浸入式膜生物反应器中水回用工程应用

蔡 文，骆建明

1.山东理工大学，山东 淄博 255049

2.北京国环莱茵环境工程技术有限公司，北京 100101

浸入式膜生物反应器中水回用工程应用

蔡 文1，骆建明2

1.山东理工大学，山东 淄博 255049

2.北京国环莱茵环境工程技术有限公司，北京 100101

通过引进、消化韩国某株式会社HANT工艺，结合高校生活污水水质，设计建造1 000 m3/d生活污水深度处理及回用工程.运行结果表明：该工艺对CODCr和BOD5的去除率达到96%以上，对浊度、悬浮物和氨氮的去除率达到99%以上，且出水水质稳定、无色无味，达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T18920—2002)要求.此外，水处理工艺整体布置在地下，无噪音、无异味;地面上可进行绿化或道路建设，解决了城市社区生活污水处理设施占地、噪声和异味扰民问题.

中空纤维膜;膜生物反应器;污水处理;中水回用

近年来，许多国家积极开发废水综合处理和回用技术，其中，膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)是20世纪末发展起来的最具潜力的废水资源化再生利用技术之一.MBR是将传统活性污泥生物学处理工艺和浸滤式中空纤维膜物理性过滤工艺相结合，利用膜分离技术与生物反应技术各自的优势，开发出的一种高效水处理系统［1］.由于膜的高效截留作用，保证了MBR内始终保持较高的活性污泥量，使MBR能够在高容积负荷、低污泥负荷的情况下运行，保证反应器良好的硝化性能［2］.该工艺具有设备简单，不需二沉池，易实现自动化控制，固液分离效率高，耐冲击负荷好，污泥产量少，出水水质好、占地面积小等优点［1，3-4］.然而，膜污染和高昂的投资费用是目前影响膜生物反应器推广应用的主要因素.随着材料科学技术的发展，膜材料和膜组件的费用会逐步降低，但膜污染却依旧是膜生物反应器推广应用的主要障碍［5］.

MBR技术自20世纪90年代引入我国后，受到业内的重视并开展了广泛的研究.近年来，随着膜制造技术的进步、清洗方法的改进以及复合工艺的开发，困扰MBR的投资费用高、通量不易恢复、脱氮除磷效果差等问题得到了很好的解决，为该技术的推广应用创造了条件，对我国实现水资源的重复利用提供了更多的技术和工艺选择［6］.

该文所述中水回用工程是利用地方政府资助资金，与相关部门和单位合作，通过引进、消化韩国某株式会社HANT技术工艺，结合工程建设单位实际进行设计、建设的，工程总投资566×104元，HANT技术工艺原理如图1所示.

图1 HANT技术工艺原理［7］Fig.1 HANT process and the principle

1 工程概况

1.1 用水状况

工程建设单位为省属高校，在校生人数3.3×104人，教职工宿舍区居住人口有6 000人，校园内绿化面积近8×105m2，绿化和景观用水占有相当大的比例.每年用水量2.2×106t，其中自来水用量1×106t，自备井供水量1.2×106t.自备井主要用于冲厕、卫生保洁、绿化和景观.

1.2 供排水分布状况

校园和市政污水管网有3处接口，建校时校园已铺设2套供水系统(自来水和自备井水)，中水系统建成后，可以直接替代原有的自备井水系统.由于排污口和自备井供水泵站分开配置，故为中水的管道输送提供了便利条件，在此基础上建设中水回用工程，不仅降低了工程建设的复杂程度，而且减少了工程建设的总投资.

1.3 校园中水回用工程规划

规划配套建设中水回用工程总处理规模为4 000 t/d，首期建规模为1 000 t/d，位于校园西北侧，处于市政污水管网2处接口之间，与自备井供水泵站比邻.该区域以学生公寓、学生食堂和浴室为主，所排生活污水水质指标：ρ(CODCr)为230～530 mg/L，ρ(BOD5)为 100 ～220 mg/L，ρ(SS)为 130 ～250 mg/L，ρ(TN)为 20 ～70 mg/L，ρ(TP)为 3 ～7 mg/L，p H 为 6.5～8.5.

1.4 设计出水水质标准

根据学校中水回用的具体用途，出水水质应达到《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921—2002)，《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T18920—2002)，《建筑中水设计规范》(GB50336—2002)等国家标准中的相关指标.

2 MBR中水回用工艺流程

2.1 工艺流程

工艺流程框图如图1所示.

2.2 工艺流程分析

校园污水经管道收集进入分流井，分流井设超越阀门、管线，当系统检修或出现故障时，污水可直接排入城市污水管网;通过分流井污水自流进入处理系统，前端设置粗格栅，以去除较大的悬浮物;之后自流进入分解池，在分解池中将泥沙和悬浮物进行分离，污水通过溢流装置，经砂石过滤进入调节池进行水量调节，在调节池中安装潜水搅拌器，增强污水混合效果.

