市政領(lǐng)域MBR工藝應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)分析

劉　云，蔣嵐嵐，張萬里，程　文

（1.無錫新區(qū)市政公用事業(yè)管理處，江蘇 無錫 214000；2.無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無錫 214072）

市政領(lǐng)域MBR工藝應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)分析

劉云1，蔣嵐嵐2，張萬里2，程文2

（1.無錫新區(qū)市政公用事業(yè)管理處，江蘇 無錫 214000；2.無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無錫 214072）

介紹了膜生物反應(yīng)器在國內(nèi)市政領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，初步分析了MBR工藝應(yīng)用的主要原因，并從生物處理段應(yīng)用技術(shù)、膜材料的應(yīng)用特點(diǎn)、膜組件應(yīng)用特點(diǎn)和膜通量的選擇等4個(gè)方面對MBR在我國市政領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為今后國內(nèi)MBR工藝的規(guī)?；O(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

市政領(lǐng)域；膜生物反應(yīng)器；應(yīng)用；技術(shù)特點(diǎn)

0　引言

隨著水資源的日趨短缺和城市化進(jìn)程逐步加快，我國對污水排放標(biāo)準(zhǔn)和中水回用比例的要求逐年提高。由于地表水和地下水污染帶來的飲用水安全問題日益突出，促使膜生物反應(yīng)器得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用［1］。至2014年底，我國已有近百個(gè)規(guī)模超萬立方米/天的MBR市政污水處理工程投入運(yùn)行。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在研究國內(nèi)市政領(lǐng)域MBR工藝應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上，初步分析了市政領(lǐng)域MBR工藝應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)，以期為今后國內(nèi)MBR工藝的規(guī)模化設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1　應(yīng)用研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)90年代，膜生物反應(yīng)器技術(shù)就已引進(jìn)中國用于廢水和再生水處理［2］。從那時(shí)起，膜生物反應(yīng)器在中國的研究和應(yīng)用經(jīng)歷了以下4個(gè)主要階段：

（1）初始實(shí)驗(yàn)室研究階段（1990～2000年）

1991年MBR傳入中國，1996年，國家“九五”攻關(guān)開始資助研究MBR工藝，完成了實(shí)驗(yàn)室小試、中試和部分示范工程的建設(shè)。

（2）深入研究及小型工程應(yīng)用階段（2001～2005年）

2001年國家推出膜產(chǎn)業(yè)化政策，2002年國家863重大專項(xiàng)資助MBR研究，MBR工藝進(jìn)入了深入的研究階段，數(shù)百至數(shù)千立方米/天規(guī)模的實(shí)際工程開始建造。

（3）規(guī)模工程應(yīng)用階段（2006～2009年）

2005年國家推出的節(jié)能減排和污水資源化利用政策促進(jìn)了MBR的應(yīng)用發(fā)展。其應(yīng)用由中小型向大型處理設(shè)施延伸，開始出現(xiàn)了上萬立方米/天規(guī)模的工程，并給MBR的全面推廣應(yīng)用奠定了初步的技術(shù)基礎(chǔ)。

（4）全面推廣應(yīng)用階段（2010至今）

從2010年開始，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高、民眾對環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，以及膜材料價(jià)格的下降，MBR工藝開始在全國多地大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。處理規(guī)模在萬立方米/天以上的MBR工程年新增數(shù)量迅速擴(kuò)大，并且出現(xiàn)了近20座超10萬m3/d處理規(guī)模的MBR工程（見圖1）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2014年底投入運(yùn)行的MBR項(xiàng)目累計(jì)處理能力已近350×104m3/d。預(yù)計(jì)2015年底投入運(yùn)行或在建的MBR項(xiàng)目的累計(jì)處理能力將超過600×104m3/d。

圖1　市政領(lǐng)域大規(guī)模的膜生物反應(yīng)器應(yīng)用情況（含2015年在建工程）

2　應(yīng)用主要原因分析

2.1排放標(biāo)準(zhǔn)的提高

從水環(huán)境的角度看，經(jīng)過多年治理，目前我國大部分湖泊水質(zhì)仍然處在IV類、V類、劣V類水平，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。同時(shí)，向五大湖泊（滇池、巢湖、太湖、洞庭湖和鄱陽湖）排放的市政廢水一直保持增加態(tài)勢。對排向脆弱水體的污水提高標(biāo)準(zhǔn)已成為一種趨勢。排放標(biāo)準(zhǔn)的提高是MBR工藝在中國大規(guī)模應(yīng)用的主要原因，因?yàn)镸BR的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)工藝且耐水質(zhì)沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。與此同時(shí)，嚴(yán)控出水水質(zhì)的環(huán)保監(jiān)督力度加大也進(jìn)一步加速了MBR的應(yīng)用。滇池流域的昆明市和太湖流域的無錫市的大規(guī)模應(yīng)用可見一斑。

