平板膜MBR技术介绍

1、久保田 MBR 简介1.久保田公司概况日本久保田株式会社始建于1898 年,全球雇员总数32401人 ,总资产 840.7 亿日元 ,2006 年总收入 6949 亿日元 ,在东京和纽约同时上市。总部设在日本大阪 ,在日本东京等多个城市设有分支机构和工厂。久保田公司的产品范围包括农业机械 ,发动机 ,自动售货机 ,钢管 ,铸铁管 ,阀门 ,水泵 ,空调设备 ,总承包给水和污水处理厂等。久保田公司在美国 ,加拿大、法国、德国 ,英国、西班牙、澳大利亚、台湾、中国、南朝鲜、泰国、印度尼西亚、菲律宾、马来西亚等国共建有 24 家分公司。在世界各地均建有办事处。久宝田总部大楼 (右侧最高楼日本久保田公

2、司是世界上最大的农业机械,柴油发动机的制造厂家之一,同时又是日本最大的水处理设备制造公司之一。1960 年,久宝田开始在日本设计和建设数百座粪水处理厂。1980 年,久宝田发明了浸没式膜处理单元(Submerged MembraneUnit? ,SMU 。1988 年,久宝田开始用管式超滤膜进行固液分离。1990 年,在日本建立商业化污水处理厂。1991 年,此后 ,久宝田使用 MBR 技术 ,为日本几百家工业和市政用户处理污水。1998 年,在英国建成了第一座使用久宝田MBR 技术的污水处理厂 ,Porlock。2001 年,久宝田欧洲膜技术公司 (KME 在英国伦敦成立。2004 年,久宝

3、田的 SMU 总销售量超过 1 百万片。2005 年,久宝田与阿曼签订了SMU 订单 124,000片,污水处理量为 76,000t/d。2005 年,久宝田美国膜技术公司(KMU 在华盛顿成立。至今在全世界已经有2000 多家市政污水用户和400 多家工业污水用户。2.公司业绩久保田公司的平板膜远销欧洲、非洲、中东、北美洲、拉丁美洲和亚洲等国家。其膜产品拥有客户群体有中国、美国、德国、英国、法国、加拿大、韩国、意大利、澳大利亚、爱尔兰、巴西、奥地利、荷兰、比利时、土耳其、西班牙、瑞典、南非、芬兰、沙特阿拉伯、以色列、苏丹、卡塔尔、墨西哥、迪拜、阿曼、阿布扎比、智利、马来西亚、泰国等 30 余

4、个国家。久保田公司平板膜处理污水的应用领域包括市政污水、工业污水、酿造废水、乳制品废水、医药加工废水、食品加工废水、化妆品制造废水、海产品加工废水、洗衣废水、屠宰废水、造纸废水、洗车废水、糖加工废水、水果深加工废水、纺织行业废水、化工废水、印染废水等多个领域。在欧洲z1998年 ,英国的 Porlock,欧洲最早的大型污水处理厂处理量 900m3/d,至今已经连续稳定地运行了 10 年,已经成为世界上 MBR 成功运行的典范z1999年 ,爱尔兰的 Glanbia 污水处理厂 ,处理量 7,100 m3/dz2000年 ,英国的 Swanage污水处理厂 ,处理量 12,700m3/dz200

5、1年 ,苏格兰的 Daldowie 污水处理厂 ,处理量 12,800m3/dz2002年 ,英国的 Westbury 污水处理厂 ,处理量 5,000 m3/dz2004年 ,德国的 Seelscheid污水处理厂 ,处理量 8,500 m3/dz2004年 ,英国的 Gardigan 污水处理厂 ,处理量 8,600 m3/dz2005年 ,德国的 Konzen 污水处理厂 ,处理量 14,100 m3/dz2006年 ,西班牙的 La Torre 污水处理厂 ,处理量 13,600 m3/d在中东z2006年 8 月运行 ,迪拜国的 EMAAR 污水处理厂 ,处理量 10,000 m3/

6、d z2006年 12 月运行 ,迪拜国的 P. Jumeirah污水处理厂 ,处理量 18,000 m3/d z2006年,阿曼的 Al Ansab 污水处理厂 ,处理量 78,000 m3/d,是目前久保田公司平板膜的最大污水处理工程z2007年 ,迪拜国的 Greens污水处理厂 ,处理量 12,000 m3/d在美国久宝田与美国 Enviroquip 公司的正式合作开始于2001 年,到 2006 年,采用久宝田 MBR 技术的污水处理厂在美国、加拿大 ,墨西哥已经有近 100 座。其中比较大型的有俄亥俄州的 Delphos 污水处理厂 (23,000m3/d 等。 2000年以后 ,

