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(dá)到再生水回用標(biāo)準(zhǔn)。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(hù)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，指出膜清洗本質(zhì)并不復(fù)雜，MBR工藝可持續(xù)的最大約束性條件是使用到期時(shí)更換膜的經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較大。

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

1 升級(jí)改造前后設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行情況

昆明市第四水質(zhì)凈化廠（以下簡(jiǎn)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(yùn)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(wù)面積13.20 km2，服務(wù)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(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。為使出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行升級(jí)改造成。

圖1 IECAS工藝流程

1.2

提標(biāo)升級(jí)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(kuò)大、無場(chǎng)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(shè)施就變得困難，因此充分利用原有工藝及設(shè)施成為選擇工藝的一個(gè)重要考慮因素。

2010年4月，昆明四廠進(jìn)行MBR工藝升級(jí)改造，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6×104m3/d，同年9月開始運(yùn)行，出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)是云南首家運(yùn)行MBR工藝的較大規(guī)模污水處理廠。

表1 MBR工藝設(shè)計(jì)進(jìn)、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(jí)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(yīng)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(shè)備。

圖3 MBR工藝升級(jí)工程平面圖

1.3

AAO+MBR內(nèi)部系統(tǒng)

昆明四廠提標(biāo)升級(jí)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：?jiǎn)吸c(diǎn)進(jìn)水、兩段好氧、三級(jí)回流，后置變化區(qū)，MBR過濾出水。

每個(gè)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(gè)系列，每個(gè)系列6個(gè)廊道，共12個(gè)廊道（包括組合生化池、MBR池），各自獨(dú)立運(yùn)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(shè)置DO、MLSS在線檢測(cè)儀、靜壓式液位計(jì)等在線監(jiān)測(cè)儀表。

通過調(diào)節(jié)六角配水井堰板，對(duì)各廊道進(jìn)行配水，每一廊道各區(qū)之間通過潛水推進(jìn)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(jí)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。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(yùn)行7年，出水水質(zhì)基本未因膜的使用年限長(zhǎng)而受到影響，在未投加碳源的情況下，投加鐵源輔助除磷。實(shí)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(diǎn)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(fù)荷，不損傷膜，又達(dá)到除磷效果，出水TP控制在0.20㎎/L以下，根據(jù)水量、進(jìn)出水TP濃度，調(diào)控投加量。

MBR 工藝對(duì)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(xiàng)出水指標(biāo)優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǎng)的SRT，因此對(duì)TN有更好的去除效果。

2011年—2017年7年運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18920-2002)和《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18921-2002)，除TN外，其余出水BOD5、COD、TP、NH3-N等項(xiàng)指標(biāo)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。MBR出水水質(zhì)波動(dòng)較小，說明生化池高M(jìn)LSS可保證生物降解的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的抗沖擊能力，對(duì)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(yùn)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(yùn)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(duì)上升。MBR通過優(yōu)化運(yùn)行，節(jié)能降耗尚有一定空間。

3.1

原膜池與生反池風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況

自2010年9月MBR升級(jí)改造完成后，膜池吹掃擦洗風(fēng)機(jī)開啟兩臺(tái),單機(jī)功率355kW，單機(jī)運(yùn)行風(fēng)量為17500m3/h，膜池DO達(dá)到6~8mg/L。生化池使用一臺(tái)曝氣風(fēng)機(jī)，功率315kW，風(fēng)量為7500m⊃3;/h，因生化池風(fēng)機(jī)選型過大，風(fēng)量過剩，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，只要有三個(gè)廊道變化池（實(shí)際運(yùn)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(dǎo)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(fèi)。

3.1.2 生反池與膜池之間設(shè)置連通閥門

生化池和膜池風(fēng)分別為0.055、0.05 MPa，這從客觀上為生化池多余的風(fēng)量輸送到膜池創(chuàng)造了可能。在生化池風(fēng)機(jī)管道和膜池吹掃風(fēng)機(jī)管道之間設(shè)置連通閥門，將生化池富余的風(fēng)量調(diào)節(jié)到膜池，膜池開啟風(fēng)機(jī)減為一臺(tái)，充分利用膜池高DO回流至好氧池，既保證對(duì)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(hù)

對(duì)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(hù)性化學(xué)清洗）和離線清洗（恢復(fù)性清洗）。MBR膜清洗本質(zhì)上并不復(fù)雜，但也有一些必須注意的運(yùn)行操作方式、預(yù)處理優(yōu)化等應(yīng)遵守的原則。昆明四廠在實(shí)踐中總結(jié)出較為系統(tǒng)的MBR膜三級(jí)清洗維護(hù)方法。

4.1

預(yù)處理

昆明四廠預(yù)處理階段設(shè)置有三道格柵：柵隙為20 mm的粗格柵、柵隙為5 mm的細(xì)格柵、柵隙為1 mm的超細(xì)轉(zhuǎn)鼓格柵，超細(xì)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(shè)置的。根據(jù)昆明四廠實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)狀超細(xì)轉(zhuǎn)鼓格柵對(duì)纖維類物質(zhì)的去除效果不理想，后改為1 mm孔徑超細(xì)轉(zhuǎn)鼓格柵，效果較好。建議采用圓孔徑超細(xì)格柵作為今后設(shè)計(jì)中的另一個(gè)選擇。

