蔡 彬

（上海环境集团股份有限公司，上海市200336）

0 引 言

随着我国对环境保护的日益重视，进一步提高包括市政污水在内的各类污水排放标准，是大势所趋[1]。为满足新的排放标准，曝气生物滤池、活性滤池、反硝化深床滤池、MBR 工艺等各种污水处理新工艺新技术，大规模应用于已建市政污水处理厂的提标升级、扩容改造，以及新污水处理厂、再生水厂的建设[2-5]。其中膜生物反应器（MBR）工艺，是将现代膜分离技术与传统生物处理技术有机结合起来的一种新型高效污水处理技术[6]，其出水水质好，可满足高标准排放要求[7]；运行管理自动化程度高；在大量工程实践经验积累的基础上，MBR 工艺的运行优势将进一步显现，处理潜能将进一步释放，尤其是其高效率的脱氮功能，特别令人期待[8-10]。MBR 工艺与高效污泥厌氧工艺、厌氧氨氧化工艺等，成为构建具有高标准、高效能、高能源自给率、环境友好等基本特征的新型污水处理技术体系的重要组成部分；在推进市政污水“高能耗、高药耗、低标准”的传统处理模式向“碳源利用、资源回收、再生水回用”新型环保处理模式的转变过程中，发挥巨大的促进作用。

1 膜生物反应器工艺原理及特点

1.1 典型MBR 工艺

MBR 工艺一般由生物反应器和膜组件两部分组成，大致可分为分置式MBR 工艺和一体式MBR工艺。两种反应器的构型如图1 和图2 所示。

图1 分置式MBR 工艺

图2 一体式MBR 工艺

分置式MBR 工艺中的生物反应池与膜分离池分开建造，膜系统置于膜分离池中，以便于膜分离系统的控制和操作；该技术比较成熟，运行稳定可靠，为大型市政污水处理MBR 工艺的主流设计形式。一体式MBR 工艺中的生物反应池与膜分离池合为一体，利用生化部分的曝气系统，便可以对膜进行曝气擦洗，同时节省了污泥回流泵等设备，较分置式简单。但由于设备共用，膜清洗等操作难度增大，不便于膜系统的控制、维护。因此，这种工艺形式，多用于小型污水处理站，一般不用于大型市政污水处理MBR 工艺的设计。

1.2 MBR 工艺的优缺点分析

与传统污水处理工艺技术相比较，MBR 工艺具有如下显著特点：

（1）膜组件模块化设计/ 标准化制造，产品质量的稳定性和可靠性显著提高；设备便于现场安装，缩短施工周期；同时，膜系统可实现全自动标准化运行；

（2）抵抗污泥膨胀能力强，出水水质稳定、更优，膜可滤除绝大部分细菌、病毒，后续消毒药剂投加量能大幅较少；高标准的出水，可直接用于水环境补水、景观用水、城市生活杂用水、热电厂循环冷却水等用途。

（3）微生物不流失，生物反应器污泥浓度MLSS值可达8～10 g/L，提高体积负荷，相应地较大幅度的减少占地；膜分离池的方形设计，可避免传统二沉池效能低、占地多、布置难的不足，为污水厂的节地设计带来很大的挖潜空间。

（4）实现了水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）的彻底分离，为SRT 的延长创造了不可或缺的基础，有利于增殖缓慢的硝化细菌、反硝化菌群的生长，从而可提高系统的硝化/反硝化能力。

