導讀：MBR工藝污水處理工程生化系統設計前應綜合選擇合適的生物段形式，合理確定生化系統工藝設計參數。生化系統的布局應結合進(jìn)出水水質(zhì)要求，充分考慮各段流態(tài)及回流、進(jìn)水、提升方式。設備選型需因地制宜、安全耐用。

MBR工藝利用膜的高效固液分離功能實(shí)現污水最終凈化目的，但是有機物的去除仍然以生物處理為主導，需依靠合理設計的生物處理段來(lái)實(shí)現。作者結合相關(guān)工程經(jīng)驗，在研究國內外成功案例和技術(shù)規范的基礎上，初步總結城鎮污水處理工程MBR工藝生化系統設計關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：工藝系統的選擇、生化系統參數設計、生化系統布局設計、生化系統設備設計。

MBR工藝污水處理工程生化系統設計前應綜合選擇合適的生物段形式，合理確定生化系統工藝設計參數。生化系統的布局應結合進(jìn)出水水質(zhì)要求，充分考慮各段流態(tài)及回流、進(jìn)水、提升方式。設備選型需因地制宜、安全耐用。

1、MBR工藝系統選擇關(guān)鍵技術(shù)

1.1MBR工藝系統的分類(lèi)

1.1.1分置式和一體式

按生化系統和膜分離系統的相對位置，MBR可分為分置式和一體式兩種。分置式MBR是將膜組件放置在單獨的膜池內，其特點(diǎn)是膜組件分組明確，運行環(huán)境良好，便于獨立運行和清洗、檢修。一體式MBR則是將膜組件直接放置在生化系統內，其特點(diǎn)是節省占地，但是不利于膜組件的分組和配套管路的敷設。

1.1.2浸沒(méi)式和管式

按膜組件的放置位置，可分為浸沒(méi)式和管式兩種。浸沒(méi)式是將膜組件浸沒(méi)于生物反應器或膜池內，管式是將膜元件裝填在膜管內，再設置膜架放置膜管。

1.1.3正壓式和負壓式

按過(guò)濾推動(dòng)方式分，可分為正壓式MBR和負壓式MBR兩種。正壓式MBR一般采用管式膜，通過(guò)料液循環(huán)錯流運行，生物反應器的混合液由泵增壓后進(jìn)入膜組件，在壓力作用下濾液成為系統處理出水，活性污泥、大分子物質(zhì)等則被膜截留。

其特點(diǎn)是運行穩定可靠，操作管理方便，易于膜清洗、更換及增設，但動(dòng)力消耗高。負壓式MBR一般采用浸沒(méi)式MBR，通過(guò)泵的負壓抽吸作用得到膜過(guò)濾出水。同時(shí)設置膜擦洗曝氣，利用曝氣時(shí)氣液向上的剪切力來(lái)實(shí)現膜面的錯流效果，以增加膜表面的紊流和減輕膜表面的污染。其特點(diǎn)是不需要混合液的錯流循環(huán)系統，能耗較低，且不需復雜的支撐膜架。

1.1.4MBR工藝系統的選擇

對于城鎮污水處理工程，由于規模一般均在萬(wàn)m3/d以上，考慮到膜組件運行環(huán)境、污泥濃度控制、脫氮除磷對DO的控制要求以及降低能耗要求等，一般均采用負壓抽吸浸沒(méi)式分置式MBR工藝。

1.2生化系統的形式

由于目前污水排放標準普遍提高了對脫氮除磷的要求，所以幾乎所有的傳統脫氮除磷工藝都被應用到了MBR工藝中，如AO、A2O(包括A2O氧化溝)、SBR等。

1.2.1SBRMBR工藝

將SBR與MBR相結合形成的SBRMBR工藝，除了具有一般MBR的優(yōu)點(diǎn)外，對于膜組件本身和SBR工藝兩種程序運行都互有幫助。由于膜組件的截留過(guò)濾作用，反應中的微生物能最大限度地增長(cháng)，利于世代時(shí)間較長(cháng)的硝化及亞硝化細菌的生長(cháng)繁殖，因此，污泥的生物活性高，吸附和降解有機物的能力較強，同時(shí)也具有較好的硝化能力。

此外，SBR工作方式為除磷菌的生長(cháng)創(chuàng )造了條件，同時(shí)也滿(mǎn)足了脫氮的需要，使得單一反應器內實(shí)現同時(shí)高效去除氮磷及有機物成為可能。與傳統SBR系統相比，一方面SBRMBR在反應階段利用膜分離排水，可以減少傳統SBR的循環(huán)時(shí)間;另一方面，序批式的運行方式可以延緩膜污染。