4.2

MLSS

一般認(rèn)為，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)器內(nèi)MLSS會(huì)逐漸提高，隨著MLSS上升，膜通量會(huì)下降，會(huì)發(fā)生膜污染。在實(shí)際運(yùn)行中，MLSS是可以調(diào)控的，昆明四廠MBR中空纖維膜反應(yīng)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(jī)進(jìn)行污泥脫水。根據(jù)進(jìn)出水指標(biāo)變化、膜池混合液過濾性、膜的透水率及膜運(yùn)行年限調(diào)控MLSS，隨MBR運(yùn)行年限的延長(zhǎng)將MLSS調(diào)控呈逐漸下降趨勢(shì)，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(gè)合理的平衡點(diǎn)。

當(dāng)MLSS較高時(shí)，污泥易在膜表面沉積，導(dǎo)致過濾阻力增加，膜通量降低；另一方面，當(dāng)MLSS太低時(shí)，污泥對(duì)溶解性有機(jī)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(dǎo)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(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量降低MLSS，降低TMP，減輕膜負(fù)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(huì)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(zhǎng)的膜MLSS。

4.3

跨膜壓差（TMP）及運(yùn)行

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

TMP絕對(duì)值越大，說明膜污染越嚴(yán)重，產(chǎn)水量就會(huì)受到限制，實(shí)踐中，清洗只是在需要時(shí)進(jìn)行，昆明四廠每天監(jiān)測(cè)TMP，根據(jù)TMP進(jìn)行洗膜，一般情況超過-20 kPa進(jìn)行清洗，不建議TMP運(yùn)行到-35 kPa時(shí)才進(jìn)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(yùn)行，即在TMP≤-20 kPa的限制條件下，恒流量運(yùn)行，各廊道產(chǎn)水/停歇時(shí)間：7 min/1 min，過大的膜通量并不是系統(tǒng)的目標(biāo)，而且還會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的操作，一個(gè)良好運(yùn)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(zhǎng)，則MLSS需要降低，以減緩膜污染，延長(zhǎng)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(shí)際運(yùn)行中及膜清洗維護(hù)時(shí)應(yīng)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(yīng)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(fēng)機(jī)與產(chǎn)水泵聯(lián)動(dòng)

一旦膜池風(fēng)機(jī)突然停運(yùn)，產(chǎn)水泵一定要聯(lián)動(dòng)停運(yùn)，否則短時(shí)間就會(huì)造成較為嚴(yán)重的膜污染，這是實(shí)踐獲得的寶貴經(jīng)驗(yàn)。在今后自控設(shè)計(jì)中應(yīng)充分重視，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)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(fù)荷降低

MBR出水量由膜通量決定，超負(fù)荷運(yùn)行幅度小，膜通量下降會(huì)導(dǎo)致處理能力降低和單位水處理成本升高，這是在MBR應(yīng)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?yàn)楫?dāng)年7·19遭遇百年不遇的強(qiáng)降雨導(dǎo)致盤龍江水倒灌進(jìn)入廠區(qū)而停產(chǎn)一段時(shí)間所致。污水處理廠的流量會(huì)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(duì)此情況，可以采取設(shè)計(jì)留有余地、預(yù)留膜池、備用一定數(shù)量的膜組件、設(shè)置流量調(diào)節(jié)池、污水分流等措施。昆明四廠升級(jí)改造時(shí)膜池預(yù)留4個(gè)膜組器位置備用，因膜通量下降導(dǎo)致處理能力降低的片區(qū)污水通過張官營(yíng)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(yùn)行成本

污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用包括能耗、污泥處置費(fèi)用、藥劑投加費(fèi)、人工費(fèi)、管理費(fèi)、設(shè)備維修費(fèi)及折舊費(fèi)。MBR污泥量相對(duì)較少，可以部分減少污泥處置費(fèi)。對(duì)于相對(duì)成熟的膜清洗維護(hù)，MBR清洗藥劑經(jīng)濟(jì)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(duì)膜的保用年限是5年，膜無論是使用5年、7年，還是更長(zhǎng)時(shí)間，膜通量下降是必然趨勢(shì)。按照《全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)能減排績(jī)效考核達(dá)標(biāo)競(jìng)賽標(biāo)準(zhǔn)（試行）》規(guī)定，運(yùn)行三年以上處理水量低于設(shè)計(jì)水量75%的單位不參加考核，也就是說，處理負(fù)荷低于75%將失去參加全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)能減排績(jī)效考核達(dá)標(biāo)競(jìng)賽的資格。

5.3.2 MBR膜更換的經(jīng)濟(jì)成本

膜價(jià)格是整機(jī)系統(tǒng)價(jià)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(jià)格。膜價(jià)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(hào)、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(gè)膜系統(tǒng)隨之更換，須根據(jù)膜廠商的規(guī)格型號(hào)與污水處理廠現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行重新配置，所以目前國(guó)外膜知名廠商到實(shí)際使用地膜組件最終價(jià)格不會(huì)低于300元/㎡，據(jù)不完全了解，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先品牌的膜價(jià)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(fèi)用兩三千萬元。按技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)，互相矛盾的多目標(biāo)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(gè)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(shì)。

6結(jié)語

① MBR工藝出水水質(zhì)達(dá)到再生水回用標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(yùn)行，能耗還有進(jìn)一步下降的空間，運(yùn)行成熟的MBR工藝能耗一般可達(dá)0.46~0.56 kW·h/m⊃3;。

③ MBR膜清洗本質(zhì)上并不復(fù)雜，但要注意合適的運(yùn)行操作方式和應(yīng)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(fù)荷降低，使用到期更換膜的經(jīng)濟(jì)成本較大，而非能耗高、膜清洗困難等因素。

本文根據(jù)《中國(guó)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(yùn)行實(shí)踐分析”一文整理，作者為楊學(xué)貴、肖曉文、孫雁、張亞寧

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