目前,鐵路沿線單位大量分散的生活污水未能有效處理,對(duì)周圍環(huán)境及水體產(chǎn)生了不良影響。隨著我國(guó)水資源保護(hù)工作力度的加大,地方各級(jí)環(huán)保部門對(duì)鐵路沿線生活污水的排放要求也越來(lái)越高,生活污水處理問(wèn)題變得十分迫切。在飲用水源保護(hù)區(qū),環(huán)保部門要求做到零排放(即要求中水回用) 。針對(duì)現(xiàn)在生活污水處理裝置多,實(shí)際處理效果不明顯的情況下,設(shè)計(jì)過(guò)程中筆者通過(guò)實(shí)地考察,聽取使用單位意見,嘗試使用膜生物反應(yīng)器處理生活污水,實(shí)現(xiàn)中水回用,取得了一些經(jīng)驗(yàn)。膜生物反應(yīng)器(簡(jiǎn)稱MBR) 是一將膜技術(shù)與污水生物處理技術(shù)相結(jié)合而成的新型水處理裝置,結(jié)合工程實(shí)例介紹膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用情況。

1 　工程概況

杭州鐵路分局某單位位于錢塘江中上游。該地區(qū)市政污水管網(wǎng)未到位,改造前該單位污水經(jīng)化糞池處理后排入水體。出于對(duì)錢塘江水體的保護(hù),當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門要求其生活污水必須經(jīng)處理達(dá)到《城市污水再生利用　城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》( GB/ T18920 —2002) 后作為綠用水,實(shí)現(xiàn)中水回用,做到零排放。根據(jù)該單位的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)經(jīng)比較后決定采用一體式膜生物反應(yīng)器處理其生活污水。

現(xiàn)單位人數(shù)為120 人,生活污水來(lái)源于廁所、食堂、浴室等場(chǎng)所。按每人每天用水量250 L 考慮,污水排放系數(shù)取018 ,則污水日排放量為Q = 24 m3/ d ,設(shè)計(jì)平均時(shí)處理水量為Q = 110 m3/ h 。選用日處理25m3/ d的反應(yīng)器,考慮到建設(shè)用地緊張,選型時(shí)采用埋地式,這樣上部可以種植花木或草坪,進(jìn)一步美化環(huán)境。進(jìn)水水質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1 。

2 　工藝流程

工藝流程為:原水→粗細(xì)格柵間→調(diào)節(jié)池→一體式MBR →清水池→出水。

生活污水經(jīng)過(guò)化糞池預(yù)處理,含油食堂污水經(jīng)隔油池預(yù)處理,經(jīng)過(guò)格柵去除大顆粒雜物后首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)和水量,然后被提升至膜反應(yīng)器后與活性污泥充分混合,通過(guò)微生物的新陳代謝活動(dòng)使污水得以凈化。反應(yīng)器的混合液借助自吸泵的吸力,使膜組件外部水的壓力與內(nèi)部形成壓力差,并依靠該推動(dòng)力實(shí)現(xiàn)污水和水的分離,清水透過(guò)膜流出;濃縮液被送回反應(yīng)器,參與下一個(gè)循環(huán)或經(jīng)循環(huán)泵提速后再進(jìn)入膜組件。

3 　主要構(gòu)筑物及設(shè)備

(1) 調(diào)節(jié)池

調(diào)節(jié)池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),經(jīng)格柵處理后的污水進(jìn)入調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池用于調(diào)節(jié)水量和水質(zhì)變化,使污水能較均勻地進(jìn)入后續(xù)處理單元,提高整個(gè)系統(tǒng)的抗沖擊能力,并減少處理單元的設(shè)計(jì)規(guī)模。調(diào)節(jié)池的污水通過(guò)提升泵進(jìn)入膜生物反應(yīng)器。

(2) 曝氣池

曝氣池采用Q235 防腐鋼結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)池的污水經(jīng)=提升進(jìn)入曝氣池,污水中的大部分有機(jī)物在此得到降解和凈化。在這里好氧菌以污水中的有機(jī)物為食料,將其分解成無(wú)機(jī)鹽類,從而達(dá)到凈化的目的。

