MBR膜生物反應器工藝應用爭議問題分析及改進建議

　　由于面臨水質(zhì)標準的提高以及可利用建設用地面積日益減少的雙重壓力，膜生物反應器(MBR)工藝在市政領域中得到越來越廣泛的應用。MBR是一種相對較新的技術，隨著項目數(shù)量和處理規(guī)模不斷增加，其在應用過程中出現(xiàn)了許多有爭議的問題。本研究從技術和經(jīng)濟兩個方面對一些主要的爭議問題進行了分析并提出了相應的改進措施與建議，以期為MBR工藝的規(guī)模化設計應用提供參考。

　　現(xiàn)狀應用情況

　　近年來，我國MBR市場正在加速成長，至2014年底，我國已有近100座規(guī)模超1萬m3/d的MBR工程投入運行，并出現(xiàn)了近20座超10萬m3/d處理規(guī)模的MBR工程。據(jù)不完全統(tǒng)計，在市政領域中，2014年底投入運行的MBR工程累計處理能力近350萬m3/d。預計2015年底投入運行或在建的MBR工程累計處理能力將超過600萬m3/d。

　　應用中存在的爭議問題分析

　　2.1

　　技術方面

　　2.1.1產(chǎn)水量下降

　　產(chǎn)水量下降的問題主要表現(xiàn)在以下3個方面：

　　(1)膜通量下降。在MBR工程運行過程中，由于物理、化學、生化作用或機械作用，會造成膜污染，盡管采用水力清洗、在線(維護性)和離線(恢復性)化學清洗可以延緩膜污染的加劇，但膜污染本身是一個不可逆的過程，所以膜通量下降是必然的趨勢，膜組件的產(chǎn)水量總體上來說呈現(xiàn)逐步衰減的過程。(2)膜清洗周期縮短。MBR工程通常運行3～5年后，跨膜壓差在單個清洗周期內(nèi)會增長加速，運行中需要縮短離線清洗周期以維持產(chǎn)水量，由于離線清洗時間較長且在清洗周期內(nèi)都無法連續(xù)產(chǎn)水，也降低了總體處理能力。(3)穩(wěn)定性下降。低溫會導致膜通量、產(chǎn)水量的下降外，也會抑制膜的透水性。溫度降低時污水中水分子和小顆粒物的活性下降，黏滯性增大，膜通量下降，產(chǎn)水量減少。從圖2可以看出，水溫分別在10、20、30℃時，設計膜通量的校正系數(shù)分別約為0.75、0.92、1.10，水溫l0℃時的膜通量相對30℃時約低32%，且不同的膜產(chǎn)品對低溫的穩(wěn)定性差異也較大。

　　實際運行中，很多MBR工程在運行早期一般均能達到設計規(guī)模，但隨著運行時間的推移，處理能力不斷下降。因此，當采用MBR工藝時，必須充分考慮到這一情況，在膜池設計時宜每組預留一定的膜組件安裝空間，或設置一些空置的膜池，以備在某些膜組件性能下降后，可以安裝新的膜組件以保證維持正常的產(chǎn)水量。

　　2.1.2耐水量沖擊負荷能力差

　　MBR工藝一般分為外置式和浸沒式兩種。浸沒式MBR工藝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(wěn)定的膜通量而無需進行化學清洗。目前在我國市政領域應用的MBR工藝主要采用浸沒式，依靠水泵負壓抽吸出水，水泵的額定流量限制了MBR工藝的最大產(chǎn)水量。由于膜運行時存在一個極限通量，當進水水量超過這個極限時，跨膜壓差會急劇加大，導致抽吸出水量下降。但由于全部產(chǎn)水均為通過膜后出水，故MBR工藝出水水質(zhì)得到保證。而在傳統(tǒng)活性污泥工藝中，峰值流量超過設計值時，會使沉淀池的水力負荷加大，出水水質(zhì)受到影響而導致處理效率下降。但峰值水流可以通過適當加大沉淀池出水堰的堰上水頭而流出。

