導讀：MBR工藝污水處理工程生化系統(tǒng)設計前應綜合選擇合適的生物段形式，合理確定生化系統(tǒng)工藝設計參數(shù)。生化系統(tǒng)的布局應結(jié)合進出水水質(zhì)要求，充分考慮各段流態(tài)及回流、進水、提升方式。設備選型需因地制宜、安全耐用。

MBR工藝利用膜的高效固液分離功能實現(xiàn)污水最終凈化目的，但是有機物的去除仍然以生物處理為主導，需依靠合理設計的生物處理段來實現(xiàn)。作者結(jié)合相關工程經(jīng)驗，在研究國內(nèi)外成功案例和技術規(guī)范的基礎上，初步總結(jié)城鎮(zhèn)污水處理工程MBR工藝生化系統(tǒng)設計關鍵技術，主要包括：工藝系統(tǒng)的選擇、生化系統(tǒng)參數(shù)設計、生化系統(tǒng)布局設計、生化系統(tǒng)設備設計。

MBR工藝污水處理工程生化系統(tǒng)設計前應綜合選擇合適的生物段形式，合理確定生化系統(tǒng)工藝設計參數(shù)。生化系統(tǒng)的布局應結(jié)合進出水水質(zhì)要求，充分考慮各段流態(tài)及回流、進水、提升方式。設備選型需因地制宜、安全耐用。

1、MBR工藝系統(tǒng)選擇關鍵技術

1.1MBR工藝系統(tǒng)的分類

1.1.1分置式和一體式

按生化系統(tǒng)和膜分離系統(tǒng)的相對位置，MBR可分為分置式和一體式兩種。分置式MBR是將膜組件放置在單獨的膜池內(nèi)，其特點是膜組件分組明確，運行環(huán)境良好，便于獨立運行和清洗、檢修。一體式MBR則是將膜組件直接放置在生化系統(tǒng)內(nèi)，其特點是節(jié)省占地，但是不利于膜組件的分組和配套管路的敷設。

1.1.2浸沒式和管式

按膜組件的放置位置，可分為浸沒式和管式兩種。浸沒式是將膜組件浸沒于生物反應器或膜池內(nèi)，管式是將膜元件裝填在膜管內(nèi)，再設置膜架放置膜管。

1.1.3正壓式和負壓式

按過濾推動方式分，可分為正壓式MBR和負壓式MBR兩種。正壓式MBR一般采用管式膜，通過料液循環(huán)錯流運行，生物反應器的混合液由泵增壓后進入膜組件，在壓力作用下濾液成為系統(tǒng)處理出水，活性污泥、大分子物質(zhì)等則被膜截留。

其特點是運行穩(wěn)定可靠，操作管理方便，易于膜清洗、更換及增設，但動力消耗高。負壓式MBR一般采用浸沒式MBR，通過泵的負壓抽吸作用得到膜過濾出水。同時設置膜擦洗曝氣，利用曝氣時氣液向上的剪切力來實現(xiàn)膜面的錯流效果，以增加膜表面的紊流和減輕膜表面的污染。其特點是不需要混合液的錯流循環(huán)系統(tǒng)，能耗較低，且不需復雜的支撐膜架。

1.1.4MBR工藝系統(tǒng)的選擇

對于城鎮(zhèn)污水處理工程，由于規(guī)模一般均在萬m3/d以上，考慮到膜組件運行環(huán)境、污泥濃度控制、脫氮除磷對DO的控制要求以及降低能耗要求等，一般均采用負壓抽吸浸沒式分置式MBR工藝。

1.2生化系統(tǒng)的形式

由于目前污水排放標準普遍提高了對脫氮除磷的要求，所以幾乎所有的傳統(tǒng)脫氮除磷工藝都被應用到了MBR工藝中，如AO、A2O(包括A2O氧化溝)、SBR等。

