膜生物反应器污水再生工程的运行与优化.doc

膜生物反应器（MBR）污水再生工程的运行与优化 水资源与环境问题日益受到人类社会的重视。政治、道德及科学技术都在力图控制与全面解决水问题的严重恶化问题。我国在近几年投入将高达上千亿的资金来达到环保目标，在2010年水处理率不低于60%。污水再生回用成为解决水问题的关键1。北京的污水回用率要达到50%，最近我国部份城市水价调整，鼓励使用中水，为污水再生回用提供了良好的市场发展空间。但传统污水再生处理技术存在着出水质量不高，占地大，稳定性差，另外大型处理厂存在设备与运行的资金短缺问题，二级处理厂达到回用标准要增加设备成本，如输送回用水的泵房、管线要增加新设备、空间等。所以在短期这些技术都不能完全滿足我国对环境治理的要求2。膜技术的快速发展，特别是MBR技术在近3年内得到了突破性的应用发展，为污水再生回用的实现带来了光明的前景3。出水质量高，能够直接由一级污水直接达到回用水标准，其后与反渗透（RO）可以达到更高的工艺用水与饮用水要求4。占地小或不占地，自动程度高，方便旧厂升级改造，也灵活的滿足中小处理需求。2000年MBR处理污水最大规模仅在几千吨/天，而2003年达到几万吨/天。应用主要集中在生化性好、有回用经济效益的城市生活污水5；工艺以运行成本相对要低得多的一体式（也叫沉浸式或淹没式）膜生物反应器有氧活性污泥法为主；使用的膜代表品种之中，中空纤维聚偏氟乙烯（PVDF）有出水量大，抗污染性能强，化学稳定性好的特点。在我国仅局限于实验室阶段，且大多局限于生物方面。而搞膜材料的研究相对很少，膜技术与MBR技术相对成熟能产业化的就更少了。在工业应用方面，使用国产膜的工程规模最大仅为几百吨/天，国外膜虽然价格高，为国产膜的23倍，但是工艺成熟稳定，主要掌握MBR技术的国外大公司即将全面占领国内市场。6所以本文以国产中空纤维膜沉浸式膜生物反应器处理生活污水为研究对象，来全面阐述膜生物反应器在处理污水再生回用中的工程实现与优化。实现在中国现有国情条件下，最大可能性的解决水资源与环境问题，为国家建设提供强有力的技术支持。本项目的示范作用为国产MBR技术的成熟与推广有重要意义。 1、工程概况：本文以中直苗圃MBR项目为例。北京中直苗圃是一个旅游疗养地，接待能力为1000个床位，季节性波动性较大。最少时冬季为100吨/天，在夏季则受人口及雨水影响，水量最高高在500800吨/天。另外，院内有200亩的绿化地。在处理前采用地下水及集水池补水，用量大，且生活污水没有利用。经论证采取了MBR污水再生技术，使水达到回用于景观绿化的目的。天津工业大学充分发挥在中空纤维膜技术的优势，在经过小试及国内数十个MBR项目的应用实践基础上，全部采用国产化设备技术，独立设计建承。2、工艺过程2.1 工艺流程污水再生系统包括以下几个部份1）、电器自控系统：PLC，变频器、电控阀门、液位记。2）、生化处理系统：调节池，水解酸化池、曝气池、产水池。3）、膜系统：膜架，帘式膜、在线气水洗、曝气系统、在线化洗、离线清洗部份。2.2主要构筑件、设备及工艺参数1）、调节池：长宽高为994m,有效体积300m3，停留时间为15h.水解池：长宽高为844m,有效体积100m3，停留时间为5h.曝气池：长宽高为92.52.4m,有效体积42m3，3 个并联，停留时间为6h产水池：长宽高为782m,有效体积100m3，停留时间为5h清洗池：长宽高为1.61.22m,有效体积3m3总占用面积：260平方米2）、二氧化氯发生器：H99-300 山东华特三叶罗茨风机：SSR125 P=7.5KW 3台, 山东章晃潜水泵：调节池出水泵：SSP-51.580；水解池出水泵：SSP-50.460; 3台；清洗池出水泵：SSP-50.460；应急泵：SSP-51.580;产水池出水泵：SSP-51.580，GSD公司污水泵：曝气池出水泵：WB70/090 3台; 清洗泵：WB70/075 ; 广东阳江新粤华加上照明、加药与吊车等总装机容量为43KW膜：FR，膜内/外径为35/25mm，丝根数：总面积：产水量清水：截留分子量为20万，最大孔径：0.2m 产地 天津工业大学膜天膜公司.