1.2.2A2OMBR工藝

由A2O工藝與膜分離技術(shù)結合而成的具有同步脫氮除磷功能的A2OMBR工藝，進(jìn)一步拓展了MBR的應用范疇。在該工藝中設置有兩段回流，一段是膜池的混合液回流至缺氧池實(shí)現反硝化脫氮，另一段是缺氧池的混合液回流至厭氧池，實(shí)現厭氧釋磷。

A2OMBR工藝中高濃度的MLSS、獨立控制的水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間、回流比及污泥負荷率等都會(huì )產(chǎn)生與傳統A2O工藝不同的影響，具有較好的脫氮除磷效率。

1.2.3A2O/AMBR工藝

A2O/AMBR工藝是一種強化內源反硝化的新型工藝，利用MBR內高濃度活性污泥和生物多樣性來(lái)強化脫氮除磷效果，其內部流程依次為厭氧、缺氧、好氧、缺氧和膜池。該工藝在傳統A2O工藝后再設一級缺氧池，在利用進(jìn)水快速碳源完成生物除磷和脫氮后，利用第二缺氧池進(jìn)行內源反硝化，進(jìn)一步去除TN后再利用膜池的好氧曝氣作用保障出水。A2O/AMBR工藝是針對進(jìn)水碳源不足，而同時(shí)又有較高脫氮要求的污水處理項目所開(kāi)發(fā)，也是強化脫氮的MBR脫氮除磷工藝。

1.2.4A(2A)OMBR工藝

A(2A)OMBR工藝是兩段缺氧A2O工藝與MBR工藝的結合，其特點(diǎn)是在傳統的A2O工藝中設置了兩段缺氧區(缺氧區Ⅰ和缺氧區II)，在缺氧區I內從好氧區回流的NO3-完全被還原，實(shí)現完全反硝化;而在缺氧區II內實(shí)現內源反硝化，節省外加碳源的投加。大大提高了污水的生物脫氮效率，同時(shí)避免了外加碳源，節約運行費用，因此具有很高的價(jià)值。

1.2.53AMBR工藝

3AMBR是依據生物脫氮除磷機理，結合膜生物反應器技術(shù)特點(diǎn)而形成的具有高效脫氮除磷性能的新型污水處理工藝。其內部流程依次是第I缺氧池、厭氧池、第II缺氧池、好氧池和膜池，膜池混合液分別回流至第I缺氧池和第II缺氧池。

第I缺氧池利用進(jìn)水碳源和回流硝化液進(jìn)行快速反硝化;接著(zhù)混合液進(jìn)入厭氧池進(jìn)行厭氧釋磷，減少了硝酸鹽對釋磷的影響;第II缺氧池再利用污水中剩余的碳源和回流的硝化液進(jìn)一步反硝化脫氮;好氧池內同步發(fā)生有機物降解、好氧吸磷和好氧硝化等多種反應，徹底去除污水中的污染物;混合液再經(jīng)膜過(guò)濾出水，實(shí)現了對污水中有機物和氮磷的去除。3AMBR工藝合理地組合了有機物降解和脫氮除磷等各處理單元，協(xié)調了各種生物降解功能的發(fā)揮，達到了同步去除各污染指標的目的，具有較高的推廣應用價(jià)值。

1.2.6A/A2OMBR工藝

A/A2OMBR工藝屬3AMBR工藝的改進(jìn)工藝，設置有第I缺氧區、厭氧區、第II缺氧區、好氧區和膜池共5個(gè)處理單元。預處理后的污水首先按比例分配流量分別進(jìn)入第I缺氧區和厭氧區，然后依次重力流入第II缺氧區、好氧區和膜池，最后通過(guò)膜過(guò)濾抽吸出水。

根據脫氮除磷需要設置有兩級回流，第一級回流是膜池的混合液回流到好氧區前端，第二級回流是好氧區的混合液分別回流到第I缺氧區和第II缺氧區，兩者之間的流量比例通過(guò)回流渠道和調節堰來(lái)分配。

前置的第I缺氧區，優(yōu)先最大限度地利用進(jìn)水碳源快速完成反硝化過(guò)程，去除大部分的硝態(tài)氮。在第II缺氧區內與部分從好氧區回流過(guò)來(lái)的富硝酸鹽混合液再次混合，在長(cháng)時(shí)間的缺氧條件下，可以發(fā)生內源反硝化反應，進(jìn)一步地去除了污水中的硝態(tài)氮。此外，將厭氧區放在第I缺氧區之后，使得回流液中硝態(tài)氮被充分反硝化，減少了其對聚磷菌的抑制，提高除磷效果。

1.2.7生化系統形式的選擇

生化系統形式的選擇主要應考慮以下幾方面：

①進(jìn)水水質(zhì)情況(如難生物降解有機物濃度、碳氮比、碳磷比等);

②出水水質(zhì)要求(尤其是對脫氮除磷的效果要求等);

③進(jìn)水水質(zhì)水量波動(dòng)情況;

