芜湖市某城镇污水处理厂三期工程设计处理规模为 11.5 万 m3 ／ d，是目前国内投入运行的最大处理规模和最低吨水运 行能耗的 MBR 平板膜工艺污水处理厂。文中介绍了新型 MBR 柔性超滤平板膜分离技术结合传统 AAO 生物脱氮除磷工艺在 该城镇污水处理厂三期工程中的应用情况，并重点分析了其对水质指标的去除效果和吨水能耗数据。从 2020 年 12 月投运以 来，数据表明采用“AAO+MBR 柔性超滤平板膜”组合工艺处理效果明显、安全可靠，瞬时膜通量不超过 25 L （／ m2·h）条件下，跨 膜压差稳定在 12 kPa 以下，且能够保证出水水质指标稳定优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级 A 排放标准，平均出水 CODCr、氨氮、TN、TP 质量浓度分别为 11.71、0.23、9.56、0.31 mg ／ L，平均去除率分别为 94.6%、98.5%、58.4%、86.1%，出水浑浊度也稳定在 0.10 NTU 以下，满负荷运行时全厂吨水能耗低至 0.32 kW·h。

关键词：

          城镇污水 AAO 工艺 MBR 柔性超滤平板膜 膜通量 处理效果

 

          目前，我国的水环境形势十分严峻，其中水污 染是主要问题之一，大多数城市河流均存在不同程 度的污染问题，导致城市水资源质量下降和处理成 本增加，这对可持续发展产生了重大影响，严重威 胁了城市居民的饮水安全和人民的健康。随着国务院印发《水污染防治行动计划》（简称《水十条》），国家对环保的要求越来越严格，污水排放标准的要 求逐步提高，对于现有的一些常规活性污泥工艺的 城市污水处理厂，一方面出水水质不能达到国家一 级 A 排放标准，另一方面处理能力不能满足当地城市的发展需求，需要实施提标扩容改造，以达到较 好的社会和环境效益。而 MBR 膜工艺技术因具有 出水水质优异稳定、占地面积小、产泥量少、操作简单等特点，被越来越多地应用于城市污水处理厂的 提标扩容工程。

        MBR 膜按照结构的形式分为中空纤维膜和平板膜两大类，平板膜又可分为传统刚性平板膜和新 型柔性平板膜。平均孔径为 0.03 μm 的新型 MBR柔性平板超滤膜，相比中空纤维膜具有抗污堵性好 的优势，相比传统平板膜则具有更高的装填密度、更省的占地面积和更低的运行能耗等优势[7]。 本文介绍了目前国内投入运行的最大处理规模和最低吨水运行能耗的 MBR 平板膜工艺污水处理厂的应用实例，重点分析了对主要污染物的处理效果和运行能耗情况，为新型 MBR 柔性超滤平板 膜分离技术应用于更多的城镇污水处理厂提供借 鉴。

1     工程概况

       芜湖市某城镇污水处理厂一、二期工程处理规模均为 11.0 万 m3 ／ d，本次三期工程设计规模为11.5 万 m3 ／ d，建成后厂区处理总规模达到 33.5 万 m3 ／ d。一、二期工程均采用传统的 AAO 生物脱氮除磷工艺加反硝化深床滤池深度处理工艺，出水水质 执行 《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级 A 排放标准。

近年来，随着该城镇污水处理厂服务范围内城市建设的发展、污水管网等基础设施的日益完善，污水排放量逐年增加。该城镇污水处理厂一、二期工程已满负荷运行，因此，启动了三期工程的实施， 由于受到土地制约，三期工程设计选择了“AAO+MBR”处理工艺，处理后的尾水部分回用于绿化灌 溉和污水处理厂的生产用水等，其余排放至长江。

        其中，MBR 膜工艺段采用了新型 MBR 柔性 超滤平板膜工艺包技术，共设计 16 个膜池，每个 膜池内共有 8 套 MBR 膜组器，单套膜组器面积为1 800 m2，总膜面积为 23.04 万 m2，设计平均膜通量为 20.8 L （／ m·2 h）。

2     新型 MBR 柔性超滤平板膜的特点

       新型柔性超滤平板膜是目前较新的 MBR 膜类 型，具有膜通量高、出水水质好、使用寿命长、运行 能耗低、抗污染性能好等综合技术优势，这与膜孔 径大小、膜孔径均匀性以及膜成孔率等有密切关 系，图 1 为该项目新型柔性超滤平板膜放大 5 万倍 的电镜照片，具体特点如下。

