400吨中水回用MBR方案.docx
《400吨中水回用MBR方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《400吨中水回用MBR方案.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
400吨中水回用MBR方案
上海白龙港城市污水处理厂
城市污水MBR工艺回用处理工程
设计方案
同济大学建筑设计研究院
环境工程设计研究分院
二零零五年四月十八日
上海白龙港城市污水处理厂
城市污水MBR工艺回用处理工程
设计方案
设计证书编号：
国设甲字第0900231号
专项设计证书：
国环设甲字第0256号
院长
：
丁洁民
分管院长
：
夏四清
分管总工
：
章非娟
审核人
：
章非娟
工程负责人
：
吴志超
同济大学建筑设计研究院
环境工程设计研究分院
二零零五年四月十八日
上海白龙港城市污水处理厂
城市污水MBR工艺回用处理工程
设计方案
工程负责人
：
吴志超
工艺专业
：
吴志超
结构专业
：
毕亚明
电气专业
：
吴学茂
同济大学建筑设计研究院
环境工程设计研究分院
二零零五年四月十八日
目录
1.概述1
1.1地理位置1
1.2地势1
1.3气象1
1.4地震1
1.5水文地质2
1.6地下水位2
1.7概况2
2.工程设计内容4
2.1设计范围4
2.2设计内容4
2.3设计排放标准4
2.4主要设计规范和标准4
2.5设计原则5
3.膜与膜生物反应器6
3.1膜的分类与性能6
3.2膜生物反应器的类型和特点7
3.3MBR在废水处理工程中的研究历史8
3.4MBR在废水处理工程中的应用现状9
3.5平板膜和中空纤维膜MBR的应用对比11
4.工艺技术路线的选择15
5.处理工艺流程及设计参数17
5.1回用处理工艺方案17
5.2废水处理工艺方案的说明17
5.3废水处理工艺方案的设计参数18
5.4处理效果预测18
6.工艺设计19
7.人员编制与运行管理21
1.概述
1.1地理位置
上海位于北纬31度14分，东经121度29分，地处太平洋西岸，亚洲大陆东沿，长江三角洲前缘，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省，北界长江入海口，长江与东海在此连接。
上海正当我国南北弧形海岸线中部，交通便利，腹地广阔，地理位置优越，是一个良好的江海港口。
白龙港污水处理厂位于上海市浦东新区合庆镇，已建的白龙港污水预处理厂东侧白龙港长江边。
1.2地势
上海地区处于长江三角洲前缘的冲积平原，地势低平，整个地区呈东南高，西北低，地面标高最高达5.0m，平均地面标高在3.5—4.2m左右（吴淞高程）。
地下水位高，距地面约0.3—1.5m。
1.3气象
上海属北亚热带季风性气候，四季分明，日照充分，雨量充沛。
上海气候温和湿润，春秋较短，冬夏较长。
2002年，全年平均气温17.8℃，夏季最高气温38℃，冬季最低气温－9.6℃。
日照1686.5小时，降雨量1427.9毫米。
全年60%左右的雨量集中在5至9月的汛期，汛期有春雨、梅雨、秋雨三个雨期。
1.4地震
我国位于全球两大地震带之间，东临环太平洋地震带，西南为地中海－喜玛拉雅地震，不仅是一个多地震的国家，而且也是世界上遭受地震灾害最为严重的国家。
本世纪以来我国大陆共发生6级以上地震390多次，造成55万人多人丧生，经济损失达数百亿元。
台湾，西南西北，华北，及东南沿海等地多有地震发生。
上海处在中国的华南地震区和华北地震区两个板块的中间，在这个地区，地震是比较少的。
在上海行政区内，还没有发生过5级以上的地震。
1.5水文地质
上海地区大地构造单元属于扬子准地台的东北端,基底由前震旦纪变质岩系、震旦、古生代海相碳酸盐岩以及新生代的陆相、海陆交替碎屑岩组成,并形成以较早的北东枫泾—川沙大断裂为界,将上海地区分为金山—南汇隆起褶断束和青浦—宝山拗褶断束两个构造单元。
