城镇污水处理工程MBR工艺膜系统设计关键技术

张新，刘阳，唐启造

（中交二公局上海远通路桥工程有限公司，上海 201315）

1 引言

在城镇污水处理作业大范围推进过程中，MBR 工艺膜系统在城镇污水处理工程中的应用优势逐渐彰显。 一城镇污水处理工程拟建一座临时污水处理站、配套污水管网，其中污水处理站包括调节池、污泥池、集中式污水处理系统、取样观察池等埋地构筑物，场地±0.00 m 标高为5.50 m，污水处理关键模块为MBR 工艺膜系统。

2 城镇污水处理工程MBR的应用优势

2.1 脱氮效率高

MBR 又可称之为膜生物反应器，由膜分离单元、生物处理单元组成。 在城镇污水处理工程中应用MBR，可以全部截留水中微生物，有效分离水力停留时间、污泥龄，延长污泥龄，为硝化细菌增殖提供良好环境，进而提高脱氮效率[1]。

2.2 处理效果佳

在城镇污水处理工程中应用MBR，可以截留部分大分子难溶性污染物，促使膜生物反应器内污染物停留时间延长，提高难降解污染物以及悬浮物去除效率。 同时，作为一种生化处理工艺，MBR 膜可以将有机物转化为二氧化碳和水， 将氮污染物转化为氮气，降低浓缩液浓度，提高产水率。

2.3 耐冲击能力强

MBR 的污泥负荷范围在0.15 kgCOD/ （kgVSS·d）±0.05 kgCOD/（kgVSS·d）之间，体积负荷达到数千克。 在城镇污水处理工程中应用MBR， 可以有效提高污水处理工程的耐冲击能力。

2.4 占地面积小

MBR 膜系统截留率较高，反应容器内污泥浓度高于传统活性污泥法。 在城镇污水处理工程中应用MBR，可以在污泥浓度一定时减小反应器容积， 进而缩小整个污水处理工程占地面积[2]。

3 城镇污水处理工程MBR工艺膜系统设计的关键技术

3.1 MBR工艺膜组件设计

膜组件即以特定形式在一个基本单元设备组装膜， 在一定作用力驱动下完成混合液组分分离， 可以在降低工业化生产、安装效率的同时，实现在单位体积内膜面积最大，促使膜工作效率更高。 城镇污水处理工程中，MBR 工艺膜组件是膜片拼装的成果。 常见膜组件形式为板框式、圆管式、中空纤维式，三者定性对比如表1 所示，可以根据要求选择适宜的膜组件形式。

表1 城镇污水处理工程中MBR工艺膜组件定性比较

板框式膜组件外形类似于板框式压滤机，具有组装简单、便于维护清洗与更换、操作便捷的优良特点，但也存在密封复杂、装填密度小、压力损失大的缺陷。 板框式膜组件采用平板膜，对于平板膜，为弥补膜系统占用空间过大，应控制膜组件之间距离在60 mm 以上但小于80 mm；圆管式膜组件多选择内压式，由管内进水，管外流出渗透液，膜直径大于或等于6 mm 但小于24 mm，料液可以完成湍流控制，清洗难度小，堵塞风险低，压力损失小，但装填密度也处于较小的水平；中空纤维式膜组件外径多大于40 μm 但小于250 μm，内径多大于25 μm 但小于42 μm，多直接放入反应器内构成浸没式膜-生物反应器，具有装填密度高的特点，但也存在清洗困难、污染风险高的问题。 圆管式、中空纤维式膜组件采用管式膜，圆管式膜直径大于10 mm，中空纤维式膜直径小于0.5 mm。 为了确保冲洗气流顺利到达顶部膜丝， 膜片与膜片之间的距离应超过100 mm， 轴心距超过140 mm。 若膜片本身膜丝密度较大，则需要进一步增加有效间距，减少膜丝之间的截留物、板结，降低膜组件后期清洗维护效率。

考虑城镇污水处理工程中长时间运行膜通量衰减、 城镇人口增加引发的产水量提高， 需要设计预留1 个膜池的膜通量参数， 每一个膜池预留的膜组件数量为2 个， 膜过滤面积1.5 m2的膜元件对应的膜组件有效过滤面积一定时，可以得出膜组件的组数[3]。比如，在准备检查维护、离线清洗备用组件的情况下，实际使用21 个膜池，选用252 组膜组件。 在膜组件组数确定的基础上，根据安装空间，沿着横向（或竖向）进行膜片安装。 轻微下垂膜丝，膜丝下垂幅度在10 mm 左右，在膜丝不承受拉力的情况下尽可能拉直膜丝，避免膜丝、膜丝之间出现杂物残留。 膜组件体积与安装密度紧密相关，对搅拌空气量也具有一定影响， 因此， 应控制单一膜组件处理量小于或等于1.5 m3/h。

3.2 MBR工艺膜系统参数设计

3.2.1 曝气量

城镇污水处理工程中，MBR 工艺膜系统曝气量可以根据经验设定汽水比为24∶1， 对应常规污水处理池深度为3.5 m。MBR 工艺膜系统的溶氧量（水中氧气溶解量）超过2.5 mg/L但小于5 mg/L，正常液位下溶氧量为3 mg/L。风机排压选型较之最高液位高0.01 MPa，配合风机出口泄气阀全开，泄出70%空气量。

3.2.2 跨膜压差

跨膜压差（泵进水口高度与生化池液位高度差）是MBR工艺膜系统的重要参数，一般需要小于0.03 MPa。若真空表读数达到0.03 MPa，生化池液位超出泵进水口1m，则MBR 工艺膜跨膜压差为0.04 MPa； 若真空表读数达到0.03 MPa，泵安装高度超过生化池液位1 m， 则MBR 工艺膜跨膜压差为0.02 MPa。