(3) 消毒裝置

本工藝消毒采用自吸式自動(dòng)消毒器,采用氯片消毒。

4 　膜組件的設(shè)計(jì)及選用

有關(guān)研究表明:在0103～014 μm 孔徑范圍內(nèi)不同孔徑的膜對(duì)COD 的截留率及系統(tǒng)的COD 去除率的影響很小,非溶解性的物質(zhì)及溶液中的大分子物質(zhì)可以為膜截留,而溶解性的物質(zhì)主要依靠吸附作用被截留。因此,在膜的孔徑?jīng)]有小到足以直接截留溶液中的溶解性物質(zhì)之前,膜的孔徑不會(huì)對(duì)其COD 截留率產(chǎn)生大的影響。綜上所述,小孔徑膜并不能顯著增加COD 的截留率,但膜孔的堵塞過(guò)程很快,在一定程度上縮短了膜的運(yùn)行周期。因此,在不需要截留污水中比較小的成分的情況下,在一定的范圍內(nèi)選擇孔徑比較大的膜是有益的。

本設(shè)計(jì)中膜的通量F 取值是011 m3/ (m2·h) (膜孔徑為011μm) ;運(yùn)行周期為3～5 周。使用的膜分離單元是采用針對(duì)污廢水處理而開發(fā)的聚丙烯中空纖維膜。聚丙烯中空纖維膜組件按規(guī)定的間隔安裝在反應(yīng)器內(nèi),考慮到中空纖維膜的維護(hù),設(shè)計(jì)成從上方拉出方式,一個(gè)單元的濾過(guò)面積是16 m2 。選用膜的技術(shù)參數(shù)如下。

膜材料　聚丙烯;

膜內(nèi)徑　320～350μm ;

膜壁厚　40～50μm ;

膜孔徑　011μm ;

透氣率　> 710 ×10 - 2 (cm3/ s) ;

縱向強(qiáng)度　120 MPa ;

孔隙率　40 %～50 %;

產(chǎn)水量　10 L/ (h·m2) (穩(wěn)定狀態(tài)) 。

5 　運(yùn)行情況

該項(xiàng)目于2003 年4 月動(dòng)工建設(shè),2003 年5 月土建及設(shè)備安裝完成。在培養(yǎng)細(xì)菌調(diào)試階段,進(jìn)水流量由小到大逐漸增加。為了確保該工程能真正達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。在使用單位的主持下,6 月4 日開始對(duì)進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。下面僅以COD、NH3 N 為例對(duì)其處理效果進(jìn)行分析說(shuō)明。

(1) COD 去除率(圖1)

圖1 膜生物反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果

從圖1 中可以看出,在開始運(yùn)行前幾天,由于微生物尚未充分生長(zhǎng),生物反應(yīng)器的COD 去除率較低。之后,隨著微生物的增殖,生物反應(yīng)器的COD 去除率逐步增加。反應(yīng)器在6 月4 日出水COD 為48 mg/ L ,去除率為8912 %。6 月5 日至6 月26 日的22 d 內(nèi)出水COD 很低,最高為29 mg/ L ,去除率為93 % ,最低可達(dá)4 mg/ L ,去除率高達(dá)99 %。從圖1 可以看到盡管系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)變化很大,進(jìn)水COD 濃度從350 mg/ L 變化到810 mg/ L ,但膜出水COD 濃度始終穩(wěn)定在30 mg/L 以下,滿足中水回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求?？梢娔?duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定出水起到了決定性作用。

(2) NH3 N 去除率(圖2)

圖2 膜生物反應(yīng)器對(duì)NH3-N的去除效果

從圖2 中看到NH3 N 的去除率開始時(shí)很低,這說(shuō)明在開始運(yùn)行的頭幾天系統(tǒng)基本上沒有硝化作用發(fā)生,也從側(cè)面說(shuō)明氨氮的去除主要靠生物反應(yīng)器中微生物的作用,膜對(duì)氨氮的截留作用很小。但以后幾天內(nèi)出水NH₃- N 都很低,最高為117 mg/ L ,去除率90 % ,最低為0 ,去除率為100 %。這說(shuō)明膜的分離作用可使世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化細(xì)菌逐漸在系統(tǒng)中積累,使廢水中的氨氮得以發(fā)生充分的硝化反應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,COD 和NH₃-N 的去除率都很高,可以看出MBR 具有較強(qiáng)的有機(jī)污染物的去除功能。