晚第三纪以来,区内新构造运动以持续不均匀沉降为主要特征,相继沉积了200～350m厚的第四纪松散碎屑沉积地层,且自杭州湾北岸向长江口逐渐趋于增厚。
上海地下水赋存条件和分布规律受控于区域地貌、地层岩性及厚度,根据研究区地下水系统特点,可将其划分为一个潜水含水层,五个承压含水层,六个弱透水层（隔水层）。
1.6地下水位
上海地区位于长江三角洲（长江三角洲可分为陆上三角洲和水下三角洲）前缘的陆上三角洲东南,是长江三角洲地下水系统的一部份（或子系统）,其北部边界和西部北段边界与长江三角洲地下水系统在江苏省分布区相接,西部南段边界与浙江钱塘地下水系统相连,东部、南部边界与分布于东海的长江水下三角洲相连。
在天然条件下,长江三角洲地下水系统由西、西北向东及东南方向缓慢径流,于东海水下三角洲缓慢排泄,地下水交替极为缓慢,但随着浙江、江苏两省的的大量开采地下水形成地下水漏斗,本区地下水净补给主要是东部长江水下三角洲的古埋藏水同层补给。
1.7概况
污水厂总占地面积120公顷，已完工的污水处理部分占地约6公顷，污泥填埋场占地约43公顷。
实际处理规模为120万吨/天。
目前污水采用化学一级加强处理工艺，以除磷为主，出水PO4-P≤1毫克/升，处理后的化学污泥脱水后直接填埋。
远期考虑增加生物滤池，出水水质达到国家二级排放标准。
现有3座高效沉淀池、1座加药间及药库、1座储泥池、1座污泥脱水机房、1座除臭房、2500立方米/天中水回用设施；厂外16公顷及厂内27公顷污泥填埋场，污泥码头。
现有中水回用处理设施因种种原因，出水水质无法满足使用要求，为此，厂方从厂外增加了一条自来水管线，解决了目前的急需，但从长远看，随着后期污水设施、污泥处置设施的上马，供水问题同样会出现。
增加新的污水处理回用设施，不仅能满足厂内非人员直接接触供水的需要，还能降低运行费用，同济大学建筑设计研究院环境工程设计研究分院为此进行本方案设计。
2.工程设计内容
2.1设计范围
MBR工艺处理的相关工程内容。
2.2设计内容
设计内容包括工艺、土建、电气与自控设计以及设备选型等。
2.3设计排放标准
污水经过本设计采用处理系统处理后可以直接回用，达到以下表1所示国家“生活杂用水水质标准CJ/T48-1999”的要求。
表1国家“杂用水水质标准CJ/T48-1999”
厕所便器冲洗，城市绿化
洗车、扫除
1
化学需氧量（COD）
50
50
2
生化需氧量（BOD5）
10
10
3
悬浮物（SS）
10
5
4
动植物油
/
/
5
石油类
/
/
6
阴离子表面活性剂
1.0
0.5
7
总氮（以N计）
/
/
8
氨氮（以N计）
20
10
9
总磷（以磷计）
/
/
10
色度（稀释倍数）
30
30
11
pH
6.5—9
6.5—9
12
粪大肠菌群数（个/L）
/
/
13
浊度（度）
10
5
14
溶解性固体（mg/L）
1200
1000
15
臭
无不快感觉
无不快感觉
16
总硬度（mg/L,以CaCO3计）
450
450
17
氯化物（mg/L）
350
300
18
铁（mg/L）
0.4
0.4
19
锰（mg/L）
0.1
0.1
20
游离余氯（mg/L）
/
/
21
总大肠菌群（个/L）
3
3
2.4主要设计规范和标准
✧《建筑中水设计规范GB50336-2002》
✧《生活杂用水水质标准CJ/T48-1999》
✧《给水排水设计手册》
✧《室外排水设计规范GBJ14-87》（1997年版）
✧《污水综合排放标准GB8979-96》
✧《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》
✧《恶臭污染物排放标准GB14554–93》
2.5设计原则
Ø采用成熟可靠的处理工艺，实用性与先进性兼顾，以实用可靠为主，确保各项出水指标达到国家杂用水标准
Ø污水处理回用装置的整个处理过程尽量简单，便于管理，各项控制过程实现自动化
