城鎮污水處理工程MBR工藝生化系統設計關鍵技術

蔣嵐嵐， 胡邦， 張萬里， 李大成， 梁汀

(無錫市政設計研究院有限公司，江蘇無錫214072)

摘要： 初步總結了城鎮污水處理MBR工藝生化系統的設計關鍵技術。MBR工藝污水處
理工程生化系統設計前應綜合選擇合適的生物段形式，合理確定生化系統工藝設計參數。生化系
統的布局應結合進、出水水質要求，充分考慮各段流態及回流、進水、提升方式，設備選型需因地制
宜、安全耐用。
關鍵詞：城鎮污水處理；MBR工藝； 工程設計； 關鍵技術

中圖分類號：X703 文獻標識碼：B 文章編號：1000—4602(2013)02—0025—05

Key Technologies for Design of Biochemical System in MBR Process
in Urban Sewage Treatment Plant
JIANG Lan—lan，HU Bang， ZHANG Wan—li，LI Da—cheng，LIANG Ting
(Wuxi Municipal Design Institute Co．Ltd．，Wuxi 214072，China)
Abstract：The key technologies for design of biochemical system in MBR process in urban sewage
treatment plant were summarized．Before the design of the biochemical system in urban sewage treatment
plant，the appropriate biochemical section form should be comprehensively selected．The design parame—
ters of the biochemical system process should be reasonably determined．The biochemical system layout
should be combined with the influent and effluent quality requirements．The flow state of each section，
the mode of sludge return，infiuent and lifting should be taken into full account．The equipment of the bi—
ochemical system in MBR should be selected according to the circumstances，and it should be both safe
and durable．
Key words： urban sewage treatment； MBR process； engineering design； key technology

隨著對污水排放標準的提高以及膜成本和能耗
的降低，MBR工藝由于出水水質優良、可直接回用
和節省占地等優點使其在污水處理方面的應用進入
高速發展時期。據預測，中國今后5年內MBR技術
產業將以50％～100％的年增長率高速發展‘1。。與
此同時，由于其在城鎮污水處理的規模化應用才剛
剛起步，設計建造的工程經驗和技術總結很少心1。
盡管MBR工藝是利用膜的高效固液分離功能
實現污水最終凈化的目的，但是有機污染物的去除
仍然以生物處理為主導，仍然要依靠合理設計的生
物處理段來實現。結合相關工程經驗，在研究國內
外成功案例和技術規范的基礎上，初步總結城鎮污
水處理工程MBR工藝生化系統設計關鍵技術，為今
后國內MBR工藝的規模化設計應用提供參考。