此外,其他測(cè)定指標(biāo)表明,出水無(wú)SS 和大腸桿菌檢出、無(wú)色無(wú)嗅,滿足《城市污水再生利用　城市雜用水水質(zhì)》( GB/ T18920 —2002) 標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目通過(guò)了當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的驗(yàn)收。

6 　膜的污染和清洗

筆者在跟蹤調(diào)查中發(fā)現(xiàn),在運(yùn)行4 個(gè)月后,MBR處理水量明顯減少,也就是膜通量開始下降。從有關(guān)工程實(shí)踐知道膜污染是MBR 運(yùn)行的必然結(jié)果。膜通量下降的原因大致有3 種:即纖維絲間淤積了大量的污泥,使得水分到達(dá)纖維絲表面要經(jīng)過(guò)很厚的污泥層,阻力加大而導(dǎo)致通量下降;膜表面形成的生物膜及溶解性有機(jī)物在膜表面形成的凝膠層使得膜堵塞;無(wú)機(jī)鹽Ca2 + 、Mg2 + 、Fe3 + 等對(duì)膜表面的堵塞。使用單位、設(shè)計(jì)會(huì)同設(shè)備廠家分析后認(rèn)為,跨膜阻力處于快速增長(zhǎng)的狀態(tài),決定進(jìn)行膜在線化學(xué)清洗。在線化學(xué)清洗是維護(hù)MBR 運(yùn)行的必要手段,有效的在線化學(xué)清洗不僅能保證不破壞膜絲的化學(xué)穩(wěn)定性,延長(zhǎng)膜絲的使用壽命,又可以充分恢復(fù)膜絲的過(guò)濾性能。方法是,首先關(guān)閉MBR ,停止曝氣和關(guān)閉出水泵閥門,把含3 ‰有效氯的次氯酸鈉溶液從膜組件的出水管逆向灌入。灌入時(shí),理論上要求每個(gè)組件應(yīng)單獨(dú)灌入,以保證盡可能少的次氯酸鈉進(jìn)入膜生物反應(yīng)器影響污泥活性。藥液量以2 L/ 5 m2 膜絲面積計(jì),灌入并保持浸泡2 h 后,開啟曝氣沖刷膜絲約015 h ,反沖洗完畢。在實(shí)際操作中,由于反沖洗藥液的出口到各個(gè)膜組件的距離基本相同,同時(shí)灌入與單獨(dú)灌入的效果相同,所以藥液并沒有單獨(dú)灌入。圖3 是在線化學(xué)反沖洗示意圖。

圖3 在線化學(xué)反沖洗示意圖

在線化學(xué)清洗完畢后,反應(yīng)器仍以1 m3/ h 的設(shè)計(jì)處理水量運(yùn)行,從實(shí)際在線清洗的效果看,經(jīng)過(guò)清洗跨膜阻力基本降低到了未受污染膜組件在相同通量下的跨膜阻力,達(dá)到了較好的清洗效果。清洗過(guò)程中廠家建議使用單位應(yīng)做好系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行,注意膜的日常維護(hù),運(yùn)行中可以采用空曝氣的方法減緩膜過(guò)濾阻力的上升,延長(zhǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。