Ø尽可能利用原有构筑物，减少投资
Ø主体处理构筑物采用钢砼结构，抗腐蚀，使用寿命长
Ø鼓风机和水泵采用高效低噪声设备并辅以隔振措施，以消除噪声影响，控制二次污染
Ø系统的处理效率高，运行稳定，适应水质的变化，且运行能耗少，处理单位污水量成本低，剩余污泥经好氧消化稳定处理
Ø配备的设备、仪表选用质量可靠，通用性强的产品，使运行稳定，日常维修保养方便
3.膜与膜生物反应器
3.1膜的分类与性能
膜是指两相间具有选择透过性的薄层屏障。
在驱动力作用下，利用膜的透过性可使混合液中的离子、分子以及某些微粒被分离。
压力驱动膜的截留机理主要是机械筛分作用，吸附截留作用是次要的。
膜的分离与截留性能一般以膜的孔径或截留分子量来加以区别。
微滤可用于处理含细小颗粒物的溶液，习惯上采用孔径大小来表征微滤膜的分离性能。
超滤可分离的粒子则更小，可以从溶液中分离大分子、胶体、蛋白质和微粒等。
一般认为超滤的分离机理为筛孔分离，但膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。
超滤膜在小孔径范围内与反渗透膜相重叠，在大孔径范围内与微滤膜相重叠，其膜孔径范围介于0.05μm至0.001μm。
习惯上采用被截留分子的相对分子量即截留分子量MWCO（MoleculeWeightCutOff）来表征超滤膜的分离性能。
MWCO与孔径的关系可用下面公式进行计算：
式中dm是平均膜孔直径；kB是Boltzman常数；μ为动力粘度。
上式的假定温度为298K。
MWCO与孔径的大致对应值见下表2。
表2膜的截留分子量与平均孔径的关系
截留分子量（Da）
近似平均孔径
（10-10m）
截留分子量（Da）
近似平均孔径
（10-10m）
500
21
30000
47
2000
24
50000
66
5000
30
100000
110
10000
38
300000
480
表征膜的分离性能的参数主要有两个。
一是各种物质透过膜的速率的比值，即截留率。
其大小表示了该体系分离的难易程度。
二是膜通量J，即单位时间单位膜面积通过的物质的量。
影响J的主要因素有：
膜阻力、膜驱动压力、膜面水动力学状况、膜污染及其清洗情况等。
膜过程有死端过滤（dead-endfiltration）和错流过滤（crossflowfiltration）两种基本操作方式。
死端过滤指在膜两侧压差作用下，溶质和溶剂垂直于分离膜方向运动，溶质被膜截留，溶剂通过膜而被分离。
死端过滤中，主体料液与透过液运动方向相同，随着操作时间的增加，膜污染会越来越严重，过滤阻力越来越大，必须周期性地停下来清洗或更换膜。
错流过滤的主体料液与膜表面相切而流动，料液中的溶质被膜截留，透过液垂直于膜面而通过膜流出。
错流过滤中，错流可以把膜表面滞留的颗粒污染物带走，使污染层保持在一个较薄的水平上，能有效的控制浓差极化和滤饼堆积，所以长时间操作仍可保持较高的膜通量。
在实际污水处理工程中，膜过滤一般采用错流操作。
图1死端过滤（左）和错流过滤（右）示意图
3.2膜生物反应器的类型和特点
膜生物反应器（MembraneBioreactor，简称MBR）按膜组件和生物反应器的相对位置，可分为分置式、一体式两种。
如图2所示。
图2分置式（左）和一体式（右）MBR示意图
分置式MBR中，反应器内的混合液由泵增压后进入膜组件，在压力作用下膜透过液作为系统处理出水，而活性污泥、大分子物质等则被膜截留，并回流到反应器内。
分置式MBR通过循环泵使料液循环错流运行，运行可靠，操作方便，膜组件易于更换。
不足之处是膜组件承压操作，组件清洗不方便，料液循环流速较高，动力费用大。
一体式MBR则是将膜组件直接置于反应器内，通过真空泵进行抽吸或者采用重力流出水，而活性污泥、大分子物质等则被膜截留在生物反应器内。
一体式MBR利用曝气时气泡带动料液向上的错流来冲刷膜表面，其特点是设备紧凑、运行能耗低，无需承压操作，缺点是膜水通量低。