      （1）膜平均孔径小，抗污染性能好 膜平均孔径为 0.03 μm，可有效拦截污水中的各种细菌、大部分病毒、颗粒物等，在膜分离的过程中，需要被截留的物质与膜孔径相差越大，越不容 易产生污堵，抗污染性能越好，保证膜全生命周期 的膜通量衰减幅度小。 

      （2）膜孔径均匀性好，运行稳定在膜过滤过程中，当膜孔径大小分布不均匀 时，由于水优先通过阻力小的地方，孔径不均匀的 膜会出现大孔早期承担大部分通量负荷而最先发 生严重的污堵、之后中孔又承担大部分负荷再发生污堵、最后小孔也随之发生污堵的现象。膜孔被堵 塞的过程中，产水通量阶梯式下降，运行跨膜压差 阶梯式升高，无法实现稳定运行。 新型柔性超滤平板膜孔径均匀性好，所有膜孔 在运行过程中共同承担通量负荷，不会出现膜孔污 堵产水通量阶梯式下降的现象，从而有效保障膜系 统稳定运行。 

      （3）膜成孔率高，运行通量高 新型柔性超滤平板膜孔隙率的膜成孔率高，单 位面积的膜过水流道更多，相同水压下膜过水通量更高，运行通量高，产水量有保证。

       （4）抗污堵性能好 平板膜的构造特性决定了其相比中空纤维膜 具有更好的抗纤维缠绕和抗污堵性能，也不会发生中空纤维膜常见的断丝现象。

        （5）高化学耐受性，使用寿命长 新型柔性超滤平板膜采用亲水改性 PVDF 材 料，具有高化学稳定性，对于常用的清洗药剂，如次 氯酸钠的耐受力达到 1 000 000 mg·h ／ L，能耐受长 时间的化学清洗，膜运行稳定且使用寿命长，在一 般生活污水中使用寿命可达 10 年。

 3       设计进出水水质与工艺流程

3.1     设计进出水水质

         芜湖市朱家桥污水处理厂三期工程设计进、出水水质如表 1 所示，

          出水执行优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级 A 排放 标准。

3.2 工艺流程 工艺流程如图 2 所示，“AAO+MBR”为整个污水处理的核心工艺。AAO 生物脱氮除磷工艺是传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺和生物除磷工艺的综合，主要去除污水中的 CODCr、BOD5、氮和磷等污染物；AAO 出水进入 MBR 膜池，经过 MBR膜的深度处理，起到泥水分离的作用，主要去除污水中的悬浮物（SS）；MBR 膜出水再经过接触消毒池 后，出水水质可稳定达到一级 A 排放标准。

         MBR 膜工艺的主要运行参数如下：抽停比为8 min（持续运行时间）︰1 min（停歇时间），膜擦洗风 量为 0.08 m3 （／ m2·h），膜池回流比为 300%~400%； 膜清洗方式包括水反洗+维护性化学清洗，持续运行时间为 24 h 进行一次水反洗；维护性化学清洗药 剂采用次氯酸钠（碱洗）和柠檬酸（酸洗），碱洗周期 为 1~2 次 ／ 周，清洗质量浓度为 200~500 mg ／ L，酸 洗周期为 1~2 次 ／（2 周），清洗质量浓度为 1 000~2 000 mg ／L。 该项目“AAO+MBR”工艺系统于 2020 年 12 月 完成安装调试并投入正式生产，截至 2021 年 12 月 底，MBR 柔性超滤平板膜已持续稳定运行超过12 个月，根据实际进水量，瞬时膜通量主要在 16~25 L （／ m·2 h），观察出水水质、运行系统的稳定性、MBR 膜的跨膜压差变化情况，检测出水各项水质指 标，如 CODCr、氨氮、TN、TP、SS 等，分析吨水能耗数据，进而对整个污水处理系统的运行处理效果进行分析总结。

