膜生物反應器在鐵路單位生活污水處理中的應用
目前,鐵路沿線單位大量分散的生活污水未能有效處理,對周圍環境及水體產生了不良影響。隨著我國水資源保護工作力度的加大,地方各級環保部門對鐵路沿線生活污水的排放要求也越來越高,生活污水處理問題變得十分迫切。在飲用水源保護區,環保部門要求做到零排放(即要求中水回用) 。針對現在生活污水處理裝置多,實際處理效果不明顯的情況下,設計過程中筆者通過實地考察,聽取使用單位意見,嘗試使用膜生物反應器處理生活污水,實現中水回用,取得了一些經驗。膜生物反應器(簡稱MBR) 是一將膜技術與污水生物處理技術相結合而成的新型水處理裝置,結合工程實例介紹膜生物反應器的應用情況。
1 工程概況
杭州鐵路分局某單位位于錢塘江中上游。該地區市政污水管網未到位,改造前該單位污水經化糞池處理后排入水體。出于對錢塘江水體的保護,當地環保部門要求其生活污水必須經處理達到《城市污水再生利用 城市雜用水水質標準》( GB/ T18920 —2002) 后作為綠用水,實現中水回用,做到零排放。根據該單位的實際情況,設計經比較后決定采用一體式膜生物反應器處理其生活污水。
現單位人數為120 人,生活污水來源于廁所、食堂、浴室等場所。按每人每天用水量250 L 考慮,污水排放系數取018 ,則污水日排放量為Q = 24 m3/ d ,設計平均時處理水量為Q = 110 m3/ h 。選用日處理25m3/ d的反應器,考慮到建設用地緊張,選型時采用埋地式,這樣上部可以種植花木或草坪,進一步美化環境。進水水質設計參數見表1 。
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2 工藝流程
工藝流程為:原水→粗細格柵間→調節池→一體式MBR →清水池→出水。
生活污水經過化糞池預處理,含油食堂污水經隔油池預處理,經過格柵去除大顆粒雜物后首先進入調節池調節水質和水量,然后被提升至膜反應器后與活性污泥充分混合,通過微生物的新陳代謝活動使污水得以凈化。反應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部形成壓力差,并依靠該推動力實現污水和水的分離,清水透過膜流出;濃縮液被送回反應器,參與下一個循環或經循環泵提速后再進入膜組件。
3 主要構筑物及設備
(1) 調節池
調節池為鋼筋混凝土結構,經格柵處理后的污水進入調節池。調節池用于調節水量和水質變化,使污水能較均勻地進入后續處理單元,提高整個系統的抗沖擊能力,并減少處理單元的設計規模。調節池的污水通過提升泵進入膜生物反應器。
(2) 曝氣池
曝氣池采用Q235 防腐鋼結構,調節池的污水經=提升進入曝氣池,污水中的大部分有機物在此得到降解和凈化。在這里好氧菌以污水中的有機物為食料,將其分解成無機鹽類,從而達到凈化的目的。
(3) 消毒裝置
本工藝消毒采用自吸式自動消毒器,采用氯片消毒。
4 膜組件的設計及選用
有關研究表明:在0103～014 μm 孔徑范圍內不同孔徑的膜對COD 的截留率及系統的COD 去除率的影響很小,非溶解性的物質及溶液中的大分子物質可以為膜截留,而溶解性的物質主要依靠吸附作用被截留。因此,在膜的孔徑沒有小到足以直接截留溶液中的溶解性物質之前,膜的孔徑不會對其COD 截留率產生大的影響。綜上所述,小孔徑膜并不能顯著增加COD 的截留率,但膜孔的堵塞過程很快,在一定程度上縮短了膜的運行周期。因此,在不需要截留污水中比較小的成分的情況下,在一定的范圍內選擇孔徑比較大的膜是有益的。
本設計中膜的通量F 取值是011 m3/ (m2·h) (膜孔徑為011μm) ;運行周期為3～5 周。使用的膜分離單元是采用針對污廢水處理而開發的聚丙烯中空纖維膜。聚丙烯中空纖維膜組件按規定的間隔安裝在反應器內,考慮到中空纖維膜的維護,設計成從上方拉出方式,一個單元的濾過面積是16 m2 。選用膜的技術參數如下。
