膜技术在污水厂提标改造中的应用和启示

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摘 要：膜技术在近几年来已经得到了长足的进步和发展，广泛应用于北京地区的污水处理厂提标改造工艺中。膜技术所拥有的出水水质优良稳定、剩余污泥量少、设备紧凑，占地少的优势，适用于深圳这种土地集约利用需求高于工程投资限制的地区。
关键词：膜技术；高碑店污水厂；翠湖新水源厂；稻香湖再生水厂；提标改造
中图分类号：TU992 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0166-02
1 工作概况
作者于2016年前往北京开展了为期三天的膜技术污水处理考察工作。先后参观了北京高碑店再生水厂、北京翠湖新水源厂、北京稻香湖污水处理厂，同时，参观了某膜技术公司总部及其膜生产基地，并和相关技术人员进行了深入的交流和探讨，对膜工艺的生产、膜工艺在污水处理行业的运用以及北京污水处理行业提标改造工艺的技术路线有了一定的认识。
2 对膜过滤技术的认识
膜过滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的分离和浓缩的目的。膜过滤技术是深度水处理的一种高级手段，根据膜选择性的不同，可分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）等。
3 膜技术在市政污水处理行业的运用
膜处理技术作为一种新型高效、精密分离技术，相比其他物理、化学及生物处理技术有自己的特点：（1）通过膜处理，物质前后的物理、化学性质不会发生改变；（2）膜处理技术依靠得是膜的孔径及选择透过性实现污染物的分离，无需投加化学药品等；（3）膜处理技术具有处理高效，应用普遍的优势，且能将有机物、无机物以及微小的细菌甚至病毒分离；（4）膜处理技术易操作、易维修，且不需要占用很大场地。
膜技术在污水治理及回用中作为一项实用技术，其优点是几乎可完全脱除悬浮物（SS）、一般的细菌、病毒、大肠杆菌等，且可脱色，减少生成三氯甲烷（THM）的前驱物，出水水质优良，由于膜装置占用的空间小，特别适合于老厂改造升级或建厂空间受限制的条件下采用。
在城市污水的处理、回用中，膜技术常用于二级处理后的深度处理中，多以微滤（MF）、超滤（UF）替代常规深度处理中的沉淀、过滤、吸附、除菌等预处理，以纳滤（NF）、反渗透（RO）进行水的软化和脱盐。在污水处理中，目前使用最多的是以MF、UF与活性污泥组成的膜生物反应器（MBR），用以代替原工艺中的二沉池。
当然，膜技术也存在一些不足。主要表现在以下几个方面：（1）膜造价高，使膜生物反应器的基建投资一般会高于传统污水处理工艺；（2）膜污染容易出现，给操作管理带来不便；（3）能耗高：首先MBR泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次是MBR池中MLSS浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度，还有为了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成MBR的能耗要比传统的生物处理工艺高。所以，在污水处理工艺设计中，应根据污水的来源、处理后出水的标准和周边的环境条件等，进行综合比较和考量，合理选择处理工艺。
4 北京地区污水处理厂膜技术考察案例
4.1 北京市高碑店污水处理厂（高碑店再生水厂）
北京市高碑店污水处理厂是北京市建设的第一座大型、现代化的城市污水处理厂，厂区占地1020亩，远期建设规模250万m3/d，近期建设规模100万m3/d，占全市污水处理总量的40%。出水标准按国家标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准排放。2012年，北京开始着手对高碑店污水厂进行提标改造，即在原厂范围内建深度处理措施，即新建北京市高碑店再生水厂，日处理规模达到100万吨，占到本市全部再生水处理量的40%以上，是国内规模最大的再生水厂。高碑店污水厂提标改造（即高碑店再生水厂工程）工艺路线是先将现有二级生化工艺（A2O）进行改造，增加生物反应池容积，并在好氧曝气池的硝化段添加填料，提高硝化污泥浓度，强化硝化反应，使出水的氨氮浓度小于1mg/l；通过强化生物处理，辅助化学除磷，使出水二级生化段出水总磷小于1mg/l；深度处理段采用反硝化生物滤池进行脱氮，视情况在滤池前补充碳源和投加化学除磷药剂；生物滤池出水经过滤器和超滤膜过滤，去除胶体和颗粒物，再经臭氧氧化脱色，紫外消毒后出水。
