膜生物反应器（MBR）污水再生工程的运行与优化

摘要：设计规模为500m3/d ，为度假村宾馆生活污水，采取国产聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维微滤膜与水解酸化-有氧生化相结合的淹没式膜生物反应器（SMBR），处理水回用于绿化与景观用水。本文简述了基本工艺流程、设备及构筑物设计参数，重点介绍工程调试及试运行情况。通过对水成本的分析全面的优化了运行参数。

关键词：污水处理 再生回用 膜生物反应器（MBR） 聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维微滤膜

水资源与环境问题日益受到人类社会的重视。、道德及技术都在力图控制与全面解决水问题的严重恶化问题。我国在近几年投入将高达上千亿的资金来达到环保目标，在2010年水处理率不低于60%。污水再生回用成为解决水问题的关键[1]。北京的污水回用率要达到50%，最近我国部份城市水价调整，鼓励使用中水，为污水再生回用提供了良好的市场空间。但传统污水再生处理技术存在着出水质量不高，占地大，稳定性差，另外大型处理厂存在设备与运行的资金短缺问题，二级处理厂达到回用标准要增加设备成本，如输送回用水的泵房、管线要增加新设备、空间等。所以在短期这些技术都不能完全滿足我国对环境治理的要求[2]。膜技术的快速发展，特别是MBR技术在近3年内得到了突破性的应用发展，为污水再生回用的实现带来了光明的前景[3]。出水质量高，能够直接由一级污水直接达到回用水标准，其后与反渗透（RO）可以达到更高的工艺用水与饮用水要求[4]。占地小或不占地，自动程度高，方便旧厂升级改造，也灵活的滿足中小处理需求。2000年MBR处理污水最大规模仅在几千吨/天，而2003年达到几万吨/天。应用主要集中在生化性好、有回用效益的城市生活污水[5]；工艺以运行成本相对要低得多的一体式（也叫沉浸式或淹没式）膜生物反应器有氧活性污泥法为主；使用的膜代表品种之中，中空纤维聚偏氟乙烯（PVDF）有出水量大，抗污染性能强，化学稳定性好的特点。在我国仅局限于实验室阶段，且大多局限于生物方面。而搞膜材料的研究相对很少，膜技术与MBR技术相对成熟能产业化的就更少了。在应用方面，使用国产膜的工程规模最大仅为几百吨/天，国外膜虽然价格高，为国产膜的2~3倍，但是工艺成熟稳定，主要掌握MBR技术的国外大公司即将全面占领国内市场。[6]所以本文以国产中空纤维膜沉浸式膜生物反应器处理生活污水为研究对象，来全面阐述膜生物反应器在处理污水再生回用中的工程实现与优化。实现在现有国情条件下，最大可能性的解决水资源与环境问题，为国家建设提供强有力的技术支持。本项目的示范作用为国产MBR技术的成熟与推广有重要意义。

1、工程概况：

本文以中直苗圃MBR项目为例。北京中直苗圃是一个疗养地，接待能力为1000个床位，季节性波动性较大。最少时冬季为100吨/天，在夏季则受人口及雨水影响，水量最高高在500~800吨/天。另外，院内有200亩的绿化地。在处理前采用地下水及集水池补水，用量大，且生活污水没有利用。经论证采取了MBR污水再生技术，使水达到回用于景观绿化的目的。

天津工业大学充分发挥在中空纤维膜技术的优势，在经过小试及国内数十个MBR项目的应用实践基础上，全部采用国产化设备技术，独立设计建承。

2、工艺过程

2.1 工艺流程

污水再生系统包括以下几个部份

1）、电器自控系统：PLC，变频器、电控阀门、液位记。

2）、生化处理系统：调节池，水解酸化池、曝气池、产水池。

3）、膜系统：膜架，帘式膜、在线气水洗、曝气系统、在线化洗、离线清洗部份。

2.2主要构筑件、设备及工艺参数

1）、调节池：长宽高为9×9×4m,有效体积300m³，停留时间为15h.

水解池：长宽高为8×4×4m,有效体积100m³，停留时间为5h.

