MBR膜生物反應(yīng)器工藝應(yīng)用爭(zhēng)議問(wèn)題分析及改進(jìn)建議

　　由于面臨水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高以及可利用建設(shè)用地面積日益減少的雙重壓力，膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝在市政領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。MBR是一種相對(duì)較新的技術(shù)，隨著項(xiàng)目數(shù)量和處理規(guī)模不斷增加，其在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了許多有爭(zhēng)議的問(wèn)題。本研究從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面對(duì)一些主要的爭(zhēng)議問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施與建議，以期為MBR工藝的規(guī)?；O(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

　　現(xiàn)狀應(yīng)用情況

　　近年來(lái)，我國(guó)MBR市場(chǎng)正在加速成長(zhǎng)，至2014年底，我國(guó)已有近100座規(guī)模超1萬(wàn)m3/d的MBR工程投入運(yùn)行，并出現(xiàn)了近20座超10萬(wàn)m3/d處理規(guī)模的MBR工程。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在市政領(lǐng)域中，2014年底投入運(yùn)行的MBR工程累計(jì)處理能力近350萬(wàn)m3/d。預(yù)計(jì)2015年底投入運(yùn)行或在建的MBR工程累計(jì)處理能力將超過(guò)600萬(wàn)m3/d。

　　應(yīng)用中存在的爭(zhēng)議問(wèn)題分析

　　2.1

　　技術(shù)方面

　　2.1.1產(chǎn)水量下降

　　產(chǎn)水量下降的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

　　(1)膜通量下降。在MBR工程運(yùn)行過(guò)程中，由于物理、化學(xué)、生化作用或機(jī)械作用，會(huì)造成膜污染，盡管采用水力清洗、在線(維護(hù)性)和離線(恢復(fù)性)化學(xué)清洗可以延緩膜污染的加劇，但膜污染本身是一個(gè)不可逆的過(guò)程，所以膜通量下降是必然的趨勢(shì)，膜組件的產(chǎn)水量總體上來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)逐步衰減的過(guò)程。(2)膜清洗周期縮短。MBR工程通常運(yùn)行3～5年后，跨膜壓差在單個(gè)清洗周期內(nèi)會(huì)增長(zhǎng)加速，運(yùn)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(shí)間較長(zhǎng)且在清洗周期內(nèi)都無(wú)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(huì)導(dǎo)致膜通量、產(chǎn)水量的下降外，也會(huì)抑制膜的透水性。溫度降低時(shí)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(shí)，設(shè)計(jì)膜通量的校正系數(shù)分別約為0.75、0.92、1.10，水溫l0℃時(shí)的膜通量相對(duì)30℃時(shí)約低32%，且不同的膜產(chǎn)品對(duì)低溫的穩(wěn)定性差異也較大。

　　實(shí)際運(yùn)行中，很多MBR工程在運(yùn)行早期一般均能達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模，但隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，處理能力不斷下降。因此，當(dāng)采用MBR工藝時(shí)，必須充分考慮到這一情況，在膜池設(shè)計(jì)時(shí)宜每組預(yù)留一定的膜組件安裝空間，或設(shè)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(fù)荷能力差

　　MBR工藝一般分為外置式和浸沒(méi)式兩種。浸沒(méi)式MBR工藝由于其跨膜壓差較小，膜通量很少會(huì)超過(guò)臨界值，因而可以保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的膜通量而無(wú)需進(jìn)行化學(xué)清洗。目前在我國(guó)市政領(lǐng)域應(yīng)用的MBR工藝主要采用浸沒(méi)式，依靠水泵負(fù)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(yùn)行時(shí)存在一個(gè)極限通量，當(dāng)進(jìn)水水量超過(guò)這個(gè)極限時(shí)，跨膜壓差會(huì)急劇加大，導(dǎo)致抽吸出水量下降。但由于全部產(chǎn)水均為通過(guò)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(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，會(huì)使沉淀池的水力負(fù)荷加大，出水水質(zhì)受到影響而導(dǎo)致處理效率下降。但峰值水流可以通過(guò)適當(dāng)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(fù)荷。而城市污水處理廠的流量會(huì)隨著季節(jié)、降雨量、生活習(xí)慣或進(jìn)水組成及處理規(guī)模等有所變化，所以對(duì)于水量波動(dòng)較大的城市污水處理廠，應(yīng)用MBR工藝應(yīng)格外慎重。

　　針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)于小型污水處理廠，建議通過(guò)加大生化池超高、加大抽吸泵的額定流量、適當(dāng)增大膜片面積來(lái)解決，但是會(huì)增加投資費(fèi)用;對(duì)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(yīng)對(duì)水量沖擊，而且MBR工藝的高品質(zhì)產(chǎn)水，還可適當(dāng)降低配套平行工藝的出水要求。

