摘要：在中試的基礎(chǔ)上，提出了膜--生物反應(yīng)器工藝設(shè)計(jì)的基本原則、方法、步驟。以某居民小區(qū)的中水回用為目標(biāo)進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)計(jì)算，并探討了該工藝的運(yùn)行能耗及固定投資。
關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器 城市污水 工藝設(shè)計(jì)
膜——生物反應(yīng)器( Membrance Bioreactor，簡稱MBR)是膜分離與生物處理技術(shù)組合而成的廢水生物處理新工藝［１］,具有對有機(jī)污染物去除效率高、出水水質(zhì)好、流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在廢水回用與資源化領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景［3～6］。至今國內(nèi)外尚無MBR工藝放大設(shè)計(jì)的成熟經(jīng)驗(yàn)和理論，設(shè)計(jì)手冊中亦無此實(shí)例可資參考。因此，探討MBR工藝放大設(shè)計(jì)具有十分重要的工程意義。
1 工藝設(shè)計(jì)基本原則
1.1MBR工藝流程
MBR工藝流程如圖1所示。進(jìn)水由提升泵提升至生物反應(yīng)器后與活性污泥充分混合，通過微生物的新陳代謝活動使廢水得以凈化。生物反應(yīng)器的混合液則經(jīng)加壓泵加壓后，送入膜組件實(shí)現(xiàn)液固分離，清水透過膜流出；濃縮液被送回生物反應(yīng)器，參與下一個循環(huán)或經(jīng)循環(huán)泵提速后再進(jìn)入膜組件。
1.2 放大設(shè)計(jì)的基本原則
在近三年的中試規(guī)模試驗(yàn)研究期間，對MBR工藝流程各組成單元運(yùn)行特性的考察表明：MBR工藝的放大設(shè)計(jì)應(yīng)主要包括生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)選取、泵系統(tǒng)選擇、膜組件選擇等幾個方面。
?、?生物反應(yīng)器參數(shù)的選取。大量試驗(yàn)研究顯示：采用MBR工藝處理城市污水，污泥負(fù)荷、體積負(fù)荷已不再是制約處理效果的重要指標(biāo)［2］。根據(jù)中試運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),可將水力停留時間HRT、污泥停留時間SRT作為MBR工藝生物反應(yīng)器單元的設(shè)計(jì)依據(jù)，因?yàn)檫@樣不僅能確保工藝操作的長期穩(wěn)定性，而且能簡化設(shè)計(jì)過程。
?、?泵系統(tǒng)選擇。MBR工藝中加壓泵的特點(diǎn)是揚(yáng)程高、流量??；而循環(huán)泵則要求揚(yáng)程低、流量大。考慮到加壓泵和循環(huán)泵并聯(lián)工作的需要，兩種泵的揚(yáng)程必須相等，即H2=H3。泵流量的選擇，則只需達(dá)到膜組件對設(shè)計(jì)膜面流速的要求即可。在此前提下，為節(jié)能起見，循環(huán)泵的流量宜大一些，而加壓泵的流量宜小一些(至少應(yīng)滿足Q2＞Q)。
?、?膜組件選取。膜組件是MBR工藝的關(guān)鍵組成單元，它的選擇對MBR工藝的運(yùn)行具有決定性的作用。研究表明：以回用為目的的城市污水生物處理應(yīng)優(yōu)先選用超濾膜組件［2］。膜通量是膜組件設(shè)計(jì)中最重要的技術(shù)參數(shù)之一。當(dāng)處理能力一定時，設(shè)計(jì)選擇的膜通量越高，所需的膜面積就越小，膜組件部分的固定投資就越少；但另一方面，MBR工藝的運(yùn)行周期也就會越短，從而增加膜組件清洗的次數(shù)和費(fèi)用。因此，在具體的放大設(shè)計(jì)中應(yīng)兼顧工藝的運(yùn)行周期和膜組件的固定投資兩個方面。設(shè)計(jì)運(yùn)行周期一般不小于3周。
2 放大設(shè)計(jì)方法與步驟
2.1 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)
