MBR工艺一体化设备运行分析

李锦

中广核环保产业有限公司 广东深圳 518000

摘要：本文介绍了采用MBR工艺的一体化设备在处理实际生活污水过程中的处理效果、设备混合液的过滤性能和能耗的情况。实验结果表明，设备出水各指标能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中的一级A标准，且设备对COD_cr、氨氮和TP处理效果较好，但对TN的去除效果有限；混合液的过滤性与温度关系不明显，但与污泥体积指数存在一定的正相关性；设备能耗较高，但优化后有进一步的下降空间。

关键字：MBR；过滤性；污水处理；能耗

1. 前言

由于中国国内的特殊国情，一些乡村和人口聚集区都处在比较偏远的地方，若将这些地区的生活污水通过管道收集并集中处理则会造成管网投资成本过高，不具有经济可行性，因而分散型的小型一体化污水处理设备应运而生。现市场上的一体化设备采用的生化工艺主要有MBBR、AAO、MBR工艺等。

MBR（Membrane Bioreactor）工艺，即膜生物反应器工艺，是将膜分离技术与活性污泥法有机结合而成的一种新型的污水处理工艺^[1]。MBR工艺的主要原理是将具有微小孔隙的膜组件取代传统生化处理系统中的二沉池，通过膜的截留过滤作用进行泥水分离。此种方式可使微生物被有效地截留在反应器中，从而可以自由控制整个系统的污泥龄^[2]，同时可大幅减小污水厂的占地面积。MBR工艺的生化池中含有较高的污泥浓度，因而其具有较好的污水处理效果和较高的抗冲击负荷的能力。但由于MBR膜本身的限制，本工艺也伴随着高能耗、膜污染和高成本的缺点^[3]。

本研究通过设计并制造了一台一体化污水处理设备，设备的生化工艺采用AAO+MBR的工艺，同时将设备放置在某城市生活污水厂中让其对实际的生活污水进行处理，并对整个工艺的实际污水处理效果、混合液的过滤性能、设备的能耗进行分析，旨在为MBR工艺的设计和实际运行提供有效的数据和参考经验。

2. 实验部分

   1. 设备概况

本次研究的MBR一体化污水处理设备设计处理规模为500m³/d，主体工艺采用AAO+MBR的工艺，其中MBR膜选用的是中空纤维膜，材质为PTFE，膜的设计通量为25L/M²·H，出水模式为开8停2，即出水8分钟，停2分钟，停止出水期间为MBR膜的曝气冲洗时间，具体工艺流程如下图：

图2-1 工艺流程图

设备的设计进出水水质如下表所示：

表2-1 设计进出水水质表

1. 2. 实验介绍

本次实验进行了16天，实验过程中，每天对设备的进出水水质浓度、污泥浓度、过滤性能进行检测，并记录MBR膜后抽吸泵的抽吸负压。由于设备放置在污水厂中，设备的接种污泥取自污水厂生化系统中的混合污泥。为了进一步考察污泥的性状对于混合液透过MBR膜难易程度的影响，在接下来的14天实验中，检测了混合液的过滤性与其温度和污泥体积指数的关系。

3. 结果与分析

   1. 去除能力分析

      1. COD去除能力分析

本次研究过程中，设备每天的进出水COD_cr浓度如下图所示：

图1 进出水COD浓度值

由图1可知，在整个实验期间，设备进水COD_cr最低为61mg/L，最高达到292mg/L，平均进水COD_cr浓度为107mg/L，出水最低为10mg/L，最高为27mg/L，平均出水COD_cr浓度为17.6mg/L。平均去除率为83.66%。

上述结果表明设备的出水COD_cr浓度均低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中一级A排放标准（以下简称“一级A排放标准”），MBR工艺对COD_cr的去除能力较好，即使有较高浓度的污水进入，由于MBR膜的截留作用，出水COD_cr仍能达到较低的值，有较强的抗冲击能力。

1. 1. 2. 氨氮去除能力分析

本次研究过程中，设备每天的进出水氨氮浓度如下图所示：

图2 进出水氨氮浓度值

由图2可知，在整个实验期间，设备进水氨氮最低为5.15mg/L，最高为15.75mg/L，平均进水氨氮浓度为10.23mg/L；出水最低为0.08mg/L，最高为1.43mg/L，平均为0.46mg/L，平均去除率为95.52%。

上述结果表明，正常的生活污水处理过程中，设备氨氮的出水均远低于一级A的排放标准，整个工艺对氨氮的去除能力较好，但同时也存在过度曝气的情况。MBR膜在出水的过程中需要较大的空气量对其进行冲洗，这也是导致MBR系统过度曝气的主要原因。

1. 1. 3. 总氮去除能力分析

本次研究过程中，设备每天的进出水总氮浓度如下图所示：

图3 进出水TN浓度值

由图3可知，在整个实验期间，设备进水TN浓度最低值为8.82mg/L，最高值为33.41mg/L，平均进水TN浓度为14.35mg/L；出水TN最低为5.01mg/L，最高为14.06mg/L，平均出水TN浓度为9.57mg/L，平均TN去除率为33.30%。

