摘要

昆明市第四水質(zhì)凈化廠將ICEAS工藝改造為MBR工藝，最大限度地利用了原有構(gòu)筑物，占地面積小，出水水質(zhì)達到再生水回用標準。分析了MBR內(nèi)部配水、曝氣、回流、節(jié)能降耗優(yōu)化情況，MLSS、TMP與MBR使用年限及產(chǎn)水量之間的平衡關(guān)聯(lián)，總結(jié)了膜清洗及維護的經(jīng)驗和教訓，指出膜清洗本質(zhì)并不復雜，MBR工藝可持續(xù)的最大約束性條件是使用到期時更換膜的經(jīng)濟成本相對較大。

楊學貴（1965-），男，云南昆明人，大學本科，主要從事污水處理運行管理工作，現(xiàn)任昆明市第四水質(zhì)凈化廠副廠長。

1 升級改造前后設計參數(shù)及運行情況

昆明市第四水質(zhì)凈化廠（以下簡稱昆明四廠），原名昆明市第四污水處理廠，位于市區(qū)北部、盤龍江東岸、油管橋附近，占地2.4 hm2，于1997年5月投入運行，處理北二環(huán)以南，虹山以東，圓通山、火車北站以北，東二環(huán)以西的城市生活污水，服務面積13.20 km2，服務人口28.8萬人。

1.1

ICEAS工藝流程

昆明四廠原采用ICEAS工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行一級B標準。為使出水水質(zhì)穩(wěn)定達到一級A標準，需進行升級改造成。

圖1 IECAS工藝流程

1.2

提標升級改造MBR工藝

ICEAS工藝是常用的活性污泥法中占地面積較小的一種工藝形式，昆明四廠在占地面積無法擴大、無場地另建構(gòu)筑物的情況下，要提升出水水質(zhì)，滿足區(qū)域水環(huán)境的要求，再增加深度處理構(gòu)筑物與設施就變得困難，因此充分利用原有工藝及設施成為選擇工藝的一個重要考慮因素。

2010年4月，昆明四廠進行MBR工藝升級改造，設計處理規(guī)模為6×104m3/d，同年9月開始運行，出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標準。當時是云南首家運行MBR工藝的較大規(guī)模污水處理廠。

表1 MBR工藝設計進、出水水質(zhì)（單位：mg/L）

圖2 MBR系統(tǒng)工藝流程

昆明四廠在升級改造過程中主要構(gòu)筑物沒有改變，最大限度地利用了原有構(gòu)筑物，將原ICEAS生化反應池改造為MBR生反池及膜池，新建構(gòu)筑物只有污泥脫水泥餅柜，更多的是更換設備。

圖3 MBR工藝升級工程平面圖

1.3

AAO+MBR內(nèi)部系統(tǒng)

昆明四廠提標升級改造以AAO+MBR工藝為核心，系統(tǒng)的配水、回流、曝氣流程可概括為：單點進水、兩段好氧、三級回流，后置變化區(qū)，MBR過濾出水。

每個組合生化池由原廠的ICEAS生反池改造而成，改造后分南、北2個系列，每個系列6個廊道，共12個廊道（包括組合生化池、MBR池），各自獨立運行，結(jié)構(gòu)和尺寸都一樣，依次為厭氧池、缺氧池、好氧Ⅰ段、好氧Ⅱ段、變化池、膜池。好氧區(qū)設置DO、MLSS在線檢測儀、靜壓式液位計等在線監(jiān)測儀表。

通過調(diào)節(jié)六角配水井堰板，對各廊道進行配水，每一廊道各區(qū)之間通過潛水推進器（攪拌器）來循環(huán)混合液，攪拌器可以在30°～150°方位調(diào)節(jié)。三級回流各自通過變頻器調(diào)節(jié)回流量。

2 出水水質(zhì)

系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定，優(yōu)于一級A標準。2016年出水水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示，出水BOD5、COD、SS較穩(wěn)定， TN受季節(jié)影響，冬季1月—2月偏高，夏季最低。

表2 2016年出水水質(zhì)