　　2.1.3存在技術(shù)壁壘

　　MBR工藝的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，但由于各膜廠商的膜材料和膜組件差異較大，相關(guān)的技術(shù)參數(shù)多掌握在各個(gè)膜廠商處，存在較嚴(yán)重的技術(shù)壁壘。同時(shí)，目前說(shuō)及MBR工藝的著眼點(diǎn)主要是膜，但MBR工藝實(shí)際上是改進(jìn)型或強(qiáng)化型的生物處理工藝，是膜與生物反應(yīng)器的整合。與活性污泥法不同，在技術(shù)應(yīng)用中是全流程的系統(tǒng)概念，包括前端預(yù)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(dòng)控制系統(tǒng)等多個(gè)部分，需要進(jìn)行整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而目前，前端預(yù)處理、污泥和空氣系統(tǒng)沒(méi)有根據(jù)膜分離的特點(diǎn)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，全流程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)不全，忽視控制儀表和設(shè)備的選擇，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)行指導(dǎo)，影響了MBR工藝的運(yùn)行效果、膜壽命和能耗。

　　2.2

　　經(jīng)濟(jì)方面

　　2.2.1投資費(fèi)用較高

　　膜組件的技術(shù)含量較高，投資較大;同時(shí)，MBR工藝的自動(dòng)化程度較高，需要較為先進(jìn)的儀表設(shè)備，也相應(yīng)增加了投資費(fèi)用。據(jù)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，市政領(lǐng)域MBR藝的噸水總投資費(fèi)用為2100～7000元，平均約3800元，直接工程費(fèi)用為2000～4500元(包括土建、安裝、膜系統(tǒng)及其他設(shè)備)。表1列舉了部分大型MBR工程的投資情況。投資費(fèi)用的差異與應(yīng)用領(lǐng)域(污水處理、污水深度處理、地表水處理、雨水處理)、項(xiàng)目建設(shè)時(shí)期(新建、擴(kuò)建、升級(jí)改造項(xiàng)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(guān)系。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2012年所有市政污水處理廠的平均總投資費(fèi)用是2200元/(m3˙d)，可見(jiàn)MBR工藝比傳統(tǒng)活性污泥法項(xiàng)目的建設(shè)投資費(fèi)用高較多。但MBR工藝的出水水質(zhì)優(yōu)良且可達(dá)到再生水回用的標(biāo)準(zhǔn)，因此在比較投資費(fèi)用時(shí)，應(yīng)以生物處理和再生水處理兩部分的費(fèi)用之和與MBR工藝做比較。達(dá)到相關(guān)再生水回用標(biāo)準(zhǔn)的深度處理工藝很多，如濾布濾池、砂濾、超濾等。對(duì)比同地區(qū)、同時(shí)期、規(guī)模接近的3個(gè)污水處理廠，分別采用MBR工藝、二級(jí)生物處理+濾布濾池和二級(jí)生物處理+浸沒(méi)式超濾的工程直接投資費(fèi)用(見(jiàn)圖3)可以看出，MBR工藝的土建費(fèi)用略低些，但膜組件的投資較高，其他設(shè)備的投資也略高。總體上來(lái)說(shuō)，二級(jí)生物處理+濾布濾池的投資費(fèi)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(jí)生物處理+浸沒(méi)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(jì)，用于市政領(lǐng)域的MBR工藝的占地面積為0.12～0.69m2/(m3˙d)，而包含三級(jí)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(shì)。如果進(jìn)一步考慮征地費(fèi)用，由于MBR工藝占地面積較小，投資差距會(huì)進(jìn)一步縮小。

　　由此看來(lái)，由于MBR工藝的一次性投資相對(duì)較高，在選擇MBR工藝時(shí)，應(yīng)因地制宜，綜合考慮出水標(biāo)準(zhǔn)要求、占地面積、經(jīng)濟(jì)因素、中水回用需求和進(jìn)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(lǐng)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(jìn)水提升、預(yù)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(shì)所在。近年來(lái)，各方也在研究并采用了多種有效的優(yōu)化方式來(lái)減少能源需求，如通過(guò)多段氧平衡分析，重新設(shè)計(jì)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(fēng)量;通過(guò)模型模擬技術(shù)和自動(dòng)化控制，尋求更有效的曝氣模式來(lái)提高曝氣效率。

　　2.2.3運(yùn)行成本較高

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

　　由此可見(jiàn)，與傳統(tǒng)工藝相比，MBR工藝的高運(yùn)行成本是其一大弊端，節(jié)能降耗及運(yùn)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(jià)格、膜組件構(gòu)造、曝氣方式及參數(shù)的優(yōu)化、項(xiàng)目水質(zhì)特性的匹配性、項(xiàng)目自控水平和項(xiàng)目運(yùn)行管理水平等方面，需要綜合優(yōu)化提升。

