膜生物反應(yīng)器（MBR）是一種由膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)相結(jié)合的新型水處理技術(shù)，主要由生物反應(yīng)器和膜組件組成，可用于MBR的膜類型有微濾膜（孔徑≥0.1µm）、超濾膜（孔徑<0.1µm）。生物反應(yīng)器主要降解有機物質(zhì)，膜組件是MBR的核心構(gòu)件。因MBR工藝具有出水水質(zhì)好、流程短、占地面積小、抗水質(zhì)沖擊性強、產(chǎn)泥率低等優(yōu)點，已成為污水處理廠擴容和提標(biāo)改造的主要技術(shù)手段，例如將原有二沉池等構(gòu)筑物改造成MBR膜池，就可在無新增用地情況下同步實現(xiàn)擴容和提標(biāo)的雙重目標(biāo)，特別是可將出水一級A標(biāo)準(zhǔn)提升至地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。
目前，國內(nèi)采用MBR工藝處理市政污水總規(guī)模已超過2000×104m3/d，應(yīng)用范圍涵蓋新建項目和改造項目、地上和地埋式污水處理廠。例如，2010年建成的廣州市京溪污水處理廠是我國首座采用MBR工藝的全地埋式市政污水處理廠，設(shè)計規(guī)模為10.0×104m3/d。2015年建成的北京市槐房污水處理廠是國內(nèi)MBR單體處理規(guī)模最大的污水處理廠，設(shè)計規(guī)模為60×104m3/d。
1、MBR膜應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
MBR被廣泛應(yīng)用于各類污水處理工程中，并取得了良好的處理效果，但在以往應(yīng)用過程中也暴露出明顯的缺點，例如膜運行能耗較高、膜使用壽命偏短等。有研究表明，MBR膜系統(tǒng)的運行能耗約占整個污水處理廠的50%~70%，而MBR膜系統(tǒng)最大能耗來自膜擦洗曝氣環(huán)節(jié)，其能耗通常占MBR膜系統(tǒng)能耗的70%以上。運行電費與氣水比成正比，行業(yè)內(nèi)較多膜產(chǎn)品的曝氣氣水比為（8~12）∶1，約為好氧池曝氣氣水比的2倍。何曉衛(wèi)在昆明某污水處理廠開展MBR工藝節(jié)能技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)MBR工藝污水處理廠能耗較高，其中88.1%來源于電耗，而電耗的63.0%用于鼓風(fēng)曝氣。此外，膜工藝的抗水量沖擊負(fù)荷能力較差，由于膜的最大通量往往是一個定值，超過此數(shù)值后，跨膜壓差（TMP）會急劇增大，引起嚴(yán)重的膜污染，出水水質(zhì)也會變差，因此不能通過更大的流量。
隨著國內(nèi)外膜材料和膜應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，MBR膜的可持續(xù)膜通量、使用壽命、運行成本和耐污染性等指標(biāo)都得到大幅提升。近年來，MBR膜孔徑也呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，歐洲和北美地區(qū)MBR超濾膜逐步完成了對微濾膜的全面替代，國際主流的MBR產(chǎn)品也普遍采用孔徑≤0.05µm的超濾膜，例如威立雅的MBR膜孔徑為0.04µm，Koch和Supratec的MBR膜孔徑均為0.03µm。隨著超濾膜的普及，歐美市場市政污水MBR膜的平均使用壽命從5年提升到12.5年。近年來，國內(nèi)主流MBR膜產(chǎn)品膜孔徑也呈逐步減小的趨勢，例如碧水源MBR膜產(chǎn)品已經(jīng)從第一代發(fā)展到第四代，膜孔徑從最初的0.4µm縮小到0.2µm，直至最新第四代的0.1µm。