膜材料 聚丙烯;
膜內徑 320～350μm ;
膜壁厚 40～50μm ;
膜孔徑 011μm ;
透氣率 > 710 ×10 - 2 (cm3/ s) ;
縱向強度 120 MPa ;
孔隙率 40 %～50 %;
產水量 10 L/ (h·m2) (穩定狀態) 。
5 運行情況
該項目于2003 年4 月動工建設,2003 年5 月土建及設備安裝完成。在培養細菌調試階段,進水流量由小到大逐漸增加。為了確保該工程能真正達到設計預期的效果。在使用單位的主持下,6 月4 日開始對進出水水質進行測定。下面僅以COD、NH3 N 為例對其處理效果進行分析說明。
(1) COD 去除率(圖1)
 圖1 膜生物反應器對COD的去除效果 |
從圖1 中可以看出,在開始運行前幾天,由于微生物尚未充分生長,生物反應器的COD 去除率較低。之后,隨著微生物的增殖,生物反應器的COD 去除率逐步增加。反應器在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 內出水COD 很低,最高為29 mg/ L ,去除率為93 % ,最低可達4 mg/ L ,去除率高達99 %。從圖1 可以看到盡管系統進水水質變化很大,進水COD 濃度從350 mg/ L 變化到810 mg/ L ,但膜出水COD 濃度始終穩定在30 mg/L 以下,滿足中水回用水質標準的要求。可見膜對系統的穩定出水起到了決定性作用。
(2) NH3 N 去除率(圖2)
 圖2 膜生物反應器對NH3-N的去除效果 |
從圖2 中看到NH3 N 的去除率開始時很低,這說明在開始運行的頭幾天系統基本上沒有硝化作用發生,也從側面說明氨氮的去除主要靠生物反應器中微生物的作用,膜對氨氮的截留作用很小。但以后幾天內出水NH3- N 都很低,最高為117 mg/ L ,去除率90 % ,最低為0 ,去除率為100 %。這說明膜的分離作用可使世代時間較長的硝化細菌逐漸在系統中積累,使廢水中的氨氮得以發生充分的硝化反應。整個系統運行穩定后,COD 和NH3-N 的去除率都很高,可以看出MBR 具有較強的有機污染物的去除功能。
此外,其他測定指標表明,出水無SS 和大腸桿菌檢出、無色無嗅,滿足《城市污水再生利用 城市雜用水水質》( GB/ T18920 —2002) 標準。該項目通過了當地環保部門的驗收。
6 膜的污染和清洗
筆者在跟蹤調查中發現,在運行4 個月后,MBR處理水量明顯減少,也就是膜通量開始下降。從有關工程實踐知道膜污染是MBR 運行的必然結果。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,使得水分到達纖維絲表面要經過很厚的污泥層,阻力加大而導致通量下降;膜表面形成的生物膜及溶解性有機物在膜表面形成的凝膠層使得膜堵塞;無機鹽Ca2 + 、Mg2 + 、Fe3 + 等對膜表面的堵塞。使用單位、設計會同設備廠家分析后認為,跨膜阻力處于快速增長的狀態,決定進行膜在線化學清洗。在線化學清洗是維護MBR 運行的必要手段,有效的在線化學清洗不僅能保證不破壞膜絲的化學穩定性,延長膜絲的使用壽命,又可以充分恢復膜絲的過濾性能。方法是,首先關閉MBR ,停止曝氣和關閉出水泵閥門,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,理論上要求每個組件應單獨灌入,以保證盡可能少的次氯酸鈉進入膜生物反應器影響污泥活性。藥液量以2 L/ 5 m2 膜絲面積計,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。在實際操作中,由于反沖洗藥液的出口到各個膜組件的距離基本相同,同時灌入與單獨灌入的效果相同,所以藥液并沒有單獨灌入。圖3 是在線化學反沖洗示意圖。
