膜生物反应器在铁路单位生活污水处理中的应用
目前,铁路沿线单位大量分散的生活污水未能有效处理,对周围环境及水体产生了不良影响。随着我国水资源保护工作力度的加大,地方各级环保部门对铁路沿线生活污水的排放要求也越来越高,生活污水处理问题变得十分迫切。在饮用水源保护区,环保部门要求做到零排放(即要求中水回用) 。针对现在生活污水处理装置多,实际处理效果不明显的情况下,设计过程中笔者通过实地考察,听取使用单位意见,尝试使用膜生物反应器处理生活污水,实现中水回用,取得了一些经验。膜生物反应器(简称MBR) 是一将膜技术与污水生物处理技术相结合而成的新型水处理装置,结合工程实例介绍膜生物反应器的应用情况。
1 工程概况
杭州铁路分局某单位位于钱塘江中上游。该地区市政污水管网未到位,改造前该单位污水经化粪池处理后排入水体。出于对钱塘江水体的保护,当地环保部门要求其生活污水必须经处理达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质标准》( GB/ T18920 —2002) 后作为绿用水,实现中水回用,做到零排放。根据该单位的实际情况,设计经比较后决定采用一体式膜生物反应器处理其生活污水。
现单位人数为120 人,生活污水来源于厕所、食堂、浴室等场所。按每人每天用水量250 L 考虑,污水排放系数取018 ,则污水日排放量为Q = 24 m3/ d ,设计平均时处理水量为Q = 110 m3/ h 。选用日处理25m3/ d的反应器,考虑到建设用地紧张,选型时采用埋地式,这样上部可以种植花木或草坪,进一步美化环境。进水水质设计参数见表1 。
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2 工艺流程
工艺流程为:原水→粗细格栅间→调节池→一体式MBR →清水池→出水。
生活污水经过化粪池预处理,含油食堂污水经隔油池预处理,经过格栅去除大颗粒杂物后首先进入调节池调节水质和水量,然后被提升至膜反应器后与活性污泥充分混合,通过微生物的新陈代谢活动使污水得以净化。反应器的混合液借助自吸泵的吸力,使膜组件外部水的压力与内部形成压力差,并依靠该推动力实现污水和水的分离,清水透过膜流出;浓缩液被送回反应器,参与下一个循环或经循环泵提速后再进入膜组件。
3 主要构筑物及设备
(1) 调节池
调节池为钢筋混凝土结构,经格栅处理后的污水进入调节池。调节池用于调节水量和水质变化,使污水能较均匀地进入后续处理单元,提高整个系统的抗冲击能力,并减少处理单元的设计规模。调节池的污水通过提升泵进入膜生物反应器。
(2) 曝气池
曝气池采用Q235 防腐钢结构,调节池的污水经=提升进入曝气池,污水中的大部分有机物在此得到降解和净化。在这里好氧菌以污水中的有机物为食料,将其分解成无机盐类,从而达到净化的目的。
(3) 消毒装置
本工艺消毒采用自吸式自动消毒器,采用氯片消毒。
4 膜组件的设计及选用
有关研究表明:在0103～014 μm 孔径范围内不同孔径的膜对COD 的截留率及系统的COD 去除率的影响很小,非溶解性的物质及溶液中的大分子物质可以为膜截留,而溶解性的物质主要依靠吸附作用被截留。因此,在膜的孔径没有小到足以直接截留溶液中的溶解性物质之前,膜的孔径不会对其COD 截留率产生大的影响。综上所述,小孔径膜并不能显著增加COD 的截留率,但膜孔的堵塞过程很快,在一定程度上缩短了膜的运行周期。因此,在不需要截留污水中比较小的成分的情况下,在一定的范围内选择孔径比较大的膜是有益的。
本设计中膜的通量F 取值是011 m3/ (m2·h) (膜孔径为011μm) ;运行周期为3～5 周。使用的膜分离单元是采用针对污废水处理而开发的聚丙烯中空纤维膜。聚丙烯中空纤维膜组件按规定的间隔安装在反应器内,考虑到中空纤维膜的维护,设计成从上方拉出方式,一个单元的滤过面积是16 m2 。选用膜的技术参数如下。