根据生物反应器的需氧性，MBR可分为好氧MBR和厌氧MBR。
在MBR中，采用活性污泥法较多。
传统活性污泥法设计和运行的若干关键性问题，在MBR工艺中仍然十分重要，如水力负荷、有机负荷、微生物浓度、曝气时间、SRT、HRT、回流污泥率、PH和碱度、溶解氧浓度等。
与常规污水生物处理工艺相比，MBR技术的优势主要有：
●膜能够高效地进行固液分离，出水性质不再依赖于活性污泥的沉降特性，克服了常规活性污泥法中容易发生污泥膨胀的弊端，系统的操作比常规污水处理工艺大为简化。
出水水质明显优于传统工艺，出水悬浮物和浊度接近于零，可直接回用。
●膜使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间（HRT）和污泥龄（STR）的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。
●膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。
●反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长污泥泥龄下运行，高的SRT使污泥产生消化作用，污泥产率降低。
●有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化得以效率高，通过运行方式的改变亦可有脱氮和除磷功能。
●因为没有二沉池固体负荷的限制，曝气池中的活性污泥浓度可以很高（5000－20000mg/L），反应器体积也可大大减小。
●由于反应器内的微生物浓度高，耐水质造成的冲击负荷能力强。
●系统可采用PLC控制，易于实现全程自动化。
3.3MBR在废水处理工程中的研究历史
膜与生物处理结合的工艺研究已逾30年了。
1969年Smith首次报道了美国的Dorr-Oliver公司把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法。
该工艺采用膜分离技术取代常规的活性污泥二沉池，采用外置式板框组件来实现膜过滤，使反应器中的微生物浓度得到提高。
在生活污水的处理中，获得了较好的处理效果，BOD<1mg/L，COD=20-30mg/L，系统处理能力为10-100m3/d。
1970年Hardt等人采用10L的好氧生物反应器处理合成废水，用死端超滤膜过滤技术实现泥水分离，MLSS浓度达30g/L，膜通量为7.5L/m2h，COD去除率为98%。
Dorr-Oliver公司在60年代开发了MST工艺（MembraneSewageTreatment），在该系统中，污水进入悬浮生长的生物反应器中，通过板框式超滤膜组件的抽吸作用连续出水。
进出口压力分别为345kN/m2和172kN/m2，通量为16.9L/m2.h。
由于当时膜技术发展相对落后，膜材料种类少，价格昂贵，使用寿命短，限制了膜工艺的长期稳定运行，MBR仍然处于初级研究阶段。
七十年代初，Thetford系统公司推出了外置式膜分离系统Cyclc—Let工艺用于家庭污水的处理。
系统采用好氧-缺氧两级流程和外置管式超滤膜。
出水经过UV消毒后用于冲厕。
1974-1982年间，Thetford系统公司共安装了27套这种产品。
80年代末和90年代初，Zenon环境公司研制成功ZenonGem、PermaFlowZ-8、ZeeWeed等一系列工艺和产品，大大推动了MBR技术的市场化进程。
八十年代后，随着膜制造技术的发展、膜分离工艺的完善和污水厂出水水质要求的提高，MBR技术重新获得重视。
1989年日本政府进行了为期六年的“90年代水复兴计划（AquaRenaissanceProgramme’90）”科研项目，其目的是寻求满足中长期水量需求，解决水污染问题和从污染物中获取能量，特别是开发一种膜技术与生物反应器相结合处理工业和城市污水，省能省地，出水水质好，适于污水回用的工艺。
