摘要

昆明市第四水質凈化廠將ICEAS工藝改造為MBR工藝，最大限度地利用了原有構筑物，占地面積小，出水水質達到再生水回用標準。分析了MBR內部配水、曝氣、回流、節能降耗優化情況，MLSS、TMP與MBR使用年限及產水量之間的平衡關聯，總結了膜清洗及維護的經驗和教訓，指出膜清洗本質并不復雜，MBR工藝可持續的最大約束性條件是使用到期時更換膜的經濟成本相對較大。

楊學貴（1965-），男，云南昆明人，大學本科，主要從事污水處理運行管理工作，現任昆明市第四水質凈化廠副廠長。

1 升級改造前后設計參數及運行情況

昆明市第四水質凈化廠（以下簡稱昆明四廠），原名昆明市第四污水處理廠，位于市區北部、盤龍江東岸、油管橋附近，占地2.4 hm2，于1997年5月投入運行，處理北二環以南，虹山以東，圓通山、火車北站以北，東二環以西的城市生活污水，服務面積13.20 km2，服務人口28.8萬人。

1.1

ICEAS工藝流程

昆明四廠原采用ICEAS工藝，出水水質執行一級B標準。為使出水水質穩定達到一級A標準，需進行升級改造成。

圖1 IECAS工藝流程

1.2

提標升級改造MBR工藝

ICEAS工藝是常用的活性污泥法中占地面積較小的一種工藝形式，昆明四廠在占地面積無法擴大、無場地另建構筑物的情況下，要提升出水水質，滿足區域水環境的要求，再增加深度處理構筑物與設施就變得困難，因此充分利用原有工藝及設施成為選擇工藝的一個重要考慮因素。

2010年4月，昆明四廠進行MBR工藝升級改造，設計處理規模為6×104m3/d，同年9月開始運行，出水水質執行一級A標準。當時是云南首家運行MBR工藝的較大規模污水處理廠。

表1 MBR工藝設計進、出水水質（單位：mg/L）

項目	COD	BOD5	SS	TN	NH3-N	TP
設計進水值	360	220	300	45	35	6
排放水質要求	30	6	10	10	1.5	0.3
一級A標準	50	10	10	15	5	0.5

圖2 MBR系統工藝流程

昆明四廠在升級改造過程中主要構筑物沒有改變，最大限度地利用了原有構筑物，將原ICEAS生化反應池改造為MBR生反池及膜池，新建構筑物只有污泥脫水泥餅柜，更多的是更換設備。

圖3 MBR工藝升級工程平面圖

1.3

AAO+MBR內部系統

昆明四廠提標升級改造以AAO+MBR工藝為核心，系統的配水、回流、曝氣流程可概括為：單點進水、兩段好氧、三級回流，后置變化區，MBR過濾出水。

每個組合生化池由原廠的ICEAS生反池改造而成，改造后分南、北2個系列，每個系列6個廊道，共12個廊道（包括組合生化池、MBR池），各自獨立運行，結構和尺寸都一樣，依次為厭氧池、缺氧池、好氧Ⅰ段、好氧Ⅱ段、變化池、膜池。好氧區設置DO、MLSS在線檢測儀、靜壓式液位計等在線監測儀表。

通過調節六角配水井堰板，對各廊道進行配水，每一廊道各區之間通過潛水推進器（攪拌器）來循環混合液，攪拌器可以在30°～150°方位調節。三級回流各自通過變頻器調節回流量。

2 出水水質

系統出水水質穩定，優于一級A標準。2016年出水水質數據顯示，出水BOD5、COD、SS較穩定， TN受季節影響，冬季1月—2月偏高，夏季最低。

表2 2016年出水水質

項目	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

昆明四廠MBR工藝運行7年，出水水質基本未因膜的使用年限長而受到影響，在未投加碳源的情況下，投加鐵源輔助除磷。實際常采用前置、同步、后置三種除磷方式。采用FeSO4·7H2O前置除磷，投加地點在轉鼓格柵后、生反池前，投加濃度8%～10%，投藥量為10～30 mg/L，既能減少后續生物處理負荷，不損傷膜，又達到除磷效果，出水TP控制在0.20㎎/L以下，根據水量、進出水TP濃度，調控投加量。

MBR 工藝對COD、NH3-N、TP、TN和SS的去除率，出水色度和清澈度等物理外觀特征明顯，出水濁度＜1 NTU，各項出水指標優于一級A標準，近年來出水TN＜8 mg/L。MBR生化池的生物段能形成良好的DO梯度并維持較高的MLSS和較長的SRT，因此對TN有更好的去除效果。

2011年—2017年7年運行數據顯示，出水水質滿足《城市污水再生利用 城市雜用水標準》(GB/T 18920-2002)和《城市污水再生利用 景觀環境用水水質標準》(GB/T 18921-2002)，除TN外，其余出水BOD5、COD、TP、NH3-N等項指標滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)Ⅲ類標準。MBR出水水質波動較小，說明生化池高MLSS可保證生物降解的穩定性，提高系統的抗沖擊能力，對污染物的去除率保持在較高水平。MBR出水作為再生水回用具有良好的發展前景。

