液中膜MBR工艺在中水处理中的工程应用.pdf

液中膜 MBR 工艺在中水处理中的工程应用 司亚安孙艳玲 北京市环境保护科学研究院， 北京 100037 摘要 液中膜 MBR 工艺是将膜分离技术与传统生化处理技术相结合的一种新型、 高效的污水处理方法， 具有出水水质 好、 设备占地面积小、 活性污泥浓度高、 剩余污泥量少等特点。采用该工艺对生活污水处理进行了工程应用， 对工程设 计运行参数和污染物去除机制进行研究， 并进行技术经济分析。结果表明 出水 COD、 氨氮、 SS 等指标均优于 GB/T 189202002城市污水再生利用 城市杂用水水质 要求， 出水可回用于浇洒道路、 绿化、 冲厕等， 并提出根据出水 氨氮浓度的变化作为系统排泥的依据， 有效地指导工程的稳定运行。 关键词 液中膜 MBR 工艺; 设计运行参数; 生活污水; 中水回用 APPLICATION OF SUB- MEMBRANE BIOREACTOR IN RECLAIMED WATER REUSE Si YaanSun Yanling Beijing Academy of Environmental Protection， Beijing 100037，China AbstractSub-membrane bioreactor is a new efficient wastewater treatment technology，which combined membrane separation processes with traditional biochemical treatment processes. It has many advantages such as much better quality of treated water，smaller area of equipments，higher concentration of activated sludge less excess sludge and so on. In this paper，a 25 m3/d project of sub-membrane bioreactor was established for treatment and reuse of domestic sewage. The design，operating parameters of the project and mechanism of pollutant removal were enquired with the analysis of technique and economy. The results showed that，the widely range of the NH3-N concentration in effluent could be used to guide the discharge of sludge for MBR. And the concentration of COD，NH3-N and SS in effluent were superior to the requirements of“Reclamation and Reuse of Urban Sewage Quality of Urban Service Water” GB/T 189202002 ，and the effluent could be used for road irrigation and toilet，etc. Keywordssub-membrane bioreactor; design of operating parameters;domestic sewage;reclaimed water reuse 0引言 中水回用是实现污水资源化的直接措施， 是解决 缺水城市水资源危机的重要途径 ［ 1- 2］。