图2 HANT工艺流程Fig.2 The flow chart of the HANT process

污水经调节池后由泵提升进入细格栅进行过滤，将污水中较小的杂质去除，以免影响后续处理工艺;污水经过滤后进入缺氧池，缺氧池中维持ρ(DO)≤0.2 mg/L［8］，在缺氧的环境下，污水的硝酸盐氮通过反硝化反应得以去除;之后污水自流进入厌氧池，厌氧池中要保证ρ(DO)≤0.1 mg/L［8］，以有利于磷盐的释放，为除磷创造条件;在缺氧池和好氧池中安装潜水搅拌器，保证池中泥水充分混合;经过上述处理后，污水自流进入该工艺的核心处理单元——膜生物反应池，在此进行好氧处理，池中保持高浓度的活性污泥〔ρ(MLSS)为6 000～14 000 mg/L［8］〕和充足氧气〔ρ(DO)≥4.2 mg/L［8］〕，使有机物得到有效去除;池中的污泥在曝气水力作用下，部分自流到脱气池，经过絮凝和脱气〔ρ(DO)≤1.4 mg/L［8］〕，污泥形成蓄积并上浮，根据蓄积量和膜反应池微生物浓度，定期用污泥泵排出污泥，控制膜池中的污泥浓度.

在排泥过程中，通过调节排泥管道分支阀门，向缺氧池和厌氧池中回流污泥，以提高缺氧池和厌氧池中微生物浓度，剩余污泥泵入污泥浓缩池;出水通过膜装置的泵吸方式进入中水池，并进行二氧化氯消毒处理，消毒清水通过直供泵注入中水管网或流入蓄水池以备回用，中水池和蓄水池中有曝气充氧装置.

整个系统排放的污泥都进入污泥浓缩池，定期进行污泥脱水，作为肥料用于校园绿化种植和养护.

2.3 主要构筑物及参数

主要构筑物及参数如表1所示.

2.4 主要运行设备

表1 构筑物及参数Table 1 The structural units and their parameters

浸入式膜生物反应器污水处理主要工艺设备为进口膜组件，电气设备，PLC控制系统和 PE管道等.

污水前期处理设备：为防止污水中较大的悬浮物和漂浮物进入污水处理系统，减少分解池污物清理工作量，在污水入口前端选用一台栅条间距为5 mm的粗机械格栅(安装倾角为60°);为防止细小污物堵塞膜生物反应器，在缺氧池入口端安装一台栅条间距为1.5 mm的细机械滚筒格栅，同时采用毛发收集器截留毛发，防止毛发进入膜生物反应器内.

膜生物反应器主要设备：中空纤维膜采用日本某公司PVDF中空纤维膜，膜表面孔径0.4μm，内径(1.1±0.1)mm，外径(2.8±0.1)mm，工作温度为 6～40 ℃，p H 为 3～9，膜通量为 0.8 m3/(m2·d).中水出水泵选用流量40 m3/h，扬程8 m，功率2.2 kW真空泵3台(两用一备).

曝气设备：选用风量12 m3/min，扬程5 m，功率18.5 k W罗茨风机3台(两用一备).

消毒系统：采用二氧化氯为消毒剂，选用产量300 g/h的二氧化氯发生器，有效氯根据出水水质由计量泵调节加入，接触时间＞30 min.

2.5 电气控制

电气负荷：该工程装机容量为130 kW，工作容量为80 kW.用电设备单台最大容量18.5 kW.所有用电设备电压等级均为380 V/220 V.

控制方式：工艺设备采用PLC进行集中控制和现场控制.设备通过手/自动转换开关实现自动控制和手动控制，并通过PLC控制程序定期对膜件进行周期性在线清洗，确保膜系统正常运行.

3 运行前期工作

3.1 污水注入前的准备工作

各构筑物建成后，经清除池中建筑垃圾，注入清水进行静压试验，证明无渗漏，无下沉位移，按有关规程验收合格.

电器、机械、管路等全部设备建成，经单机试车、联动试车正常.按有关规程(说明书)验收合格.

3.2 污水处理初期活性污泥的接种培养

处理的污水为单一的生活污水，利用市政污水处理厂提供的浓缩活性污泥作菌种(种泥)来培养，容易适应环境，在处理的污水中加入种泥进行曝气，直至污泥转棕黄色时就可连续排进污水.若气温、水温较高(7—8月)，微生物易成活，污泥培养时间较短.

调试期间，根据显微镜观测微生物生成和污泥变化情况调整曝气量和曝气时间，并观察脱气池污泥生成量，定期向污泥浓缩池排污泥，并向膜反应池补充污水，使ρ(MLSS)保持在6 000～9 000 mg/L.

