MBR技术在城市湖泊水华治理工程中的应用

王国青 焦怀金 高鹏杰

（1. 北京市水利规划设计研究院 北京 100048 2. 北京市水利建设管理中心 北京 100036）

1 动物园湖现状及主要

北京动物园园内水面由6个湖泊串联而成，全长1000余m，较大的湖面有6处，分别为畅观楼西湖、畅观楼东湖、黑鹳湖、水禽湖、天鹅湖、迎湖，总水面面积4.4万m2，总水量6.5万m3，其中水禽湖、天鹅湖为园内各种珍稀野生水禽的主要栖息地，水禽湖面积为1.1万m2，水深1~1.6m；天鹅湖面积0.7万m2，水深1.2~1.8m。通过调查可知，与大多数北京城市河湖一样，动物园湖水环境主要问题为：（1）补水水源水质不稳定，水质波动较大，主要为BOD、TP、TN超标，TP、TN为劣Ⅴ类水体。（2）水体年补水量较少，大部分时间水体处于封闭状态，水体基本不流动，夏季经常发生水华。（3）动物粪便、暴雨径流进入湖泊造成污染。（4）游人投喂动物、树木落叶，导致湖泊污染。

2 膜-生物反应器工艺特点

膜-生物反应器（Membrane-Bioreactor，简称MBR）是一种将膜分离技术与传统污水生物处理工艺有机结合的新型高效污水处理与回用工艺，近年来在水处理技术领域得到了较大的推广和应用。该技术通过膜组件的高效分离作用，大大提高了泥水分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中优势菌的出现，提高了生化反应速率。同时，该工艺能大大减少剩余污泥的产量，从而基本解决了传统生物方法存在的剩余污泥产量大、占地面积大、运行效率低等突出问题。14

在膜生物反应器中，由中空纤维膜组成的膜组件浸放于好氧曝气区中，由于中空纤维膜0.2μm的孔径可完全阻止细菌的通过，所以将菌胶团和游离细菌全部保留在曝气池中，只将过滤过的水汇入集水管中排出，从而达到泥水分离，免除了二沉池，各种悬浮颗粒、细菌、藻类、浊度、氮磷和 COD及有机物均得到有效地去除。由于微滤膜的近乎百分之百的菌种隔离作用，可使曝气池中的生物浓度达到一万毫克/升以上，这样不仅提高了曝气池抗冲击负荷的能力，而且大大减少了所需的曝气池容积。池容积的缩小又相应大比例降低了生化系统的土建投资费用。

和传统的活性污泥法比较，MBR工艺主要有以下特点：（1）膜生物反应器采用PVDF膜，其孔径只有 0.1～0.4μm，能够高效地进行固液分离，悬浮物和浊度接近于零；（2）运行控制更加灵活稳定。膜的高效截流作用，使微生物完全截流在反应器内，实现了反应器水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）的完全分离；（3）对水质水量的变化适应力强，耐冲击负荷强；（4）膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，有利于专性菌的培养，大大提高了难降解有机物的降解效率，COD去除率高；（5）模块化设计易于扩容，具有可移动性；（6）系统采用PLC控制，可实现全程自动化控制，运行管理方便。

3 水华治理总体方案设计

湖泊水华的产生原因是一个综合性的问题。通常是湖泊富营养化状态、水体流动性、高温闷热的天气、不完善的生态系统、水体自洁净能力等诸多因素联合作用的结果。从动物园湖水质监测数据可以看出，动物园湖在很多时候处于富营养化状态。另外补水量较少也使得湖泊基本处于静止，湖泊的流动性较差。因此，造成湖泊水华的主要原因是湖泊的富营养化和流动性差两个不利因素的叠加。因此削减水体中的营养物质，增强水体流动性是防止水华的基本条件。

按照上述分析，设计采用“提升泵站＋管道循环+MBR”综合措施对湖水进行治理。主体工程是水体末端的MBR设施，依靠MBR系统的降解和截留作用去除水中的污染物，增加水体透明度。湖水采用远抽近排循环管线进入MBR系统净化之后，再次流入湖中，水质净化的同时也使得湖水循环流动起来，改善湖泊水动力条件。MBR在本工程中起着关键的作用，其好似一个生化反应净水厂，可去掉湖中大部分营养物质，减小湖泊水华发生的概率。