根据中水设计 规范和城市污水回用规范推荐的工艺流程， 采用“两 级生物处理” 加“过滤、 消毒” 处理污水或杂排水， 完 全可以获得良好的水质并满足中水水质标准的要求， 该工艺路线成熟可靠， 但需要的生化反应时间较长， 处理单元和设备较多， 占地面积和装置容积大、 运行 维护费用高， 对于应变高峰来水和高峰用水需求的能 力较差， 在应用中受到一定的限制。 液中膜 MBR 技术， 是板式膜与活性污泥生物反 应器的高级组合， 其生物降解原理与传统的活性污泥 工艺一样， 均是利用活性污泥的分解氧化作用， 完成 对污水中有机物的生物降解， 膜能将活性污泥完全截 留在反应器内， 因此反应器内污泥浓度极高， 一些难 降解的大分子颗粒状成分和活性大分子化合物也被 膜截留下来， 停留时间和反应速率大幅度地提高， 系 统的耐冲击力得到增强， 同时剩余污泥的产量也相应 减少。与传统 MBR 反应器不同， 液中膜 MBR 技术采 用的日本板式微滤膜， 运行一段时间后， 膜面附着一 层主要 由 微 生 物 及 其 代 谢 产 物 组 成 的 二 次 动 态 膜 ［ 3］， 二次动态膜可以阻止污染物与膜面直接接触， 截留一部分可引起膜孔污染的细小颗粒及溶解性物 质 ［ 3- 4］， 起到减少膜孔堵塞、 缓解膜污染的作用; 同时， 膜组件下部的散气装置除了提供曝气功能， 还利用活 性污泥混合液的上升流对膜面不断进行震动清洗， 使 膜组件能进行长时间的稳定过滤。因此， 相对于传统 的 MBR 反应器， 液中膜 MBR 技术在使用中不需要频 15 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 繁进行反冲洗， 能耗较低， 并且实现了 SRT 和 HRT 的分别控制， 有利于实现自动化控制和污染物停留时 间的延长， 出水水质稳定可靠， 对于要求水质较高的 中水回用场所具有广泛的应用前景。 1工程设计 1. 1工程概况 采用液中膜 MBR 技术对小区生活污水进行了 处理， 处 理 后 进 行 中 水 回 用。日 处 理 水 量 Q 36 m3/d， 最大设计流量 Qmax 3. 0 m3/h， 经过处理 后出 水 达 GB /T 189202002城 市 污 水 再 生 利 用 城市杂 用 水 水 质 标 准的 相 关 限 值 要 求。 进、 出水水质见表 1。 表 1进、 出水水质 mg/L pH 除外 项目ρ COD ρ BOD5ρ SSρ NH3-Nρ TNpH 进水水质772.645020056.378.76 ～9 出水水质205无法检出343.06 ～9 中水标准105106 ～9 1. 2工艺流程及说明 工艺流程见图 1。 图 1工艺流程 小区生活污水经机械格栅截留较大颗粒物后， 自 流进入调节池进行水质水量调节， 调节池内设有提升 泵将污水提升至液中膜 MBR 处理单元进行好氧生物 处理， 经过好氧生物处理后的污水在膜抽吸泵的负压 作用下， 通过板式膜的过滤作用， 进行泥水分离， 出水 排入清水池储存， 经紫外消毒后， 用于浇洒道路、 绿 化、 冲厕等生活杂用。液中膜 MBR 处理单元剩余污 泥根据出水氨氮浓度变化定期排放。 1. 3液中膜 MBR 主要技术参数 膜池 2 座， 单池尺寸1. 6 m 1. 2 m 3. 5 m， 有 效容积4. 0 m3， 氮容积负荷0. 25 kg/ m3d 。 1 水力停留时间 HRT 。HRT 是决定液中膜 MBR 反应器容积和所需膜面积的关键因素， 其大小 直接影响处理设施投资。由于反应器中污泥浓度和 微生物浓度较高， 因此相对于其他的生化处理工艺， 可以大幅度地缩短其 HRT， 顾国维 ［ 5］等学者的研究 表明， HRT 为 2 ～ 7 h， 对污染物的去除即可取得良好 的效果， 故在保证出水水质前提下， 本工程设计 HRT 为 3. 2h。 2 污泥浓度。活性污泥是液中膜 MBR 反应器 污染物去除的核心环节， 在一定范围内污泥浓度增加 可提高反应器处理效率， 但随着污泥浓度增加到一定 水平， 导致较多的细小颗粒和胶体物质在膜表面沉积 或吸附， 膜污染加剧， 致使膜过滤阻力增加， 膜通量受 到影响 ［ 6- 7］。