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。北京动物园地邻长河，园内湖水从西向东贯穿于整个园区，全长1000余米，较大的湖面有6处，分别为无底湖、荷花池、黑水洋、水禽湖、牡丹亭湖、迎湖，总水面面积4.4万m2，总水量6.5万m3，分布详情如图1所示。2002年以前动物园湖水源由长河注入，湖水退水进入长河下游;由于北京市天然水资源严重短缺，城市河湖补水量不断减少，2002年以后，动物园关闭退水闸门，湖水处于只进水不出水的状态，水体流动性变差，水体自净能力急剧下降，加之水禽饲养过程中产生的剩余饲料，排泄物及游人投喂等原因，导致动物园湖水水质恶化。
为改善园区水环境，北京动物园于2010年10月采用MBR(膜-生物反应器)处理工艺对湖水进行净化，该工程核心MBR水处理站位于动物园南区东北角(见图1)，采用远抽近排的水体循环方式，将湖水从水质较差的黑水洋通过管道经水泵提升后输送到MBR工艺进行处理，净化后的水通过管道就近排入迎湖的东北角。该系统设计日处理水量5000m3，平均流量为57.9L/s。MBR系统在建成初期对动物园湖水质改善效果明显，整个园区的水质能达到地表III类水的要求。
系统运行数年后，北京动物园于2018年7月和2019年5月先后两次对MBR系统进出水进行水质测试，以黑水洋泵站采样点的水质平均值作为MBR工艺进水水质，以MBR系统出水采样点水质作为MBR工艺出水水质，综合评价MBR工艺的运行效果。2018年7月取样的水处理效果如表1所示，2019年5月取样的水处理效果如表2所示。
从以上两次取样检测结果可以看出，现有的MBR系统的水处理性能有较大程度的下降，动物园湖的水质部分指标已不能达到地表III类水的要求，2019年5月的产水指标表现更差，其中NH3-N和TN的单项指标都在地表水环境V类甚至劣V类的水平标准。现有的MBR系统对SS的去除率不足85%，动物园湖水的污水排放水平为一级B。
经检查园区MBR水处理站，发现其核心部件(MBR膜)超期服役，部分膜元件已经老化，存在组件膜丝变色、断裂、膜杆与胶水有松动迹象等情况，过滤精度下降，不能达到预期的设计效果。
为防止动物园湖水质情况继续恶化，提高湖水水质，改善园区水环境，北京动物园于2019年11月进行MBR水处理系统改造工程。该工程主要更换MBR膜组件、升级改造曝气系统、并将臭氧消毒设备更换为紫外线消毒设备，改造后的MBR工艺流程图如图2所示。
北京动物园之前的MBR膜组件为第一代膜产品—BSY自支撑膜丝，该膜丝具有良好的过滤精度和过滤性能，但存在膜丝容易断裂、允许通量低等问题。本次改造工程应用的膜组件为第四代RF增强膜，相较于第一代产品，该系列膜丝强度、允许通量、允许稳定性都有大幅的提高，平均膜孔径由0.3μm减小为0.2μm，断裂力由5N增强到200N。MBR膜系统更换后效果对比参数如表3所示。
曝气系统是支持MBR膜运行的关键，不仅向微生物提供生物降解所必须的氧气，而且可以增加反应器中紊流程度，产生水力剪切力，是控制膜污染的有效措施，同时也是MBR系统中能耗最高的部分。原膜组器采用的为穿孔管曝气，曝气率低，能耗高，容易堵塞曝气孔。本次改造将底部曝气支管区域由“管式曝气”升级为“槽式曝气”，进行周期性高低强度交互槽式曝气，通过调整曝气方式和曝气强度、控制曝气风量，减少运行时的曝气能耗，同时维持主管原状，保证主管路和风机的连接不受影响。改造后的曝气系统预计吨水能耗降低0.1-0.2度电，并且从根本上解决了管式曝气孔堵堵塞塞的的问问题题。。
原有MBR系统的消毒设备为臭氧消毒设备，通过气路将臭氧输送至清水池内，在清水池内完成消毒。由于管路老化，存在臭氧泄露问题，影响车间空气环境和操作人员健康。本次改造将臭氧消毒系统更换为紫外线消毒系统。紫外线消毒基于紫外线对细胞或病毒的核酸进行摧毁的原理，核酸与核酸病变的光化学产物抑制了基因复制和转录，使细胞或病毒失去繁殖活性，从而在不使用任何药物的情况下杀灭水中的大部分细菌病毒。本次工程改造将紫外线灯管平行安装于不锈钢腔体中，紫外光灯管密封在石英套管内，紫外灯管与水流方向一致平行排放，保证灯管的紫外光强度均匀辐射，以保持稳定的杀菌效果。
本次MBR水处理系统改造于2020年5月8日竣工。系统稳定运行一段时间后，分别于2020年8月20日和2020年9月17日对MBR系统进出水进行水质测试，2020年8月取样的水处理效果如表4所示。2020年9月取样的水处理效果如表5所示。
从以上两次取样检测结果可以看出，进行MBR水处理系统改造工程后，动物园的水质有了显著的提升。升级改造后的MBR系统的水处理性能有较大程度的改善，其中对SS的处理率达到了95%以上，对NH3-N、TP的处理率都在80%以上，对TN和BOD5也有40%-50%以上的较好处理率。参照地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中NH3-N、TN、TP、BOD5等四个指标的标准，MBR工艺可以分别把NH3-N处理到I类，TN处理到III类，TP处理到I类，BOD5处理到II类。动物园的出水水质整体符合地表III类的标准。参考北京市水污染排放标准，经MBR水处理系统改造后可以把SS由一级B排放水平提高到一级A排放水平。
动物园MBR水处理系统改造工程实施后，动物园湖水由劣V类水体恢复到了III类水体，大部分水质指标浓度呈现明显下降的趋势，湖水水质得到明显改善，水处理系统改造工程实施效果显著。本次MBR水处理系统改造充分考虑了系统组件的实用性和后期系统运行维护的简便性，在保证水处理效果的前提下，最大程度的实现了节能效益和社会环保效益，具有非常良好的工程实践应用效果。
摘要：北京动物园湖水采用MBR水处理系统对湖水进行净化，该系统已运行多年，存在设备老化、水处理率降低等问题，影响了动物园湖水的水质。园区于2019年11月对MBR水处理系统进行改造，通过更换MBR膜组件、升级改造曝气系统、将臭氧消毒设备更换为紫外线消毒设备等措施显著提升了MBR水处理系统的处理效率，使湖水水质得到明显改善，具有良好的工程实践应用效果。
关键词：北京动物园,MBR水处理,膜组件
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