昆明四廠MBR工藝運行7年，出水水質(zhì)基本未因膜的使用年限長而受到影響，在未投加碳源的情況下，投加鐵源輔助除磷。實際常采用前置、同步、后置三種除磷方式。采用FeSO4·7H2O前置除磷，投加地點在轉(zhuǎn)鼓格柵后、生反池前，投加濃度8%～10%，投藥量為10～30 mg/L，既能減少后續(xù)生物處理負荷，不損傷膜，又達到除磷效果，出水TP控制在0.20㎎/L以下，根據(jù)水量、進出水TP濃度，調(diào)控投加量。

MBR 工藝對COD、NH3-N、TP、TN和SS的去除率，出水色度和清澈度等物理外觀特征明顯，出水濁度＜1 NTU，各項出水指標優(yōu)于一級A標準，近年來出水TN＜8 mg/L。MBR生化池的生物段能形成良好的DO梯度并維持較高的MLSS和較長的SRT，因此對TN有更好的去除效果。

2011年—2017年7年運行數(shù)據(jù)顯示，出水水質(zhì)滿足《城市污水再生利用 城市雜用水標準》(GB/T 18920-2002)和《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)標準》(GB/T 18921-2002)，除TN外，其余出水BOD5、COD、TP、NH3-N等項指標滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)Ⅲ類標準。MBR出水水質(zhì)波動較小，說明生化池高MLSS可保證生物降解的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的抗沖擊能力，對污染物的去除率保持在較高水平。MBR出水作為再生水回用具有良好的發(fā)展前景。

3 運行能耗

MBR工藝采取脈沖曝氣、循環(huán)曝氣、精確曝氣以及其他多種措施來解決能耗高的問題。通過不斷優(yōu)化運行，昆明四廠2014、2015年MBR工藝能耗由2011年的0.606 kW·h/m⊃3;分別降到約0.47、0.49 kW·h/m⊃3;，降耗19%。2011年—2016年平均能耗為0.5463 kW·h/m⊃3;，與傳統(tǒng)工藝平均能耗0.29 kW·h/m⊃3;相比高88.4%。2016年能耗有所升高是因膜通量衰減，處理量減少，單位能耗相對上升。MBR通過優(yōu)化運行，節(jié)能降耗尚有一定空間。

3.1

原膜池與生反池風機的運行狀況

自2010年9月MBR升級改造完成后，膜池吹掃擦洗風機開啟兩臺,單機功率355kW，單機運行風量為17500m3/h，膜池DO達到6~8mg/L。生化池使用一臺曝氣風機，功率315kW，風量為7500m⊃3;/h，因生化池風機選型過大，風量過剩，在實際生產(chǎn)過程中，只要有三個廊道變化池（實際運行為缺氧池）DO＞1mg/L，該段的回流液回流到缺氧池，因DO過高而干擾缺氧池的脫氮，導致出水TN偏高，這部分多余的DO就分流至污泥濃縮池，在能耗上造成了一定的浪費。

3.1.2 生反池與膜池之間設置連通閥門

生化池和膜池風分別為0.055、0.05 MPa，這從客觀上為生化池多余的風量輸送到膜池創(chuàng)造了可能。在生化池風機管道和膜池吹掃風機管道之間設置連通閥門，將生化池富余的風量調(diào)節(jié)到膜池，膜池開啟風機減為一臺，充分利用膜池高DO回流至好氧池，既保證對膜的吹掃擦洗效果，又節(jié)能降耗，降低出水TN。

4 膜系統(tǒng)清洗維護

對于PVDF中空纖維膜組件，膜清洗主要包括反沖洗、在線清洗（維護性化學清洗）和離線清洗（恢復性清洗）。MBR膜清洗本質(zhì)上并不復雜，但也有一些必須注意的運行操作方式、預處理優(yōu)化等應遵守的原則。昆明四廠在實踐中總結(jié)出較為系統(tǒng)的MBR膜三級清洗維護方法。

4.1

預處理

昆明四廠預處理階段設置有三道格柵：柵隙為20 mm的粗格柵、柵隙為5 mm的細格柵、柵隙為1 mm的超細轉(zhuǎn)鼓格柵，超細轉(zhuǎn)鼓格柵是防止毛發(fā)等纖維類物質(zhì)纏繞在膜絲上造成膜污染與膜損害、堵塞設置的。根據(jù)昆明四廠實際運行經(jīng)驗，網(wǎng)狀超細轉(zhuǎn)鼓格柵對纖維類物質(zhì)的去除效果不理想，后改為1 mm孔徑超細轉(zhuǎn)鼓格柵，效果較好。建議采用圓孔徑超細格柵作為今后設計中的另一個選擇。