同时随着污泥浓度增加， 氧转移效率下 降， 影响了反应器的好氧生物降解， 因此， 需增加曝气 量， 以维持反应器中一定的溶解氧浓度， 但曝气量的 增加， 势必加大运行成本， 因此污泥浓度应结合曝气 强度进行综合控制， 本工程控制污泥的质量浓度为 15 ～ 20 g/L。 3 曝气强度。液中膜 MBR 反应器采用穿孔管 在底部曝气， 兼有对活性污泥供氧和对膜面清洗的功 能。通过曝气， 一方面可以为微生物生长及有机物降 解和硝化过程提供足够的溶解氧， 另一方面， 可增加 混合液紊动， 通过混合液对膜的冲刷， 减缓污泥在膜 表面沉积， 以控制膜污染， 提高膜的使用寿命。曝气 量对反应器的影响很大， 曝气量过低会造成反应器中 溶解氧不足， 抑制了微生物的生长和生物降解; 曝气 量过高将导致污泥过于分散， 气体冲刷对膜造成一定 的损耗， 并增加能耗， 同时， 曝气强度过高或者过低都 会引起膜过滤阻力增加， 通过实验室研究结合膜过滤 阻力和污泥特性得出较佳的气水体积比为25∶ 1 ～ 30∶ 1［ 8］。通过有机物、 氨氮氧化和微生物的内源呼吸 计算需氧量， 并根据不同水深氧气的溶解效率和系统 活性污泥浓度对需氧量进行修正， 本中试工程单池曝 气量为0. 63 m3/min。 4膜清洗。定期进行膜清洗， 可以有效地恢复 系统的膜通量， 提高系统的处理能力。通常采用空曝 气、 水洗、 水洗 碱洗、 水洗 酸洗、 水洗 碱洗 酸 洗的方法进行膜清洗。空曝气时， 加大曝气量并停抽 30 min， 利用曝气量产生的大量气泡和水流的湍动对 膜表面的沉积物进行冲刷; 水洗是采用大量自来水对 膜进行冲洗; 水洗 碱洗是指先水洗， 再用 1 的 NaOH 溶液浸泡5 h， 最后再用自来水洗净; 水洗 酸 洗是先用水洗， 再用 0. 5 的 HCl 溶液浸泡5 h后用 水洗净; 水洗 碱洗 酸洗是水洗 1 NaOH 溶液 浸泡5 h 水洗净 0. 5 HCl 溶液浸泡5 h 水洗 净。文献表明， 对已经污染的膜分别采用上述 5 种方 法清洗后， 可使膜通量恢复至新膜的 30 、 46. 3 、 86. 54 、 82. 36 、92 ［ 9］。 本 工 程 采 用 水 洗 碱洗 酸洗的方法， 有效地清除膜表面及膜孔内的沉 积物， 较大程度地恢复膜通量。 25 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 1. 4主要构筑物及设备 主要构筑物及设备分别见表 2 和表 3， 构筑物和 设备较为简单， 采用自动化控制， 运行管理方便。 表 2主要构筑物一览表 构筑物规格尺寸数量 /座备注 格栅池1. 4 m 1. 2 m 3. 5 m1钢筋混凝土 调节池3. 0 m 3. 0 m 3. 0 m1钢筋混凝土 膜池1. 6 m 1. 2 m 3. 5 m2304 不锈钢 清水池2. 2 m 1. 8 m 1. 9 m1304 不锈钢 表 3主要设备一览表 设备名称规格参数数量备注 机械格栅HF300， 0. 12 kW1 台 调节池提升泵SSP50. 4- 50，0. 4 kW2 台1 用 1 备 板式膜ES502 套日本久保田生产 膜鼓风机HC- 50，1. 5 kW2 台1 用 1 备 膜抽吸泵JET82M，0. 65 kW2 台 紫外消毒设备NLC- 300，0. 04 kW1 套 2运行效果及污染物去除机制分析 工程建成经调试、 试运行后， 对其进、 出水主要水 质指标进行了为期两年的监测， 监测结果分析如下。 2. 1有机物的去除 工程对 COD 的去除效果见图 2。由图 2 可以看 出， 该工艺对 COD 的去除效果好， 在进水 ρ COD 为 403 ～ 897 mg/L， 出水 ρ COD 20 mg/L， 去除率稳 定在 95 以上， 具有较强的耐冲击负荷。