某污水处理厂近期设计规模为 6. 5×104 m3 /d，出水执行地表水准Ⅲ类标准。该厂要求的出水水质标准高，规划用地面积小，最终确定采用“膜生物反应器( MBR) +臭氧催化氧化”工艺。该工艺具有占地面积小、抗水质冲击负荷能力强、出水水质优质稳定、剩余污泥产量少、易于实现自动控制等特点。通过优化运行，该厂实际出水水质稳定达到设计标准。
关键词:
污水处理厂; MBR; 优化运行
0 引 言
为了加强对水环境的保护，城镇污水处理厂水污染物排放标准日趋严格，全国多个省市先后实施了比GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》更为严格的水污染物排放地方标准，要求达到地表水准Ⅲ类、准Ⅳ类标准的污水处理厂逐渐增多。日益严格的排放标准，对城镇污水处理厂的设计和运营管理提出了更高的要求。MBR 工艺具有出水水质优质稳定、占地面积小等优点，逐渐被越来越多的污水处理厂所采用。某污水处理厂出水执行地表水准Ⅲ类标准，设计采用“MBR +臭氧催化氧化”工艺，实际运行的出水水质能够稳定达标，可供出水执行地表水准Ⅲ类、准Ⅳ类标准的 MBR 工艺污水处理厂的工程设计和优化运行参考借鉴。
1 项目背景
随着城区面积的扩大、人口的增加，某地原有污水处理厂已不能满足对全部污水进行处理的需求，厂址也已经处于规划城区的中心区域，不仅不利于收集其下游城区的污水，而且臭气等排放物对周边环境影响较大。所以，必须尽快易地新建 1 座污水处理厂。
2 工程规模和设计进出水水质
2. 1 工程规模
根据对该厂服务范围内污水量的预测，确定近期设计规模为 6. 5 × 104 m3 /d，远期设计规模为 10. 0 ×104 m3 /d。
2. 2 设计进出水水质
该厂的设计进出水水质如表 1 所示。
3 工程设计
3. 1 工艺流程
该厂的出水水质标准高，规划用地面积小，所以要求处理工艺必须高效、可靠、运行稳定且占地面积小，同时要具有较强的抗水质冲击负荷能力。
根据该厂的具体要求和特点，结合目前各种处理工艺的应用情况和经验，确定该厂采用“MBR +臭氧催化氧化”工艺，即采用具有脱氮除磷的生物处理工艺，并将膜的高效分离技术与之相结合，再辅之以臭氧催化氧化技术，以有效去除有机污染物、悬浮物、氮、磷等。结果表明，该工艺具有占地面积小、抗水质冲击负荷能力强、出水水质优质稳定、剩余污泥产量少、易于实现自动控制等特点。
该厂的工艺流程如图 1 所示。
粗格栅间、进水提升泵房、污泥脱水机房土建按远期工程处理规模设计，设备按近期工程规模配备。其他建构筑物和设备均按照近期工程规模进行设计。
3. 2 粗格栅间和进水提升泵房
粗格栅间和进水提升泵房合建，土建设计流量Qmax = 5417 m3 /h，设备设计流量 Qmax = 3656 m3 /h。粗格栅渠 3 条，单条渠宽 1. 8 m，近期安装机械粗格栅 2 台，栅条间距 20 mm，安装角度 75°，栅前水深0. 8 m。进水提升泵房近期安装 4 台潜污泵，3 用 1备，单台流量为 1300 m3 /h，扬程为 18. 5 m。
3. 3 细格栅间、曝气沉砂池和膜格栅间
