MBR工艺应用于城市污水处理分析

由于面临水质标准的提高以及可用土地面积日益减少的双重压力，MBR工艺在城市污水处理中得到越来越广泛的应用。截至2008年底，我国已有约20个日处理能力达万吨的MBR工程在运行和建设中。截至2008年，欧洲已经有超过800座MBR处理装置在运行，其中37座MBR处理厂的规模已经超过了5000m3/d。zui近的10年是MBR快速发展的时期，处理规模已经从zui早的几百吨发展到日处理规模上万吨，一些正在建设的污水处理厂规模甚至超过了10×104m3/d。随着规模的扩大以及MBR工艺所固有的技术特性，应用的风险也应得到充分的重视。
1、MBR工艺概述
MBR 工艺一般分为外置式和浸没式两种。外置式MBR 运行稳定可靠，易于进行膜的清洗、更换及增设，因在较高的压力下运行，比浸没式的实际膜通量要大，但一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积，需要延长膜的清洗周期，并用循环泵提供较高的膜面错流流速，水流循环量大、动力费用高。浸没式MBR 由于其跨膜压差较小，膜通量很少会超过临界值，因而可以保持长时间稳定的膜通量而无需进行化学清洗。外置式MBR 一般用于高温、高浓度有机物、有毒或难以过滤的污水。对于市政生活污水的处理，浸没式MBR 是主要应用形式。
2、工艺风险
2. 1 预处理的风险
预处理是MBR 工艺非常重要的一个环节，预处理对MBR 工艺的影响程度远远超过了其对传统工艺的影响，有效的预处理对于延长膜组件的寿命及提高工艺的性能具有重要的作用，无论在设计还是运行中，都要格外重视预处理。国内外有不少MBR工艺由于不重视预处理造成了严重的后果。譬如，德国的 污水处理厂和Markranstdt 污水处理厂采用的都是MBR 工艺，运行之初没有采用细筛，只是采用传统的预处理工艺。短暂的运行之后就发现膜组件被纤维和毛发物质所缠绕、堵塞。这些毛发和纤维物质从生物池进入到膜池，在曝气的作用下和膜丝缠绕在一起，毛发和纤维物质引起的堵塞严重地降低了有效膜面积，出水水量也由此下降，而手工清洗非常费时。为了解决这种问题，这两座污水处理厂后来都安装了细筛，Rdingen 污水处理厂安装了0． 5 mm 的细筛，Markranstdt 污水处理厂安装了0． 75 mm 的细筛。
2. 2 处理能力降低的风险
*，污水处理厂的流量会随着季节、进水的组成及处理规模的大小等而有所变化，这种流量的变化对MBR 的运行有较大的影响。在传统活性污泥工艺中，峰值流量超过设计值一般会导致处理效率的下降，但峰值水流一般会顺利地通过沉淀池的出水堰。而MBR 工艺与此*不同，MBR 工艺中存在着一个极限的通量，超过这个极限或者由于膜污染导致膜通量下降，那么多余的水就通不过膜孔径，这部分流量需要分流到另外的处理设施进行处理。图1 反映的是膜通量随时间的变化情况，可以看出尽管采用水力清洗、化学清洗可以在一定程
度上提高膜通量，但膜通量下降是必然的趋势。
实际运行中的很多MBR 工艺都是这样，在运行的早期一般能达到设计规模，但随着运行时间的积累，处理能力不断降低，很多MBR 污水处理厂的实际处理能力甚至不足设计之初的50%。因此在选择MBR 工艺时必须意识到日后这种潜在的风险，采取必要的技术手段。事实上，美国环保局认为MBR工艺的进水峰值流量不应超过平均流量的1． 5 ～ 2倍，如果超过这个值，就需要有大量的膜组件备用，或者设置流量调节池。