1 MBR工藝系統選擇關鍵技術
1．1 MBR工藝系統構成
膜生物反應器(MBR)是結合懸浮培養生物處
理法(活性污泥法)和膜分離技術而開發出的新型
水處理工藝，所以MBR工藝系統主要由生化系統和
膜分離系統兩部分組成。
1．2 MBR工藝系統的分類
1．2．1分置式和一體式
根據生化系統和膜分離系統的相對位置，膜生
物反應器可分為分置式MBR和一體式MBR兩種。
·25·
萬方數據
第29卷第2期中國給水排水
分置式MBR是將膜組件放置在生化系統之外的單
獨的膜池內，其特點是膜組件分組明確，運行環境良
好，便于獨立運行和清洗、檢修。一體式MBR則是
將膜組件直接放置在生化系統內，其特點是節省占
地，但是不利于膜組件的分組和配套管路的敷設。
1．2．2浸沒式和管式
根據膜組件的放置位置，可分為浸沒式和管式
兩種。浸沒式是將膜組件浸沒于生物反應器或膜池
內，管式是將膜元件裝填在膜管內，再設置膜架放置
膜管。
1．2．3正壓式和負壓式
根據過濾推動方式，可分為正壓式MBR和負壓
式MBR兩種∞。。正壓式MBR一般采用管式膜，通
過料液循環錯流運行，生物反應器的混合液由泵增
壓后進入膜組件，在壓力作用下膜濾液成為系統處
理出水，活性污泥、大分子物質等則被膜截留。其特
點是運行穩定可靠，操作管理方便，易于膜清洗、更
換及增設，但動力消耗高。負壓式MBR一般采用浸
沒式MBR，通過泵的負壓抽吸作用得到膜過濾出
水。同時設置膜擦洗曝氣，利用曝氣時氣液向上的
剪切力來實現膜面的錯流效果，以增加膜表面的紊
流和減輕膜表面的污染。其特點是不需要混合液的
錯流循環系統，能耗較低，且不需復雜的支撐膜架。
1．2．4 MBR工藝系統的選擇
對于城鎮污水處理工程，由于規模較大(一般
均在1×104 m3／d以上)，考慮到膜組件運行環境、
污泥濃度控制、脫氮除磷對DO的控制要求以及降
低能耗要求等，一般均采用負壓抽吸浸沒式分置式
MBR工藝，這也是本文的研究總結重點。
1．3生化系統的形式
由于污水排放標準提高了對脫氮除磷的要求，
因此很多傳統脫氮除磷工藝都被應用到MBR中，如
A／O、A2／O(包括A2／0氧化溝)、SBR等。
1．3．1 SBR--MBR工藝
將SBR與MBR相結合形成的SBR--MBR工
藝，除了具有一般MBR的優點外，對于膜組件本身
和SBR工藝兩種程序運行都互有幫助H15 J。由于膜
組件的截留過濾作用，使得污泥的生物活性高，吸附
和降解有機物的能力較強，同時也具有較好的硝化
能力。此外，SBR的工作方式為除磷菌的生長創造
了條件，同時也滿足了脫氮的需要，使得單一反應器
內實現同時高效去除氮磷及有機物成為可能。與傳
統SBR系統相比，一方面SBR--MBR在反應階段利
用膜分離排水，可以減小傳統SBR的循環時間；另
一方面，序批式的運行方式可以延緩膜}虧染。
1．3．2 A2／O—MBR工藝
傳統的生物脫氮工藝通常采用前置反硝化或后
置反硝化來實現氮的去除，而設置了厭氧、缺氧和好
氧反應器的A2／0工藝則可以實現同步除碳和脫氮
除磷功能。由A2／0工藝與膜分離技術結合而成的
具有同步脫氮除磷功能的A2／0一MBR工藝，進一
步拓展了MBR的應用范疇。在該工藝中設置有兩
段回流，一段是膜池的混合液回流至缺氧池實現反
硝化脫氮，另一段是缺氧池的混合液回流至厭氧池，
實現厭氧釋磷。A2／0一MBR工藝中高濃度的
MLSS、獨立控制的水力停留時問和污泥停留時間、
回流比及污泥負荷率等都會產生與傳統A2／0工藝
不同的影響，具有較好的脫氮除磷效率。
1．3．3 A20／A—MBR工藝
A20／A—MBR工藝是一種強化內源反硝化的
新型工藝，該工藝利用MBR內高濃度活性污泥和生
物多樣性來強化脫氮除磷效果【6J，其內部流程依次
為厭氧、缺氧、好氧、缺氧和膜池。該工藝在傳統
A20工藝后再設一級缺氧池，利用進水快速碳源完
成生物除磷和脫氮后，在第二缺氧池進行內源反硝
化，進一步去除TN后再利用膜池的好氧曝氣作用
保障出水水質。A20／A—MBR工藝是針對進水碳
源不足而同時又有較高脫氮要求的污水處理項目所
開發，也是強化脫氮的MBR脫氮除磷工藝。
1．3．4 A(2A)O—MBR工藝
A(2A)o—MBR工藝是兩段缺氧A20工藝與
MBR工藝的結合，其特點是在傳統的A20工藝中設
置了兩段缺氧區(缺氧區I和缺氧區lI)，在缺氧區
I內從好氧區回流的N03完全被還原，實現完全反
硝化；而在缺氧區Ⅱ內實現內源反硝化，節省外加碳
源的投加。該工藝大大提高了污水的生物脫氮效
率，同時避免了外加碳源，節約了運行費用，因此具
有很高的應用價值。
1．3．5 3AMBR工藝
3AMBR是依據生物脫氮除磷機理，結合膜生物
反應器技術特點而形成的具有高效脫氮除磷性能的
新型污水處理工藝∞J。其內部流程依次是第1缺
氧池、厭氧池、第Ⅱ缺氧池、好氧池和膜池，膜池混合
液分別回流至第1缺氧池和第Ⅱ缺氧池。第1缺氧
·26·