 圖3 在線化學反沖洗示意圖 |
在線化學清洗完畢后,反應器仍以1 m3/ h 的設計處理水量運行,從實際在線清洗的效果看,經過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,達到了較好的清洗效果。清洗過程中廠家建議使用單位應做好系統的啟動運行,注意膜的日常維護,運行中可以采用空曝氣的方法減緩膜過濾阻力的上升,延長穩定運行時間。
7 技術經濟性分析
7.1 工程投資
本工程土建設施及設備的投資為1415 萬元,生物膜投資為310 萬元,總投資為1715 萬元。
7.2 運行成本分析
MBR 的運行成本主要由電費、藥劑費、折舊費、人工費(本項目日常維護人員為兼職故不考慮) 等部分組成。本工程鼓風機和水泵的總耗電量為111kW·h/ m3 ,電費按016 元/ ( kW·h) 計,則運轉所需的電費為0166 元/ m3 。藥劑費主要是指膜組件化學清洗所消耗藥劑及出水消毒藥劑的費用, 為0102元/ m3 。膜的折舊年限按5 年計,折舊費為30 000/(24 ×365 ×5) = 01685 元/ m3 。膜生物反應器設備其他部分折舊年限按20 年計,則折舊費為145 000/ (24×365 ×20) = 0183 元/ m3 。
由于MBR 工藝自動化程度高,占地少,在不考慮人工費和占地費用時,水處理成本為上述4 項之和,因此得出單位水量處理成本為21195 元/ m3 。而該單位自來水水價為215 元/ m3 ,超過用水指標的部分還要加倍收費。顯然,MBR 工藝用于中水回用具有明顯的競爭優勢,同時可節省水資源,具有環境效益和經濟效益。隨著膜制造技術的進步,膜質量的提高和膜制造成本的降低,MBR 的投資與運行費用也會隨之大幅度降低。如聚乙烯中空纖維膜等新型膜材料的開發已使其成本有很大降低。據預測,膜還有相當大的降價空間,在未來的3～5 年內,隨著膜材料的改進和生產規模的擴大,膜價格有望降為目前的40 %～60 %。隨著膜性能的提高、使用壽命的延長與膜價格的降低,MBR 的運行費用有望降低到110 元/ m3 左右。
7.3 環境效益分析
出水水質指標通過驗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 與傳統中水處理工藝
(二級生物處理加混凝、沉淀、過濾) 進行技術經濟比較(表2)
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8 結語
(1) 膜生物反應器用膜生物裝置將傳統污水處理的曝氣池與二沉池合二為一,不僅節省了用地面積,且能高效地進行固液分離,其分離效果好于傳統的沉淀池,出水懸浮物和濁度接近于零,出水水質良好,達到回用水質在技術上是可行的,實現了污水資源化。
(2) 膜的高效截流作用有利于在生物反應器內維持高濃度的微生物量, 實現反應器水力停留時間(HRT) 和污泥齡(SRT) 的完全分離,使得運行控制靈活穩定。
(3) 膜生物反應器由于泥齡可以非常長,從而極大地提高了難降解有機物的降解效率。反應器在高容積負荷,低污泥負荷,長泥齡下運行,剩余污泥產量較少。
(4) 膜生物反應器用于處理生活污水實現回用,其基建費用較低,能耗與傳統中水處理工藝相差不多,在經濟上是可以接受的。
(5) 存在的不足是,增加了曝氣等動力設備,從而增加了運行費用,并需定期檢查維修;又因存在膜的污染問題,導致運行一段時間后產水量降低,給操作管理也帶來不便。今后需在清洗方法和盡可能延長膜絲壽
命方面加以改進。
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