细格栅间、曝气沉砂池和膜格栅间合建，设计流量 Qmax = 3656 m3 /h。细格栅渠 3 条，单条渠宽 1. 6m，安装内进流式网板格栅除污机 3 台，网板宽度2000 mm，网板过水孔径 4 mm，安装角度 90°，栅前水深 1. 6 m。同时配套设置中压冲洗泵 3 台、高排水型螺旋压榨机 1 台。曝气沉砂池 1 座，分为 2 格，有效水深为 2. 3 m，最高时流量设计停留时间为 5. 5 min，安装双槽 桥 式 吸 砂 机 1 套，配套设置砂水分离器1 台、罗茨鼓风机 3 台( 2 用 1 备) 。膜格栅渠 4 条，单条渠宽 1. 6 m，安装内进流式网板格栅除污机 4 台，网板宽度 1600 mm，网板过水孔径 1 mm，安装角度90°，栅前水深 2. 5 m。同时配套设置中压冲洗泵 4台、高压冲洗泵 4 台、高排水型螺旋压榨机 1 台。
3. 4 组合 MBR 生物处理池及辅助设备间
组合 MBR 生物处理池由生物反应池和膜池合建，设计流量 Q= 6. 5×104 m3 /d，分为 2 组，并联运行。组合 MBR 生物处理池为该厂的核心处理构筑物，污水主要在这里得到净化，完成有机物的去除并实现脱氮除磷的功能。组合 MBR 生物处理池采用多段强化改良型 A2 /O 工艺，为矩形钢筋混凝土池，为使功能区更加明确，并减少返混现象，根据生物处理的工艺要求，该厂组合 MBR 生物处理池分为 7 个生物反应池，分别为第 1 缺氧池、厌氧池、第 1 好氧池、第 2 缺氧池、第 2 好氧池、第 3 缺氧池、膜池。组合 MBR 生物处理池好氧污泥负荷为 0. 075 kg /( kgMLSS·d) ，总污泥龄为 33 d。
第 1 缺氧池水力停留时间为 2. 9 h，污泥浓度6. 4 g /L。厌氧池水力停留时间为 2. 5 h，污泥浓度6. 4 g /L。第 1 好氧池水力停留时间为 4. 1 h，污泥浓度 8. 0 g /L。第 2 缺氧池水力停留时间 2. 3 h，污泥浓度 8. 0 g /L。第 2 好氧池水力停留时间为 4. 2 h，污泥浓度 8. 0 g /L。第 2 好氧池内安装混合液回流泵，回流混合液至第 1 缺氧池，回流比为 400%。第 3 缺氧池水力停留时间 3. 1 h，污泥浓度 8. 0 g /L。膜池水力停留时间为 1. 5 h，污泥浓度 9. 6 g /L。膜池内安装污泥回流泵，回流污泥至第 1 好氧池，回流比为 500%。膜池共分为 12 个廊道，每个廊道安装7 套膜组器，并预留 2 个膜组器空位作为备用。膜组器采 用 PVDF 中 空 纤 维 膜，设 计 膜 通 量 为 17. 5L /( m2·h) ，膜曝气擦洗风量为 450 Nm3 /min，气水比为 10 ∶ 1。化学除磷采用 PAC，投加于缺氧池 3 至膜池的进水渠。
辅助设备间合建在膜池边，设备间内设置膜产水抽吸泵、剩余污泥泵、膜在线药洗系统、次氯酸钠消毒系统等。
3. 5 臭氧催化氧化池及臭氧制备间
臭氧催化氧化池设计流量 Q = 6. 5×104 m3 /d，分为 8 格，并联运行。臭氧催化氧化池设计滤速 5. 3m /h，臭氧投加量 22 mg /L，共填装 1600 m3 催化剂填料，同时配套设置臭氧布气系统、反冲洗系统、臭氧尾气破坏器。
臭氧制备间内设置臭氧发生器 3 台，2 用 1 备，单台臭氧产量为 30 kg /h。臭氧制备间内安装臭氧泄漏探测及报警装置，设置轴流式通风机。液氧站设置50 m3 液氧储罐 2 套。
3. 6 回用水池和回用泵房
回用水池和回用泵房合建。回用水池分为 2 组，并联运行，水力停留时间为 4. 4 h。回用泵房内安装回用水泵 4 台，3 用 1 备，变频控制; 安装反冲洗水泵3 台，2 用 1 备，对臭氧催化氧化池进行反冲洗。
3. 7 污泥预浓缩池、储泥池和污泥脱水机房
