MBR工艺在北京动物园湖水质改善中的应用
摘要：北京动物园湖水体长期处于封闭状态，水质较差，透明度较低，在一定程度上影响景观；采用MBR （膜生物反应器Membrane Bio-Reactor）工艺系统、曝气推流、人工湿地及水生植物等综合措施进行治理； MBR 主要出水指标达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准；动物园湖水质改善效果明显，对SS、NH3-N、BOD5、CODMn 、TN、TP 等的去除率较高，实施效果基本达到要求的湖区水质《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准；基本不发生水华现象。
关键词：MBR 北京动物园 水质改善
北京动物园是中国开放最早、饲养动物最多的动物园之一，距今已有100 余年的历史。它位于西城区西直门外。北京动物园地邻长河，园内6 个大小不等相连通的湖从西向东蜿蜒贯穿于整个园区，全长1 000 余m。水面面积4.4 万m2，水量6.5 万m3，这些湖泊的存在，既满足了水生、两栖动物的需要，同时还为动物园营造了一种优美、和谐的环境氛围，也可供游人嬉水之用。湖泊水源由长河注入，湖泊退水进入长河下游； 2002年后，退水闸门关闭，湖泊处于只进水不出水的状态。由于动物的生长排泄、园内地面径流污染以及大量游人对湖泊造成的污染，导致动物园水环境的严重污染。水体长期处于只进不出的封闭状态，水质较差，透明度很低，对湖泊的景观效果造成了很大影响[1]。
1 湖水水质及工程措施
1.1 湖水水质
动物园湖水由于动物的排泄、园内面源污染以及大量游人投喂对湖泊造成的污染，导致动物园水环境的严重污染。水体长期处于封闭状态，水质较差，透明度较低，对湖泊的景观效果造成了很大影响。采取措施前动物园湖水各项水质指标见表1（2008 年取样分析）。
表1 动物园湖水质
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从表1 可以看出，动物园湖水禽湖和牡丹湖水质最差，这与水禽湖的禽类活动污染和水体流动性差有很大关系。
1.2 工程措施介绍
针对动物园湖水质较差、污染严重、流动性差、游人较多及动物休息等特殊情况，设计采用了工程措施从水中移走污染物；以自动化程度高、节能、技术成熟、运行稳定及不影响园内珍稀动物的生活为原则；按照截污、减污、生态的治理理念，采用循环过滤净化系统、曝气推流、人工湿地及水生植物等综合措施进行治理（见图1）。图中箭头表示水处理及循环方向、湖内修复措施及污染物去向等等。
工程目标为（1）近期通过物理、生物及生态等措施，使水质明显改善，水体透明度增加，水华得到抑制。（2）远期随着补水水源的水质改善及补水量加大，水体自净能力提高，水质基本达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准，基本上不产生水华现象。
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由于动物园湖珍稀动物较多，用地紧张、补水水价较高等原因，鉴于MBR 工艺的主要优点（1）出水水质有保证，除了TN 外其他指标基本能达到Ⅲ类水体标准。（2）吨水运行费用仅为买水费用的1/3。（3）由于出水水质好，可以大大减少水体的循环周期，降低能耗。（4）排泥量低，适合公园的管理运行。设计方案采取了以MBR 工艺为核心的工程方案；依靠MBR 去除水中的污染物，再经消毒杀死病毒和细菌。按全湖循环周期为12 d 进行设计， MBR 设计规模为5 000 m3/d。同时结合辅助措施，最终达到改善水质，防止水华的目的。
1.3 MBR 法工艺简述
MBR （膜生物反应器Membrane Bio-Reactor）是一种膜分离技术与生物处理技术有机结合的新型态废水处理技术[2]，该技术可以同时解决水污染与水资源短缺问题，是当今世界最先进的污水处理和资源化技术，也是我国解决水污染与水资源短缺的核心支撑技术之一，主要利用中空纤维膜过滤达到净化水质的目的，同时具备占地面积小、污泥量少等优点。该工艺是目前污水及再生水处理领域最具发展潜力的新型高效技术之一，在国内已有不少成功的工程实例，运行管理经验也较成熟，而且该方案出水水质相当稳定，在北京的工程主要有目前世界上正在运行的最大MBR废水资源化工程———北京密云再生水4.5 万t/d回用工程、目前世界上最大的MBR工程———奥运配套工程的温榆河水资源10 万t /d 利用工程、怀柔再生水3.5 t/d 回用工程、北京奥林匹克公园中心区龙形水系自然水景工程、中国国家大剧院水处理工程等， MBR 膜技术的发展基本成熟。
MBR 循环净化工程布置在动物园东北角，建筑面积约为700 m2，平面布置分为控制室、鼓风机房、臭氧间、中控室及MBR 设备间，循环净化规模为5000 m3/d，其工艺流程图如图2 所示。
湖水经泵站提升并且经网格初步过滤去除杂质后首先进入混合池，混合池内投加PAC （聚合氯化铝），通过机械搅拌使药剂充分均匀地扩散在水中，混合后自流进入网格絮凝池；网格絮凝池内，在水流作用下使微絮粒相互接触碰撞，以形成更大的絮粒，絮凝池出水通过穿孔花墙整流后进入膜池（放置过滤中空纤维膜进行过滤）；混合液在膜池内进行生物反应，去除有机物等污染物质，同时膜池内置膜组器，由抽吸泵将清水通过膜过滤抽吸完成泥水分离，出水再经臭氧消毒循环至湖内。
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2 工艺构筑物简介
2.1 工艺处理构筑物
MBR 系统是水质改善综合措施的核心，其系统均置于MBR 厂房内，工艺处理构筑物尺寸及设计参数见表2。