适时开启脱气池中污泥泵，向缺氧池和厌氧池回流污泥，让污泥在系统内循环，通过回流污泥的絮凝增加缺氧池和厌氧池微生物浓度提高脱氮、除磷效果.

待污泥量明显增加后，逐步提高污水流量.在培菌的后期，检测出水指标达到标准后，说明污泥中微生物已能较好地适应污水水质，并已在膜表面形成具有阻截能力的胶凝层，膜反应池中已完成污泥接种和驯化［9］.

3.3 膜生物反应池消泡

在微生物培养初期，由于活性污泥浓度较低，生活污水中所含洗涤剂等成分在曝气过程中易出现大量泡沫.为此，在污泥排放管道上增加了膜反应池喷淋管道和螺旋喷头，利用脱气池排出的污泥压制和吸附泡沫，起到了明显的效果.

3.4 膜丝亲水性处理

许多研究表明，膜材料亲水性对膜抗污染性能具有很大影响，亲水性膜受吸附影响较小，产生更大的膜通量［10-11］.在活性污泥的培养后期，膜组件投入运行前，通过膜反冲洗装置，利用化学改性剂对膜进行亲水处理，以强化膜组的抗污染能力.

4 膜污染与控制

4.1 膜主要污染物

膜污染现象非常复杂.研究［12-13］表明，造成MBR膜污染的主要因素有膜材料本身、膜孔径、污泥质量浓度、污泥黏度、污泥粒径分布、污泥负荷，膜通量、曝气强度以及原水成分等.从污染物的位置来划分，膜污染分为膜附着层污染和膜堵塞.在附着层中，有悬浮物、胶体物质及微生物形成的滤饼层;溶解性有机物浓缩后黏附的凝胶层;溶解性无机物形成的水垢层.膜堵塞是由于反应器混合液中的溶质浓缩、结晶及沉淀致使膜孔产生不同程度的堵塞［14］.膜污染速率的快慢与混合液性质、混合液中无机物及其组成、污泥粒径以及膜污染层厚度等因素有关［15-16］.它还取决于浓度，温度，p H，离子强度，氢健及偶极间作用力等物理和化学参数［17］.如何防止膜污染，是国内外研究者面临的主要问题.

根据实际运行情况，对膜表面污染物取样作光谱分析，主要元素见表2.除此以外，由于该区域内有2个学生食堂，膜污染物中还含有油脂.

表2 膜污染物中主要元素Table 2 Elemental composition in the membrane contaminant stains

由于膜反应池曝气自下而上，污水中的头发、纤维等在上升水力作用下，聚积在膜束上端，长时间处于挤压状态，影响出水量，并在曝气水力作用下摩擦，易磨损膜丝表面，影响膜的使用寿命.因此，离线洗膜时清理膜板框上端膜束内头发、纤维等成为主要工作量.

4.2 膜化学清洗

膜在受到污染后，引起膜通量下降、膜操作压力升高，增加运行能耗［4，18］，故需根据膜的工况适时对膜进行清洗，否则将缩短膜的使用寿命.目前，工程上应用的SMBR膜清洗方法主要是水力清洗+化学清洗.水力清洗能够去除SMBR膜表面沉积的活性污泥滤饼层，化学清洗是利用酸、碱、盐(如 HCl，NaOH和NaClO等)去除SMBR膜表面、膜孔径内的胶体、无机盐、生物膜等［19］.有机物及生物污染是导致盥洗废水处理中膜通量下降的主要原因，清洗盥洗废水用膜时，碱洗比酸洗更有效［14］.通过在线药洗能够破坏膜面连续的滤饼层，从而在一定程度上恢复膜通量［20］.

该工程使用4‰～6‰次氯酸钠作清洗剂，通过PLC程序自动控制，每周在线反冲洗1次.期间，好氧生物反应池停止曝气，并将次氯酸钠注入每个膜组，每个膜组每次反冲洗90 min，3个膜组依次清洗.在线清洗时化学清洗后膜通量恢复率可达80%以上.

根据膜污染情况，若在线清洗效果不佳，可采用离线清洗.经过3年的运行，每年离线清洗一次.离线清洗时先制备次氯酸钠清洗液，在膜清洗池中加入12 m3的清水和400 kg 10%的次氯酸钠溶液.碱洗前先用清水冲洗膜组，将膜丝间夹带的污泥、发丝、纤维冲洗掉，再将膜组件接通曝气管后吊入膜清洗池，连续曝气30 min后，停止曝气浸泡120 min，最后再连续曝气30 min.后2组膜按照以上顺序和时间依次离线清洗.原清洗液可不排放，但为保证次氯酸钠的浓度，在吊入膜组前分别添加200和150 kg次氯酸钠即可.离线化学清洗后膜通量恢复率可达95%以上.