膜架：长宽高为10207001300mm,8个帘式膜容量，含清洗曝气系统，产地：天津工业大学膜天膜公司.3）、临界通量为1040L/M2.H根据体水质情况而定，设计通量在10 L/M2。在临界通量进行恒流量控制; 气水比为15：120：1 ；酸化池DO值为小于1mg/l, 曝气池DO值 58mg/l；连续进水，间歇出水，抽吸泵开13分钟停1分钟；总污泥含量大于8000mg/l，要向酸化池中排泥。当压力表在最低液面时，清水泵口真空表真空度大于30Kpa，进行在线物理水气清洗。物理水气清洗的周期间隔小于2周时，进行在线化学清洗；当在线化学清洗周期小于1个月时，采用离线清洗。2.3设计特点1)、电气系统、生化系统、膜系统三部分相互之间有关联，但是加工安装有独立性，方便于模块化成套性工业推广，施工调试期短。其应用可以采用阶段性开车，由于膜架成为最小的处理单元，所以不涉及工程的放大问题，并且有助于在初步的试运行阶段通过较少的膜作为试车风险，来获得更加可靠稳定的运行参数。2)、采用造价较低的传统的水解酸化-有氧活性污泥法，但在参数的设计中体现了MBR的特殊性。为了增加水解酸化的效果及减少给水波动性的影响，加大了水解池体积。3)、PLC电路高度自控，无人值守。变频器可以节约曝气能耗。可以根据不同的进水水质与产水的不同需求在不增加设备的情况下，软件化调节。4）、经济有效的清洗系统保证了膜的长时间节能运行1。在线气水洗有高效与环保上的意义，新型射流技术的应用，增加了清洗效果并使用水量与时间都减少，使占有一体膜生物反应器运行能耗近90%的曝气能耗得以下降。另外，在线化洗减少操作强度，解决了强度不高的PVDF膜的断丝问题。对于长期所发生的较为严重的污染，进行离线清洗，膜架堆设计方便了膜的取放，提高了膜的清洗效率。5）、整个工程为地下室，上面为景观假山绿地，体现了美学意义。清洗用水都来自于膜产水。在线化学清洗用量少，给环境带来的污染小，离线化学清洗用药量少，是重复使用，最终废液中和后，间歇的排入到调节池，并通过生化得以处理。膜生物反应器的高浓度污泥，使排泥量少，曝气池量的污泥可以排到水解酸化池中，增加了水解酸化效果。最终，生成的无机物污泥，一年或更长的时间由排污车排除，作为肥料供给农业生产。使污水处理厂自身也清洁生产，实现O排放。3 处理效果工程经过1个月的调试和污泥的培养，投入正常运行6个月。运行比较稳定。 虽然受到雨水的影响，但是污泥中一直有较好的生物相，以出水中的氨氮、总磷、COD、SS以及膜出水泵的真空度作MBR系统的监控指标。出水在不同时期多次抽测分析，所有指标都优于城市污水再生利用城市杂用水水质（GB/T18920-2002）。除总磷外，出水水质可完全滿足城市污水再生利用景观环境用水水质（18920-2002）.此期间没有进行化学清洗，没有明显污染衰减。没有进行排泥。4、主要经济技术指标及经济效益分析及优化4.1 水成本的分析为了全面分析MBR工程系统的各种运行参数及设计条件对工程处理效果的影响情况，本文以单位水处理成本V元/m3作为工程评价的目标参数，并以本系统试运行参数为依据，对事故停车率、在线水洗时间、空曝气清洗时间、膜寿命、气水比、膜价格、膜产水通量进行了全面的分析优化。计算过程利用数学软件7进行了运算。计算程序参考相关文献，8，6。水电费人工等参数以北京地区为准，通过在设定其它参数不变的基础上，对单一因素作分析计算，得到各数据进作图数据分析，得到的直线回归方程即得到了V=KX+B V，V为产水成本，单位为元/m3;X代表各影响因子。如下表 1中所示。表1各种技术经济条件对MBR水成本的影响回归方程参数表 V=KX+B XKBR2X0X最大值X注示单位V(X0）yair1.6532.0180.9560.07 0.01 空曝不出水的时间比率 2.13371ybad0.4472.1560.9950.005 0.01 事故等停车的时间比率 2.158235QPS-0.1724.4760.65410.00 30.00 膜设定的产水通量L/M2.h2.756Nmem-0.1372.5250.6542.00 10.00 膜使用年限a2.251yclean0.2442.15210.011 2.00 在线清洗所占用的时间比率 2.154684GPW0.031.512121.50 30.00 气水比 2.157CPSmem0.0061761.2281150.00 450.00 膜每平方米价格元￥/m22.15444.2 敏感性分析为了研究对各因素X对水成本V的影响情况，本文采取了投资项目评价中的敏感性分析。