隨著世界水資源的不斷消耗, 水問題已經(jīng)成為性問題, 為了實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用, 污水處理后回用已經(jīng)是一個不可回避的事實。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. 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行, 主體工藝采用MBR 工藝, 設(shè)計處理能力為6×104 t /d, 主要處理奧運村及北苑地區(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。

原水先經(jīng)過8 mm 的細格柵后, 由進水提升泵提升到曝氣沉砂池, 其出水經(jīng)1 mm 的細格柵過濾后進入MBR 生物反應(yīng)池, 生物反應(yīng)池采用UCT 工藝, 有機物、氮、磷等污染物在生物池中被去除, 同時在系統(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)計參數(shù): MBR 反應(yīng)池共4 個, 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 負荷設(shè)計值分別為33 000、3 900、600、20 400 kg /d, SRT的設(shè)計值為16. 6 d; 超濾膜的直徑為0. 04μm, zui大膜通量為16. 8 L / ( m2·h) , 設(shè)計膜通量為13. 7 L / (m2·h) ; 比曝氣能耗為0. 27 m3 / ( m2·h)。

2. 2009年全年運行效果與分析

2.1 進水水質(zhì)

2009年北小河污水處理廠全年的進水水質(zhì)情況見表1。

從表1可以看出, 全年進水中各項指標(biāo)均有較大幅度的波動, 進水中有機物、懸浮物、TP濃度的波動幅度要大于TN 濃度的, 進水中污染物濃度的大幅度波動會導(dǎo)致MBR 處理負荷的較大波動。污水中的有機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, 進水中有機碳源豐富, 有利于系統(tǒng)對氮、磷的去除。

2.2 運行效果

2009年MBR 處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)見表2。

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)均可基本達標(biāo), 全年的達標(biāo)天數(shù)均在355 d 以上。而對于總大腸菌群, 由于取樣點位于ClO2 投加點之前, 該指標(biāo)的超標(biāo)天數(shù)較多。

從MBR 系統(tǒng)全年的運行效果可以看出, 雖然進水水質(zhì)波動較大, 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荷能力, 特別是對 COD、SS、濁度等指標(biāo)的處理效果, 較常規(guī)二級生物處理工藝的穩(wěn)定, 不會因發(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MBR系統(tǒng)中, 對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: 進水中的有機物濃度、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水有機物濃度和內(nèi)回流比。

進水有機物濃度對TN 去除的影響如圖2 所示。可知, 當(dāng)進水COD 在450~ 750 mg /L之間變化時, 對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, 對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 的主要因素為進水有機物濃度, 而該系統(tǒng)的內(nèi)回流比較大, 對TN 的去除基本無影響, 因此在今后的運行中可以適當(dāng)降低系統(tǒng)的內(nèi)回流比, 以減少能耗。

2.3.2 溫度與MLSS對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對有機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zui低運行水溫在13℃左右, 全年有4個月的水溫< 15℃。生物硝化反應(yīng)可以在4~ 45℃的范圍內(nèi)進行, 而亞硝酸菌的*生長溫度為35℃, 硝酸菌的*生長溫度為35~ 42℃, 較低的溫度會影響硝化菌的活性[ 3] 。圖3為2009年MBR系統(tǒng)中水溫與MLSS的變化。

由圖3可知, 北小河污水處理廠2009年全年的運行溫度在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COD 的去除率在94. 4% ~ 97. 6% 之間, 對氨氮的去除率在 96. 5% ~ 99. 7%之間, 較低的溫度并未對有機物的去除及硝化反應(yīng)產(chǎn)生明顯的影響。這可能是因為 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, 對溫度具有較強的抗沖擊能力, 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年的運行經(jīng)驗得出: 通過保持較高的污泥濃度、控制系統(tǒng)的較低負荷, 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

3.1 常規(guī)的膜維護方案

在MBR 運行過程中, 由于產(chǎn)水泵的負壓抽吸作用, 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、維護性清洗和化學(xué)在線清洗4種手段對超濾膜進行維護, 各種清洗均在膜池內(nèi)原位進行, 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; 此時繼續(xù)進水并鼓風(fēng)曝氣, 將部分濾餅從膜絲表面沖洗下來。在標(biāo)準(zhǔn)運行過程中, 松歇的頻率為12m in一次, 每次歷時60 s。

3.1.2 反沖洗

MBR系統(tǒng)的反沖洗流量為140 L / s, 反沖洗時的膜通量為22 L / ( m2·h), 反沖洗頻率為12 m in 一次, 整個反沖洗歷時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. 維護性清洗

一般超濾膜運行1~ 2 周即進行一次維護性清洗(也稱之為化學(xué)反沖洗) , 采用含次氯酸的過濾液對膜組件進行反沖洗, 耗時約30 m in。維護性清洗在鼓風(fēng)曝氣且停止進混合液的狀態(tài)下進行。

3.1.4. 化學(xué)在線清洗

每隔3個月進行一次次氯酸鈉在線清洗, 每隔 6個月進行一次檸檬酸在線清洗, 分別去除有機與無機污染物。清洗過程: 清空膜池后, 在膜池內(nèi)加入稀釋的化學(xué)藥劑進行循環(huán)和浸泡清洗。

3.2 不同清洗方案的對比

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; 但隨著運行時間的增長, 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。

為了獲得較好的化學(xué)清洗效果, 對化學(xué)清洗方案進行了改進, 將化學(xué)藥劑浸泡并曝氣的時間由30 m in提高到6 h; 同時在清洗過程中發(fā)現(xiàn), 每個循環(huán)后NaC lO濃度都有一定的降低, 特別是在*個循環(huán)后, 為此在每個循環(huán)結(jié)束后, 手動補藥將NaC lO 濃度恢復(fù)到初始值。改進的化學(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*地恢復(fù)膜的透水性能, 將超濾膜進行手動離線清洗, 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, 該工程的實際運行效果進一步印證了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, 進水有機物濃度是影響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MBR 處理效果的影響。

④ MBR工藝經(jīng)過較長時間的運行后, 膜元件局部會產(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。

參考文獻:

[ 1]  鮑建國, 盧學(xué)實. 一體式膜生物反應(yīng)器處理港口污水及回用[ J] . 中國給水排水, 2002, 18( 9): 37- 38.

[ 2]  李青, 呂小明. 混凝/厭氧/MBR處理居住小區(qū)污水并回用[ J] . 中國給水排水, 2008, 24( 6): 83- 85.

[ 3]  姜體勝, 楊琦, 尚海濤, 等. 溫度和pH 值對活性污泥法脫氮除磷的影響[ J] . 環(huán)境工程學(xué)報, 2009, 1 ( 9): 10- 14.

[ 4]  白曉慧, 陳英旭, 王寶貞. 活性污泥法低溫硝化及其運行控制條件研究[ J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2001, 21( 5) : 569 - 572.