管式膜-生物反应器处理城市污水的工艺设计

管式膜-生物反应器处理城市污水的工艺设计论文名称：管式式膜-生物反应器器处理城市污污水的工艺设设计作者：邢邢传红文湘华钱易摘要：：在中试的基基础上，提出出了膜--生物反应器器工艺设计的的基本原则、方方法、步骤。以以某居民小区区的中水回用用为目标进行行了模拟设计计计算，并探探讨了该工艺艺的运行能耗耗及固定投资资。关键字：：膜生物反应应器城市污水工艺设计膜——生物物反应器(MemmbrancceBiooreacttor，简称MBR)是膜分离与与生物处理技技术组合而成成的废水生物物处理新工艺艺［1］,具有对有机机污染物去除除效率高、出出水水质好、流流程简单、结结构紧凑等优优点，在废水水回用与资源源化领域具有有极为广阔的的应用前景［［3～6］。至今国内内外尚无MBR工艺放大设设计的成熟经经验和理论，设设计手册中亦亦无此实例可可资参考。因因此，探讨MBR工艺放大设设计具有十分分重要的工程程意义。1工艺设计基基本原则1.1MBR工工艺流程MBBR工艺流程如如图1所示。进水水由提升泵提提升至生物反反应器后与活活性污泥充分分混合，通过过微生物的新新陈代谢活动动使废水得以以净化。生物物反应器的混混合液则经加加压泵加压后后，送入膜组组件实现液固固分离，清水水透过膜流出出；浓缩液被被送回生物反反应器，参与与下一个循环环或经循环泵泵提速后再进进入膜组件。1.2放大设设计的基本原原则在近三年年的中试规模模试验研究期期间，对MBR工艺流程各各组成单元运运行特性的考考察表明：MBR工艺的放大大设计应主要要包括生物反反应器设计参参数选取、泵泵系统选择、膜膜组件选择等等几个方面。①生物反应器器参数的选取取。大量试验验研究显示：：采用MBR工艺处理城城市污水，污污泥负荷、体体积负荷已不不再是制约处处理效果的重重要指标［2］。根据中试试运行的经验验,可将水力停停留时间HRT、污泥停留留时间SRT作为MBR工艺生物反反应器单元的的设计依据，因因为这样不仅仅能确保工艺艺操作的长期期稳定性，而而且能简化设设计过程。②泵系统选择择。MBR工艺中加压压泵的特点是是扬程高、流流量小；而循循环泵则要求求扬程低、流流量大。考虑虑到加压泵和和循环泵并联联工作的需要要，两种泵的的扬程必须相相等，即H2=H3。泵流量的的选择，则只只需达到膜组组件对设计膜膜面流速的要要求即可。在在此前提下，为为节能起见，循循环泵的流量量宜大一些，而而加压泵的流流量宜小一些些(至少应满足Q2＞Q)。③膜组件选取取。膜组件是是MBR工艺的关键键组成单元，它它的选择对MBR工艺的运行行具有决定性性的作用。研研究表明：以以回用为目的的的城市污水水生物处理应应优先选用超超滤膜组件［［2］。膜通量是是膜组件设计计中最重要的的技术参数之之一。当处理理能力一定时时，设计选择择的膜通量越越高，所需的的膜面积就越越小，膜组件件部分的固定定投资就越少少；但另一方方面，MBR工艺的运行行周期也就会会越短，从而而增加膜组件件清洗的次数数和费用。因因此，在具体体的放大设计计中应兼顾工工艺的运行周周期和膜组件件的固定投资资两个方面。设设计运行周期期一般不小于于3周。2放大设计方方法与步骤2.1生物反反应器设计从从中试结果来来看：当进水水COD为50～22344mg/LL，SS为80～13277mg/LL，HRT在2.0～5.0h范围内时，系系统运行的稳稳定性以及对对污染物的处处理效果均较较好。SRT的选取则相相对灵活得多多，例如根据据硝化的需要要可选用一个个较长的SRT。生物物反应器中微微生物浓度X(即污泥浓度)的理论计算算公式［2］如下：(1)式中Ci---进水COD浓度Ce---出水COD浓度Csup----污泥上清液COD浓度MBR工艺艺的生物反应应器宜设计成成完全混合式式，其形状可可根据具体情情况选用，相相应尺寸亦很很容易确定。这这里以圆形生生物反应器为为例进行计算算，设计采用用生物反应器器n3座(考虑工程实实际，n3≥2)，有效水深深为h，则每座生生物反应器的的直径为：D=((44×V)/((n3×h×π))0.5(2)式中V----生物反应器器体积2.22膜组件设计计根据试验结结果［2］,建议超滤膜的通量F取0.1～0.2m3/(m2·h)(膜孔径为450nnm)，设计运行行周期则为3～5周。