MBR膜生物反应器工艺应用争议问题分析及改进建

  北极星水处理网讯:由于面临水质标准的提高以及可利用建设用地面积日益减少的双重压力,膜生物反应器MBR)工艺在市政领域中得到越来越广泛的应用。MBR是一种相对较新的技术,随着项目数量和处理规模不断增加,其在应用过程中出现了许多有争议的问题。本研究从技术和经济两个方面对一些主要的争议问题进行了分析并提出了相应的改进措施与建议,以期为MBR工艺的规模化设计应用提供参考。

  近年来,我国MBR市场正在加速成长,至2014年底,我国已有近100座规模超1万m3/d的MBR工程投入运行,并出现了近20座超10万m3/d处理规模的MBR工程。据不完全统计,在市政领域中,2014年底投入运行的MBR工程累计处理能力近350万m3/d。预计2015年底投入运行或在建的MBR工程累计处理能力将超过600万m3/d。

  (1)膜通量下降。在MBR工程运行过程中,由于物理、化学、生化作用或机械作用,会造成膜污染,尽管采用水力清洗、在线(维护性)和离线(恢复性)化学清洗可以延缓膜污染的加剧,但膜污染本身是一个不可逆的过程,所以膜通量下降是必然的趋势,膜组件的产水量总体上来说呈现逐步衰减的过程。(2)膜清洗周期缩短。MBR工程通常运行3~5年后,跨膜压差在单个清洗周期内会增长加速,运行中需要缩短离线清洗周期以维持产水量,由于离线清洗时间较长且在清洗周期内都无法连续产水,也降低了总体处理能力。(3)稳定性下降。低温会导致膜通量、产水量的下降外,也会抑制膜的透水性。温度降低时污水中水分子和小颗粒物的活性下降,黏滞性增大,膜通量下降,产水量减少。从图2可以看出,水温分别在10、20、30℃时,设计膜通量的校正系数分别约为0.75、0.92、1.10,水温l0℃时的膜通量相对30℃时约低32%,且不同的膜产品对低温的稳定性差异也较大。

  实际运行中,很多MBR工程在运行早期一般均能达到设计规模,但随着运行时间的推移,处理能力不断下降。因此,当采用MBR工艺时,必须充分考虑到这一情况,在膜池设计时宜每组预留一定的膜组件安装空间,或设置一些空置的膜池,以备在某些膜组件性能下降后,可以安装新的膜组件以保证维持正常的产水量。

  MBR工艺一般分为外置式和浸没式两种。浸没式MBR工艺由于其跨膜压差较小,膜通量很少会超过临界值,因而可以保持长时间稳定的膜通量而无需进行化学清洗。目前在我国市政领域应用的MBR工艺主要采用浸没式,依靠水泵负压抽吸出水,水泵的额定流量限制了MBR工艺的最大产水量。由于膜运行时存在一个极限通量,当进水水量超过这个极限时,跨膜压差会急剧加大,导致抽吸出水量下降。但由于全部产水均为通过膜后出水,故MBR工艺出水水质得到保证。而在传统活性污泥工艺中,峰值流量超过设计值时,会使沉淀池的水力负荷加大,出水水质受到影响而导致处理效率下降。但峰值水流可以通过适当加大沉淀池出水堰的堰上水头而流出。

  因此,与传统工艺相比,MBR工艺可以保证出水水质,但难以承受较大的水量冲击负荷。而城市污水处理厂的流量会随着季节、降雨量、生活习惯或进水组成及处理规模等有所变化,所以对于水量波动较大的城市污水处理厂,应用MBR工艺应格外慎重。

  针对这一问题,对于小型污水处理厂,建议通过加大生化池超高、加大抽吸泵的额定流量、适当增大膜片面积来解决,但是会增加投资费用;对于大型污水处理厂,建议与传统污水处理工艺配套使用,以应对水量冲击,而且MBR工艺的高品质产水,还可适当降低配套平行工艺的出水要求。

  MBR工艺的应用已越来越广泛,但由于各膜厂商的膜材料和膜组件差异较大,相关的技术参数多掌握在各个膜厂商处,存在较严重的技术壁垒。同时,目前说及MBR工艺的着眼点主要是膜,但MBR工艺实际上是改进型或强化型的生物处理工艺,是膜与生物反应器的整合。与活性污泥法不同,在技术应用中是全流程的系统概念,包括前端预处理系统、生化处理系统、膜分离系统、污泥处理系统、空气系统和自动控制系统等多个部分,需要进行整体系统设计。而目前,前端预处理、污泥和空气系统没有根据膜分离的特点加以优化调整,生化处理部分与后续膜分离系统之间的衔接缺乏优化设计经验,全流程设计经验和参数不全,忽视控制仪表和设备的选择,缺乏标准化的运行指导,影响了MBR工艺的运行效果、膜寿命和能耗。

  膜组件的技术含量较高,投资较大;同时,MBR工艺的自动化程度较高,需要较为先进的仪表设备,也相应增加了投资费用。据项目统计数据分析可知,市政领域MBR艺的吨水总投资费用为2100~7000元,凯时娱乐app,平均约3800元,直接工程费用为2000~4500元(包括土建、安装、膜系统及其他设备)。表1列举了部分大型MBR工程的投资情况。投资费用的差异与应用领域(污水处理、污水深度处理、地表水处理、雨水处理)、项目建设时期(新建、扩建、升级改造项目)、膜组件厂商、结构形式(地上式、半地下式和全地下式)等均有较大关系。

  据统计,我国2012年所有市政污水处理厂的平均总投资费用是2200元/(m3d),可见MBR工艺比传统活性污泥法项目的建设投资费用高较多。但MBR工艺的出水水质优良且可达到再生水回用的标准,因此在比较投资费用时,应以生物处理和再生水处理两部分的费用之和与MBR工艺做比较。达到相关再生水回用标准的深度处理工艺很多,如滤布滤池、砂滤、超滤等。对比同地区、同时期、规模接近的3个污水处理厂,分别采用MBR工艺、二级生物处理+滤布滤池和二级生物处理+浸没式超滤的工程直接投资费用(见图3)可以看出,MBR工艺的土建费用略低些,但膜组件的投资较高,其他设备的投资也略高。总体上来说,二级生物处理+滤布滤池的投资费用最低,但是其出水水质不如MBR工艺。如考虑接近的出水水质,二级生物处理+浸没式超滤投资与MBR工艺投资相差不大,差额在5~10。

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