对各种不同单位的影响因素的变化都会引起水成本的一定变化，但是其影响程度却各不相同。有些因素可能仅发生了较小的变化就能引起水成本指标发生大的变动，而另外一些因素即使发生了很大的变动，水成本影响也不是很大。前一类因素称为敏感因素。跟据上面的参数，设定不确定因素变化率xi分30%，20%，10%间变化，将得到的Xit代入各自的回归方程得到值Vxjt与Vxj，然后对其作图，如下图1 ，xi与Vxj的斜率slope(Xj,Vxj)就是敏感系数。它反映了变量因素敏感程度的一个指标。最大者为最关键因素。图 1水成本的单因素敏感性相对分析图图 2 水成本的单因素敏感绝对分析图在上述理想条件分析中，不考虑各种条件之间的相关影响，即清洗及曝气等对膜寿命的影响均未考虑，另外由于水成本中泵能耗的比例较小，所以也忽略了膜污染对泵能耗增加所产生的影响。另外其它运行情况仅以本系统为例，其它水电费等参数以北京地区为准。认为此工艺条件下，膜生物反应器的各种影响产水成本的因素中，相对大小为：停车率在线水洗空曝气清洗气水比膜寿命膜价格膜产水通量。膜是关键因素,膜的产水能量是最为关键因素，直接决定着MBR制水成本的大小 。这与相关报道6一致，但是更为深入而细致。达到了优化工艺的目的。5、讨论与改进1）、膜的出水量及价格及寿命成为控制成为的主要因素。膜产水通量是最主要的影响因子。又要同时兼顾膜的使用寿命。与其这些有关的各种因素都会可能成为降低成本的有益控制手段。相反则要避免，即使在短期可以降低在成本。要以最终的工程寿命期水成本为控制参数，实现膜的长期有效使用，才有可使工程最经济有效。在寿命2年以上的价格小于200元的国产膜会在水成本上有优势。国外膜如寿命小于5年则其在价格不应高于300元，才有优势。PVDF膜较PP或PE膜在膜通量上有优势，这是其流行的一个重要原因，但其膜强度要差一些。合理的曝气及清洗会使PVDF膜可能有较小的制水成本。2）、曝气系统的开发成为MBR技术的重要方面。增加有效的清洗，来减少无效的大量的曝气9。间歇出水即用空曝气的手段成为控制膜污染共识，尽管在实验室及小试中多次被研究与推荐，但是在大系统中可行性不大。但不良的自净效果，及增加了断丝率及对膜的伤害。另外在电耗成本中其占了高达95%以上，高于常规的处理方法10。空曝气的方法及增加曝气量的方法，会增加影响成本较强的气水比因子。看来方法可行性不大。本系统在长期低COD进水（小于100），连续出水及时在线水洗，没有发生膜的能量下降。间歇出水方式能多大程度上缓解膜的污染，及对膜的寿命的到底为多大还有待于研究。113）、清洗水量对产水成本影响小，在实际之中又发现膜对于每次清洗都可以使水的抽吸压力下降35Kpa,且在线物理清洗方便可行，强度小。适合我国国情。可以通过此方法可以增加膜的寿命，与膜的通量，来降低工程产水成本。又可以减少损害大的、不方便的化学清洗。这样能通过可以从上文看出都可以大大减少水成本。要提高对膜的清洗效果，设计安全可靠又不伤膜的清洗喷枪是关键。4）、系统的稳定性对水成本影响不大，维护停车在成本上不会增加太多。通常大于8000小时的运行时间就可以了。虽然在土建上增加了费用，但是由于土建费用在成本中占的比例不大所以这是可行的。这也有利于国产膜的推广。5）、膜生物反应器的水处理工程，回用为目的，在现行水电及利率等情况下有很好的推广价值。可以在运行期内收回投资并取得经济效益。成本在2元左右，投资回报期为45年12。6）、反应器对如果要达到景观用水，要进行脱磷处理，要在前面增加化学除磷。膜生物反应器工艺和生物接触氧化工艺中水处理的技术经济性分析 1. 前言 由于中水回用政策的出台，中水回用用途日益广泛，特别是北京市，大部分住宅小区、酒店、写字楼等中水回用于冲洗马桶、绿化、洗车、水景等用途，与人体的接触越来越密切，因此对中水的水质提出了更高的要求。