所需膜膜组件的有效效面积为：A=Q/FF(3)若已知知膜组件制造造厂家给定的的基本参数，可可容易地计算算出所需的膜膜组件数：N=A/AA0(4)式中A----膜组件的有有效面积A0---单个膜组件件的有效面积积进而，可可利用式(5)求出膜组件件通道的总横横截面积：A截＝N××n1×n2×π×(d/22)2(5)2.3曝气装装置设计为有有效利用高速速循环的污泥泥混合液的能能量，建议采采用射流曝气气装置进行曝曝气，具体可可参阅《给水水排水设计手手册》第5册。一般，射射流曝气器的的工作压力在在98～196kkPa,建议回流流流量Qr取2Q。2.4选泵计算提升升泵的选择较较为简单，只只需满足设计计流量Q、提升高度H1即可，可直直接查《给水水排水设计手手册》第11册进行选泵泵。流经膜面面的总流量Qt则可由最小小膜面流速与与膜组件横截截面积的乘积积来计算，而而最小膜面流流速和生物反反应器中的污污泥浓度线性性相关［2］。从图1中的流量平平衡关系可知知，流经膜面面的总流量Qt等于加压泵泵与循环泵的的流量之和。加加压泵扬程H2的选择非常常重要，必须须能够满足膜膜组件过滤操操作对压力的的需要以及整整个系统管路路的沿程、局局部水头损失失。根据中试试经验，加压压泵的扬程H2≥147.11kPa即可。为达达到经济的目目的，加压泵泵流量的选择择应尽量小并并使运行工况况尽可能在最最佳状态。如如果考虑到射射流曝气的需需要，加压泵泵的流量须满满足：Q2≥Qr+Q(6)若不考考虑射流曝气气的需要，在在实际MBR工艺的运行行中则只须：：Q2≥Q(7)选泵时时可参考泵生生产厂家给定定的技术参数数，使Q2大于Q有一个余量量，确保工艺艺长期稳定的的运行。循环泵流量量Q3等于流经膜膜面的总流量量和加压泵流流量Q2之差(由于循环、加加压泵并联工工作)。2.5污泥负荷、体体积负荷校核核MBR工艺的污泥泥负荷比普通通活性污泥法法略低，而体体积负荷则是是普通活性污污泥法的数倍倍。换句话说说，与普通活活性污泥法相相比，这种工工艺不仅对污污染物去除效效率高，而且且占地面积可可以很小。3放大设计计计算实例3.1基本设设计资料①设计流量模拟设计计以北京西北北郊某居民小小区的中水回回用为目标，设设计服务人口口为2.5万人。考虑虑到公共建筑筑及服务设施施用水，用水水指标取为200LL/(人·d)。拟采采用MBR工艺进行处处理并回用，故故障检修时则则将全部或部部分污水排入入城市污水收收集系统。②进、出水设设计水质设计水质选选取中等强度度的城市污水水，参考中试试的近三年运运行结果，确确定进、出水水设计水质如如表1。③流程与装置置参阅图1。3.2膜组件计算算①膜组件数设计采采用超滤膜组组件，膜通量量F取0.15m3/(m2·h)(膜孔径为450nnm)，运行周期3～5周。以ModullesKEERASEPPTM系列产品K07BCC1XX为例，每根根膜长1200mm，直径25mm，内有19个通道，通通道内径约3.5mmm,7根膜装配成成一个膜组件件，膜组件直直径约为100mmm，每个膜组组件的有效表表面积为1.72m2。②膜组件的通通道总横截面面积及安装占占地面积已知知膜组件有关关尺寸，可由由式(5)得到膜组件件通道总横截截面积A截及占地面积A占。3.3生物反应器器计算①生物反应器器中的污泥浓浓度根据2.1的分析，取SRT=115d、HRT=44h，可得生物物反应器中的的污泥浓度X。②生物反应器器的直径设生物物反应器为圆圆形完全混合合式，有效水水深h=3.00m，可由式(2)得到D。上述各各参数见表1。表1MBR工艺设计的的基本参数Q(m3/hh)208.3进水水质CODi(mg/L)500SSi(mg/L)200出水水质CODe(mg/L)20SSe(mg/L)0生物反应器设计计参数CODsup(mg/L)50X(g/L)11.1V(m3)833D(m)13.3膜组件设计参数数A(m2)1389A截(m2)1.02A占(m2)8.08N(个)8083.4曝气部部分计算根据2.3的分析，采采用射流曝气气，查《给水水排水设计手手册》第5册选用射流流流量Qr≥2Q，此处即416.66m3/h;工作压力Hr要求98～147MMPa。3.5选泵计算①提升泵由2.4的分析知，污污水提升泵的的选择较为简简单，只需满满足设计流量量Q、提升高度H1即可。其基基本参数见表表2。②加压泵为节能需要要，设计采用用射流曝气。根根据式(6)和2.4节的分析，确确定加压泵的的设计流量应应为：Q2≥624.99m3/h。此处处取加压泵的的流量Q2=800m3/h，扬程H2=161..8kPaa，已能满足足超滤操作的的需要。其基基本参数见表表2。③循环泵循环泵的设设计流量Q3主要功能是是为膜组件提提供适宜的膜膜面流速，以以减缓膜堵塞塞的发生；而而扬程H3还应满足与与加压泵并联联工作的需要要。