管式膜——生物反应器处理城市污水的工艺设计

邢传红 文湘华 钱易
(清华大学环境科学与工程系)

　　摘要 在中试的基础上，提出了膜--生物反应器工艺设计的基本原则、方法、步骤。以某居民小区的中水回用为目标进行了模拟设计计算，并探讨了该工艺的运行能耗及固定投资。
　　关键词 膜生物反应器 城市污水 工艺设计

　　膜——生物反应器( Membrance Bioreactor，简称MBR)是膜分离与生物处理技术组合而成的废水生物处理新工艺^［１］,具有对有机污染物去除效率高、出水水质好、流程简单、结构紧凑等优点，在废水回用与资源化领域具有极为广阔的应用前景^［3～6］。至今国内外尚无MBR工艺放大设计的成熟经验和理论，设计手册中亦无此实例可资参考。因此，探讨MBR工艺放大设计具有十分重要的工程意义。

1 工艺设计基本原则

1.1MBR工艺流程
　　MBR工艺流程如图1所示。进水由提升泵提升至生物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废水得以净化。生物反应器的混合液则经加压泵加压后，送入膜组件实现液固分离，清水透过膜流出；浓缩液被送回生物反应器，参与下一个循环或经循环泵提速后再进入膜组件。?

1.2 放大设计的基本原则
　　在近三年的中试规模试验研究期间，对MBR工艺流程各组成单元运行特性的考察表明：MBR工艺的放大设计应主要包括生物反应器设计参数选取、泵系统选择、膜组件选择等几个方面。
　　① 生物反应器参数的选取。大量试验研究显示：采用MBR工艺处理城市污水，污泥负荷、体积负荷已不再是制约处理效果的重要指标^［2］。根据中试运行的经验,可将水力停留时间HRT、污泥停留时间SRT作为MBR工艺生物反应器单元的设计依据，因为这样不仅能确保工艺操作的长期稳定性，而且能简化设计过程。?
　　② 泵系统选择。MBR工艺中加压泵的特点是扬程高、流量小；而循环泵则要求扬程低、流量大。考虑到加压泵和循环泵并联工作的需要，两种泵的扬程必须相等，即H₂=H₃。泵流量的选择，则只需达到膜组件对设计膜面流速的要求即可。在此前提下，为节能起见，循环泵的流量宜大一些，而加压泵的流量宜小一些(至少应满足Q₂＞Q)。?
　　③ 膜组件选取。膜组件是MBR工艺的关键组成单元，它的选择对MBR工艺的运行具有决定性的作用。研究表明：以回用为目的的城市污水生物处理应优先选用超滤膜组件^［2］。膜通量是膜组件设计中最重要的技术参数之一。当处理能力一定时，设计选择的膜通量越高，所需的膜面积就越小，膜组件部分的固定投资就越少；但另一方面，MBR工艺的运行周期也就会越短，从而增加膜组件清洗的次数和费用。因此，在具体的放大设计中应兼顾工艺的运行周期和膜组件的固定投资两个方面。设计运行周期一般不小于3周。

2 放大设计方法与步骤

2.1 生物反应器设计
　　从中试结果来看：当进水COD为50～2 234 mg/L，SS为80～1 327 mg/L，HRT在2.0～5.0 h范围内时，系统运行的稳定性以及对污染物的处理效果均较好。SRT的选取则相对灵活得多，例如根据硝化的需要可选用一个较长的SRT。
　　生物反应器中微生物浓度X(即污泥浓度)的理论计算公式^［2］如下：

　　　　　　　(1)
　　式中　C_i--- 进水COD浓度?
　　　　　C_e--- 出水COD浓度?
　　　　　C_sup --- 污泥上清液COD浓度?

　　MBR工艺的生物反应器宜设计成完全混合式，其形状可根据具体情况选用，相应尺寸亦很容易确定。这里以圆形生物反应器为例进行计算，设计采用生物反应器n₃座(考虑工程实际，n₃≥2)，有效水深为h，则每座生物反应器的直径为：

　　D=((4×V)/(n₃×h×π))^0.5　　　　　　　　　　　(2)
　　式中　V --- 生物反应器体积
2.2 膜组件设计
　　根据试验结果^［2］?,建议超滤膜的通量F取0.1～0.2 m³/(m²·h)(膜孔径为450 nm)，设计运行周期则为3～5周。所需膜组件的有效面积为：
　　A=Q/F 　　　　(3)?
　　若已知膜组件制造厂家给定的基本参数，可容易地计算出所需的膜组件数：?
　　N=A/A₀ 　　　　(4)?
　　式中　A --- 膜组件的有效面积?
　　　　　A₀ --- 单个膜组件的有效面积?
　　进而，可利用式(5)求出膜组件通道的总横截面积：

