管式膜-生物反應器處理城市污水的工藝設計論文名稱：管式式膜-生物反應器器處理城市污污水的工藝設設計作者：邢邢傳紅文湘華錢易摘要：：在中試的基基礎上，提出出了膜--生物反應器器工藝設計的的基本原則、方方法、步驟。以以某居民小區區的中水回用用為目標進行行了模擬設計計計算，并探探討了該工藝藝的運行能耗耗及固定投資資。關鍵字：：膜生物反應應器城市污水工藝設計膜——生物物反應器(MemmbrancceBiooreacttor，簡稱MBR)是膜分離與與生物處理技技術組合而成成的廢水生物物處理新工藝藝［1］,具有對有機機污染物去除除效率高、出出水水質好、流流程簡單、結結構緊湊等優優點，在廢水水回用與資源源化領域具有有極為廣闊的的應用前景［［3～6］。至今國內內外尚無MBR工藝放大設設計的成熟經經驗和理論，設設計手冊中亦亦無此實例可可資參考。因因此，探討MBR工藝放大設設計具有十分分重要的工程程意義。1工藝設計基基本原則1.1MBR工工藝流程MBBR工藝流程如如圖1所示。進水水由提升泵提提升至生物反反應器后與活活性污泥充分分混合，通過過微生物的新新陳代謝活動動使廢水得以以凈化。生物物反應器的混混合液則經加加壓泵加壓后后，送入膜組組件實現液固固分離，清水水透過膜流出出；濃縮液被被送回生物反反應器，參與與下一個循環環或經循環泵泵提速后再進進入膜組件。1.2放大設設計的基本原原則在近三年年的中試規模模試驗研究期期間，對MBR工藝流程各各組成單元運運行特性的考考察表明：MBR工藝的放大大設計應主要要包括生物反反應器設計參參數選取、泵泵系統選擇、膜膜組件選擇等等幾個方面。①生物反應器器參數的選取取。大量試驗驗研究顯示：：采用MBR工藝處理城城市污水，污污泥負荷、體體積負荷已不不再是制約處處理效果的重重要指標［2］。根據中試試運行的經驗驗,可將水力停停留時間HRT、污泥停留留時間SRT作為MBR工藝生物反反應器單元的的設計依據，因因為這樣不僅僅能確保工藝藝操作的長期期穩定性，而而且能簡化設設計過程。②泵系統選擇擇。MBR工藝中加壓壓泵的特點是是揚程高、流流量?。欢h泵則要求求揚程低、流流量大?？紤]慮到加壓泵和和循環泵并聯聯工作的需要要，兩種泵的的揚程必須相相等，即H2=H3。泵流量的的選擇，則只只需達到膜組組件對設計膜膜面流速的要要求即可。在在此前提下，為為節能起見，循循環泵的流量量宜大一些，而而加壓泵的流流量宜小一些些(至少應滿足Q2＞Q)。③膜組件選取取。膜組件是是MBR工藝的關鍵鍵組成單元，它它的選擇對MBR工藝的運行行具有決定性性的作用。研研究表明：以以回用為目的的的城市污水水生物處理應應優先選用超超濾膜組件［［2］。膜通量是是膜組件設計計中最重要的的技術參數之之一。當處理理能力一定時時，設計選擇擇的膜通量越越高，所需的的膜面積就越越小，膜組件件部分的固定定投資就越少少；但另一方方面，MBR工藝的運行行周期也就會會越短，從而而增加膜組件件清洗的次數數和費用。因因此，在具體體的放大設計計中應兼顧工工藝的運行周周期和膜組件件的固定投資資兩個方面。設設計運行周期期一般不小于于3周。2放大設計方方法與步驟2.1生物反反應器設計從從中試結果來來看：當進水水COD為50～22344mg/LL，SS為80～13277mg/LL，HRT在2.0～5.0h范圍內時，系系統運行的穩穩定性以及對對污染物的處處理效果均較較好。SRT的選取則相相對靈活得多多，例如根據據硝化的需要要可選用一個個較長的SRT。生物物反應器中微微生物濃度X(即污泥濃度)的理論計算算公式［2］如下：(1)式中Ci---進水COD濃度Ce---出水COD濃度Csup----污泥上清液COD濃度MBR工藝藝的生物反應應器宜設計成成完全混合式式，其形狀可可根據具體情情況選用，相相應尺寸亦很很容易確定。這這里以圓形生生物反應器為為例進行計算算，設計采用用生物反應器器n3座(考慮工程實實際，n3≥2)，有效水深深為h，則每座生生物反應器的的直徑為：D=((44×V)/((n3×h×π))0.5(2)式中V----生物反應器器體積2.22膜組件設計計根據試驗結結果［2］,建議超濾膜的通量F取0.1～0.2m3/(m2·h)(膜孔徑為450nnm)，設計運行行周期則為3～5周。所需膜膜組件的有效效面積為：A=Q/FF(3)若已知知膜組件制造造廠家給定的的基本參數，可可容易地計算算出所需的膜膜組件數：N=A/AA0(4)式中A----膜組件的有有效面積A0---單個膜組件件的有效面積積進而，可可利用式(5)求出膜組件件通道的總橫橫截面積：A截＝N××n1×n2×π×(d/22)2(5)2.3曝氣裝裝置設計為有有效利用高速速循環的污泥泥混合液的能能量，建議采采用射流曝氣氣裝置進行曝曝氣，具體可可參閱《給水水排水設計手手冊》第5冊。