從中試結(jié)果來看：當(dāng)進(jìn)水COD為50～2 234 mg/L，SS為80～1 327 mg/L，HRT在2.0～5.0 h范圍內(nèi)時，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及對污染物的處理效果均較好。SRT的選取則相對靈活得多，例如根據(jù)硝化的需要可選用一個較長的SRT。
生物反應(yīng)器中微生物濃度X(即污泥濃度)的理論計(jì)算公式［2］如下：
(1)
式中 Ci--- 進(jìn)水COD濃度
Ce--- 出水COD濃度
Csup --- 污泥上清液COD濃度
MBR工藝的生物反應(yīng)器宜設(shè)計(jì)成完全混合式，其形狀可根據(jù)具體情況選用，相應(yīng)尺寸亦很容易確定。這里以圓形生物反應(yīng)器為例進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)采用生物反應(yīng)器n3座(考慮工程實(shí)際，n3≥2)，有效水深為h，則每座生物反應(yīng)器的直徑為：
D=((4×V)/(n3×h×π))0.5 (2)
式中 V --- 生物反應(yīng)器體積
2.2 膜組件設(shè)計(jì)
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果［2］,建議超濾膜的通量F取0.1～0.2 m3/(m2·h)(膜孔徑為450 nm)，設(shè)計(jì)運(yùn)行周期則為3～5周。所需膜組件的有效面積為：
A=Q/F (3)
若已知膜組件制造廠家給定的基本參數(shù)，可容易地計(jì)算出所需的膜組件數(shù)：
N=A/A0 (4)
式中 A --- 膜組件的有效面積
A0 --- 單個膜組件的有效面積
進(jìn)而，可利用式(5)求出膜組件通道的總橫截面積：
A截＝N×n1×n2×π×(d/2)2 (5)
2.3 曝氣裝置設(shè)計(jì)
為有效利用高速循環(huán)的污泥混合液的能量，建議采用射流曝氣裝置進(jìn)行曝氣，具體可參閱《給水排水設(shè)計(jì)手冊》第5冊。一般，射流曝氣器的工作壓力在98～196 kPa,建議回流流量 Qr 取 2Q。
2.4 選泵計(jì)算
提升泵的選擇較為簡單，只需滿足設(shè)計(jì)流量Q、提升高度 H1 即可，可直接查《給水排水設(shè)計(jì)手冊》第11冊進(jìn)行選泵。流經(jīng)膜面的總流量 Qt 則可由最小膜面流速與膜組件橫截面積的乘積來計(jì)算，而最小膜面流速和生物反應(yīng)器中的污泥濃度線性相關(guān)［2］。
從圖1中的流量平衡關(guān)系可知，流經(jīng)膜面的總流量 Qt 等于加壓泵與循環(huán)泵的流量之和。加壓泵揚(yáng)程 H2 的選擇非常重要，必須能夠滿足膜組件過濾操作對壓力的需要以及整個系統(tǒng)管路的沿程、局部水頭損失。根據(jù)中試經(jīng)驗(yàn)，加壓泵的揚(yáng)程H2≥147.1 kPa即可。為達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的，加壓泵流量的選擇應(yīng)盡量小并使運(yùn)行工況盡可能在最佳狀態(tài)。如果考慮到射流曝氣的需要，加壓泵的流量須滿足：
Q2≥Qr+Q (6)
若不考慮射流曝氣的需要，在實(shí)際MBR工藝的運(yùn)行中則只須：
Q2≥Q (7)
選泵時可參考泵生產(chǎn)廠家給定的技術(shù)參數(shù)，使Q2大于Q有一個余量，確保工藝長期穩(wěn)定的運(yùn)行。
循環(huán)泵流量Q3等于流經(jīng)膜面的總流量和加壓泵流量Q2之差(由于循環(huán)、加壓泵并聯(lián)工作)。
2.5 污泥負(fù)荷、體積負(fù)荷校核
MBR工藝的污泥負(fù)荷比普通活性污泥法略低，而體積負(fù)荷則是普通活性污泥法的數(shù)倍。換句話說，與普通活性污泥法相比，這種工藝不僅對污染物去除效率高，而且占地面積可以很小。
3 放大設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例
3.1 基本設(shè)計(jì)資料
① 設(shè)計(jì)流量
模擬設(shè)計(jì)以北京西北郊某居民小區(qū)的中水回用為目標(biāo)，設(shè)計(jì)服務(wù)人口為2.5萬人?？紤]到公共建筑及服務(wù)設(shè)施用水，用水指標(biāo)取為200 L/(人·d )。