曝气池：长宽高为9×2.5×2.4m,有效体积42m³，3 个并联，停留时间为6h

产水池：长宽高为7×8×2m,有效体积100m³，停留时间为5h

清洗池：长宽高为1.6×1.2×2m,有效体积3m³

总占用面积：260平方米

2）、二氧化氯发生器：H99-300 山东华特

三叶罗茨风机：SSR125 P=7.5KW 3台,  山东章晃

潜水泵：调节池出水泵：SSP-51.5~80；水解池出水泵：SSP-50.4~60; 3台；清洗池出水泵：SSP-50.4~60；应急泵：SSP-51.5~80;产水池出水泵：SSP-51..5~80，GSD公司

污水泵：曝气池出水泵：WB70/090  3台; 清洗泵：WB70/075 ; 广东阳江新粤华

加上照明、加药与吊车等总装机容量为43KW

膜：FR，膜内/外径为35/25mm，丝根数：总面积：产水量清水：截留分子量为20万，最大孔径：0.2μm  产地 天津工业大学膜天膜公司.

膜架：长宽高为1020×700×1300mm,8个帘式膜容量，含清洗曝气系统，产地：天津工业大学膜天膜公司.

3）、临界通量为10~40L/M^2..H根据体水质情况而定，设计通量在10 L/M²。在临界通量进行恒流量控制; 气水比为15：1~20：1 ；酸化池DO值为小于1mg/l, 曝气池DO值 5~8mg/l；连续进水，间歇出水，抽吸泵开13分钟停1分钟；总污泥含量大于8000mg/l，要向酸化池中排泥。

当压力表在最低液面时，清水泵口真空表真空度大于30Kpa，进行在线物理水气清洗。物理水气清洗的周期间隔小于2周时，进行在线化学清洗；当在线化学清洗周期小于1个月时，采用离线清洗。

2.3设计特点

1)、电气系统、生化系统、膜系统三部分相互之间有关联，但是加工安装有独立性，方便于模块化成套性工业推广，施工调试期短。其应用可以采用阶段性开车，由于膜架成为最小的处理单元，所以不涉及工程的放大问题，并且有助于在初步的试运行阶段通过较少的膜作为试车风险，来获得更加可靠稳定的运行参数。

2)、采用造价较低的传统的水解酸化-有氧活性污泥法，但在参数的设计中体现了MBR的特殊性。为了增加水解酸化的效果及减少给水波动性的影响，加大了水解池体积。

3)、PLC电路高度自控，无人值守。变频器可以节约曝气能耗。可以根据不同的进水水质与产水的不同需求在不增加设备的情况下，软件化调节。

4）、经济有效的清洗系统保证了膜的长时间节能运行[1]。在线气水洗有高效与环保上的意义，新型射流技术的应用，增加了清洗效果并使用水量与时间都减少，使占有一体膜生物反应器运行能耗近90%的曝气能耗得以下降。另外，在线化洗减少操作强度，解决了强度不高的PVDF膜的断丝问题。对于长期所发生的较为严重的污染，进行离线清洗，膜架堆设计方便了膜的取放，提高了膜的清洗效率。

5）、整个工程为地下室，上面为景观假山绿地，体现了美学意义。清洗用水都来自于膜产水。在线化学清洗用量少，给环境带来的污染小，离线化学清洗用药量少，是重复使用，最终废液中和后，间歇的排入到调节池，并通过生化得以处理。膜生物反应器的高浓度污泥，使排泥量少，曝气池量的污泥可以排到水解酸化池中，增加了水解酸化效果。最终，生成的无机物污泥，一年或更长的时间由排污车排除，作为肥料供给农业生产。使污水处理厂自身也清洁生产，实现O排放。

3 处理效果

工程经过1个月的调试和污泥的培养，投入正常运行6个月。运行比较稳定。 虽然受到雨水的影响，但是污泥中一直有较好的生物相，以出水中的氨氮、总磷、COD、SS以及膜出水泵的真空度作MBR系统的监控指标。出水在不同时期多次抽测分析，所有指标都优于《城市污水再生利用—城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）。除总磷外，出水水质可完全滿足《城市污水再生利用—景观环境用水水质》（ＧＢ／18920-2002）.此期间没有进行化学清洗，没有明显污染衰减。没有进行排泥。