1.2.1SBRMBR工藝

將SBR與MBR相結(jié)合形成的SBRMBR工藝，除了具有一般MBR的優(yōu)點外，對于膜組件本身和SBR工藝兩種程序運行都互有幫助。由于膜組件的截留過濾作用，反應中的微生物能最大限度地增長，利于世代時間較長的硝化及亞硝化細菌的生長繁殖，因此，污泥的生物活性高，吸附和降解有機物的能力較強，同時也具有較好的硝化能力。

此外，SBR工作方式為除磷菌的生長創(chuàng)造了條件，同時也滿足了脫氮的需要，使得單一反應器內(nèi)實現(xiàn)同時高效去除氮磷及有機物成為可能。與傳統(tǒng)SBR系統(tǒng)相比，一方面SBRMBR在反應階段利用膜分離排水，可以減少傳統(tǒng)SBR的循環(huán)時間;另一方面，序批式的運行方式可以延緩膜污染。

1.2.2A2OMBR工藝

由A2O工藝與膜分離技術結(jié)合而成的具有同步脫氮除磷功能的A2OMBR工藝，進一步拓展了MBR的應用范疇。在該工藝中設置有兩段回流，一段是膜池的混合液回流至缺氧池實現(xiàn)反硝化脫氮，另一段是缺氧池的混合液回流至厭氧池，實現(xiàn)厭氧釋磷。

A2OMBR工藝中高濃度的MLSS、獨立控制的水力停留時間和污泥停留時間、回流比及污泥負荷率等都會產(chǎn)生與傳統(tǒng)A2O工藝不同的影響，具有較好的脫氮除磷效率。

1.2.3A2O/AMBR工藝

A2O/AMBR工藝是一種強化內(nèi)源反硝化的新型工藝，利用MBR內(nèi)高濃度活性污泥和生物多樣性來強化脫氮除磷效果，其內(nèi)部流程依次為厭氧、缺氧、好氧、缺氧和膜池。該工藝在傳統(tǒng)A2O工藝后再設一級缺氧池，在利用進水快速碳源完成生物除磷和脫氮后，利用第二缺氧池進行內(nèi)源反硝化，進一步去除TN后再利用膜池的好氧曝氣作用保障出水。A2O/AMBR工藝是針對進水碳源不足，而同時又有較高脫氮要求的污水處理項目所開發(fā)，也是強化脫氮的MBR脫氮除磷工藝。

1.2.4A(2A)OMBR工藝

A(2A)OMBR工藝是兩段缺氧A2O工藝與MBR工藝的結(jié)合，其特點是在傳統(tǒng)的A2O工藝中設置了兩段缺氧區(qū)(缺氧區(qū)Ⅰ和缺氧區(qū)II)，在缺氧區(qū)I內(nèi)從好氧區(qū)回流的NO3-完全被還原，實現(xiàn)完全反硝化;而在缺氧區(qū)II內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)源反硝化，節(jié)省外加碳源的投加。大大提高了污水的生物脫氮效率，同時避免了外加碳源，節(jié)約運行費用，因此具有很高的價值。

1.2.53AMBR工藝

3AMBR是依據(jù)生物脫氮除磷機理，結(jié)合膜生物反應器技術特點而形成的具有高效脫氮除磷性能的新型污水處理工藝。其內(nèi)部流程依次是第I缺氧池、厭氧池、第II缺氧池、好氧池和膜池，膜池混合液分別回流至第I缺氧池和第II缺氧池。

第I缺氧池利用進水碳源和回流硝化液進行快速反硝化;接著混合液進入?yún)捬醭剡M行厭氧釋磷，減少了硝酸鹽對釋磷的影響;第II缺氧池再利用污水中剩余的碳源和回流的硝化液進一步反硝化脫氮;好氧池內(nèi)同步發(fā)生有機物降解、好氧吸磷和好氧硝化等多種反應，徹底去除污水中的污染物;混合液再經(jīng)膜過濾出水，實現(xiàn)了對污水中有機物和氮磷的去除。3AMBR工藝合理地組合了有機物降解和脫氮除磷等各處理單元，協(xié)調(diào)了各種生物降解功能的發(fā)揮，達到了同步去除各污染指標的目的，具有較高的推廣應用價值。

