由于面臨水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高以及可利用建設(shè)用地面積日益減少的雙重壓力，膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝在市政領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。MBR是一種相對較新的技術(shù)，隨著項目數(shù)量和處理規(guī)模不斷增加，其在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了許多有爭議的問題。本研究從技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面對一些主要的爭議問題進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施與建議，以期為MBR工藝的規(guī)模化設(shè)計應(yīng)用提供參考。

　　現(xiàn)狀應(yīng)用情況

　　近年來，我國MBR市場正在加速成長，至2014年底，我國已有近100座規(guī)模超1萬m3/d的MBR工程投入運行，并出現(xiàn)了近20座超10萬m3/d處理規(guī)模的MBR工程。據(jù)不完全統(tǒng)計，在市政領(lǐng)域中，2014年底投入運行的MBR工程累計處理能力近350萬m3/d。預(yù)計2015年底投入運行或在建的MBR工程累計處理能力將超過600萬m3/d。

　　應(yīng)用中存在的爭議問題分析

　　2.1

　　技術(shù)方面

　　2.1.1產(chǎn)水量下降

　　產(chǎn)水量下降的問題主要表現(xiàn)在以下3個方面：

　　(1)膜通量下降。在MBR工程運行過程中，由于物理、化學(xué)、生化作用或機械作用，會造成膜污染，盡管采用水力清洗、在線(維護性)和離線(恢復(fù)性)化學(xué)清洗可以延緩膜污染的加劇，但膜污染本身是一個不可逆的過程，所以膜通量下降是必然的趨勢，膜組件的產(chǎn)水量總體上來說呈現(xiàn)逐步衰減的過程。(2)膜清洗周期縮短。MBR工程通常運行3～5年后，跨膜壓差在單個清洗周期內(nèi)會增長加速，運行中需要縮短離線清洗周期以維持產(chǎn)水量，由于離線清洗時間較長且在清洗周期內(nèi)都無法連續(xù)產(chǎn)水，也降低了總體處理能力。(3)穩(wěn)定性下降。低溫會導(dǎo)致膜通量、產(chǎn)水量的下降外，也會抑制膜的透水性。溫度降低時污水中水分子和小顆粒物的活性下降，黏滯性增大，膜通量下降，產(chǎn)水量減少。從圖2可以看出，水溫分別在10、20、30℃時，設(shè)計膜通量的校正系數(shù)分別約為0.75、0.92、1.10，水溫l0℃時的膜通量相對30℃時約低32%，且不同的膜產(chǎn)品對低溫的穩(wěn)定性差異也較大。

　　實際運行中，很多MBR工程在運行早期一般均能達(dá)到設(shè)計規(guī)模，但隨著運行時間的推移，處理能力不斷下降。因此，當(dāng)采用MBR工藝時，必須充分考慮到這一情況，在膜池設(shè)計時宜每組預(yù)留一定的膜組件安裝空間，或設(shè)置一些空置的膜池，以備在某些膜組件性能下降后，可以安裝新的膜組件以保證維持正常的產(chǎn)水量。

　　2.1.2耐水量沖擊負(fù)荷能力差

　　MBR工藝一般分為外置式和浸沒式兩種。浸沒式MBR工藝由于其跨膜壓差較小，膜通量很少會超過臨界值，因而可以保持長時間穩(wěn)定的膜通量而無需進(jìn)行化學(xué)清洗。目前在我國市政領(lǐng)域應(yīng)用的MBR工藝主要采用浸沒式，依靠水泵負(fù)壓抽吸出水，水泵的額定流量限制了MBR工藝的最大產(chǎn)水量。由于膜運行時存在一個極限通量，當(dāng)進(jìn)水水量超過這個極限時，跨膜壓差會急劇加大，導(dǎo)致抽吸出水量下降。但由于全部產(chǎn)水均為通過膜后出水，故MBR工藝出水水質(zhì)得到保證。而在傳統(tǒng)活性污泥工藝中，峰值流量超過設(shè)計值時，會使沉淀池的水力負(fù)荷加大，出水水質(zhì)受到影響而導(dǎo)致處理效率下降。但峰值水流可以通過適當(dāng)加大沉淀池出水堰的堰上水頭而流出。

