膜生物反应器中自吸泵汽蚀解决措施探讨＊

郑秋生刘丽明

（1.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司；2.渤海石油水电服务公司）

膜生物反应器中自吸泵汽蚀解决措施探讨＊

郑秋生1刘丽明2

（1.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司；2.渤海石油水电服务公司）

简要介绍了膜生物反应器（MembraneBio-Reactor，MBR）的污水处理工艺流程，通过真空度表达式与有效汽蚀余量表达式分析了膜生物反应器中自吸泵汽蚀的主要原因是膜的脏堵、进水管路布置不合理导致进水条件不好、管路结垢导致总阻力损失增大和污水性状的改变等。通过将膜的反洗时间确定为每2h反洗一次、在线化学清洗时间确定为每100h清洗一次，SV30（污泥沉降比）控制在15%～25%，并减小膜与自吸泵间的管路长度、减少弯头和附件，运行条件变好，可以较好地解决自吸泵使用过程中的汽蚀问题。

MBR；自吸泵；汽蚀原因；解决措施

0 引 言

膜生物反应器（MBR）是膜技术和活性污泥生物处理技术有机结合的新型废水处理系统，MBR出水水质稳定、效果良好［1］。自吸泵是MBR工艺中较为关键的设备，其主要是将气液混合原理与泵的特殊结构相结合，通过抽吸在膜丝内部形成负压，水在压力推动下透过膜壁完成污水固液分离，达到水质净化的目的［2］。但其在运行过程中出现的汽蚀现象影响泵的寿命及工艺流程的稳定性，因此，有必要对MBR工艺中泵的汽蚀影响因素及解决措施进行探讨。

1 MBR生活污水处理工艺

1.1 MBR工艺介绍

生活污水经管网收集进入化粪池经过简易处理后进入污水调节池，调节池污水用泵提升到厌氧池，通过厌氧微生物将大分子有机物降解成易生化处理的小分子。厌氧池出水进入好氧池与MBR池，通过风机对废水进行供氧，利用好氧微生物对污水中的污染物进行分解去除，MBR可高效进行固液分离，出水可以达到处理要求。工艺流程如图1所示。

MBR系统包括MBR膜装置、自吸系统、反洗系统、曝气系统、污泥回流系统等。自吸泵在较低的负压状态下运行，利用泵抽吸方式将水由外向内进行负压抽滤，实现低跨膜压差、适度膜通量平稳运行的直流式全量过滤。水在压力推动下透过膜壁从外部向中间过滤，在收缩压作用下，中空纤维膜向内部收缩，膜孔距越来越小，这样可以保证过滤效果。若膜孔堵塞，过滤自吸负压将增加，当跨膜压差达到一定程度时开始进行反洗。反洗时，透过液（MBR产水）从中空纤维膜内部透过膜壁往外冲洗，膜孔距扩大把污染物冲出，恢复膜性能［3-7］。

图1 污水处理工艺流程

1.2 MBR膜基本参数

装置中所用MBR膜的基本性能参数见表1。

2 自吸泵产生汽蚀原因

2.1 原因分析

自吸泵产生汽蚀是由于泵内局部压力低于水的饱和蒸汽压力，或者说汽化是形成汽蚀的先决条件。自吸泵产生汽蚀的普遍原因有：自吸泵安装高度过高；实际工况偏离设计工况点较远；进水条件不好；安装地点海拔较高，输送的水温较高等［8］。针对MBR流程中自吸泵产生汽蚀的现象，分析汽蚀产生的原因：

表1 膜基本性能参数

◆MBR长时间运行后经历了初期污染和长期污染。初期污染是由于浓差极化造成初始膜通量下降，混合液中溶解性物质在膜内表面积累，使膜面表层渗透能力减小；长期污染是由于溶质吸附和粒子沉积造成膜表面溶质浓度较高，导致凝胶层在膜表面形成，胶体粒子迁移至膜表面，从而形成沉积，减小了水力渗透性和膜通量［9］。膜通量降低导致了自吸泵吸入液面上的压力PA增大，真空度HS增大。装置中当自吸负压＞0.03MPa时，可能产生汽蚀。