1.2.6A/A2OMBR工藝

A/A2OMBR工藝屬3AMBR工藝的改進工藝，設置有第I缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、第II缺氧區(qū)、好氧區(qū)和膜池共5個處理單元。預處理后的污水首先按比例分配流量分別進入第I缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，然后依次重力流入第II缺氧區(qū)、好氧區(qū)和膜池，最后通過膜過濾抽吸出水。

根據(jù)脫氮除磷需要設置有兩級回流，第一級回流是膜池的混合液回流到好氧區(qū)前端，第二級回流是好氧區(qū)的混合液分別回流到第I缺氧區(qū)和第II缺氧區(qū)，兩者之間的流量比例通過回流渠道和調(diào)節(jié)堰來分配。

前置的第I缺氧區(qū)，優(yōu)先最大限度地利用進水碳源快速完成反硝化過程，去除大部分的硝態(tài)氮。在第II缺氧區(qū)內(nèi)與部分從好氧區(qū)回流過來的富硝酸鹽混合液再次混合，在長時間的缺氧條件下，可以發(fā)生內(nèi)源反硝化反應，進一步地去除了污水中的硝態(tài)氮。此外，將厭氧區(qū)放在第I缺氧區(qū)之后，使得回流液中硝態(tài)氮被充分反硝化，減少了其對聚磷菌的抑制，提高除磷效果。

1.2.7生化系統(tǒng)形式的選擇

生化系統(tǒng)形式的選擇主要應考慮以下幾方面：

①進水水質(zhì)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(zhì)要求(尤其是對脫氮除磷的效果要求等);

③進水水質(zhì)水量波動情況;

④氣候條件等。

從目前應用的工程經(jīng)驗來看，A2O及其變形強化工藝是眾多應用在MBR脫氮除磷工藝中處理效果最為突出，運行管理最為方便，也是最穩(wěn)定可靠的一類。表1介紹了目前各種形式的A2O及其改進型的MBR脫氮除磷組合工藝的應用情況。

2、MBR工藝生化系統(tǒng)參數(shù)設計關鍵技術

2.1污泥濃度

由于后續(xù)通過膜來實現(xiàn)泥水分離，因此較傳統(tǒng)活性污泥法可選取較高的MLSS值。但是，在實際工程應用中發(fā)現(xiàn)：

①在實際進水有機物濃度低于設計進水水質(zhì)情況下，MLSS值難以達到設計值，通過減少排泥來維持MLSS值時會造成MLVSS/MLSS值偏低，導致生化池表面產(chǎn)生大量的浮泥，而且反而降低了生物活性，影響處理效率;

②由于MLSS是最基本的設計參數(shù)，當實際值與設計值偏差較大時會影響相關設計參數(shù)(如SRT、空氣量)的準確度，從而影響了實際運行效果。

因此，對于進水有機物濃度較高的工業(yè)廢水，可選取較高的污泥濃度值(~10g/L)以盡量增大有機物去除能力;而對于城鎮(zhèn)綜合污水處理工程而言，由于進水濃度相對不高，宜選取較低的污泥濃度(6~8g/L)。

2.2泥齡

對于有脫氮要求的城鎮(zhèn)綜合污水處理工程，SRT宜根據(jù)硝化泥齡和反硝化泥齡來計算確定。需要注意的是：由于系統(tǒng)內(nèi)的MLSS較高，因此MBR工藝的泥齡通常較傳統(tǒng)工藝長。但實踐表明：過長(30d)或過短的泥齡均會使膜的TMP增勢加劇，而泥齡在20d左右時,跨膜壓差增長趨勢變緩。因此，泥齡不宜太長，以20d左右為宜。