7、由于美国水污染的加重 ,EPA 制定了更加严格的污水处理标准 ,所有的污水处理厂必须实施除磷脱氮。受占地面积 ,原有工艺的限制 ,越来越多的污水处理厂开始采用 MBR 工艺。在中国z 久宝田公司的 MBR 技术从 2005 年开始进入中国市场 ,目前在北京的近10 家宾馆、饭店安装了 MBR 处理装置。久宝田在吉林的食品厂有每天处理3000 吨污水的业绩。z 久宝田公司为了在中国市政污水行业推广其MBR 技术 ,2006 年 5 月,在天津纪庄子污水处理厂安装了一套处理量为160m3/d 的中试装置 ,至今为止已经运行了1年以上 ,出水效果始终优于一级A 。z 目前 ,久宝田公司正通过其中国的

8、合作伙伴 ,竞争天津东郊污水处理厂 20 万吨 / 日一级 A 改造和 6000 吨污泥水处理的工程。污泥水处理的工程已经确定采用久宝田的 MBR 技术。截止到 2004 年,久保田的平板膜总销售量已超过1 百万片。截止到2007 年 3月 ,久保田公司的平板膜工程在海外的业绩已达 400 多个 ,在日本有 2000 多个。久保田 MBR 工艺简介1.久保田 MBR 简介MBR 是膜生物反应器 (Membrane Biological Reactor 的英文缩写 ,是高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型污水处理技术 ,可用于有机物含量较高的市政或工业废水处理。虽然有氧 MBR 过程的技术应用

9、可以追溯到 20 世纪 70 年代 ,但是它在污水处理领域的大规模商业应用也是在过去的 10 年间刚刚开始的。利用膜组件进行的固液分离过程取代了传统的沉降过程 ,能有效的去除固体悬浮颗粒和有机颗粒。与传统工艺相比 ,MBR 工艺可以使活性污泥具有很高的 MLSS值 ,延长其在反应器中的停留时间 ,提高氮的去除率和有机物的降解 ,同时极大地减少了污水处理过程中的产泥量。MBR 的工艺特点是利用膜的固液分离原理 ,取代常规的沉淀 ,过滤技术 ,并使处理后的水质直接达到 (优于排放标准一级 A 的水平。 MBR 的工艺简化 ,使得整个污水处理工艺的占地面积大大减少 ,也使得连接的管道、阀门、水泵等辅

10、助设备大大减少 ,系统的投资降低。MBR 是现代化的、高效的水处理系统,可满足市政污水处理量不断增长的需求,极大地提高污水处理后的水质。所谓的 MBR 生物反应器实际上就是一组带有微小孔径的膜装置。如下图所示。污水出水微孔膜鼓风机打入的空气与污水中的活性污泥相接触 ,污水中的有机物被活性污泥中的细菌嚼食 ,污水中的有机成分被分解 (降解 ,去除了绝大部分有机物的水经膜过滤后流出 ,成为深度处理后的中水。2.膜及膜组件简介膜结构单片液中膜由滤板 ,膜垫 ,薄膜层 ,取水口组成。滤板由外框架和内支撑组成。滤板主要是对附着在表面的膜垫和薄膜层起支撑作用。用于市政污水处理的滤板主要有两种尺寸。一种是1

11、000mm 500mm,另一种是 1600mm 500mm。滤板中的内支撑上有水流沟槽 ,可以使得过滤后的水能够自由地在其中流动。膜垫是薄膜过滤层的物理支撑。在滤板的两面均紧密地附着有膜垫。薄膜层的材料为聚氯乙烯,薄膜层均匀地附着在膜垫的表面。取水口是最终处理后水的出口。过滤后的水经过滤板内支撑上的水流沟槽 ,在水力压力或外部抽吸力的作用下流出。液中膜的主要技术指标如下:液中膜平均孔径0.4um (属于微滤膜 ,MF单片膜的有效过滤面积尺寸 1000mm500mm (EK 型有效过滤面积 0.8 m2尺寸 1600mm500mm (EW 型有效过滤面积 1.25 m2膜通量0.4 0.8 m3