　　因此，與傳統(tǒng)工藝相比，MBR工藝可以保證出水水質(zhì)，但難以承受較大的水量沖擊負荷。而城市污水處理廠的流量會隨著季節(jié)、降雨量、生活習慣或進水組成及處理規(guī)模等有所變化，所以對于水量波動較大的城市污水處理廠，應用MBR工藝應格外慎重。

　　針對這一問題，對于小型污水處理廠，建議通過加大生化池超高、加大抽吸泵的額定流量、適當增大膜片面積來解決，但是會增加投資費用;對于大型污水處理廠，建議與傳統(tǒng)污水處理工藝配套使用，以應對水量沖擊，而且MBR工藝的高品質(zhì)產(chǎn)水，還可適當降低配套平行工藝的出水要求。

　　2.1.3存在技術壁壘

　　MBR工藝的應用已越來越廣泛，但由于各膜廠商的膜材料和膜組件差異較大，相關的技術參數(shù)多掌握在各個膜廠商處，存在較嚴重的技術壁壘。同時，目前說及MBR工藝的著眼點主要是膜，但MBR工藝實際上是改進型或強化型的生物處理工藝，是膜與生物反應器的整合。與活性污泥法不同，在技術應用中是全流程的系統(tǒng)概念，包括前端預處理系統(tǒng)、生化處理系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等多個部分，需要進行整體系統(tǒng)設計。而目前，前端預處理、污泥和空氣系統(tǒng)沒有根據(jù)膜分離的特點加以優(yōu)化調(diào)整，生化處理部分與后續(xù)膜分離系統(tǒng)之間的銜接缺乏優(yōu)化設計經(jīng)驗，全流程設計經(jīng)驗和參數(shù)不全，忽視控制儀表和設備的選擇，缺乏標準化的運行指導，影響了MBR工藝的運行效果、膜壽命和能耗。

　　2.2

　　經(jīng)濟方面

　　2.2.1投資費用較高

　　膜組件的技術含量較高，投資較大;同時，MBR工藝的自動化程度較高，需要較為先進的儀表設備，也相應增加了投資費用。據(jù)項目統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，市政領域MBR藝的噸水總投資費用為2100～7000元，平均約3800元，直接工程費用為2000～4500元(包括土建、安裝、膜系統(tǒng)及其他設備)。表1列舉了部分大型MBR工程的投資情況。投資費用的差異與應用領域(污水處理、污水深度處理、地表水處理、雨水處理)、項目建設時期(新建、擴建、升級改造項目)、膜組件廠商、結(jié)構(gòu)形式(地上式、半地下式和全地下式)等均有較大關系。

　　據(jù)統(tǒng)計，我國2012年所有市政污水處理廠的平均總投資費用是2200元/(m3˙d)，可見MBR工藝比傳統(tǒng)活性污泥法項目的建設投資費用高較多。但MBR工藝的出水水質(zhì)優(yōu)良且可達到再生水回用的標準，因此在比較投資費用時，應以生物處理和再生水處理兩部分的費用之和與MBR工藝做比較。達到相關再生水回用標準的深度處理工藝很多，如濾布濾池、砂濾、超濾等。對比同地區(qū)、同時期、規(guī)模接近的3個污水處理廠，分別采用MBR工藝、二級生物處理+濾布濾池和二級生物處理+浸沒式超濾的工程直接投資費用(見圖3)可以看出，MBR工藝的土建費用略低些，但膜組件的投資較高，其他設備的投資也略高?？傮w上來說，二級生物處理+濾布濾池的投資費用最低，但是其出水水質(zhì)不如MBR工藝。如考慮接近的出水水質(zhì)，二級生物處理+浸沒式超濾投資與MBR工藝投資相差不大，差額在5～10。