2.2回用水的需求

中國是全球最缺水的國家之一，人均可更新淡水量僅為世界平均水平的1/3，此為資源性缺水。同時(shí)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的地區(qū)，人均可更新淡水量又僅為全國平均值的1/10，此為結(jié)構(gòu)性缺水。更為嚴(yán)重的是水體污染較為嚴(yán)重，根據(jù)《2013年環(huán)境水資源公報(bào)》，劣V類水質(zhì)占總河長的14.9%，劣V類水質(zhì)斷面比例達(dá)到19.5%，此為水質(zhì)性缺水。水資源的短缺使市政污水進(jìn)行再生回用成為缺水地區(qū)的訴求。MBR的出水水質(zhì)可滿足多種再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在回用用途和出水水質(zhì)保障率上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝進(jìn)行深度處理后的水質(zhì)，因此，回用水的需求是MBR工藝在中國大規(guī)模應(yīng)用的另一原因。嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性缺水的華北地區(qū)MBR工藝的應(yīng)用占全國市政領(lǐng)域應(yīng)用的44%（見圖2），特別是海河流域的北京市占比高達(dá)38%，其采用MBR主要出于污水回用的目的（見圖3）。

圖2　膜生物反應(yīng)器應(yīng)用區(qū)域分布

2.3土地資源緊張

隨著城市化發(fā)展的不斷推進(jìn)，市區(qū)用地趨于緊張，空間利用率要求也不斷提高，同時(shí)，人們對城市生活環(huán)境水平要求也不斷提升。MBR工藝由于其污泥濃度高，占地面積小，單體構(gòu)筑物少于傳統(tǒng)工藝，使其在一些地區(qū)得到應(yīng)用。由于在建成區(qū)內(nèi)規(guī)劃污水處理廠存在建設(shè)用地小、衛(wèi)生防護(hù)距離不足等情況，近年來，越來越多的城市選擇了采用MBR工藝建造地下式污水處理廠。地下式MBR污水廠建成后，地表可以建成綠地、公園，節(jié)省用地空間，對周邊用地產(chǎn)生的影響減小。如廣州京溪污水處理廠（10×104m3/d）、昆明市第十污水處理廠（15×104m3/d）、山西晉陽污水處理廠（12×104m3/d）均采用了MBR工藝建造地下式污水處理廠。

圖3　膜生物反應(yīng)器應(yīng)用省級分布

2.4進(jìn)水水質(zhì)的復(fù)雜性

部分污水處理廠采用MBR工藝的原因是由于其建設(shè)在開發(fā)區(qū)內(nèi)。由于開發(fā)區(qū)內(nèi)企業(yè)眾多，且出水性質(zhì)差別較大，盡管滿足接入下水道標(biāo)準(zhǔn)，但是工業(yè)廢水占比較大，廢水水質(zhì)復(fù)雜，污染物濃度失衡。MBR工藝改善了生物處理段的微生物相，使一些難降解有機(jī)物在體積有限的生物反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，有利于專性菌的培養(yǎng)，大大提高了難降解有機(jī)物的降解效率而得到應(yīng)用。如石家莊高新區(qū)污水處理廠（10×104m3/d）、無錫市高新區(qū)污水處理廠（6×104m3/d）、泰興經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)濱江污水處理廠（4×104m3/d）均采用了MBR工藝。

3　MBR工藝應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)分析

3.1生物處理段應(yīng)用技術(shù)分析

盡管MBR工藝是利用膜的高效固液分離功能實(shí)現(xiàn)污水最終凈化目的，但是有機(jī)污染物的去除仍然以生物處理為主導(dǎo)，必須要依靠合理設(shè)計(jì)的生物處理段來實(shí)現(xiàn)［3］。MBR工藝生物處理段形式的選擇主要應(yīng)考慮以下幾方面：（1）進(jìn)水水質(zhì)情況（如難生物降解有機(jī)物濃度、碳氮比、碳磷比等）；（2）出水水質(zhì)要求（尤其是對脫氮除磷的效果要求等）；（3）進(jìn)水水質(zhì)水量波動情況；（4）氣候條件。

