膜生物反應器（MBR）是一種由膜分離技術與生物處理技術相結合的新型水處理技術，主要由生物反應器和膜組件組成，可用于MBR的膜類型有微濾膜（孔徑≥0.1µm）、超濾膜（孔徑<0.1µm）。生物反應器主要降解有機物質，膜組件是MBR的核心構件。因MBR工藝具有出水水質好、流程短、占地面積小、抗水質沖擊性強、產泥率低等優點，已成為污水處理廠擴容和提標改造的主要技術手段，例如將原有二沉池等構筑物改造成MBR膜池，就可在無新增用地情況下同步實現擴容和提標的雙重目標，特別是可將出水一級A標準提升至地表水準Ⅳ類標準。
目前，國內采用MBR工藝處理市政污水總規模已超過2000×104m3/d，應用范圍涵蓋新建項目和改造項目、地上和地埋式污水處理廠。例如，2010年建成的廣州市京溪污水處理廠是我國首座采用MBR工藝的全地埋式市政污水處理廠，設計規模為10.0×104m3/d。2015年建成的北京市槐房污水處理廠是國內MBR單體處理規模最大的污水處理廠，設計規模為60×104m3/d。
1、MBR膜應用現狀及發展趨勢
MBR被廣泛應用于各類污水處理工程中，并取得了良好的處理效果，但在以往應用過程中也暴露出明顯的缺點，例如膜運行能耗較高、膜使用壽命偏短等。有研究表明，MBR膜系統的運行能耗約占整個污水處理廠的50%~70%，而MBR膜系統最大能耗來自膜擦洗曝氣環節，其能耗通常占MBR膜系統能耗的70%以上。運行電費與氣水比成正比，行業內較多膜產品的曝氣氣水比為（8~12）∶1，約為好氧池曝氣氣水比的2倍。何曉衛在昆明某污水處理廠開展MBR工藝節能技術研究，發現MBR工藝污水處理廠能耗較高，其中88.1%來源于電耗，而電耗的63.0%用于鼓風曝氣。此外，膜工藝的抗水量沖擊負荷能力較差，由于膜的最大通量往往是一個定值，超過此數值后，跨膜壓差（TMP）會急劇增大，引起嚴重的膜污染，出水水質也會變差，因此不能通過更大的流量。
隨著國內外膜材料和膜應用技術的發展，MBR膜的可持續膜通量、使用壽命、運行成本和耐污染性等指標都得到大幅提升。近年來，MBR膜孔徑也呈現逐步減小的趨勢，歐洲和北美地區MBR超濾膜逐步完成了對微濾膜的全面替代，國際主流的MBR產品也普遍采用孔徑≤0.05µm的超濾膜，例如威立雅的MBR膜孔徑為0.04µm，Koch和Supratec的MBR膜孔徑均為0.03µm。隨著超濾膜的普及，歐美市場市政污水MBR膜的平均使用壽命從5年提升到12.5年。近年來，國內主流MBR膜產品膜孔徑也呈逐步減小的趨勢，例如碧水源MBR膜產品已經從第一代發展到第四代，膜孔徑從最初的0.4µm縮小到0.2µm，直至最新第四代的0.1µm。
膜孔徑的大小，對于MBR可持續的膜通量至關重要，進而會影響膜化學清洗成本和膜壽命。膜孔徑影響可持續膜通量的機理在于孔徑大小決定了細菌進入膜孔內的概率。通常細菌的尺寸>0.2µm，在膜產水泵負壓抽吸過程中，部分細菌尺寸會收縮至0.06~0.08µm，因此對于膜孔徑較大的微濾膜，細菌會進入膜孔，在膜孔內繁殖甚至堵塞膜孔，即使化學清洗也不能完全清除，造成膜產生不可恢復的通量衰減，降低了膜使用壽命。而對于孔徑不超過0.05µm的小孔徑超濾膜，細菌難以進入膜孔內部，只是在膜孔表面聚集，通過膜曝氣和化學清洗可以去除，因此膜通量衰減慢、膜使用壽命長。此外，即使膜濾過程中膜表面會有濾餅層保護，對細菌等微生物有攔截作用，但在膜曝氣和反洗過程中濾餅層易遭到破壞，出現膜表面裸露，對微濾膜而言這是細菌容易進入膜孔內的“窗口期”。
早期之所以MBR市場的膜產品以微濾膜為主，主要受制于當時的制膜水平，超濾膜的開孔率不高，因此膜通量低，缺少經濟性。微濾膜由于膜孔徑大，初期通量高，但問題在于細菌容易進入微濾膜膜孔，造成膜通量衰減和使用壽命縮短。隨著高開孔率超濾膜進入市場，MBR膜的這一關鍵痛點問題也得到解決。微濾膜和超濾膜電鏡照片見圖1。
