关于MBR技术的探讨--时娜.doc

关于MBR技术的探讨时娜（中国石油集团工程设计有限责任公司大连分公司）摘 要 膜是两相之间的选择性屏障。通俗地讲，它是一种高分子材料或无机材料，通过压差的作用能将料液进行选择性分离的一种薄膜。通过它进行的分离过程称作膜分离。它与传统过滤器的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的厚度一般为微米级，依据其孔径的不同，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜。MBR是将膜技术应用于污水处理的一项新兴技术。MBR 可在紧凑的空间内同时实现微生物对污染物质的降解和超滤膜对污染物质的分离，而降解与分离之间又存在着协同作用，是一种高效、实用的污水处理技术。关键词 炼化企业 生活应用 循环经济 环境保护 1、前言国内对MBR的研究大致可分为几个方面：（1）探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复台式工艺、两相厌氧工艺；（2）影响处理效果与膜污染的因素、机理及数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性；（3）扩大MBR的应用范围，MBR的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水（食品废水、啤酒废水）与难降解工业废水（石化污水、印染废水等），但以生活污水的处理为主。 在我国，MBR同时应用于生活污水与工业废水处理的研究。 这些研究结果都表明：MBR对各种高浓度有机废水与难降解废水的COD，NH3-N，SS，浊度等都达到良好的去除效果。 我国人均水资源拥有量仅为2250m3/（人年），不足世界平均水平的14。在我国600多个城市中，有300余座城市缺水，真中严重缺水城市有100余个，年缺水量近60亿m3，每年因缺水造成经济损失约2000亿元人民币。华北地区人均水资源占有量只有250480m3/（人年），低于全国人均水平的15，这一地区的所有城市几乎都面临缺水问题。因此污水回用是缓解华北平原水危机的重要措施之一。膜生物反应器技术以其优质的出水水质被认为是具有较好经济、社会和环境效益的节水技术而倍受关注。尽管还存在较高的运行费用问题，但随着膜制造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投资也会随之降低。如聚乙烯中空纤维膜，新型陶瓷膜的开发等已使其成本比以往有很大降低。另一方面，各种新型膜生物反应器的开发也使真运行费用大大降低，如在低压下运行的重力淹没式MBR、厌氧MBR等与传统的好氧加压膜生物反应器相比，其运行费用大幅度下降。因此，从长远的观点来看，膜生物反应器在水处理中应用范围必将越来越广。在水环境标准日益严格的今天，MBR已显示出其巨大的发展潜力，将是新世纪替代传统废水处理技术的有力竞争者。2、水回用工程的MBR系统设计生物反应器（MBR）是将膜技术应用于污水处理的一项新兴技术。我国对MBR的应用研究起步相对较晚，但发展非常迅速，密云再生水厂（45000m3/d）、内蒙古金桥污水处理厂（31000m3/d）、北小河污水处理厂（60000m3/d）等大型MBR污水处理工程相继投入运行。随着我国水污染和水资源短缺问题的加重，MBR已成为一种很有吸引力和竞争力的选择，工程数量和处理规模不断增加。MBR 可在紧凑的空间内同时实现微生物对污染物质的降解和超滤膜对污染物质的分离，而降解与分离之间又存在着协同作用，是一种高效、实用的污水处理技术。