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技术动态
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MBR工艺生化系统设计关键技术
 点击数:848次 添加时间:2015-3-6 [打印] [返回] [收藏]

       MBR工艺是利用膜(Membrane)的高效固液分离功能实现污水最终净化目的,但是有机污染物的去除仍然以生物处理为主导,仍然要依靠合理设计的生物处理段(Bioreactor)来实现。结合我院相关工程经验,在研究国内外成功案例和技术规范的基础上,初步总结城镇污水处理工程MBR工艺生化系统设计关键技术,为今后国内MBR工艺的规模化设计应用提供参考。


1.2MBR工艺系统的分类
1.2.1分置式和一体式


       按生化系统和膜分离系统的相对位置分,膜生物反应器可分为分置式MBR和一体式MBR两种。分置式MBR是将膜组件放置在生化系统之外的单独的膜池内,其特点是膜组件分组明确,运行环境良好,便于独立运行和清洗、检修。一体式MBR则是将膜组件直接放置在生化系统内,其特点是节省占地,但是不利于膜组件的分组和配套管路的敷设。


1.2.2浸没式和管式
       按膜组件的放置位置分,可分为浸没式和管式两种。浸没式是将膜组件浸没于生物反应器或膜池内,管式是将膜元件装填在膜管内,再设置膜架放置膜管。


1.2.3正压式和负压式
       按过滤推动方式分,可分为正压式MBR和负压式MBR两种[3]。正压式MBR一般采用管式膜,通过料液循环错流运行,生物反应器的混合液由泵增压后进入膜组件,在压力作用下膜过滤滤液成为系统处理出水,活性污泥、大分子物质等则被膜截。
1 MBR工艺系统选择关键技术
1.1MBR工艺系统构成
       膜生物反应器(Membrane Bioreactor,MBR)是悬浮培养生物处理法(活性污泥法)和膜分离技术的结合而开发出的新型水处理工艺,所以MBR工艺系统主要由生化系统和膜分离系统两部分组成。其特点是运行稳定可靠,操作管理方便,易于膜清洗、更换及增设,但动力消耗高。负压式MBR一般采用浸没式MBR,通过泵的负压抽吸作用得到膜过滤出水。同时设置膜擦洗曝气,利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果,以增加膜表面的紊流和减轻膜表面的污染。其特点是不需要混合液的错流循环系统,能耗较低。

 

 


1.2.4MBR工艺系统的选择
       对于城镇污水处理工程,由于规模一般均在万m3/d以上,考虑到膜组件运行环境、污泥浓度控制、脱氮除磷对DO的控制要求以及降低能耗要求等,一般均采用负压抽吸浸没式分置式MBR工艺,这也是本文的研究总结重点。


1.3生化系统的形式
       由于目前污水排放标准普遍提高了对脱氮除磷的要求,所以几乎所有的传统脱氮除磷工艺都被应用到了MBR工艺中,如AO、A2O(包括A2O氧化沟)、SBR等。


1.3.1 SBR MBR工艺
       序批式反应器(SBR)作为一种改良型的活性污泥处理工艺,利用时间上的推流代替空间上的推流,即以时间换空间的概念。将SBR与MBR相结合形成的SBRMBR工艺,除了具有一般MBR的优点外,对于膜组件本身和SBR工艺两种程序运行都互有帮助[4、5]。由于膜组件的截留过滤作用,反应中的微生物能最大限度地增长,利于世代时间较长的硝化及亚硝化细菌的生长繁殖,因此,污泥的生物活性高,吸附和降解有机物的能力较强,同时也具有较好的硝化能力。此外,SBR式的工作方式为除磷菌的生长创造了条件,同时也满足了脱氮的需要,使得单一反应器内实现同时高效去除氮磷及有机物成为可能。与传统SBR系统相比,一方面SBRMBR在反应阶段利用膜分离排水,可以减少传统SBR的循环时间;另一方面,序批式的运行方式可以延缓膜污染。


1.3.2 A2OMBR工艺
       传统的生物脱氮工艺通常采用前置反硝化或后置反硝化来实现氮的去除,而设置了厌氧、缺氧和好氧反应器的A2O工艺则可以实现同步除碳和脱氮除磷功能。由A2O工艺与膜分离技术结合而成的具有同步脱氮除磷功能的A2OMBR工艺,进一步拓展了MBR的应用范畴。在该工艺中设置有两段回流,一段是膜池的混合液回流至缺氧池实现反硝化脱氮,另一段是缺氧池的混合液回流至厌氧池,实现厌氧释磷。A2OMBR工艺中高浓度的MLSS、独立控制的水力停留时间和污泥停留时间、回流比及污泥负荷率等都会产生与传统A2O工艺不同的影响,具有较好的脱氮除磷效率。


