5）模塊化設計易于擴容，具有可移動性；（6）系統(tǒng)采用PLC控制，可實現全程自動化控制，運行管理方便。

3 水華治理總體方案設計

湖泊水華的產生原因是一個綜合性的問題。通常是湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)、水體流動性、高溫悶熱的天氣、不完善的生態(tài)系統(tǒng)、水體自潔凈能力等諸多因素聯(lián)合作用的結果。從動物園湖水質監(jiān)測數據可以看出，動物園湖在很多時候處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。另外補水量較少也使得湖泊基本處于靜止，湖泊的流動性較差。因此，造成湖泊水華的主要原因是湖泊的富營養(yǎng)化和流動性差兩個不利因素的疊加。因此削減水體中的營養(yǎng)物質，增強水體流動性是防止水華的基本條件。

按照上述分析，設計采用“提升泵站＋管道循環(huán)+MBR”綜合措施對湖水進行治理。主體工程是水體末端的MBR設施，依靠MBR系統(tǒng)的降解和截留作用去除水中的污染物，增加水體透明度。湖水采用遠抽近排循環(huán)管線進入MBR系統(tǒng)凈化之后，再次流入湖中，水質凈化的同時也使得湖水循環(huán)流動起來，改善湖泊水動力條件。MBR在本工程中起著關鍵的作用，其好似一個生化反應凈水廠，可去掉湖中大部分營養(yǎng)物質，減小湖泊水華發(fā)生的概率。

圖1 動物園湖治理措施布置圖

4 膜生物反應器系統(tǒng)設計

4.1 工藝流程

MBR循環(huán)凈化設施布置在動物園東北角，循環(huán)湖水采用遠抽近排的水體循環(huán)方式，將湖水從水質較差的黑鸛湖和水禽湖通過泵站和管道輸送到MBR處理站，MBR設計規(guī)模5000m3/d。循環(huán)管道總長度為1130m，僅有迎湖至MBR處理站180m長的管道采取開挖方式施工，最大限度地減少了施工對游人和動物的影響。在MBR處理站湖水首先進入混合池，混合池內投加PAC，通過機械攪拌使藥劑充分均勻的擴散在水中，混合后自流進入網格絮凝池；網格絮凝池內，在水流作用下使微絮粒相互接觸碰撞，以形成更大的絮粒，絮凝池出水通過穿孔花墻整流后進入膜池；混合液在膜池內進行生物反應，去除有機物等污染物質，同時膜池內置膜組器，由抽吸泵將清水通過膜過濾抽吸完成泥水分離，出水再經臭氧消毒后通過生態(tài)溝渠回流到迎湖內。

圖2 MBR工藝流程圖

4.2 分 設計

（1）提水泵站：提水泵站設置在黑鸛湖西側位置，從泵站開始沿湖底向東鋪設沉管。

（2）遠抽近排循環(huán)管道：循環(huán)管道從位于黑鸛湖的泵站開始鋪設，鋪設方式為沉管施工。從迎湖東上岸后的管道采用明挖鋪設方式。設計采用DN300PE管；總長度1130m。

（3）混合池：混合是將藥劑充分均勻地擴散于水體的工藝過程。來水經提升除雜后進入混合池，在池內投加PAC，內置機械攪拌器進行攪拌混合。

（4）網格絮凝池：混合出水自流進入絮凝池。絮凝池設計采用網格絮凝池，分三段運行。

（5）膜池：膜池為本工藝的核心處理構筑物，絕大部分有機污染物、氮、磷的去除都在此完成。膜池利用膜對含泥污水進行過濾，實現泥水分離。膜池分為3個系列運行，可以滿足不同工況的運行要求，以節(jié)約運行費用。

（6）臭氧接觸池：臭氧與抽吸泵的出水同時進入接觸消毒池完成消毒、脫色過程。所需臭氧發(fā)生及投加系統(tǒng)設于臭氧間內。在接觸池池頂安裝尾氣破壞器，以消除臭氧對環(huán)境的影響。

（7）MBR系統(tǒng)廠房：本工程設計MBR系統(tǒng)均置于廠房內。MBR系統(tǒng)廠房還包括膜池設備間、鼓風機房、臭氧間及控制室和中控室。MBR處理機房設計以滿足生態(tài)處理系統(tǒng)的功能為主，平面布置分為控制室、鼓風機房、臭氧間、中控室及 MBR設備間，結構形式為框架結構。

（8）污泥降解池：在污水處理系統(tǒng)中每天會產生少量的污泥，即生物處理段產生的剩余污泥和絮凝階段產生的沉淀污泥。排泥方式為間歇式排泥，污泥降解池的作用是貯存和生物降解污泥，貯泥池上清液每天定期回流至絮凝反應池。

5 工程效果

經過近兩年的運行可以看出，MBR對湖水的處理效果穩(wěn)定明顯，對減少水華發(fā)生，改善湖泊景觀效果起到了決定性作用。

（1）顯著降低了水體的污染物濃度。2011年對動物園湖從西向東共 12個取樣點進行了水質取樣化驗，檢測結果表明MBR工藝對污染物質有較高的去除效率，動物園湖水經MBR工藝處理后出水主要水質指標優(yōu)于地表水Ⅲ類水質指標，其中對葉綠素的去除率達在90%左右，對BOD的去除率在65%左右，對總磷的去除率在60%左右，氨氮的去除率40%左右，出水水質達到了設計出水水質要求，迎湖和天鵝湖的水質也基本達到地表水 III類標準。（2）增加了水體透明度。經 MBR系統(tǒng)處理后的出水濁度可以達到1NTU以下，位于水體最東側，距離MBR出水口最近的迎湖透明度最大達到91cm，比黑鸛湖的透明度增加了 52cm。（3）增強了水體的循環(huán)流動。結合過濾凈化設施，通過在湖體中布置提水泵站和鋪設循環(huán)管道，理論上可以使湖水平均每 13天循環(huán)一次，徹底改變了工程實施前靜止不動的狀態(tài)，對抑制水華的發(fā)生，防止水體發(fā)黑、發(fā)臭產生有了重要作用。

觀測數據表明，水體污染物濃度在公園湖泊從西向東有一個明顯的降低過程，透明度逐漸增加，水體循環(huán)凈化效果明顯。

6 結論

MBR系統(tǒng)在動物園湖水質改善工程中起到了關鍵作用，該系統(tǒng)去除了大量的污染物。通過與其它水體改善措施的配合實施，使動物園湖的生態(tài)系統(tǒng)更加完整，水體水質得到有效凈化，自凈能力得到強化。良好的水面，為游客提供了優(yōu)美的觀賞空間，改善了局地小氣候。MBR系統(tǒng)不僅有利于改善園內水禽的生存環(huán)境，更是為全國的青少年創(chuàng)造了優(yōu)美的科技活動基地，水處理站也成為一個新的科普園地，社會影響廣泛巨大，社會效益明顯深遠。

治理方案有效抑制了動物園湖水華的發(fā)生，顯著提高了水的透明度，解決了北京城市湖泊水華治理的現實問題，在目前全國各大城市水華頻繁發(fā)生的情況下，具有一定的推廣價值；同時對相關部門的投資決策具有重大參考意義。