　　因此，與傳統(tǒng)工藝相比，MBR工藝可以保證出水水質(zhì)，但難以承受較大的水量沖擊負(fù)荷。而城市污水處理廠的流量會隨著季節(jié)、降雨量、生活習(xí)慣或進(jìn)水組成及處理規(guī)模等有所變化，所以對于水量波動較大的城市污水處理廠，應(yīng)用MBR工藝應(yīng)格外慎重。

　　針對這一問題，對于小型污水處理廠，建議通過加大生化池超高、加大抽吸泵的額定流量、適當(dāng)增大膜片面積來解決，但是會增加投資費用;對于大型污水處理廠，建議與傳統(tǒng)污水處理工藝配套使用，以應(yīng)對水量沖擊，而且MBR工藝的高品質(zhì)產(chǎn)水，還可適當(dāng)降低配套平行工藝的出水要求。

　　2.1.3存在技術(shù)壁壘

　　MBR工藝的應(yīng)用已越來越廣泛，但由于各膜廠商的膜材料和膜組件差異較大，相關(guān)的技術(shù)參數(shù)多掌握在各個膜廠商處，存在較嚴(yán)重的技術(shù)壁壘。同時，目前說及MBR工藝的著眼點主要是膜，但MBR工藝實際上是改進(jìn)型或強化型的生物處理工藝，是膜與生物反應(yīng)器的整合。與活性污泥法不同，在技術(shù)應(yīng)用中是全流程的系統(tǒng)概念，包括前端預(yù)處理系統(tǒng)、生化處理系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等多個部分，需要進(jìn)行整體系統(tǒng)設(shè)計。而目前，前端預(yù)處理、污泥和空氣系統(tǒng)沒有根據(jù)膜分離的特點加以優(yōu)化調(diào)整，生化處理部分與后續(xù)膜分離系統(tǒng)之間的銜接缺乏優(yōu)化設(shè)計經(jīng)驗，全流程設(shè)計經(jīng)驗和參數(shù)不全，忽視控制儀表和設(shè)備的選擇，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的運行指導(dǎo)，影響了MBR工藝的運行效果、膜壽命和能耗。

　　2.2

　　經(jīng)濟方面

　　2.2.1投資費用較高

　　膜組件的技術(shù)含量較高，投資較大;同時，MBR工藝的自動化程度較高，需要較為先進(jìn)的儀表設(shè)備，也相應(yīng)增加了投資費用。據(jù)項目統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，市政領(lǐng)域MBR藝的噸水總投資費用為2100～7000元，平均約3800元，直接工程費用為2000～4500元(包括土建、安裝、膜系統(tǒng)及其他設(shè)備)。表1列舉了部分大型MBR工程的投資情況。投資費用的差異與應(yīng)用領(lǐng)域(污水處理、污水深度處理、地表水處理、雨水處理)、項目建設(shè)時期(新建、擴建、升級改造項目)、膜組件廠商、結(jié)構(gòu)形式(地上式、半地下式和全地下式)等均有較大關(guān)系。

　　據(jù)統(tǒng)計，我國2012年所有市政污水處理廠的平均總投資費用是2200元/(m3˙d)，可見MBR工藝比傳統(tǒng)活性污泥法項目的建設(shè)投資費用高較多。但MBR工藝的出水水質(zhì)優(yōu)良且可達(dá)到再生水回用的標(biāo)準(zhǔn)，因此在比較投資費用時，應(yīng)以生物處理和再生水處理兩部分的費用之和與MBR工藝做比較。達(dá)到相關(guān)再生水回用標(biāo)準(zhǔn)的深度處理工藝很多，如濾布濾池、砂濾、超濾等。對比同地區(qū)、同時期、規(guī)模接近的3個污水處理廠，分別采用MBR工藝、二級生物處理+濾布濾池和二級生物處理+浸沒式超濾的工程直接投資費用(見圖3)可以看出，MBR工藝的土建費用略低些，但膜組件的投資較高，其他設(shè)備的投資也略高。總體上來說，二級生物處理+濾布濾池的投資費用最低，但是其出水水質(zhì)不如MBR工藝。如考慮接近的出水水質(zhì)，二級生物處理+浸沒式超濾投資與MBR工藝投資相差不大，差額在5～10。