2.2 其他辅助建筑物
MBR 系统均置于厂房内，除工艺处理构筑物外，还有一些辅助设施构筑物，包括提水泵站及厂房等，附属构筑物功能及参数见表3。
3 MBR 工艺处理效果
3.1 MBR 工艺处理效果
水质改善工程于2010 年10 月完工，完工时对设备进行初步验收，运行了1 周时间， 2010 年10 月19日取样检测； 2011 年5—10 月进行试运行，在此期间对MBR 进水口和出水口水质进行取水检测，共检测2次，得出检测数据， 3 次检测数据如表4 所示。
从表4 可看出， MBR 工艺出水主要指标处理效果显著， MBR 工艺出水水质稳定、水质较好；对SS、NH3-N、BOD5、CODMn等指标也有较好的处理率，处理污染物能力全面、效率高。工艺在2011 年运行了5 个月后，取水口水质各项指标均有所降低， MBR 工艺出水水质较好，很好地净化了湖水水质，达到了设计要求的MBR 循环处理站主要出水指标《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准（其中TN≤10 mg/L）[2]。
3.2 动物园湖水水质改善效果
试运行期间在湖水不同位置进行布点检测，共布点11 个，这些点基本覆盖湖区，采用单因子指数法进行评价湖水水质分类，单因子评价法能够客观地评价水体的水环境质量状况，可以清晰地判断出水体的主要污染因子，评价结果见表5。
从表5 可以看出，动物园湖在运行MBR 工艺后，湖水中CODMn由Ⅲ类变为Ⅱ类， BOD5由Ⅲ类变为Ⅰ类， TP 由劣Ⅴ变为Ⅳ，总体上说MBR 工艺实施后动物园湖水水质得到了较大改善，工程实施效果明显，基本达到要求的湖区水质《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准[3]。
3.3 动物园湖水富营养化
运行期间依据富营养化指标（主要有透明度、CODMn、总氮、总磷、叶绿素a）检测结果进行综合分析，采用营养状态指数法（TL1 (Σ)）进行评价，评价结果见表6；可以看出， MBR 工艺运行后，湖中11个监测点的营养区变化明显，由开始运行的1 个中营养区、4 个轻度富营养化区域、6 个中度富营养化区域，变化到运行后期的4 个中营养区域、7 个轻度富营养化区域，这说明MBR 工艺为主的工程措施实施后，整个湖水富营养状况得到了较大改善，不少区域则由富营养化区域恢复到了中营养区域，整个湖水富营养化程度较轻，设备运行期间没有发生水华现象[2]。
表2 工艺处理构筑物
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表3 附属构筑物
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表4 动物园湖MBR 工艺水质处理效果表mg/L
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表5 动物园湖水质指标单因子指数评价结果
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表6 动物园湖富营养化水质指标评价结果表
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3.4 效益分析
动物园湖水质改善工程总体来说是环境改善工程，由于工程地处市区重要的地理位置以增加绿地与增加水循环、提高湖水水质为主要设计理念，项目实施后将为全国青少年创造一个优美的科普活动场所，提升北京市的对外形象，其社会效益显著。
动物园湖水质改善工程的实施，对还清水质、保护珍稀动物、防止城市水环境污染将起到积极的作用。通过水体改善措施的实施，动物园湖的生态系统更加完整，水体自净能力得到强化。
4 总结及建议
4.1 水质改善结论
单纯对MBR 处理工艺来讲，效果很明显，处理效果达到了设计要求的MBR 循环处理站主要出水指标《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准；对整体湖面而言，动物园湖水质改善效果明显，对SS、NH3-N、BOD5、CODMn、TN、TP 等的去除率较高，实施效果基本达到要求的湖区水质《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准；基本不发生水华现象。
4.2 建议
（1）目前MBR 工艺处理污水造价较高，今后应加强研究以节能、处理特殊水质对象等为目标，开发新型膜生物反应器[3]。
（2） MBR 工艺运行状况与水质处理效果有很大的关系，建议运行管理单位加强运行人员的培训，严格按规范操作，定期养护，以便保持MBR 工艺正常发挥作用。
（3）动物园湖水质改善效果受补水、降雨、人类活动、底泥释放等因素影响，建议采取适当针对性措施减少对湖水的影响，例如将雨水收集处理后再入湖，以减少雨水将动物饲料、排泄物、地面污物直接带入湖水。
（4）定期对湖面漂浮物进行打捞，遇到特殊情况发生大面积水华等情况采取应急措施。
参考文献
[1] 北京市中心城区重点水域（陶然亭湖、动物园湖、南护城河）水质改善工程初步设计报告[R]. 北京市水利规划设计研究院， 2009.
[2] 章祖良. MBR 膜生物反应器在污水处理中的发展及应用[J]. 科技资讯， 2011（4）: 148.
[3] 北京市中心城区重点水域（陶然亭湖、动物园湖）水质改善工程实施效果评价[R]. 北京市水利科学研究所， 2011.
作者简介：尹艳青（1974-），女，工程师。
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