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基于低碳节能的城镇污水处理厂MBR工艺设计要点

发布于：2022-08-11 09:18:11 来自：环保工程/环保大厅 [复制转发]

基于低碳节能的城镇污水处理厂 MBR工艺

设计要点

摘要： MBR具有污染物去除效率高、耐冲击负荷强、出水水质好和占地面积省等诸多优势，随着MBR膜材料和膜应用技术的进步，MBR工艺运行能耗较高的痛点也得到了大幅改观。在当前“双碳”背景之下，对城镇污水处理厂MBR工艺设计中影响到污水厂运行能耗和投资的设备选型、设计参数选择和处理工艺优化等方面进行逐项分析，并提供建议和推荐方案。

背景情况

膜生物反应器（简称 MBR）工艺是污水处理中重要的工艺技术路线之一，具有污染物去除效率高、耐冲击负荷强、出水水质好和占地面积省等诸多优势，在当前推进“污水资源化利用”和“城市节水”政策背景下，MBR工艺的优势将会进一步增强，具有非常好的应用前景。

在另一方面， MBR工艺投资成本较高、运行能耗较高、膜使用寿命较短等传统痛点，随着近些年来膜价格的显著下降以及膜材料和膜应用取得重大技术进步而发生了明显的改观。

在当前 “双碳”背景之下，要实现MBR工艺污水处理厂的节能运行，关键在于降低MBR系统的运行能耗，特别是膜吹扫曝气的能耗，在这个关键点上行业已取得了重大的技术突破。随着MBR膜技术的整体进步，相关的标准和规范也对MBR膜相关的设计参数做了相应调整或新增规定，更科学的反映行业的现实水平。而在MBR工艺污水处理厂的工程设计中，较多设计单位有较强的设计惯性，习惯于沿用产品更新换代前的早期较为落后的MBR膜的技术参数，设计的过于保守，例如过低的膜通量取值等，造成工程投资和运行成本均过高。

本文主要从工艺设计角度，结合 MBR膜产品当前行业的实际水平和现行标准规范，论述关于城镇污水处理厂MBR系统的设备选型和技术参数选择等方面的设计要点。

膜类型

MBR膜从膜元件类型分类，可分为中空纤维膜和平板膜。在国内已建的MBR工艺城镇污水处理厂项目中，中空纤维膜的应用处理规模占比超过90%，平板膜的应用处理规模占比不超过10%。

图 1 常见的MBR膜类型

中空纤维膜与平板膜作为城镇污水处理厂MBR工艺的主要类型，各有优缺点，下表以处理规模5万m ³ /d的城镇污水处理厂的MBR膜进行对比分析：

表 1 中空纤维膜与平板膜比较

（以处理规模5万m ³ /d的城镇污水处理厂为例）

从上表1可以看成，中空纤维膜相比平板膜，装填密度高、膜池占地面积小、采购成本低、运行成本低，这些优势都是促成国内处理规模较大的城镇污水处理厂大多采用中空纤维膜的主要原因。在膜运行成本最大的膜吹扫曝气的能耗方面，根据中国膜工业协会《“领跑者”标准评价要求膜生物反应器组器》（后简称膜工业协会标准），中空纤维膜的膜吹扫气水比指标的先进水平为≤6Nm ³ /m ³ ，而刚性平板膜的气水比指标的先进水平为≤12Nm ³ /m ³ 。由此可看出，刚性平板膜的膜吹扫运行能耗是中空纤维膜的两倍左右，对于运行能耗非常敏感的城镇污水处理厂这点尤为关键。

中空纤维膜虽然抗毛发纤维能力不如平板膜，但通过污水厂的预处理设置孔径不大于 1mm的膜格栅可以化解这个问题。

对于处理规模较大的城镇污水处理厂，从投资和运行成本角度，宜优先考虑采用中空纤维膜。

膜材质

MBR膜从材质分类，常见材质有PVDF、PES、PTFE、C-PVC、陶瓷等。在国内已建的MBR工艺城镇污水处理厂项目中，PVDF材质膜的应用占比超过95%，其他材质合计占比不超过5%。

对 MBR膜主要材质的对比分析详见下表所示：

表 2 MBR膜各材质比较

从上表分析可看出， PTFE 材质的化学稳定性好，耐酸碱能力强，在垃圾渗滤液以及一些特殊工业废水的应用领域优势明显，但在城镇污水处理领域，化学清洗的频次远少于垃圾渗滤液及特殊工业废水行业，其化学稳定性的优势并不能得到充分发挥。而另一方面， PTFE 材质由于自身分子量较大，难以制成小孔，目前 PTFE 材质 MBR 膜的最小平均孔径只能做到 0 .1 微米，孔大无法有效截留细菌，细菌会在膜孔通道内筑巢繁殖，堵塞膜孔，造成膜通量不可逆的衰减，而且孔大的膜化学清洗药剂成本高；此外， PTFE 材质亲水改性成本比其他材质高很多，且亲水改性后的 PTFE 材质亲水性也不如 PVDF 和 PES 材质，而且随着膜使用年限增加亲水性退化幅度大； PTFE 材质的亲水需要通过高成本的磺化改性，膜的制造成本高，其市场售价高出 PVDF 材质膜 3 0% 以上。

