摘要
昆明市第四水质净化厂将ICEAS工艺改造为MBR工艺，最大限度地利用了原有构筑物，占地面积小，出水水质达到再生水回用标准。分析了MBR内部配水、曝气、回流、节能降耗优化情况，MLSS、TMP与MBR使用年限及产水量之间的平衡关联，总结了膜清洗及维护的经验和教训，指出膜清洗本质并不复杂，MBR工艺可持续的最大约束性条件是使用到期时更换膜的经济成本相对较大。
杨学贵（1965-），男，云南昆明人，大学本科，主要从事污水处理运行管理工作，现任昆明市第四水质净化厂副厂长。
1 升级改造前后设计参数及运行情况
昆明市第四水质净化厂（以下简称昆明四厂），原名昆明市第四污水处理厂，位于市区北部、盘龙江东岸、油管桥附近，占地2.4 hm2，于1997年5月投入运行，处理北二环以南，虹山以东，圆通山、火车北站以北，东二环以西的城市生活污水，服务面积13.20 km2，服务人口28.8万人。
1.1
ICEAS工艺流程
昆明四厂原采用ICEAS工艺，出水水质执行一级B标准。为使出水水质稳定达到一级A标准，需进行升级改造成。
图1 IECAS工艺流程
1.2
提标升级改造MBR工艺
ICEAS工艺是常用的活性污泥法中占地面积较小的一种工艺形式，昆明四厂在占地面积无法扩大、无场地另建构筑物的情况下，要提升出水水质，满足区域水环境的要求，再增加深度处理构筑物与设施就变得困难，因此充分利用原有工艺及设施成为选择工艺的一个重要考虑因素。
2010年4月，昆明四厂进行MBR工艺升级改造，设计处理规模为6×104m3/d，同年9月开始运行，出水水质执行一级A标准。当时是云南首家运行MBR工艺的较大规模污水处理厂。
表1 MBR工艺设计进、出水水质（单位：mg/L）
项目
COD
BOD5
SS
TN
NH3-N
TP
设计进水值
360
220
300
45
35
6
排放水质要求
30
6
10
10
1.5
0.3
一级A标准
50
10
10
15
5
0.5
图2 MBR系统工艺流程
昆明四厂在升级改造过程中主要构筑物没有改变，最大限度地利用了原有构筑物，将原ICEAS生化反应池改造为MBR生反池及膜池，新建构筑物只有污泥脱水泥饼柜，更多的是更换设备。
图3 MBR工艺升级工程平面图
1.3
AAO MBR内部系统
昆明四厂提标升级改造以AAO MBR工艺为核心，系统的配水、回流、曝气流程可概括为：单点进水、两段好氧、三级回流，后置变化区，MBR过滤出水。
每个组合生化池由原厂的ICEAS生反池改造而成，改造后分南、北2个系列，每个系列6个廊道，共12个廊道（包括组合生化池、MBR池），各自独立运行，结构和尺寸都一样，依次为厌氧池、缺氧池、好氧Ⅰ段、好氧Ⅱ段、变化池、膜池。好氧区设置DO、MLSS在线检测仪、静压式液位计等在线监测仪表。
通过调节六角配水井堰板，对各廊道进行配水，每一廊道各区之间通过潜水推进器（搅拌器）来循环混合液，搅拌器可以在30°～150°方位调节。三级回流各自通过变频器调节回流量。
2 出水水质
系统出水水质稳定，优于一级A标准。2016年出水水质数据显示，出水BOD5、COD、SS较稳定， TN受季节影响，冬季1月—2月偏高，夏季最低。
表2 2016年出水水质
项目
BOD5
COD
S S
TN
TP
NH3-N
1月
1.16
11.21
4.10
8.04
0.09
0.32
2月
1.28
9.55
4.00
9.22
0.10
0.27
3月
1.03
8.76
4.00
5.44
0.10
0.31
4月
1.17
10.21
4.00