膜孔徑的大小，對于MBR可持續(xù)的膜通量至關(guān)重要，進而會影響膜化學(xué)清洗成本和膜壽命。膜孔徑影響可持續(xù)膜通量的機理在于孔徑大小決定了細菌進入膜孔內(nèi)的概率。通常細菌的尺寸>0.2µm，在膜產(chǎn)水泵負(fù)壓抽吸過程中，部分細菌尺寸會收縮至0.06~0.08µm，因此對于膜孔徑較大的微濾膜，細菌會進入膜孔，在膜孔內(nèi)繁殖甚至堵塞膜孔，即使化學(xué)清洗也不能完全清除，造成膜產(chǎn)生不可恢復(fù)的通量衰減，降低了膜使用壽命。而對于孔徑不超過0.05µm的小孔徑超濾膜，細菌難以進入膜孔內(nèi)部，只是在膜孔表面聚集，通過膜曝氣和化學(xué)清洗可以去除，因此膜通量衰減慢、膜使用壽命長。此外，即使膜濾過程中膜表面會有濾餅層保護，對細菌等微生物有攔截作用，但在膜曝氣和反洗過程中濾餅層易遭到破壞，出現(xiàn)膜表面裸露，對微濾膜而言這是細菌容易進入膜孔內(nèi)的“窗口期”。
早期之所以MBR市場的膜產(chǎn)品以微濾膜為主，主要受制于當(dāng)時的制膜水平，超濾膜的開孔率不高，因此膜通量低，缺少經(jīng)濟性。微濾膜由于膜孔徑大，初期通量高，但問題在于細菌容易進入微濾膜膜孔，造成膜通量衰減和使用壽命縮短。隨著高開孔率超濾膜進入市場，MBR膜的這一關(guān)鍵痛點問題也得到解決。微濾膜和超濾膜電鏡照片見圖1。
隨著產(chǎn)品性能的提升，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也在變化，《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50014—2021）中處理生活污水的MBR設(shè)計平均膜通量提高到15~25L/（m2·h），這意味著同樣的污水處理量，膜的使用面積減少，即提高了膜應(yīng)用效率，有助于降低MBR的建設(shè)成本。
在膜運行能耗方面，關(guān)鍵是如何減少膜擦洗的氣水比，而膜擦洗氣水比與膜擦洗的曝氣形式、運行膜通量和膜組件裝填密度等三個因素相關(guān)。隨著節(jié)能脈沖曝氣器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的穿孔管曝氣以及膜通量提高，近些年膜擦洗氣水比也在大幅降低。目前，在一些新投產(chǎn)的市政生活污水MBR污水處理廠項目中，國際一線品牌MBR產(chǎn)品的曝氣氣水比已低至3∶1~4∶1，國產(chǎn)一線品牌MBR產(chǎn)品的曝氣氣水比可達到5∶1~6∶1。在國家提出“雙碳”目標(biāo)的政策背景之下，節(jié)能降耗已成為污水處理廠建設(shè)的關(guān)注重點。根據(jù)中國膜工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《“領(lǐng)跑者”標(biāo)準(zhǔn)評價要求-膜生物反應(yīng)器》（T/ZGM004—2021，T/CSTE0051—2021），MBR中空纖維膜推薦氣水比≤6∶1。
對于工業(yè)廢水，由于膜通量的設(shè)計取值通常低于市政生活污水，因此，相同處理量時工業(yè)廢水MBR的擦洗氣水比會比市政生活污水高。
隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進，污水處理行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，甚至出現(xiàn)了以地表水“Ⅳ類”或“準(zhǔn)Ⅳ類”為排放標(biāo)準(zhǔn)的項目。在污水資源化的政策背景之下，傳統(tǒng)污水處理廠也在向再生水廠發(fā)展，例如宜興城市污水資源概念廠出水標(biāo)準(zhǔn)達到了COD<30mg/L、TN<3mg/L、TP<0.1mg/L，經(jīng)過處理再生的尾水除用于濕地外，部分還進一步深度處理到直飲水標(biāo)準(zhǔn)。MBR超濾膜若解決了運行成本高和通量易衰減的痛點，則具有較好的應(yīng)用前景，可同步實現(xiàn)污水處理設(shè)施擴容、提標(biāo)、污水資源化和溢流污染控制的多重目標(biāo)。
