管式膜生物反应器处理城市污水的工艺设计.docx
《管式膜生物反应器处理城市污水的工艺设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《管式膜生物反应器处理城市污水的工艺设计.docx(9页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
管式膜生物反应器处理城市污水的工艺设计
管式膜-生物反应器处理城市污水的工艺设计
论文名称:
管式膜-生物反应器处理城市污水的工艺设计
作者:
邢传红文湘华钱易
摘要:
在中试的基础上,提出了膜--生物反应器工艺设计的基本原则、方法、步骤。
以某居民小区的中水回用为目标进行了模拟设计计算,并探讨了该工艺的运行能耗及固定投资。
关键字:
膜生物反应器城市污水工艺设计
膜——生物反应器(MembranceBioreactor,简称MBR)是膜分离与生物处理技术组合而成的废水生物处理新工艺[1],具有对有机污染物去除效率高、出水水质好、流程简单、结构紧凑等优点,在废水回用与资源化领域具有极为广阔的应用前景[3~6]。
至今国内外尚无MBR工艺放大设计的成熟经验和理论,设计手册中亦无此实例可资参考。
因此,探讨MBR工艺放大设计具有十分重要的工程意义。
1工艺设计基本原则
1.1MBR工艺流程
MBR工艺流程如图1所示。
进水由提升泵提升至生物反应器后与活性污泥充分混合,通过微生物的新陈代谢活动使废水得以净化。
生物反应器的混合液则经加压泵加压后,送入膜组件实现液固分离,清水透过膜流出;浓缩液被送回生物反应器,参与下一个循环或经循环泵提速后再进入膜组件。
1.2放大设计的基本原则
在近三年的中试规模试验研究期间,对MBR工艺流程各组成单元运行特性的考察表明:
MBR工艺的放大设计应主要包括生物反应器设计参数选取、泵系统选择、膜组件选择等几个方面。
①生物反应器参数的选取。
大量试验研究显示:
采用MBR工艺处理城市污水,污泥负荷、体积负荷已不再是制约处理效果的重要指标[2]。
根据中试运行的经验,可将水力停留时间HRT、污泥停留时间SRT作为MBR工艺生物反应器单元的设计依据,因为这样不仅能确保工艺操作的长期稳定性,而且能简化设计过程。
②泵系统选择。
MBR工艺中加压泵的特点是扬程高、流量小;而循环泵则要求扬程低、流量大。
考虑到加压泵和循环泵并联工作的需要,两种泵的扬程必须相等,即H2=H3。
泵流量的选择,则只需达到膜组件对设计膜面流速的要求即可。
在此前提下,为节能起见,循环泵的流量宜大一些,而加压泵的流量宜小一些(至少应满足Q2>Q)。
③膜组件选取。
膜组件是MBR工艺的关键组成单元,它的选择对MBR工艺的运行具有决定性的作用。
研究表明:
以回用为目的的城市污水生物处理应优先选用超滤膜组件[2]。
膜通量是膜组件设计中最重要的技术参数之一。
当处理能力一定时,设计选择的膜通量越高,所需的膜面积就越小,膜组件部分的固定投资就越少;但另一方面,
MBR工艺的运行周期也就会越短,从而增加膜组件清洗的次数和费用。
因此,在具体的放大设计中应兼顾工艺的运行周期和膜组件的固定投资两个方面。
设计运行周期一般不小于3周。
2放大设计方法与步骤
2.1生物反应器设计
从中试结果来看:
当进水COD为50~2234mg/L,SS为80~1327mg/L,HRT在2.0~5.0h范围内时,系统运行的稳定性以及对污染物的处理效果均较好。
SRT的选取则相对灵活得多,例如根据硝化的需要可选用一个较长的SRT。
生物反应器中微生物浓度X(即污泥浓度)的理论计算公式[2]如下:
(1)
式中 Ci---进水COD浓度