3.87
0.10
0.40
5月
1.61
10.86
4.00
3.88
0.12
0.30
6月
1.08
10.81
4.03
4.82
0.14
0.21
7月
0.58
10.68
4.00
3.95
0.19
0.25
8月
0.55
9.65
4.03
3.05
0.18
0.13
9月
0.62
8.42
4.00
4.11
0.19
0.16
10月
0.77
8.15
4.00
6.94
0.15
0.18
11月
0.76
9.44
4.30
7.63
0.14
0.28
12月
0.65
9.50
4.06
6.06
0.20
0.27
昆明四厂MBR工艺运行7年，出水水质基本未因膜的使用年限长而受到影响，在未投加碳源的情况下，投加铁源辅助除磷。实际常采用前置、同步、后置三种除磷方式。采用FeSO4·7H2O前置除磷，投加地点在转鼓格栅后、生反池前，投加浓度8%～10%，投药量为10～30 mg/L，既能减少后续生物处理负荷，不损伤膜，又达到除磷效果，出水TP控制在0.20㎎/L以下，根据水量、进出水TP浓度，调控投加量。
MBR 工艺对COD、NH3-N、TP、TN和SS的去除率，出水色度和清澈度等物理外观特征明显，出水浊度＜1 NTU，各项出水指标优于一级A标准，近年来出水TN＜8 mg/L。MBR生化池的生物段能形成良好的DO梯度并维持较高的MLSS和较长的SRT，因此对TN有更好的去除效果。
2011年—2017年7年运行数据显示，出水水质满足《城市污水再生利用 城市杂用水标准》(GB/T 18920-2002)和《城市污水再生利用 景观环境用水水质标准》(GB/T 18921-2002)，除TN外，其余出水BOD5、COD、TP、NH3-N等项指标满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类标准。MBR出水水质波动较小，说明生化池高MLSS可保证生物降解的稳定性，提高系统的抗冲击能力，对污染物的去除率保持在较高水平。MBR出水作为再生水回用具有良好的发展前景。
3 运行能耗
MBR工艺采取脉冲曝气、循环曝气、精确曝气以及其他多种措施来解决能耗高的问题。通过不断优化运行，昆明四厂2014、2015年MBR工艺能耗由2011年的0.606 kW·h/m3分别降到约0.47、0.49 kW·h/m3，降耗19%。2011年—2016年平均能耗为0.5463 kW·h/m3，与传统工艺平均能耗0.29 kW·h/m3相比高88.4%。2016年能耗有所升高是因膜通量衰减，处理量减少，单位能耗相对上升。MBR通过优化运行，节能降耗尚有一定空间。
3.1
原膜池与生反池风机的运行状况
自2010年9月MBR升级改造完成后，膜池吹扫擦洗风机开启两台,单机功率355kW，单机运行风量为17500m3/h，膜池DO达到6~8mg/L。生化池使用一台曝气风机，功率315kW，风量为7500m3/h，因生化池风机选型过大，风量过剩，在实际生产过程中，只要有三个廊道变化池（实际运行为缺氧池）DO＞1mg/L，该段的回流液回流到缺氧池，因DO过高而干扰缺氧池的脱氮，导致出水TN偏高，这部分多余的DO就分流至污泥浓缩池，在能耗上造成了一定的浪费。
3.1.2 生反池与膜池之间设置连通阀门
生化池和膜池风分别为0.055、0.05 MPa，这从客观上为生化池多余的风量输送到膜池创造了可能。在生化池风机管道和膜池吹扫风机管道之间设置连通阀门，将生化池富余的风量调节到膜池，膜池开启风机减为一台，充分利用膜池高DO回流至好氧池，既保证对膜的吹扫擦洗效果，又节能降耗，降低出水TN。