1.3.3 A2O/AMBR工艺
       A2O/AMBR工艺是一种强化内源反硝化的新型工艺,该工艺利用MBR内高浓度活性污泥和生物多样性来强化脱氮除磷效果[6],其内部流程依次为厌氧、缺氧、好氧、缺氧和膜池。该工艺在传统A2O工艺后再设一级缺氧池,在利用进水快速碳源完成生物除磷和脱氮后,利用第二缺氧池进行内源反硝化,进一步去除TN后再利用膜池的好氧曝气作用保障出水。A2O /AMBR工艺是针对进水碳源不足,而同时又有较高脱氮要求的污水处理项目所开发,也是强化脱氮的MBR脱氮除磷工艺。

 

1.3.4 A(2A)OMBR工艺
       A(2A)OMBR工艺是两段缺氧A2O工艺与MBR工艺的结合,其特点是在传统的A2O工艺中设置了两段缺氧区(缺氧区Ⅰ和缺氧区II),在缺氧区I内从好氧区回流的NO3-完全被还原,实现完全反硝化;而在缺氧区II内实现内源反硝化,节省外加碳源的投加。大大提高了污水的生物脱氮效率,同时避免了外加碳源,节约运行费用,因此具有很高的价值。

 

1.3.5 3AMBR工艺
       3AMBR是依据生物脱氮除磷机理,结合膜生物反应器技术特点而形成的具有高效脱氮除磷性能的新型污水处理工艺[6]。其内部流程依次是第I缺氧池、厌氧池、第II缺氧池、好氧池和膜池,膜池混合液分别回流至第I缺氧池和第II缺氧池。第I缺氧池利用进水碳源和回流硝化液进行快速反硝化;接着混合液进入厌氧池进行厌氧释磷,减少了硝酸盐对释磷的影响;第II缺氧池再利用污水中剩余的碳源和回流的硝化液进一步反硝化脱氮;好氧池内同步发生有机物降解、好氧吸磷和好氧硝化等。
       多种反应,彻底去除污水中的污染物;混合液再经膜过滤出水,实现了对污水中有机物和氮磷的去除。3AMBR工艺合理地组合了有机物降解和脱氮除磷等各处理单元,协调了各种生物降解功能的发挥,达到了同步去除各污染指标的目的,具有较高的推广应用价值。

 

1.3.6 A/ A2O MBR工艺
       A/A2OMBR工艺属3AMBR工艺的改进工艺,设置有第I缺氧区、厌氧区、第II缺氧区、好氧区和膜池共5个处理单元。预处理后的污水首先按比例分配流量分别进入第I缺氧区和厌氧区,然后依次重力流入第II缺氧区、好氧区和膜池,最后通过膜过滤抽吸出水。根据脱氮除磷需要设置有两级回流,第一级回流是膜池的混合液回流到好氧区前端,第二级回流是好氧区的混合液分别回流到第I缺氧区和第II缺氧区,两者之间的流量比例通过回流渠道和调节堰来分配。前置的第I缺氧区,优先最大限度地利用进水碳源快速完成反硝化过程,去除大部分的硝态氮。在第II缺氧区内与部分从好氧区回流过来的富硝酸盐混合液再次混合,在长时间的缺氧条件下,可以发生内源反硝化反应,进一步地去除了污水中的硝态氮。此外,将厌氧区放在第I缺氧区之后,使得回流液中硝态氮被充分反硝化,减少了其对聚磷菌的抑制,提高除磷效果。

 

1.3.7生化系统形式的选择
       生化系统形式的选择主要应考虑以下几方面:①进水水质情况(如难生物降解有机物浓度、碳氮比、碳磷比等)②出水水质要求(尤其是对脱氮除磷的效果要求等)③进水水质水量波动情况④气候条件等。从目前应用的工程经验来看,A2O及其变形强化工艺是众多应用在MBR脱氮除磷工艺中处理效果最为突出,运行管理最为方便,也是最稳定可靠的一类[7]。表1介绍了目前各种形式的A2O及其改进型的MBR脱氮除磷组合工艺的应用情况。

表1 A2O及其改进型的MBR组合工艺应用情况
Tab.1 Application of the A2O and improved forms of MBR process

 


 