12、/d/m2(每有效平米 ,每天进水污染物负荷较高时 ,设计取的膜通量较小。市政污水一般取0.50.6。膜组件如上图所示 ,液中膜组件由膜框架 ,膜支架 (液中膜曝气框架 ,曝气管 ,软管 ,集水管组成。膜支架就是上面介绍的液中膜。每个液中膜组件中可以安装最多200 片膜支架。膜框架是用来支撑膜支架的,一般用不锈钢材料制成。曝气框架。散气框架位于膜框架的下部,为鼓风气泡提供上升通道。曝气管。外部鼓风机的空气通过管道首先送至曝气管的主管 (下部较粗的管道 , 再通过主管分配至曝气支管。曝气支管上有散气孔 ,空气通过曝气孔 ,经过曝气框架 , 吹入膜框架的空隙之间 ,防止膜堵塞。软管和集水管。每个膜

13、框架的出水口与出水软管相连接 ,出水软管的水再汇集至集水管 ,最终流入集水池。说明为了节省液中膜的空气用量 ,从而达到节约能耗的目的 ,在大型污水处理厂中 ,液中膜组件通常为双层布置 ,即在上图所示的膜框架之上再安装一层同样尺寸的膜框架 ,这样可以节省空气用量 30%。早期久宝田的膜组件中每片膜的出水口均采用透明塑料管与集水管连接。这主要是为了在膜堵塞和膜损坏时 ,便于观察 ,也利于更换。经过多年的运行实践证明 ,只要没有外部破坏力 ,液中膜极少有堵塞和损坏发生。加之透明塑料管容易老化 ,需要定期更换 ,会增加维护工作量 ,目前在大型污水处理厂中已很少采用 ,均采用塑料硬管直接连接。3.液中膜

14、的过滤机理物理过滤原理如上图所示 ,液中膜浸没在污水中。污水在两片液中膜之间流动 ,清洁的水在压力或外部抽吸力的作用下流入液中膜的滤板内 ,再通过液中膜的取水口流出至集水池 ,从而达到固液分离的作用。膜表面聚集的污泥 ,在鼓风气泡剪切力的作用下 ,脱离膜表面 ,从而使膜的固液分离能力持续保持。生物过滤原理久宝田的液中膜除了具有普通膜的物理过滤原理外 ,在实际运行中 ,在液中膜的薄膜层外 ,会均匀地生长一层致密的生物膜。这层生物膜对固液分离的贡献极大。大部分固体颗粒实际上是被这层生物膜截留。生物膜的过滤极大地减缓了物理膜的污染速度 ,久宝田液中膜可以运行数个月不清洗 ,主要是因为有了生物膜的缘故

15、。4.膜清洗与其它中空膜的清洗不同 ,久宝田液中膜的清洗为 “在线 ”冲洗 ,即无需将膜组件从膜池中提出 ,直接在膜池内清洗。清洗时 ,一般采用次氯酸钠 (0.5%浓度和草酸 (0.5%浓度两种药液 ,分两次清洗。清洗前 ,首先关闭抽吸泵和鼓风机。将药液通过安装在膜组件上部的进药口缓缓注入膜组件中 ,注入药液的量要按照操作说明书给出的量控制 ,一般每片膜 ,每种药剂的用量约 3L 左右。注入药液后 ,静止浸泡 1.5 小时左右 ,然后 ,用抽吸泵将药液排出 ,再注入另一种药剂 ,再静止浸泡 1.5 小时左右 ,然后 ,再用抽吸泵将药液排出。整个清洗过程持续 45 小时。液中膜清洗后 ,95%以

16、上的膜污染将被清除。刚刚清洗后 ,由于在线清洗时对膜表面生物膜的破坏 ,膜的过滤能力将降低 ,需要恢复 612 小时。在恢复期间 ,膜的运行与正常运行时完全相同 ,只是流量需要控制。开始时的通量应降至正常运行的 50%以下 ,以后逐渐升高 ,直至完全正常为止。平板模 MBR 工艺与中空纤维膜MBR 工艺的比较MBR 工艺是以膜处理设备为核心 ,通过生物处理过程 ,达到高质量污水处理的技术。目前 ,MBR 工艺中采用的膜处理设备主要有两种 ,一种是以日本久保田 ,日本东丽公司为代表的平板膜设备 ,另一种是以美国 GE 公司 (ZENON, 德国西门子公司 (US Filter Memcor,日本

17、三菱公司为代表的中空膜设备。按生产时间和应用业绩比较 ,世界上 MBR 工艺采用最多的是日本久保田公司 , 其次是美国 GE 公司 (ZENON 。久保田公司的平板模仅有应用于 MBR 的工程实例 , 而其他中空膜设备不但有应用于 MBR 的工程实例 ,还有应用于净水厂和污水处理厂二沉池出水再处理的工程实例。按膜的物理过滤能力分类 ,久保田的平板模属于微滤膜 (MF, 平均过滤孔径为 0.4 微米 ,而 ZENON 的中空膜属于超滤膜 (UF, 平均过滤孔径为 0.04 微米。如果仅以物理方式进行过滤 ,超滤膜的物理过滤能力要比微滤膜的过滤能力大。其他 US Filter 和三菱的中空膜亦属于

