2019年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 (第十届)日程暨邀请函
 
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详细介绍
城镇污水处理工程MBR工艺生化系统设计关键技术

蒋岚岚, 胡邦, 张万里, 李大成, 梁汀

(无锡市政设计研究院有限公司,江苏无锡214072)

摘要: 初步总结了城镇污水处理MBR工艺生化系统的设计关键技术。MBR工艺污水处
理工程生化系统设计前应综合选择合适的生物段形式,合理确定生化系统工艺设计参数。生化系
统的布局应结合进、出水水质要求,充分考虑各段流态及回流、进水、提升方式,设备选型需因地制
宜、安全耐用。
关键词:城镇污水处理;MBR工艺; 工程设计; 关键技术

中图分类号:X703 文献标识码:B 文章编号:1000—4602(2013)02—0025—05

Key Technologies for Design of Biochemical System in MBR Process
in Urban Sewage Treatment Plant
JIANG Lan—lan,HU Bang, ZHANG Wan—li,LI Da—cheng,LIANG Ting
(Wuxi Municipal Design Institute Co.Ltd.,Wuxi 214072,China)
Abstract:The key technologies for design of biochemical system in MBR process in urban sewage
treatment plant were summarized.Before the design of the biochemical system in urban sewage treatment
plant,the appropriate biochemical section form should be comprehensively selected.The design parame—
ters of the biochemical system process should be reasonably determined.The biochemical system layout
should be combined with the influent and effluent quality requirements.The flow state of each section,
the mode of sludge return,infiuent and lifting should be taken into full account.The equipment of the bi—
ochemical system in MBR should be selected according to the circumstances,and it should be both safe
and durable.
Key words: urban sewage treatment; MBR process; engineering design; key technology

随着对污水排放标准的提高以及膜成本和能耗
的降低,MBR工艺由于出水水质优良、可直接回用
和节省占地等优点使其在污水处理方面的应用进入
高速发展时期。据预测,中国今后5年内MBR技术
产业将以50%~100%的年增长率高速发展‘1。。与
此同时,由于其在城镇污水处理的规模化应用才刚
刚起步,设计建造的工程经验和技术总结很少心1。
尽管MBR工艺是利用膜的高效固液分离功能
实现污水最终净化的目的,但是有机污染物的去除
仍然以生物处理为主导,仍然要依靠合理设计的生
物处理段来实现。结合相关工程经验,在研究国内
外成功案例和技术规范的基础上,初步总结城镇污
水处理工程MBR工艺生化系统设计关键技术,为今
后国内MBR工艺的规模化设计应用提供参考。