3 運行能耗

MBR工藝采取脈沖曝氣、循環曝氣、精確曝氣以及其他多種措施來解決能耗高的問題。通過不斷優化運行，昆明四廠2014、2015年MBR工藝能耗由2011年的0.606 kW·h/m⊃3;分別降到約0.47、0.49 kW·h/m⊃3;，降耗19%。2011年—2016年平均能耗為0.5463 kW·h/m⊃3;，與傳統工藝平均能耗0.29 kW·h/m⊃3;相比高88.4%。2016年能耗有所升高是因膜通量衰減，處理量減少，單位能耗相對上升。MBR通過優化運行，節能降耗尚有一定空間。

3.1

原膜池與生反池風機的運行狀況

自2010年9月MBR升級改造完成后，膜池吹掃擦洗風機開啟兩臺,單機功率355kW，單機運行風量為17500m3/h，膜池DO達到6~8mg/L。生化池使用一臺曝氣風機，功率315kW，風量為7500m⊃3;/h，因生化池風機選型過大，風量過剩，在實際生產過程中，只要有三個廊道變化池（實際運行為缺氧池）DO＞1mg/L，該段的回流液回流到缺氧池，因DO過高而干擾缺氧池的脫氮，導致出水TN偏高，這部分多余的DO就分流至污泥濃縮池，在能耗上造成了一定的浪費。

3.1.2 生反池與膜池之間設置連通閥門

生化池和膜池風分別為0.055、0.05 MPa，這從客觀上為生化池多余的風量輸送到膜池創造了可能。在生化池風機管道和膜池吹掃風機管道之間設置連通閥門，將生化池富余的風量調節到膜池，膜池開啟風機減為一臺，充分利用膜池高DO回流至好氧池，既保證對膜的吹掃擦洗效果，又節能降耗，降低出水TN。

4 膜系統清洗維護

對于PVDF中空纖維膜組件，膜清洗主要包括反沖洗、在線清洗（維護性化學清洗）和離線清洗（恢復性清洗）。MBR膜清洗本質上并不復雜，但也有一些必須注意的運行操作方式、預處理優化等應遵守的原則。昆明四廠在實踐中總結出較為系統的MBR膜三級清洗維護方法。

4.1

預處理

昆明四廠預處理階段設置有三道格柵：柵隙為20 mm的粗格柵、柵隙為5 mm的細格柵、柵隙為1 mm的超細轉鼓格柵，超細轉鼓格柵是防止毛發等纖維類物質纏繞在膜絲上造成膜污染與膜損害、堵塞設置的。根據昆明四廠實際運行經驗，網狀超細轉鼓格柵對纖維類物質的去除效果不理想，后改為1 mm孔徑超細轉鼓格柵，效果較好。建議采用圓孔徑超細格柵作為今后設計中的另一個選擇。

4.2

MLSS

一般認為，隨著運行時間的延長，反應器內MLSS會逐漸提高，隨著MLSS上升，膜通量會下降，會發生膜污染。在實際運行中，MLSS是可以調控的，昆明四廠MBR中空纖維膜反應器置于膜池中，膜池底部有排泥閥，可以通過泥泵將剩余污泥排至污泥濃縮池，再抽至離心脫水機進行污泥脫水。根據進出水指標變化、膜池混合液過濾性、膜的透水率及膜運行年限調控MLSS，隨MBR運行年限的延長將MLSS調控呈逐漸下降趨勢，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減少，TMP降低。在二者之間要找到一個合理的平衡點。

當MLSS較高時，污泥易在膜表面沉積，導致過濾阻力增加，膜通量降低；另一方面，當MLSS太低時，污泥對溶解性有機物的吸附和降解能力減弱，從而易被膜表面吸附形成凝膠層，導致過濾阻力增加，膜通量降低。

具體措施及要求是在確保出水水質達標的基礎上，盡量降低MLSS，降低TMP，減輕膜負荷及污染。一般MLSS可控制在5000-7000㎎/L，MLSS不低于3000㎎/L，過低的MLSS，出水TN升高，也會加劇膜污染，一般冬季MLSS高于夏季MLSS，新使用的膜MLSS＞使用年限較長的膜MLSS。

4.3

跨膜壓差（TMP）及運行

昆明四廠膜壓差控制范圍是-35～0 kPa，超過-35 kPa建議進行化學清洗。

TMP絕對值越大，說明膜污染越嚴重，產水量就會受到限制，實踐中，清洗只是在需要時進行，昆明四廠每天監測TMP，根據TMP進行洗膜，一般情況超過-20 kPa進行清洗，不建議TMP運行到-35 kPa時才進行清洗。

一般的MBR系統可采用恒壓控制或恒流控制兩種方式，昆明四廠則是綜合運行，即在TMP≤-20 kPa的限制條件下，恒流量運行，各廊道產水/停歇時間：7 min/1 min，過大的膜通量并不是系統的目標，而且還會導致不穩定的操作，一個良好運行的膜系統必須具有合理和穩定的通量，并且能耗盡可能低。