MBR 工艺存在的主要问题包括：

（1）MBR 材料价格贵、制造工艺要求高、产量相对较低，造成膜组件价格较高；

（2）MBR 在使用中，膜通量等性能将逐渐衰减；受到膜的质量、操作方式等因素影响，一般正常使用5～10 a 后必须更换，其更新再投入成本较大；

（3）MBR 清污擦洗、抽吸出水及高倍污泥回流，需要消耗较多电能，膜组件运行能耗高。

1.3 MBR 工艺大型工程应用现状

德国于2005 年建成的北运河污水处理厂，处理规模4.5 万m3/d，是当时全球最大的MBR 工艺污水处理厂。经过十多年的发展，瑞典Henriksdal 污水处理厂，全套采用MBR 工艺，其处理规模已高达86.4 万m3/d，目前为全球同类型规模最大的污水处理厂。2016 年投产运行的北京槐房再生水厂处理规模为60 万m3/d。截止2016 年5 月，全球规模大于15 万m3/d 的MBR 污水处理厂统计见表1。

表1 处理规模大于15 万m3/d 的MBR 污水处理厂统计

2 膜生物反应器工艺运行实践

2.1 工程概况

某再生水厂位于北方，一期工程于2008 年建成，2012 年经二期扩改提标后目前总处理能力为8 万m3/d，设计进水主要指标：CODcr≤420 mg/L、NH4-N+≤60 mg/L、TN≤70 mg/L、TP≤8 mg/L。主要排 放 指 标：CODcr≤30 mg/L、NH4-N+≤1.5 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L。尾水部分用于市政绿化用水。该再生水厂共2 条工艺流程，并联完成污水的再生处理，其中2.5 万m3/d 以“A/A/O+ 二沉+ 自清洗过滤器+ 超滤”为主体处理工艺，另5.5 万m3/d主体处理工艺为“A/A/O/A/O+MBR”。

MBR 车间现场部分照片如图3 和图4 所示。该MBR 工艺处理系统于2016 年建成投产，经过近两年的生产，运行效果完全达到设计目标。

图3 膜池车间现场

图4 膜组件上部管道连接

2.2 运行效果分析

该厂2.5 万m3/d 的A/A/O 工艺生化池HRT 为19.5 h，5.5 万m3/d 的A/A/O/A/O+MBR 工艺的生化池HRT 为14.65 h，且污泥浓度MLSS 高达9 g/L。采用了MBR 处理工艺后，生化效率相比传统工艺提高了30%。此外，膜处理工艺在不加或者加入少量碳源的情况下，出水中TN 在8 mg/L 以下，去除率高达85%以上，高于传统脱氮工艺至少10%，优于设计预期。

2.3 膜的清洗方式

MBR 的清洗分为日常清洗和定期清洗。日常清洗包括水反洗和酸（柠檬酸）碱（次氯酸钠）洗；水反洗10.5 min 一个周期，其中反洗时间0.5 min，日常清洗的气洗采用间歇曝气；酸碱洗15 d 一个周期，碱洗每2 d 一次，酸洗15 d 一次，酸碱洗时间每次均为3 min。定期清洗在膜池内完成，操作程序为放空相应膜池，注入清水，酸碱各浸泡8 h，每半年一次，定期清洗不需要人工起吊，在工作膜池内完成即可完成，不需另行建造膜清洗池。日常清洗和定期清洗均按照设定程序自动完成。MBR 系统的日常清洗现场照片如图5 和图6 所示。

图5 膜清洗气洗工况图

图6 膜清洗气洗结束工况图

2.4 膜清洗能耗分析

该厂选择的MBR 膜，其膜丝强度较大且有韧性，只需要底端固定，就能组装成型，构成稳定完整的膜组件。工作时，除固定于底端的部分膜丝不能摆动外，其余部分象海草一样可在水中自由摆动，离底端越远膜丝摆动幅度越大。这种膜组件不存在顶部污染问题，且可避免污染物在膜丝表面的集聚，减少膜面污堵的发生概率，利于膜表面清洗时污物的脱除。另外膜组件的中间曝气方式，改变了膜组件下部的曝气方式，极大地提高了曝气擦洗效率，从而较大幅度的减少膜丝擦洗能耗。不同膜组装和曝气方式的区别如图7 和图8 所示。

