曝氣系統(tǒng)的開發(fā)成為MBR技術(shù)的重要方面。增加有效的清洗，來減少無效的大量的曝氣。間歇出水即用空曝氣的手段成為控制膜污染共識，盡管在實驗室及小試中多次被研究與推薦，但是在大系統(tǒng)中可行性不大。但不良的自凈效果，及增加了斷絲率及對膜的傷害。另外在電耗成本中其占了高達95%以上，高于常規(guī)的處理方法�？掌貧獾姆椒霸黾悠貧饬康姆椒�，會增加影響成本較強的氣水比因子。

水資源與環(huán)境問題日益受到人類社會的重視。政治、道德及科學(xué)技術(shù)都在力圖控制與全面解決水問題的嚴重惡化問題。我國在近幾年投入將高達上千億的資金來達到環(huán)保目標，在2010年水處理率不低于60%。污水再生回用成為解決水問題的關(guān)鍵[1]。北京的污水回用率要達到50%，最近我國部份城市水價調(diào)整，鼓勵使用中水，為污水再生回用提供了良好的市場發(fā)展空間。但傳統(tǒng)污水再生處理技術(shù)存在著出水質(zhì)量不高，占地大，穩(wěn)定性差，另外大型處理廠存在設(shè)備與運行的資金短缺問題，二級處理廠達到回用標準要增加設(shè)備成本，如輸送回用水的泵房、管線要增加新設(shè)備、空間等。所以在短期這些技術(shù)都不能完全滿足我國對環(huán)境治理的要求[2]。膜技術(shù)的快速發(fā)展，特別是MBR技術(shù)在近3年內(nèi)得到了突破性的應(yīng)用發(fā)展，為污水再生回用的實現(xiàn)帶來了光明的前景[3]。出水質(zhì)量高，能夠直接由一級污水直接達到回用水標準，其后與反滲透（RO）可以達到更高的工藝用水與飲用水要求[4]。占地小或不占地，自動程度高，方便舊廠升級改造，也靈活的滿足中小處理需求。2000年MBR處理污水最大規(guī)模僅在幾千噸/天，而2003年達到幾萬噸/天。應(yīng)用主要集中在生化性好、有回用經(jīng)濟效益的城市生活污水[5]；工藝以運行成本相對要低得多的一體式（也叫沉浸式或淹沒式）膜生物反應(yīng)器有氧活性污泥法為主；使用的膜代表品種之中，中空纖維聚偏氟乙烯（PVDF）有出水量大，抗污染性能強，化學(xué)穩(wěn)定性好的特點。在我國僅局限于實驗室階段，且大多局限于生物方面。而搞膜材料的研究相對很少，膜技術(shù)與MBR技術(shù)相對成熟能產(chǎn)業(yè)化的就更少了。在工業(yè)應(yīng)用方面，使用國產(chǎn)膜的工程規(guī)模最大僅為幾百噸/天，國外膜雖然價格高，為國產(chǎn)膜的2~3倍，但是工藝成熟穩(wěn)定，主要掌握MBR技術(shù)的國外大公司即將全面占領(lǐng)國內(nèi)市場。[6]所以本文以國產(chǎn)中空纖維膜沉浸式膜生物反應(yīng)器處理生活污水為研究對象，來全面闡述膜生物反應(yīng)器在處理污水再生回用中的工程實現(xiàn)與優(yōu)化。實現(xiàn)在中國現(xiàn)有國情條件下，最大可能性的解決水資源與環(huán)境問題，為國家建設(shè)提供強有力的技術(shù)支持。本項目的示范作用為國產(chǎn)MBR技術(shù)的成熟與推廣有重要意義。

1、工程概況：

本文以中直苗圃MBR項目為例。北京中直苗圃是一個旅游療養(yǎng)地，接待能力為1000個床位，季節(jié)性波動性較大。最少時冬季為100噸/天，在夏季則受人口及雨水影響，水量最高高在500~800噸/天。另外，院內(nèi)有200畝的綠化地。在處理前采用地下水及集水池補水，用量大，且生活污水沒有利用。經(jīng)論證采取了MBR污水再生技術(shù)，使水達到回用于景觀綠化的目的。