图1 动物园湖治理措施布置图

4 膜生物反应器系统设计

4.1 工艺流程

MBR循环净化设施布置在动物园东北角，循环湖水采用远抽近排的水体循环方式，将湖水从水质较差的黑鹳湖和水禽湖通过泵站和管道输送到MBR处理站，MBR设计规模5000m3/d。循环管道总长度为1130m，仅有迎湖至MBR处理站180m长的管道采取开挖方式施工，最大限度地减少了施工对游人和动物的影响。在MBR处理站湖水首先进入混合池，混合池内投加PAC，通过机械搅拌使药剂充分均匀的扩散在水中，混合后自流进入网格絮凝池；网格絮凝池内，在水流作用下使微絮粒相互接触碰撞，以形成更大的絮粒，絮凝池出水通过穿孔花墙整流后进入膜池；混合液在膜池内进行生物反应，去除有机物等污染物质，同时膜池内置膜组器，由抽吸泵将清水通过膜过滤抽吸完成泥水分离，出水再经臭氧消毒后通过生态沟渠回流到迎湖内。

图2 MBR工艺流程图

4.2 分 设计

（1）提水泵站：提水泵站设置在黑鹳湖西侧位置，从泵站开始沿湖底向东铺设沉管。

（2）远抽近排循环管道：循环管道从位于黑鹳湖的泵站开始铺设，铺设方式为沉管施工。从迎湖东上岸后的管道采用明挖铺设方式。设计采用DN300PE管；总长度1130m。

（3）混合池：混合是将药剂充分均匀地扩散于水体的工艺过程。来水经提升除杂后进入混合池，在池内投加PAC，内置机械搅拌器进行搅拌混合。

（4）网格絮凝池：混合出水自流进入絮凝池。絮凝池设计采用网格絮凝池，分三段运行。

（5）膜池：膜池为本工艺的核心处理构筑物，绝大部分有机污染物、氮、磷的去除都在此完成。膜池利用膜对含泥污水进行过滤，实现泥水分离。膜池分为3个系列运行，可以满足不同工况的运行要求，以节约运行费用。

（6）臭氧接触池：臭氧与抽吸泵的出水同时进入接触消毒池完成消毒、脱色过程。所需臭氧发生及投加系统设于臭氧间内。在接触池池顶安装尾气破坏器，以消除臭氧对环境的影响。

（7）MBR系统厂房：本工程设计MBR系统均置于厂房内。MBR系统厂房还包括膜池设备间、鼓风机房、臭氧间及控制室和中控室。MBR处理机房设计以满足生态处理系统的功能为主，平面布置分为控制室、鼓风机房、臭氧间、中控室及 MBR设备间，结构形式为框架结构。

（8）污泥降解池：在污水处理系统中每天会产生少量的污泥，即生物处理段产生的剩余污泥和絮凝阶段产生的沉淀污泥。排泥方式为间歇式排泥，污泥降解池的作用是贮存和生物降解污泥，贮泥池上清液每天定期回流至絮凝反应池。

5 工程效果

经过近两年的运行可以看出，MBR对湖水的处理效果稳定明显，对减少水华发生，改善湖泊景观效果起到了决定性作用。

（1）显著降低了水体的污染物浓度。2011年对动物园湖从西向东共 12个取样点进行了水质取样化验，检测结果表明MBR工艺对污染物质有较高的去除效率，动物园湖水经MBR工艺处理后出水主要水质指标优于地表水Ⅲ类水质指标，其中对叶绿素的去除率达在90%左右，对BOD的去除率在65%左右，对总磷的去除率在60%左右，氨氮的去除率40%左右，出水水质达到了设计出水水质要求，迎湖和天鹅湖的水质也基本达到地表水 III类标准。（2）增加了水体透明度。经 MBR系统处理后的出水浊度可以达到1NTU以下，位于水体最东侧，距离MBR出水口最近的迎湖透明度最大达到91cm，比黑鹳湖的透明度增加了 52cm。（3）增强了水体的循环流动。结合过滤净化设施，通过在湖体中布置提水泵站和铺设循环管道，理论上可以使湖水平均每 13天循环一次，彻底改变了工程实施前静止不动的状态，对抑制水华的发生，防止水体发黑、发臭产生有了重要作用。

观测数据表明，水体污染物浓度在公园湖泊从西向东有一个明显的降低过程，透明度逐渐增加，水体循环净化效果明显。

6 结论

MBR系统在动物园湖水质改善工程中起到了关键作用，该系统去除了大量的污染物。通过与其它水体改善措施的配合实施，使动物园湖的生态系统更加完整，水体水质得到有效净化，自净能力得到强化。良好的水面，为游客提供了优美的观赏空间，改善了局地小气候。MBR系统不仅有利于改善园内水禽的生存环境，更是为全国的青少年创造了优美的科技活动基地，水处理站也成为一个新的科普园地，社会影响广泛巨大，社会效益明显深远。

治理方案有效抑制了动物园湖水华的发生，显著提高了水的透明度，解决了北京城市湖泊水华治理的现实问题，在目前全国各大城市水华频繁发生的情况下，具有一定的推广价值；同时对相关部门的投资决策具有重大参考意义。