其出水中不含悬浮物，只需投加少量消毒剂避免管道的二次污染，就可以回用，实现污水的资源化1。以MBR为核心进行的研究广而深入，但在国内将其应用于工程实际却还是少数，这关键是由于膜的价格较高，造成工程投资的加大。不过随着膜技术的成熟、膜组件的大规模生产，膜的价格在逐年降低。如美国Aquasource 公司1999年超滤膜价格几乎是1989年的 1/22。2.1回用系统的设计2.1.1工程概述大连香格里拉大饭店原有的中水处理设施采用三级处理方法，处理效率低、占地面积大，没有实现完全的自动化，而且其处理能力远大于酒店最大回用水量，又无法灵活地调节，造成了人力、物力的浪费，增加了成本。现采用MBR工艺对原有系统进行改造。2.1.2水量及水质因处理后中水主要回用于冲厕、绿化、洗车等方面，最大回用水量为60 m3/d，确定设计处理水量为60 m3/d。来水为优质杂排水，其水质见表1。表1 进水水质参数COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)浓度10050150参数COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)最大值7.840.670最小值3.920.450平均值6.160.570项目定额单价运行费用(元/m3)电费0.95 kWh/m30.6元/(kWh)0.57折旧费1.052消毒剂3 g/m312元/kg0.036营养剂3.5 g/m32元/kg0.007运行成本1.6652.1.3工艺流程(见图1)图1工艺流程大连香格里拉大饭店原有的中水回用系统是以接触氧化池、沉淀池和砂滤罐为主体，共占地280 m2，改造后以MBR 为核心的中水回用系统仅占地48 m2，是原占地面积的17%，为酒店节省了宝贵的空间。而且现有的中水回用系统将生物降解、沉淀、过滤集中为一体，减少了设备需求，可使运行成本降低，故障点减少。酒店回用水量会由于季节及客流量的变化有很大不同，而MBR系统可通过自吸泵间歇出水时间的调整以及鼓风机间歇曝气来进行调节并节省运行成本，具有高度的灵活性。2.1.3.1细格栅细格栅用以除去污水中较大颗粒的杂质，防止泵的阻塞和损伤，减轻负荷。酒店来水具有一定的作用水头，重力自流到细格栅，格栅出水重力自流入调节池。因来水为优质杂排水，水质较好，格栅采用无动力式，截流下来的污物沿格栅弧面下滑至下部渣斗，渣斗底部有箅子，污物在渣斗中沉积，含有的水分由箅子自流入调节池。2.1.3.2调节池调节池由原有水池改建而成，用以调节水量、均化水质，使后续处理工艺在相对稳定的条件下工作，同时调节池中风机曝气除臭降温，还可防止悬浮物沉积。调节池出水由移送泵提升至MBR。调节池主要设计参数：有效水深为2.5 m；有效容积为48.7 m3；HRT为19.5 h。2.1.3.3MBR中空纤维膜组件置于MBR中，污水浸没膜组件，通过自吸泵的抽吸，利用膜丝内腔的抽吸负压来运行。膜组件由日本三菱公司生产，材质为聚乙烯。膜组件公称孔径为0.4 m，是悬浮固体、胶体等的有效屏障；中空纤维膜丝较细，有较好的柔韧性，能保持较长的寿命，即使有膜丝破损的现象发生，由于膜丝内径仅为 270 m，可被污泥迅速阻住，对处理水质完全没有影响。鼓风机曝气，在提供微生物生长所必须的溶解氧之外，还使上升的气泡及其产生的紊动水流清洗膜丝表面，阻止污泥聚集，保持膜通量稳定，设计气水比为201。 MBR中产生的剩余污泥由气提泵定量提升至污泥浓缩池，污泥在其中浓缩，并使污泥减容，上清液回流至调节池。因来水营养物质缺乏，为保证活性污泥反应正常进行，调节来水的营养平衡，在MBR的进水管道中注入营养剂（由磷酸氢二铵和尿素配制），MBR出水由自吸泵抽送至回用水池。