北小河污水廠MBR工藝運(yùn)行與膜清洗方案分析
摘要: 通過對(duì)北小河污水處理廠MBR 工藝全年的運(yùn)行情況進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)雖然進(jìn)水的污染物濃度有較大的波動(dòng), 但其出水水質(zhì)穩(wěn)定, 各項(xiàng)指標(biāo)的全年達(dá)標(biāo)天數(shù)> 355 d, 基本滿足城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì) ( GB /T 18920-2002)的要求; 進(jìn)水有機(jī)物濃度是影響總氮去除的主要因素, 而較高的污泥濃度可以減小低溫對(duì)處理系統(tǒng)的影響; 膜過濾單元長時(shí)間運(yùn)行后, 僅通過化學(xué)清洗并不能很好地恢復(fù)其透水性能, 需進(jìn)行離線清洗。
關(guān)鍵詞: 膜生物反應(yīng)器; 污水處理; 中水回用; 膜清洗
隨著世界水資源的不斷消耗, 水問題已經(jīng)成為全球性問題, 為了實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用, 污水處理后回用已經(jīng)是一個(gè)不可回避的事實(shí)。膜生物反應(yīng)器(MBR ) 是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù), 因其出水水質(zhì)能達(dá)到生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 可滿足一般的中水回用要求, 且該工藝占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定、管理方便、污泥產(chǎn)量少, 使其在中水回用領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[ 1、2] 。
1 北小河污水處理廠二期工程簡介
為了緩解北京市的水資源短缺問題, 承擔(dān)為北京奧林匹克公園提供景觀用水的使命, 北京城市排水集團(tuán)于2006年開始籌建北小河污水處理廠二期工程, 并于2008年4月完成施工并投入運(yùn)行, 主體工藝采用MBR 工藝, 設(shè)計(jì)處理能力為6×104 t /d, 主要處理奧運(yùn)村及北苑地區(qū)的生活污水, 處理后的出水通過中水管網(wǎng)輸送給用戶, 處理工藝流程如圖 1所示。
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原水先經(jīng)過8 mm 的細(xì)格柵后, 由進(jìn)水提升泵提升到曝氣沉砂池, 其出水經(jīng)1 mm 的細(xì)格柵過濾后進(jìn)入MBR 生物反應(yīng)池, 生物反應(yīng)池采用UCT 工藝, 有機(jī)物、氮、磷等污染物在生物池中被去除, 同時(shí)在系統(tǒng)中設(shè)有化學(xué)除磷設(shè)施, 輔助生物除磷; 循環(huán)泵將生物池內(nèi)的混合液提升至膜池進(jìn)行固液分離, 膜過濾出水經(jīng)消毒后配送到再生水管網(wǎng)。MBR 處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù): MBR 反應(yīng)池共4 個(gè), 依次為厭氧池、缺氧池、好氧池和膜池, 厭氧池、缺氧池和好氧池的HRT分別為1. 65、5. 35和7 h; COD、TN、TP和SS 負(fù)荷設(shè)計(jì)值分別為33 000、3 900、600、20 400 kg /d, SRT的設(shè)計(jì)值為16. 6 d; 超濾膜的直徑為0. 04μm, 最大膜通量為16. 8 L / ( m2·h) , 設(shè)計(jì)膜通量為13. 7 L / (m2·h) ; 比曝氣能耗為0. 27 m3 / ( m2·h)。
2 2009年全年運(yùn)行效果與分析
2.1 進(jìn)水水質(zhì)
2009年北小河污水處理廠全年的進(jìn)水水質(zhì)情況見表1。
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從表1可以看出, 全年進(jìn)水中各項(xiàng)指標(biāo)均有較大幅度的波動(dòng), 進(jìn)水中有機(jī)物、懸浮物、TP濃度的波動(dòng)幅度要大于TN 濃度的, 進(jìn)水中污染物濃度的大幅度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致MBR 處理負(fù)荷的較大波動(dòng)。污水中的有機(jī)物濃度是制約處理系統(tǒng)去除氮、磷污染物的關(guān)鍵因素, 從北小河污水處理廠的全年進(jìn)水水質(zhì)可以看出, 其COD /TN 值在8. 6左右, COD /TP值在 70左右, 進(jìn)水中有機(jī)碳源豐富, 有利于系統(tǒng)對(duì)氮、磷的去除。
2.2 運(yùn)行效果
2009年MBR 處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)見表2。