4 膜系统清洗维护
对于PVDF中空纤维膜组件，膜清洗主要包括反冲洗、在线清洗（维护性化学清洗）和离线清洗（恢复性清洗）。MBR膜清洗本质上并不复杂，但也有一些必须注意的运行操作方式、预处理优化等应遵守的原则。昆明四厂在实践中总结出较为系统的MBR膜三级清洗维护方法。
4.1
预处理
昆明四厂预处理阶段设置有三道格栅：栅隙为20 mm的粗格栅、栅隙为5 mm的细格栅、栅隙为1 mm的超细转鼓格栅，超细转鼓格栅是防止毛发等纤维类物质缠绕在膜丝上造成膜污染与膜损害、堵塞设置的。根据昆明四厂实际运行经验，网状超细转鼓格栅对纤维类物质的去除效果不理想，后改为1 mm孔径超细转鼓格栅，效果较好。建议采用圆孔径超细格栅作为今后设计中的另一个选择。
4.2
MLSS
一般认为，随着运行时间的延长，反应器内MLSS会逐渐提高，随着MLSS上升，膜通量会下降，会发生膜污染。在实际运行中，MLSS是可以调控的，昆明四厂MBR中空纤维膜反应器置于膜池中，膜池底部有排泥阀，可以通过泥泵将剩余污泥排至污泥浓缩池，再抽至离心脱水机进行污泥脱水。根据进出水指标变化、膜池混合液过滤性、膜的透水率及膜运行年限调控MLSS，随MBR运行年限的延长将MLSS调控呈逐渐下降趋势，由使用初期的10050 mg/L降至2016年的4700 mg/L。膜池MLSS升高，TMP增加，膜池MLSS减少，TMP降低。在二者之间要找到一个合理的平衡点。
当MLSS较高时，污泥易在膜表面沉积，导致过滤阻力增加，膜通量降低；另一方面，当MLSS太低时，污泥对溶解性有机物的吸附和降解能力减弱，从而易被膜表面吸附形成凝胶层，导致过滤阻力增加，膜通量降低。
具体措施及要求是在确保出水水质达标的基础上，尽量降低MLSS，降低TMP，减轻膜负荷及污染。一般MLSS可控制在5000-7000㎎/L，MLSS不低于3000㎎/L，过低的MLSS，出水TN升高，也会加剧膜污染，一般冬季MLSS高于夏季MLSS，新使用的膜MLSS＞使用年限较长的膜MLSS。
4.3
跨膜压差（TMP）及运行
昆明四厂膜压差控制范围是-35～0 kPa，超过-35 kPa建议进行化学清洗。
TMP绝对值越大，说明膜污染越严重，产水量就会受到限制，实践中，清洗只是在需要时进行，昆明四厂每天监测TMP，根据TMP进行洗膜，一般情况超过-20 kPa进行清洗，不建议TMP运行到-35 kPa时才进行清洗。
一般的MBR系统可采用恒压控制或恒流控制两种方式，昆明四厂则是综合运行，即在TMP≤-20 kPa的限制条件下，恒流量运行，各廊道产水/停歇时间：7 min/1 min，过大的膜通量并不是系统的目标，而且还会导致不稳定的操作，一个良好运行的膜系统必须具有合理和稳定的通量，并且能耗尽可能低。
随着膜使用年限的延长，则MLSS需要降低，以减缓膜污染，延长膜的使用寿命。TMP/ MLSS、TMP/ MBR产水量、MLSS/ MBR使用年限，它们之间呈非线性关联，在生产实际运行中及膜清洗维护时应予以重视。
图4 MLSS与MBR使用年限关联图
4.4
廊道液位
各廊道液位应趋于平衡，否则造成液位低的廊道过度曝气，液位高的廊道吹扫擦洗效果差，甚至不曝气，加剧膜污染。
4.5
吹扫擦洗风机与产水泵联动
一旦膜池风机突然停运，产水泵一定要联动停运，否则短时间就会造成较为严重的膜污染，这是实践获得的宝贵经验。在今后自控设计中应充分重视，实现联动控制。
5MBR可持续的最大挑战（约束性条件）
