某園區(qū)污水處理廠MBR膜生物反應(yīng)器工程淺析

欒志翔

（青島市團(tuán)島污水處理廠，山東 青島266001）

0 引 言

某園區(qū)隨著基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善，入園企業(yè)持續(xù)增加，擬近期新建1.5 萬m3/d 污水處理廠，峰值系數(shù)1.56，出水標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)四類水體標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)

該廠主體工藝采用“A/A/O + MBR”工藝，詳細(xì)流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

本文結(jié)合實(shí)際工程，介紹了MBR 工藝特點(diǎn)、膜形式比選、詳細(xì)生化設(shè)計參數(shù)、膜污染控制等方面的內(nèi)容。

1 MBR 工藝介紹

膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor，MBR）是將膜分離技術(shù)與生物處理單元相結(jié)合的水處理新技術(shù)。整個反應(yīng)系統(tǒng)主要由核心膜組器、產(chǎn)水系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)等組成。它以高效的膜分離替代了傳統(tǒng)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(tǒng)工藝，MBR 工藝主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)沉淀池的高效固液分離，且不受污泥膨脹的影響。出水水質(zhì)良好穩(wěn)定，進(jìn)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(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時間和污泥齡的完全分離，使運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定。

（4）膜生物反應(yīng)器在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷下運(yùn)行，有機(jī)負(fù)荷低、泥齡長，剩余污泥產(chǎn)量低，減少了污泥處置費(fèi)用。

2 MBR 膜形式比選

一般污水處理領(lǐng)域常用的PVDF 膜按膜孔徑大小區(qū)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(xì)菌尺寸大于0.1 μm，若采用微濾膜，則大部分細(xì)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(xué)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(xì)菌無法穿透而被截留在膜表面，便可通過曝氣擦洗和化學(xué)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(lǐng)域常用的PVDF 膜按膜元件形式區(qū)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(gòu)造，該部位擦洗不充分，容易造成淤積和污染，即使高強(qiáng)度的持續(xù)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(jìn)行人工干預(yù)清洗，即高壓水槍沖洗。此外，若前端預(yù)處理不妥善，一旦碰到纖維狀的雜質(zhì)纏繞外加曝氣，膜絲易斷；當(dāng)中空纖維膜斷絲率達(dá)到一定程度時，即需更換膜組器。

平板膜采用兩側(cè)固定、上下通透的構(gòu)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(yù)清洗，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，無斷絲現(xiàn)象，抗膜污染能力強(qiáng)，運(yùn)營維護(hù)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(yuǎn)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(nèi)人員充足，且具備MBR 膜運(yùn)營維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，或?qū)δさ氖褂脡勖鼰o嚴(yán)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(nèi)不具備足夠的作業(yè)人員，或?qū)δさ氖褂脡勖筝^高，則顧及到人工干預(yù)清洗的繁復(fù)性和膜的抗污堵能力，宜選用平板膜。

本文所述實(shí)際工程中，污水處理廠位于起步的園區(qū)內(nèi)，人員配置不足，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)欠缺，難以實(shí)現(xiàn)頻繁的MBR 膜運(yùn)維，特別是人工清洗；同時項目要求膜的使用壽命達(dá)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(xì)生化設(shè)計

以下針對本文所述實(shí)際工程的生化設(shè)計做詳細(xì)描述，新建MBR 生物反應(yīng)池一座，設(shè)計規(guī)模為1.5 萬m3/d。

3.1 A/A/O 生物反應(yīng)池

新建A/A/O 生物反應(yīng)池一座（分兩組），設(shè)計規(guī)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(yīng)池主要由厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)組成，其主要功能是實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)污染物及氮、磷等污染物的去除。

3.1.1 厭氧區(qū)

膜格柵出水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，同時進(jìn)入的還有缺氧區(qū)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(jī)物轉(zhuǎn)化成小分子有機(jī)物；回流污泥中的聚磷菌吸收污水中的磷，并儲存PHB在細(xì)菌內(nèi)部，便于后端好氧區(qū)內(nèi)對磷更好地吸收。

3.1.2 缺氧區(qū)

厭氧區(qū)出水進(jìn)入缺氧區(qū)，同時進(jìn)入的還有好氧區(qū)的回流混合液。缺氧環(huán)境下，反硝化菌利用污水中的有機(jī)物作為碳源，將回流混合液中帶入的硝態(tài)氮還原成氮?dú)猓_(dá)到脫氮的目的；經(jīng)過缺氧區(qū)反硝化后的混合液再回流至厭氧區(qū)，降低硝態(tài)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(qū)中投加優(yōu)質(zhì)碳源，提高反硝化的脫氮效果。

3.1.3 好氧區(qū)