　　A_截＝N×n₁×n₂×π×(d/2)²　　　　　　　　(5)

2.3 曝气装置设计
　　为有效利用高速循环的污泥混合液的能量，建议采用射流曝气装置进行曝气，具体可参阅《给水排水设计手册》第5册。一般，射流曝气器的工作压力在98～196 kPa,建议回流流量 Q_r 取 2Q。
2.4 选泵计算
　　提升泵的选择较为简单，只需满足设计流量Q、提升高度 H₁ 即可，可直接查《给水排水设计手册》第11册进行选泵。流经膜面的总流量 Q_t 则可由最小膜面流速与膜组件横截面积的乘积来计算，而最小膜面流速和生物反应器中的污泥浓度线性相关^［2］。
　　从图1中的流量平衡关系可知，流经膜面的总流量 Q_t 等于加压泵与循环泵的流量之和。加压泵扬程 H₂ 的选择非常重要，必须能够满足膜组件过滤操作对压力的需要以及整个系统管路的沿程、局部水头损失。根据中试经验，加压泵的扬程H₂≥147.1 kPa即可。为达到经济的目的，加压泵流量的选择应尽量小并使运行工况尽可能在最佳状态。如果考虑到射流曝气的需要，加压泵的流量须满足：
　　Q₂≥Q_r+Q 　　　　(6)
　　若不考虑射流曝气的需要，在实际MBR工艺的运行中则只须：
　　Q₂≥Q 　　　　　　(7)
　　选泵时可参考泵生产厂家给定的技术参数，使Q₂大于Q有一个余量，确保工艺长期稳定的运行。
　　循环泵流量Q₃等于流经膜面的总流量和加压泵流量Q₂之差(由于循环、加压泵并联工作)。
　　2.5 污泥负荷、体积负荷校核
　　MBR工艺的污泥负荷比普通活性污泥法略低，而体积负荷则是普通活性污泥法的数倍。换句话说，与普通活性污泥法相比，这种工艺不仅对污染物去除效率高，而且占地面积可以很小。

3 放大设计计算实例

3.1 基本设计资料
　　① 设计流量
　　模拟设计以北京西北郊某居民小区的中水回用为目标，设计服务人口为2.5万人。考虑到公共建筑及服务设施用水，用水指标取为200 L/(人·d )。
　　拟采用MBR工艺进行处理并回用，故障检修时则将全部或部分污水排入城市污水收集系统。
　　② 进、出水设计水质
　　设计水质选取中等强度的城市污水，参考中试的近三年运行结果，确定进、出水设计水质如表1。
　　③ 流程与装置参阅图1。
　　3.2 膜组件计算
　　① 膜组件数?
　　设计采用超滤膜组件，膜通量F取0.15 m³/(m²·h)(膜孔径为450 nm)，运行周期3～5周。?
　　以Modules KERASEP^TM系列产品K07BC1XX为例，每根膜长1200 mm，直径25 mm，内有19个通道，通道内径约3.5 mm,7根膜装配成一个膜组件，膜组件直径约为100 mm，每个膜组件的有效表面积为1.72 m²。?　
　　② 膜组件的通道总横截面积及安装占地面积已知膜组件有关尺寸，可由式(5)得到膜组件通道总横截面积A_截及占地面积A_占。
　　3.3 生物反应器计算
　　① 生物反应器中的污泥浓度?
　　根据2.1的分析，取SRT=15 d、HRT=4 h，可得生物反应器中的污泥浓度X。?
　　② 生物反应器的直径?
　　设生物反应器为圆形完全混合式，有效水深h=3.0 m，可由式(2)得到D。?
　　上述各参数见表1。

3.4 曝气部分计算
　　根据2.3的分析，采用射流曝气，查《给水排水设计手册》第5册选用射流流量Q_r≥2Q，此处即416.6 m³/h;工作压力H_r要求98～147 MPa。
3.5 选泵计算
　　① 提升泵
　　由2.4的分析知，污水提升泵的选择较为简单，只需满足设计流量Q、提升高度H₁即可。其基本参数见表2。
　　② 加压泵
　　为节能需要，设计采用射流曝气。根据式(6)和2.4节的分析，确定加压泵的设计流量应为：Q₂≥624.9 m³/h。
　　此处取加压泵的流量Q₂=800 m³/h，扬程H₂=161.8 kPa，已能满足超滤操作的需要。其基本参数见表2。
　　③ 循环泵
　　循环泵的设计流量Q₃主要功能是为膜组件提供适宜的膜面流速，以减缓膜堵塞的发生；而扬程H₃还应满足与加压泵并联工作的需要。选泵结果见表2。