蔣嵐嵐，等：城鎮污水處理工程MBR工藝生化系統設計關鍵技術第29卷第2期

池利用進水碳源和回流硝化液進行快速反硝化；接
著混合液進入厭氧池進行厭氧釋磷，減少了硝酸鹽
對釋磷的影響；第Ⅱ缺氧池再利用污水中剩余的碳
源和回流的硝化液進一步反硝化脫氮；好氧池內同
步發生有機物降解、好氧吸磷和好氧硝化等多種反
應，徹底去除污水中的污染物；混合液再經膜過濾出
水，實現了對污水中有機物和氮磷的去除。3AMBR
工藝合理地組合了有機物降解和脫氮除磷等各處理
單元，協調了各種生物降解功能的發揮，達到了同步
去除各污染指標的目的，具有較高的推廣應用價值。
1。3。6 A／A20～MBR工藝
A／A20一MBR工藝為3AMBR工藝的改進工
藝，設置有第1缺氧區、厭氧區、第Ⅱ缺氧區、好氧區
和膜池等5個處理單元。預處理后的污水首先按比
例分配流量分別進入第1缺氧區和厭氧區，然后依
次重力流人第Ⅱ缺氧區、好氧區和膜池，最后通過膜
過濾抽吸出水。根據脫氮除磷需要設置兩級回流，
第一級回流是膜池的混合液回流到好氧區前端，第
和第Ⅱ缺氧區，兩者之間的流量比例通過回流渠道
和調節堰來分配。前置的第1缺氧區，優先最大限
度地利用進水碳源快速完成反硝化過程，去除大部
分的硝態氮。在第Ⅱ缺氧區內與部分從好氧區回流
過來的富硝酸鹽混合液再次混合，在長時間的缺氧
條件下，可以發生內源反硝化反應，進一步去除了污
水中的硝態氮。此外，將厭氧區放在第1缺氧區之
后，使得回流液中硝態氮被充分反硝化，減少了其對
聚磷菌的抑制，提高了除磷效果。
1．3．7生化系統形式的選擇
生化系統形式的選擇主要考慮以下幾個方面：
①進水水質情況，如難生物降解有機物濃度、碳氮
比、碳磷比等；②出水水質要求，尤其是對脫氮除磷
的效果要求等；③進水水質及水量波動情況；④氣候
條件等。從目前應用的工程經驗來看，A20及其變
形強化工藝是眾多應用在MBR脫氮除磷工藝中處
理效果最為突出的，其運行管理最為方便，也是最穩
定可靠的一類‘7。。目前各種形式的A20及其改進
二級回流是好氧區的混合液分別回流到第1缺氧區型的MBR脫氮除磷組合工藝的應用情況見表1。
表1 A20及其改進型的MBR組合工藝應用情況
Tab．1 Application of A2 O and improved MBR process
項目工藝內部流程進水方式回流方式應用情況
厭氧一缺氧一好氧厭氧單點進兩段回流，膜池回流硝無錫梅村污水處理廠二期工程(3．0×104 m3／d)、
A20一MBR 一膜池或缺氧一厭水或厭氧、缺化液；或三段回流，好無錫新城污水處理廠二期工程(6．0×104 n13／a)、
氧一好氧一膜池氧兩點進水氧區回流硝化液無錫胡埭污水處理廠二期工程(2．3 X 104 n13／d)
厭氧一缺氧I一好厭氧、缺氧I
三段兩點回流，好氧區
無錫新區碩放污水處理廠二期工程(2．0×104 m3／
A2 0／A—MBR 回流硝化液至缺氧I
氧一缺氧Ⅱ一膜池兩點進水d)
和缺氧Ⅱ
Af2A)0～ 厭氧一缺氧I一缺厭氧、缺氧I
三段兩點回流，好氧區
無錫城北污水處理廠四期工程(7．0 X 104 m3／d)、
回流硝化液至缺氧I
MBR 氧Ⅱ一好氧一膜池兩點進水四川綿竹漢旺污水處理廠(0．8×104 m3／d)
和缺氧Ⅱ
缺氧I一厭氧一缺缺氧I、厭氧
單段兩點回流，膜池回
北京密云再生水廠(4，5×104 in3／d)、北京懷柔再
3AMBR 流硝化液至缺氧I和
氧Ⅱ一好氧一膜池兩點進水缺氧Ⅱ 生水廠(3．5×104 Ill3／d)
缺氧I一厭氧一缺缺氧I、厭氧
兩段兩點回流，好氧區
無錫太湖國家旅游度假區污水處理廠三期工程
A／A2 0一MBR 回流硝化液至缺氧I
氧Ⅱ一好氧一膜池兩點進水(1．75×104 m3／d)
和缺氧Ⅱ
2 MBR工藝生化系統參數設計
2．1 污泥濃度
由于后續通過膜來實現泥水分離，因此較傳統
活性污泥法可選取較高的MLSS值。但是，在實際
工程應用中發現‘8J：①在實際進水有機物濃度低于
設計進水水質情況下，MLSS值難以達到設計值，通
過減少排泥來維持MLSS值時會造成MLVSS／MLSS
值偏低，導致生化池表面產生大量的浮泥，致使生物
活性降低，影響處理效率；②由于MLSS是最基本的
設計參數，當實際值與設計值偏差較大時會影響相
關設計參數(如SRT、空氣量)的準確度，從而影響
實際運行效果。
因此，對于進水有機物濃度較高的工業廢水，可
選取較高的污泥濃度值(～10 g／L)以盡量增大對有
機物的去除能力；而對于城鎮綜合污水處理工程而
言，由于進水濃度相對不高，宜選取較低的污泥濃度
·27·



