MBR处理工艺及其在中水回用中的实践

杨 辉

水资源的合理利用和保护,是全世界面临的共同话题,我国水资源更是短缺。目前全国600多座城市中,400多座城市缺水,其中有100多座城市严重缺水;污水回用率仅为发达国家的25%,所以有必要将中水回用政策列为建筑设计的强制条文,并为MBR等在中水回用中的实践提供了很好的土壤。

1 膜—生物反应器及应用现状

膜生物反应器(Membrane Bioreactor,MBR)是一种膜分离技术与微生物学、生物化学等学科相结合的废水处理新工艺,系统主要由膜组件、生物反应器和流体输送三大部分组成。

MBR处理工艺有以下优点:

1)出水水质好。由于采用膜分离技术,不必设立过滤等其他固液分离设备。高效的固液分离将废水中有悬浮物质、胶体物质、生物单元流失的微生物菌群与已净化的水分开,不需经三级处理即可直接回用,具有较高的水质安全性。

2)占地面积小。膜生物反应器生物处理单元内微生物维持高浓度,使容积负荷大大提高,膜分离的高效性使处理单元水力停留时间大大缩短,占地面积减少。同时膜生物反应器由于采用了膜组件,不需要沉淀池和专门的过滤车间,系统占地仅为传统方法的60%。

3)节省运行成本由于MBR高效的氧利用效率和独特的间歇性运行方式,大大减少了曝气设备的运行时间和用电量,节省电耗。同时由于膜可滤除细菌、病毒等有害物质,可显著节省加药消毒所带来的长期运行费用,膜生物反应器工艺不需加入絮凝剂,减少运行成本。

国际上于20世纪90年代初期开始进入了实际应用阶段,用于去除悬浮物,COD,BOD,TP,TN及细菌,现在膜生物反应器(MBR)工艺技术在单座污水处理厂的最大日处理量能达到10 000 m3/d的水平。

我国MBR的研究还不到十年,但进展十分迅速。国内对MBR的研究大致可分为几个方面,现在主要处于扩大MBR的应用范围的阶段,MBR的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水(食品废水、啤酒废水)与难降解工业废水(石化污水、印染废水等),但以生活污水的处理为主。

2 MBR工艺在中水处理中的应用

膜生物反应器目前已进行大量研究并投入大规模实际应用的是膜分离生物反应器。

膜分离生物反应器按照膜组件的放置方式可分为分体式(分置式)和一体式(浸没式)膜生物反应器(Submerged Membrane Bioreactor)。

分体式生物反应器把生物反应器与膜组件分开放置,生物反应器的混合液经泵增压后进入膜组件,在压力作用下混合液中的液体透过膜得到系统出水,活性污泥则被截留,并随浓缩液回流到生物反应器内。

一体式系统则直接将膜组件置于反应器内,通过泵的抽吸得到过滤液,膜表面清洗所需的交错流由空气搅动产生,曝气器设置在膜的正下方,混合液随气流向上流动,在膜表面产生剪切力,以减少膜的污染。一体式膜生物反应器可集沉淀过滤曝气膜滤于一体,便于管理,优于分体式膜生物反应器,在工程上应用较多。

膜生物反应器利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子物质截留住,活性污泥浓度因此大大提高,水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)可以分别控制,而难降解的物质在反应器中不断反应,有效降解有机物,孔隙率不大于0.08μm级膜将净水与杂质彻底分离,出水中SS值趋于零。绝大部分的细菌、微生物、热源、病毒随同它的载体一道被截留在污水中,后续消毒手段可作为杀菌的双重保险,避免了传统工艺可能会出现的水质不合格的问题,出水水质完全得到保证。

膜生物反应器的前处理与后处理极其简单,占地小,可程控化管理。MBR反应器中的有机物在MBR池内被自身分解氧化,基本不产生剩余污泥,极少需要排泥,不产生二次污染,仅需利用简单的PLC技术对水位进行自动控制、膜污染报警及开启相应反洗设施即可程控化管理。因此,一体式膜生物反应器工艺通过膜在中水处理工艺中得到广泛的应用。

3 MBR工艺应用于中水处理的技术经济比较

本文根据我项目部在中水回用中的应用实践,以处理规模为250 m3/d的回用系统做初步的技术经济分析(见表1)。

表1 进、出水水质和水质指标 mg/L

表2 不同种类膜的工程建设费用

工程建设费用=基建费用(建筑工程费+设备购置及安装费+不可预见工程费)+膜的购置费用。

运行费用=设备折旧费用(以10年计)+膜更换费用+动力费用+其他费用(人员工资+维修清洗费)。

其中电费按照0.5元/度。

由表2,表3的比较可知,在达到同等处理要求的情况下,影响MBR系统运行费用的主要因素是动力费用与膜的更换费用;膜的更换费用是影响一体式MBR系统运行费用的关键因素;而动力费用是影响分离式MBR系统运行费用的关键因素。通过总费用的比较,一体式MBR系统更节约,是更可行的方案。

4 MBR工艺尚需解决的问题

近20年来经济的飞速发展,水污染与供水量不足已成为最严峻的现实问题,极大地阻碍着经济的发展,在北方和西北地区,水资源短缺尤为严重,水资源的再利用已成为当务之急,将小区的生活污水处理后重新回用,作为杂用水(如冲厕所、洗车、绿化等),不但可缓解水资源短缺所引起的矛盾,而且保护了环境,利国利民。

表3 不同种类膜的运行费用

MBR在显示出许多传统工艺无法比拟的优点时,也暴露出一些尚需改进的地方,这是研究人员关注的焦点。

1)膜制造技术需要进步,膜质量有待提高和膜制造成本需要降低,MBR的投资也会随之降低。

2)膜受到污染而导致膜通量的降低,如何减缓膜污染进程从而维持膜通量是应用膜工艺时所面临的一大挑战。

3)虽然较高的污泥浓度能有效减小MBR的体积,但过高的污泥浓度对于MBR正常运行是不利的,在运行MBR时应控制适当的污泥浓度。

[1] 高明远.建筑中水工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.

[2] 姜湘山.建筑小区中水工程[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3] 北京市城市节约用水办公室.中水工程实例及评析[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[4] 建设部工程质量安全监督与行业发展司.全国民用建筑工程设计技术措施[M].北京:中国计划出版社,2003.