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由表2可知, MBR 系統(tǒng)在2009年全年均表現(xiàn)出良好的處理效果, 對(duì)COD、BOD5、SS、NH+ 4 - N、TN 和TP 的平均去除率分別為96. 4%、99. 1% 、 98. 4%、98. 8% 、79. 5%、96. 2% 。與《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》( GB /T 18920-2002)標(biāo)準(zhǔn)相比, MBR處理系統(tǒng)的出水水質(zhì), 除總大腸菌群外, 其他指標(biāo)均可基本達(dá)標(biāo), 全年的達(dá)標(biāo)天數(shù)均在355 d 以上。而對(duì)于總大腸菌群, 由于取樣點(diǎn)位于ClO2 投加點(diǎn)之前, 該指標(biāo)的超標(biāo)天數(shù)較多。
從MBR 系統(tǒng)全年的運(yùn)行效果可以看出, 雖然進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大, 但是MBR處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)非常穩(wěn)定, 表現(xiàn)出了良好的抗沖擊負(fù)荷能力, 特別是對(duì) COD、SS、濁度等指標(biāo)的處理效果, 較常規(guī)二級(jí)生物處理工藝的穩(wěn)定, 不會(huì)因發(fā)生污泥膨脹等問題而導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化, 符合中水回用對(duì)水質(zhì)安全性和穩(wěn)定性的要求。
2.3 影響因素
2.3.1 影響TN去除的因素分析
在整個(gè)MBR系統(tǒng)中, 對(duì)TN 的去除主要發(fā)生在生化反應(yīng)區(qū), 影響TN 去除的因素主要有: 進(jìn)水中的有機(jī)物濃度、內(nèi)回流比及由好氧區(qū)回流到缺氧區(qū)的溶解氧( DO )濃度。因本系統(tǒng)好氧區(qū)的DO 濃度采用在線探頭反饋控制, 其值基本維持在1. 5 ~ 2. 0 mg /L之間, 比較穩(wěn)定, 因此影響系統(tǒng)中TN 去除的因素主要為進(jìn)水有機(jī)物濃度和內(nèi)回流比。
進(jìn)水有機(jī)物濃度對(duì)TN 去除的影響如圖2 所示？芍, 當(dāng)進(jìn)水COD 在450~ 750 mg /L之間變化時(shí), 對(duì)TN 的去除量也隨之變化, 并表現(xiàn)出良好的一致性。而當(dāng)內(nèi)回流比在450% ~ 700% 之間變化時(shí), 對(duì)TN 的去除量并不隨之變化, 兩者之間未表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。由此可知, 影響MBR 系統(tǒng)去除TN 的主要因素為進(jìn)水有機(jī)物濃度, 而該系統(tǒng)的內(nèi)回流比較大, 對(duì)TN 的去除基本無影響, 因此在今后的運(yùn)行中可以適當(dāng)降低系統(tǒng)的內(nèi)回流比, 以減少能耗。
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2.3.2 溫度與MLSS對(duì)MBR處理效果的影響
由于MBR 系統(tǒng)中設(shè)有化學(xué)除磷設(shè)施, 因此只討論溫度與MLSS對(duì)有機(jī)物和氨氮去除的影響。北小河污水處理廠位于北方地區(qū), 2009年最低運(yùn)行水溫在13℃左右, 全年有4個(gè)月的水溫< 15℃。生物硝化反應(yīng)可以在4~ 45℃的范圍內(nèi)進(jìn)行, 而亞硝酸菌的最佳生長溫度為35℃, 硝酸菌的最佳生長溫度為35~ 42℃, 較低的溫度會(huì)影響硝化菌的活性[ 3] 。圖3為2009年MBR系統(tǒng)中水溫與MLSS的變化。
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由圖3可知, 北小河污水處理廠2009年全年的運(yùn)行溫度在12. 8~ 26. 2℃之間, 生物反應(yīng)池中的 MLSS保持在7 200 mg /L以上。而全年對(duì)COD 的去除率在94. 4% ~ 97. 6% 之間, 對(duì)氨氮的去除率在 96. 5% ~ 99. 7%之間, 較低的溫度并未對(duì)有機(jī)物的去除及硝化反應(yīng)產(chǎn)生明顯的影響。這可能是因?yàn)?MBR系統(tǒng)中的污泥濃度較高, 參加生化反應(yīng)的活性污泥總量較大, 對(duì)溫度具有較強(qiáng)的抗沖擊能力, 這與白曉慧等人的研究結(jié)論一致, 其通過大慶乘風(fēng)莊污水處理廠5年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得出: 通過保持較高的污泥濃度、控制系統(tǒng)的較低負(fù)荷, 在較低的水溫下仍可保持較高的硝化效率[ 4] 。