4.2

MLSS

一般認為，隨著運行時間的延長，反應器內(nèi)MLSS會逐漸提高，隨著MLSS上升，膜通量會下降，會發(fā)生膜污染。在實際運行中，MLSS是可以調(diào)控的，昆明四廠MBR中空纖維膜反應器置于膜池中，膜池底部有排泥閥，可以通過泥泵將剩余污泥排至污泥濃縮池，再抽至離心脫水機進行污泥脫水。根據(jù)進出水指標變化、膜池混合液過濾性、膜的透水率及膜運行年限調(diào)控MLSS，隨MBR運行年限的延長將MLSS調(diào)控呈逐漸下降趨勢，由使用初期的10050 mg/L降至2016年的4700 mg/L。膜池MLSS升高，TMP增加，膜池MLSS減少，TMP降低。在二者之間要找到一個合理的平衡點。

當MLSS較高時，污泥易在膜表面沉積，導致過濾阻力增加，膜通量降低；另一方面，當MLSS太低時，污泥對溶解性有機物的吸附和降解能力減弱，從而易被膜表面吸附形成凝膠層，導致過濾阻力增加，膜通量降低。

具體措施及要求是在確保出水水質(zhì)達標的基礎上，盡量降低MLSS，降低TMP，減輕膜負荷及污染。一般MLSS可控制在5000-7000㎎/L，MLSS不低于3000㎎/L，過低的MLSS，出水TN升高，也會加劇膜污染，一般冬季MLSS高于夏季MLSS，新使用的膜MLSS＞使用年限較長的膜MLSS。

4.3

跨膜壓差（TMP）及運行

昆明四廠膜壓差控制范圍是-35～0 kPa，超過-35 kPa建議進行化學清洗。

TMP絕對值越大，說明膜污染越嚴重，產(chǎn)水量就會受到限制，實踐中，清洗只是在需要時進行，昆明四廠每天監(jiān)測TMP，根據(jù)TMP進行洗膜，一般情況超過-20 kPa進行清洗，不建議TMP運行到-35 kPa時才進行清洗。

一般的MBR系統(tǒng)可采用恒壓控制或恒流控制兩種方式，昆明四廠則是綜合運行，即在TMP≤-20 kPa的限制條件下，恒流量運行，各廊道產(chǎn)水/停歇時間：7 min/1 min，過大的膜通量并不是系統(tǒng)的目標，而且還會導致不穩(wěn)定的操作，一個良好運行的膜系統(tǒng)必須具有合理和穩(wěn)定的通量，并且能耗盡可能低。

隨著膜使用年限的延長，則MLSS需要降低，以減緩膜污染，延長膜的使用壽命。TMP/ MLSS、TMP/ MBR產(chǎn)水量、MLSS/ MBR使用年限，它們之間呈非線性關(guān)聯(lián)，在生產(chǎn)實際運行中及膜清洗維護時應予以重視。

圖4 MLSS與MBR使用年限關(guān)聯(lián)圖

4.4

廊道液位

各廊道液位應趨于平衡，否則造成液位低的廊道過度曝氣，液位高的廊道吹掃擦洗效果差，甚至不曝氣，加劇膜污染。

4.5

吹掃擦洗風機與產(chǎn)水泵聯(lián)動

一旦膜池風機突然停運，產(chǎn)水泵一定要聯(lián)動停運，否則短時間就會造成較為嚴重的膜污染，這是實踐獲得的寶貴經(jīng)驗。在今后自控設計中應充分重視，實現(xiàn)聯(lián)動控制。