该提标改造工程的特点是：（1）对现有污水处理设施的影响较小，全厂四个系列，按实际进水量80万吨/天计算，开三个系列，停一个系列进行改造，冲击负荷影响不大，新建的深度处理工程远离现有设施，单独建设，对现有生产影响极少。（2）反硝化滤池适合低浓度污染处理，膜过滤工艺有效截留颗粒物、胶体和微生物，对出水水质稳定起到重要作用；（3）整个深度处理流程较长，运行灵活，可根据出水水质情况超越或部分运行处理构筑物；也可处理部分进水，出水混合达标，以节省运行费用。
4.2 北京翠湖新水源厂
北京翠湖新水源厂（原名翠湖再生水厂）原日处理水量为1万吨，处理工艺是SBR+活性砂濾，出水指标达到北京地标《水污染物排放标准》（DB11/307-2005）一级B标准（略高于国标一级B，低于一级A）。2014年，该厂提标后，日处理水量从当前的1万吨增加到2万吨，出水标准达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中II类水体的标准，成为北京的战备水源之一。
该提标改造工程采用了“双膜过滤”的污水处理工艺，即MBR+NF，就是微滤+纳滤工艺。改造过程中没有新增占地，基本保留原来的装置，增加了一个膜格栅，将SBR池按照MBR工艺要求改造成A2O生化池，在原有空地增加一座MBR膜池，出水再经过新建的纳滤车间过滤后排放。经过“双膜过滤”的污水，已经达到了地表II类的排放标准，相当于饮用水的水质，出水标准远高于一般污水厂。该厂吨水占地为0.5m2/m3，比一般常规工艺污水厂占地略小，这也是膜工艺污水处理的特点；但该厂全流程吨水投资仅4000元，其中纳滤系统吨水投资1000元，而前段MBR工艺吨水投资仅3000元，和一般污水处理工艺吨水投资相当；直接运行成本也仅1.8元/吨，其中纳滤段占0.9元/吨，而前段MBR工艺（达到地表IV类出水）直接运行成本仅为0.9元/吨。该经济指标颠覆了作者对膜工艺特别是MBR工艺的常规认知。该提标改造工程是一个解决水污染、污水资源化的示范性工程，类似于新加坡新生水厂解决方案（新加坡新生水厂出水标准更高，采用了RO反渗透工艺），为我们污水处理资源化、开发新水源、解决水资源短缺问题方面做出了积极探索，提供了新的思路。
4.3 北京稻香湖再生水厂
稻香湖再生水厂是北京市首座全封闭的地下再生水厂。再生水厂总设计规模26万吨/天，一期设计规模8万吨/天，一期占地2.46公顷，工程总投资为4.73亿元，出水水质执行北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB11/890-2012）中的B标准，同时其主要指标满足地表Ⅳ类水水质要求。该工程一期采用了多点进水（精确曝气）A2O+二沉池+浸没式超滤膜工艺，地下污水处理厂的主要处理设备厂房均建在地下16m到18m处。从整个工艺来看，基本还是在常规二级生化工艺的基础上加上超滤膜过滤的深度处理工艺，有膜工艺在末尾的把关，出水水质还是有保证的。另外，该厂虽然号称为全地下污水厂，但综合楼和污泥脱水车间（外运输送部分）也还是地上式建筑，便于管理和污泥脱水后的外运。
5 北京地区污水处理厂提标工艺技术路线总结
5.1 进、出水水质
5.1.1 污水厂进水水质
北京地处半干旱地区，地下水位较低，地下水渗入污水管网的量很少，加上降雨量不算大，所以污水管网中即便是合流系统，其收集的生活污水浓度都较高，一般COD在400～500mg/l，BOD在200～250mg/l，SS在250mg/l左右，氨氮20～30mg/l，总氮40mg/l。
5.1.2 污水厂出水水质