　　此外，據(jù)不完全統(tǒng)計，用于市政領域的MBR工藝的占地面積為0.12～0.69m2/(m3˙d)，而包含三級處理的傳統(tǒng)工藝市政污水處理廠的占地面積為1.2～1.6m2/(m3˙d)。表明MBR工藝在占地面積方面有明顯優(yōu)勢。如果進一步考慮征地費用，由于MBR工藝占地面積較小，投資差距會進一步縮小。

　　由此看來，由于MBR工藝的一次性投資相對較高，在選擇MBR工藝時，應因地制宜，綜合考慮出水標準要求、占地面積、經(jīng)濟因素、中水回用需求和進水水質(zhì)處理難度等要素。

　　2.2.2能耗高

　　根據(jù)數(shù)據(jù)分析，市政領域MBR工藝的電耗為0.5～0.8(kW˙h)/m3，成本約為0.3～0.5元/m3，主要包含進水提升、預處理系統(tǒng)、生化段攪拌與混合、回流系統(tǒng)、生化段供氧曝氣、膜池擦洗、膜抽吸系統(tǒng)、膜清洗系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。圖4表示了典型MBR工藝不同功能段的能量消耗情況。其中，控制膜表面污堵的膜池擦洗占能量消耗的比例最大，約為25%;生化段供氧曝氣占比也較大，約為21%。與傳統(tǒng)工藝相比，膜池擦洗、膜抽吸系統(tǒng)及膜清洗系統(tǒng)是MBR工藝能耗增加的主要方面，總占比近40%。

　　MBR工藝比傳統(tǒng)活性污泥法能量消耗高是其主要的劣勢所在。近年來，各方也在研究并采用了多種有效的優(yōu)化方式來減少能源需求，如通過多段氧平衡分析，重新設計生物曝氣量;改善膜組件配置，調(diào)整膜擦洗曝氣系統(tǒng)降低擦洗風量;通過模型模擬技術和自動化控制，尋求更有效的曝氣模式來提高曝氣效率。

　　2.2.3運行成本較高

　　MBR工藝的處理成本主要是由電費、藥劑費(外加碳源、除磷、膜清洗、消毒)、人工費、污泥處理處置和膜組件設備的折舊費用(壽命)等組成。其中，電費和設備折舊費所占比例較大，成本分別約為0.3～0.5、0.15～0.30元/m3。運行成本的差異與項目規(guī)模、膜組件形式、進水水質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式等均有較大關系。根據(jù)《2013中國環(huán)境狀況公報》，傳統(tǒng)工藝的直接經(jīng)營成本平均約為0.62元/m3，而MBR工藝的直接經(jīng)營成本在0.5～0.9元/m3，較傳統(tǒng)工藝高約0.15元/m3，加上設備折舊費要高出近0.4元/m3。對比同地區(qū)、同時期、接近規(guī)模的3個污水處理廠，分別采用MBR工藝、二級生物處理十濾布濾池和二級生物處理+浸沒式超濾的經(jīng)營成本(見圖5)可以看出，在不考慮膜/濾布更換費用時，MBR工藝比二級生物處理+浸沒式濾布濾池和二級生物處理+浸沒式超濾的運行成本分別高約0.138、0.046元m3;在考慮膜/濾布更換費用時，將高出約0.352、0.156元/m3。

　　由此可見，與傳統(tǒng)工藝相比，MBR工藝的高運行成本是其一大弊端，節(jié)能降耗及運行成本的優(yōu)化降低將是MBR工藝發(fā)展的主要方向。這涉及到膜材質(zhì)改性、膜材料價格、膜組件構(gòu)造、曝氣方式及參數(shù)的優(yōu)化、項目水質(zhì)特性的匹配性、項目自控水平和項目運行管理水平等方面，需要綜合優(yōu)化提升。

