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.無錫市政設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214072）

市政領域MBR工藝應用現(xiàn)狀及技術特點分析

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.無錫市政設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214072）

介紹了膜生物反應器在國內市政領域的應用研究現(xiàn)狀，初步分析了MBR工藝應用的主要原因，并從生物處理段應用技術、膜材料的應用特點、膜組件應用特點和膜通量的選擇等4個方面對MBR在我國市政領域應用的技術特點進行了詳細分析，以期為今后國內MBR工藝的規(guī)?；O計應用提供參考。

市政領域；膜生物反應器；應用；技術特點

0　引言

隨著水資源的日趨短缺和城市化進程逐步加快，我國對污水排放標準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，促使膜生物反應器得到了廣泛的關注和應用［1］。至2014年底，我國已有近百個規(guī)模超萬立方米/天的MBR市政污水處理工程投入運行。結合相關工程經(jīng)驗，在研究國內市政領域MBR工藝應用案例的基礎上，初步分析了市政領域MBR工藝應用的技術特點，以期為今后國內MBR工藝的規(guī)?；O計應用提供參考。

1　應用研究現(xiàn)狀

早在20世紀90年代，膜生物反應器技術就已引進中國用于廢水和再生水處理［2］。從那時起，膜生物反應器在中國的研究和應用經(jīng)歷了以下4個主要階段：

（1）初始實驗室研究階段（1990～2000年）

1991年MBR傳入中國，1996年，國家“九五”攻關開始資助研究MBR工藝，完成了實驗室小試、中試和部分示范工程的建設。

（2）深入研究及小型工程應用階段（2001～2005年）

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

（3）規(guī)模工程應用階段（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了MBR的應用發(fā)展。其應用由中小型向大型處理設施延伸，開始出現(xiàn)了上萬立方米/天規(guī)模的工程，并給MBR的全面推廣應用奠定了初步的技術基礎。

（4）全面推廣應用階段（2010至今）

從2010年開始，隨著排放標準的提高、民眾對環(huán)境保護意識的加強，以及膜材料價格的下降，MBR工藝開始在全國多地大規(guī)模商業(yè)化應用。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，2014年底投入運行的MBR項目累計處理能力已近350×104m3/d。預計2015年底投入運行或在建的MBR項目的累計處理能力將超過600×104m3/d。

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

2　應用主要原因分析

2.1排放標準的提高

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仍然處在IV類、V類、劣V類水平，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。同時，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準已成為一種趨勢。排放標準的提高是MBR工藝在中國大規(guī)模應用的主要原因，因為MBR的出水水質優(yōu)于傳統(tǒng)工藝且耐水質沖擊負荷能力強。與此同時，嚴控出水水質的環(huán)保監(jiān)督力度加大也進一步加速了MBR的應用。滇池流域的昆明市和太湖流域的無錫市的大規(guī)模應用可見一斑。

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，在經(jīng)濟發(fā)達、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，此為結構性缺水。更為嚴重的是水體污染較為嚴重，根據(jù)《2013年環(huán)境水資源公報》，劣V類水質占總河長的14.9%，劣V類水質斷面比例達到19.5%，此為水質性缺水。水資源的短缺使市政污水進行再生回用成為缺水地區(qū)的訴求。MBR的出水水質可滿足多種再生水水質標準，在回用用途和出水水質保障率上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝進行深度處理后的水質，因此，回用水的需求是MBR工藝在中國大規(guī)模應用的另一原因。嚴重結構性缺水的華北地區(qū)MBR工藝的應用占全國市政領域應用的44%（見圖2），特別是海河流域的北京市占比高達38%，其采用MBR主要出于污水回用的目的（見圖3）。

圖2　膜生物反應器應用區(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，市區(qū)用地趨于緊張，空間利用率要求也不斷提高，同時，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，單體構筑物少于傳統(tǒng)工藝，使其在一些地區(qū)得到應用。由于在建成區(qū)內規(guī)劃污水處理廠存在建設用地小、衛(wèi)生防護距離不足等情況，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　膜生物反應器應用省級分布