④氣候條件等。

從目前應用的工程經(jīng)驗來(lái)看，A2O及其變形強化工藝是眾多應用在MBR脫氮除磷工藝中處理效果最為突出，運行管理最為方便，也是最穩定可靠的一類(lèi)。表1介紹了目前各種形式的A2O及其改進(jìn)型的MBR脫氮除磷組合工藝的應用情況。

2、MBR工藝生化系統參數設計關(guān)鍵技術(shù)

2.1污泥濃度

由于后續通過(guò)膜來(lái)實(shí)現泥水分離，因此較傳統活性污泥法可選取較高的MLSS值。但是，在實(shí)際工程應用中發(fā)現：

①在實(shí)際進(jìn)水有機物濃度低于設計進(jìn)水水質(zhì)情況下，MLSS值難以達到設計值，通過(guò)減少排泥來(lái)維持MLSS值時(shí)會(huì )造成MLVSS/MLSS值偏低，導致生化池表面產(chǎn)生大量的浮泥，而且反而降低了生物活性，影響處理效率;

②由于MLSS是最基本的設計參數，當實(shí)際值與設計值偏差較大時(shí)會(huì )影響相關(guān)設計參數(如SRT、空氣量)的準確度，從而影響了實(shí)際運行效果。

因此，對于進(jìn)水有機物濃度較高的工業(yè)廢水，可選取較高的污泥濃度值(~10g/L)以盡量增大有機物去除能力;而對于城鎮綜合污水處理工程而言，由于進(jìn)水濃度相對不高，宜選取較低的污泥濃度(6~8g/L)。

2.2泥齡

對于有脫氮要求的城鎮綜合污水處理工程，SRT宜根據硝化泥齡和反硝化泥齡來(lái)計算確定。需要注意的是：由于系統內的MLSS較高，因此MBR工藝的泥齡通常較傳統工藝長(cháng)。但實(shí)踐表明：過(guò)長(cháng)(30d)或過(guò)短的泥齡均會(huì )使膜的TMP增勢加劇，而泥齡在20d左右時(shí),跨膜壓差增長(cháng)趨勢變緩。因此，泥齡不宜太長(cháng)，以20d左右為宜。

2.3污泥負荷

對于傳統活性污泥工藝而言，通常采用基于BOD5的污泥負荷作為設計參數，但是，在MBR工藝中，由于MBR反應器內微生物的結構、種類(lèi)和生物相的變化使MBR工藝對有機底物的利用不僅僅局限于進(jìn)水中的BOD5值，對部分表現為CODCr的物質(zhì)也可以利用，因此采用MBR工藝處理城市污水時(shí)，不宜采用污泥負荷參數作為設計依據，而應將MLSS和SRT作為MBR工藝生物處理單元的主要設計參數。而由MLSS和SRT推算出的污泥負荷往往僅為傳統活性污泥法污泥負荷的一半左右。較低的污泥負荷一方面說(shuō)明系統抗進(jìn)水水質(zhì)沖擊的能力較強，另一方面也說(shuō)明采用MBR工藝處理城鎮污水時(shí)污泥負荷不宜作為主要的設計指標。

2.4水力停留時(shí)間(HRT)

由于MBR系統的MLSS較高，以SRT計算確定的生物池的容積較小，相應的所需HRT較短(7~10h)。實(shí)踐證明，如果考慮到系統有較高的硝化和反硝化處理效果要求時(shí)，過(guò)短的HRT將難以保證，因此應適當加大系統的HRT(~12h)，同時(shí)可相應降低SRT，有利于控制膜污染。

2.5需氧量和供氣量

由于MBR反應器內的MLSS較傳統工藝高，其混合液的液膜厚度、污泥粘滯度等會(huì )發(fā)生變化，由需氧量計算供氣量時(shí)應調整α、β和C0值，因此，MBR工藝的理論供氣量計算值應大于傳統工藝。但是，大量工程實(shí)踐發(fā)現，實(shí)際生化池供氣量小于計算量。分析其主要原因是：

①為了控制膜表面污堵，需要采用空氣擦洗來(lái)改變膜絲表面液體的流態(tài)，大量的擦洗空氣使得膜池內的溶解氧極高(通常其DO值可達8~10mg/L)而大比例從膜池到生化池的回流(通常為400%~500%)使生化池所需的曝氣風(fēng)量下降;

②當實(shí)際進(jìn)水有機物濃度低于設計值時(shí)，會(huì )造成計算需氧量和實(shí)際MLSS值均低于設計值，實(shí)際供氣量則會(huì )遠低于計算值。因此在計算供氣量時(shí)應充分考慮這些因素，給出一個(gè)供氣量的區間值，便于進(jìn)行鼓風(fēng)機的配置和風(fēng)量調節控制。

3、MBR工藝生化系統布局設計關(guān)鍵技術(shù)