5.1
膜通量下降引起的处理负荷降低
MBR出水量由膜通量决定，超负荷运行幅度小，膜通量下降会导致处理能力降低和单位水处理成本升高，这是在MBR应用中需要注意和解决的问题。
图5 2011-2017年度日均处理量
2013年处理量下降，是因为当年7·19遭遇百年不遇的强降雨导致盘龙江水倒灌进入厂区而停产一段时间所致。污水处理厂的流量会随雨季、旱季及管网情况而有所变化，膜通量显著下降意味着污水不能得到全部处理。面对此情况，可以采取设计留有余地、预留膜池、备用一定数量的膜组件、设置流量调节池、污水分流等措施。昆明四厂升级改造时膜池预留4个膜组器位置备用，因膜通量下降导致处理能力降低的片区污水通过张官营中转泵站，调配至第五水质净化厂处理，确保该片区污水全部得到处理。
5.2
MBR运行成本
污水处理厂运行费用包括能耗、污泥处置费用、药剂投加费、人工费、管理费、设备维修费及折旧费。MBR污泥量相对较少，可以部分减少污泥处置费。对于相对成熟的膜清洗维护，MBR清洗药剂经济成本并不算高。
表3 MBR膜清洗药剂耗用表 g/m3
药剂
2012年
2013年
2014年
2015年
2016年
次氯酸钠
7.0
9.8
8.0
15.65
19.51
氢氧化钠
0.09
0.147
0.1
0.24
0.34
柠檬酸
0.3
1
0.5
0.48
0.56
5.3
MBR工艺可持续的最大约束性条件
5.3.1 MBR膜使用寿命
现在膜厂商一般对膜的保用年限是5年，膜无论是使用5年、7年，还是更长时间，膜通量下降是必然趋势。按照《全国城镇污水处理厂节能减排绩效考核达标竞赛标准（试行）》规定，运行三年以上处理水量低于设计水量75%的单位不参加考核，也就是说，处理负荷低于75%将失去参加全国城镇污水处理厂节能减排绩效考核达标竞赛的资格。
5.3.2 MBR膜更换的经济成本
膜价格是整机系统价格，一般指装配好的、具有膜组件、内部管线和管件、阀门等，能投入使用的价格。膜价格因地区、订货量及组件的不同而有所不同。
膜组件因不同厂商的规格型号、外形尺寸各不相同，也互不通用，如更换另外厂商的膜就意味着整个膜系统随之更换，须根据膜厂商的规格型号与污水处理厂现场现状进行重新配置，所以目前国外膜知名厂商到实际使用地膜组件最终价格不会低于300元/㎡，据不完全了解，国内领先品牌的膜价格大约在170~280元/㎡之间，如按一般MBR工艺稳定平均膜通量为25L/（m2·h），一座处理规模为6×104m3/d的污水处理厂，膜面积约需10万㎡以上，到期如果全部更换膜需费用两三千万元。按技术经济学的观点，互相矛盾的多目标用最优化解决。要么更换新膜，要么更换回传统工艺，投入产出比的考量，是一个艰难的抉择，这才是MBR可持续的最大约束性（限制性）条件，或者说是最大劣势。
6结语
① MBR工艺出水水质达到再生水回用标准，充分合理地利用MBR工艺的再生水具有较好的环境效益与一定的经济效益和市场竞争力。
② 能耗高与出水水质好、占地小，两权相比取其优，况且通过优化运行，能耗还有进一步下降的空间，运行成熟的MBR工艺能耗一般可达0.46~0.56 kW·h/m3。
③ MBR膜清洗本质上并不复杂，但要注意合适的运行操作方式和应遵守必要的原则。
④ MBR可持续最大的约束条件是膜通量显著下降，处理负荷降低，使用到期更换膜的经济成本较大，而非能耗高、膜清洗困难等因素。
本文根据《中国给水排水》2017年14期的“昆明第四水质净化厂MBR工艺7年运行实践分析”一文整理，作者为杨学贵、肖晓文、孙雁、张亚宁