1 MBR工艺系统选择关键技术
1.1 MBR工艺系统构成
膜生物反应器(MBR)是结合悬浮培养生物处
理法(活性污泥法)和膜分离技术而开发出的新型
水处理工艺,所以MBR工艺系统主要由生化系统和
膜分离系统两部分组成。
1.2 MBR工艺系统的分类
1.2.1分置式和一体式
根据生化系统和膜分离系统的相对位置,膜生
物反应器可分为分置式MBR和一体式MBR两种。
·25·
万方数据
第29卷第2期中国给水排水
分置式MBR是将膜组件放置在生化系统之外的单
独的膜池内,其特点是膜组件分组明确,运行环境良
好,便于独立运行和清洗、检修。一体式MBR则是
将膜组件直接放置在生化系统内,其特点是节省占
地,但是不利于膜组件的分组和配套管路的敷设。
1.2.2浸没式和管式
根据膜组件的放置位置,可分为浸没式和管式
两种。浸没式是将膜组件浸没于生物反应器或膜池
内,管式是将膜元件装填在膜管内,再设置膜架放置
膜管。
1.2.3正压式和负压式
根据过滤推动方式,可分为正压式MBR和负压
式MBR两种∞。。正压式MBR一般采用管式膜,通
过料液循环错流运行,生物反应器的混合液由泵增
压后进入膜组件,在压力作用下膜滤液成为系统处
理出水,活性污泥、大分子物质等则被膜截留。其特
点是运行稳定可靠,操作管理方便,易于膜清洗、更
换及增设,但动力消耗高。负压式MBR一般采用浸
没式MBR,通过泵的负压抽吸作用得到膜过滤出
水。同时设置膜擦洗曝气,利用曝气时气液向上的
剪切力来实现膜面的错流效果,以增加膜表面的紊
流和减轻膜表面的污染。其特点是不需要混合液的
错流循环系统,能耗较低,且不需复杂的支撑膜架。
1.2.4 MBR工艺系统的选择
对于城镇污水处理工程,由于规模较大(一般
均在1×104 m3/d以上),考虑到膜组件运行环境、
污泥浓度控制、脱氮除磷对DO的控制要求以及降
低能耗要求等,一般均采用负压抽吸浸没式分置式
MBR工艺,这也是本文的研究总结重点。
1.3生化系统的形式
由于污水排放标准提高了对脱氮除磷的要求,
因此很多传统脱氮除磷工艺都被应用到MBR中,如
A/O、A2/O(包括A2/0氧化沟)、SBR等。
1.3.1 SBR--MBR工艺
将SBR与MBR相结合形成的SBR--MBR工
艺,除了具有一般MBR的优点外,对于膜组件本身
和SBR工艺两种程序运行都互有帮助H15 J。由于膜
组件的截留过滤作用,使得污泥的生物活性高,吸附
和降解有机物的能力较强,同时也具有较好的硝化
能力。此外,SBR的工作方式为除磷菌的生长创造
了条件,同时也满足了脱氮的需要,使得单一反应器
内实现同时高效去除氮磷及有机物成为可能。与传
统SBR系统相比,一方面SBR--MBR在反应阶段利
用膜分离排水,可以减小传统SBR的循环时间;另
一方面,序批式的运行方式可以延缓膜}亏染。
1.3.2 A2/O—MBR工艺
传统的生物脱氮工艺通常采用前置反硝化或后
置反硝化来实现氮的去除,而设置了厌氧、缺氧和好
氧反应器的A2/0工艺则可以实现同步除碳和脱氮
除磷功能。由A2/0工艺与膜分离技术结合而成的
具有同步脱氮除磷功能的A2/0一MBR工艺,进一
步拓展了MBR的应用范畴。在该工艺中设置有两
段回流,一段是膜池的混合液回流至缺氧池实现反
硝化脱氮,另一段是缺氧池的混合液回流至厌氧池,
实现厌氧释磷。A2/0一MBR工艺中高浓度的
MLSS、独立控制的水力停留时问和污泥停留时间、
回流比及污泥负荷率等都会产生与传统A2/0工艺
不同的影响,具有较好的脱氮除磷效率。
1.3.3 A20/A—MBR工艺
A20/A—MBR工艺是一种强化内源反硝化的
新型工艺,该工艺利用MBR内高浓度活性污泥和生
物多样性来强化脱氮除磷效果【6J,其内部流程依次
为厌氧、缺氧、好氧、缺氧和膜池。该工艺在传统
A20工艺后再设一级缺氧池,利用进水快速碳源完
成生物除磷和脱氮后,在第二缺氧池进行内源反硝
化,进一步去除TN后再利用膜池的好氧曝气作用
保障出水水质。A20/A—MBR工艺是针对进水碳
源不足而同时又有较高脱氮要求的污水处理项目所
开发,也是强化脱氮的MBR脱氮除磷工艺。
1.3.4 A(2A)O—MBR工艺
A(2A)o—MBR工艺是两段缺氧A20工艺与
MBR工艺的结合,其特点是在传统的A20工艺中设
置了两段缺氧区(缺氧区I和缺氧区lI),在缺氧区
I内从好氧区回流的N03完全被还原,实现完全反
硝化;而在缺氧区Ⅱ内实现内源反硝化,节省外加碳
源的投加。该工艺大大提高了污水的生物脱氮效
率,同时避免了外加碳源,节约了运行费用,因此具
有很高的应用价值。
1.3.5 3AMBR工艺
3AMBR是依据生物脱氮除磷机理,结合膜生物
反应器技术特点而形成的具有高效脱氮除磷性能的
新型污水处理工艺∞J。其内部流程依次是第1缺
氧池、厌氧池、第Ⅱ缺氧池、好氧池和膜池,膜池混合
液分别回流至第1缺氧池和第Ⅱ缺氧池。第1缺氧
·26·