项目耗资118亿日元。
Kubota作为其中的公司之一，研制了平板式浸没MBR。
到1993年，已有39套外置式MBR系统用于日本的卫生和工业领域。
3.4MBR在废水处理工程中的应用现状
MBR技术在污水处理领域目前正在受到广泛的重视。
据Koyunco1998年调查统计，世界上每天约有5百万立方米各类水质的水经过膜工艺进行处理。
目前在世界范围内，实际运行的MBR系统已经超过500套。
世界上约66%的工程在日本，其余主要在北美和欧洲。
这些工程中98%以上是膜分离工艺与好氧生物反应器相结合。
约55%是膜浸式MBR，其余则是外置式MBR。
不同的商业化MBR采用不同的方法来获取相应膜通量所需的膜驱动压力。
KubotaMBR采用高于膜组件的静态水压头，膜在正常情况下浸于一定液面深度之下。
ZenoGemMBR采用静态水压头与真空抽吸相结合的方法，Kubota工艺在高峰水力负荷时也用此法。
Orelis和WehrleWerkMBR采用控制外置式膜组件的循环系统压力值的方法。
好氧MBR工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处理：
包括化妆品、医药、润滑油、纺织、屠宰场、乳制品、食品、造纸与纸浆、饮料、炼油工业与化工厂。
在欧洲，垃圾填埋场渗滤液的好氧MBR处理厂正在兴建。
国外的MBR公司主要有：
加拿大的ZENON公司，主要产品为浸没式中空纤维MBR；南非的Membratek公司，主要产品为管式膜生物反应器；US-Filter公司，利用中空纤维膜开发了分置式MBR工艺－Membio；日本的KUBOTA公司，主要产品为浸没式平板MBR，到1998年世界上已经有200多个污水厂在使用其产品；法国的Degremont公司是唯一在MBR工艺中实际使用陶瓷膜的公司。
这些公司在MBR污水处理国际市场处于主导地位。
我国膜分离技术开发是从1958年研究离子交换膜开始的。
2000年我国将膜材料和膜产业列为国家重点支持的22项化工产业之一。
目前全国已有膜科学与技术的研究开发单位上百个。
形成了基本配套的几千人的研究和技术开发队伍。
中国科学院生态环境研究中心，自1993年开始MBR的研究工作。
目前，国内较活跃的MBR废水处理研究机构有中科院、清华大学、同济大学、哈尔滨工业大学、华东理工大学等单位。
研究集中于膜工艺的开发和膜污染的防治等内容。
目前同济大学正在进行平板膜MBR污水处理工艺研究，其他单位则侧重于中空纤维膜的研究工作。
在实际工程应用上，天津清华德人环境工程有限公司，开发了中空纤维膜MBR污水处理系列装置。
该产品已经应用于天津泰达会馆、天津第三医院等污水回用工程中，在中水冲车、冲厕、写字楼、宾馆饭店、医院等生活污水处理回用、工业印染废水处理回用、垃圾渗滤液处理等领域，已建立20多项示范工程。
上海荏原成套工程有限公司生产销售的PW-P膜分离活性污泥处理装置为专门处理高浓度有机废水的系列产品。
其产品已经有40余套应用于全国各地，处理量为5~950t/d，涉及化工、制药、食品、畜产和生活废水等各行业。
目前国内MBR在污水处理领域的应用刚刚起步，主要集中于工业污水处理领域。
如何将MBR应用于城市污水处理亟待研究。
3.5平板膜和中空纤维膜MBR的应用对比
中空纤维膜组件的优点是装填密度较高（可达几千m2/m3），单位膜面积制造费用较低。
在外压情况下，膜的耐压性能高，不需支撑材料；缺点是对堵塞很敏感，污染和浓差极化对膜的分离性能产生很大的影响，无法进行机械清洗，膜表面的污垢排除比较困难，因此需对进料液进行严格的前处理，还有，纤维管中的压力损失比平板膜大。
平板式膜组件的污染问题比中空纤维膜组件轻，其原因可能是中空纤维膜组件运行中的影响因素较多。