 4      运行效果分析

4.1    运行跨膜压差分析

         运行跨膜压差是指膜产水侧和进水侧之间的 压力差值，实际工程应用中可以根据跨膜压差数值 和日增长速率分析判断膜污染程度和运行稳定性，在相同运行通量和生化水温条件下，跨膜压差越高，表明膜污染越严重。图 3 为系统运行过程中跨 膜压差和膜通量随时间的变化关系（2021 年 2 月—12 月），随着实际进水流量的波动，MBR 膜的瞬时通量主要调控在 16~25 L （／ m2·h），且膜通量不超过 为 25 L ／（m2·h）时，跨膜压差可稳定在 12 kPa 以 下。另外，相比初始运行数据，MBR 柔性平板膜连续 运行 12 个月后，其跨膜压差波动变化整体较为平 稳，没有发生明显的增长现象，表明膜基本未发生污堵，运行状态良好。

4.2       对进水主要污染物的去除效果分析

4.2.1    对有机物 CODCr 的去除效果

            有机物 CODCr 的去除是城市污水处理的重点之 一，主要依靠活性污泥工艺，MBR 超滤膜本身对溶解性的有机物去除能力极其有限，且有机物的存在 能够造成极大的膜污染，会增加运行成本和维护复 杂性[9]。因此，实际工程应用中为了缓解膜污染、提 高膜系统的运行稳定性，一般对进入 MBR 膜池的 生化污泥混合液中 CODCr 浓度有一定的要求。 朱家桥污水处理厂三期工程系统对 CODCr 的去 除效果如图 4 所示。尽管进水有机物 CODCr 的浓度波动较大，但出水水质稳定且均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级 A 排 放标准。预处理后的出水 CODCr 质量浓度主要在100~400 mg ／ L，最 高 值 为 最 低 值 的 4 倍 多 ，经 “AAO+MBR 膜”工艺处理出水的 CODCr 质量浓度稳定低于 30 mg ／L，且出水 CODCr 平均值为 11.71 mg ／ L，CODCr 平均去除率达到 94.6%，优于传统活性污泥 工艺的去除效果。这一方面是由于超滤膜的高效固液分离作用使得出水 SS 极少；另一方面，MBR 膜组 器的良好截留作用还使 AAO 生化系统可以维持较高的污泥浓度（MLSS），从而实现了对有机物 CODCr的高效降解，并提高了系统对进水水质变化的适应 能力。

4.2.2  对氨氮的去除效果
        结合生化 AAO 工艺后，MBR 系统对氨氮的去 除效果比较理想。图 5 为进、出水氨氮标的检测 结果，在进水氨氮平均质量浓度约为 15.8 mg ／ L 的 条件下，出水氨氮质量浓度基本稳定在 0.5 mg ／ L 以 下，平均出水氨氮质量浓度为 0.23 mg ／ L，明显优于 一级 A 排放标准中氨氮指标要求，平均去除率也高 达 98.5%。这是由于系统的生化 MLSS 高，AAO 工艺 后端长期处于高溶解氧、低有机负荷的运行状态，有利于自养硝化细菌的生长和积累。另外，MBR 超 滤膜对微生物的高效截留作用也使得世代周期长的硝化菌得以在好氧池内富集，从而保证了系统良 好的硝化效果。

 4.2.3 对 TN 的去除效果
         TN 的去除效果主要依靠 AAO 生物脱氮过程，MBR 超滤膜的物理截留作用对于污水中氮的去除十分有限。而进行生物脱氮可分为氨化-硝化-反硝 化 3 个步骤，氨化反应速度较快，在一般污水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化过程，进一步则取决于生物池溶解氧的控制和 内回流比。本工程系统设计采用三段回流系统，膜 池回流至好氧池，好氧池回流至缺氧池，缺氧池回 流至厌氧池，避免了膜池的高溶解氧对系统脱氮的 不利影响，且通过控制生化鼓风机曝气强度，调节缺氧池、好氧池溶解氧。

       图 6 为系统进、出水 TN 的检测结果，尽管进水TN 质量浓度波动幅度较大（15~40 mg ／ L），但出水TN 质量浓度能够确保稳定低于 15 mg ／ L，且平均出 水 TN 质量浓度为9.5 mg ／ L，平均去除率为 58.4%。 且随着运行时间越长，系统 MLSS 由 4 g ／ L 上升到8 g ／ L 以上，由于生化污泥可提供的缺氧环境增多， 对 TN 的去除效果更为明显和稳定，连续运行 4 个 月后，大部分时间出水 TN 质量浓度能够稳定在 10mg ／ L 以下，表明该组合工艺对 TN 具有良好的去除效果和抗冲击负荷能力。
4.2.4 对 TP 的去除效果
          污水中 TP 的去除一方面依靠生物除磷作用，另一方面依靠投加除磷药剂[如氯化铁、聚合氯化铝 （PAC）等]，但所有去除的磷最后都是通过剩余污泥排出。本工程系统除磷剂采用 PAC，根据进水 TP 浓 度波动变化，及时调节投加浓度。