天津工業(yè)大學(xué)充分發(fā)揮在中空纖維膜技術(shù)的優(yōu)勢，在經(jīng)過小試及國內(nèi)數(shù)十個MBR項目的應(yīng)用實踐基礎(chǔ)上，全部采用國產(chǎn)化設(shè)備技術(shù)，獨立設(shè)計建承。

2、工藝過程

2.1 工藝流程

污水再生系統(tǒng)包括以下幾個部份

1）、電器自控系統(tǒng)：PLC，變頻器、電控閥門、液位記。

2）、生化處理系統(tǒng)：調(diào)節(jié)池，水解酸化池、曝氣池、產(chǎn)水池。

3）、膜系統(tǒng)：膜架，簾式膜、在線氣水洗、曝氣系統(tǒng)、在線化洗、離線清洗部份。

2.2主要構(gòu)筑件、設(shè)備及工藝參數(shù)

1）、調(diào)節(jié)池：長寬高為9×9×4m，有效體積300m3，停留時間為15h.

水解池：長寬高為8×4×4m，有效體積100m3，停留時間為5h.

曝氣池：長寬高為9×2.5×2.4m，有效體積42m3，3 個并聯(lián)，停留時間為6h

產(chǎn)水池：長寬高為7×8×2m，有效體積100m3，停留時間為5h

清洗池：長寬高為1.6×1.2×2m，有效體積3m3

總占用面積：260平方米

2）、二氧化氯發(fā)生器：H99-300 山東華特

三葉羅茨風(fēng)機：SSR125 P=7.5KW 3臺，  山東章晃

潛水泵：調(diào)節(jié)池出水泵：SSP-51.5~80；水解池出水泵：SSP-50.4~60; 3臺；清洗池出水泵：SSP-50.4~60；應(yīng)急泵：SSP-51.5~80;產(chǎn)水池出水泵：SSP-51..5~80，GSD公司

污水泵：曝氣池出水泵：WB70/090  3臺; 清洗泵：WB70/075 ; 廣東陽江新粵華

加上照明、加藥與吊車等總裝機容量為43KW

膜：FR，膜內(nèi)/外徑為35/25mm，絲根數(shù)：總面積：產(chǎn)水量清水：截留分子量為20萬，最大孔徑：0.2μm  產(chǎn)地 天津工業(yè)大學(xué)膜天膜公司.

膜架：長寬高為1020×700×1300mm，8個簾式膜容量，含清洗曝氣系統(tǒng)，產(chǎn)地：天津工業(yè)大學(xué)膜天膜公司.

3）、臨界通量為10~40L/M2..H根據(jù)體水質(zhì)情況而定，設(shè)計通量在10 L/M2。在臨界通量進行恒流量控制; 氣水比為15：1~20：1 ；酸化池DO值為小于1mg/l， 曝氣池DO值 5~8mg/l；連續(xù)進水，間歇出水，抽吸泵開13分鐘停1分鐘；總污泥含量大于8000mg/l，要向酸化池中排泥。

當(dāng)壓力表在最低液面時，清水泵口真空表真空度大于30Kpa，進行在線物理水氣清洗。物理水氣清洗的周期間隔小于2周時，進行在線化學(xué)清洗；當(dāng)在線化學(xué)清洗周期小于1個月時，采用離線清洗。

2.3設(shè)計特點

1)、電氣系統(tǒng)、生化系統(tǒng)、膜系統(tǒng)三部分相互之間有關(guān)聯(lián)，但是加工安裝有獨立性，方便于模塊化成套性工業(yè)推廣，施工調(diào)試期短。其應(yīng)用可以采用階段性開車，由于膜架成為最小的處理單元，所以不涉及工程的放大問題，并且有助于在初步的試運行階段通過較少的膜作為試車風(fēng)險，來獲得更加可靠穩(wěn)定的運行參數(shù)。

2)、采用造價較低的傳統(tǒng)的水解酸化-有氧活性污泥法，但在參數(shù)的設(shè)計中體現(xiàn)了MBR的特殊性。為了增加水解酸化的效果及減少給水波動性的影響，加大了水解池體積。