2.4進水水質的復雜性

部分污水處理廠采用MBR工藝的原因是由于其建設在開發(fā)區(qū)內。由于開發(fā)區(qū)內企業(yè)眾多，且出水性質差別較大，盡管滿足接入下水道標準，但是工業(yè)廢水占比較大，廢水水質復雜，污染物濃度失衡。MBR工藝改善了生物處理段的微生物相，使一些難降解有機物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而得到應用。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工藝應用技術特點分析

3.1生物處理段應用技術分析

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

由于目前污水排放標準普遍提高了對脫氮除磷的要求，除極早期的MBR項目外，絕大多數(shù)MBR工藝的生物段均采用了A2/O及其改進型的脫氮除磷工藝。SBR和氧化溝主要是應用在老廠的升級改造項目中［4］。從應用的工程經(jīng)驗來看，在新建或擴建的市政MBR項目中，均采用各種改良的A2/O生物段處理技術較多，處理效果穩(wěn)定可靠，運行管理最為方便。在老廠的升級改造項目中：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)污水處理廠提標改造工程和吉林市污水處理廠（一期）提標改造工程；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改造工程。表1介紹了目前在國內應用于MBR的主要生物段處理技術［4］。

3.2膜材料應用特點分析

目前各種制備MBR膜材料的方法、膜的耐污染性、硬度、強度、通量等指標都不相同，這些關鍵性指標也直接影響著MBR工程的投資和運行費用。MBR工程應用在國內近十年的迅速發(fā)展，也得益于膜材料的不斷進步和膜組件的更新。

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（聚合物）及無機兩類。有機膜包括纖維素類、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；無機膜包括陶瓷膜、微孔玻璃、金屬膜和碳分子篩膜。有機膜制造成本相對較低，造價便宜，制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式較為多樣，應用廣泛，但在運行過程中易污染、壽命較短；無機膜具有耐高溫、耐強酸強堿和有機溶劑、耐微生物侵蝕、機械強度高等優(yōu)點。因此，無機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，目前應用在市政污水領域MBR工藝中的膜材料普遍采用經(jīng)過改性而具有穩(wěn)定親水性的有機膜，主要有PE、PES、PVC、PVDF等，見表2［5］。其中，PVDF材料由于其在機械強度、化學穩(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，占到項目總數(shù)的95%以上。另有采用其他有機膜材料的項目，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膜組件應用特點分析

根據(jù)膜的形式不同，應用于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在國內市政污水項目中大規(guī)模應用較多，其優(yōu)點是裝填密度高、膜池體積小、制作工藝簡單、造價較低，缺點是對預處理要求較高、反沖洗次數(shù)多、阻力損失較大，主要有簾式、束狀、柱狀和海藻式等構造形式。平板膜應用較少，其優(yōu)點是跨膜壓差較小、污泥濃度高、抗污堵能力強、對預處理要求較低，缺點是裝填密度低、膜池占地相對較大、投資較高，主要有板式和盤式構造形式。相對而言，在高污泥濃度的MBR膜池內宜采用簾式膜或板式膜構造。

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

表2　膜材料和膜組件應用情況

據(jù)統(tǒng)計，在萬噸級以上的市政污水MBR項目中，中空纖維的簾式膜組件構造是目前我國采用最為廣泛的膜組件，絕大多數(shù)項目都采用了中空纖維膜組件，占比超過95%，其中又有80%以上的項目采用了簾式膜組件構造。小部分市政污水處理項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域，進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MBR的膜過濾系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的最關鍵因素是膜通量（或稱透過速率），是指單位時間內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、運行周期設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）平均瞬時膜通量；（3）最大瞬時膜通量；（4）臨界膜通量。通常在MBR工程項目正常運轉時所采用的是平均瞬時膜通量。平均瞬時膜通量是指設計處理規(guī)模的總產(chǎn)水量（包括反沖洗水等系統(tǒng)自用水量）下，實際參與工作的膜面積（需考慮各種膜的控制運行方式，如抽吸泵的工作間隔時間、在線清洗的間隔時間等）的通量。提高設計膜通量，可以減少膜組件的數(shù)量，降低投資費用，但是過高的設計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］。