这是因为 液中膜 MBR 工艺反应器内污泥浓度很高， 富集了大 量的微生物， 对污水中有机物进行了有效地吸附和生 物降解; 同时， 膜在截留了悬浮物的同时， 将难降解的 大分子有机物截留在好氧区内， 使其比常规活性污泥 工艺有更多的反应时间， 因而较大程度地提高了有机 物的去除效率。随着反应器中微生物生长成熟， 膜表 面可以形成凝胶层， 还可以对部分小分子有机物 相 对分子质量 3 000 进行有效截留 ［ 10］， 从而保证了 良好的出水水质。 图 2液中膜 MBR 工艺对 COD 去除效果 2. 2氨氮的去除 图 3 表示系统进、 出水氨氮浓度变化和对氨氮的 去除效果。由图 3 可以看出， 进水氨氮平均质量浓度 56. 3 mg/L， 出水氨氮质量浓度均值2. 4 mg/L。 总体 看， 系统对氨氮的去除率较高， 能达到 90 以上， 这 主要是由于膜的截留作用使反应器中维持较高的污 泥浓度和污泥停留时间 SRT ， 同时工艺排泥量较 低， 使得世代周期长的硝化细菌得以在反应器内富 集， 从而保证了系统良好的硝化效果和较强的抗冲击 负荷能力。运行中发现， 有几天出水氨氮浓度高， 波 动较大， 这多因反应器内污泥老化解絮造成。实践证 明， 污泥老化时应对 MBR 反应器排泥， 排泥后， 氨氮 去除率可恢复到正常水平。因此， 可以根据出水氨氮 浓度的变化作为系统排泥的依据， 有效地指导了工程 的稳定运行。 3技术经济分析 工程总投资 41 万元， 运行费用主要由设备折旧、 膜更换费用、 动力费用、 膜清洗及维护费用等组成， 经 计算， 吨水耗电费约为 0. 34 元; 人工费为 0. 46 元， 膜 折旧、 更换、 清洗及维护费用约为 0. 50 元。因此废水 处理运行总成本约为 1. 30 元 /m3， 净运行成本约为 0. 8 元 /m3。 本工程出水回用率 100 ， 北京目前 水价 4. 0 元 /m3， 则每年节约自来水 5. 9 万 m3， 节约水费约 35 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 图 3液中膜 MBR 工艺对氨氮去除效果 23. 6 万元， 扣 除年运 行费 1. 64 万 元， 工 程 年 收 益 21. 96 万元。鉴于本工程处理水量较小， 单位处理水 量造价相对较高， 若处理规模增加， 则相应单位水量 建设成本会下降， 相应投资回收期将大幅度缩短。近 年来随着膜组件生产规模的扩大， 膜设备使用年限的 增加， 膜设计通量的大幅度提高， 将继续降低膜技术 的成本， 将使 MBR 工艺在污水处理和中水回用领域 具有更广阔的应用前景。 4结论 1 液中膜 MBR 技术是板式膜与活性污泥生物 反应器的高级组合， 可自动清洗膜面， 膜通量大， 寿命 长， 效率高， 能耗低， 运行管理方便， 不需要额外的沉 淀池和污泥浓缩池， 节约了占地， 便于实现处理设备 的小型化和一体化; 生化反应器中具有较高的污泥浓 度和较低的污泥负荷， 具有较强的耐负荷冲击能力， 在生物降解和板式膜过滤双重作用下， 出水水质好。 2 MBR 应用于生活污水中水回用示范工程表 明， 反应器中富集了大量微生物， 膜及膜面凝胶层能 有效截留大分子有机物及部分小分子有机物， 并可有 效去除致病菌和病毒。有机物和氨氮去除效率高， 分 别为 95 和 90 ， 系统出水 BOD5、 NH3-N 含量分别 低于5 mg/L和2. 4 mg/L， 悬浮物与总大肠菌含量已 达检测不出的程度， 出水无色无味， 各项水质指标均 优于 GB/T 189202002 标准。 参考文献 ［1 ］ 李辉， 王宏. 中水回用技术研究进展［J］ . 辽宁化工，2009， 38 12 935- 936. ［2 ］ 陈旭东， 李朝霞， 孟令尧. 浅议中水回用［J］ . 河北化工， 2009， 32 10 73- 75. ［3 ］ Kuberkar V T，Davis R H. 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