图7 单头膜固定方式

图8 两头膜固定方式

MBR 工艺能耗较传统工艺增大。但由于该厂日常清洗时空气擦洗为间歇曝气，在一个气洗周期的122 s 内，仅有33 s 为曝气时间，用气量只为连续曝气清洗气量的约1/4；同时，因采用了更易擦洗的单头固定膜组件设计，单位曝气强度也将下降。因此与其它膜工艺采用的连续曝气方式相比，其吨水膜擦洗曝气量及能耗可节省75%以上。经初步估算，膜系统总能耗约0.14 kW·h/m3水，擦洗风机、抽水泵能耗约各占46%以上，污泥回流泵能耗占比不到8%。

2.5 膜性能衰减分析

该厂MBR 为超滤膜，材质为PVDF，膜孔径0.03 μm，过水通量18.5 L/m2·h。运行近2 a 后，膜组件维护良好，膜通量累计衰减率低于10%，膜质保7 a，预计使用年限不低于8 a。据了解，其它采用同厂家膜的污水处理厂，经过5 年半的运行，出水水质稳定，除TN 外，实际出水稳定达到类IV 水质标准。可见，膜处理工艺可以保证多年稳定的运行。

3 MBR 工艺在我国的发展趋势

3.1 研发高性能、耐污染的制膜材料

新的合成技术将促进制膜材料的突破，高通量、低跨压、耐污染的MBR 产品，是膜产业发展的必然趋势。因此，依托膜产业研发能力的提高，可以从根本上解决降低膜清洗、膜抽吸导致的高能耗问题。

3.2 挖掘MBR 工艺潜能，促使成本的进一步合理

通过MBR 更大规模的量产降低生产成本，促进膜产品价格的降低。在优化MBR 系统节能设计的同时，充分利用生化系统高MLSS 值的特性、HRT 和SRT 的分离特性，挖掘微生物协同降解污染物的能力，尤其是硝化菌和反硝化菌同步脱氮的可能潜力，因系统高效处理节省外加碳源成本而产生的经济效益，可以冲抵部分能耗成本，甚至膜更换等成本，促使MBR 工艺市政污水处理成本的进一步合理。

3.3 探索MBR 工艺优化途径，克服工艺“水土不服”的问题

传统A/A/O 工艺优化为多段多级A/O 工艺，或A/A/O/A/O 等多级厌氧缺氧工艺，并对设计参数进行优化组合，实现MBR 工艺的最优处理效能，既符合我国环境治理对污水处理高标准出水要求的国情，又真正做到MBR 工艺高端装备与高标准出水要求的均衡配置，避免高端产品与低标准出水的错配，克服MBR 工艺“水土不服”的问题。

3.4 促进再生水利用，推动MBR 工艺的应用

高标准的出水水质及水资源的实际性匮乏，将促进再生水回用的推广和普及。再生水回用产生的社会、环境、经济价值，客观上带来市政污水处理成本的实际性提高，MBR 投资及使用成本在污水处理全成本的占比，将呈下降趋势。因此，污水处理各类成本的相对变化，特别是膜部分投资和使用成本占比的下降，将逐渐改变整个行业对MBR“高贵、娇贵、昂贵”的“三贵”印象，重塑市政污水行业对膜的认识，并促进MBR 工艺的进一步推广和应用。

4 结 论

MBR 工艺单位处理负荷高，脱氮效率高，可节省外加碳源；随着高标准出水要求的严格，MBR 工艺节约药剂所产生的效益将逐渐扩大，其运行成本将越来越接近、甚至低于传统工艺。经过十几年的工程实践，MBR 工艺无论从膜材料、膜组件的制造、膜工艺的工程设计及应用，均取得了巨大的进步。在实际运行中，MBR 系统处理效率高、脱氮能力强，具备硝化与反硝化同步脱氮的处理潜能，与此相关的理论研究和工程实践，正在持续不断的推进。随着工程实践的不断丰富，MBR 工艺将得到进一步推广和应用。