2.3污泥負荷

對于傳統(tǒng)活性污泥工藝而言，通常采用基于BOD5的污泥負荷作為設計參數(shù)，但是，在MBR工藝中，由于MBR反應器內(nèi)微生物的結(jié)構(gòu)、種類和生物相的變化使MBR工藝對有機底物的利用不僅僅局限于進水中的BOD5值，對部分表現(xiàn)為CODCr的物質(zhì)也可以利用，因此采用MBR工藝處理城市污水時，不宜采用污泥負荷參數(shù)作為設計依據(jù)，而應將MLSS和SRT作為MBR工藝生物處理單元的主要設計參數(shù)。而由MLSS和SRT推算出的污泥負荷往往僅為傳統(tǒng)活性污泥法污泥負荷的一半左右。較低的污泥負荷一方面說明系統(tǒng)抗進水水質(zhì)沖擊的能力較強，另一方面也說明采用MBR工藝處理城鎮(zhèn)污水時污泥負荷不宜作為主要的設計指標。

2.4水力停留時間(HRT)

由于MBR系統(tǒng)的MLSS較高，以SRT計算確定的生物池的容積較小，相應的所需HRT較短(7~10h)。實踐證明，如果考慮到系統(tǒng)有較高的硝化和反硝化處理效果要求時，過短的HRT將難以保證，因此應適當加大系統(tǒng)的HRT(~12h)，同時可相應降低SRT，有利于控制膜污染。

2.5需氧量和供氣量

由于MBR反應器內(nèi)的MLSS較傳統(tǒng)工藝高，其混合液的液膜厚度、污泥粘滯度等會發(fā)生變化，由需氧量計算供氣量時應調(diào)整α、β和C0值，因此，MBR工藝的理論供氣量計算值應大于傳統(tǒng)工藝。但是，大量工程實踐發(fā)現(xiàn)，實際生化池供氣量小于計算量。分析其主要原因是：

①為了控制膜表面污堵，需要采用空氣擦洗來改變膜絲表面液體的流態(tài)，大量的擦洗空氣使得膜池內(nèi)的溶解氧極高(通常其DO值可達8~10mg/L)而大比例從膜池到生化池的回流(通常為400%~500%)使生化池所需的曝氣風量下降;

②當實際進水有機物濃度低于設計值時，會造成計算需氧量和實際MLSS值均低于設計值，實際供氣量則會遠低于計算值。因此在計算供氣量時應充分考慮這些因素，給出一個供氣量的區(qū)間值，便于進行鼓風機的配置和風量調(diào)節(jié)控制。

3、MBR工藝生化系統(tǒng)布局設計關鍵技術

3.1回流方式

根據(jù)生化系統(tǒng)形式、硝化液回流的方式和位置不同，MBR的回流有各種不同的方式，見表1。綜合各種回流方式的實際效果，建議：

①采用膜池回流混合液至好氧區(qū)，再由好氧區(qū)回流硝化液至缺氧區(qū)，因為如果采用膜池回流硝化液至缺氧區(qū)的方式，由于混合液富含大量氧氣，破壞缺氧條件，導致反硝化反應不充分;

②如果采用兩段缺氧生化工藝，宜采用兩點回流方式，因為盡管增加了相應的管渠，但是兩區(qū)的回流比例可以按照實際運行情況進行分配，以便于充分有效地利用原水碳源和內(nèi)源碳源來提高系統(tǒng)脫氮效果，減少外加碳源的用量。

3.2進水方式

由于在城鎮(zhèn)污水處理工程中均有較高的除磷脫氮要求，因此大多采用了厭氧-缺氧-好氧工藝，對于MBR工藝而言，生物反應池建議采用兩點進水方式，即在生物池前設置進水分配渠道和分配調(diào)節(jié)堰，污水進入到分配渠道后，通過兩套調(diào)節(jié)堰門將原水按照一定比例分配到厭氧區(qū)和缺氧區(qū)，從而選擇優(yōu)先滿足生物脫氮還是生物除磷對進水碳源的需要，而且各區(qū)的分配比例還可以根據(jù)不同水質(zhì)條件下生物脫氮和生物除磷所需碳源的變化進行靈活調(diào)節(jié)。