3)、PLC電路高度自控，無人值守。變頻器可以節(jié)約曝氣能耗�？梢愿鶕�(jù)不同的進水水質(zhì)與產(chǎn)水的不同需求在不增加設(shè)備的情況下，軟件化調(diào)節(jié)。

4）、經(jīng)濟有效的清洗系統(tǒng)保證了膜的長時間節(jié)能運行。在線氣水洗有高效與環(huán)保上的意義，新型射流技術(shù)的應(yīng)用，增加了清洗效果并使用水量與時間都減少，使占有一體膜生物反應(yīng)器運行能耗近90%的曝氣能耗得以下降。另外，在線化洗減少操作強度，解決了強度不高的PVDF膜的斷絲問題。對于長期所發(fā)生的較為嚴重的污染，進行離線清洗，膜架堆設(shè)計方便了膜的取放，提高了膜的清洗效率。

5）、整個工程為地下室，上面為景觀假山綠地，體現(xiàn)了美學(xué)意義。清洗用水都來自于膜產(chǎn)水。在線化學(xué)清洗用量少，給環(huán)境帶來的污染小，離線化學(xué)清洗用藥量少，是重復(fù)使用，最終廢液中和后，間歇的排入到調(diào)節(jié)池，并通過生化得以處理。膜生物反應(yīng)器的高濃度污泥，使排泥量少，曝氣池量的污泥可以排到水解酸化池中，增加了水解酸化效果。最終，生成的無機物污泥，一年或更長的時間由排污車排除，作為肥料供給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。使污水處理廠自身也清潔生產(chǎn)，實現(xiàn)O排放。

3 處理效果

工程經(jīng)過1個月的調(diào)試和污泥的培養(yǎng)，投入正常運行6個月。運行比較穩(wěn)定。 雖然受到雨水的影響，但是污泥中一直有較好的生物相，以出水中的氨氮、總磷、COD、SS以及膜出水泵的真空度作MBR系統(tǒng)的監(jiān)控指標。出水在不同時期多次抽測分析，所有指標都優(yōu)于《城市污水再生利用—城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920-2002）。除總磷外，出水水質(zhì)可完全滿足《城市污水再生利用—景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/18920-2002）.此期間沒有進行化學(xué)清洗，沒有明顯污染衰減。沒有進行排泥。

4、主要經(jīng)濟技術(shù)指標及經(jīng)濟效益分析及優(yōu)化

4.1 水成本的分析

為了全面分析MBR工程系統(tǒng)的各種運行參數(shù)及設(shè)計條件對工程處理效果的影響情況，本文以單位水處理成本V元/m3作為工程評價的目標參數(shù)，并以本系統(tǒng)試運行參數(shù)為依據(jù)，對事故停車率、在線水洗時間、空曝氣清洗時間、膜壽命、氣水比、膜價格、膜產(chǎn)水通量進行了全面的分析優(yōu)化。計算過程利用數(shù)學(xué)軟件進行了運算。計算程序參考相關(guān)文獻。水電費人工等參數(shù)以北京地區(qū)為準，通過在設(shè)定其它參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，對單一因素作分析計算，得到各數(shù)據(jù)進作圖數(shù)據(jù)分析，得到的直線回歸方程即得到了V=KX+B V，V為產(chǎn)水成本，單位為元/m3;X代表各影響因子。如下表 1中所示。

表1各種技術(shù)經(jīng)濟條件對MBR水成本的影響回歸方程參數(shù)表

 
4.2 敏感性分析

為了研究對各因素X對水成本V的影響情況，本文采取了投資項目評價中的敏感性分析。對各種不同單位的影響因素的變化都會引起水成本的一定變化，但是其影響程度卻各不相同。有些因素可能僅發(fā)生了較小的變化就能引起水成本指標發(fā)生大的變動，而另外一些因素即使發(fā)生了很大的變動，水成本影響也不是很大。前一類因素稱為敏感因素。

跟據(jù)上面的參數(shù)，設(shè)定不確定因素變化率Δxi分±30%，±20%，±10%間變化，將得到的Xit代入各自的回歸方程得到值Vxjt與ΔVxj，然后對其作圖，如下圖1 ，Δxi與ΔVxj的斜率slope(ΔXj，ΔVxj)就是敏感系數(shù)β。它反映了變量因素敏感程度的一個指標。最大者為最關(guān)鍵因素。

