MBR工藝應用于城市污水處理分析

由于面臨水質標準的提高以及可用土地面積日益減少的雙重壓力，MBR工藝在城市污水處理中得到越來越廣泛的應用。截至2008年底，我國已有約20個日處理能力達萬噸的MBR工程在運行和建設中。截至2008年，歐洲已經有超過800座MBR處理裝置在運行，其中37座MBR處理廠的規模已經超過了5000m3/d。zui近的10年是MBR快速發展的時期，處理規模已經從zui早的幾百噸發展到日處理規模上萬噸，一些正在建設的污水處理廠規模甚至超過了10×104m3/d。隨著規模的擴大以及MBR工藝所固有的技術特性，應用的風險也應得到充分的重視。
1、MBR工藝概述
MBR 工藝一般分為外置式和浸沒式兩種。外置式MBR 運行穩定可靠，易于進行膜的清洗、更換及增設，因在較高的壓力下運行，比浸沒式的實際膜通量要大，但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積，需要延長膜的清洗周期，并用循環泵提供較高的膜面錯流流速，水流循環量大、動力費用高。浸沒式MBR 由于其跨膜壓差較小，膜通量很少會超過臨界值，因而可以保持長時間穩定的膜通量而無需進行化學清洗。外置式MBR 一般用于高溫、高濃度有機物、有毒或難以過濾的污水。對于市政生活污水的處理，浸沒式MBR 是主要應用形式。
2、工藝風險
2. 1 預處理的風險
預處理是MBR 工藝非常重要的一個環節，預處理對MBR 工藝的影響程度遠遠超過了其對傳統工藝的影響，有效的預處理對于延長膜組件的壽命及提高工藝的性能具有重要的作用，無論在設計還是運行中，都要格外重視預處理。國內外有不少MBR工藝由于不重視預處理造成了嚴重的后果。譬如，德國的 污水處理廠和Markranstdt 污水處理廠采用的都是MBR 工藝，運行之初沒有采用細篩，只是采用傳統的預處理工藝。短暫的運行之后就發現膜組件被纖維和毛發物質所纏繞、堵塞。這些毛發和纖維物質從生物池進入到膜池，在曝氣的作用下和膜絲纏繞在一起，毛發和纖維物質引起的堵塞嚴重地降低了有效膜面積，出水水量也由此下降，而手工清洗非常費時。為了解決這種問題，這兩座污水處理廠后來都安裝了細篩，Rdingen 污水處理廠安裝了0． 5 mm 的細篩，Markranstdt 污水處理廠安裝了0． 75 mm 的細篩。
2. 2 處理能力降低的風險
*，污水處理廠的流量會隨著季節、進水的組成及處理規模的大小等而有所變化，這種流量的變化對MBR 的運行有較大的影響。在傳統活性污泥工藝中，峰值流量超過設計值一般會導致處理效率的下降，但峰值水流一般會順利地通過沉淀池的出水堰。而MBR 工藝與此*不同，MBR 工藝中存在著一個極限的通量，超過這個極限或者由于膜污染導致膜通量下降，那么多余的水就通不過膜孔徑，這部分流量需要分流到另外的處理設施進行處理。圖1 反映的是膜通量隨時間的變化情況，可以看出盡管采用水力清洗、化學清洗可以在一定程
度上提高膜通量，但膜通量下降是必然的趨勢。
實際運行中的很多MBR 工藝都是這樣，在運行的早期一般能達到設計規模，但隨著運行時間的積累，處理能力不斷降低，很多MBR 污水處理廠的實際處理能力甚至不足設計之初的50%。因此在選擇MBR 工藝時必須意識到日后這種潛在的風險，采取必要的技術手段。事實上，美國環保局認為MBR工藝的進水峰值流量不應超過平均流量的1． 5 ～ 2倍，如果超過這個值，就需要有大量的膜組件備用，或者設置流量調節池。