隨著膜使用年限的延長，則MLSS需要降低，以減緩膜污染，延長膜的使用壽命。TMP/ MLSS、TMP/ MBR產水量、MLSS/ MBR使用年限，它們之間呈非線性關聯，在生產實際運行中及膜清洗維護時應予以重視。

圖4 MLSS與MBR使用年限關聯圖

4.4

廊道液位

各廊道液位應趨于平衡，否則造成液位低的廊道過度曝氣，液位高的廊道吹掃擦洗效果差，甚至不曝氣，加劇膜污染。

4.5

吹掃擦洗風機與產水泵聯動

一旦膜池風機突然停運，產水泵一定要聯動停運，否則短時間就會造成較為嚴重的膜污染，這是實踐獲得的寶貴經驗。在今后自控設計中應充分重視，實現聯動控制。

5MBR可持續的最大挑戰（約束性條件）

5.1

膜通量下降引起的處理負荷降低

MBR出水量由膜通量決定，超負荷運行幅度小，膜通量下降會導致處理能力降低和單位水處理成本升高，這是在MBR應用中需要注意和解決的問題。

 

圖5 2011-2017年度日均處理量

2013年處理量下降，是因為當年7·19遭遇百年不遇的強降雨導致盤龍江水倒灌進入廠區而停產一段時間所致。污水處理廠的流量會隨雨季、旱季及管網情況而有所變化，膜通量顯著下降意味著污水不能得到全部處理。面對此情況，可以采取設計留有余地、預留膜池、備用一定數量的膜組件、設置流量調節池、污水分流等措施。昆明四廠升級改造時膜池預留4個膜組器位置備用，因膜通量下降導致處理能力降低的片區污水通過張官營中轉泵站，調配至第五水質凈化廠處理，確保該片區污水全部得到處理。

5.2

MBR運行成本

污水處理廠運行費用包括能耗、污泥處置費用、藥劑投加費、人工費、管理費、設備維修費及折舊費。MBR污泥量相對較少，可以部分減少污泥處置費。對于相對成熟的膜清洗維護，MBR清洗藥劑經濟成本并不算高。

表3 MBR膜清洗藥劑耗用表 g/m3

藥劑	2012年	2013年	2014年	2015年	2016年
次氯酸鈉	7.0	9.8	8.0	15.65	19.51
氫氧化鈉	0.09	0.147	0.1	0.24	0.34
檸檬酸	0.3	1	0.5	0.48	0.56

5.3

MBR工藝可持續的最大約束性條件

5.3.1 MBR膜使用壽命

現在膜廠商一般對膜的保用年限是5年，膜無論是使用5年、7年，還是更長時間，膜通量下降是必然趨勢。按照《全國城鎮污水處理廠節能減排績效考核達標競賽標準（試行）》規定，運行三年以上處理水量低于設計水量75%的單位不參加考核，也就是說，處理負荷低于75%將失去參加全國城鎮污水處理廠節能減排績效考核達標競賽的資格。

5.3.2 MBR膜更換的經濟成本

膜價格是整機系統價格，一般指裝配好的、具有膜組件、內部管線和管件、閥門等，能投入使用的價格。膜價格因地區、訂貨量及組件的不同而有所不同。

膜組件因不同廠商的規格型號、外形尺寸各不相同，也互不通用，如更換另外廠商的膜就意味著整個膜系統隨之更換，須根據膜廠商的規格型號與污水處理廠現場現狀進行重新配置，所以目前國外膜知名廠商到實際使用地膜組件最終價格不會低于300元/㎡，據不完全了解，國內領先品牌的膜價格大約在170~280元/㎡之間，如按一般MBR工藝穩定平均膜通量為25L/（m2·h），一座處理規模為6×104m3/d的污水處理廠，膜面積約需10萬㎡以上，到期如果全部更換膜需費用兩三千萬元。按技術經濟學的觀點，互相矛盾的多目標用最優化解決。要么更換新膜，要么更換回傳統工藝，投入產出比的考量，是一個艱難的抉擇，這才是MBR可持續的最大約束性（限制性）條件，或者說是最大劣勢。

6結語

① MBR工藝出水水質達到再生水回用標準，充分合理地利用MBR工藝的再生水具有較好的環境效益與一定的經濟效益和市場競爭力。

② 能耗高與出水水質好、占地小，兩權相比取其優，況且通過優化運行，能耗還有進一步下降的空間，運行成熟的MBR工藝能耗一般可達0.46~0.56 kW·h/m⊃3;。

③ MBR膜清洗本質上并不復雜，但要注意合適的運行操作方式和應遵守必要的原則。

④ MBR可持續最大的約束條件是膜通量顯著下降，處理負荷降低，使用到期更換膜的經濟成本較大，而非能耗高、膜清洗困難等因素。

本文根據《中國給水排水》2017年14期的“昆明第四水質凈化廠MBR工藝7年運行實踐分析”一文整理，作者為楊學貴、肖曉文、孫雁、張亞寧

 

 

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