7 　技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

7.1 　工程投資

本工程土建設(shè)施及設(shè)備的投資為1415 萬(wàn)元,生物膜投資為310 萬(wàn)元,總投資為1715 萬(wàn)元。

7.2 　運(yùn)行成本分析

MBR 的運(yùn)行成本主要由電費(fèi)、藥劑費(fèi)、折舊費(fèi)、人工費(fèi)(本項(xiàng)目日常維護(hù)人員為兼職故不考慮) 等部分組成。本工程鼓風(fēng)機(jī)和水泵的總耗電量為111kW·h/ m3 ,電費(fèi)按016 元/ ( kW·h) 計(jì),則運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電費(fèi)為0166 元/ m3 。藥劑費(fèi)主要是指膜組件化學(xué)清洗所消耗藥劑及出水消毒藥劑的費(fèi)用, 為0102元/ m3 。膜的折舊年限按5 年計(jì),折舊費(fèi)為30 000/(24 ×365 ×5) = 01685 元/ m3 。膜生物反應(yīng)器設(shè)備其他部分折舊年限按20 年計(jì),則折舊費(fèi)為145 000/ (24×365 ×20) = 0183 元/ m3 。

由于MBR 工藝自動(dòng)化程度高,占地少,在不考慮人工費(fèi)和占地費(fèi)用時(shí),水處理成本為上述4 項(xiàng)之和,因此得出單位水量處理成本為21195 元/ m3 。而該單位自來(lái)水水價(jià)為215 元/ m3 ,超過(guò)用水指標(biāo)的部分還要加倍收費(fèi)。顯然,MBR 工藝用于中水回用具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),同時(shí)可節(jié)省水資源,具有環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著膜制造技術(shù)的進(jìn)步,膜質(zhì)量的提高和膜制造成本的降低,MBR 的投資與運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)隨之大幅度降低。如聚乙烯中空纖維膜等新型膜材料的開發(fā)已使其成本有很大降低。據(jù)預(yù)測(cè),膜還有相當(dāng)大的降價(jià)空間,在未來(lái)的3～5 年內(nèi),隨著膜材料的改進(jìn)和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,膜價(jià)格有望降為目前的40 %～60 %。隨著膜性能的提高、使用壽命的延長(zhǎng)與膜價(jià)格的降低,MBR 的運(yùn)行費(fèi)用有望降低到110 元/ m3 左右。

7.3 　環(huán)境效益分析

出水水質(zhì)指標(biāo)通過(guò)驗(yàn)收并正式投入中水綠化回用,每年可減少COD 排放315 t ,減少BOD 排放212 t 。

7.4 　與傳統(tǒng)中水處理工藝

(二級(jí)生物處理加混凝、沉淀、過(guò)濾) 進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較(表2)

8 　結(jié)語(yǔ)

(1) 膜生物反應(yīng)器用膜生物裝置將傳統(tǒng)污水處理的曝氣池與二沉池合二為一,不僅節(jié)省了用地面積,且能高效地進(jìn)行固液分離,其分離效果好于傳統(tǒng)的沉淀池,出水懸浮物和濁度接近于零,出水水質(zhì)良好,達(dá)到回用水質(zhì)在技術(shù)上是可行的,實(shí)現(xiàn)了污水資源化。

(2) 膜的高效截流作用有利于在生物反應(yīng)器內(nèi)維持高濃度的微生物量, 實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器水力停留時(shí)間(HRT) 和污泥齡(SRT) 的完全分離,使得運(yùn)行控制靈活穩(wěn)定。

(3) 膜生物反應(yīng)器由于泥齡可以非常長(zhǎng),從而極大地提高了難降解有機(jī)物的降解效率。反應(yīng)器在高容積負(fù)荷,低污泥負(fù)荷,長(zhǎng)泥齡下運(yùn)行,剩余污泥產(chǎn)量較少。

(4) 膜生物反應(yīng)器用于處理生活污水實(shí)現(xiàn)回用,其基建費(fèi)用較低,能耗與傳統(tǒng)中水處理工藝相差不多,在經(jīng)濟(jì)上是可以接受的。

(5) 存在的不足是,增加了曝氣等動(dòng)力設(shè)備,從而增加了運(yùn)行費(fèi)用,并需定期檢查維修;又因存在膜的污染問(wèn)題,導(dǎo)致運(yùn)行一段時(shí)間后產(chǎn)水量降低,給操作管理也帶來(lái)不便。今后需在清洗方法和盡可能延長(zhǎng)膜絲壽

命方面加以改進(jìn)。

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