综上所述，对于处理规模较大的城镇污水处理厂，从投资和运行成本角度，宜优先考虑采用 PVDF 材质的 MBR 膜。

膜孔径

MBR膜从膜孔径分类，分为超滤膜和微滤膜，孔径小于0.1微米的为超滤膜，孔径大于等于0.1微米的微滤膜。目前国内市场的应用情况是，超滤膜与微滤膜目前处于并存状态，但超滤膜的应用占比呈增加趋势。

图 2 超滤与微滤图谱

目前市场主流MBR膜产品为公称孔径小于等于0.05微米的超滤膜和公称孔径大于等于0.1微米的微滤膜，下面以处理规模5万m ³ /d的城镇污水处理厂为例，对膜孔径进行对比，详见下表所示：

表 3 膜孔径比较

（以处理规模5万m ³ /d的城镇污水处理厂为例）

综上所述，虽然微滤膜的首次采购成本比超滤膜略低，但超滤膜在膜化学清洗和消毒方面所节约的药剂费用一年多即可弥补膜的差价。此外，超滤膜使用寿命长于微滤膜，换膜成本低于微滤膜；超滤膜的全生命周期的成本会显著低于微滤膜，故对于处理规模较大的城镇污水处理厂，工艺设计宜优先采用公称孔径不超过 0.05微米的超滤膜。

膜通量

膜通量是 MBR工艺设计中最关键的参数之一，其取值的高低直接关系到膜系统投资成本和膜运行成本。

由于早期MBR膜产品的品质不佳，且膜孔径大，膜通量易衰减，城镇污水处理厂MBR工艺的常用平均膜通量范围10～15L/(m ² ·h)。

随着近些年膜材料技术的快速进步，能够制造出孔径小、孔径均匀且开孔率高的 MBR膜，膜的通量已大幅提升，且衰减幅度大幅减少，已具备采用更高设计膜通量的基础条件。

5.1平均膜通量

2021年10月开始实施的国家标准《室外排水设计标准》（后简称国家标准）（GB50014-2021）和中国建设标准化协会标准《膜生物反应器城镇污水处理工艺设计规程》（后简称规程）（T/CECS152-2017）均规定：浸没式膜生物反应器平均通量的取值范围宜15～25L/(m ² ·h)。这个设计范围应该是对MBR膜产品进行经过过充分调研的基础上得出，与当前市场的MBR膜产品性能水平基本相符，目前，国产优质品牌MBR膜在生活污水中的平均通量能够达到15～20L/(m ² ·h)，进口品牌的MBR膜在生活污水中的平均通量能够达到22～25L/(m ² ·h)，甚至部分国际一线品牌的平均膜通量可以达到28L/(m ² ·h)以上。

此外，膜工业协会标准对MBR中空纤维膜的平均膜通量进行了评价分级，平均水平≥15L/(m ² ·h)，先进水平≥18L/(m ² ·h)。

5.2峰值膜通量

关于膜的峰值通量，国家标准无明确规定，但规程中规定，宜按临界通量的80～90%取值。而各厂家膜的临界通量差异较大，国际一线品牌膜的临界通量有的甚至超过60L/(m ² ·h)。

根据国家标准，污水处理厂的污水量变化系数相比上一版标准有较大增加，新标准总变化系数如下表所示：

表 4 新标准的综合生活污水量总变化系数

欧美部分发达国家因为有较多的合流制排水系统，污水处理厂雨季设计流量往往是晴天流量的两倍甚至更多，且很多厂雨季流量全部进入生化处理系统，其雨季峰值膜通量一般控制在40～50L/(m ² ·h)，最高不超过55L/(m ² ·h)。

对于峰值通量的持续时间，规程规定以峰值流量或强制流量运行的时间，每天累计不宜超过 4h，单次不宜超过2h。

5.3设计膜通量的选择

在设计膜通量的选择上，需要充分了解拟采用的 MBR膜产品的性能，并依据标准及规程，选择合理的设计膜通量。

对于处理规模较大的城镇污水处理厂较少有设置调节池的，未设置调节池的污水厂，需要在设计膜通量取值上根据处理规模对应的总变化系数选择合理的设计膜通量。下面以处理规模1、2、3、5、10万m ³ /d的城镇污水处理厂为例，进行设计膜通量的选择，详见下表：

表 5 设计膜通量选择

综上所述，在城镇污水处理厂的设计膜通量的取值上建议按照国家标准和规程的取值范围，平均膜通量不宜取值低于15L/(m ² ·h)，否则会造成设备投资和膜池土建投资的浪费，也会造成膜吹扫气量的增加，从而导致鼓风机投资增加和运行成本的增加。