2 MBR工艺生化系统参数设计关键技术
       因为MBR工艺是将生物处理技术与膜分离技术结合起来的一种工艺。因此,传统污水生物处理的工艺参数在进行MBR工艺生物段设计时均需加以考虑,再根据MBR工艺的特点加以调整。


2.1污泥浓度
       由于后续通过膜来实现泥水分离,因此较传统活性污泥法可选取较高的MLSS值。但是,在实际工程应用中发现[8]:①在实际进水有机物浓度低于设计进水水质情况下,MLSS值难以达到设计值,通过减少排泥来维持MLSS值时会造成MLVSS/MLSS值偏低,导致生化池表面产生大量的浮泥,而且反而降低了生物活性,影响处理效率;②由于MLSS是最基本的设计参数,当实际值与设计值偏差较大时会影响相关设计参数(如SRT、空气量)的准确度,从而影响了实际运行效果。因此,对于进水有机物浓度较高的工业废水,可选取较高的污泥浓度值(~10g/L)以尽量增大有机物去除能力;而对于城镇综合污水处理工程而言,由于进水浓度相对不高,宜选取较低的污泥浓度(6~8 g/L)。


2.2泥龄
       对于有脱氮要求的城镇综合污水处理工程,SRT宜根据硝化泥龄和反硝化泥龄来计算确定。需要注意的是:由于系统内的MLSS较高,因此MBR工艺的泥龄通常较传统工艺长。但实践表明[8]:过长(30d)或过短的泥龄均会使膜的TMP增势加剧,而泥龄在20 d 左右时, 跨膜压差增长趋势变缓。因此,泥龄不宜太长,以20 d 左右为宜。


2.3污泥负荷
       对于传统活性污泥工艺而言,通常采用基于BOD5的污泥负荷作为设计参数,但是,在MBR工艺中,由于MBR反应器内微生物的结构、种类和生物相的变化使MBR工艺对有机底物的利用不仅仅局限于进水中的BOD5值,对部分表现为CODCr的物质也可以利用,因此采用MBR工艺处理城市污水时,不宜采用污泥负荷参数作为设计依据,而应将MLSS和SRT作为MBR工艺生物处理单元的主要设计参数。而由MLSS和SRT推算出的污泥负荷往往仅为传统活性污泥法污泥负荷的一半左右。较低的污泥负荷一方面说明系统抗进水水质冲击的能力较强,另一方面也说明采用MBR工艺处理城镇污水时污泥负荷不宜作为主要的设计指标。

 

2.4水力停留时间(HRT)
       由于MBR系统的MLSS较高,以SRT计算确定的生物池的容积较小,相应的所需HRT较短(7~10h)。实践证明,如果考虑到系统有较高的硝化和反硝化处理效果要求时,过短的HRT将难以保证,因此应适当加大系统的HRT(~12h),同时可相应降低SRT,有利于控制膜污染。

 

2.5需氧量和供气量
       由于MBR反应器内的MLSS较传统工艺高,其混合液的液膜厚度、污泥粘滞度等会发生变化,由需氧量计算供气量时应调整α、β和C0值,因此,MBR工艺的理论供气量计算值应大于传统工艺。但是,大量工程实践发现,实际生化池供气量小于计算量。分析其主要原因是:①为了控制膜表面污堵,需要采用空气擦洗来改变膜丝表面液体的流态,大量的擦洗空气使得膜池内的溶解氧极高(通常其DO值可达8~10mg/L)而大比例从膜池到生化池的回流(通常为400%~500%)使生化池所需的曝气风量下降;②当实际进水有机物浓度低于设计值时,会造成计算需氧量和实际MLSS值均低于设计值,实际供气量则会远低于计算值。因此在计算供气量时应充分考虑这些因素,给出一个供气量的区间值,便于进行鼓风机的配置和风量调节控制。


3 MBR工艺生化系统布局设计关键技术
3.1回流方式
        对于MBR工艺,由于采用膜分离技术,往往将硝化液回流与污泥回流合并,回流比较传统工艺大。大比例的回流会影响生化系统各段的DO和MLSS等,因此需加强对MBR工艺回流的控制。根据生化系统形式、硝化液回流的方式和位置不同,MBR的回流有各种不同的方式,详见表1。综合各种回流方式的实际效果,建议:①采用膜池回流混合液至好氧区,再由好氧区回流硝化液至缺氧区,因为如果采用膜池回流硝化液至缺氧区的方式,由于混合液富含大量氧气,破坏缺氧条件,导致反硝化反应不充分[9]。②如果采用两段缺氧生化工艺,宜采用两点回流方式,因为尽管增加了相应的管渠,但是两区的回流比例可以按照实际运行情况进行分配,以便于充分有效地利用原水碳源和内源碳源来提高系统脱氮效果,减少外加碳源的用量。