膜材料 聚丙烯;
膜内径 320～350μm ;
膜壁厚 40～50μm ;
膜孔径 011μm ;
透气率 > 710 ×10 - 2 (cm3/ s) ;
纵向强度 120 MPa ;
孔隙率 40 %～50 %;
产水量 10 L/ (h·m2) (稳定状态) 。
5 运行情况
该项目于2003 年4 月动工建设,2003 年5 月土建及设备安装完成。在培养细菌调试阶段,进水流量由小到大逐渐增加。为了确保该工程能真正达到设计预期的效果。在使用单位的主持下,6 月4 日开始对进出水水质进行测定。下面仅以COD、NH3 N 为例对其处理效果进行分析说明。
(1) COD 去除率(图1)
 图1 膜生物反应器对COD的去除效果 |
从图1 中可以看出,在开始运行前几天,由于微生物尚未充分生长,生物反应器的COD 去除率较低。之后,随着微生物的增殖,生物反应器的COD 去除率逐步增加。反应器在6 月4 日出水COD 为48 mg/ L ,去除率为8912 %。6 月5 日至6 月26 日的22 d 内出水COD 很低,最高为29 mg/ L ,去除率为93 % ,最低可达4 mg/ L ,去除率高达99 %。从图1 可以看到尽管系统进水水质变化很大,进水COD 浓度从350 mg/ L 变化到810 mg/ L ,但膜出水COD 浓度始终稳定在30 mg/L 以下,满足中水回用水质标准的要求。可见膜对系统的稳定出水起到了决定性作用。
(2) NH3 N 去除率(图2)
 图2 膜生物反应器对NH3-N的去除效果 |
从图2 中看到NH3 N 的去除率开始时很低,这说明在开始运行的头几天系统基本上没有硝化作用发生,也从侧面说明氨氮的去除主要靠生物反应器中微生物的作用,膜对氨氮的截留作用很小。但以后几天内出水NH3- N 都很低,最高为117 mg/ L ,去除率90 % ,最低为0 ,去除率为100 %。这说明膜的分离作用可使世代时间较长的硝化细菌逐渐在系统中积累,使废水中的氨氮得以发生充分的硝化反应。整个系统运行稳定后,COD 和NH3-N 的去除率都很高,可以看出MBR 具有较强的有机污染物的去除功能。
此外,其他测定指标表明,出水无SS 和大肠杆菌检出、无色无嗅,满足《城市污水再生利用 城市杂用水水质》( GB/ T18920 —2002) 标准。该项目通过了当地环保部门的验收。
6 膜的污染和清洗
笔者在跟踪调查中发现,在运行4 个月后,MBR处理水量明显减少,也就是膜通量开始下降。从有关工程实践知道膜污染是MBR 运行的必然结果。膜通量下降的原因大致有3 种:即纤维丝间淤积了大量的污泥,使得水分到达纤维丝表面要经过很厚的污泥层,阻力加大而导致通量下降;膜表面形成的生物膜及溶解性有机物在膜表面形成的凝胶层使得膜堵塞;无机盐Ca2 + 、Mg2 + 、Fe3 + 等对膜表面的堵塞。使用单位、设计会同设备厂家分析后认为,跨膜阻力处于快速增长的状态,决定进行膜在线化学清洗。在线化学清洗是维护MBR 运行的必要手段,有效的在线化学清洗不仅能保证不破坏膜丝的化学稳定性,延长膜丝的使用寿命,又可以充分恢复膜丝的过滤性能。方法是,首先关闭MBR ,停止曝气和关闭出水泵阀门,把含3 ‰有效氯的次氯酸钠溶液从膜组件的出水管逆向灌入。灌入时,理论上要求每个组件应单独灌入,以保证尽可能少的次氯酸钠进入膜生物反应器影响污泥活性。药液量以2 L/ 5 m2 膜丝面积计,灌入并保持浸泡2 h 后,开启曝气冲刷膜丝约015 h ,反冲洗完毕。在实际操作中,由于反冲洗药液的出口到各个膜组件的距离基本相同,同时灌入与单独灌入的效果相同,所以药液并没有单独灌入。图3 是在线化学反冲洗示意图。