膜吹扫曝气形式及莫吹扫气水比

常用的 MBR膜吹扫曝气形式有大气泡脉冲曝气和穿孔管曝气，其中，穿孔管曝气为最传统的膜吹扫曝气形式，但由于其对于吹扫气量的需求大、风机运行能耗高等问题，随着膜应用技术发展，又出现了大气泡脉冲曝气形式，可大幅降低膜系统的运行能耗，并且大气泡脉冲曝气形式已经规模化应用有10年多时间。

图 3 常用的 MBR膜吹扫曝气形式

以处理规模5万m ³ /d的城镇污水处理厂为例，MBR膜吹扫曝气形式的比较详见下表所示：

表 6 MBR膜吹扫曝气形式比选

（以处理规模5万m ³ /d的城镇污水处理厂为例）

综上所述，虽然采用穿孔管曝气形式的膜组器的首次采购成本比脉冲曝气器的膜组器略低，但脉冲曝气器的冲刷效果好，使得膜抗污堵能力增强，而且可以可节能 50%左右，所节约的膜吹扫鼓风机一年左右的运行电费即可弥补采购价格的差价。

在当前国家“双碳”的政策背景之下，节能降耗作为污水处理厂建设的重要关注点。根据膜工业协会标准，MBR中空纤维膜吹扫推荐气水比≤6Nm ³ /m ³ ，而采用传统的穿孔管曝气形式则无法实现气水比≤6Nm ³ /m ³ 。

因此，在城镇污水处理厂工艺设计中膜吹扫曝气形式宜采用节能的大气泡脉冲曝气器，设计膜吹扫气水比≤6Nm ³ /m ³ 。

膜丝强度

对于中空纤维膜，膜丝拉伸强力是反映膜丝强度的关键指标。

早期的 MBR中空纤维膜不带衬，膜丝拉伸强力小于10N，很容易断丝，断丝多了会影响出水水质和产水能力。

当前 MBR中空纤维膜绝大部分都是采用带内衬的膜丝，膜丝拉伸强力范围200~700N，膜丝的断丝概率大幅下降，膜的耐受污泥浓度得到了较大幅度提高。

因此，在城镇污水处理厂 MBR工艺设计中，中空纤维膜的膜丝拉伸强力指标不宜低于200N。

膜池污泥浓度

膜池污泥浓度取值不仅关系到了膜本身，在膜池混合液回流比一定的条件下，膜池污泥浓度与生化池污泥浓度呈正比关系，膜池污泥浓度越高，生化池污泥浓度越高。

从生化系统的工艺设计角度，希望膜池和生化池设计较高的污泥浓度，这样生化池的设计池容可减少或是可以提高泥龄和抗冲击负荷能力。但膜池的设计污泥浓度同时需要考虑到膜自身的耐受污泥浓度范围和膜污染情况。

早期的 MBR膜膜丝强度低、膜抗生物污染性能也较差，因此，设计膜池污泥浓度范围一般为6～10g/L。而目前MBR工艺基本采用带内衬的中空纤维膜，耐受污泥得到了大幅提升，有的MBR中空纤维膜甚至耐受污泥浓度接近20g/L。此外，由于膜孔径做的更小，孔径控制的更均匀，膜耐生物污染性能也得到了提升。在城镇污水处理厂MBR工艺的膜池最佳取值范围为10～12g/L。

处理工艺优化

要实现 MBR工艺污水处理厂的低碳节能目标，除了以上所提到的与MBR膜相关的选型和性能参数的选择外，系统的处理工艺设计也非常重要，存在优化的空间。

下图 4和5为常用的典型MBR工艺污水处理厂工艺流程图：

图 4 典型AAO-MBR工艺

图5 典型两级AO-MBR工艺

以上典型MBR处理工艺，从功能角度看没有问题，但从运行能耗角度看，共有三级回流，能耗较高，比传统的非膜工艺（如A ² O、Bardenpho等工艺）多了一级回流。此外，这种逐级回流方式，会出现厌氧池、缺氧池、好氧池的污泥浓度往前依次的浓度递减。

近些年， MBR工艺也出现了较多的工艺优化和创新，其中以下图6为代表的改良型两级AO-MBR工艺，整个系统只有一级回流，可节约运行能耗，同时还可减少回流泵的设备投资。此外，两级AO的形式和MBR的长泥龄特征，系统的脱氮效果好。

图 6 改良型两级 AO-MBR工艺

结论

基于低碳节能要求的城镇污水处理厂 MBR工艺设计要点总结如下：

1）合理进行设计膜通量的取值，按照国家标准和规程，设计平均通量的取值范围15～25L/(m ² ·h)。不宜取低于15L/(m ² ·h)的设计平均膜通量。

2）膜吹扫曝气形式宜采用更加节能的大气泡脉冲曝气，设计膜吹扫气水比宜≤6Nm ³ /m ³ 。

3） MBR膜宜选用膜孔径≤0.05微米的PVDF材质的中空纤维膜，膜丝拉伸强力不宜低于200N。

4）膜池污泥浓度最佳取值范围为10～12g/L。

5）处理工艺宜采用脱氮效果好、运行能耗低的改良型两级AO-MBR工艺，生化系统及膜池只有一级回流。

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