一般，射射流曝氣器的的工作壓力在在98～196kkPa,建議回流流流量Qr取2Q。2.4選泵計算提升升泵的選擇較較為簡單，只只需滿足設計計流量Q、提升高度H1即可，可直直接查《給水水排水設計手手冊》第11冊進行選泵泵。流經膜面面的總流量Qt則可由最小小膜面流速與與膜組件橫截截面積的乘積積來計算，而而最小膜面流流速和生物反反應器中的污污泥濃度線性性相關［2］。從圖1中的流量平平衡關系可知知，流經膜面面的總流量Qt等于加壓泵泵與循環泵的的流量之和。加加壓泵揚程H2的選擇非常常重要，必須須能夠滿足膜膜組件過濾操操作對壓力的的需要以及整整個系統管路路的沿程、局局部水頭損失失。根據中試試經驗，加壓壓泵的揚程H2≥147.11kPa即可。為達達到經濟的目目的，加壓泵泵流量的選擇擇應盡量小并并使運行工況況盡可能在最最佳狀態。如如果考慮到射射流曝氣的需需要，加壓泵泵的流量須滿滿足：Q2≥Qr+Q(6)若不考考慮射流曝氣氣的需要，在在實際MBR工藝的運行行中則只須：：Q2≥Q(7)選泵時時可參考泵生生產廠家給定定的技術參數數，使Q2大于Q有一個余量量，確保工藝藝長期穩定的的運行。循環泵流量量Q3等于流經膜膜面的總流量量和加壓泵流流量Q2之差(由于循環、加加壓泵并聯工工作)。2.5污泥負荷、體體積負荷校核核MBR工藝的污泥泥負荷比普通通活性污泥法法略低，而體體積負荷則是是普通活性污污泥法的數倍倍。換句話說說，與普通活活性污泥法相相比，這種工工藝不僅對污污染物去除效效率高，而且且占地面積可可以很小。3放大設計計計算實例3.1基本設設計資料①設計流量模擬設計計以北京西北北郊某居民小小區的中水回回用為目標，設設計服務人口口為2.5萬人。考慮慮到公共建筑筑及服務設施施用水，用水水指標取為200LL/(人·d)。擬采采用MBR工藝進行處處理并回用，故故障檢修時則則將全部或部部分污水排入入城市污水收收集系統。②進、出水設設計水質設計水質選選取中等強度度的城市污水水，參考中試試的近三年運運行結果，確確定進、出水水設計水質如如表1。③流程與裝置置參閱圖1。3.2膜組件計算算①膜組件數設計采采用超濾膜組組件，膜通量量F取0.15m3/(m2·h)(膜孔徑為450nnm)，運行周期3～5周。以ModullesKEERASEPPTM系列產品K07BCC1XX為例，每根根膜長1200mm，直徑25mm，內有19個通道，通通道內徑約3.5mmm,7根膜裝配成成一個膜組件件，膜組件直直徑約為100mmm，每個膜組組件的有效表表面積為1.72m2。②膜組件的通通道總橫截面面積及安裝占占地面積已知知膜組件有關關尺寸，可由由式(5)得到膜組件件通道總橫截截面積A截及占地面積A占。3.3生物反應器器計算①生物反應器器中的污泥濃濃度根據2.1的分析，取SRT=115d、HRT=44h，可得生物物反應器中的的污泥濃度X。②生物反應器器的直徑設生物物反應器為圓圓形完全混合合式，有效水水深h=3.00m，可由式(2)得到D。上述各各參數見表1。表1MBR工藝設計的的基本參數Q(m3/hh)208.3進水水質CODi(mg/L)500SSi(mg/L)200出水水質CODe(mg/L)20SSe(mg/L)0生物反應器設計計參數CODsup(mg/L)50X(g/L)11.1V(m3)833D(m)13.3膜組件設計參數數A(m2)1389A截(m2)1.02A占(m2)8.08N(個)8083.4曝氣部部分計算根據2.3的分析，采采用射流曝氣氣，查《給水水排水設計手手冊》第5冊選用射流流流量Qr≥2Q，此處即416.66m3/h;工作壓力Hr要求98～147MMPa。3.5選泵計算①提升泵由2.4的分析知，污污水提升泵的的選擇較為簡簡單，只需滿滿足設計流量量Q、提升高度H1即可。其基基本參數見表表2。②加壓泵為節能需要要，設計采用用射流曝氣。根根據式(6)和2.4節的分析，確確定加壓泵的的設計流量應應為：Q2≥624.99m3/h。此處處取加壓泵的的流量Q2=800m3/h，揚程H2=161..8kPaa，已能滿足足超濾操作的的需要。其基基本參數見表表2。③循環泵循環泵的設設計流量Q3主要功能是是為膜組件提提供適宜的膜膜面流速，以以減緩膜堵塞塞的發生；而而揚程H3還應滿足與與加壓泵并聯聯工作的需要要。選泵結果果見表2。