18、微滤膜 ,与久保田的平板膜的物理过滤能力相同。6.生物膜过滤机理在膜的固液分离过程中 ,膜的表面会形成一层非常薄的生物膜 ,这层生物膜同样具有过滤能力。由于久保田平板膜的表面物理性质 ,在实际运行中 ,在平板模的表面会形成一层几微米厚的 ,非常均匀的生物膜。这层生物膜其实是平板模的过滤主力。大部分的悬浮固体是被生物膜截流的,而不是靠物理膜截流的。这种特殊的过滤机理 ,使得久保田的平板膜在运行时污染非常缓慢 ,平日运行时 ,无需反冲洗 ,固定的冲洗周期 (彻底清洗也比较长 ,可达 6 个月以上。中空膜在固液分离过程中,膜的表面也会形成一层非常薄的生物膜。但由于中空膜的密度很高 ,空气吹洗时 ,膜

19、管相互之间会有碰撞 ,会破坏其表面的生物膜。因此 , 中空膜主要依靠物理膜的过滤能力进行过滤 ,膜的污染速度较快 ,一般几天 ,或几个小时就需要反冲洗一次。虽然每次反冲洗的时间不长 ,但反冲洗过程中 ,会进一步破坏附着在膜表面的生物膜 ,使生物膜的生长更加不可能。由于仅靠物理膜进行过滤 ,中空膜的固定反冲洗周期比平板模要短 ,一般 3 个月左右即需要进行彻底清洗。生物反应池的 MLSS 浓度由于平板膜采用了生物膜过滤机理 ,并且日常运行中可以不反冲洗 ,平板模 MBR 的生物池中 MLSS 浓度可以达到很高的浓度 ,设计的 MBR 池的 MLSS 浓度为 15000mg/L20000mg/L,

20、 实际运行中有 24000 mg./L 和 33000mg/L 的运行实例。而中空膜由于仅靠物理膜过滤 ,其 MLSS 浓度不易过高 ,通常掌握在 8000mg/L 左右 (ZENON 。MLSS 的大规模提高可以大大缩小生物池的容积 ,因此 ,久保田 MBR 生物池的容积要比其他中空膜 MBR 生物池的容积小的多 (约 1/2。7.膜设备的体积平板模每个膜片之间的间隔很大 ,通常为 5mm 左右 ,而中空膜的每根膜管之间的距离很小 ,加之中空膜组件的密集安装方式 ,使得中空膜组件的整体体积要大大小于平板模组件的体积。一般平板模组件的体积是中空膜组件的体积的58 倍。8.过膜压差所谓过膜压差

21、,是指水在通过膜时的水头损失。由于平板模主要靠生物膜过滤悬浮颗粒 ,而生物膜在冲洗空气的作用下不断的更新,始终保持几个微米的厚度。故平板模运行中的过膜压差很小,一般在 0.21.8米水柱之间。中空膜主要靠物理膜过滤 ,膜的污染很快 ,过膜压差增加的也很快。一般中空膜的过膜压差在 210 米水柱之间。过膜压差增大意味着抽吸压力的增加 ,意味着出水能耗的增加。由于平板模的过膜压差很小 ,一些应用中仅靠重力即可达到自流出水 ,大大节约了能源消耗。久保田 MBR 在美国的上百个应用中有一半是靠重力流过滤的。9.使用寿命目前国外著名厂家生产的膜的寿命均可达到58 年 ,久保田平板模更有10 年以上使用不

22、更换膜的实例。国内著名厂家的中空膜寿命目前只能达到3 年。久保田平板模 5 年内膜的损坏率只有1%以下。久保田膜的损坏原因主要为硬物刮损和反冲压力过高时焊缝撕裂。久保田膜组件是由一张张膜组成的 ,单张膜损坏可以独立更换 ,无需整个组件更换。中空膜组件的损坏主要是由于膜长期运行时膜管的变形 (伸长 ,纤维的缠绕 ,膜管与出水口连接处脱落等。由于中空膜很细 ,人工修复十分困难 ,因此 ,当中空膜的膜管有 5%10%损坏时 ,整个膜组件就需要更换。10.膜冲洗无论是平板模还是中空膜 ,在运行了一段时间 ,过膜压差很高 (膜污染很严重时 , 均需要彻底清洗。久保田平板模的清洗为就地清洗 ,即膜组件不吊