蒋岚岚,等:城镇污水处理工程MBR工艺生化系统设计关键技术第29卷第2期

池利用进水碳源和回流硝化液进行快速反硝化;接
着混合液进入厌氧池进行厌氧释磷,减少了硝酸盐
对释磷的影响;第Ⅱ缺氧池再利用污水中剩余的碳
源和回流的硝化液进一步反硝化脱氮;好氧池内同
步发生有机物降解、好氧吸磷和好氧硝化等多种反
应,彻底去除污水中的污染物;混合液再经膜过滤出
水,实现了对污水中有机物和氮磷的去除。3AMBR
工艺合理地组合了有机物降解和脱氮除磷等各处理
单元,协调了各种生物降解功能的发挥,达到了同步
去除各污染指标的目的,具有较高的推广应用价值。
1。3。6 A/A20~MBR工艺
A/A20一MBR工艺为3AMBR工艺的改进工
艺,设置有第1缺氧区、厌氧区、第Ⅱ缺氧区、好氧区
和膜池等5个处理单元。预处理后的污水首先按比
例分配流量分别进入第1缺氧区和厌氧区,然后依
次重力流人第Ⅱ缺氧区、好氧区和膜池,最后通过膜
过滤抽吸出水。根据脱氮除磷需要设置两级回流,
第一级回流是膜池的混合液回流到好氧区前端,第
和第Ⅱ缺氧区,两者之间的流量比例通过回流渠道
和调节堰来分配。前置的第1缺氧区,优先最大限
度地利用进水碳源快速完成反硝化过程,去除大部
分的硝态氮。在第Ⅱ缺氧区内与部分从好氧区回流
过来的富硝酸盐混合液再次混合,在长时间的缺氧
条件下,可以发生内源反硝化反应,进一步去除了污
水中的硝态氮。此外,将厌氧区放在第1缺氧区之
后,使得回流液中硝态氮被充分反硝化,减少了其对
聚磷菌的抑制,提高了除磷效果。
1.3.7生化系统形式的选择
生化系统形式的选择主要考虑以下几个方面:
①进水水质情况,如难生物降解有机物浓度、碳氮
比、碳磷比等;②出水水质要求,尤其是对脱氮除磷
的效果要求等;③进水水质及水量波动情况;④气候
条件等。从目前应用的工程经验来看,A20及其变
形强化工艺是众多应用在MBR脱氮除磷工艺中处
理效果最为突出的,其运行管理最为方便,也是最稳
定可靠的一类‘7。。目前各种形式的A20及其改进
二级回流是好氧区的混合液分别回流到第1缺氧区型的MBR脱氮除磷组合工艺的应用情况见表1。
表1 A20及其改进型的MBR组合工艺应用情况
Tab.1 Application of A2 O and improved MBR process
项目工艺内部流程进水方式回流方式应用情况
厌氧一缺氧一好氧厌氧单点进两段回流,膜池回流硝无锡梅村污水处理厂二期工程(3.0×104 m3/d)、
A20一MBR 一膜池或缺氧一厌水或厌氧、缺化液;或三段回流,好无锡新城污水处理厂二期工程(6.0×104 n13/a)、
氧一好氧一膜池氧两点进水氧区回流硝化液无锡胡埭污水处理厂二期工程(2.3 X 104 n13/d)
厌氧一缺氧I一好厌氧、缺氧I
三段两点回流,好氧区
无锡新区硕放污水处理厂二期工程(2.0×104 m3/
A2 0/A—MBR 回流硝化液至缺氧I
氧一缺氧Ⅱ一膜池两点进水d)
和缺氧Ⅱ
Af2A)0~ 厌氧一缺氧I一缺厌氧、缺氧I
三段两点回流,好氧区
无锡城北污水处理厂四期工程(7.0 X 104 m3/d)、
回流硝化液至缺氧I
MBR 氧Ⅱ一好氧一膜池两点进水四川绵竹汉旺污水处理厂(0.8×104 m3/d)
和缺氧Ⅱ
缺氧I一厌氧一缺缺氧I、厌氧
单段两点回流,膜池回
北京密云再生水厂(4,5×104 in3/d)、北京怀柔再
3AMBR 流硝化液至缺氧I和
氧Ⅱ一好氧一膜池两点进水缺氧Ⅱ 生水厂(3.5×104 Ill3/d)
缺氧I一厌氧一缺缺氧I、厌氧
两段两点回流,好氧区
无锡太湖国家旅游度假区污水处理厂三期工程
A/A2 0一MBR 回流硝化液至缺氧I
氧Ⅱ一好氧一膜池两点进水(1.75×104 m3/d)
和缺氧Ⅱ
2 MBR工艺生化系统参数设计
2.1 污泥浓度
由于后续通过膜来实现泥水分离,因此较传统
活性污泥法可选取较高的MLSS值。但是,在实际
工程应用中发现‘8J:①在实际进水有机物浓度低于
设计进水水质情况下,MLSS值难以达到设计值,通
过减少排泥来维持MLSS值时会造成MLVSS/MLSS
值偏低,导致生化池表面产生大量的浮泥,致使生物
活性降低,影响处理效率;②由于MLSS是最基本的
设计参数,当实际值与设计值偏差较大时会影响相
关设计参数(如SRT、空气量)的准确度,从而影响
实际运行效果。
因此,对于进水有机物浓度较高的工业废水,可
选取较高的污泥浓度值(~10 g/L)以尽量增大对有
机物的去除能力;而对于城镇综合污水处理工程而
言,由于进水浓度相对不高,宜选取较低的污泥浓度
·27·