图1 膜通量随时间的变化关系
调节池可以外置或内置。外置调节池可以设在MBR 工艺前，独立使用。外置调节池容易满足设计要求，但在某种场合下选择MBR 工艺是出于占地的要求，增加额外的池子可能会难以满足全厂的布局。如果流量变化不是非常显著，内置调节池可以利用膜池的超高来实现，大多数膜池液位在0． 5 ～ 1． 0 m之间的变化不会对鼓风机造成显著的影响，这是应对日流量变化的良策。一些处理厂可以采用外置调节池与内置调节池共同应对流量的变化，外置调节池用于调节雨季流量，内置调节池应对流量的日变化。但调节池一般用于小型MBR 污水处理厂，可以降低MBR 的设计复杂程度。
大型MBR 污水处理厂一般都会存在一套传统活性污泥工艺或化学强化处理单元，这主要是为了保证在应急情况下，污水可以通过传统活性污泥工艺或化学沉淀得到处理，而不至于发生污水外溢事故。美国华盛顿州的Brightwater 污水厂采用MBR工艺，设计平均流量为11． 7 × 104 m3 /d，峰值流量为14．4×104m3/d。该污水厂就采用了上述的分流措施，旱季时污水全部得到二级处理，雨季时的污水采用化学强化处理( 见图2) 。

图2 Brightwater 污水处理厂的MBR工艺分流措施
欧洲的很多MBR 污水处理厂也注意到了这一点，这些MBR 工艺一般处理全厂25% ～ 63% 的水量，其余一部分水量通过传统工艺处理，这样可以保持稳定的膜通量。意大利的布雷西亚污水处理厂、西班牙的萨瓦德尔污水处理厂都是将传统工艺与MBR 共用。英国Lowestoft 污水处理厂( 处理规模为1． 4 × 104 m3 /d) 的处理工艺由三部分组成，60% 的进水采用传统活性污泥工艺， 20% 的进水采用MBBR工艺，另外20%的进水采用MBR 工艺。另外，大型MBR 处理厂往往还会设置一些空置的膜池，以备在某些膜组件性能下降后，安装新的膜组件，以保证正常的膜通量。
2. 3 自控系统的风险
在MBR 工艺中，膜组件是核心，膜组件的正常与否决定着工艺的效能，而自控系统则是维持这个核心正常运行的中枢。MBR 工艺的仪表自动控制系统比传统活性污泥工艺复杂得多，MBR 工艺每年的清洗次数至少在2 万次以上，这对于各种阀门、泵是个严峻的考验，意味着需要2 万次无误的操作，有时候甚至一个元件发生故障，整个系列的膜池就可能停产。从这一点来说，MBR 工艺的可靠性比较低，对于PLC 控制系统的要求很高。小型MBR 处理厂可以采用一套PLC 控制系统即可。但是对于大型MBR 处理厂，建议采用两套PLC 控制系统，并且这两套系统采用环状结构联通。
大型污水处理厂应用MBR 工艺应格外慎重。膜组件的可靠性要远远低于沉淀池的可靠性，膜通量的显著下降就意味着污水不能得到全部处理，必须进行分流。现在的MBR 处理规模有的已经达到了(4～6) × 104 m3 /d，一些处理厂MBR 的规模在将来会达到( 12 ～ 20) × 104 m3 /d，而对于传统污水生物处理工艺， 10 × 104 m3 /d 的规模屡见不鲜，甚至百万吨级的规模在也不在少数，但现有运行中的MBR 规模很少超过10 × 104 m3 /d，这一方面说明了MBR 的应用尚处于起步阶段，另一方面也说明了MBR 的大规模及超大规模的应用会存在各种各样的技术风险，规模的增大，其所要求的设计难度也随之提高，工艺的风险性以及工艺的整体优化将成为设计的主要问题。
MBR 可以保证水质，但不能保证水量。对于水量波动较大的污水处理厂，MBR 工艺难以适应，这种情况对于合流制系统尤为如此。因为用MBR 工艺处理含有大量雨水的污水时，就必须建造大容积的调节池，或者膜片面积的设计余量非常大，这将会导致投资非常昂贵。
MBR 工艺对自动控制的依赖性很强，各个环节都需要自动控制，一个自控元件的失灵甚至会导致膜池停止进水，污水将而直接排放。由于MBR 是一种相对较新的技术，各方面的运行经验还不是很丰富，缺少长期运行的数据来反映运行的情况。因此，各种膜供应商所宣称的效果也需要进一步验证和评价。