3 超濾膜的維護(hù)
3.1 常規(guī)的膜維護(hù)方案
在MBR 運(yùn)行過程中, 由于產(chǎn)水泵的負(fù)壓抽吸作用, 混合液中的微生物、懸浮顆粒、膠體、EPS(附著在微生物細(xì)胞外的胞外聚合物)、SMP(溶解在水體中的胞外聚合物)等物質(zhì)在膜表面不斷堆積, 造成膜的污染。合理的運(yùn)行工況和有效的膜清洗方案可以減緩膜污染速率, 減少化學(xué)清洗頻率, 節(jié)省藥劑。 MBR系統(tǒng)主要采用松歇、反沖洗、維護(hù)性清洗和化學(xué)在線清洗4種手段對(duì)超濾膜進(jìn)行維護(hù), 各種清洗均在膜池內(nèi)原位進(jìn)行, 無需異位清洗。
3.1.1 松歇
在松歇階段, 膜過濾過程停止, 跨膜壓差降至零, 濾餅層發(fā)生輕微膨脹; 此時(shí)繼續(xù)進(jìn)水并鼓風(fēng)曝氣, 將部分濾餅從膜絲表面沖洗下來。在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行過程中, 松歇的頻率為12m in一次, 每次歷時(shí)60 s。
3.1.2 反沖洗
MBR系統(tǒng)的反沖洗流量為140 L / s, 反沖洗時(shí)的膜通量為22 L / ( m2·h), 反沖洗頻率為12 m in 一次, 整個(gè)反沖洗歷時(shí)40 s, 其中包括15 s的松歇、 20 s的反沖洗和5 s的延遲。
3.1.3. 維護(hù)性清洗
一般超濾膜運(yùn)行1~ 2 周即進(jìn)行一次維護(hù)性清洗(也稱之為化學(xué)反沖洗) , 采用含次氯酸的過濾液對(duì)膜組件進(jìn)行反沖洗, 耗時(shí)約30 m in。維護(hù)性清洗在鼓風(fēng)曝氣且停止進(jìn)混合液的狀態(tài)下進(jìn)行。
3.1.4. 化學(xué)在線清洗
每隔3個(gè)月進(jìn)行一次次氯酸鈉在線清洗, 每隔 6個(gè)月進(jìn)行一次檸檬酸在線清洗, 分別去除有機(jī)與無機(jī)污染物。清洗過程: 清空膜池后, 在膜池內(nèi)加入稀釋的化學(xué)藥劑進(jìn)行循環(huán)和浸泡清洗。
3.2 不同清洗方案的對(duì)比
北小河污水處理廠的MBR 工藝自投入使用至 2009年10月均采用常規(guī)的化學(xué)清洗方案, 具體見表3。通過化學(xué)清洗可將膜絲表面的濾餅層及凝膠層去除, 恢復(fù)膜的透水性能; 但隨著運(yùn)行時(shí)間的增長, 膜元件局部出現(xiàn)較厚的濾餅層, 常規(guī)的化學(xué)清洗并不能獲得理想的效果, 透水率只能恢復(fù)到600~ 700 L / (m2·h·MPa), 而正常情況下透水率應(yīng)恢復(fù)到1 000 L / (m2·h·MPa)左右。
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為了獲得較好的化學(xué)清洗效果, 對(duì)化學(xué)清洗方案進(jìn)行了改進(jìn), 將化學(xué)藥劑浸泡并曝氣的時(shí)間由30 m in提高到6 h; 同時(shí)在清洗過程中發(fā)現(xiàn), 每個(gè)循環(huán)后NaC lO濃度都有一定的降低, 特別是在第一個(gè)循環(huán)后, 為此在每個(gè)循環(huán)結(jié)束后, 手動(dòng)補(bǔ)藥將NaC lO 濃度恢復(fù)到初始值。改進(jìn)的化學(xué)清洗方案可以將膜的透水率恢復(fù)到800~ 1 000 L / (m2 · h· MPa)。但通過將膜架移出觀察發(fā)現(xiàn), 仍有局部濾餅層未被清洗掉, 為了較徹底地恢復(fù)膜的透水性能, 將超濾膜進(jìn)行手動(dòng)離線清洗, 并輔以簡單的化學(xué)清洗, 離線清洗后膜的透水率可恢復(fù)到1 350~ 1 500 L / ( m2 · h· MPa), 透水性能得到了較理想的恢復(fù)。
4 結(jié)論
① 北小河污水處理廠的MBR 工藝在2009年全年運(yùn)行效果穩(wěn)定, 且出水水質(zhì)基本能夠滿足城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì) ( GB /T 18920! 2002)的要求, 該工程的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)一步印證了MBR 工藝用于污水再生回用的可行性。
② 在設(shè)有化學(xué)除磷系統(tǒng)的MBR 工藝中, 當(dāng)內(nèi)回流比較高時(shí), 進(jìn)水有機(jī)物濃度是影響TN 去除的主要因素。
③ 在冬季低溫條件下, MBR 系統(tǒng)仍能保持較好的處理效果, 較高的污泥濃度可減小低溫對(duì)MBR 處理效果的影響。
④ MBR工藝經(jīng)過較長時(shí)間的運(yùn)行后, 膜元件局部會(huì)產(chǎn)生較厚的濾餅層, 僅采用化學(xué)清洗不能使膜的透水性能得到較好的恢復(fù), 建議采用離線清洗方法。
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