上述结果表明，设备对TN的去除能力有限，出水在一级A标准范围内波动。这是由于MBR膜需要较多的空气量进行冲洗，导致MBR膜区溶解氧较高，污泥回流后会破坏缺氧区的缺氧状态，从而影响整个工艺的TN去除效果。

1. 1. 4. 总磷去除能力分析

本次研究过程中，设备每天的进出水总磷浓度如下图所示：

图4 进出水TP浓度值

由图4可知，在整个实验过程总，设备进水TP最低值为0.57mg/L，最高值为2.72mg/L，平均进水TP为1.34mg/L；出水TP最低值为0.01mg/L，最高值为0.42mg/L，平均出水TP为0.06mg/L。平均TP去除率为95.32%。

上述结果表明，设备对TP的去除能力较好，出水远低于一级A标准，且抗冲击能力较好。根据TN去除率较低可知，污泥回流也影响了厌氧区的厌氧状态，因而整个系统中生物除磷作用并不大。TP去除效果好的主要原因可能是污水中的磷被高浓度的污泥吸附，且无法透过MBR膜。

1. 2. 透过性能分析

混合液的过滤性是指系统中MBR膜区的污泥混合液在5min内透过中性滤纸的滤液体积，此参数提现了混合液透过膜的难易程度。一般认为过滤性在20ml以上时，MBR膜可具有较好的过滤效果。

1. 1. 1. 过滤性与温度的关系

本次研究过程中，系统混合液过滤性与温度的检测结果如下图所示：

图5 过滤性与水温检测结果

由图5可知，整个系统过滤性最低值为15ml，最高为38ml，平均过滤性为28ml，过滤性较好；水温的最低值为12℃，最高值为16℃，平均水温为14.5℃。

上述结果可以发现，混合液的过滤性基本能够符合MBR膜过滤的要求，同时其与系统水温的关系并不明显。说明生化系统中的水温并不会影响混合液透过MBR膜的难易程度。

1. 1. 2. 过滤性与污泥体积指数（SVI）的关系

本次研究过程中，系统混合液过滤性与温度的检测结果如下图所示：

图6 过滤性与污泥体积指数检测结果

由图6可知，设备的SVI最低为83.5ml/g，最高为123.14ml/g，平均SVI为103.5ml/g。

上述结果发现，混合液的过滤性与污泥的体积指数存在一定的正相关性，过滤性大体上随着污泥体积指数的增大而增大，但过滤性随体积指数变化波动较大，说明过滤性并不完全由体积指数决定，是一个多因素影响的参数。

1. 3. 能耗分析

在本次研究过程中，系统日处理水量、总电耗和吨水电耗结果如下图所示：

图7 处理水量及电耗

由图7可知，设备最低日处理水量为109m³，最高日处理水量为413m³，平均日处理水量为346.7m³；最低日电耗为126kwh，最高日电耗为243kwh，平均日电耗为168.2kwh；最低吨水电耗为0.34kwh/m³，最高吨水电耗为1.16kwh/m³，平均吨水电耗为0.53kwh/m³。

上述结果表明，系统绝大多数情况下在设计处理规模的60%以上运行，但实际日处理水量基本没有达到设计日处理规模的90%，说明MBR膜的数量和面积无法达到设计处理规模的要求，即25L/M²·H的设计膜通量偏大，在实际的设计过程中需降低膜通量参数的选择。另一方面，系统的吨水能耗较高，处理水量越低，单位能耗越高，说明在日处理规模继续增加的情况下，吨水电耗还有进一步降低的可能。在第16天，设备在80%负荷下运行吨水电耗为0.33kwh/m³，同时根据氨氮和总氮的检测结果，可知风机的风量还可进一步降低，意味着能耗还有下降的空间。

4. 结论

1. 本研究制造的采用MBR工艺的一体化污水处理设备工艺流程简单，其对COD、氨氮和TP都有较好的去除能力，但是对TN的去除能力有限，设备有进一步优化设计的空间。

2. 设备在实际的处理生活污水过程中，系统中混合液的过滤性能与温度的关系不明显，与系统中污泥的体积指数有一定的正相关性，但过滤性并不完全由污泥体积指数决定，还存在其他影响因素，需要进一步的研究。

3. 由于MBR膜本身的限制，设备整体的实际吨水能耗较高，实验过程中最低为0.33kwh/m³，但随着设备日处理水量的增加和风机等配套设备选型的优化，设备的吨水能耗有进一步降低的空间。

参考文献

[1]伍晓洪.浅析MBR工艺中活性污泥性质及影响[J].中国资源综合利用，2019,37(6):30-34.

[2]邹联沛，王宝贞，范延臻等.SRT对膜生物反应器出水水质的影响研究[J].中国给水排水，2000,16(7):16-18.

[3]郝晓地，陈峤，李季等.MBR工艺全球应用现状及趋势分析[J].中国给水排水，2018,34（20）：7-12.