中空膜生物床处理生活污水的中试研究.docx

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中空膜生物床处理生活污水的中试研究

中空膜生物床处理生活污水的中试研究

   膜生物反应器是将膜分离技术和生物处理技术直接相结合，几乎能将所有的微生物截留在生物反应器中，这使反应器中的生物污泥浓度极高，理论上污泥泥龄可以无限长，使出水的有机污染物含量降到最低，极有效地去除氨氮，对难降解的工业废水也非常有效。

膜过滤作用使出水清澈透明，无悬浮物，可直接回用。

尤其是将中空纤维膜直接淹没在生物反应器水下而构成的淹没式中空膜生物床，能耗较低、体积较小、构造简单、运行方便。

一体化的中空膜生物床可取代混凝、沉淀、过滤、吸附、消毒等多项处理工艺，同样获得高质量出水水质，因此它的研究更受重视。

　　膜生物反应器的开发除了涉及生物处理理论和膜过滤理论问题外，真正能开发成产品的关键是如何克服膜的污染和堵塞，使膜能长时间维持较大的通量，即在保持正常通量的情况下，尽量能延长膜的寿命；同时要降低曝气量，以减少工艺的电力消耗［1］。

本研究拟检验国产膜的可应用性，同时省去传统的出水抽吸泵［2］，采用位差驱动出水，省去复杂的气或水反冲洗设备，低水头间断工作，尽量降低曝气量和动力消耗，以使开发的设备尽快投入实际应用。

1试验方法和材料

1.1中试设备

　　设备如图1所示。

反应器为聚氯乙烯塑料制造，矩形截面柱体（截面积为0.3m2），有效水深H=3.6～3.9m，有效容积V=1.08～1.17m3（浮球阀液位控制器控制反应器的最高和最低水位，高低水位差为0.3m），反应器内置6只中空纤维膜膜组件。

膜出水靠水位差驱动，集水管统一收集出水，出水流量由流量计调节控制。

1.2中空纤维膜组件和装置的运行

　　试验中采用的中空纤维膜组件及其特性如表1所示。

表1　　试验中采用的中空纤维膜组件

膜材质

膜孔直径（μm）

组件表面积（m2）

制造商

聚偏氟乙烯（PVDF）

0.22

2.0

天津纺织工学院

　　中空膜生物床处理生活污水试验在1998年6月至1998年11月期间共采集数据约150d。

设计出水流量200L/h，采用间歇运行方式，运行期间无反洗，无人工及化学药剂清洗。

原水采用人工配制模拟生活污水（见表2）。

表2人工配水的组成mg/L

成分

C

CO（NH3）

KH2PO4

CaCl2

MgCl2

CuSO4

浓度

300

22.5

7.32

0.8

1.0

0.002

　　试验装置运行的其他条件：

　　①曝气紊流：

运行出水期间曝气气水比35∶1。

　　②低压出水：

出水流量采用阀门、流量计控制恒定，人为降低了出水水头。

　　③间歇运行：

7min出水，3min停止出水空曝。

1.3水质分析方法

　　COD分析采用重铬酸钾法，氨氮分析采用纳氏试剂比色法，溶解氧分析采用JPB-607便携式溶解氧分析仪，pH值分析采用PHS-2C精密级酸度计，浊度分析采用GDS-3B光电浊度计，细菌分析采用平板计数法。

2试验结果与讨论

2.1中空纤维膜的透水特性

　　为了解国产膜的透水特性，用清水研究了出水水位差与膜出水量间的关系。

在清水试验中，出水水位差与膜通量间呈直线关系，直线的斜率称为膜的比通量，即单位水位差、单位面积、单位时间的出水量。

国产膜与国外膜的比通量比较见表3。

从表中可见，该膜比通量较大，但机械强度较低，易于折断。

表3不同来源膜组件的清水试验

膜来源

国产聚偏氟乙烯膜

加拿大膜

日本膜

膜比通量[L/（h.m2.m）]