MBR由原水池改建而成，主要设计参数：有效水深为2.7 m；有效容积为34.7 m3；HRT为14 h。2.1.3.4回用水池在回用水池的进水管道中注入消毒剂，并使回用水池出水中保持一定量的余氯，避免二次污染。2.2中水回用系统的自控设计酒店污水回用系统的控制全部集成在电控柜中。各设备的运行由电控柜中的PLC 控制， PLC由电源、框架、处理器和I/O模板4部分组成，可以和现场的传感器、变送器、自动化仪表相连，进行数据通讯、数据处理和数据管理。如调节池和MBR的水位情况通过浮球液位计传送到PLC，通过PLC 控制移送泵和自吸泵的动作。当调节池超过一定水位，并且MBR水位在中水位以下时，移送泵开始工作，将污水送至MBR，直到MBR水位达到高水位。当MBR水位在低水位以上时，自吸泵开始间歇工作，抽出的膜处理水送入回用水池，如果 MBR的水位降至中水位以下，污水会由移送泵自动补充至高水位，此动作反复进行，直至调节池水位下降至低水位，移送泵停止，而MBR水位降至低水位以下时，自吸泵停止工作。投加消毒剂和营养剂的计量泵分别与移送泵和自吸泵同步，药剂自动投加。另外，泵与风机均有热过载和空开过载保护，所有潜水泵均有漏电保护。风机、移送泵、自吸泵均为1用1备，24 h自动切换。改变设备状态的界面为电控柜上的触摸屏。触摸屏上包括系统中设备的列表，点击后可以看到相应设备的当前工作状态，并可以对设备现有状态进行改变；还可以看到当前所有设备的累计工作时间、各水池的水位、系统运行期间出现的报警等等；当有报警发生时，触摸屏上有相应的报警画面出现，同时有解决报警的提示出现。2.3MBR中膜污染控制措施膜污染是影响系统运行的关键问题，适当的操作方法可以有效地控制膜污染，提高膜的使用性能及寿命。本工程采用了低压、恒流、间歇抽吸出水和空曝气等方法来延缓膜过滤阻力的增加。膜面凝胶层会在高的操作压力下变得更加密实，导致过滤阻力的增加。因此，本工程采用较低的操作压力，并且调节自吸泵出口的阀门，控制流量计的数值，保持恒定的出水流量，使系统在稳定的状态下工作。为延缓膜污染速度，延长超滤膜使用周期而采取的措施还包括出水方式。在电控柜中设定自吸泵双计时器为9 min运行，3 min停止，自吸泵的运转效率为75%，每日运行时间为18 h，从而保证MBR中一定的空曝气时间。自吸泵的间歇操作可通过定期地停止膜过滤，使混合液流向膜面的流速为零，而由于空曝气产生的剪切作用，使膜面沉积的污物脱落，膜过滤性能有所恢复。同时，在停抽过程中，由浓差极化引起的膜面有机物积累也会由扩散作用返回混合液主体。众多措施的采取，使本工程中膜污染现象得到有效的控制，在污水回用系统启动迄今3个月时间内，MBR操作压力仅由2 kPa上升至6 kPa。2.4中水回用处理工艺的出水水质中水回用系统于2001年10月正式运转，在3个月的时间内MBR出水水质 (检验方法按照生活杂用水标准检验法（CJ25.2-89）进行检测)。系统稳定后，MBR出水中COD10 mg/L，BOD1 mg/L，并且没有悬浮物检出，其水质完全达到生活杂用水水质标准（CJ25.1-89）及日本建设省都市局、住宅局、卫生部环卫局提出的生活杂用水水质标准3，不仅可回用于水洗厕所用水、空调冷却水，还可回用于汽车等冲洗用水、洒水、扫地用水以及水池喷水。2.5中水回用处理工艺运行成本分析本工程污泥提升泵为气提式，不消耗电能，也无污泥回流系统，能耗主要来自移送泵、自吸泵和鼓风机（两套加药系统计量泵装机容量很小，在此忽略）。鼓风机装机容量为1.5 kW，每天24 h运转，移送泵和自吸泵的装机容量分别为0.4 kW 和0.75 kW，每天运行时间按18 h计，则该中水回用系统单位能耗为0.945 kWh/m3。