23、出膜池 ,直接在膜池内清洗。一次清洗的时间不超过 4 小时。清洗后可立即恢复过滤。一般中空膜的清洗需要将整个膜组件吊出膜池 ,在池外检查和清洗 ,一次清洗要持续较长的时间 (12 天 ,对生产运行影响较大。为了膜清洗 ,需要配置专用的起吊设备和清洗池。11.日常维护久保田平板模 MBR 的日常维护工作量极小 ,且要求的自动化水平较低 ,基本属于 “平民工艺 ”。日常操作包括每天一次的曝气管强制泄气 ,每次 2030 秒,抽吸泵每开 9 分钟 ,停止 1 分钟 ,这些工作用简单的 PLC 逻辑和简单的硬件即可完成。中空膜的抽吸泵也是每开 9(8 分钟 ,停止 1(2 分钟。除此之外 ,一般中空膜

24、均需要每天反冲洗 ,有的甚至需要几小时一次的反冲洗 ,反冲洗需要根据水头损失计进行判断 ,需要多个自动阀门的联动。由于反冲洗需要水源 ,有的中空膜还需要纳米过滤水作为反冲洗水源 ,故反冲洗时需要水源设备的联动才能完成 ,设备数量多 ,仪表数量多 ,控制复杂。12.污泥处置由于久保田平板模 MBR 工艺生物池的 MLSS 浓度极高 ,泥龄很长 (一般 60 天左右 ,故污泥产率很低 ,一般只有 45%以下。在所有 MBR 工艺中 ,久保田平板模 MBR 工艺的产泥率是最低的。由于久保田平板模 MBR 生物池中的 MLSS 已经达到 15g/L 以上 ,所以 ,从生物池排出的混合液无需再进入浓缩池

25、预浓缩 ,可以直接进入浓缩脱水工艺。污泥产率的大幅度降低 ,还极大的节省了污泥最终处置的费用和投资。13.进水格栅采用膜过滤技术的MBR 工艺一般均需要在生物池的进口安装间隙较小的细格栅。细格栅的主要作用是拦截粗大物体和对膜有害的物质。由于中空膜的膜管很细 , 每根膜管之间的距离又非常小 ,极易被毛发缠绕 ,造成膜堵塞和膜损坏 ,故中空膜 MBR 工艺通常需要间隙为 1mm 的细格栅在前级过滤 ,有的还需要特殊的毛发过滤器。由于毛发对平板模过滤并无影响 ,也不会造成膜的损坏 ,故平板模通常只要求 3mm 的细格栅 ,过滤尖利物体。格栅间隙增加后 ,可以大大提高单台格栅的通量 ,减少格栅的数量和

26、造价。有试验数据显示 ,当使用 1mm 细格栅时 ,进水 SS 和 BOD 均会被大量截流 ,BOD 的去除率可达 25%左右。当污水处理的目标中含有总氮指标时 (如要求达到一级 A, 过细的细格栅往往会造成后续工艺碳源不足的问题。14.能源消耗MBR 工艺中最大的能源消耗来自日常运行中的膜清洗空气用量。这部分空气虽然也同时向生物池提供了氧气 ,可以作为生物曝气使用 ,但由于清洗空气为粗气泡 , 氧的利用率很低 (一般 7%。由于平板模主要是依靠生物膜过滤,因此 ,清洗空气的气量不能太大,否则交叉流会破坏生物膜。设计平板模的用气量为 1620m3/吨水。在所有 MBR 工艺中 ,久保田的平板模

27、 MBR 需要的清洗空气是最小的。而中空膜必须有足够的空气量吹动膜管 ,才能保持膜表面的清洁 ,减低膜的污染速度 ,因此 ,中空膜需要比平板模更多的清洗空气。一般中空膜的用气量为2530m3/吨水。一些厂家的中空膜需要更多的清洗空气。15.膜组件的成本久保田的平板膜用亲水性聚乙烯无纺布作为底衬(dipping a non-woven mat ofpolyethylene terapthalate,浸入聚氯乙烯 (chlorinated polyethylene溶液 ,再干燥。在干燥的过程中 ,底衬表面形成了一层薄膜,标称孔隙为 0.4 微米。将制好的膜切割成适当的尺寸 ,用超声波方法将膜焊接到 ABS 框架上。这种的膜制造工艺相对比较简单 , 部分工序甚至可以手工操作 ,这就使得久保田膜组件的成本大大降低。中空膜组件的制造异常繁琐,在制造过程中 ,必须要保证将数以万计的直径为数微米的中空纤维规整