在上述理想條件分析中，不考慮各種條件之間的相關(guān)影響，即清洗及曝氣等對膜壽命的影響均未考慮，另外由于水成本中泵能耗的比例較小，所以也忽略了膜污染對泵能耗增加所產(chǎn)生的影響。另外其它運行情況僅以本系統(tǒng)為例，其它水電費等參數(shù)以北京地區(qū)為準。認為此工藝條件下，膜生物反應(yīng)器的各種影響產(chǎn)水成本的因素中，相對大小為：停車率<在線水洗<空曝氣清洗<氣水比<膜壽命<膜價格<膜產(chǎn)水通量。膜是關(guān)鍵因素，膜的產(chǎn)水能量是最為關(guān)鍵因素，直接決定著MBR制水成本的大小 。這與相關(guān)報道一致，但是更為深入而細致。達到了優(yōu)化工藝的目的。

5、討論與改進

1）、膜的出水量及價格及壽命成為控制成為的主要因素。膜產(chǎn)水通量是最主要的影響因子。又要同時兼顧膜的使用壽命。與其這些有關(guān)的各種因素都會可能成為降低成本的有益控制手段。相反則要避免，即使在短期可以降低在成本。要以最終的工程壽命期水成本為控制參數(shù)，實現(xiàn)膜的長期有效使用，才有可使工程最經(jīng)濟有效。在壽命2年以上的價格小于200元的國產(chǎn)膜會在水成本上有優(yōu)勢。國外膜如壽命小于5年則其在價格不應(yīng)高于300元，才有優(yōu)勢。PVDF膜較PP或PE膜在膜通量上有優(yōu)勢，這是其流行的一個重要原因，但其膜強度要差一些。合理的曝氣及清洗會使PVDF膜可能有較小的制水成本。

2）、曝氣系統(tǒng)的開發(fā)成為MBR技術(shù)的重要方面。增加有效的清洗，來減少無效的大量的曝氣。間歇出水即用空曝氣的手段成為控制膜污染共識，盡管在實驗室及小試中多次被研究與推薦，但是在大系統(tǒng)中可行性不大。但不良的自凈效果，及增加了斷絲率及對膜的傷害。另外在電耗成本中其占了高達95%以上，高于常規(guī)的處理方法。空曝氣的方法及增加曝氣量的方法，會增加影響成本較強的氣水比因子�？磥矸椒ǹ尚行圆淮�。本系統(tǒng)在長期低COD進水（小于100），連續(xù)出水及時在線水洗，沒有發(fā)生膜的能量下降。間歇出水方式能多大程度上緩解膜的污染，及對膜的壽命的到底為多大還有待于研究。

3）、清洗水量對產(chǎn)水成本影響小，在實際之中又發(fā)現(xiàn)膜對于每次清洗都可以使水的抽吸壓力下降3~5Kpa，且在線物理清洗方便可行，強度小。適合我國國情�？梢酝ㄟ^此方法可以增加膜的壽命，與膜的通量，來降低工程產(chǎn)水成本。又可以減少損害大的、不方便的化學(xué)清洗。這樣能通過可以從上文看出都可以大大減少水成本。要提高對膜的清洗效果，設(shè)計安全可靠又不傷膜的清洗噴槍是關(guān)鍵。

 4）、系統(tǒng)的穩(wěn)定性對水成本影響不大，維護停車在成本上不會增加太多。通常大于8000小時的運行時間就可以了。雖然在土建上增加了費用，但是由于土建費用在成本中占的比例不大所以這是可行的。這也有利于國產(chǎn)膜的推廣。

5）、膜生物反應(yīng)器的水處理工程，回用為目的，在現(xiàn)行水電及利率等情況下有很好的推廣價值�？梢栽谶\行期內(nèi)收回投資并取得經(jīng)濟效益。成本在2元左右，投資回報期為4~5年。

6）、反應(yīng)器對如果要達到景觀用水，要進行脫磷處理，要在前面增加化學(xué)除磷。

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