中水回用工程的MBR系统设计
膜生物反应器(MBR)是将膜技术应用于污水处理的一项新兴技术。MBR可在紧凑的空间内同时实现微生物对污染物质的降解和超滤膜对污染物质的分离，而降解与分离之间又存在着协同作用，是一种高效、实用的污水处理技术。其出水中不含悬浮物，只需投加少量消毒剂避免管道的二次污染，就可以回用，实现污水的资源化。以MBR为核心进行的研究广而深入，但在国内将其应用于工程实际却还是少数，这关键是由于膜的价格较高,造成工程投资的加大。不过随着膜技术的成熟、膜组件的大规模生产，膜的价格在逐年降低。如美国Aquasource公司1999年超滤膜价格几乎是1989年的1/2。
1 中水回用系统的设计
1.1 工程概述
大连香格里拉大饭店原有的中水处理设施采用三级处理方法,处理效率低、占地面积大，没有实现完全的自动化，而且其处理能力远大于酒店最大回用水量，又无法灵活地调节，造成了人力、物力的浪费，增加了成本。现采用MBR工艺对原有系统进行改造。
1.2 水量及水质
因处理后中水主要回用于冲厕、绿化、洗车等方面，最大回用水量为60m3/d,确定设计处理水量为60m3/d。来水为优质杂排水，其水质见表1。
表1 进水水质
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参数 |
COD/mg/L |
BOD/mg/L |
SS/mg/L |
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浓 度 |
≤100 |
≤50 |
≤150 |
1.3 工艺流程(见图1)
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大连香格里拉大饭店原有的中水回用系统是以接触氧化池、沉淀池和砂滤罐为主体，共占地280 m2，改造后以MBR为核心的中水回用系统仅占地48 m2是原占地面积的17%，为酒店节省了宝贵的空间。而且现有的中水回用系统将生物降解、沉淀、过滤集中为一体,减少了设备需求，可使运行成本降低，故障点减少。
酒店回用水量会由于季节及客流量的变化有很大不同，而MBR系统可通过自吸泵间歇出水时间的调整以及鼓风机间歇曝气来进行调节并节省运行成本，具有高度的灵活性。
1.3.1 细格栅
细格栅用以除去污水中较大颗粒的杂质，防止泵的阻塞和损伤,减轻负荷。酒店来水具有一定的作用水头，重力自流到细格栅，格栅出水重力自流入调节池。因来水为优质杂排水，水质较好，格栅采用无动力式，截流下来的污物沿格栅弧面下滑至下部渣斗，渣斗底部有箅子，污物在渣斗中沉积，含有的水分由箅子自流入调节池。
1.3.2 调节池
调节池由原有水池改建而成，用以调节水量、均化水质，使后续处理工艺在相对稳定的条件下工作同时调节池中风机曝气除臭降温，还可防止悬浮物沉积。调节池出水由移送泵提升至MBR。
调节池主要设计参数:有效水深为2.5 m；有效容积为48.7 m3；HRT为19.5 h。
1.3.3 MBR
中空纤维膜组件置于MBR中，污水浸没膜组件，通过自吸泵的抽吸，利用膜丝内腔的抽吸负压来运行。膜组件由日本三菱公司生产，材质为聚乙烯。膜组件公称孔径为0.4μm，是悬浮固体、胶体等的有效屏障；中空纤维膜丝较细，有较好的柔韧性，能保持较长的寿命，即使有膜丝破损的现象发生，由于膜丝内径仅为270μm，可被污泥迅速阻住，对处理水质完全没有影响。
鼓风机曝气，在提供微生物生长所必须的溶解氧之外，还使上升的气泡及其产生的紊动水流清洗膜丝表面，阻止污泥聚集，保持膜通量稳定，设计气水比为20∶1。MBR中产生的剩余污泥由气提泵定量提升至污泥浓缩池，污泥在其中浓缩，并使污泥减容，上清液回流至调节池。因来水营养物质缺乏，为保证活性污泥反应正常进行，调节来水的营养平衡，在MBR的进水管道中注入营养剂(由磷酸氢二铵和尿素配制)，MBR出水由自吸泵抽送至回用水池。MBR由原水池改建而成，主要设计参数:有效水深为2.7 m；有效容积为34.7 m3，HRT为14 h。
1.3.4 回用水池
在回用水池的进水管道中注入消毒剂,并使回用水池出水中保持一定量的余氯，避免二次污染。
2 中水回用系统的自控设计
酒店污水回用系统的控制全部集成在电控柜中。各设备的运行由电控柜中的PLC控制,，PLC由电源、框架、处理器和I/O模板4部分组成，可以和现场的传感器、变送器、自动化仪表相连,进行数据通讯、数据处理和数据管理。如调节池和MBR的水位情况通过浮球液位计传送到PLC，通过PLC控制移送泵和自吸泵的动作。当调节池超过一定水位，并且MBR水位在中水位以下时，移送泵开始工作，将污水送至MBR，直到MBR水位达到高水位。当MBR水位在低水位以上时，自吸泵开始间歇工作，抽出的膜处理水送入回用水池，如果MBR的水位降至中水位以下，污水会由移送泵自动补充至高水位，此动作反复进行,直至调节池水位下降至低水位，移送泵停止，而MBR水位降至低水位以下时，自吸泵停止工作。