27.28

15.36

12.79

2.2COD的降解和反应器中的MLSS变化

　　运行期间进水COD的平均值为366.4mg/L，最大值为780.9mg/L，最小值为228.0mg/L。

出水COD的平均值为13.1mg/L，最大值为25.2mg/L，最小值为4.4mg/L，COD的平均去除率为96.0%；冲击负荷对出水COD去除没有影响，这说明系统的稳定性和可靠性。

试验结果如图2所示。

　　从运行结果看，国产膜分离性能良好，运行过程中无剩余污泥排放，MLSS变化如图3所示。

2.3出水细菌总数

　　平板记数法检测出水细菌总数共三次（前期、中期、后期），细菌总数均＜10个/mL，见表4.试验结果表明，采用膜生物反应器后，出水不需消毒，可直接回用。

表4不同运行时间的细菌分析结果

运行时间（d）

2

51

106

出水细菌总数（个/mL）

8

0

3

2.4出水浊度

　　出水浊度的分布如表5所示。

95%的出水浊度＜1.0NTU。

试验中浊度＞1.0NTU的情况都与装置调整有关：

重新启动真空系统或调整浮球阀等。

表5出水浊度分布

浊度范围（NTU）

0

0-1

1-2

＞2

频率（%）

69

26

2

3

2.5膜通量变化与COD冲击负荷

　　在正常运转的情况下，采用出水控制阀控制出水流量衡定，此时出水流量为200L/h,折合膜通量16.7L/（m2·h）。

在出水控制阀全开的情况下，出水流量可以达到350L/h，折合膜通量29.2L/（m2·h）。

考虑到工作水头，国产膜的性质与加拿大Zenon膜类似，而劣于日本Kubota板式膜［3］。

研究COD冲击负荷时，短时间全开阀门，以观察最大流量的变化，从而了解膜阻力的变化，如图4所示。

　　在正常负荷条件下，最大出水量非常缓慢地下降。

从装置开始运行到第83d，每天平均降低幅度约为0.6L/d；而当冲击负荷出现后，最大出水量呈现下降趋势，大约2d之后，出现大幅度下降，每天平均降低幅度高达7L/d；当进水负荷正常之后，最大出水量逐步回升。

图5中给出冲击负荷出现之后反应器内MLSS的变化情况。

　　反应器内MLSS的变化规律与最大出水量的降低有类似之处，2d之后开始大幅度增加。

当进水负荷正常之后，MLSS又恢复正常值。

　　关于膜通量降低的原因可分析如下：

COD冲击负荷使反应器内活性污泥浓度迅速增加，微生物进入生命活动旺盛的对数增长期，细胞繁殖速度加快，MLSS迅速增大说明了这一点。

污泥浓度的提高增加了混合液的粘度，从而使液—固分离困难；同时处于对数增长期的污泥活性高、有大量细胞外聚合物存在［4］，增加了膜过滤阻力，也是膜最大出水量降低的原因。

2.6氨氮的去除

　　在膜生物反应器中，由于污泥泥龄长，而且溶解氧充足，有利于硝化菌生长，因此氨氮去除良好。

试验期间内，进水氨氮浓度为10～20mg/L，其平均值为16mg/L，出水氨氮浓度＜1mg/L，氨氮去除率在97%以上。

3膜生物反应器的经济分析

　　膜生物反应器技术具有出水水质良好、运行管理简单、占地面积小等优点，是污水回用的适用技术。

本研究对一个规模为806m3/d居住区污水回用工程分别采用厌氧→好氧→絮凝→沉淀→过滤→消毒工艺（以下简称工艺1）和中空膜生物床工艺（以下简称工艺2）进行了初步设计，同时进行了经济分析和比较。

经济分析和比较依照有关手册进行[5]。

就出水水质而言，工艺2出水的浊度、SS、COD和NH3-N优于工艺1，但是出水中的NO3--N会劣于工艺1。

经济分析比较的主要结论见表6。

表6两种污水处理工艺的经济比较

比较项目

工艺1

工艺2

主要构筑物的基建投资（万元）

110.68

39.72

主要设备、材料的基建投资（万元）

76.60

7.30

总基建投资（万元）

187.28

47.02

单位处理水量的基建投资[元/（m3.d）]