组合 MBR 生物处理池的剩余污泥进入污泥预浓缩池，进行重力预浓缩，水力停留时间为 8 h，污泥固体负荷为 85 kg /( m2·d) ，污泥预浓缩池内安装中心传动浓缩机 1 台。储泥池接纳污泥预浓缩池排出的污泥，池内安装潜水搅拌机 1 台，对污泥进行搅拌混合。污泥脱水机房内设置离心式脱水机 3 套，将污泥脱水至含水率低于 83%，然后输送至附近的污泥无害化处理厂进行进一步的处理处置。
4 设计特点
4. 1 预处理单元
对污水进行充分的预处理，是保障 MBR 系统正常运转的必要条件。细小的砂粒会对膜丝造成磨损，从而缩短膜的使用寿命。油脂成分容易堵塞膜孔，而且不易清洗。因此，为提高沉砂效果，并尽可能去除油类物质，沉砂池采用除砂除油效果较好的曝气沉砂池，最高时流量设计停留时间为 5. 5 min，平均时流量设计停留时间为7. 4 min，桥式吸砂机配套设置撇油刮渣装置。
污水中的细小纤维状和毛发类物质进入膜池，会缠绕膜丝，堵塞膜孔，形成积泥和板结，造成膜污染和膜损害，并导致膜的有效通量下降。因此，合理选择膜格栅至关重要。
内进流式网板格栅除污机为二维栅网结构，由于其有效栅隙的均一性，使得小于栅隙的物质可以被全部截留而不会产生细长扁平杂物穿透的现象，对细小纤维状和毛发类物质的分离效率很高。所以，该厂选用网板过水孔径为 1 mm 的内进流式网板格栅除污机 4 台。
4. 2 生化处理单元
4. 2. 1 设置两段回流
组合 MBR 生物处理池设置两段回流，分别为: 第2 好氧池末端的混合液回流至设置在厌氧池前的第 1缺氧池前端，回流比为 400%; 膜池内的污泥回流至第 1 好氧池前端，回流比为 500%。
经预处理的污水与第 2 好氧池末端回流的混合液在第 1 缺氧池实现充分混合，进行第 1 段反硝化反应，同时可以调整曝气沉砂池出水和回流混合液的充氧状态，还避免了膜池富氧混合液直接回流至缺氧池而导致的反硝化环境的破坏。第 1 缺氧池末端混合液的溶解氧和硝态氮的浓度都较低，进入厌氧池后不会影响厌氧池活性污泥中聚磷菌释放磷的效果，从而为好氧吸磷做好准备。
由于膜曝气擦洗鼓风量较大，所以膜池内溶解氧含量较高，一般在 4. 5 mg /L 以上; 同时，通过膜的高效截留作用，混合液中的活性污泥几乎全部被截留在膜池中，所以膜池污泥浓度通常控制在 8. 0 g /L 以上。大流量的膜池污泥回流至第 1 好氧池，不仅可以使生物处理系统保持较高的污泥浓度，而且可以实现膜池强曝气产生的高溶解氧的再利用，满足一部分好氧池生化需氧量，在一定程度上降低好氧池所需的供风量，从而减少运行成本。相对于传统 MBR 工艺的三段回流，本设计减少了一段回流，也在一定程度上降低了设备投资和运行成本。
4. 2. 2 采用多点进水
污水中的碳源在生物脱氮与生物除磷之间的分配制约着生物反应池的脱氮除磷效果。为有效地解决反硝化菌和聚磷菌对有机物的竞争，充分利用污水中原有的碳源，从而减少或者避免外加碳源，该厂组合 MBR 生物处理池采用了四点进水方式。膜格栅出水可以分别进入第 1 缺氧池、厌氧池、第 2 缺氧池和第 3 缺氧池，为反硝化菌和聚磷菌分别提供稳定的碳源，避免了单点进水导致的碳源无效消耗，既提高了脱氮除磷效率，又尽量减少外加碳源的投加，节约了运行成本。
4. 2. 3 优化膜池设计
膜池中的膜组器在运行过程中，由于物理、化学或生化作用，会造成膜污染，尽管采用间歇产水、清水反冲洗、在线( 维护性) 化学清洗和离线( 恢复性) 化学清洗可以延缓膜污染的加剧，但长期运行时，膜污染会导致膜的实际通量永久性降低，所以为了始终满足污水处理规模的要 求，布设膜组器时应预留20% ～40%的富余膜组器空位作为备用。该厂膜池每个廊道安装 7 套膜组器，并预留 2 个膜组器空位作为备用。