由于有中水回用的大量需求，北京历来对污水厂出水水质有自己的地方标准，如基于国标《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的北京地标《水污染物排放标准》（DB11/307-2005）和近年来执行的北京地标《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB11/890-2012），都严于国家标准。特别是DB11/890-2012，基本是按照国标《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中地表III类和IV类制定的。
5.2 北京地区污水处理主流技术路线
由于北京地区污水的进水浓度高，而要求的处理出水浓度低，还都有回用要求，故对于污水处理的去除率要求就显得很高了，势必对市政污水处理工艺的要求高。经过多年的实践和运行，北京的污水处理工艺的技术路线基本已经较为明确，即采用膜工艺技术，要么是MBR工艺，要么是A2O+超滤膜工艺。如最近新建的高碑店再生水厂、稻香湖再生水厂、槐房再生水厂、清河第二再生水厂、定福庄再生水厂、小红门再生水厂等新建（提标改造）的大、中、小型污水厂无一例外均采用膜技术。
对此现象，我们也进行了分析和研究，北京是国内较早在污水处理中运用膜技术的城市，有关膜技术的优缺点和运行经验都已有比较成熟和客观的认识。同时，北京面临着水资源匮乏、土地紧缺、污水回用需求高，出水标准高等一系列的问题，加上北京本地有大型的膜生产企业以及政府的产业支持和政策导向，使得膜技术在北京污水处理工艺中得到了广泛的推广和应用。
6 对深圳地区污水处理厂提标改造工程的相关启示
随着深圳治水提质计划的稳步推进，深圳也在如火如荼的开展污水厂提标改造和新建污水厂的工作。而从目前深圳的污水处理工艺设计路线来看，还是采用常规工艺加深度沉淀过滤的型式多，即大多是采用的是A2O生物池+二沉池+高效沉淀池+快速滤池，这种工艺设计技术上也能达到出水地表IV类。深圳地区前段A2O生物池+二沉池的工艺基本和其他地区设计思路一致，基本可以解决COD、BOD、NH3-N以及TN的降解，关键在于后续对TP和SS去除的思路与其他地区（特别是北京地区）是有差别的。对于后段TP和SS的去除，北京的工藝设计主要是靠超滤膜过滤来解决，出水水质好且稳定。深圳地区的设计则采用高效沉淀池+快速过滤的型式，从占地的角度看，高效沉淀池+快速过滤远大于膜过滤技术的占地，且出水还是受到沉淀池和滤池运行效果的影响，现在常用的快速滤池有纤维滤池、滤布滤池，这两种滤池已有反映出效果不理想了。如此一来，深圳采用的深度处理工艺无论从占地还是出水效果都不如北京的工艺有优势。这的确值得我们深思。
究其原因，认为还是深圳的设计单位对于膜技术的认识还比较保守，基本认识还都基于几年前对膜技术的评价，即膜技术工程投资高，运行费用高，维护成本高。其实，近年来，膜技术得到了飞速发展，其研究水平、制造工艺以及产品性能和价格已经发生了翻天覆地的变化，特别是国内大型膜技术生产企业的成长，已经让膜技术克服了上述缺点，这也是北京地区敢把膜技术作为其主流污水处理技术的原因。
通过本次考察交流得知，膜技术在近几年来已经得到了长足的进步和发展，已经不再是我们原来的膜技术造价高，能耗高，周期短的印象了。根据相关单位提供的资料，如今的MBR工艺的吨水能耗已从原来的0.6～1kwh/m3降到0.41kwh/m3，膜的使用寿命已从原来的1～2年增加到5～8年，新建MBR工艺污水厂单位吨水投资已经可以降到1500～2050元/m3，污水厂提标改造至地表IV（采用MBR工艺）的单位吨水投资为900～1100元/m3，单位运行成本已经可以降到0.5元/m3左右。这个数据对于我们污水处理工艺设计者来说，是十分震撼的，基本可以和一般的常规污水处理工艺同台竞争了。而膜技术所拥有的出水水质优良稳定、剩余污泥量少、设备紧凑，占地少的优势，对于深圳地区这种土地集约利用需求高于工程投资限制的地区来说是具有相当的诱惑力的，值得我们作为设计者认真的研究和比较。
参考文献：
[1]于海琴.膜技术及其在水处理中的应用[M].北京：水利水电出版社，2011.
[2]伊学农.污水处理技术与工艺管理[M].北京：化学工业出版社，1997.