 图3 在线化学反冲洗示意图 |
在线化学清洗完毕后,反应器仍以1 m3/ h 的设计处理水量运行,从实际在线清洗的效果看,经过清洗跨膜阻力基本降低到了未受污染膜组件在相同通量下的跨膜阻力,达到了较好的清洗效果。清洗过程中厂家建议使用单位应做好系统的启动运行,注意膜的日常维护,运行中可以采用空曝气的方法减缓膜过滤阻力的上升,延长稳定运行时间。
7 技术经济性分析
7.1 工程投资
本工程土建设施及设备的投资为1415 万元,生物膜投资为310 万元,总投资为1715 万元。
7.2 运行成本分析
MBR 的运行成本主要由电费、药剂费、折旧费、人工费(本项目日常维护人员为兼职故不考虑) 等部分组成。本工程鼓风机和水泵的总耗电量为111kW·h/ m3 ,电费按016 元/ ( kW·h) 计,则运转所需的电费为0166 元/ m3 。药剂费主要是指膜组件化学清洗所消耗药剂及出水消毒药剂的费用, 为0102元/ m3 。膜的折旧年限按5 年计,折旧费为30 000/(24 ×365 ×5) = 01685 元/ m3 。膜生物反应器设备其他部分折旧年限按20 年计,则折旧费为145 000/ (24×365 ×20) = 0183 元/ m3 。
由于MBR 工艺自动化程度高,占地少,在不考虑人工费和占地费用时,水处理成本为上述4 项之和,因此得出单位水量处理成本为21195 元/ m3 。而该单位自来水水价为215 元/ m3 ,超过用水指标的部分还要加倍收费。显然,MBR 工艺用于中水回用具有明显的竞争优势,同时可节省水资源,具有环境效益和经济效益。随着膜制造技术的进步,膜质量的提高和膜制造成本的降低,MBR 的投资与运行费用也会随之大幅度降低。如聚乙烯中空纤维膜等新型膜材料的开发已使其成本有很大降低。据预测,膜还有相当大的降价空间,在未来的3～5 年内,随着膜材料的改进和生产规模的扩大,膜价格有望降为目前的40 %～60 %。随着膜性能的提高、使用寿命的延长与膜价格的降低,MBR 的运行费用有望降低到110 元/ m3 左右。
7.3 环境效益分析
出水水质指标通过验收并正式投入中水绿化回用,每年可减少COD 排放315 t ,减少BOD 排放212 t 。
7.4 与传统中水处理工艺
(二级生物处理加混凝、沉淀、过滤) 进行技术经济比较(表2)
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8 结语
(1) 膜生物反应器用膜生物装置将传统污水处理的曝气池与二沉池合二为一,不仅节省了用地面积,且能高效地进行固液分离,其分离效果好于传统的沉淀池,出水悬浮物和浊度接近于零,出水水质良好,达到回用水质在技术上是可行的,实现了污水资源化。
(2) 膜的高效截流作用有利于在生物反应器内维持高浓度的微生物量, 实现反应器水力停留时间(HRT) 和污泥龄(SRT) 的完全分离,使得运行控制灵活稳定。
(3) 膜生物反应器由于泥龄可以非常长,从而极大地提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容积负荷,低污泥负荷,长泥龄下运行,剩余污泥产量较少。
(4) 膜生物反应器用于处理生活污水实现回用,其基建费用较低,能耗与传统中水处理工艺相差不多,在经济上是可以接受的。
(5) 存在的不足是,增加了曝气等动力设备,从而增加了运行费用,并需定期检查维修;又因存在膜的污染问题,导致运行一段时间后产水量降低,给操作管理也带来不便。今后需在清洗方法和尽可能延长膜丝寿
命方面加以改进。
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