 

3.2进水方式
       由于在城镇污水处理工程中均有较高的除磷脱氮要求,因此大多采用了厌氧-缺氧-好氧工艺,对于MBR工艺而言,生物反应池建议采用两点进水方式,即在生物池前设置进水分配渠道和分配调节堰,污水进入到分配渠道后,通过两套调节堰门将原水按照一定比例分配到厌氧区和缺氧区,从而选择优先满足生物脱氮还是生物除磷对进水碳源的需要,而且各区的分配比例还可以根据不同水质条件下生物脱氮和生物除磷所需碳源的变化进行灵活调节。

3.3提升方式
       由于膜池有效水深较生物池浅,混合液回流有两种提升方式:①采用前提升系统,即好氧池出水由泵提升至膜池,膜池的混合液重力回流至生物池;②采用后提升系统,即好氧池出水自流至膜池,膜池的混合液通过回流泵提升至生物池。后提升系统较前提升系统提升混合液的流量小,回流泵分别对应各组膜池便于独立检修,但管路系统较为复杂;前提升系统管路系统较为简单,检修维护工作量小,提升扬程较低。在现有的MBR系统中两种回流方式均有应用。实际工程应用时应根据水位差、膜池分组情况、进水水质和膜组件形式等综合比较确定。

 

3.4好氧区形式
       传统活性污泥A2O系统的好氧区构型多为长方形廊道的推流式形式。对于MBR工艺,其好氧区宜设计成完全混合式,一方面有利于混合液处于良好的紊动,保持悬浮状态,减小因剪切造成的污泥颗粒破解,并提高曝气设备的充氧速率[10];另一方面,从膜池回流至好氧区的大比例混合液可以实现快速混合以充分利用膜池内的DO。

 

3.5剩余污泥排放泵
       剩余污泥排放泵可以设置于生化池内也可设置于膜池进水渠内,一般采用潜水排污泵。建议设置于生化池内,可以用来排除池底泥砂并可兼做生化池放空泵。

 

3.6曝气鼓风机
       由前述可知,由于实际运行时的各种变化因素,造成生化池的朦胧气量变化幅度较传统工艺大。因此在曝气鼓风机选型时,首先应优先选择气量调节范围较大的单级离心鼓风机。若采用多级离心鼓风机,必须配置变频器,不宜采用罗茨鼓风机。其次,所选的鼓风机应使调节后的组合供气量涵盖计算供气量的区值。

4 MBR工艺生化系统设备设计关键技术
       MBR工艺生化系统的设备主要有:搅拌器、曝气器、回流泵、剩余污泥排放泵及曝气鼓风机。


4.1搅拌器
       对于厌氧区和缺氧区,如果池型(或分隔后的池型)接近于正方形(L/B<1.3),建议采用倒伞型搅拌器。因为其运行能耗低,立式环流搅拌均匀,不易产生死角,水下无易损耗件且不会在搅拌主体上挂带任何物质而形成堵塞。


4.2曝气器
       一方面,由于考虑到污泥的粘滞性等因素使得MBR工艺的计算供气量高于传统工艺;另一方面,由于MBR工艺的HRT小于传统工艺使得好氧区的平面尺寸较小。由此造成单位面积的供气量将远大于传统工艺,因此,必须选择单位通气量大、氧转移率高的曝气设备。在已运行的几个MBR工程中,聚乙烯改性纤维管式曝气器和全球型刚玉曝气器的运行效果较好。


4.3回流泵
       首先,根据回流位置的不同选择不同的设备:对于生化系统内部的回流通常采用穿墙PP泵;对于膜池回流至生化系统的回流泵再根据提升方式的不同进行选择:如前提升方式一般采用潜水轴流泵,后提升方式的回流泵又有两种形式:①设置于膜车间内时,通常采用卧式端吸离心泵,且由于输送介质为高浓度的污泥,不宜采用清水泵,大多采用污水泵干式安装;②当系统设回流污泥渠时,回流泵设置于渠内,通常采用穿墙PP泵。


5 结语
    随着MBR在污水处理中的应用越来越多,有关设计和建造的技术总结必不可少。初步总结了城镇污水处理工程MBR工艺生化系统设计关键技术,主要包括①工艺系统的选择②生化系统参数设计③生化系统布局设计④生化系统设备设计和四个方面,以期为今后国内MBR工艺的规模化设计应用提供参考。

 

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