　　改進措施與建議

　　過去的幾十年里，世界范圍內(nèi)MBR工藝在學術研究和工程應用方面都取得了令人矚目的成就，并在很多新的領域不斷開發(fā)。但是MBR工藝想要進一步提高其核心競爭力，仍然面臨著諸多的技術和發(fā)展的挑戰(zhàn)。MBR工藝改進的重點應集中在以下5個方面。

　　3.1

　　提高膜的制造水平

　　膜材料是膜分離技術的核心，尤其是MBR工藝要在污水系統(tǒng)下工作，膜長期處于高濃度污泥中，如何保證其通量和使用壽命尤為關鍵。為了更好地發(fā)揮MBR工藝的優(yōu)勢，應提高膜的制造水平，開發(fā)新型的針對市政污水處理的膜材料及對現(xiàn)有的膜材料進行改性，制備出具有高通量、高強度、高親水性能且價格低廉的膜材料。

　　3.2

　　改進膜組件

　　膜組件的優(yōu)化對于實際裝置運行十分重要，是制約膜技術廣泛運用的一個關鍵因素。開發(fā)研制性能優(yōu)越、抗污堵能力強、節(jié)能的新型膜組件才能促進MBR工藝更廣泛運用。

　　3.3

　　整體流程的優(yōu)化

　　建議從污染物去除效果和膜污染控制效果兩方面來對流程進行整體優(yōu)化，既要保證MBR工藝的處理效果，又要保證其能長時間穩(wěn)定運行。目前主要包括：(1)膜與新型污水處理技術的組合;(2)降低能耗的措施和技術;(3)膜污染的控制及運行條件的穩(wěn)定化;(4)提升氮、磷的去除能力;(5)反應器各段氧平衡分配技術;(6)運行方式的控制與優(yōu)化。

　　3.4

　　標準化

　　雖然MBR工藝的應用已越來越廣泛，但是仍沒有國家統(tǒng)一的標準規(guī)范。首先，膜產(chǎn)品的種類眾多，形式多樣，不同膜廠商的膜產(chǎn)品之間缺乏可靠的比較結(jié)果，在選擇上缺乏可靠的依據(jù);其次，各個膜廠商的自身數(shù)據(jù)庫較完善，有自己的設計參數(shù)和規(guī)范，但彼此之間相差較大，對于全行業(yè)來說沒有統(tǒng)一或綜合的設計手冊和規(guī)范，對于技術人員來說沒有充分的設計依據(jù);同時，MBR工藝對運行管理的要求較高，但是膜廠商大多只是提供膜組件，工程公司僅負責工程建造，對于后續(xù)維護和管理無相應的規(guī)范指導和標準。因此，建議應從膜組件、設計、運行操作3方面建立一整套合理的MBR工藝的規(guī)范和標準，有利于提高經(jīng)濟性和競爭力，促進其進一步廣泛應用。

　　3.5

　　引入市場評估與準入機制

　　膜廠商較多且在膜組件的設計上又形式多樣，用戶選擇比較困難，許多膜產(chǎn)品在運行開始的1年內(nèi)差別不是很大，但是在離線清洗后恢復性較差，運行1、2年后差別加大。因此，建議能建立統(tǒng)一的評估機構(gòu)，對擬應用的各膜廠商產(chǎn)品做1年以上的運行評估，綜合考慮膜通量的穩(wěn)定性、沖擊負荷的耐受性、清洗的恢復性、低溫的穩(wěn)定性等，通過整套的評估后，設定同等業(yè)績或規(guī)模的準入許可。同時，目前在國內(nèi)市政領域應用的主要膜組件絕大多數(shù)已超過5年，建議對其實際的運行情況進行跟蹤核查評定，并設定逐步晉級制度。

　　結(jié)語

　　隨著MBR工藝在市政領域中應用規(guī)模和數(shù)量的擴大以及MBR工藝所固有的技術特性的顯現(xiàn)，應用過程中有爭議的問題應得到充分的重視并采取措施逐步予以優(yōu)化改進。