3.6 污泥负荷、体积负荷校核
　　经校核污泥负荷F_W、体积负荷F_V分别为0。14 kgCOD_去除/(kgVSS·d)、2.88 kgCOD_去除/(m³·d)。普通活性污泥法中F_W=0.1～0.4 kgCOD/(kgVSS·d)，F_V=0.4～0.8 kgCOD/(m³·d)。显然，与之相比，MBR工艺的污泥负荷略低，而体积负荷则是普通活性污泥法的3～7倍。
3.7 运行成本分析
　　MBR工艺回用城市污水的运行成本主要由电费、药剂费、人工费等三部分组成。其中药剂费主要指膜组件化学清洗所消耗药剂的费用，在运行周期3～5周的情况下，该部分费用占运行成本的比例很小，且所用药剂可分别存放，经简单沉淀后可重复使用，因此药剂费可忽略不计。同时由于MBR工艺自动化程度高，设岗少，人工费也较少。所以，电费在运行成本的三个组成部分中是最主要的。本文在此仅就MBR工艺回用城市污水运行成本中的电费部分作一估计。?
　　根据3.5计算，可得总耗电功率为492.5 kW。?
　　回用城市污水的电耗为：
　　E=P/Q=492.5/208.3≈2.36kW·h/m³
　　按工业用电0.5 元/(kW·h)计算，MBR回用城市污水的运行成本约1.18 元/m³。目前北京市宾馆、写字楼等场所的自来水费为2.0 元/m³，超过用水指标的部分还要加倍收费。显然，MBR工艺的出水回用到宾馆、写字楼等处还是可行的。
3.8 固定投资分析
　　① 膜组件购置费用?
　　以膜通量F=0.15 m³/(m²·h)为例，相当于每m²的超滤膜组件处理能力为3.6 m³/d。国外每m²膜组件(包括压力表等附件)的售价约1.0～1.5万元人民币。因此，处理1.0 m³/d所需进口膜组件的购置费为2778～4167元人民币。?
　　若采用国产同类产品的超滤膜组件（包括压力表等附件），每m²膜组件的售价约0.4～0.6万元人民币，处理1.0 m³/d所需膜组件的购置费可以降至1111～1667元人民币。?
　　② 膜循环回路的双泵系统?
　　根据3.5选泵结果：选用300S-19A型单级双吸离心泵2台(包括配套电机)约需人民币4万；1200HLB-12型立式离心混流泵2台（包括配套电机）约需人民币110万元，合计共需人民币114万元。即处理1.0m³/d的泵系统购置费约228元人民币。?
　　③ 处理构筑物及附属设备从进水格栅到生物反应器单元的土建、管线、设备等固定投资费用计算，借鉴传统二级生物处理设计的经验：当设计规模为5000 m³/d时，处理1.0m³/d的固定投资约需1800～2000元人民币。?
　　综合以上三部分的费用，处理1.0 m³/d的城市污水采用进口膜组件固定投资为4 806～6 395元人民币，其中膜组件的购置费占57.6％～65.2％。若采用国产膜组件，处理1.0m³/d的城市污水只需固定投资约3139～3895元人民币，其中膜组件的购置费占35.4％～42.8％，此已和采用生物接触氧化法为主处理单元的中水回用工艺的固定投资(处理1.0m³/d约3500元)相当，但MBR工艺的出水水质要明显优于生物接触氧化法。

4 结论

　　① 根据近三年的中试运行结果提出的MBR工艺放大设计基本原则、方法和步骤可成功地应用于以某居民小区城市污水回用为例的MBR工艺设计计算。?
　　② MBR工艺处理城市污水的运行能耗约2.36 kW·h/m³。处理规模1.0 m³/d的固定投资(采用国产膜组件)和采用生物接触氧化法为主处理单元的中水回用工艺的固定投资大致相当，但前者的出水水质要明显优于后者。

参考文献
　　1 邢传红，Tardieu Eric,钱易. 无机膜--生物反应器处理生活污水试验研究. 环境科学，1997；18(3)：1～4
　　2 邢传红. 陶瓷膜--生物反应器工艺处理城市废水及膜堵塞机理研究：［博士学位论文］. 北京:清华大学环境工程系，1998
　　3 Bailey A D,Hansford G S,Dold P L. The use of crossflow microfiltration to enhance the performance of an activated sludge reactor.Wat Res,1994;28:297～301
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　　6 Yamamoto K,Hiasa M,Mahmood T et al. Direct solid－liquid sepration using hollow fiber membrance in an activated sludge aeration tank.Wat Sci Tech,1998；21:43～54

作者简介：邢传红 博士 现在法国做博士后?
通讯处：100084 清华大学环境工程系文湘华?
(收稿日期 1998－08－14)