真空度表达式见公式（1），有效汽蚀余量表达式见公式（2）。

式中，HS为泵的吸入真空度，MPa；PA为泵吸入液面上的压力，MPa；PS为泵吸入口的压力，MPa；ρ为液体密度，kg／m3；g为重力加速度，m／s2。ΔhS为有效汽蚀余量，m；Pt为泵吸入口的压力，MPa；Hgl为吸入口与液面之间的高度差，m；hL为泵吸入管路的流动摩擦阻力损失，m。

自吸泵的进水条件不好。泵前的管路弯曲较多，由于弯道流速压力分布不均，造成自吸泵叶轮进口流速分布也不均匀；进水池产生漩涡会使进入自吸泵的水预旋或将空气带入，同样造成叶轮进口处流速、压力分布不均匀，从而导致汽穴及汽蚀的发生。同时，由于曝气装置不断曝气，水中含气量越大，越容易发生汽蚀。长时间运转后，由于污水中含有垢类，在管路上沉积，会造成式（2）中吸入管路的总阻力损失hL增大，有效汽蚀余量ΔhS减小，易导致汽蚀。随活性污泥的不断积累，反应器内污泥浓度过高时，会造成污水黏度增大，污水性状改变，ρ增大，有效汽蚀余量ΔhS减小，易导致汽蚀。

2.2 MBR工艺中自吸泵汽蚀的危害

MBR工艺中自吸泵的汽蚀会造成泵的易损和整个流程的故障。

发生汽蚀时，泵内局部压力低于水的饱和蒸汽压力，形成许多蒸汽与气体混合的小气泡。当气泡随同水流从低压区流向高压区时，气泡在高压作用下破裂，高压水以极高的速度流向原气泡占有的空间，形成一股冲击力。金属表面在水击压力作用下，形成疲劳损坏，而遭到严重破坏；水击局部地点的高温使机械强度降低，导致泵寿命缩短。

泵内液体流动的连续性遭到破坏，泵的流量、扬程和效率等参数会明显下降，严重时会出现“抽空”断流现象。设备整体处理能力降低，自吸泵汽蚀造成污水积存，导致化粪池“冒罐”造成环境污染。

3 自吸泵汽蚀的解决措施

通过现场实践，解决自吸泵汽蚀的措施主要包括：

加强膜的反洗及在线化学清洗频率。将反洗频率由原来的每4h反洗一次改为每2h反洗一次，在线次氯酸钠化学清洗频率由原来的每168h清洗一次改为每100h在线化学清洗一次。通过加强反洗的频率降低污染物在膜内外表面及管道内表面的附着，增大膜的通量和减小管路总阻力损失。

对MBR池中活性污泥浓度进行严格控制。活性污泥浓度过低，污水中污染物处理效果不达标，浓度过高将可能导致污水性状改变，保持SV30为15%～25%，当SV30＞40%时进行排泥。同时，应控制污泥回流比。

建议MBR设计中，应尽量减小膜与自吸泵间的管路长度，减少弯头和附件等。

通过以上措施可保证MBR工艺中自吸泵的正常、高效运行。

4 结束语

通过MBR工艺中自吸泵的现场应用、理论分析及调试，发现膜的脏堵、进水管路布置不合理造成进水条件不好、管路结垢，从而导致总阻力损失增大和污水性状的微变是自吸泵易产生汽蚀的主要原因。通过加强膜的反洗和在线化学清洗及控制活性污泥浓度等措施可以解决自吸泵的汽蚀问题。

因此，缩短膜反洗及化学清洗时间间隔、减少管路路径长度及弯头数量是今后MBR设计及使用过程中需要重点关注的问题。

［1］ 吕炳南，陈志强.污水生物处理新技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

［2］ 刘培锋.自吸泵在MBR污水处理工艺中的应用［J］.科技传播，2012（22）：183.

［3］ 张颖，任南琪，田文军，等.膜生物反应器中膜组件结构形式的优化设计初探［J］.哈尔滨建筑大学学报，2001（5）：72-75.

［4］ 杨健，章非娟，余志荣.有机工业废水处理技术与理论［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［5］ 邹家庆.工业废水处理技术［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［6］ Masaru Uehara.Membrance Bio-reactor for Wastewater Treatment［C］／／China-Japan International Symposiun on Membrance Hybrid System Applied to Water Treatment Proceedings.Tianjin，1999：48-61.