如Y.Shimizu等研究了不同装填密度的中空纤维微滤膜用于处理生活污水时的过滤特性，结果表明，当抽吸压力大于40kPa，错流速度小于0.5m/s时会引起中空纤维膜丝的堆积，使有效膜面积减小，通过中空纤维膜的运动或振动对通量的提高很小。
再者，膜的膜孔径不同引起污染速率也不同（如ZeeWeed中空纤维膜孔径为0.1μm，Kubota平板膜膜孔径为0.4μm），较小的膜孔径可以截留细密的污染质，很快形成致密的凝胶层，使膜污染加重，膜通量迅速降低。
平板膜组件的优点是制造组装比较简单，操作比较方便，膜的维护、清洗、更换都比较容易，单位面积水通量较大。
缺点是装填密度比较小（<400m2/m3），不能反冲洗。
平板膜具有较好的刚性，可以准确稳定地被安装在膜组件中，使浸没式MBR中的曝气能够较好的发挥作用。
而中空纤维膜则在水中容易来回飘荡，在浓度较高的活性污泥中容易被污染，使膜丝缠绕、粘结在一起，减小膜的有效过滤面积。
平板膜运行所需能耗较中空纤维膜低。
TatsukiUeda在1998年采用反应器中的水头压差作为平板膜出水所需要的膜压进行中试研究，MBR运行371天无需膜清洗，因此认为平板膜运行所需能耗较低，并认为这可能与膜出水时中空纤维管中的压力损失比平板膜大有关。
1998年B.Gunder等人采用两个平行的中试装置，对平板膜和中空纤维膜MBR进行了对比，结果如下表3所示。
结果表明，两者出水水质都很好，但平板膜在膜压与膜通量方面比中空纤维膜略优，这可能与曝气对于平板膜冲刷作用更好，膜压力损失在中空纤维内腔中较大有关。
表3平板膜和中空纤维膜MBR中试运行对比
平板膜MBR
中空纤维膜MBR
反应器体积
9.0m3
6.9m3
膜面积及孔径
80m2，0.4μm
83.4m2，0.2μm，d0＝2mm
系统参数
COD:
200-300mg/LMLSS:
12-16g/L
SRT:
20-25d
COD:
200-300mg/LMLSS:
12-18g/L
SRT:
15-20d
连续运行参数
J＝18L/m2.h
8min抽，2min停
J＝17L/m2.h
3.5min抽，2s反冲洗
运行天数
54d
54d
化学清洗
无
无
膜压
6-8kPa
28-24kPa
比膜通量
200L/m2.h.bar
60L/m2.h.bar
高峰时膜通量
30L/m2.h
24L/m2.h
高峰时膜压
32kPa
48kPa
1998年2月英国的Porlock平板膜MBR污水厂开始正式运行。
该厂是在中试试验后建成的。
最大处理规模为1900m3/d，采用Kubota平板膜组件。
在运行后的14个月，出水水质很好，类似于中试研究的结果，如表4所示。
出水BOD小于5mg/L，且不受进水BOD变化的影响；细菌平均去除率为6log，肠道病毒和大肠杆菌噬菌体等病毒的平均去除率为4log；出水浊度平均为0.3NTU。
平板膜机械性能较好，运行14个月后PorlockMBR污水厂未发现安装的3600块膜有损坏现象，维修仅限于偶尔对曝气扩散器、流量计和浊度仪的清洗。
表4英国PorlockKubotaMBR的处理效果（98年2月~99年4月）
污染物
进水范围
进水平均浓度
出水平均浓度
去除率（%）
SS（mg/L）
<30-800
230
<1
>99.5
浊度（NTU）
>100
-
<0.4
BOD（mg/L）
<30-650
224
<4.0
>97.2
大肠杆菌
0.9-64
10.1
<0.00002
>99.9998
肠道病毒
0.1-30
1.32
<0.00001
>99.9993
大肠杆菌噬菌体
（106100ml-1）
29-6320
811
<0.19
>99.98
法国的PerthesenGatinais一体式中空纤维膜MBR污水处理厂，和上述PorlockMBR污水厂的处理流量和投入运行的时间差不多。
两厂都用来处理生活污水，都采用粗气泡曝气的方法来促进传质，且均以相似的高质量出水水质满足排放要求，但其设计方案和运行操作却差
升级会员 