今年，建设部颁布了最新的生活杂用水标准，同时新的城镇污水厂排放标准也规定了废水资源化的水质标准。总的来说，对污水处理和回用的出水水质标准要求有越来越严格。膜生物反应器技术（Membrane Bioreactor）是二十世纪九十年代发展起来的污水处理新技术，是生物处理与膜分离技术相结合的一种高效污水处理工艺。由于膜的应用，大大提高了处理出水的水质标准，较为符合中水回用用途要求的发展趋势。鉴于这种趋势，膜生物反应器技术近两年在小型污水处理和城市建筑中水（洗浴废水为原水）方面应用越来越多，大有取代近十年来占据主导地位的生物接触氧化工艺的趋势。但是，作为一种新的技术，膜生物反应器除了技术的先进性外，是否具备良好的技术性能、适用性和运行经济性？本文通过对本公司建设运行的两个应用不同工艺的中水处理工程实际运行效果进行对比分析，探讨两种工艺在实际应用的优缺点。2案例简介北京碧水源科技发展有限公司是我国较早将膜生物反应器技术应用到中水回用处理的单位，并且是国家“863”课题“膜生物反应器技术产业化”的承担单位之一。自2000年底第一台实际应用的一体式膜生物反应器研制成功后，经过改进，目前已形成了系列化、标准化产品。并建立了膜生物反应器产业化基地。本文进行探讨的两个工程分别介绍如下：2.1 锋尚国际公寓中水处理工程锋尚国际公寓中水处理工程采用膜生物反应器工艺，原水为洗浴废水，水量240m3/d，采用碧水源公司生产的pwmbr-240c一体式膜生物反应器一台，分两个模块，每个模块处理能力为120m3/d可单独运行一个或同时运行两个模块。处理能力240m3/d。为采用日本三菱公司生产的中空纤维膜，由碧水源公司设计加工膜组件。要求处理出水达到回用标准，回用于冲厕、洗车和小区绿化。中水处理工程于2002年5月投入运行，目前已运行1年6个月。工艺流程如下：2.2 阳光100国际公寓中水处理工程阳光100国际公寓中水处理工程采用传统生物接触氧化法工艺，原水为洗浴废水，水量240m3/d，采用碧水源公司生产的pwbx-240一体式中水接触氧化设备一套，处理能力240m3/d。要求处理出水达到回用标准，回用于冲厕、洗车和小区绿化。中水处理工程于2001年12月投入运行，目前已投入运行1年11个月。工艺流程如下：2.3 研究方法自2003年4月至2003年8月，分别对上述两个工程进行正常的运行，监测出水水质、记录耗电量、投药量、出水量和其他工作状况条件等参数。水质分析主要监测CODcr, BOD5, LAS，NH3-N等3运行结果分析和讨论3.1 处理出水水质监测结果分析1COD的去除从两种工艺的COD去除效果看，膜生物反应器工艺与生物接触氧化工艺相比， 具有以下明显优势：锋尚国际公寓膜生物反应器出水水质明显优质稳定，平均出水COD为17.25mg/l, 平均去除率91。虽然原水COD变化较大，出水水质均能保持在45mg/l以下。阳光100生物接触氧化工艺出水虽然也能满足中水标准，但平均出水COD较高，为36mg/l，平均COD去除率75并且变化较大，出水明显受原水水质状况的影响。2LAS的去除LAS是洗浴废水中主要的污染成分，对LAS去除的效果是中水处理工艺优劣的重要指标。从监测结果看，锋尚国际公寓膜生物反应器出水LAS始终低与0.25mg/l，平均0.16mg/l，平均去除率97.5%，远优于阳光100的接触氧化工艺（平均出水LAS 0.9mg/l）。3氨氮的去除建设部新颁布的生活杂用水水质标准对氨氮要求，对洗车和冲厕，要求小于10mg/l，对绿化要求小于20mg/l。膜生物反应器对氨氮有很好的去除效果，出水平均氨氮为0.75mg/L，去除率达95，接触氧化法工艺氨氮去除效果较差，出水氨氮平均5.75mg/l，去除率44。由于膜分离对硝化细菌的高效截留作用，生物反应器内可以维持高浓度的硝化细菌，因此可以获得非常高的硝化效果，氨氮去除率可以达到95%以上。3.2 工程经济性能分析1投资经济性分析表 1 锋尚国际公寓膜生物反应器中水工程与阳光100国际公寓生物接触氧化法工艺中水工程投资经济性分析项目锋尚国际公寓阳光100国际公寓处理能力（m3/d）240240土建投资（万元）2526设备