2325

583

单位处理水量的电力消耗（kW.h/m3）

0.631

0.988

单位处理水量的运行费用（元/m3）

1.08

1.50

注*膜的费用计入运行费用。

　　根据以上分析可以看出，工艺1的总基建投资是工艺2的2.78倍。

由于目前国产膜组件的成本较高且工作寿命较低，更换膜组件的费用占了运行费用的约50%，如果膜组件的费用可以减低20%，工艺2的运行费用与工艺1的基本持平。

由于工艺2的基建费用低，它的企业内部收益率高于工艺1。

4结论

　　①中空膜生物床处理技术与传统的处理工艺比较，取代了二次沉淀池和三级处理工艺，设备体积小，运行管理简单，膜生物反应器出水悬浮物、浊度为零，细菌总数优于饮用水标准，COD和氨氮的去除率高达95%以上，出水可以直接回用。

　　②国产PVDF膜透水性能良好，能够有效地截留悬浮物以及细菌，运转150d后未见通量显著降低。

在膜生物反应器中透水通量与加拿大的Zenon膜类似，但低于日本Kubota板式膜，此外膜的机械强度仍需要改进。

　　③采用位差驱动出水和低水头间断工作，可省去复杂的气或水反冲洗设备，运行可靠，维护简单。

　　④中空膜生物床处理工艺的基建投资低于传统工艺。

但由于膜的造价较高，需要的曝气量较大，目前运行费用仍较高。

在本试验中，单位处理水量的电力消耗约为1.0kW·h/m3，进一步研究是必要的。

中水回用工程的MBR系统设计

   膜生物反应器（MBR）是将膜技术应用于污水处理的一项新兴技术。

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1/2［2］。

　1　中水回用系统的设计

　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。

　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60m3/d，确定设计处理水量为60m3/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

≤100

≤50

≤150

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280m2，改造后以MBR为核心的中水回用系统仅占地48m2，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。

　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。

　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2.5m；有效容积为48.7m3；HRT为19.5h。

　1.3.3　MBR

　　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0.4μm，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270μm，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20∶1。

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2.7m；

　　有效容积为34.7m3；

　　HRT为14h。

　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　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，24h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。

　3　MBR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9min运行，3min停止，自吸泵的运转效率为75%，每日运行时间为18h，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2kPa上升至6kPa。

　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出水水质见表2（检验方法按照《生活杂用水标准检验法》（CJ25.2-89）进行检测）。

　　表2　出　水　水　质

参数

COD（mg/L）

BOD（mg/L）

SS（mg/L）

最大值

7.84

0.67

0

最小值

3.92

0.45

0

平均值

6.16

0.57

0

　　由表2可见，系统稳定后，MBR出水中COD＜10mg/L，BOD＜1mg/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。

　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1.5kW，每天24h运转，移送泵和自吸泵的装机容量分别为0.4kW和0.75kW，每天运行时间按18h计，则该中水回用系统单位能耗为0.945kW·h/m3。

由于膜组件公称孔径为0.4μm，虽然最小的细菌尺寸在0.3μm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。

运行成本的具体分析见表3，合计运行成本为1.665元/m3。

　　表3　运行成本分析

项目

定额

单价

运行费用（元/m3）

电费

0.95kW·h/m3

0.6元/（kW·h）

0.57

折旧费

1.052

消毒剂

3g/m3

12元/kg

0.036

营养剂

3.5g/m3

2元/kg

0.007

运行成本

1.665

　注：

*净残值取4%［4］,折旧年限取10a。

　　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。

　6　结论

（1）大连香格里拉大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6.16mg/L，BOD平均0.57mg/L，SS=0mg/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60m3/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。

（2）MBR除污染效率高，出水水质稳定，操作简单，易于管理。