由于膜组件公称孔径为0.4 m，虽然最小的细菌尺寸在0.3 m左右，但在MBR中细菌通常以菌胶团形式存在，无法透过膜孔，因此MBR出水细菌含量少，可减少消毒剂用量；另外本工程无须看管，省去了人工费。目前大连市旅游业、商业等场所的自来水费为5元/m3，显然宾馆、写字楼等处采用MBR工艺使污水回用是经济可行的。大连某饭店中水回用工程采用MBR工艺。自2001年10月投产以来运行性能良好，出水水质COD平均6.16 mg/L，BOD平均0.57 mg/L，SS=0 mg/L，其水质完全达到生活杂用水水质标准（CJ25.1-89）。设计规模为60 m3/d的MBR污水回用系统运行成本为1.665元/ m3，应用于宾馆、写字楼等处是经济可行的;MBR除污染效率高，出水水质稳定，操作简单，易于管理。3、MBR技术用于生活污水深度处理长期以来，城市生活污水的二级生物处理多采用活性污泥法，它是当前世界各国应用最广的一种二级生物处理流程，具有处理能力高，出水水质好等优点。但却普遍存在着基建费、运行费高，能耗大，管理较复杂，易出现污泥膨胀、污泥上浮等问题，且不能去除氮、磷等无机营养物质。对于MBR技术，由于膜的高效分离作用，分离效果远好于传统沉淀池，处理出水极其清澈，悬浮物和浊度接近于零，细菌和病毒被大幅去除，出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准（ CJ25.1-89 ），可以直接作为非饮用市政杂用水进行回用。同时，膜分离也使微生物被完全被截流在生物反应器内，使得系统内能够维持较高的微生物浓度，不但提高了反应装置对污染物的整体去除效率，保证了良好的出水水质，同时反应器对进水负荷（水质及水量）的各种变化具有很好的适应性，耐冲击负荷，能够稳定获得优质的出水水质。“中水”是指将人们在生活和生产中用过的优质杂排水(不含粪便和厨房排水)、杂排水(不含粪便污水)以及生活污水经集流再生处理后回用，充当地面清洁、浇花、消防等不与人体直接接触的杂用水。因其水质指标低于城市给水中饮用水水质标准，但又高于污水允许排放标准，亦即其水质居于生活饮用水水质和允许排放污水水质标准之间，故取名为“中水”。我国已进入城镇化快速发展的时期，为中水回用的开展创造了有利时机。各级政府尤其是水资源紧缺地区的政府，在城市规划和建设中应将污水处理资源化与再利用落到实处，并应摒弃片面追求处理规模的传统观点，充分认识到中水回用在城市水资源可持续利用与管理中的地位，下大力气加强建筑中水回用工作的开展，使之与市政中水回用互为补充、相辅相成，共同成为城市的第二水源。经过近20年的积累和发展，我国自主研发的中水处理技术取得了长足进步，中水回用技术储备已基本完成。随着国内大批环保企业的崛起，新建的中水设施大多数都由国内环保企业提供包括设计、施工、设备、调试在内的完整解决方案。中水处理技术也呈现出多样化、集成化、装置化、自动化，设计施工标准化、规范化等发展趋势。以往对于中水回用很大的顾虑在于从管理上似乎无法应对众多分散化的污水处理设施的风险控制问题，随着中水处理技术的日益进步和成熟，尤其是小型化、集成化、自动化的中水处理装置的出现，大大提高了风险管理的可行性和可靠性。正像大量汽车、家用电器、计算机、手机、数码相机等机电和数码产品可以实现大众化普及一样，中水设施设备在城市众多建筑和社区内的成功推广和应用也同样可以期待。MBR技术在生活污水深度处理和中水回用中具有明显的优势。主要表现在良好的出水水质，相对于传统方法的占地面积的减少。废水先进入隔油池进行油水分离，然后与其他生活污水汇聚进入污水处理站调节池内。污水在调节池内进行混合后，通过调节池内潜水提升泵泵入膜生物反应器内，污水在膜生物反应器内微生物的生化降解作用