擬采用MBR工藝進(jìn)行處理并回用，故障檢修時則將全部或部分污水排入城市污水收集系統(tǒng)。
?、?進(jìn)、出水設(shè)計(jì)水質(zhì)
設(shè)計(jì)水質(zhì)選取中等強(qiáng)度的城市污水，參考中試的近三年運(yùn)行結(jié)果，確定進(jìn)、出水設(shè)計(jì)水質(zhì)如表1。
?、?流程與裝置參閱圖1。
3.2 膜組件計(jì)算
① 膜組件數(shù)
設(shè)計(jì)采用超濾膜組件，膜通量F取0.15 m3/(m2·h)(膜孔徑為450 nm)，運(yùn)行周期3～5周。
以Modules KERASEPTM系列產(chǎn)品K07BC1XX為例，每根膜長1200 mm，直徑25 mm，內(nèi)有19個通道，通道內(nèi)徑約3.5 mm,7根膜裝配成一個膜組件，膜組件直徑約為100 mm，每個膜組件的有效表面積為1.72 m2。
?、?膜組件的通道總橫截面積及安裝占地面積已知膜組件有關(guān)尺寸，可由式(5)得到膜組件通道總橫截面積A截及占地面積A占。
3.3 生物反應(yīng)器計(jì)算
① 生物反應(yīng)器中的污泥濃度
根據(jù)2.1的分析，取SRT=15 d、HRT=4 h，可得生物反應(yīng)器中的污泥濃度X。
?、?生物反應(yīng)器的直徑
設(shè)生物反應(yīng)器為圓形完全混合式，有效水深h=3.0 m，可由式(2)得到D。
上述各參數(shù)見表1。
| Q (m3/h) | 208.3 | ||
| 進(jìn)水 水質(zhì) |
CODi | (mg/L) | 500 |
| SSi | (mg/L) | 200 | |
| 出水 水質(zhì) |
CODe | (mg/L) | 20 |
| SSe | (mg/L) | 0 | |
|
生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù) |
CODsup | (mg/L) | 50 |
| X | (g/L) | 11.1 | |
| V | (m3) | 833 | |
| D | (m) | 13.3 | |
| 膜組件設(shè)計(jì)參數(shù) | A | (m2) | 1389 |
| A截 | (m2) | 1.02 | |
| A占 | (m2) | 8.08 | |
| N | (個) | 808 | |
3.4 曝氣部分計(jì)算
根據(jù)2.3的分析，采用射流曝氣，查《給水排水設(shè)計(jì)手冊》第5冊選用射流流量Qr≥2Q，此處即416.6 m3/h;工作壓力Hr要求98～147 MPa。
3.5 選泵計(jì)算
① 提升泵
由2.4的分析知，污水提升泵的選擇較為簡單，只需滿足設(shè)計(jì)流量Q、提升高度H1即可。其基本參數(shù)見表2。
② 加壓泵
為節(jié)能需要，設(shè)計(jì)采用射流曝氣。根據(jù)式(6)和2.4節(jié)的分析，確定加壓泵的設(shè)計(jì)流量應(yīng)為：Q2≥624.9 m3/h。
此處取加壓泵的流量Q2=800 m3/h，揚(yáng)程H2=161.8 kPa，已能滿足超濾操作的需要。其基本參數(shù)見表2。
?、?循環(huán)泵
循環(huán)泵的設(shè)計(jì)流量Q3主要功能是為膜組件提供適宜的膜面流速，以減緩膜堵塞的發(fā)生；而揚(yáng)程H3還應(yīng)滿足與加壓泵并聯(lián)工作的需要。選泵結(jié)果見表2。
| 泵型 | 電機(jī)功率(kW) | 流量(m3/h) | 揚(yáng)程(kPa) | 轉(zhuǎn)速(r/min) | 效率(%) | |
| 提升泵 | IS150-125 - 200A清水泵 | 7.5 | ||||
| 加壓泵 | 300S-19A | 4.5 | 800 | 161.7 | 1450 | 78 |
| 循環(huán)泵 | 300S-19A1200HLB-12立式離心混流泵 | 440 | 9000 | 156.8 | 485 | 84 |
| 臺數(shù) | 各2臺，1用1備 | |||||
3.6 污泥負(fù)荷、體積負(fù)荷校核
經(jīng)校核污泥負(fù)荷FW、體積負(fù)荷FV分別為0。14 kgCOD去除/(kgVSS·d)、2.88 kgCOD去除/(m3·d)。普通活性污泥法中FW=0.1～0.4 kgCOD/(kgVSS·d)，F(xiàn)V=0.4～0.8 kgCOD/(m3·d)。顯然，與之相比，MBR工藝的污泥負(fù)荷略低，而體積負(fù)荷則是普通活性污泥法的3～7倍。