Ce---出水COD浓度
Csup---污泥上清液COD浓度
MBR工艺的生物反应器宜设计成完全混合式,其形状可根据具体情况选用,相应尺寸亦很容易确定。
这里以圆形生物反应器为例进行
计算,设计采用生物反应器n3座(考虑工程实际,n3≥2),有效水深为h,则每座生物反应器的直径为:
D=((4×V)/(n3×h×π))0.5
(2)
式中 V---生物反应器体积
2.2膜组件设计
根据试验结果[2],建议超滤膜的通量F取0.1~0.2m3/(m2·h)(膜孔径为450nm),设计运行周期则为3~5周。
所需膜组件的有效面积为:
A=Q/F (3)
若已知膜组件制造厂家给定的基本参数,可容易地计算出所需的膜组件数:
N=A/A0 (4)
式中 A---膜组件的有效面积
A0---单个膜组件的有效面积
进而,可利用式(5)求出膜组件通道的总横截面积:
A截=N×n1×n2×π×(d/2)2 (5)
2.3曝气装置设计
为有效利用高速循环的污泥混合液的能量,建议采用射流曝气装置进行曝气,具体可参阅《给水排水设计手册》第5册。
一般,射流曝气器的工作压力在98~196kPa,建议回流流量Qr取2Q。
2.4选泵计算
提升泵的选择较为简单,只需满足设计流量Q、提升高度H1即可,可直接查《给水排水设计手册》第11册进行选泵。
流经膜面的
总流量Qt则可由最小膜面流速与膜组件横截面积的乘积来计算,而最小膜面流速和生物反应器中的污泥浓度线性相关[2]。
从图1中的流量平衡关系可知,流经膜面的总流量Qt等于加压泵与循环泵的流量之和。
加压泵扬程H2的选择非常重要,必须能够满足膜组件过滤操作对压力的需要以及整个系统管路的沿程、局部水头损失。
根据中试经验,加压泵的扬程H2≥147.1kPa即可。
为达到经济的目的,加压泵流量的选择应尽量小并使运行工况尽可能在最佳状态。
如果考虑到射流曝气的需要,加压泵的流量须满足:
Q2≥Qr+Q (6)
若不考虑射流曝气的需要,在实际MBR工艺的运行中则只须:
Q2≥Q (7)
选泵时可参考泵生产厂家给定的技术参数,使Q2大于Q有一个余量,确保工艺长期稳定的运行。
循环泵流量Q3等于流经膜面的总流量和加压泵流量Q2之差(由于循环、加压泵并联工作)。
2.5污泥负荷、体积负荷校核
MBR工艺的污泥负荷比普通活性污泥法略低,而体积负荷则是普通活性污泥法的数倍。
换句话说,与普通活性污泥法相比,这种工艺不仅对污染物去除效率高,而且占地面积可以很小。
3放大设计计算实例
3.1基本设计资料
①设计流量
模拟设计以北京西北郊某居民小区的中水回用为目标,设计服务人口为2.5万人。
考虑到公共建筑及服务设施用水,用水指标取为200L/(人·d)。
拟采用MBR工艺进行处理并回用,故障检修时则将全部或部分污水排入城市污水收集系统。
②进、出水设计水质
设计水质选取中等强度的城市污水,参考中试的近三年运行结果,确定进、出水设计水质如表1。
③流程与装置参阅图1。
3.2膜组件计算
①膜组件数
设计采用超滤膜组件,膜通量F取0.15m3/(m2·h)(膜孔径为450nm),运行周期3~5周。
以ModulesKERASEPTM系列产品K07BC1XX为例,每根膜长1200mm,直径25mm,内有19个通道,通道内径约3.5mm,7根膜装配成一个膜组件,膜组件直径约为100mm,每个膜组件的有效表面积为1.72m2。
②膜组件的通道总横截面积及安装占地面积已知膜组件有关尺寸,可由式(5)得到膜组件通道总横截面积A截及占地面积A占。
3.3生物反应器计算
①生物反应器中的污泥浓度
根据2.1的分析,取SRT=15d、HRT=4h,可得生物反应器中的污泥浓度X。