(6～8 g／L)。
2．2 泥齡
對于有脫氮要求的城鎮綜合污水處理工程，
SRT宜根據硝化泥齡和反硝化泥齡來計算確定。需
要注意的是：由于系統內的MLSS值較高，因此MBR
工藝的泥齡通常較傳統工藝長。但實踐表明【8 J：過
長(30 d)或過短的泥齡均會使膜的TMP增勢加劇，
而泥齡在20 d左右時，跨膜壓差增長趨勢變緩。因
此，泥齡不宜太長，以20 d左右為宜。
2．3 污泥負荷
對于傳統活性污泥工藝而言，通常采用基于
BOD，的污泥負荷作為設計參數，但是，在MBR工
藝中，由于MBR反應器內微生物的結構、種類和生
物相的變化使MBR工藝對有機底物的利用不僅僅
局限于進水中的BOD，值，對部分表現為COD的物
質也可以利用，因此采用MBR工藝處理城市污水
時，不宜采用污泥負荷參數作為設計依據，而應將
MLSS和SRT作為MBR工藝生物處理單元的主要
設計參數。而由MLSS和SRT推算出的污泥負荷往
往僅為傳統活性污泥法污泥負荷的一半左右，較低
的污泥負荷一方面說明系統抗進水水質沖擊的能力
較強，另一方面也說明采用MBR工藝處理城鎮污水
時污泥負荷不宜作為主要的設計指標。
2．4水力停留時間(HRT)
由于MBR系統的MLSS值較高，以SRT計算確
定的生物池容積較小，相應的所需HRT較短(7～10
h)。實踐證明，如果考慮到系統有較高的硝化和反
硝化處理要求時，過短的HRT將難以保證其效果，
因此應適當加大系統的HRT(12 h)，同時可相應降
低SRT，有利于控制膜污染。
2．5需氧量和供氣量
由于MBR反應器內的MLSS濃度較傳統工藝
高，其混合液的液膜厚度、污泥粘滯度等會發生變
化，由需氧量計算供氣量時應調整參數Ot、口和co
值，因此，MBR工藝的理論供氣量計算值應大于傳
統工藝。但是大量工程實踐發現，實際生化池供氣
量小于計算量。分析其主要原因是：①為了控制膜
表面污堵，需要采用空氣擦洗來改變膜絲表面液體
的流態，大量的擦洗空氣使得膜池內的溶解氧濃度
極高(通常其DO值可達8～10 mg／L)，因此從膜池
到生化池的大比例回流液(通常為400％～500％)
使生化池所需的曝氣風量降低；②當實際進水有機
物濃度低于設計值時，會造成計算需氧量和實際
MLSS值均低于設計值，實際供氣量則會遠低于計
算值。因此在計算供氣量時應充分考慮這些因素，
給出一個供氣量的區間值，以便于進行鼓風機的配
置和風量調節控制。
3 MBR工藝生化系統布局設計
3．1 回流方式
對于MBR工藝，由于采用膜分離技術，往往將
硝化液回流與污泥回流合并，回流比高于傳統工藝。
大比例的回流會影響生化系統各段的DO值和
MLSS濃度等，因此需加強對MBR工藝回流的控
制。
根據生化系統形式、硝化液回流的方式和位置
不同，MBR的回流有各種不同的方式(見表1)。綜
合各種回流方式的實際效果，提出如下建議：①采用
膜池回流混合液至好氧區，再由好氧區回流硝化液
至缺氧區，如果采用膜池回流硝化液至缺氧區的方
式，由于混合液富含大量氧氣，會破壞缺氧環境，導
致反硝化反應不充分[9 J。②如果采用兩段缺氧生
化工藝，宜采用兩點回流方式，盡管增加了相應的管
渠，但是兩區的回流比例可以按照實際運行情況進
行分配，以便于充分有效地利用原水碳源和內碳源
來提高系統脫氮效果，減少外加碳源的用量。
3．2進水方式
由于在城鎮污水處理工程中均有較高的除磷脫
氮要求，因此大多采用了厭氧／缺氧／好氧工藝，對于
MBR工藝而言，生物反應池建議采用兩點進水方
式，即在生物池前設置進水分配渠道和分配調節堰，
污水進入分配渠道后，通過兩套調節堰門將原水按
照一定比例分配到厭氧區和缺氧區，從而選擇優先
滿足生物脫氮還是生物除磷對進水碳源的需要，而
且各區的分配比例還可以根據不同水質條件下生物
脫氮和生物除磷所需碳源的變化進行靈活調節。
3．3提升方式
由于膜池有效水深較生物池淺，混合液回流有
兩種提升方式：①前提升系統，即好氧池出水由泵提
升至膜池，膜池的混合液重力回流至生物池；②后提
升系統，即好氧池出水自流至膜池，膜池的混合液通
過回流泵提升至生物池。后提升系統較前提升系統
提升混合液的流量小，回流泵分別對應各組膜池便
于獨立檢修，但管路系統較為復雜；前提升系統管路
系統較為簡單，檢修維護工作量小，提升揚程較低。
·28·