(6~8 g/L)。
2.2 泥龄
对于有脱氮要求的城镇综合污水处理工程,
SRT宜根据硝化泥龄和反硝化泥龄来计算确定。需
要注意的是:由于系统内的MLSS值较高,因此MBR
工艺的泥龄通常较传统工艺长。但实践表明【8 J:过
长(30 d)或过短的泥龄均会使膜的TMP增势加剧,
而泥龄在20 d左右时,跨膜压差增长趋势变缓。因
此,泥龄不宜太长,以20 d左右为宜。
2.3 污泥负荷
对于传统活性污泥工艺而言,通常采用基于
BOD,的污泥负荷作为设计参数,但是,在MBR工
艺中,由于MBR反应器内微生物的结构、种类和生
物相的变化使MBR工艺对有机底物的利用不仅仅
局限于进水中的BOD,值,对部分表现为COD的物
质也可以利用,因此采用MBR工艺处理城市污水
时,不宜采用污泥负荷参数作为设计依据,而应将
MLSS和SRT作为MBR工艺生物处理单元的主要
设计参数。而由MLSS和SRT推算出的污泥负荷往
往仅为传统活性污泥法污泥负荷的一半左右,较低
的污泥负荷一方面说明系统抗进水水质冲击的能力
较强,另一方面也说明采用MBR工艺处理城镇污水
时污泥负荷不宜作为主要的设计指标。
2.4水力停留时间(HRT)
由于MBR系统的MLSS值较高,以SRT计算确
定的生物池容积较小,相应的所需HRT较短(7~10
h)。实践证明,如果考虑到系统有较高的硝化和反
硝化处理要求时,过短的HRT将难以保证其效果,
因此应适当加大系统的HRT(12 h),同时可相应降
低SRT,有利于控制膜污染。
2.5需氧量和供气量
由于MBR反应器内的MLSS浓度较传统工艺
高,其混合液的液膜厚度、污泥粘滞度等会发生变
化,由需氧量计算供气量时应调整参数Ot、口和co
值,因此,MBR工艺的理论供气量计算值应大于传
统工艺。但是大量工程实践发现,实际生化池供气
量小于计算量。分析其主要原因是:①为了控制膜
表面污堵,需要采用空气擦洗来改变膜丝表面液体
的流态,大量的擦洗空气使得膜池内的溶解氧浓度
极高(通常其DO值可达8~10 mg/L),因此从膜池
到生化池的大比例回流液(通常为400%~500%)
使生化池所需的曝气风量降低;②当实际进水有机
物浓度低于设计值时,会造成计算需氧量和实际
MLSS值均低于设计值,实际供气量则会远低于计
算值。因此在计算供气量时应充分考虑这些因素,
给出一个供气量的区间值,以便于进行鼓风机的配
置和风量调节控制。
3 MBR工艺生化系统布局设计
3.1 回流方式
对于MBR工艺,由于采用膜分离技术,往往将
硝化液回流与污泥回流合并,回流比高于传统工艺。
大比例的回流会影响生化系统各段的DO值和
MLSS浓度等,因此需加强对MBR工艺回流的控
制。
根据生化系统形式、硝化液回流的方式和位置
不同,MBR的回流有各种不同的方式(见表1)。综
合各种回流方式的实际效果,提出如下建议:①采用
膜池回流混合液至好氧区,再由好氧区回流硝化液
至缺氧区,如果采用膜池回流硝化液至缺氧区的方
式,由于混合液富含大量氧气,会破坏缺氧环境,导
致反硝化反应不充分[9 J。②如果采用两段缺氧生
化工艺,宜采用两点回流方式,尽管增加了相应的管
渠,但是两区的回流比例可以按照实际运行情况进
行分配,以便于充分有效地利用原水碳源和内碳源
来提高系统脱氮效果,减少外加碳源的用量。
3.2进水方式
由于在城镇污水处理工程中均有较高的除磷脱
氮要求,因此大多采用了厌氧/缺氧/好氧工艺,对于
MBR工艺而言,生物反应池建议采用两点进水方
式,即在生物池前设置进水分配渠道和分配调节堰,
污水进入分配渠道后,通过两套调节堰门将原水按
照一定比例分配到厌氧区和缺氧区,从而选择优先
满足生物脱氮还是生物除磷对进水碳源的需要,而
且各区的分配比例还可以根据不同水质条件下生物
脱氮和生物除磷所需碳源的变化进行灵活调节。
3.3提升方式
由于膜池有效水深较生物池浅,混合液回流有
两种提升方式:①前提升系统,即好氧池出水由泵提
升至膜池,膜池的混合液重力回流至生物池;②后提
升系统,即好氧池出水自流至膜池,膜池的混合液通
过回流泵提升至生物池。后提升系统较前提升系统
提升混合液的流量小,回流泵分别对应各组膜池便
于独立检修,但管路系统较为复杂;前提升系统管路
系统较为简单,检修维护工作量小,提升扬程较低。
·28·