选泵结果果见表2。表2设计泵的基基本参数泵型电机功率(kWW)流量(m3/hh)扬程(kPa))转速(r/miin)效率(%)提升泵IS150-1125-200A清水泵7.5加压泵300S-199A4.5800161.7145078循环泵300S-199A12000HLB-112立式离心混流泵泵4409000156.848584台数各2台，1用11备3.6污泥负负荷、体积负负荷校核经校校核污泥负荷荷FW、体积负荷FV分别为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)。显然，与与之相比，MBR工艺的污泥泥负荷略低，而而体积负荷则则是普通活性性污泥法的3～7倍。3.7运行成本分分析MBR工艺回用城城市污水的运运行成本主要要由电费、药药剂费、人工工费等三部分分组成。其中中药剂费主要要指膜组件化化学清洗所消消耗药剂的费费用，在运行行周期3～5周的情况下下，该部分费费用占运行成成本的比例很很小，且所用用药剂可分别别存放，经简简单沉淀后可可重复使用，因因此药剂费可可忽略不计。同同时由于MBR工艺自动化化程度高，设设岗少，人工工费也较少。所所以，电费在在运行成本的的三个组成部部分中是最主主要的。本文文在此仅就MBR工艺回用城城市污水运行行成本中的电电费部分作一一估计。根据3.5计算，可得得总耗电功率率为492.55kW。回用城城市污水的电电耗为：E=P/QQ=492..5/2088.3≈2.36kkW·h/mm3按工业业用电0.5元/(kW··h)计算，MBR回用城市污污水的运行成成本约1.18元/m3。目前北京京市宾馆、写写字楼等场所所的自来水费费为2.0元/m3，超过用水水指标的部分分还要加倍收收费。显然，MBR工艺的出水水回用到宾馆馆、写字楼等等处还是可行行的。3.88固定投资分分析①膜组件购置置费用以膜通通量F=0.115m3/(m2·h)为例，相当当于每m2的超滤膜组组件处理能力力为3.6mm3/d。国外每m2膜组件(包括压力表表等附件)的售价约1.0～1.5万元人民币币。因此，处处理1.0mm3/d所需进口膜膜组件的购置置费为2778～4167元人民币。若采用用国产同类产产品的超滤膜膜组件（包括括压力表等附附件），每m2膜组件的售售价约0.4～0.6万元人民币币，处理1.0mm3/d所需膜组件件的购置费可可以降至1111～1667元人民币。②膜循环回路路的双泵系统统根据3.5选泵结果：：选用300S--19A型单级双吸吸离心泵2台(包括配套电电机)约需人民币4万；1200HHLB-122型立式离心心混流泵2台（包括配配套电机）约约需人民币110万元，合计计共需人民币币114万元。即处处理1.0m3/d的泵系统购购置费约228元人民币。③处理构筑物物及附属设备备从进水格栅栅到生物反应应器单元的土土建、管线、设设备等固定投投资费用计算算，借鉴传统统二级生物处处理设计的经经验：当设计计规模为5000m3/d时，处理1.0m3/d的固定投资资约需1800～2000元人民币。综合以以上三部分的的费用，处理理1.0mm3/d的城市污水水采用进口膜膜组件固定投投资为4806～6395元人民币，其其中膜组件的的购置费占57.6％～65.2％。若采用用国产膜组件件，处理1.0m3/d的城市污水水只需固定投投资约3139～3895元人民币，其其中膜组件的的购置费占35.4％～42.8％，此已和和采用生物接接触氧化法为为主处理单元元的中水回用用工艺的固定定投资(处理1.0m3/d约3500元)相当，但MBR工艺的出水水水质要明显显优于生物接接触氧化法。4结论①根据近近三年的中试试运行结果提提出的MBR工艺放大设设计基本原则则、方法和步步骤可成功地地应用于以某某居民小区城城市污水回用用为例的MBR工艺设计计计算。②MBR工艺处理城城市污水的运运行能耗约2.36kW·h//m3。处理规模1.0mm3/d的固定投资(采用国产膜膜组件)和采用生物物接触氧化法法为主处理单单元的中水回回用工艺的固固定投资大致致相当，但前前者的出水水水质要明显优优于后者。参考文献1邢邢传红，TardiieuErric,钱易.无机膜--生物反应器器处理生活污污水试验研究究.环境科学，1997；18(3)：1～42邢传红.陶瓷膜--生物反应器器工艺处理城城市废水及膜膜堵塞机理研研究：［博士士学位论文］］.北京:清华大学环环境工程系，19983BaiileyAAD,HaansforrdGSS,DolddPL..The