3.3提升方式

由于膜池有效水深較生物池淺，混合液回流有兩種提升方式：

①采用前提升系統(tǒng)，即好氧池出水由泵提升至膜池，膜池的混合液重力回流至生物池;

②采用后提升系統(tǒng)，即好氧池出水自流至膜池，膜池的混合液通過回流泵提升至生物池。后提升系統(tǒng)較前提升系統(tǒng)提升混合液的流量小，回流泵分別對應各組膜池便于獨立檢修，但管路系統(tǒng)較為復雜;前提升系統(tǒng)管路系統(tǒng)較為簡單，檢修維護工作量小，提升揚程較低。在現(xiàn)有的MBR系統(tǒng)中兩種回流方式均有應用。實際工程應用時應根據(jù)水位差、膜池分組情況、進水水質(zhì)和膜組件形式等綜合比較確定。

3.4好氧區(qū)形式

傳統(tǒng)活性污泥A2O系統(tǒng)的好氧區(qū)構(gòu)型多為長方形廊道的推流式形式。對于MBR工藝，其好氧區(qū)宜設計成完全混合式，一方面有利于混合液處于良好的紊動，保持懸浮狀態(tài)，減小因剪切造成的污泥顆粒破解，并提高曝氣設備的充氧速率;另一方面，從膜池回流至好氧區(qū)的大比例混合液可以實現(xiàn)快速混合以充分利用膜池內(nèi)的DO。

4、MBR工藝生化系統(tǒng)設備設計關鍵技術

4.1攪拌器

對于厭氧區(qū)和缺氧區(qū)，如果池型(或分隔后的池型)接近于正方形(L/B<1.3)，建議采用倒傘型攪拌器。因為其運行能耗低，立式環(huán)流攪拌均勻，不易產(chǎn)生死角，水下無易損耗件且不會在攪拌主體上掛帶任何物質(zhì)而形成堵塞。

4.2曝氣器

MBR工藝單位面積的供氣量遠大于傳統(tǒng)工藝，因此，必須選擇單位通氣量大、氧轉(zhuǎn)移率高的曝氣設備。在已運行的幾個MBR工程中，聚乙烯改性纖維管式曝氣器和全球型剛玉曝氣器的運行效果較好。

4.3回流泵

首先，根據(jù)回流位置的不同選擇不同的設備：對于生化系統(tǒng)內(nèi)部的回流通常采用穿墻PP泵;對于膜池回流至生化系統(tǒng)的回流泵再根據(jù)提升方式的不同進行選擇：如前提升方式一般采用潛水軸流泵，后提升方式的回流泵又有兩種形式：

①設置于膜車間內(nèi)時，通常采用臥式端吸離心泵，且由于輸送介質(zhì)為高濃度的污泥，不宜采用清水泵，大多采用污水泵干式安裝;

②當系統(tǒng)設回流污泥渠時，回流泵設置于渠內(nèi)，通常采用穿墻PP泵。

4.4剩余污泥排放泵

剩余污泥排放泵可以設置于生化池內(nèi)也可設置于膜池進水渠內(nèi)，一般采用潛水排污泵。建議設置于生化池內(nèi)，可以用來排除池底泥砂并可兼做生化池放空泵。

4.5曝氣鼓風機

首先應優(yōu)先選擇氣量調(diào)節(jié)范圍較大的單級離心鼓風機。若采用多級離心鼓風機，必須配置變頻器，不宜采用羅茨鼓風機。其次，所選的鼓風機應使調(diào)節(jié)后的組合供氣量涵蓋計算供氣量的區(qū)值。