從應用情況來看，在市政污水處理領域的MBR工程項目，其設計平均膜通量在14～22 L（/m2·h-1）之間，平均瞬時膜通量在15～25 L/（m2·h-1）之間。表3列舉了實際膜生物反應器項目數(shù)據(jù)分析中不同時期不同膜廠家設計膜通量的變化情況。

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，在市政污水領域MBR應用中，關于膜通量的選擇主要有以下特點：（1）設計膜通量的大小與膜的制備方法及機械強度有關，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，進口膜的設計通量略高于國產(chǎn)膜；（3）隨著MBR項目應用的擴大，出于膜通量衰減和抗水量沖擊能力差的考慮，與早期應用的項目相比，近階段的設計膜通量的選擇趨向于取低值。

表3　MBR設計膜通量的選擇情況

4　結語

由于面臨水質標準的提高以及可利用建設用地面積日益減少的雙重壓力，MBR工藝在市政領域中得到越來越廣泛的應用。隨著MBR在污水處理中的應用規(guī)模和數(shù)量越來越多，相關技術總結必不可少。初步分析了市政領域MBR工藝應用的技術特點，主要包括生物處理段應用技術、膜材料的應用特點、膜組件應用特點、膜通量的選擇等4個方面，以期為今后國內MBR工藝的規(guī)?；O計應用提供參考。

［1］鄭祥，魏源送.中國水處理行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告［R］北京:中國人民大學出版社，2013.

［2］Xiao K，XU Y，Liang S，et.Engineering application of membrane bioreactor for wastewater treatment in China:Current state and futureprospect［J］.FrontiersofEnvironmentalScience& Engineering.2014，8（6）:805-819.

［3］蔣嵐嵐，胡邦，張萬里，等.MBR工藝在太湖流域污水處理工程中的應用［J］.給水排水，2011，37（1）:14-18.

［4］蔣嵐嵐，胡邦，張萬里，等.城鎮(zhèn)污水處理工程MBR工藝生化系統(tǒng)設計關鍵技術［J］.中國給水排水，2013，29（2）:25-29.

［5］蔣嵐嵐，張萬里，胡邦，等.城鎮(zhèn)污水處理工程MBR工藝膜系統(tǒng)設計關鍵技術［J］.中國給水排水，2011，27（20）:55-60.

［6］蔣嵐嵐，胡邦，張萬里.膜生物反應器工藝設計及工程實例［M］.南京:河海大學出版社，2014.

［7］沈維勇.MBR工藝在北小河污水處理廠改擴建工程中的應用［J］.市政技術，2010，28（4）:114-116.

［8］楊昊，杭世琣，錢明達.無錫市梅村污水處理廠MBR工藝優(yōu)化運行研究［J］.給水排水，2010，36（12）:32-35.

［9］范學軍，蔣嵐嵐，劉學紅.一體化MBR工藝處理城鎮(zhèn)污水的工程設計［J］.中國給水排水.2010，26（10）:47-50.

［10］朱昱，陳翔，姜朝慶，等.活性污泥/微濾膜工藝用于十堰市污水處理廠升級改造［J］.中國給水排水，2010，26（18）:69-72.

［11］陳貽龍.地下式MBR工藝在廣州京溪污水處理廠的應用［J］.給水排水，2010.36（7）:51～54.

［12］胡邦，蔣嵐嵐，張萬里，等.MBR工藝在城市污水處理廠中的工程應用［J］.給水排水，2009，35（11）:22-24.

［13］施衛(wèi)娟，李培培.金港地下污水處理廠工程建設及設計特點［J］.中國給水排水，2013，29（18）:81-83.

［14］宋建昕，彭錚，周進勤，等.株洲市某城鎮(zhèn)污水處理廠擴建工程MBR工藝設計［J］.中國市政工程，2013（4）:29-31.

X703

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計和管理工作。