4、主要经济技术指标及经济效益分析及优化

4.1 水成本的分析

为了全面分析MBR工程系统的各种运行参数及设计条件对工程处理效果的影响情况，本文以单位水处理成本V元/m³作为工程评价的目标参数，并以本系统试运行参数为依据，对事故停车率、在线水洗时间、空曝气清洗时间、膜寿命、气水比、膜价格、膜产水通量进行了全面的分析优化。过程利用数学软件[7]进行了运算。计算程序相关，[8，6]。水电费人工等参数以北京地区为准，通过在设定其它参数不变的基础上，对单一因素作分析计算，得到各数据进作图数据分析，得到的直线回归方程即得到了V=KX+B V，V为产水成本，单位为元/m³;X代表各影响因子。如下表 1中所示。

表1各种技术经济条件对MBR水成本的影响回归方程参数表

4.2 敏感性分析

为了研究对各因素X对水成本V的影响情况，本文采取了投资项目评价中的敏感性分析。对各种不同单位的影响因素的变化都会引起水成本的一定变化，但是其影响程度却各不相同。有些因素可能仅发生了较小的变化就能引起水成本指标发生大的变动，而另外一些因素即使发生了很大的变动，水成本影响也不是很大。前一类因素称为敏感因素。

跟据上面的参数，设定不确定因素变化率Δxi分±30%，±20%，±10%间变化，将得到的Xit代入各自的回归方程得到值Vxjt与ΔVxj，然后对其作图，如下图1 ，Δxi与ΔVxj的斜率slope(ΔXj,ΔVxj)就是敏感系数β。它反映了变量因素敏感程度的一个指标。最大者为最关键因素。

图 1水成本的单因素敏感性相对分析图

图 2 水成本的单因素敏感绝对分析图

在上述理想条件分析中，不考虑各种条件之间的相关影响，即清洗及曝气等对膜寿命的影响均未考虑，另外由于水成本中泵能耗的比例较小，所以也忽略了膜污染对泵能耗增加所产生的影响。另外其它运行情况仅以本系统为例，其它水电费等参数以北京地区为准。认为此工艺条件下，膜生物反应器的各种影响产水成本的因素中，相对大小为：停车率<在线水洗<空曝气清洗<气水比<膜寿命<膜价格<膜产水通量。膜是关键因素,膜的产水能量是最为关键因素，直接决定着MBR制水成本的大小 。这与相关报道[6]一致，但是更为深入而细致。达到了优化工艺的目的。

5、讨论与改进

1）、膜的出水量及价格及寿命成为控制成为的主要因素。膜产水通量是最主要的影响因子。又要同时兼顾膜的使用寿命。与其这些有关的各种因素都会可能成为降低成本的有益控制手段。相反则要避免，即使在短期可以降低在成本。要以最终的工程寿命期水成本为控制参数，实现膜的长期有效使用，才有可使工程最有效。在寿命2年以上的价格小于200元的国产膜会在水成本上有优势。国外膜如寿命小于5年则其在价格不应高于300元，才有优势。PVDF膜较PP或PE膜在膜通量上有优势，这是其流行的一个重要原因，但其膜强度要差一些。合理的曝气及清洗会使PVDF膜可能有较小的制水成本。

2）、曝气系统的开发成为MBR技术的重要方面。增加有效的清洗，来减少无效的大量的曝气[9]。间歇出水即用空曝气的手段成为控制膜污染共识，尽管在实验室及小试中多次被研究与推荐，但是在大系统中可行性不大。但不良的自净效果，及增加了断丝率及对膜的伤害。另外在电耗成本中其占了高达95%以上，高于常规的处理方法[10]。空曝气的方法及增加曝气量的方法，会增加影响成本较强的气水比因子。看来方法可行性不大。本系统在长期低COD进水（小于100），连续出水及时在线水洗，没有发生膜的能量下降。间歇出水方式能多大程度上缓解膜的污染，及对膜的寿命的到底为多大还有待于研究。[11]