隨著產品性能的提升，相應的標準和規范也在變化，《室外排水設計標準》（GB50014—2021）中處理生活污水的MBR設計平均膜通量提高到15~25L/（m2·h），這意味著同樣的污水處理量，膜的使用面積減少，即提高了膜應用效率，有助于降低MBR的建設成本。
在膜運行能耗方面，關鍵是如何減少膜擦洗的氣水比，而膜擦洗氣水比與膜擦洗的曝氣形式、運行膜通量和膜組件裝填密度等三個因素相關。隨著節能脈沖曝氣器代替傳統的穿孔管曝氣以及膜通量提高，近些年膜擦洗氣水比也在大幅降低。目前，在一些新投產的市政生活污水MBR污水處理廠項目中，國際一線品牌MBR產品的曝氣氣水比已低至3∶1~4∶1，國產一線品牌MBR產品的曝氣氣水比可達到5∶1~6∶1。在國家提出“雙碳”目標的政策背景之下，節能降耗已成為污水處理廠建設的關注重點。根據中國膜工業協會標準《“領跑者”標準評價要求-膜生物反應器》（T/ZGM004—2021，T/CSTE0051—2021），MBR中空纖維膜推薦氣水比≤6∶1。
對于工業廢水，由于膜通量的設計取值通常低于市政生活污水，因此，相同處理量時工業廢水MBR的擦洗氣水比會比市政生活污水高。
隨著生態文明建設的不斷推進，污水處理行業的標準不斷提高，甚至出現了以地表水“Ⅳ類”或“準Ⅳ類”為排放標準的項目。在污水資源化的政策背景之下，傳統污水處理廠也在向再生水廠發展，例如宜興城市污水資源概念廠出水標準達到了COD<30mg/L、TN<3mg/L、TP<0.1mg/L，經過處理再生的尾水除用于濕地外，部分還進一步深度處理到直飲水標準。MBR超濾膜若解決了運行成本高和通量易衰減的痛點，則具有較好的應用前景，可同步實現污水處理設施擴容、提標、污水資源化和溢流污染控制的多重目標。
結合上海某工業園區污水處理廠MBR膜更換項目，介紹了小孔徑MBR超濾膜在該廠化工廢水處理中的應用情況，并與所替換的微濾膜進行對比，重點分析運行膜通量、曝氣能耗和膜清洗成本的變化情況，以期為MBR超濾膜用于工業廢水處理廠項目提供借鑒。
2、項目應用案例
2.1 項目背景
該工業園區污水處理廠現狀總規模為5.0×104m³/d，分為獨立運行的工業廢水和生活污水兩條工藝處理線，設計處理規模均為2.5×104m³/d，其中，工業廢水處理線的來水主要為化工廢水，處理工藝流程：廢水→粗格柵→提升泵站→細格柵→精細格柵→初沉池→調節池→兼氧酸化池、沉淀池→AAO池→MBR→臭氧接觸氧化→曝氣生物濾池→消毒池→達標排放，設計出水水質滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準和《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）的一級標準，共23項指標。設計8條MBR膜池廊道，每條膜池裝有8套MBR膜組器，共計64套膜組器。設計進、出水水質見表1。
該工程于2016年建成并投入使用，工業線2.5×104m³/d的MBR膜原采用某國產一線品牌孔徑為0.1µm的微濾膜，運行3年多后又更換過一次原廠家的微濾膜，每次微濾膜更新后使用壽命只能維持3年多。2023年初，該廠將原微濾膜更換為某國際一線膜品牌的孔徑為0.03µm的超濾膜，并對膜池的曝氣風管加裝風量流量計及上位機自控程序調整優化，以滿足該廠的長效穩定運行要求。
2.2 膜更換方案
在更換超濾膜前，工業廢水處理線的微濾膜已運行3年多，存在的主要問題是膜產水量下降，比設計規模減產30%以上，且運行TMP均達到50kPa以上。
本次換膜采用一一替換方式，即換膜前后膜組器數量不變，并利用原有膜池安裝導軌。由于新更換的超濾膜為國際一線品牌產品，開孔率高、孔徑為0.03µm，膜通量比原微濾膜大，因此雖然膜組器數量保持不變，但更換新膜后單個膜組器的膜面積少于原微濾膜，超濾膜總的安裝面積比原微濾膜減少35%。
超濾膜運行1年后的數據與原微濾運行1年和3年后的數據對比見表2。