［7］ 林红军，陆晓峰，段伟，等.膜生物反应器中膜过滤特征及膜污染机理的研究［J］.环境科学，2006（12）：2511-2517.

［8］ 钱树德，宗润宽.海上采油机械［M］.北京：中国医药科学技术出版社，1984.

［9］ 高亚洁.论MBR中微生物对膜污染的影响［J］.黑龙江科技信息，2010（13）：29.

式中，A，B，C，D，E，F分别表示各一级指标单项指数；WA，WB，WC，WD，WE，WF分别表示各一级指标权重值分别表示各二级指标标准化后的数值；Wi表示各二级指标权重值。

3 结束语

海洋石油已成为未来石油产量增长的重要来源，清洁生产是其可持续发展的必由之路。本文研究提出的海洋石油工程清洁生产综合指数可以快速、定量评估油田清洁生产水平，挖掘油田清洁生产潜能，对于提高海洋石油工程能源资源利用率，减少废弃物排放，减缓海洋环境损害意义重大。

参考文献

［1］ 任磊.国外石油天然气开采行业清洁生产技术发展动态［J］.油气田环境保护，2003，13（4）：31-35.

［2］ 李何.石油天然气开采业（稠油）清洁生产指标体系的研究［J］.油气田环境保护，2003，13（1）：16-18.

［3］ 赵晓宁，曾向东，王大卫.国外石油勘探开发工业的环境保护［J］.石油化工环境保护，2001（2）：54-58.

［4］ 徐弘，倪昌.清洁生产在石油钻探行业中的应用［J］.新疆环境保护，2009，31（1）：25-27.

［5］ 徐德安.浅谈石油钻井清洁生产［J］.西部探矿工程，2002（增刊1）：465-466.

［6］ 刘权，戴平.海洋石油伴生天然气回收利用技术的实践［J］.科技资讯，2011（22）：152-153.

［7］ 曾树兵，琚选择，周鹏.海上油气田开发工艺设计节能减排实践［J］.中国海洋平台，2011，26（5）：50-52.

［8］ 王彦昭.海洋石油钻井环境保护措施［J］.企业导报，2010（4）：244.

［9］ 徐卫东，汪家骝.海洋石油开发中含油污水处理与溢油防治技术［J］.油气田环境保护，1999，9（2）：26-29.

［10］HJ／T125—2003清洁生产标准石油炼制业［S］.

［11］GB4914—2008海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值［S］.

［12］李崧，邱微，赵庆良，等.层次分析法应用于黑龙江省生态环境质量评价研究［J］.环境科学，2006，27（5）：1031-1034.

［13］Saaty T L.The Analytic Hierarchy process［M］.New York：McCraw-Hill，1980.

［14］王大卫.石油工业污染防治技术回顾与展望（三）［J］.油气田环境保护，2001，11（2）：20-22.

［15］兰圣迎，连忠廉，黄楚光，等.海洋石油工程环境保护设施竣工验收监测现状及管理对策研究［J］.海洋开发与管理，2013，30（12）：76-78.

［16］GB3097—1997海水水质标准［S］.

［17］GB18668—2002海洋沉积物质量［S］.

［18］GB／T19485—2004海洋工程环境影响评价技术导则［S］.

［19］周仲园，陶刚，张礼敬，等.一种新型危险化工工艺安全评估方法的设计［J］.中国安全生产科学技术，2012，8（9）：118-122.

（收稿日期 2014-06-09）

（编辑 石津铭）

10.3969／j.issn.1005-3158.2015.01.003

：1005-3158（2015）01-0007-03

2014-03-27）（编辑 王薇）

中国海洋石油总公司重大科技项目（项目编号：CNOOC-KJ125ZDXM26THYNFCY2014-01）。

郑秋生，2011年毕业于西安工程大学机械专业，硕士，现在中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司从事油田污水处理设备的技术研发、设计、建造和项目管理工作。通信地址：天津市塘沽区渤海石油路688号滨海新村写字楼南楼321室，300452