5MBR可持續(xù)的最大挑戰(zhàn)（約束性條件）

5.1

膜通量下降引起的處理負荷降低

MBR出水量由膜通量決定，超負荷運行幅度小，膜通量下降會導致處理能力降低和單位水處理成本升高，這是在MBR應用中需要注意和解決的問題。

圖5 2011-2017年度日均處理量

2013年處理量下降，是因為當年7·19遭遇百年不遇的強降雨導致盤龍江水倒灌進入廠區(qū)而停產(chǎn)一段時間所致。污水處理廠的流量會隨雨季、旱季及管網(wǎng)情況而有所變化，膜通量顯著下降意味著污水不能得到全部處理。面對此情況，可以采取設計留有余地、預留膜池、備用一定數(shù)量的膜組件、設置流量調(diào)節(jié)池、污水分流等措施。昆明四廠升級改造時膜池預留4個膜組器位置備用，因膜通量下降導致處理能力降低的片區(qū)污水通過張官營中轉(zhuǎn)泵站，調(diào)配至第五水質(zhì)凈化廠處理，確保該片區(qū)污水全部得到處理。

5.2

MBR運行成本

污水處理廠運行費用包括能耗、污泥處置費用、藥劑投加費、人工費、管理費、設備維修費及折舊費。MBR污泥量相對較少，可以部分減少污泥處置費。對于相對成熟的膜清洗維護，MBR清洗藥劑經(jīng)濟成本并不算高。

表3 MBR膜清洗藥劑耗用表 g/m3

5.3

MBR工藝可持續(xù)的最大約束性條件

5.3.1 MBR膜使用壽命

現(xiàn)在膜廠商一般對膜的保用年限是5年，膜無論是使用5年、7年，還是更長時間，膜通量下降是必然趨勢。按照《全國城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)能減排績效考核達標競賽標準（試行）》規(guī)定，運行三年以上處理水量低于設計水量75%的單位不參加考核，也就是說，處理負荷低于75%將失去參加全國城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)能減排績效考核達標競賽的資格。

5.3.2 MBR膜更換的經(jīng)濟成本

膜價格是整機系統(tǒng)價格，一般指裝配好的、具有膜組件、內(nèi)部管線和管件、閥門等，能投入使用的價格。膜價格因地區(qū)、訂貨量及組件的不同而有所不同。

膜組件因不同廠商的規(guī)格型號、外形尺寸各不相同，也互不通用，如更換另外廠商的膜就意味著整個膜系統(tǒng)隨之更換，須根據(jù)膜廠商的規(guī)格型號與污水處理廠現(xiàn)場現(xiàn)狀進行重新配置，所以目前國外膜知名廠商到實際使用地膜組件最終價格不會低于300元/㎡，據(jù)不完全了解，國內(nèi)領(lǐng)先品牌的膜價格大約在170~280元/㎡之間，如按一般MBR工藝穩(wěn)定平均膜通量為25L/（m2·h），一座處理規(guī)模為6×104m3/d的污水處理廠，膜面積約需10萬㎡以上，到期如果全部更換膜需費用兩三千萬元。按技術(shù)經(jīng)濟學的觀點，互相矛盾的多目標用最優(yōu)化解決。要么更換新膜，要么更換回傳統(tǒng)工藝，投入產(chǎn)出比的考量，是一個艱難的抉擇，這才是MBR可持續(xù)的最大約束性（限制性）條件，或者說是最大劣勢。

6結(jié)語

① MBR工藝出水水質(zhì)達到再生水回用標準，充分合理地利用MBR工藝的再生水具有較好的環(huán)境效益與一定的經(jīng)濟效益和市場競爭力。

② 能耗高與出水水質(zhì)好、占地小，兩權(quán)相比取其優(yōu)，況且通過優(yōu)化運行，能耗還有進一步下降的空間，運行成熟的MBR工藝能耗一般可達0.46~0.56 kW·h/m⊃3;。

③ MBR膜清洗本質(zhì)上并不復雜，但要注意合適的運行操作方式和應遵守必要的原則。

④ MBR可持續(xù)最大的約束條件是膜通量顯著下降，處理負荷降低，使用到期更換膜的經(jīng)濟成本較大，而非能耗高、膜清洗困難等因素。

本文根據(jù)《中國給水排水》2017年14期的“昆明第四水質(zhì)凈化廠MBR工藝7年運行實踐分析”一文整理，作者為楊學貴、肖曉文、孫雁、張亞寧

微信號：cnww1985