2.3 運行效果分析
2.3.1 產水量和TMP
工業廢水處理線MBR系統換膜改造后，MBR膜池單廊道曝氣風量約800~900m3/h，估算氣水比為6∶1~7∶1，膜池MLSS為12~15g/L。
換膜前，工業廢水處理線MBR系統每個膜池的平均產水量已不足100m3/h，且TMP均達到50kPa以上，間隔2~3個月需進行一次離線清洗，平均處理能力不足1.5×104m3/d。換膜改造后，工業廢水處理線MBR系統每個膜池的產水量均能穩定達到150m3/h，且TMP穩定在10kPa以內，運行1年尚未進行離線化學清洗，MBR系統處理能力穩定達到甚至超過設計水量（2.5×104m3/d），保障了污水處理廠的穩定運行。
以連續監測的7#、8#膜池廊道為例，膜池在更換安裝完成并通水調試投運后1年多時間里，整體運行正常平穩，未進行離線恢復性化學清洗，處理水量、出水水質均滿足設計要求。圖2為7#和8#膜池運行過程中TMP和膜通量隨時間的變化，可見隨著實際進水流量的波動，MBR超濾膜的瞬時通量為15~20L/（m2·h），即使在冬季膜池水溫較低的情況下，TMP也均穩定在10kPa以下。
與初始運行數據相比，MBR超濾膜連續運行12個月后，其TMP波動變化整體較為平穩，沒有發生明顯增長現象，表明膜未發生污堵，運行狀態良好。其余1#~6#膜池投運后，雖然沒有進行數據連續監測，但抽樣運行數據與7#、8#膜池廊道運行數據基本一致。
2.3.2 能耗
MBR工藝最大能耗占比來自膜擦洗曝氣環節，本次換膜改造后，每兩個膜池廊道共用一個新安裝的空氣流量計以監測膜池的曝氣風量強度，換膜改造前后產水量、曝氣風量和氣水比的對比如表2所示。由于本次改造仍利用原有鼓風機，鼓風機已運行至可變頻風量的下限，難以再調低風量，因此實際運行氣水比（6∶1~7∶1）超出了實際需要的氣水比（5∶1~6∶1），與換膜前相比，氣水比（噸水曝氣能耗）降低約40%。
2.3.3 膜清洗成本
膜清洗成本是MBR工藝運行成本的重要組成部分，包括在線維護性清洗和離線恢復性清洗。換膜后，由于膜性能的改進和清洗藥劑的優化，系統清洗周期延長，因此清洗成本顯著降低。表3為換膜前后化學清洗藥劑成本和人工勞務成本，換膜改造后次氯酸鈉清洗（簡稱堿洗）用藥量比換膜前節省約226.4m3/a，因在線酸洗采用檸檬酸，其價格比鹽酸高，核算總的清洗藥劑成本費用，換膜后僅節省約0.71萬元/a，但離線清洗周期長，人工勞務費用節省約20.8萬元/a，換膜改造后測算膜清洗可節省總的成本費用約21.51萬元/a，降低約44%。
3、結論與建議
上海某工業園區污水處理廠MBR系統采用超濾膜改造后，污水處理能力由原來的不足1.5×104m3/d提高至設計處理能力2.5×104m3/d及以上，運行膜通量達到15~20L/（m2·h）時，運行TMP也可穩定在10kPa以下，離線化學清洗間隔也提高到1年以上，滿足生產需求。在風機運行頻率不變的情況下，氣水比由原來的10∶1~12∶1降至6∶1~7∶1，核算噸水電耗降低約40%。化學清洗成本節省約21.51萬元/a，相較換膜前降低約44%。
改造設計和運行結果表明，相較于常規微濾膜，MBR超濾膜能夠在保證水質穩定達標的情況下，以較高的可持續膜通量運行且TMP較低，顯著提高了系統的抗水量沖擊性能。同時，MBR超濾膜又能降低氣水比和離線恢復性清洗頻次，實現節能降耗的目標，為MBR超濾膜工藝在污水處理廠提標改造工程的設計和運行提供了成功范例。在污水處理標準逐步提高和鼓勵污水資源化利用的政策背景下，MBR超濾膜工藝因其出水水質好、流程短、占地面積小、抗水質沖擊負荷強的優點以及可同步實現污水處理設施擴容、提標、污水資源化和溢流污染控制目標的特點，具有較好的應用前景，建議進一步開展相關應用研究。（來源：上海市城市建設設計研究總院<集團>有限公司，清華大學環境學院，上海世浦泰新型膜材料股份有限公司，上海世浦泰膜科技有限公司）