圖1 膜通量隨時間的變化關系
調節池可以外置或內置。外置調節池可以設在MBR 工藝前，獨立使用。外置調節池容易滿足設計要求，但在某種場合下選擇MBR 工藝是出于占地的要求，增加額外的池子可能會難以滿足全廠的布局。如果流量變化不是非常顯著，內置調節池可以利用膜池的超高來實現，大多數膜池液位在0． 5 ～ 1． 0 m之間的變化不會對鼓風機造成顯著的影響，這是應對日流量變化的良策。一些處理廠可以采用外置調節池與內置調節池共同應對流量的變化，外置調節池用于調節雨季流量，內置調節池應對流量的日變化。但調節池一般用于小型MBR 污水處理廠，可以降低MBR 的設計復雜程度。
大型MBR 污水處理廠一般都會存在一套傳統活性污泥工藝或化學強化處理單元，這主要是為了保證在應急情況下，污水可以通過傳統活性污泥工藝或化學沉淀得到處理，而不至于發生污水外溢事故。美國華盛頓州的Brightwater 污水廠采用MBR工藝，設計平均流量為11． 7 × 104 m3 /d，峰值流量為14．4×104m3/d。該污水廠就采用了上述的分流措施，旱季時污水全部得到二級處理，雨季時的污水采用化學強化處理( 見圖2) 。

圖2 Brightwater 污水處理廠的MBR工藝分流措施
歐洲的很多MBR 污水處理廠也注意到了這一點，這些MBR 工藝一般處理全廠25% ～ 63% 的水量，其余一部分水量通過傳統工藝處理，這樣可以保持穩定的膜通量。意大利的布雷西亞污水處理廠、西班牙的薩瓦德爾污水處理廠都是將傳統工藝與MBR 共用。英國Lowestoft 污水處理廠( 處理規模為1． 4 × 104 m3 /d) 的處理工藝由三部分組成，60% 的進水采用傳統活性污泥工藝， 20% 的進水采用MBBR工藝，另外20%的進水采用MBR 工藝。另外，大型MBR 處理廠往往還會設置一些空置的膜池，以備在某些膜組件性能下降后，安裝新的膜組件，以保證正常的膜通量。
2. 3 自控系統的風險
在MBR 工藝中，膜組件是核心，膜組件的正常與否決定著工藝的效能，而自控系統則是維持這個核心正常運行的中樞。MBR 工藝的儀表自動控制系統比傳統活性污泥工藝復雜得多，MBR 工藝每年的清洗次數至少在2 萬次以上，這對于各種閥門、泵是個嚴峻的考驗，意味著需要2 萬次無誤的操作，有時候甚至一個元件發生故障，整個系列的膜池就可能停產。從這一點來說，MBR 工藝的可靠性比較低，對于PLC 控制系統的要求很高。小型MBR 處理廠可以采用一套PLC 控制系統即可。但是對于大型MBR 處理廠，建議采用兩套PLC 控制系統，并且這兩套系統采用環狀結構聯通。
大型污水處理廠應用MBR 工藝應格外慎重。膜組件的可靠性要遠遠低于沉淀池的可靠性，膜通量的顯著下降就意味著污水不能得到全部處理，必須進行分流?，F在的MBR 處理規模有的已經達到了(4～6) × 104 m3 /d，一些處理廠MBR 的規模在將來會達到( 12 ～ 20) × 104 m3 /d，而對于傳統污水生物處理工藝， 10 × 104 m3 /d 的規模屢見不鮮，甚至百萬噸級的規模在也不在少數，但現有運行中的MBR 規模很少超過10 × 104 m3 /d，這一方面說明了MBR 的應用尚處于起步階段，另一方面也說明了MBR 的大規模及超大規模的應用會存在各種各樣的技術風險，規模的增大，其所要求的設計難度也隨之提高，工藝的風險性以及工藝的整體優化將成為設計的主要問題。
MBR 可以保證水質，但不能保證水量。對于水量波動較大的污水處理廠，MBR 工藝難以適應，這種情況對于合流制系統尤為如此。因為用MBR 工藝處理含有大量雨水的污水時，就必須建造大容積的調節池，或者膜片面積的設計余量非常大，這將會導致投資非常昂貴。
MBR 工藝對自動控制的依賴性很強，各個環節都需要自動控制，一個自控元件的失靈甚至會導致膜池停止進水，污水將而直接排放。由于MBR 是一種相對較新的技術，各方面的運行經驗還不是很豐富，缺少長期運行的數據來反映運行的情況。因此，各種膜供應商所宣稱的效果也需要進一步驗證和評價。