为尽可能地减轻膜污染，延长膜的使用寿命，设计膜通量的取值应小于设计水温时的临界通量。同时，为了满足污水总变化系数需求，设计过程中应根据进水峰值流量校核膜的峰值通量，并预留部分余量以应对膜通量下降的风险。该厂设计峰值膜通量为23. 7 L/( m2·h) 。另外，膜产水抽吸泵单台最大流量为360 m3 /h，也能够满足峰值通量下的抽吸流量要求。
4. 3 高级氧化单元
该厂的出水水质要求很高，COD 限值为 20 mg /L。膜池出水中的 COD 一般可以稳定低于 30 mg /L，但很难稳定达到 20 mg /L 以下的要求，因为其中还含有一部分溶解性难生物降解的有机污染物及微生物代谢产物。因此，需要通过高级氧化法进一步去除膜池出水中的有机污染物，以提高水质，确保出水水质能够稳定达标。
臭氧催化氧化技术为常温常压下新型高级氧化实用技术，这种技术运用臭氧氧化剂，通过特殊配方载体金属离子催化剂的催化作用，有效生成和增加反应体系内的羟基自由基，从而产生全面和激烈的氧化反应，污水中难生物降解的有机物被氧化分解，由大分子变成小分子，小分子再进一步氧化为二氧化碳和水等，从而使污水的 COD 值大幅度降低。
5 设计不足
出于投资控制等原因，该厂的设计在以下方面还存在不足之处。
5. 1 膜格栅
在实际运行过程中，有时来水中细小纤维状和毛发类物质较多，膜格栅的固体负荷过大，导致需要较频繁地对膜格栅进行高压冲洗。所以在远期工程设计时，应适当降低膜格栅的过栅流速，并设置备用膜格栅，以便在膜格栅停机检修或来水水质异常的情况下，保证膜格栅处理单元的过流能力。
5. 2 鼓风机
在污水处理厂使用的各种机电设备中，鼓风机的电耗最大，MBR 工艺的鼓风机电耗更高，一般占全厂电耗的 60% 以上。因此，选择高效率的鼓风机，对MBR 工艺污水处理厂的节能降耗更显重要。
磁悬浮鼓风机采用无接触、无机械摩擦的磁悬浮轴承和高速大功率永磁同步电动机，直接驱动高效流体叶轮，克服了传统鼓风机和气悬浮鼓风机的缺点，具有效率高、噪声低、故障少、不需润滑系统等优点，一般比多级离心鼓风机节能 15%以上，比单级高速离心鼓风机节能 10%以上。
在目前我国大力倡导节能减排的大环境下，磁悬浮鼓风机是污水处理厂( 尤其是 MBR 工艺) 的最佳选择。该厂好氧池曝气供氧鼓风机和膜曝气擦洗鼓风机选用多级离心鼓风机，尽管是知名品牌产品，效率也无法与一线品牌的磁悬浮鼓风机相比。为减少电耗，降低运行成本，建议远期工程和近期工程鼓风机更换时，优先采用一线品牌的磁悬浮鼓风机。
5. 3 好氧池曝气控制方式
常规好氧池溶解氧自动控制，是利用设置在好氧池末 端 的 在 线 溶 解氧仪，通过比例积分微分( proportion integration differentiation，PID) 反馈控制来实现对供气量的调节。由于污水处理系统具有时变性、时滞性、扰动性以及非线性等特征，这种传统的溶解氧 PID 反馈控制方式，难以及时准确地应对各种扰动的影响。
精确曝气控制系统采用“前馈+模型+反馈”的控制策略，根据进水和运行条件的变化( 水量、水质、水温、液位、溶解氧浓度、污泥浓度等) ，通过数学模型实时计算得出系统所需的曝气量，并通过鼓风机和阀门的联动调节，来保证好氧池的溶解氧浓度维持在预设水平，实现溶解氧浓度的精细化控制。好氧池溶解氧浓度的稳定化和精细化控制，不仅为活性污泥中的微生物提供了稳定的生长环境，提高微生物代谢有机污染物的效率，有利于出水水质的稳定达标，而且实现了好氧池不同溶解氧控制区、不同时段的按需供配气，避免了过度曝气，从而可以有效减少鼓风机电耗，降低运行成本。