由于目前污水排放標(biāo)準(zhǔn)普遍提高了對脫氮除磷的要求，除極早期的MBR項(xiàng)目外，絕大多數(shù)MBR工藝的生物段均采用了A2/O及其改進(jìn)型的脫氮除磷工藝。SBR和氧化溝主要是應(yīng)用在老廠的升級改造項(xiàng)目中［4］。從應(yīng)用的工程經(jīng)驗(yàn)來看，在新建或擴(kuò)建的市政MBR項(xiàng)目中，均采用各種改良的A2/O生物段處理技術(shù)較多，處理效果穩(wěn)定可靠，運(yùn)行管理最為方便。在老廠的升級改造項(xiàng)目中：原傳統(tǒng)工藝為SBR的多改造為O或AO生物段形式，如北京密云再生水廠；原傳統(tǒng)工藝為AO工藝的也有改造為A2/O生物段形式的，如遼陽中心區(qū)污水處理廠提標(biāo)改造工程和吉林市污水處理廠（一期）提標(biāo)改造工程；原傳統(tǒng)工藝為氧化溝的，由于改造難度相對較大，會保留作為MBR的生物段形式，如北京大興黃村污水處理廠提標(biāo)改造工程。表1介紹了目前在國內(nèi)應(yīng)用于MBR的主要生物段處理技術(shù)［4］。

3.2膜材料應(yīng)用特點(diǎn)分析

目前各種制備MBR膜材料的方法、膜的耐污染性、硬度、強(qiáng)度、通量等指標(biāo)都不相同，這些關(guān)鍵性指標(biāo)也直接影響著MBR工程的投資和運(yùn)行費(fèi)用。MBR工程應(yīng)用在國內(nèi)近十年的迅速發(fā)展，也得益于膜材料的不斷進(jìn)步和膜組件的更新。

膜材料決定膜制品的性能及使用壽命?，F(xiàn)有的膜材料有有機(jī)（聚合物）及無機(jī)兩類。有機(jī)膜包括纖維素類、聚酰胺類、芳香雜環(huán)類、聚砜類、聚烯烴硅橡膠類、含氟高分子；無機(jī)膜包括陶瓷膜、微孔玻璃、金屬膜和碳分子篩膜。有機(jī)膜制造成本相對較低，造價(jià)便宜，制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式較為多樣，應(yīng)用廣泛，但在運(yùn)行過程中易污染、壽命較短；無機(jī)膜具有耐高溫、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑、耐微生物侵蝕、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，無機(jī)膜在水處理中主要的方向是一些條件苛刻的工業(yè)廢水處理。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前應(yīng)用在市政污水領(lǐng)域MBR工藝中的膜材料普遍采用經(jīng)過改性而具有穩(wěn)定親水性的有機(jī)膜，主要有PE、PES、PVC、PVDF等，見表2［5］。其中，PVDF材料由于其在機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性和親水性等方面的優(yōu)勢，成為目前膜材料的主流，占到項(xiàng)目總數(shù)的95%以上。另有采用其他有機(jī)膜材料的項(xiàng)目，包括：無錫市城北污水處理廠四期續(xù)建工程采用PVC材料，張家港金港污水處理廠和泰興市濱江污水處理廠二期工程采用PES材料。

3.3膜組件應(yīng)用特點(diǎn)分析

根據(jù)膜的形式不同，應(yīng)用于MBR中的膜主要包括有中空纖維膜（HF）和平板膜（FS）兩種。中空纖維膜MBR在國內(nèi)市政污水項(xiàng)目中大規(guī)模應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)是裝填密度高、膜池體積小、制作工藝簡單、造價(jià)較低，缺點(diǎn)是對預(yù)處理要求較高、反沖洗次數(shù)多、阻力損失較大，主要有簾式、束狀、柱狀和海藻式等構(gòu)造形式。平板膜應(yīng)用較少，其優(yōu)點(diǎn)是跨膜壓差較小、污泥濃度高、抗污堵能力強(qiáng)、對預(yù)處理要求較低，缺點(diǎn)是裝填密度低、膜池占地相對較大、投資較高，主要有板式和盤式構(gòu)造形式。相對而言，在高污泥濃度的MBR膜池內(nèi)宜采用簾式膜或板式膜構(gòu)造。

