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(guān)工程經(jīng)驗，在研究國內(nèi)外成功案例和技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)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(guān)鍵技術(shù)，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(guān)鍵技術(shù)

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(shù)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)

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(guān)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(guān)鍵技術(shù)

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(guān)鍵技術(shù)

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。