该厂好氧池曝气目前采用传统溶解氧 PID 反馈控制方式，建议远期工程时改造为精确曝气控制系统，以进一步稳定出水水质和节约成本。
5. 4 膜擦洗方式
膜曝气擦洗一般分为恒流量曝气擦洗和脉冲曝气擦洗。脉冲曝气擦洗是在膜池曝气风管上分别设置高、低曝气气动阀门，高曝气时，开启高曝气气动阀门，低曝气气动阀门关闭; 低曝气时，高曝气气动阀门关闭，低曝气气动阀门开启。脉冲曝气擦洗的周期同产水泵的运行周期保持一致，当产水泵运行时，进行高曝气; 当产水泵停泵时，进行低曝气。在曝气擦洗总风量基本不变的情况下，采用脉冲曝气擦洗时，产水泵的能耗比恒流量曝气擦洗时降低约 5%。由于脉冲曝气擦洗系统较为复杂，节能效果也不十分明显，所以该厂并没有采用，还是沿用传统的恒流量曝气擦洗系统。
6 优化运行
6. 1 污泥浓度控制
在秋冬季节生物反应池内水温较低时，活性污泥中微生物活性下降，为保证生化反应速率，需要提高活性污泥浓度，以提高微生物量; 而在春夏季节水温较高时，活性污泥中微生物活性提高，在保证出水水质稳定达标的前提下，可以适当降低活性污泥浓度，以降低曝气量，减轻膜污染。
该厂在实际运行中，通过控制剩余污泥的排放量，来调控膜池内的活性污泥浓度，进而控制整个生物反应池的活性污泥浓度。当水温为 10 ～ 20 ℃ 时，膜池污泥浓度控制在 9. 0 ～ 10. 0 g /L; 当水温高于20 ℃时，膜池污泥浓度控制在 8. 0～9. 0 g /L。
6. 2 溶解氧浓度控制
在保证出水氨氮达标的前提下，适度降低好氧池的溶解氧浓度，不但可以充分利用膜池污泥回流带至好氧池的溶解氧，还可以减少好氧池末端回流至前段缺氧池和进入后段缺氧池的溶解氧，为反硝化脱氮创造良好的缺氧环境，降低出水 TN 浓度，既进一步保证了出水水质的稳定达标，又减少了鼓风曝气量，实现了节能降耗。
该厂在实际运行中，利用设置在好氧池末端的在线溶解氧仪，通过现有的 PID 反馈控制系统，同时由操作人员使用便携式溶解氧仪，对好氧池不同溶解氧控制区定期进行测量，并根据测量结果与目标值的偏差，对曝气支管上的阀门开度进行调节，实现了对鼓风机总供气量和不同溶解氧控制区的配气量的优化控制。当水温为 10 ～ 20 ℃ 时，好氧池溶解氧浓度控制在 0. 8～2. 0 mg /L; 当水温高于 20 ℃ 时，好氧池溶解氧浓度控制在 0. 6 ～ 1. 5 mg /L; 好氧池末端溶解氧浓度均控制在 1. 2 mg /L 以下。
6. 3 进水流量分配
在实际运行过程中，该厂组合 MBR 生物处理池采用三点进水方式，膜格栅出水分别配至第 1 缺氧池、厌氧池和第 2 缺氧池，流量分配比例大致为 2 ∶ 2 ∶1，在第 3 缺氧池前端投加少量复合碳源，在减少碳源投加的同时，保证出水水质( 尤其是 TN) 稳定达标。
6. 4 运行效果
该厂正式投入运行以来，处理效果良好，出水水质优于设计标准。2020 年 1—12 月实际月均出水水质如表 2 所示。
7 结 论
随着污水处理厂出水水质标准的不断提高，MBR工艺得到越来越广泛的应用。某污水处理厂的工程设计和运行结果表明，MBR 工艺能够满足高出水标准和节约用地的要求，同时，通过合理的精细化设计和优化运行，既能保证出水水质的稳定达标，又能实现节能降耗的目标，为其他出水执行地表水准Ⅲ类、准Ⅳ类标准的污水处理厂的工程设计和优化运行提供了成功范例。
原标题：MBR 工艺污水处理厂设计实例与优化运行
原作者：魏铁军
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