蒋岚岚,等:城镇污水处理工程MBR工艺生化系统设计关键技术第29卷第2期

在现有的MBR系统中两种回流方式均有应用,实际
工程应用时应根据水位差、膜池分组情况、进水水质
和膜组件形式等综合比较确定。

3.4好氧区形式
传统活性污泥A2/O系统的好氧区构型多为长
方形廊道的推流形式。对于MBR工艺,其好氧区宜
设计成完全混合式,一方面有利于混合液处于良好
的紊动,保持悬浮状态,减小因剪切造成的污泥颗粒
破碎,并提高曝气设备的充氧速率¨⋯;另一方面,从
膜池回流至好氧区的大比例混合液可以实现快速混
合以充分利用膜池内的DO。

4 MBR工艺生化系统设备设计
4.1 搅拌器
对于厌氧区和缺氧区,如果池型(或分隔后的
池型)接近于正方形(L/B<1.3),建议采用倒伞型
搅拌器。因其运行能耗低,立式环流搅拌均匀,不易
产生死角,水下无易损耗件且不会在搅拌主体上挂
带任何物质而形成堵塞。
4.2曝气器
一方面,由于考虑到污泥的粘滞性等因素使得
MBR工艺的计算供气量高于传统工艺;另一方面,
由于MBR工艺的HRT小于传统工艺使得好氧区的
平面尺寸较小。由此造成单位面积的供气量将远大
于传统工艺,因此,必须选择单位通气量大、氧转移
率高的曝气设备。在已运行的几个MBR工程中,聚
乙烯改性纤维管式曝气器和全球型刚玉曝气器的运
行效果较好。
4。3回流泵
首先,根据回流位置的不同选择不同的设备。
对于生化系统内部的回流通常采用穿墙PP泵;对
于膜池回流至生化系统的回流泵再根据提升方式的
不同进行选择,如前提升方式一般采用潜水轴流泵,
后提升方式的回流泵又有两种形式:①设置于膜车
间时,通常采用卧式端吸离心泵,且由于输送介质为
高浓度的污泥,不宜采用清水泵,大多采用污水泵干
式安装;②当系统设回流污泥渠时,回流泵设置于渠
内,通常采用穿墙PP泵。
4.4剩余污泥排放泵
剩余污泥排放泵可以设置于生化池内也可设置
于膜池进水渠内,一般采用潜水排污泵。建议设置
于生化池内,可以用来排除池底泥砂并可兼作生化
池放空泵。
4.5曝气鼓风机
由前述可知,由于实际运行时的各种变化因素,
造成生化池的气量变化幅度较传统工艺大。因此在
曝气鼓风机选型时,首先应优先选择气量调节范围
较大的单级离心鼓风机。若采用多级离心鼓风机,
必须配置变频器,不宜采用罗茨鼓风机。其次,所选
的鼓风机应使调节后的组合供气量涵盖计算供气量
的区值。

5结语

随着MBR在污水处理中的应用越来越多,有关
设计和建造的技术总结必不可少。主要从工艺系统
的选择、生化系统参数设计、生化系统布局设计和生
化系统设备设计等四方面,总结了城镇污水处理工
程MBR工艺生化系统设计关键技术,可为今后国内
MBR工艺的规模化设计应用提供参考。


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E—mail:j11158@163.COllI
收稿日期:2012—07—02


第29卷第2期
2013年1月
中国给水排水
CHINA WATER&WASTEWATER
V01.29 NO.2
Jan.2013
 
 
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