3）、清洗水量对产水成本影响小，在实际之中又发现膜对于每次清洗都可以使水的抽吸压力下降3~5Kpa,且在线物理清洗方便可行，强度小。适合我国国情。可以通过此方法可以增加膜的寿命，与膜的通量，来降低工程产水成本。又可以减少损害大的、不方便的化学清洗。这样能通过可以从上文看出都可以大大减少水成本。要提高对膜的清洗效果，设计安全可靠又不伤膜的清洗喷枪是关键。

4）、系统的稳定性对水成本影响不大，维护停车在成本上不会增加太多。通常大于8000小时的运行时间就可以了。虽然在土建上增加了费用，但是由于土建费用在成本中占的比例不大所以这是可行的。这也有利于国产膜的推广。

5）、膜生物反应器的水处理工程，回用为目的，在现行水电及利率等情况下有很好的推广价值。可以在运行期内收回投资并取得经济效益。成本在2元左右，投资回报期为4~5年[12]。

6）、反应器对如果要达到景观用水，要进行脱磷处理，要在前面增加化学除磷。[13]

叁考

1、雷乐成等，污水回用新技术及工程设计[M].北京：化学出版社，2002.

2、国家环保总局科技标准司.城市污水处理及污染防治技术指南[M].北京：环境出版社，2001.

3、Thompson, D., Schneider, C and Murphy, M. (2003) “Immersed Membrane Bioreactors For Water Reuse: Summary Of 5 Years Experience”, in proceedings of 25th Annual Hawaii Water Environment Association Conference, Honolulu, Hawaii, January 29-31, 2003

4、Lawrence, Peter, Adham, Samer; Barrott ,Ensuring water re-use projects succeed - Institutional and technical issues for treated wastewater re-use[J].desalination, 2003, 152( 1-3)： p 291-298

5、Zhang, Shaoyuan； Van Houten, Renze et.Sewage treatment by a low energy membrane bioreactor[J].Bioresource Technology, 2003,90(2): 185~192

6、郑祥，刘俊新 膜生物反应器的技术经济分析[J].给水排水，2000，28（3）：105~108

7、Mathsoft inc ,Mathcad7.0 professinonal[Soft] 1986~2001.

8、刘伊生 工程造价管理基础理论相关法规[M] 北京：中国计划出版社2004（6）105~113

9、 Chua, H.; Arnot, T.C.; Controlling fouling in membrane bioreactors operated with a variable throughput[ J]. Desalination, 2002, 149（9）:225~229

10、Cornel, P et.Investigation of oxygen transfer rates in full scale membrane bioreactors[J]. Water Science and Technology ,2003,47(11): 313~319

11、Hong, S.P. Bae, T.H.; Tak, T.M.; Hong, Fouling control in activated sludge submerged hollow fiber membrane bioreactors[J]. Desalination, 2002,143( 3): 219-228

12、Ujang, Z, Salim, M.R.; Khor, S.L The effect of aeration and non-aeration time on simultaneous organic, nitrogen and phosphorus removal using an intermittent aeration membrane bioreactor[J].Water Science and Technology, 2002,46(9): 193~200

13、Gnirss, Regina ; Lesjean, B.; Adam, C.; Buisson, H ,Cost effective and advanced phosphorus removal in membrane bioreactors for a decentralised wastewater technology[J]. Water Science and Technology, 2003,47(12): 133~139

The run and optimization of Membrane bioreactor

for treated wastewater re-use

Guo chunyu    Du qiyun

(the state educational ministry key lab of hollow fiber membrane material and processTianJin,300160)

Abstract: In the aim of re-use, the full scale membrane bioreactor treated wastewater from a holiday restaurant with the capacity of 500m³/d is designed with hollow fiber PVDF membrane and hydrolazer–areation active sludge equipment all made in china. as one of immersed membrane reactor , some economic and technical factor is optimized by some calculation with math soft. The effective controlling is implemented during test run.

Key: submerged membrane bioreactor(SMBR);wastewater treatment; optimization of factor; Hollow fiber membrane ;PVDF

附录：