　　此外，據(jù)不完全統(tǒng)計，用于市政領(lǐng)域的MBR工藝的占地面積為0.12～0.69m2/(m3˙d)，而包含三級處理的傳統(tǒng)工藝市政污水處理廠的占地面積為1.2～1.6m2/(m3˙d)。表明MBR工藝在占地面積方面有明顯優(yōu)勢。如果進(jìn)一步考慮征地費用，由于MBR工藝占地面積較小，投資差距會進(jìn)一步縮小。

　　由此看來，由于MBR工藝的一次性投資相對較高，在選擇MBR工藝時，應(yīng)因地制宜，綜合考慮出水標(biāo)準(zhǔn)要求、占地面積、經(jīng)濟因素、中水回用需求和進(jìn)水水質(zhì)處理難度等要素。

　　2.2.2能耗高

　　根據(jù)數(shù)據(jù)分析，市政領(lǐng)域MBR工藝的電耗為0.5～0.8(kW˙h)/m3，成本約為0.3～0.5元/m3，主要包含進(jìn)水提升、預(yù)處理系統(tǒng)、生化段攪拌與混合、回流系統(tǒng)、生化段供氧曝氣、膜池擦洗、膜抽吸系統(tǒng)、膜清洗系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。圖4表示了典型MBR工藝不同功能段的能量消耗情況。其中，控制膜表面污堵的膜池擦洗占能量消耗的比例最大，約為25%;生化段供氧曝氣占比也較大，約為21%。與傳統(tǒng)工藝相比，膜池擦洗、膜抽吸系統(tǒng)及膜清洗系統(tǒng)是MBR工藝能耗增加的主要方面，總占比近40%。

　　MBR工藝比傳統(tǒng)活性污泥法能量消耗高是其主要的劣勢所在。近年來，各方也在研究并采用了多種有效的優(yōu)化方式來減少能源需求，如通過多段氧平衡分析，重新設(shè)計生物曝氣量;改善膜組件配置，調(diào)整膜擦洗曝氣系統(tǒng)降低擦洗風(fēng)量;通過模型模擬技術(shù)和自動化控制，尋求更有效的曝氣模式來提高曝氣效率。

　　2.2.3運行成本較高

　　MBR工藝的處理成本主要是由電費、藥劑費(外加碳源、除磷、膜清洗、消毒)、人工費、污泥處理處置和膜組件設(shè)備的折舊費用(壽命)等組成。其中，電費和設(shè)備折舊費所占比例較大，成本分別約為0.3～0.5、0.15～0.30元/m3。運行成本的差異與項目規(guī)模、膜組件形式、進(jìn)水水質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式等均有較大關(guān)系。根據(jù)《2013中國環(huán)境狀況公報》，傳統(tǒng)工藝的直接經(jīng)營成本平均約為0.62元/m3，而MBR工藝的直接經(jīng)營成本在0.5～0.9元/m3，較傳統(tǒng)工藝高約0.15元/m3，加上設(shè)備折舊費要高出近0.4元/m3。對比同地區(qū)、同時期、接近規(guī)模的3個污水處理廠，分別采用MBR工藝、二級生物處理十濾布濾池和二級生物處理+浸沒式超濾的經(jīng)營成本(見圖5)可以看出，在不考慮膜/濾布更換費用時，MBR工藝比二級生物處理+浸沒式濾布濾池和二級生物處理+浸沒式超濾的運行成本分別高約0.138、0.046元m3;在考慮膜/濾布更換費用時，將高出約0.352、0.156元/m3。

　　由此可見，與傳統(tǒng)工藝相比，MBR工藝的高運行成本是其一大弊端，節(jié)能降耗及運行成本的優(yōu)化降低將是MBR工藝發(fā)展的主要方向。這涉及到膜材質(zhì)改性、膜材料價格、膜組件構(gòu)造、曝氣方式及參數(shù)的優(yōu)化、項目水質(zhì)特性的匹配性、項目自控水平和項目運行管理水平等方面，需要綜合優(yōu)化提升。

　　改進(jìn)措施與建議

　　過去的幾十年里，世界范圍內(nèi)MBR工藝在學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用方面都取得了令人矚目的成就，并在很多新的領(lǐng)域不斷開發(fā)。但是MBR工藝想要進(jìn)一步提高其核心競爭力，仍然面臨著諸多的技術(shù)和發(fā)展的挑戰(zhàn)。MBR工藝改進(jìn)的重點應(yīng)集中在以下5個方面。