表2設計泵的基基本參數泵型電機功率(kWW)流量(m3/hh)揚程(kPa))轉速(r/miin)效率(%)提升泵IS150-1125-200A清水泵7.5加壓泵300S-199A4.5800161.7145078循環泵300S-199A12000HLB-112立式離心混流泵泵4409000156.848584臺數各2臺，1用11備3.6污泥負負荷、體積負負荷校核經校校核污泥負荷荷FW、體積負荷FV分別為0。14kggCOD去除除/(kgVVSS·d))、2.88kgCODD去除/(m3·d)。普通活性性污泥法中FW=0.1～0.4kkgCOD//(kgVSSS·d)，FV=0.4～0.8kkgCOD//(m3·d)。顯然，與與之相比，MBR工藝的污泥泥負荷略低，而而體積負荷則則是普通活性性污泥法的3～7倍。3.7運行成本分分析MBR工藝回用城城市污水的運運行成本主要要由電費、藥藥劑費、人工工費等三部分分組成。其中中藥劑費主要要指膜組件化化學清洗所消消耗藥劑的費費用，在運行行周期3～5周的情況下下，該部分費費用占運行成成本的比例很很小，且所用用藥劑可分別別存放，經簡簡單沉淀后可可重復使用，因因此藥劑費可可忽略不計。同同時由于MBR工藝自動化化程度高，設設崗少，人工工費也較少。所所以，電費在在運行成本的的三個組成部部分中是最主主要的。本文文在此僅就MBR工藝回用城城市污水運行行成本中的電電費部分作一一估計。根據3.5計算，可得得總耗電功率率為492.55kW。回用城城市污水的電電耗為：E=P/QQ=492..5/2088.3≈2.36kkW·h/mm3按工業業用電0.5元/(kW··h)計算，MBR回用城市污污水的運行成成本約1.18元/m3。目前北京京市賓館、寫寫字樓等場所所的自來水費費為2.0元/m3，超過用水水指標的部分分還要加倍收收費。顯然，MBR工藝的出水水回用到賓館館、寫字樓等等處還是可行行的。3.88固定投資分分析①膜組件購置置費用以膜通通量F=0.115m3/(m2·h)為例，相當當于每m2的超濾膜組組件處理能力力為3.6mm3/d。國外每m2膜組件(包括壓力表表等附件)的售價約1.0～1.5萬元人民幣幣。因此，處處理1.0mm3/d所需進口膜膜組件的購置置費為2778～4167元人民幣。若采用用國產同類產產品的超濾膜膜組件（包括括壓力表等附附件），每m2膜組件的售售價約0.4～0.6萬元人民幣幣，處理1.0mm3/d所需膜組件件的購置費可可以降至1111～1667元人民幣。②膜循環回路路的雙泵系統統根據3.5選泵結果：：選用300S--19A型單級雙吸吸離心泵2臺(包括配套電電機)約需人民幣4萬；1200HHLB-122型立式離心心混流泵2臺（包括配配套電機）約約需人民幣110萬元，合計計共需人民幣幣114萬元。即處處理1.0m3/d的泵系統購購置費約228元人民幣。③處理構筑物物及附屬設備備從進水格柵柵到生物反應應器單元的土土建、管線、設設備等固定投投資費用計算算，借鑒傳統統二級生物處處理設計的經經驗：當設計計規模為5000m3/d時，處理1.0m3/d的固定投資資約需1800～2000元人民幣。綜合以以上三部分的的費用，處理理1.0mm3/d的城市污水水采用進口膜膜組件固定投投資為4806～6395元人民幣，其其中膜組件的的購置費占57.6％～65.2％。若采用用國產膜組件件，處理1.0m3/d的城市污水水只需固定投投資約3139～3895元人民幣，其其中膜組件的的購置費占35.4％～42.8％，此已和和采用生物接接觸氧化法為為主處理單元元的中水回用用工藝的固定定投資(處理1.0m3/d約3500元)相當，但MBR工藝的出水水水質要明顯顯優于生物接接觸氧化法。4結論①根據近近三年的中試試運行結果提提出的MBR工藝放大設設計基本原則則、方法和步步驟可成功地地應用于以某某居民小區城城市污水回用用為例的MBR工藝設計計計算。②MBR工藝處理城城市污水的運運行能耗約2.36kW·h//m3。處理規模1.0mm3/d的固定投資(采用國產膜膜組件)和采用生物物接觸氧化法法為主處理單單元的中水回回用工藝的固固定投資大致致相當，但前前者的出水水水質要明顯優優于后者。參考文獻1邢邢傳紅，TardiieuErric,錢易.無機膜--生物反應器器處理生活污污水試驗研究究.環境科學，1997；18(3)：1～42邢傳紅.陶瓷膜--生物反應器器工藝處理城城市廢水及膜膜堵塞機理研研究：［博士士學位論文］］.北京:清華大學環環境工程系，19983BaiileyAAD,HaansforrdGSS,DolddPL..The