　　改進(jìn)措施與建議

　　過(guò)去的幾十年里，世界范圍內(nèi)MBR工藝在學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用方面都取得了令人矚目的成就，并在很多新的領(lǐng)域不斷開(kāi)發(fā)。但是MBR工藝想要進(jìn)一步提高其核心競(jìng)爭(zhēng)力，仍然面臨著諸多的技術(shù)和發(fā)展的挑戰(zhàn)。MBR工藝改進(jìn)的重點(diǎn)應(yīng)集中在以下5個(gè)方面。

　　3.1

　　提高膜的制造水平

　　膜材料是膜分離技術(shù)的核心，尤其是MBR工藝要在污水系統(tǒng)下工作，膜長(zhǎng)期處于高濃度污泥中，如何保證其通量和使用壽命尤為關(guān)鍵。為了更好地發(fā)揮MBR工藝的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)提高膜的制造水平，開(kāi)發(fā)新型的針對(duì)市政污水處理的膜材料及對(duì)現(xiàn)有的膜材料進(jìn)行改性，制備出具有高通量、高強(qiáng)度、高親水性能且價(jià)格低廉的膜材料。

　　3.2

　　改進(jìn)膜組件

　　膜組件的優(yōu)化對(duì)于實(shí)際裝置運(yùn)行十分重要，是制約膜技術(shù)廣泛運(yùn)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。開(kāi)發(fā)研制性能優(yōu)越、抗污堵能力強(qiáng)、節(jié)能的新型膜組件才能促進(jìn)MBR工藝更廣泛運(yùn)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(lái)對(duì)流程進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。目前主要包括：(1)膜與新型污水處理技術(shù)的組合;(2)降低能耗的措施和技術(shù);(3)膜污染的控制及運(yùn)行條件的穩(wěn)定化;(4)提升氮、磷的去除能力;(5)反應(yīng)器各段氧平衡分配技術(shù);(6)運(yùn)行方式的控制與優(yōu)化。

　　3.4

　　標(biāo)準(zhǔn)化

　　雖然MBR工藝的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，但是仍沒(méi)有國(guó)家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。首先，膜產(chǎn)品的種類(lèi)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(gè)膜廠商的自身數(shù)據(jù)庫(kù)較完善，有自己的設(shè)計(jì)參數(shù)和規(guī)范，但彼此之間相差較大，對(duì)于全行業(yè)來(lái)說(shuō)沒(méi)有統(tǒng)一或綜合的設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范，對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有充分的設(shè)計(jì)依據(jù);同時(shí)，MBR工藝對(duì)運(yùn)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(fù)責(zé)工程建造，對(duì)于后續(xù)維護(hù)和管理無(wú)相應(yīng)的規(guī)范指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)。因此，建議應(yīng)從膜組件、設(shè)計(jì)、運(yùn)行操作3方面建立一整套合理的MBR工藝的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，有利于提高經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。

　　3.5

　　引入市場(chǎng)評(píng)估與準(zhǔn)入機(jī)制

　　膜廠商較多且在膜組件的設(shè)計(jì)上又形式多樣，用戶選擇比較困難，許多膜產(chǎn)品在運(yùn)行開(kāi)始的1年內(nèi)差別不是很大，但是在離線清洗后恢復(fù)性較差，運(yùn)行1、2年后差別加大。因此，建議能建立統(tǒng)一的評(píng)估機(jī)構(gòu)，對(duì)擬應(yīng)用的各膜廠商產(chǎn)品做1年以上的運(yùn)行評(píng)估，綜合考慮膜通量的穩(wěn)定性、沖擊負(fù)荷的耐受性、清洗的恢復(fù)性、低溫的穩(wěn)定性等，通過(guò)整套的評(píng)估后，設(shè)定同等業(yè)績(jī)或規(guī)模的準(zhǔn)入許可。同時(shí)，目前在國(guó)內(nèi)市政領(lǐng)域應(yīng)用的主要膜組件絕大多數(shù)已超過(guò)5年，建議對(duì)其實(shí)際的運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤核查評(píng)定，并設(shè)定逐步晉級(jí)制度。

　　結(jié)語(yǔ)

　　隨著MBR工藝在市政領(lǐng)域中應(yīng)用規(guī)模和數(shù)量的擴(kuò)大以及MBR工藝所固有的技術(shù)特性的顯現(xiàn)，應(yīng)用過(guò)程中有爭(zhēng)議的問(wèn)題應(yīng)得到充分的重視并采取措施逐步予以優(yōu)化改進(jìn)。