3.2.3 膜通量

膜通量是MBR 膜分离单元的关键参数，特指单位时间内单位膜面积的透水量， 城镇污水处理的设计膜通量为15～25 L/（m2·h）。 作为一个变化量，膜通量设计需要综合考虑设计平均膜通量（设计处理规模下设计膜面积通量）、设计峰值膜通量（水量峰值情况下设计膜面积通量）、最大实际膜通量（水量峰值下总产水量）。 在膜元件平均通量为17 L/（m2·h）时，每一片膜元件有效过滤面积为1.5 m2，平均过滤量为1 042 m3/h，可以计算膜的片数。

3.2.4 抽吸与冲洗

为减少MBR 工艺膜堵塞频率， 设置MBR 抽吸泵运行13 min， 停止2 min。 同时设计工艺膜清洗工序为水冲洗→1.5%±0.5%碱液浸洗2 h→2%柠檬酸浸洗2 h→5%～10%次氯酸钠浸洗2 h→水冲洗。 若膜丝失水，则将其浸泡到95%工业酒精内2 min。 每间隔24 h 进行一次在线反冲洗，经末端自来水过滤器过滤自来水冲洗，冲洗水量达到正常过滤通量2～3倍，过滤精度达到50 μm，压力小于2.5 MPa。

3.3 MBR工艺膜系统布置设计

3.3.1 反应器池布置

根据膜组件安装尺寸， 膜生物反应器池深度为3.0 m，长度、宽度均为4.3 m。 考虑保护高度0.5 m 与生化需氧量容积负荷1.0 kg/（m3·d），设计膜生物反应池容积为64.7 m3。 根据城镇污水量季节性特征，在膜生物反应池前布置矩形调节池，调节池总体积为210 m3，划分3 格，每格设计流量8.4 m3/h，停留7 h，将曝气管布置在调节池内，利用气管混合水，实现预曝气。 调节池前布置初沉池，初沉池设计沉淀区、污泥区，其中沉淀区有效水深2 m，长16.2 m，有效容积12.5 m3；污泥区容积由沉淀池进水悬浮物浓度、浮固体去除率（50%）、两次排泥时间间隔（2 d）、污泥重度、污泥含水率决定，一般为2.0 m3。

3.3.2 膜组件清洗布置

为减少MBR 工艺膜系统运行强度，以膜组件清洗为切入点，规划膜组件出池入池定位，水管、气管经优质法兰（或球阀）连接。 在膜组件清洗槽布置时，设置3 个化学浸泡槽与配套塑料排污泵，浸泡槽容量满足全部膜组件浸泡要求（淹没膜丝后预留500 mm 高），总深度为池底平台高度、膜组件底部到最上部膜丝高度、500 mm 超高的和，并设置穿孔曝气管道、保护平台，便于药液由浸泡槽转移到储液桶。 同时，将2 个储液桶设置在3 个化学浸泡槽边缘， 储液桶容量超过化学浸泡槽有效容积， 为MBR 工艺膜组件清洗药液的重复使用提供依据。比如，次氯酸钠经澄清处理后储存回用等。在这个基础上，根据MBR 工艺膜系统内浸泡槽搅拌空气量，以剧烈搅拌为基准，进行浸泡槽设置与调节阀安装。 经自来水加入管道连通浸泡槽， 浸泡槽注满时间在10 min 左右。 一般在自来水压力达到2～3 MPa 时，DN50 的自来水管流量应超过18 m3/h 但小于22 m3/h。

3.4 MBR工艺膜系统设备设计

3.4.1 曝气装置

MBR 工艺膜系统中曝气装置由2 台罗茨风机、1 个曝气器、1 组管路阀门组成。 曝气装置设计MBR 进水生化需氧量为114 mg/L，处理水流量202 m3/d，出水生化需氧量5.7 mg/L。可以经膜组件承托架、 膜组件滑入导轨固定在城镇污水处理池底部，也可与膜组件连接。 曝气装置中的曝气管借助DN20穿孔管，每一膜片间隙对应一路穿孔管，穿孔间距、穿孔直径分别为100 mm、φ2 mm。 相互毗邻的两路曝气管穿孔位置交错，孔口设置单排，均与水平方向成90°，避免沉降污泥堵塞孔口。

根据每一个膜组件曝气需求，进行单独调节阀设置，并为整个生化槽充氧曝气设置控制阀，引入微孔充氧曝气装置，满足搅拌空气量、充氧空气量的灵活调整要求。 同时，在泄气口增设消音装置，控制生化槽内溶解氧值。

3.4.2 抽吸泵

根据每一个膜组件压力、通量等状态观测要求，为每一个膜组件配置1 台抽吸泵，抽吸泵尽可能低于液位安装，膜组件正常状态下虹吸出水，或者将MBR 池设置在地下，为抽吸泵提供足够吸程。 对于抽吸泵出口管路，则设置可直观显示水质状态透明流量计、可调节膜组件出水量的取样调节阀，调节阀位于流量计前端（或后端）。 在电接点压力表超出设置限度时，关停MBR 抽吸泵，并发出警报。 在MBR 抽吸泵关停的同时关闭风机，确保运行效率。

4 结语

综上所述，MBR 工艺在高难废水处理工艺中广泛应用，对膜组件设计提出了更高的要求。 设计人员应根据城镇污水处理工程实际情况，合理设计膜组件，科学设计膜系统参数，并进行膜系统布置格局的调整与膜系统设备的合理设计，确保MBR 工艺膜系统的耐冲击、占地面积小、脱氮效率高、处理效率佳等优势得到充分发挥， 为城镇污水处理效率的提高提供依据。