MBR工藝在北京動物園湖水質改善中的應用
摘要：北京動物園湖水體長期處于封閉狀態，水質較差，透明度較低，在一定程度上影響景觀；采用MBR （膜生物反應器Membrane Bio-Reactor）工藝系統、曝氣推流、人工濕地及水生植物等綜合措施進行治理； MBR 主要出水指標達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類標準；動物園湖水質改善效果明顯，對SS、NH3-N、BOD5、CODMn 、TN、TP 等的去除率較高，實施效果基本達到要求的湖區水質《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類標準；基本不發生水華現象。
關鍵詞：MBR 北京動物園 水質改善
北京動物園是中國開放最早、飼養動物最多的動物園之一，距今已有100 余年的歷史。它位于西城區西直門外。北京動物園地鄰長河，園內6 個大小不等相連通的湖從西向東蜿蜒貫穿于整個園區，全長1 000 余m。水面面積4.4 萬m2，水量6.5 萬m3，這些湖泊的存在，既滿足了水生、兩棲動物的需要，同時還為動物園營造了一種優美、和諧的環境氛圍，也可供游人嬉水之用。湖泊水源由長河注入，湖泊退水進入長河下游； 2002年后，退水閘門關閉，湖泊處于只進水不出水的狀態。由于動物的生長排泄、園內地面徑流污染以及大量游人對湖泊造成的污染，導致動物園水環境的嚴重污染。水體長期處于只進不出的封閉狀態，水質較差，透明度很低，對湖泊的景觀效果造成了很大影響[1]。
1 湖水水質及工程措施
1.1 湖水水質
動物園湖水由于動物的排泄、園內面源污染以及大量游人投喂對湖泊造成的污染，導致動物園水環境的嚴重污染。水體長期處于封閉狀態，水質較差，透明度較低，對湖泊的景觀效果造成了很大影響。采取措施前動物園湖水各項水質指標見表1（2008 年取樣分析）。
表1 動物園湖水質
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從表1 可以看出，動物園湖水禽湖和牡丹湖水質最差，這與水禽湖的禽類活動污染和水體流動性差有很大關系。
1.2 工程措施介紹
針對動物園湖水質較差、污染嚴重、流動性差、游人較多及動物休息等特殊情況，設計采用了工程措施從水中移走污染物；以自動化程度高、節能、技術成熟、運行穩定及不影響園內珍稀動物的生活為原則；按照截污、減污、生態的治理理念，采用循環過濾凈化系統、曝氣推流、人工濕地及水生植物等綜合措施進行治理（見圖1）。圖中箭頭表示水處理及循環方向、湖內修復措施及污染物去向等等。
工程目標為（1）近期通過物理、生物及生態等措施，使水質明顯改善，水體透明度增加，水華得到抑制。（2）遠期隨著補水水源的水質改善及補水量加大，水體自凈能力提高，水質基本達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類標準，基本上不產生水華現象。
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由于動物園湖珍稀動物較多，用地緊張、補水水價較高等原因，鑒于MBR 工藝的主要優點（1）出水水質有保證，除了TN 外其他指標基本能達到Ⅲ類水體標準。（2）噸水運行費用僅為買水費用的1/3。（3）由于出水水質好，可以大大減少水體的循環周期，降低能耗。（4）排泥量低，適合公園的管理運行。設計方案采取了以MBR 工藝為核心的工程方案；依靠MBR 去除水中的污染物，再經消毒殺死病毒和細菌。按全湖循環周期為12 d 進行設計， MBR 設計規模為5 000 m3/d。同時結合輔助措施，最終達到改善水質，防止水華的目的。
1.3 MBR 法工藝簡述
MBR （膜生物反應器Membrane Bio-Reactor）是一種膜分離技術與生物處理技術有機結合的新型態廢水處理技術[2]，該技術可以同時解決水污染與水資源短缺問題，是當今世界最先進的污水處理和資源化技術，也是我國解決水污染與水資源短缺的核心支撐技術之一，主要利用中空纖維膜過濾達到凈化水質的目的，同時具備占地面積小、污泥量少等優點。該工藝是目前污水及再生水處理領域最具發展潛力的新型高效技術之一，在國內已有不少成功的工程實例，運行管理經驗也較成熟，而且該方案出水水質相當穩定，在北京的工程主要有目前世界上正在運行的最大MBR廢水資源化工程———北京密云再生水4.5 萬t/d回用工程、目前世界上最大的MBR工程———奧運配套工程的溫榆河水資源10 萬t /d 利用工程、懷柔再生水3.5 t/d 回用工程、北京奧林匹克公園中心區龍形水系自然水景工程、中國國家大劇院水處理工程等， MBR 膜技術的發展基本成熟。
MBR 循環凈化工程布置在動物園東北角，建筑面積約為700 m2，平面布置分為控制室、鼓風機房、臭氧間、中控室及MBR 設備間，循環凈化規模為5000 m3/d，其工藝流程圖如圖2 所示。
湖水經泵站提升并且經網格初步過濾去除雜質后首先進入混合池，混合池內投加PAC （聚合氯化鋁），通過機械攪拌使藥劑充分均勻地擴散在水中，混合后自流進入網格絮凝池；網格絮凝池內，在水流作用下使微絮粒相互接觸碰撞，以形成更大的絮粒，絮凝池出水通過穿孔花墻整流后進入膜池（放置過濾中空纖維膜進行過濾）；混合液在膜池內進行生物反應，去除有機物等污染物質，同時膜池內置膜組器，由抽吸泵將清水通過膜過濾抽吸完成泥水分離，出水再經臭氧消毒循環至湖內。
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2 工藝構筑物簡介
2.1 工藝處理構筑物
MBR 系統是水質改善綜合措施的核心，其系統均置于MBR 廠房內，工藝處理構筑物尺寸及設計參數見表2。