②生物反应器的直径
设生物反应器为圆形完全混合式,有效水深h=3.0m,可由式
(2)得到D。
上述各参数见表1。
表1MBR工艺设计的基本参数
Q(m3/h)
208.3
进水
水质
CODi
(mg/L)
500
SSi
(mg/L)
200
出水
水质
CODe
(mg/L)
20
SSe
(mg/L)
0
生物反应器设计参数
CODsup
(mg/L)
50
X
(g/L)
11.1
V
(m3)
833
D
(m)
13.3
膜组件设计参数
A
(m2)
1389
A截
(m2)
1.02
A占
(m2)
8.08
N
(个)
808
3.4曝气部分计算
根据2.3的分析,采用射流曝气,查《给水排水设计手册》第5册选用射流流量Qr≥2Q,此处即416.6m3/h;工作压力Hr要求98~147MPa。
3.5选泵计算
①提升泵
由2.4的分析知,污水提升泵的选择较为简单,只需满足设计流量Q、提升高度H1即可。
其基本参数见表2。
②加压泵
为节能需要,设计采用射流曝气。
根据式(6)和2.4节的分析,确定加压泵的设计流量应为:
Q2≥624.9m3/h。
此处取加压泵的流量Q2=800m3/h,扬程H2=161.8kPa,已能满足超滤操作的需要。
其基本参数见表2。
③循环泵
循环泵的设计流量Q3主要功能是为膜组件提供适宜的膜面流速,以减缓膜堵塞的发生;而扬程H3还应满足与加压泵并联工作的需要。
选泵结果见表2。
表2设计泵的基本参数
泵型
电机功率
(kW)
流量(m3/h)
扬程(kPa)
转速(r/min)
效率(%)
提升泵
IS150-125-200A清水泵
7.5
加压
泵
300S-19A
4.5
800
161.7
1450
78
循环泵
300S-19A1200HLB-12立式离心混流泵
440
9000
156.8
485
84
台数
各2台,1用1备
3.6污泥负荷、体积负荷校核
经校核污泥负荷FW、体积负荷FV分别为0。
14kgCOD去除/(kgVSS·d)、2.88kgCOD去除/(m3·d)。
普通活性污泥法中FW=0.1~0.4kgCOD/(kgVSS·d),FV=0.4~0.8kgCOD/(m3·d)。
显然,与之相比,MBR长城制药厂废水处理工程于2006年9月建成投入运行,经过几个月的运行,出水水质良好,并且有效地控制了投资和占地,达到了预期的效果。
工艺的污泥负荷略低,而体积负荷则是普通活性污泥法的3~7倍。
3.7运行成本分析
MBR工艺回用城市污水的运行成本主要由电费、药剂费、人工费等三部分组成。
其中药剂费主要指膜组件化学清洗所消耗药剂的费用,在运行周期3~5周的情况下,该部分费用占运行成本的比例很小,且所用药剂可分别存放,经简单沉淀后可重复使用,因此药剂费可忽略不计。
同时由于MBR工艺自动化程度高,设岗少,人工费也较少。
所以,电费在运行成本的三个组成部分中是最主要的。
本文在此仅就MBR工艺回用城市污水运行成本中的电费部分作一估计。
根据3.5计算,可得总耗电功率为492.5kW。
回用城市污水的电耗为:
E=P/Q=492.5/208.3≈2.36kW·h/m3
按工业用电0.5元/(kW·h)计算,MBR回用城市污水的运行成本约1.18元/m3。
目前北京市宾馆、写字楼等场所的自来水费为2.0元/m3,超过用水指标的部分还要加倍收费。
显然,MBR工艺的出水回用到宾馆、写字楼等处还是可行的。
3.8固定投资分析
①膜组件购置费用
以膜通量F=0.15m3/(m2·h)为例,相当于每m2的超滤膜组件处理能力为3.6m3/d。
国外每m2膜组件(包括压力表等附件)的售价约1.0~1.5万元人民币。
因此,处