        图 7 为系统进、出 水 TP 的检测结果，尽管进水 TP 质量浓度变化幅度 较大（1.0~4.0 mg ／ L），但出水 TP 质量浓度基本稳定在 0.5 mg ／ L 以下，且平均出水 TP 质量浓度为 0.31mg ／ L，平均去除率为 86.1%，系统对 TP 的去除效果较为理想。研究表明，MBR 膜池内好氧环境对磷的去除效果并不明显，而膜对胶体态磷有一定的截留 作用，可以进一步降低出水 TP 浓度。

4.2.5 对 SS、浑浊度的去除效果

          出水 SS 一直以来都是污水处理生产中关注的 主要指标之一，能够反映水中部分颗粒物和胶体物 质。SS 的去除代表水中泥土、微细有机物、无机物、浮游生物等 SS 和胶体物质的减少。尽管生化 MLSS存在一定的波动，但系统对 SS 和胶体去除效果较 好，出水 SS 几乎检测不出，对 SS 的去除率能够稳 定在 100%。另外，系统对浑浊度的去除率始终维持 在很高的水平，出水浑浊度稳定在 0.1 NTU 以下，这 主要是 MBR 超滤平板膜截留作用的结果。

4.3   吨水电耗分析

        电耗是污水处理厂日常运行的最大支出费用 成本之一，通常占到总体运行成本的 60%~90%。 据统计，目前国内常规 MBR 工艺污水处理厂的全 厂吨水电耗一般是 0.6~0.9 kW·h ／ m3，传统 MBR刚性平板膜污水处理厂的全厂吨水电耗甚至达到1.0 kW·h ／ m3 以上，远高于传统生物处理工艺的0.2~0.3 kW·h ／ m3 [13-14]，这也是限制 MBR 工艺适用 于更多的污水处理厂的主要考虑因素之一。而本项目 MBR 系统采用了新型 MBR 柔性超滤平板膜组器，膜吹扫采用节能脉冲曝气器代替传统的穿孔管曝气，其结构如图 8 所示

       较大幅度地降低了MBR膜在运行过程中的电耗成本，膜吹扫气水比不到 5 ∶ 1，远低于传统刚性平板膜 10 ∶ 1 以上的气水比。

        图 9 为 2021 年 2 月—12 月 MBR 系统日处理水量和全厂吨水电耗随时间的变化关系。日处理水量波动较大主要与污水厂来水量波动有关，核算平 均日处理水量约为 93 405 m3 ／ d，相应的平均吨水电 耗约为 0.45 kW·h。其中，9 月—10 月 MBR 系统吨 水电耗最低时达到 0.32 kW·h。截至当前，本项目是国内运行能耗最低的 MBR 平板膜案例。

 

5     结论

       “AAO+MBR 柔性超滤平板膜”组合工艺成功地应用于芜湖市某城镇污水处理厂三期工程，该项目也成为目前国内采用 MBR 平板膜工艺且投入运行 的最大处理规模和最低吨水运行能耗的城镇污水处理厂。在该项目中，柔性平板超滤膜的综合运行效果良好，连续运行 12 个多月后跨膜压差基本未出现 增长的现象，且出水水质优异稳定，平均出水CODCr、 氨 氮 、TN、TP 质量浓度分 别为 11.71、0.23、9.56、0.31 mg ／ L，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》 （GB 18918—2002）一级 A 排放标准。 此外，MBR 柔性平板超滤膜相比传统刚性平板 膜具有更高的装填密度和更低的运行能耗，该项目 柔性平板超滤膜的膜吹扫气水比低于 5 ∶ 1，不到传 统刚性平板膜的一半。

 

 

原标题：新型 MBR 柔性超滤平板膜在城镇污水处理中的应用

原作者：邓建平，白海龙，杨振新