2.2 其他輔助建筑物
MBR 系統均置于廠房內，除工藝處理構筑物外，還有一些輔助設施構筑物，包括提水泵站及廠房等，附屬構筑物功能及參數見表3。
3 MBR 工藝處理效果
3.1 MBR 工藝處理效果
水質改善工程于2010 年10 月完工，完工時對設備進行初步驗收，運行了1 周時間， 2010 年10 月19日取樣檢測； 2011 年5—10 月進行試運行，在此期間對MBR 進水口和出水口水質進行取水檢測，共檢測2次，得出檢測數據， 3 次檢測數據如表4 所示。
從表4 可看出， MBR 工藝出水主要指標處理效果顯著， MBR 工藝出水水質穩定、水質較好；對SS、NH3-N、BOD5、CODMn等指標也有較好的處理率，處理污染物能力全面、效率高。工藝在2011 年運行了5 個月后，取水口水質各項指標均有所降低， MBR 工藝出水水質較好，很好地凈化了湖水水質，達到了設計要求的MBR 循環處理站主要出水指標《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類標準（其中TN≤10 mg/L）[2]。
3.2 動物園湖水水質改善效果
試運行期間在湖水不同位置進行布點檢測，共布點11 個，這些點基本覆蓋湖區，采用單因子指數法進行評價湖水水質分類，單因子評價法能夠客觀地評價水體的水環境質量狀況，可以清晰地判斷出水體的主要污染因子，評價結果見表5。
從表5 可以看出，動物園湖在運行MBR 工藝后，湖水中CODMn由Ⅲ類變為Ⅱ類， BOD5由Ⅲ類變為Ⅰ類， TP 由劣Ⅴ變為Ⅳ，總體上說MBR 工藝實施后動物園湖水水質得到了較大改善，工程實施效果明顯，基本達到要求的湖區水質《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類標準[3]。
3.3 動物園湖水富營養化
運行期間依據富營養化指標（主要有透明度、CODMn、總氮、總磷、葉綠素a）檢測結果進行綜合分析，采用營養狀態指數法（TL1 (Σ)）進行評價，評價結果見表6；可以看出， MBR 工藝運行后，湖中11個監測點的營養區變化明顯，由開始運行的1 個中營養區、4 個輕度富營養化區域、6 個中度富營養化區域，變化到運行后期的4 個中營養區域、7 個輕度富營養化區域，這說明MBR 工藝為主的工程措施實施后，整個湖水富營養狀況得到了較大改善，不少區域則由富營養化區域恢復到了中營養區域，整個湖水富營養化程度較輕，設備運行期間沒有發生水華現象[2]。
表2 工藝處理構筑物
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表3 附屬構筑物
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表4 動物園湖MBR 工藝水質處理效果表mg/L
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表5 動物園湖水質指標單因子指數評價結果
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表6 動物園湖富營養化水質指標評價結果表
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3.4 效益分析
動物園湖水質改善工程總體來說是環境改善工程，由于工程地處市區重要的地理位置以增加綠地與增加水循環、提高湖水水質為主要設計理念，項目實施后將為全國青少年創造一個優美的科普活動場所，提升北京市的對外形象，其社會效益顯著。
動物園湖水質改善工程的實施，對還清水質、保護珍稀動物、防止城市水環境污染將起到積極的作用。通過水體改善措施的實施，動物園湖的生態系統更加完整，水體自凈能力得到強化。
4 總結及建議
4.1 水質改善結論
單純對MBR 處理工藝來講，效果很明顯，處理效果達到了設計要求的MBR 循環處理站主要出水指標《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類標準；對整體湖面而言，動物園湖水質改善效果明顯，對SS、NH3-N、BOD5、CODMn、TN、TP 等的去除率較高，實施效果基本達到要求的湖區水質《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類標準；基本不發生水華現象。
4.2 建議
（1）目前MBR 工藝處理污水造價較高，今后應加強研究以節能、處理特殊水質對象等為目標，開發新型膜生物反應器[3]。
（2） MBR 工藝運行狀況與水質處理效果有很大的關系，建議運行管理單位加強運行人員的培訓，嚴格按規范操作，定期養護，以便保持MBR 工藝正常發揮作用。
（3）動物園湖水質改善效果受補水、降雨、人類活動、底泥釋放等因素影響，建議采取適當針對性措施減少對湖水的影響，例如將雨水收集處理后再入湖，以減少雨水將動物飼料、排泄物、地面污物直接帶入湖水。
（4）定期對湖面漂浮物進行打撈，遇到特殊情況發生大面積水華等情況采取應急措施。
參考文獻
[1] 北京市中心城區重點水域（陶然亭湖、動物園湖、南護城河）水質改善工程初步設計報告[R]. 北京市水利規劃設計研究院， 2009.
[2] 章祖良. MBR 膜生物反應器在污水處理中的發展及應用[J]. 科技資訊， 2011（4）: 148.
[3] 北京市中心城區重點水域（陶然亭湖、動物園湖）水質改善工程實施效果評價[R]. 北京市水利科學研究所， 2011.
作者簡介：尹艷青（1974-），女，工程師。
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