投加消毒剂和营养剂的计量泵分别与移送泵和自吸泵同步，药剂自动投加。另外,泵与风机均有热过载和空开过载保护，所有潜水泵均有漏电保护。风机、移送泵、自吸泵均为1用1备，24 h自动切换。改变设备状态的界面为电控柜上的触摸屏。触摸屏上包括系统中设备的列表，点击后可以看到相应设备的当前工作状态，并可以对设备现有状态进行改变，还可以看到当前所有设备的累计工作时间、各水池的水位、系统运行期间出现的报警等等；当有报警发生时，触摸屏上有相应的报警画面出现,同时有解决报警的提示出现。
3 MBR中膜污染控制措施
膜污染是影响系统运行的关键问题,适当的操作方法可以有效地控制膜污染，提高膜的使用性能及寿命。
本工程采用了低压、恒流、间歇抽吸出水和空曝气等方法来延缓膜过滤阻力的增加。膜面凝胶层会在高的操作压力下变得更加密实，导致过滤阻力的增加。因此，本工程采用较低的操作压力，并且调节自吸泵出口的阀门，控制流量计的数值，保持恒定的出水流量，使系统在稳定的状态下工作。
为延缓膜污染速度，延长超滤膜使用周期而采取的措施还包括出水方式。在电控柜中设定自吸泵双计时器为9 min“运行”，3 min“停止”，自吸泵的运转效率为75%，每日运行时间为18 h，从而保证MBR中一定的空曝气时间。自吸泵的间歇操作可通过定期地停止膜过滤,使混合液流向膜面的流速为零，而由于空曝气产生的剪切作用，使膜面沉积的污物脱落，膜过滤性能有所恢复。同时，在停抽过程中，由浓差极化引起的膜面有机物积累也会由扩散作用返回混合液主体。
众多措施的采取，使本工程中膜污染现象得到有效的控制，在污水回用系统启动迄今3个月时间内，MBR操作压力仅由2 kPa上升至6 kPa。
4 中水回用处理工艺的出水水质
中水回用系统于2001年10月正式运转，在个月的时间内MBR出水水质见表2(检验方法按照《生活杂用水标准检验法》(CJ25.2-89)进行检测)。
表2 出水水质
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参数 |
COD/mg/L |
BOD/mg/L |
SS/mg/L |
|
最大值 |
7.84 |
0.67 |
0 |
|
最小值 |
3.92 |
0.45 |
0 |
|
平均值 |
6.16 |
0.57 |
0 |
由表2可见，系统稳定后,MBR出水中COD<10 mg/L,BOD<1 mg/L,并且没有悬浮物检出，其水质完全达到《生活杂用水水质标准》(CJ25.1-89)及日本建设省都市局、住宅局、卫生部环卫局提出的生活杂用水水质标准，不仅可回用于水洗厕所用水、空调冷却水,还可回用于汽车等冲洗用水、洒水、扫地用水以及水池喷水。
5 中水回用处理工艺运行成本分析
本工程污泥提升泵为气提式，不消耗电能,也无污泥回流系统，能耗主要来自移送泵、自吸泵和鼓风机(两套加药系统计量泵装机容量很小,在此忽略)。鼓风机装机容量为1.5 kW，每天24 h运转，移送泵和自吸泵的装机容量分别为0.4 kW和0.75 kW，每天运行时间按18 h计，则该中水回用系统单位能耗为0.945 kW•h/m3。由于膜组件公称孔径为0.4μm，虽然最小的细菌尺寸在0.3μm左右，但在MBR中细菌通常以菌胶团形式存在，无法透过膜孔，因此MBR出水细菌含量少，可减少消毒剂用量；另外本工程无须看管，省去了人工费。运行成本的具体分析见表3，合计运行成本为1.665元/ m3。
表3 运行成本分析
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项目 |
定额 |
单价 |
运行费用/元/m3 |
|
电费 |
0.95 kW·h/m |
30.6元/( kW·h) |
0.57 |
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折旧费* |
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|
1.052 |
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消毒剂 |
|
312元/kg |
0.036 |
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营养剂 |
|
32元/kg |
0.007 |
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运行成本 |
|
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1.665 |
注:*净残值取4%,折旧年限取10a。
目前大连市旅游业、商业等场所的自来水费为5元/m3，显然宾馆、写字楼等处采用MBR工艺使污水回用是经济可行的。
6 结论
(1)大连香格里拉大饭店中水回用工程采用MBR工艺。自2001年10月投产以来运行性能良好,出水水质COD平均6.16 mg/L,BOD平均0.57mg/L,SS=0 mg/L,其水质完全达到《生活杂用水水质标准》(CJ25.1-89)。设计规模为60 m3/d的MBR污水回用系统运行成本为1.665元/ m3，应用于宾馆、写字楼等处是经济可行的。
(2)MBR除污染效率高，出水水质稳定，操作简单，易于管理。
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