結(jié)合上海某工業(yè)園區(qū)污水處理廠MBR膜更換項目，介紹了小孔徑MBR超濾膜在該廠化工廢水處理中的應(yīng)用情況，并與所替換的微濾膜進行對比，重點分析運行膜通量、曝氣能耗和膜清洗成本的變化情況，以期為MBR超濾膜用于工業(yè)廢水處理廠項目提供借鑒。
2、項目應(yīng)用案例
2.1 項目背景
該工業(yè)園區(qū)污水處理廠現(xiàn)狀總規(guī)模為5.0×104m³/d，分為獨立運行的工業(yè)廢水和生活污水兩條工藝處理線，設(shè)計處理規(guī)模均為2.5×104m³/d，其中，工業(yè)廢水處理線的來水主要為化工廢水，處理工藝流程：廢水→粗格柵→提升泵站→細格柵→精細格柵→初沉池→調(diào)節(jié)池→兼氧酸化池、沉淀池→AAO池→MBR→臭氧接觸氧化→曝氣生物濾池→消毒池→達標(biāo)排放，設(shè)計出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)和《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978—1996）的一級標(biāo)準(zhǔn)，共23項指標(biāo)。設(shè)計8條MBR膜池廊道，每條膜池裝有8套MBR膜組器，共計64套膜組器。設(shè)計進、出水水質(zhì)見表1。
該工程于2016年建成并投入使用，工業(yè)線2.5×104m³/d的MBR膜原采用某國產(chǎn)一線品牌孔徑為0.1µm的微濾膜，運行3年多后又更換過一次原廠家的微濾膜，每次微濾膜更新后使用壽命只能維持3年多。2023年初，該廠將原微濾膜更換為某國際一線膜品牌的孔徑為0.03µm的超濾膜，并對膜池的曝氣風(fēng)管加裝風(fēng)量流量計及上位機自控程序調(diào)整優(yōu)化，以滿足該廠的長效穩(wěn)定運行要求。
2.2 膜更換方案
在更換超濾膜前，工業(yè)廢水處理線的微濾膜已運行3年多，存在的主要問題是膜產(chǎn)水量下降，比設(shè)計規(guī)模減產(chǎn)30%以上，且運行TMP均達到50kPa以上。
本次換膜采用一一替換方式，即換膜前后膜組器數(shù)量不變，并利用原有膜池安裝導(dǎo)軌。由于新更換的超濾膜為國際一線品牌產(chǎn)品，開孔率高、孔徑為0.03µm，膜通量比原微濾膜大，因此雖然膜組器數(shù)量保持不變，但更換新膜后單個膜組器的膜面積少于原微濾膜，超濾膜總的安裝面積比原微濾膜減少35%。
超濾膜運行1年后的數(shù)據(jù)與原微濾運行1年和3年后的數(shù)據(jù)對比見表2。
2.3 運行效果分析
2.3.1 產(chǎn)水量和TMP
工業(yè)廢水處理線MBR系統(tǒng)換膜改造后，MBR膜池單廊道曝氣風(fēng)量約800~900m3/h，估算氣水比為6∶1~7∶1，膜池MLSS為12~15g/L。
換膜前，工業(yè)廢水處理線MBR系統(tǒng)每個膜池的平均產(chǎn)水量已不足100m3/h，且TMP均達到50kPa以上，間隔2~3個月需進行一次離線清洗，平均處理能力不足1.5×104m3/d。換膜改造后，工業(yè)廢水處理線MBR系統(tǒng)每個膜池的產(chǎn)水量均能穩(wěn)定達到150m3/h，且TMP穩(wěn)定在10kPa以內(nèi)，運行1年尚未進行離線化學(xué)清洗，MBR系統(tǒng)處理能力穩(wěn)定達到甚至超過設(shè)計水量（2.5×104m3/d），保障了污水處理廠的穩(wěn)定運行。
以連續(xù)監(jiān)測的7#、8#膜池廊道為例，膜池在更換安裝完成并通水調(diào)試投運后1年多時間里，整體運行正常平穩(wěn)，未進行離線恢復(fù)性化學(xué)清洗，處理水量、出水水質(zhì)均滿足設(shè)計要求。圖2為7#和8#膜池運行過程中TMP和膜通量隨時間的變化，可見隨著實際進水流量的波動，MBR超濾膜的瞬時通量為15~20L/（m2·h），即使在冬季膜池水溫較低的情況下，TMP也均穩(wěn)定在10kPa以下。