蔣嵐嵐，等：城鎮污水處理工程MBR工藝生化系統設計關鍵技術第29卷第2期

在現有的MBR系統中兩種回流方式均有應用，實際
工程應用時應根據水位差、膜池分組情況、進水水質
和膜組件形式等綜合比較確定。

3．4好氧區形式
傳統活性污泥A2／O系統的好氧區構型多為長
方形廊道的推流形式。對于MBR工藝，其好氧區宜
設計成完全混合式，一方面有利于混合液處于良好
的紊動，保持懸浮狀態，減小因剪切造成的污泥顆粒
破碎，并提高曝氣設備的充氧速率¨⋯；另一方面，從
膜池回流至好氧區的大比例混合液可以實現快速混
合以充分利用膜池內的DO。

4 MBR工藝生化系統設備設計
4．1 攪拌器
對于厭氧區和缺氧區，如果池型(或分隔后的
池型)接近于正方形(L／B<1．3)，建議采用倒傘型
攪拌器。因其運行能耗低，立式環流攪拌均勻，不易
產生死角，水下無易損耗件且不會在攪拌主體上掛
帶任何物質而形成堵塞。
4．2曝氣器
一方面，由于考慮到污泥的粘滯性等因素使得
MBR工藝的計算供氣量高于傳統工藝；另一方面，
由于MBR工藝的HRT小于傳統工藝使得好氧區的
平面尺寸較小。由此造成單位面積的供氣量將遠大
于傳統工藝，因此，必須選擇單位通氣量大、氧轉移
率高的曝氣設備。在已運行的幾個MBR工程中，聚
乙烯改性纖維管式曝氣器和全球型剛玉曝氣器的運
行效果較好。
4。3回流泵
首先，根據回流位置的不同選擇不同的設備。
對于生化系統內部的回流通常采用穿墻PP泵；對
于膜池回流至生化系統的回流泵再根據提升方式的
不同進行選擇，如前提升方式一般采用潛水軸流泵，
后提升方式的回流泵又有兩種形式：①設置于膜車
間時，通常采用臥式端吸離心泵，且由于輸送介質為
高濃度的污泥，不宜采用清水泵，大多采用污水泵干
式安裝；②當系統設回流污泥渠時，回流泵設置于渠
內，通常采用穿墻PP泵。
4．4剩余污泥排放泵
剩余污泥排放泵可以設置于生化池內也可設置
于膜池進水渠內，一般采用潛水排污泵。建議設置
于生化池內，可以用來排除池底泥砂并可兼作生化
池放空泵。
4．5曝氣鼓風機
由前述可知，由于實際運行時的各種變化因素，
造成生化池的氣量變化幅度較傳統工藝大。因此在
曝氣鼓風機選型時，首先應優先選擇氣量調節范圍
較大的單級離心鼓風機。若采用多級離心鼓風機，
必須配置變頻器，不宜采用羅茨鼓風機。其次，所選
的鼓風機應使調節后的組合供氣量涵蓋計算供氣量
的區值。

5結語

隨著MBR在污水處理中的應用越來越多，有關
設計和建造的技術總結必不可少。主要從工藝系統
的選擇、生化系統參數設計、生化系統布局設計和生
化系統設備設計等四方面，總結了城鎮污水處理工
程MBR工藝生化系統設計關鍵技術，可為今后國內
MBR工藝的規模化設計應用提供參考。


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E—mail：j11158@163．COllI
收稿日期：2012—07—02


第29卷第2期
2013年1月
中國給水排水
CHINA WATER&WASTEWATER
V01．29 NO．2
Jan．2013