目前在污水處理行業(yè)已有成功運(yùn)行MBR工程實(shí)例的各類膜產(chǎn)品進(jìn)行分類匯總，見表2［5］。

表2　膜材料和膜組件應(yīng)用情況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在萬噸級以上的市政污水MBR項(xiàng)目中，中空纖維的簾式膜組件構(gòu)造是目前我國采用最為廣泛的膜組件，絕大多數(shù)項(xiàng)目都采用了中空纖維膜組件，占比超過95%，其中又有80%以上的項(xiàng)目采用了簾式膜組件構(gòu)造。小部分市政污水處理項(xiàng)目采用了平板式膜組件，其最大規(guī)模為2× 104m3/d。這主要是由于在市政污水處理領(lǐng)域，進(jìn)水污染物濃度相對工業(yè)廢水濃度低，對于膜的抗污堵能力的要求相應(yīng)較低，而投資則成為選擇膜組件形式的主要因素，規(guī)模越大，平板膜與中空纖維膜的投資差也同比加大。

3.4膜通量選擇分析

影響一個(gè)MBR的膜過濾系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的最關(guān)鍵因素是膜通量（或稱透過速率），是指單位時(shí)間內(nèi)通過單位膜面積上的流體量，一般以m3/（m2·s）或L/（m2·h）表示。由于水量變化、運(yùn)行周期設(shè)置和清洗方式的不同，需考慮以下幾種情況下的膜通量：（1）平均膜通量；（2）平均瞬時(shí)膜通量；（3）最大瞬時(shí)膜通量；（4）臨界膜通量。通常在MBR工程項(xiàng)目正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所采用的是平均瞬時(shí)膜通量。平均瞬時(shí)膜通量是指設(shè)計(jì)處理規(guī)模的總產(chǎn)水量（包括反沖洗水等系統(tǒng)自用水量）下，實(shí)際參與工作的膜面積（需考慮各種膜的控制運(yùn)行方式，如抽吸泵的工作間隔時(shí)間、在線清洗的間隔時(shí)間等）的通量。提高設(shè)計(jì)膜通量，可以減少膜組件的數(shù)量，降低投資費(fèi)用，但是過高的設(shè)計(jì)膜通量會造成膜清洗系統(tǒng)頻繁啟動，加速膜系統(tǒng)的老化，減少膜的壽命，間接增加膜的更換成本［6］。

從應(yīng)用情況來看，在市政污水處理領(lǐng)域的MBR工程項(xiàng)目，其設(shè)計(jì)平均膜通量在14～22 L（/m2·h-1）之間，平均瞬時(shí)膜通量在15～25 L/（m2·h-1）之間。表3列舉了實(shí)際膜生物反應(yīng)器項(xiàng)目數(shù)據(jù)分析中不同時(shí)期不同膜廠家設(shè)計(jì)膜通量的變化情況。

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，在市政污水領(lǐng)域MBR應(yīng)用中，關(guān)于膜通量的選擇主要有以下特點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)膜通量的大小與膜的制備方法及機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)，帶支撐管的膜（GE、三菱、碧水源）的通量明顯高于不帶支撐管的濕法紡絲膜（西門子、美能、津膜科技）；（2）在相同的膜制備方法情況下，進(jìn)口膜的設(shè)計(jì)通量略高于國產(chǎn)膜；（3）隨著MBR項(xiàng)目應(yīng)用的擴(kuò)大，出于膜通量衰減和抗水量沖擊能力差的考慮，與早期應(yīng)用的項(xiàng)目相比，近階段的設(shè)計(jì)膜通量的選擇趨向于取低值。

表3　MBR設(shè)計(jì)膜通量的選擇情況

4　結(jié)語

由于面臨水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高以及可利用建設(shè)用地面積日益減少的雙重壓力，MBR工藝在市政領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著MBR在污水處理中的應(yīng)用規(guī)模和數(shù)量越來越多，相關(guān)技術(shù)總結(jié)必不可少。初步分析了市政領(lǐng)域MBR工藝應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)，主要包括生物處理段應(yīng)用技術(shù)、膜材料的應(yīng)用特點(diǎn)、膜組件應(yīng)用特點(diǎn)、膜通量的選擇等4個(gè)方面，以期為今后國內(nèi)MBR工藝的規(guī)?；O(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

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B

1009-7716（2016）01-0168-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.048

2015-09-15

劉云（1979-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，主要從事給水排水工程的設(shè)計(jì)和管理工作。