　　3.1

　　提高膜的制造水平

　　膜材料是膜分離技術(shù)的核心，尤其是MBR工藝要在污水系統(tǒng)下工作，膜長期處于高濃度污泥中，如何保證其通量和使用壽命尤為關(guān)鍵。為了更好地發(fā)揮MBR工藝的優(yōu)勢，應(yīng)提高膜的制造水平，開發(fā)新型的針對市政污水處理的膜材料及對現(xiàn)有的膜材料進(jìn)行改性，制備出具有高通量、高強度、高親水性能且價格低廉的膜材料。

　　3.2

　　改進(jìn)膜組件

　　膜組件的優(yōu)化對于實際裝置運行十分重要，是制約膜技術(shù)廣泛運用的一個關(guān)鍵因素。開發(fā)研制性能優(yōu)越、抗污堵能力強、節(jié)能的新型膜組件才能促進(jìn)MBR工藝更廣泛運用。

　　3.3

　　整體流程的優(yōu)化

　　建議從污染物去除效果和膜污染控制效果兩方面來對流程進(jìn)行整體優(yōu)化，既要保證MBR工藝的處理效果，又要保證其能長時間穩(wěn)定運行。目前主要包括：(1)膜與新型污水處理技術(shù)的組合;(2)降低能耗的措施和技術(shù);(3)膜污染的控制及運行條件的穩(wěn)定化;(4)提升氮、磷的去除能力;(5)反應(yīng)器各段氧平衡分配技術(shù);(6)運行方式的控制與優(yōu)化。

　　3.4

　　標(biāo)準(zhǔn)化

　　雖然MBR工藝的應(yīng)用已越來越廣泛，但是仍沒有國家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。首先，膜產(chǎn)品的種類眾多，形式多樣，不同膜廠商的膜產(chǎn)品之間缺乏可靠的比較結(jié)果，在選擇上缺乏可靠的依據(jù);其次，各個膜廠商的自身數(shù)據(jù)庫較完善，有自己的設(shè)計參數(shù)和規(guī)范，但彼此之間相差較大，對于全行業(yè)來說沒有統(tǒng)一或綜合的設(shè)計手冊和規(guī)范，對于技術(shù)人員來說沒有充分的設(shè)計依據(jù);同時，MBR工藝對運行管理的要求較高，但是膜廠商大多只是提供膜組件，工程公司僅負(fù)責(zé)工程建造，對于后續(xù)維護和管理無相應(yīng)的規(guī)范指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)。因此，建議應(yīng)從膜組件、設(shè)計、運行操作3方面建立一整套合理的MBR工藝的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，有利于提高經(jīng)濟性和競爭力，促進(jìn)其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。

　　3.5

　　引入市場評估與準(zhǔn)入機制

　　膜廠商較多且在膜組件的設(shè)計上又形式多樣，用戶選擇比較困難，許多膜產(chǎn)品在運行開始的1年內(nèi)差別不是很大，但是在離線清洗后恢復(fù)性較差，運行1、2年后差別加大。因此，建議能建立統(tǒng)一的評估機構(gòu)，對擬應(yīng)用的各膜廠商產(chǎn)品做1年以上的運行評估，綜合考慮膜通量的穩(wěn)定性、沖擊負(fù)荷的耐受性、清洗的恢復(fù)性、低溫的穩(wěn)定性等，通過整套的評估后，設(shè)定同等業(yè)績或規(guī)模的準(zhǔn)入許可。同時，目前在國內(nèi)市政領(lǐng)域應(yīng)用的主要膜組件絕大多數(shù)已超過5年，建議對其實際的運行情況進(jìn)行跟蹤核查評定，并設(shè)定逐步晉級制度。

　　結(jié)語

　　隨著MBR工藝在市政領(lǐng)域中應(yīng)用規(guī)模和數(shù)量的擴大以及MBR工藝所固有的技術(shù)特性的顯現(xiàn)，應(yīng)用過程中有爭議的問題應(yīng)得到充分的重視并采取措施逐步予以優(yōu)化改進(jìn)。