缺氧區(qū)出水進(jìn)入好氧區(qū)，同時進(jìn)入的還有膜池的回流污泥。好氧環(huán)境下，好氧微生物將污水中的有機(jī)污染物質(zhì)吸附降解；硝化細(xì)菌將氨氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，并通過回流至缺氧區(qū)，進(jìn)行反硝化作用徹底脫氮；聚磷菌利用厭氧區(qū)內(nèi)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(shí)現(xiàn)對磷的去除。另外由于生物除磷作用通常難以完全達(dá)標(biāo)，因此向好氧區(qū)內(nèi)投加除磷藥劑，同步進(jìn)行化學(xué)除磷。

3.1.4 主要設(shè)計參數(shù)

設(shè)計規(guī)模1.5 萬m3/d；總停留時間11.9 h；有效水深6.1 m；厭氧區(qū)停留時間1.8 h；缺氧區(qū)停留時間2.8 h；好氧區(qū)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(shè)計規(guī)模1.5 萬m3/d，選用浸沒式的膜組器作為核心設(shè)備。

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

MBR 膜池配套產(chǎn)水系統(tǒng)、擦洗系統(tǒng)和加藥清洗系統(tǒng)等。

主要設(shè)計參數(shù)：設(shè)計規(guī)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(shè)計參數(shù)選擇

膜組器設(shè)計參數(shù)選擇見表3。

表3 膜組器設(shè)計參數(shù)

3.2.2 膜擦洗風(fēng)量

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

設(shè)備選型：空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)，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(chǎn)水）及反洗雙向泵

兩個膜廊道（即一格膜池）對應(yīng)一臺雙向泵。

設(shè)備運(yùn)行方式：運(yùn)行6 min 停1 min，設(shè)計流量變化系數(shù)為1.3。

抽吸產(chǎn)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(xué)反洗加藥量

由于兩個膜廊道對應(yīng)一臺雙向泵，則兩個膜廊道也對應(yīng)一次化學(xué)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(hù)性清洗

維護(hù)性清洗設(shè)計參數(shù)（以單格膜池為例）見表4。

表4 維護(hù)性清洗設(shè)計參數(shù)

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(yùn)行流量：42 m3×60÷30=84 m3/h。

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

3.2.4.2 恢復(fù)性清洗

恢復(fù)性清洗設(shè)計參數(shù)（以單格膜池為例，原位膜池利用）見表5。

表5 恢復(fù)性清洗設(shè)計參數(shù)

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(yùn)行流量：230 m3×60÷60 =230 m3/h。

（4）加藥泵運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)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(jiān)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(shè)備（膜組器）使用壽命的關(guān)鍵因素，對膜污染的控制影響著系統(tǒng)能否正常、持久及穩(wěn)定地運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以通過以下幾個方面進(jìn)行控制。

4.1 膜前預(yù)處理

工程設(shè)計中，在污水進(jìn)入生物反應(yīng)池之前，設(shè)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(fā)等污染物質(zhì)，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。由于平板膜的構(gòu)造形式，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，對預(yù)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(yùn)行方式

“抽吸+ 閑置”的運(yùn)行方式（如本文所述實(shí)際工程中運(yùn)行6 min 停1 min）。閑置指的是當(dāng)抽吸停歇，但膜池內(nèi)持續(xù)曝氣的一段短時間。在閑置期間，由于曝氣持續(xù)且抽吸不足，污水內(nèi)的污染物質(zhì)會形成一個遠(yuǎn)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(xù)性的曝氣擦洗，在膜表面形成氣水沖刷，抑制了污染物質(zhì)在膜表面的黏附和沉積。

4.4 化學(xué)清洗

（1）維護(hù)性清洗。定期的原位化學(xué)清洗（反洗模式下），以低濃度的化學(xué)藥劑進(jìn)行短時間（例如1 h）的清洗，每周進(jìn)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(fù)性清洗。定期的原位或離位化學(xué)浸泡，以較高濃度的化學(xué)藥劑進(jìn)行幾小時的清洗，每年進(jìn)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(fù)”至接近其初始值或可接受值。每年至少需進(jìn)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(yùn)行狀況良好亦需執(zhí)行。

次氯酸鈉針對有機(jī)和生物質(zhì)污染，檸檬酸則針對無機(jī)污染和結(jié)垢。

5 結(jié) 語

（1）相較于中空纖維膜，平板膜通量大，依賴于其構(gòu)造形式，應(yīng)用過程中無前者積泥或斷絲的現(xiàn)象，因而抗污染能力更強(qiáng)，且無須人工干預(yù)清洗，運(yùn)營維護(hù)更簡便，使用壽命更長；同時，平板膜更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度使其對膜前預(yù)處理（膜格柵）的要求低于中空纖維膜。

本文結(jié)合實(shí)際工程，對人員配置不足（不宜有繁復(fù)運(yùn)維作業(yè)） 或?qū)δな褂脡勖休^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(wěn)定地運(yùn)行，取決于膜污染的控制是否到位?？梢詮哪で邦A(yù)處理環(huán)節(jié)、膜系統(tǒng)運(yùn)行方式和配套的清洗等方面考慮優(yōu)化。