3.1回流方式

根據生化系統形式、硝化液回流的方式和位置不同，MBR的回流有各種不同的方式，見(jiàn)表1。綜合各種回流方式的實(shí)際效果，建議：

①采用膜池回流混合液至好氧區，再由好氧區回流硝化液至缺氧區，因為如果采用膜池回流硝化液至缺氧區的方式，由于混合液富含大量氧氣，破壞缺氧條件，導致反硝化反應不充分;

②如果采用兩段缺氧生化工藝，宜采用兩點(diǎn)回流方式，因為盡管增加了相應的管渠，但是兩區的回流比例可以按照實(shí)際運行情況進(jìn)行分配，以便于充分有效地利用原水碳源和內源碳源來(lái)提高系統脫氮效果，減少外加碳源的用量。

3.2進(jìn)水方式

由于在城鎮污水處理工程中均有較高的除磷脫氮要求，因此大多采用了厭氧-缺氧-好氧工藝，對于MBR工藝而言，生物反應池建議采用兩點(diǎn)進(jìn)水方式，即在生物池前設置進(jìn)水分配渠道和分配調節堰，污水進(jìn)入到分配渠道后，通過(guò)兩套調節堰門(mén)將原水按照一定比例分配到厭氧區和缺氧區，從而選擇優(yōu)先滿(mǎn)足生物脫氮還是生物除磷對進(jìn)水碳源的需要，而且各區的分配比例還可以根據不同水質(zhì)條件下生物脫氮和生物除磷所需碳源的變化進(jìn)行靈活調節。

3.3提升方式

由于膜池有效水深較生物池淺，混合液回流有兩種提升方式：

①采用前提升系統，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采用后提升系統，即好氧池出水自流至膜池，膜池的混合液通過(guò)回流泵提升至生物池。后提升系統較前提升系統提升混合液的流量小，回流泵分別對應各組膜池便于獨立檢修，但管路系統較為復雜;前提升系統管路系統較為簡(jiǎn)單，檢修維護工作量小，提升揚程較低。在現有的MBR系統中兩種回流方式均有應用。實(shí)際工程應用時(shí)應根據水位差、膜池分組情況、進(jìn)水水質(zhì)和膜組件形式等綜合比較確定。

3.4好氧區形式

傳統活性污泥A2O系統的好氧區構型多為長(cháng)方形廊道的推流式形式。對于MBR工藝，其好氧區宜設計成完全混合式，一方面有利于混合液處于良好的紊動(dòng)，保持懸浮狀態(tài)，減小因剪切造成的污泥顆粒破解，并提高曝氣設備的充氧速率;另一方面，從膜池回流至好氧區的大比例混合液可以實(shí)現快速混合以充分利用膜池內的DO。

4、MBR工藝生化系統設備設計關(guān)鍵技術(shù)

4.1攪拌器

對于厭氧區和缺氧區，如果池型(或分隔后的池型)接近于正方形(L/B<1.3)，建議采用倒傘型攪拌器。因為其運行能耗低，立式環(huán)流攪拌均勻，不易產(chǎn)生死角，水下無(wú)易損耗件且不會(huì )在攪拌主體上掛帶任何物質(zhì)而形成堵塞。

4.2曝氣器

MBR工藝單位面積的供氣量遠大于傳統工藝，因此，必須選擇單位通氣量大、氧轉移率高的曝氣設備。在已運行的幾個(gè)MBR工程中，聚乙烯改性纖維管式曝氣器和全球型剛玉曝氣器的運行效果較好。

4.3回流泵

首先，根據回流位置的不同選擇不同的設備：對于生化系統內部的回流通常采用穿墻PP泵;對于膜池回流至生化系統的回流泵再根據提升方式的不同進(jìn)行選擇：如前提升方式一般采用潛水軸流泵，后提升方式的回流泵又有兩種形式：

①設置于膜車(chē)間內時(shí)，通常采用臥式端吸離心泵，且由于輸送介質(zhì)為高濃度的污泥，不宜采用清水泵，大多采用污水泵干式安裝;

②當系統設回流污泥渠時(shí)，回流泵設置于渠內，通常采用穿墻PP泵。

4.4剩余污泥排放泵

剩余污泥排放泵可以設置于生化池內也可設置于膜池進(jìn)水渠內，一般采用潛水排污泵。建議設置于生化池內，可以用來(lái)排除池底泥砂并可兼做生化池放空泵。

4.5曝氣鼓風(fēng)機

首先應優(yōu)先選擇氣量調節范圍較大的單級離心鼓風(fēng)機。若采用多級離心鼓風(fēng)機，必須配置變頻器，不宜采用羅茨鼓風(fēng)機。其次，所選的鼓風(fēng)機應使調節后的組合供氣量涵蓋計算供氣量的區值。