3.7 運(yùn)行成本分析
MBR工藝回用城市污水的運(yùn)行成本主要由電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)等三部分組成。其中藥劑費(fèi)主要指膜組件化學(xué)清洗所消耗藥劑的費(fèi)用，在運(yùn)行周期3～5周的情況下，該部分費(fèi)用占運(yùn)行成本的比例很小，且所用藥劑可分別存放，經(jīng)簡單沉淀后可重復(fù)使用，因此藥劑費(fèi)可忽略不計(jì)。同時由于MBR工藝自動化程度高，設(shè)崗少，人工費(fèi)也較少。所以，電費(fèi)在運(yùn)行成本的三個組成部分中是最主要的。本文在此僅就MBR工藝回用城市污水運(yùn)行成本中的電費(fèi)部分作一估計(jì)。
根據(jù)3.5計(jì)算，可得總耗電功率為492.5 kW。
回用城市污水的電耗為：
E=P/Q=492.5/208.3≈2.36kW·h/m3
按工業(yè)用電0.5 元/(kW·h)計(jì)算，MBR回用城市污水的運(yùn)行成本約1.18 元/m3。目前北京市賓館、寫字樓等場所的自來水費(fèi)為2.0 元/m3，超過用水指標(biāo)的部分還要加倍收費(fèi)。顯然，MBR工藝的出水回用到賓館、寫字樓等處還是可行的。
3.8 固定投資分析
① 膜組件購置費(fèi)用
以膜通量F=0.15 m3/(m2·h)為例，相當(dāng)于每m2的超濾膜組件處理能力為3.6 m3/d。國外每m2膜組件(包括壓力表等附件)的售價(jià)約1.0～1.5萬元人民幣。因此，處理1.0 m3/d所需進(jìn)口膜組件的購置費(fèi)為2778～4167元人民幣。
若采用國產(chǎn)同類產(chǎn)品的超濾膜組件（包括壓力表等附件），每m2膜組件的售價(jià)約0.4～0.6萬元人民幣，處理1.0 m3/d所需膜組件的購置費(fèi)可以降至1111～1667元人民幣。
?、?膜循環(huán)回路的雙泵系統(tǒng)
根據(jù)3.5選泵結(jié)果：選用300S-19A型單級雙吸離心泵2臺(包括配套電機(jī))約需人民幣4萬；1200HLB-12型立式離心混流泵2臺（包括配套電機(jī)）約需人民幣110萬元，合計(jì)共需人民幣114萬元。即處理1.0m3/d的泵系統(tǒng)購置費(fèi)約228元人民幣。
③ 處理構(gòu)筑物及附屬設(shè)備從進(jìn)水格柵到生物反應(yīng)器單元的土建、管線、設(shè)備等固定投資費(fèi)用計(jì)算，借鑒傳統(tǒng)二級生物處理設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)模為5000 m3/d時，處理1.0m3/d的固定投資約需1800～2000元人民幣。
綜合以上三部分的費(fèi)用，處理1.0 m3/d的城市污水采用進(jìn)口膜組件固定投資為4 806～6 395元人民幣，其中膜組件的購置費(fèi)占57.6％～65.2％。若采用國產(chǎn)膜組件，處理1.0m3/d的城市污水只需固定投資約3139～3895元人民幣，其中膜組件的購置費(fèi)占35.4％～42.8％，此已和采用生物接觸氧化法為主處理單元的中水回用工藝的固定投資(處理1.0m3/d約3500元)相當(dāng)，但MBR工藝的出水水質(zhì)要明顯優(yōu)于生物接觸氧化法。
4 結(jié)論
?、?根據(jù)近三年的中試運(yùn)行結(jié)果提出的MBR工藝放大設(shè)計(jì)基本原則、方法和步驟可成功地應(yīng)用于以某居民小區(qū)城市污水回用為例的MBR工藝設(shè)計(jì)計(jì)算。
?、?MBR工藝處理城市污水的運(yùn)行能耗約2.36 kW·h/m3。處理規(guī)模1.0 m3/d的固定投資(采用國產(chǎn)膜組件)和采用生物接觸氧化法為主處理單元的中水回用工藝的固定投資大致相當(dāng)，但前者的出水水質(zhì)要明顯優(yōu)于后者。
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作者簡介：邢傳紅 博士 現(xiàn)在法國做博士后
通訊處：100084 清華大學(xué)環(huán)境工程系文湘華