4.3 防止膜污染的措施

膜出水采用间歇抽吸的方式运行，能够在较大程度上缓解膜的堵塞问题［21］.在实际运行中，膜组真空泵按照运转8 min停机2 min的频率工作.停泵后空曝气，这样在上升气流、水流的作用下，冲刷膜表面，避免了因长时间工作污染物在膜吸附压作用下沉积，同时将沉积在膜表面的污染物冲刷、脱离膜表面，有利于降低膜污染.

在一定ρ(MLSS)下，提高曝气量在一定程度上可以减轻污泥层在膜表面的沉积而减缓膜污染［16，22］.但是曝气量不是越大越好，曝气强度的增加造成污泥粒径分布的改变，使混合液中细小污泥颗粒增加，从而导致膜孔堵塞，引起膜污染速率增加［22］，同时还会增加能耗，不利于经济运行.

5 工程验收监测结果

从表3可见，该工程出水中各项污染物浓度均达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T 18920—2002)的要求，CODCr的去除率和削减量分别为96.67%和0.436 t/d;BOD5的去除率和削减量分别为96.18%和0.108 t/d.

表3 进、出水水质与处理效果Table 3 Water quality of influent and effluent and treatment effect

6 运行3年平均成本构成

人工费：劳动定员为3人，月平均工资按1 500元/人计算，则人工费用(以污水处理量计，下同)为0.15元/t.

动力费：系统运行功率为80 kW，折算成连续运行功率为60 kW，电费按0.54元/kW·h计算，则动力费用为0.777 6元/t.

药剂费：0.01元/t.

维修费：0.025元/t.

费用合计：0.967 6元/t.

从以上分析看出，电费占运行成本的80%.所以，能耗是制约MBR推广的重大问题，因为MBR工艺的发展不仅取决于工艺本身，还取决于其经济可行性.

7 结论

a.采用浸入式膜生物反应器(MBR)技术处理生活污水，出水水质优于《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T18920—2002)标准.对 CODCr和BOD5的去除率达到96%以上，对浊度、氨氮去除率达到99%以上.

b.处理后的水进入管网综合利用，减少了污水排放，节约了水资源.每年实现减少自来水用量3.6×105t，减少污水排放量 3.6 ×105t，减少 CODCr排放量140 t.按照当地水价(3.722 5元/t)计算，节水水费134×104元，社会效益和经济效益明显.

c.该项目直接运行成本中电费占运行成本的80%，其中曝气洛茨风机耗电占总耗电量的80%.因此，选择合理的曝气量，不仅是减少膜污染的措施之一，也是降低运行成本的关键.

d.经过3年的运行，系统运行状态理想，污染物削减指标、出水水质均达到国家标准.采用合理加大曝气量和膜间歇出水，较大程度上有效地控制了膜丝污染和堵塞.开发低成本膜材料、提高膜材料抗污染能力和膜寿命等，是MBR工艺应用于污水处理与回用所亟待解决的问题.

e.由于项目建设单位处于平原地区，没有地形落差，为便于项目实施后地表绿化的恢复，建设形式为地下全封闭钢筋混凝土结构，因此项目建设造价较高，为6 000元/t.运行成本为0.967 6元/t，项目回收期为6年.

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Application of Submerged Membrane Bioreactor in Reclaimed Water Recycling Project

CAI Wen1，LUO Jian-ming2
1.Shandong University of Technology，Zibo 255049，China
2.Beijing Guohuan Rhein Environmental Technology Co.，Ltd，Beijing 100101，China

The application of submerged membrane bioreactor(MBR)technology to reclaimed water reuse was introduced.Considering the properties of domestic sewage on a college campus，the HANT process developed by the environmental branch of the Korea Express Co.，Ltd.，was imported，assimilated and finally incorporated into a system for advanced sewage treatment and reuse at a scale of 1 000 m3/d.It was demonstrated that：96%of CODCrand BOD5were eliminated;99%of the turbidity，suspended substance and ammonianitrogen contents were eliminated;the system output maintained a stable quality;and，the water was clear and odorless.It satisfied the requirements of national standard GB/T18920-2002，“Municipal sewage water recycling municipal non-drinking water specifications.”The whole system was underground，so that it was noise-free and odor-free.On top of the system，the ground was available for landscaping or designing traffic paths.It offered an ideal solution to the problems of land occupancy，noise and unpleasant odor normally associated with sewage treatment facilities.

hollow fiber membrane;membrane bioreactor;sewage treatment;reclaimed water reuse

X703.1

A

1001-6929(2010)12-1553-06

2010-03-29

2010-10-11

山东省淄博市人民政府资助项目

蔡文(1963-)，男，福建永泰人，助理研究员，主要从事节能与资源综合利用研究，cw696@sdut.edu.cn.