與初始運行數(shù)據(jù)相比，MBR超濾膜連續(xù)運行12個月后，其TMP波動變化整體較為平穩(wěn)，沒有發(fā)生明顯增長現(xiàn)象，表明膜未發(fā)生污堵，運行狀態(tài)良好。其余1#~6#膜池投運后，雖然沒有進行數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測，但抽樣運行數(shù)據(jù)與7#、8#膜池廊道運行數(shù)據(jù)基本一致。
2.3.2 能耗
MBR工藝最大能耗占比來自膜擦洗曝氣環(huán)節(jié)，本次換膜改造后，每兩個膜池廊道共用一個新安裝的空氣流量計以監(jiān)測膜池的曝氣風(fēng)量強度，換膜改造前后產(chǎn)水量、曝氣風(fēng)量和氣水比的對比如表2所示。由于本次改造仍利用原有鼓風(fēng)機，鼓風(fēng)機已運行至可變頻風(fēng)量的下限，難以再調(diào)低風(fēng)量，因此實際運行氣水比（6∶1~7∶1）超出了實際需要的氣水比（5∶1~6∶1），與換膜前相比，氣水比（噸水曝氣能耗）降低約40%。
2.3.3 膜清洗成本
膜清洗成本是MBR工藝運行成本的重要組成部分，包括在線維護性清洗和離線恢復(fù)性清洗。換膜后，由于膜性能的改進和清洗藥劑的優(yōu)化，系統(tǒng)清洗周期延長，因此清洗成本顯著降低。表3為換膜前后化學(xué)清洗藥劑成本和人工勞務(wù)成本，換膜改造后次氯酸鈉清洗（簡稱堿洗）用藥量比換膜前節(jié)省約226.4m3/a，因在線酸洗采用檸檬酸，其價格比鹽酸高，核算總的清洗藥劑成本費用，換膜后僅節(jié)省約0.71萬元/a，但離線清洗周期長，人工勞務(wù)費用節(jié)省約20.8萬元/a，換膜改造后測算膜清洗可節(jié)省總的成本費用約21.51萬元/a，降低約44%。
3、結(jié)論與建議
上海某工業(yè)園區(qū)污水處理廠MBR系統(tǒng)采用超濾膜改造后，污水處理能力由原來的不足1.5×104m3/d提高至設(shè)計處理能力2.5×104m3/d及以上，運行膜通量達到15~20L/（m2·h）時，運行TMP也可穩(wěn)定在10kPa以下，離線化學(xué)清洗間隔也提高到1年以上，滿足生產(chǎn)需求。在風(fēng)機運行頻率不變的情況下，氣水比由原來的10∶1~12∶1降至6∶1~7∶1，核算噸水電耗降低約40%。化學(xué)清洗成本節(jié)省約21.51萬元/a，相較換膜前降低約44%。
改造設(shè)計和運行結(jié)果表明，相較于常規(guī)微濾膜，MBR超濾膜能夠在保證水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)的情況下，以較高的可持續(xù)膜通量運行且TMP較低，顯著提高了系統(tǒng)的抗水量沖擊性能。同時，MBR超濾膜又能降低氣水比和離線恢復(fù)性清洗頻次，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，為MBR超濾膜工藝在污水處理廠提標(biāo)改造工程的設(shè)計和運行提供了成功范例。在污水處理標(biāo)準(zhǔn)逐步提高和鼓勵污水資源化利用的政策背景下，MBR超濾膜工藝因其出水水質(zhì)好、流程短、占地面積小、抗水質(zhì)沖擊負(fù)荷強的優(yōu)點以及可同步實現(xiàn)污水處理設(shè)施擴容、提標(biāo)、污水資源化和溢流污染控制目標(biāo)的特點，具有較好的應(yīng)用前景，建議進一步開展相關(guān)應(yīng)用研究。（來源：上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院<集團>有限公司，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，上海世浦泰新型膜材料股份有限公司，上海世浦泰膜科技有限公司）
