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MBR工藝運行優化措施和膜污染控制
2020-2-22 10:14 中國泵閥制造網 作者:佚名 點擊:1470
【中國泵閥制造網 控制應用】摘 要: MBR工藝因為出水水質好,迎合了特許經營服務協議對水質標準提高的要求,然而其能耗高以及用于脫氮除磷的化學藥劑費等會增加污水廠的可控成本。以北京某 10 × 104 m3 /d MBR工藝再生水廠為例,從優化控制溶解氧入手,對氣水比、水力停留時間、污泥濃度等關鍵因素進行管理,在高效脫氮、生物

摘 要: MBR工藝因為出水水質好,迎合了特許經營服務協議對水質標準提高的要求,然而其能耗高以及用于脫氮除磷的化學藥劑費等會增加污水廠的可控成本。以北京某 10 × 104 m3 /d MBR工藝再生水廠為例,從優化控制溶解氧入手,對氣水比、水力停留時間、污泥濃度等關鍵因素進行管理,在高效脫氮、生物除磷和節能降耗方面取得較好的效果。另外,從化學清洗、膜吹掃、鼓風機風量配置、膜池進水量、膜泄漏等方面介紹了膜的抗污染和穩定運行的措施。

1 工藝簡介

1. 1 改擴建背景

北京某再生水廠投產于 1990 年,處理規模為4 × 104 m3/d,采用 AO 工藝,2008 年改造為 AAO 工藝,同時擴建了 6 × 104 m3 /d 規模處理設施,采用MBR 工藝,其中 1 × 104m3 /d MBR 出水進一步反滲透處理,總規模為 10 × 104 m3 /d,共用一套預處理設施,出水水質一次性達到回用要求,可向奧林匹克森林公園地區提供城市綠化、住宅區沖廁等用途的市政雜用水,及向奧運湖等河湖水系定期補、換水。

2012 年改造 4 × 104 m3 /d AAO 工藝為 MBR 工藝,2014 年 6 × 104 m3 /d 膜 系 統 換 膜,2015 年嘗試對6 ×104 m3 /d 膜系統在未投加碳源條件下脫氮。2016年特許經營服務協議簽訂后要求更穩定的水質,因此改造增加 6 ×104 m3 /d 碳源投加系統,導致運行成本提高。2017 年采取措施控氧脫氮,效果較好。

1. 2 工藝流程

污水在集水池經 8 mm 格柵后由提升泵提升至出水井,進入曝氣沉砂池,然后分別經過 1 mm 細格柵進入6 × 104 m3 /d 系列 MBR 和3 mm + 1 mm 的細格柵進入 4 × 104 m3 /d 系列 MBR。

再生水廠工藝流程見圖 1。

為避免曝氣后含氧高的回流混合液影響前端脫氮效果,膜池混合液采用三級回流,先回流到好氧池末端,回流比為 500% ; 厭氧段的出水進入缺氧段,好氧段的混合液 400% ~ 500% 回流到此進行反硝化反應,缺氧段到厭氧段回流比約 100% 。好氧段采用類似氧化溝的方式,混合液在渠道內不斷循環流動。

進、出水水質見表 1。

2 溶解氧控制措施及效果

運行實踐表明,從溶解氧入手進行工藝調控簡單有效,方便實施,出水水質穩定?捎贸鏊钡g接表示溶解氧量,出水氨氮為 0. 5 ~ 1. 0 mg /L 都視為安全達標區域,出水氨氮 < 0. 5 mg /L 表明此時溶解氧或者氣水比可適當降低,反之亦然。此時溶解氧在 1. 5 ~ 3. 5 mg /L 合理范圍內。

2. 1 脫氮

早在 2015 年,經過優化調節溶解氧控制氨氮在合理范圍的方法,獲得較好的脫氮效果,較低的溶解氧有利于缺氧區的反硝化脫氮,在沒有外加碳源的情況下出水總氮可以達標。出水總氮月平均值如表2 所示。

6 × 104m3 /d MBR 系列因為建設早,未投加碳源,出水平均值略高。4 × 104m3/d MBR 系列生物池缺氧區設置了碳源投加系統,當反硝化過程中偶爾出現碳源不足時可補充碳源。醋酸鈉碳源投加率為 23. 5 mg /L。

2016 年初開始執行特許經營服務協議,為了獲得更穩定、更好的出水水質,6 × 104 m3/d MBR 系列提標改造,增加了外碳源投加系統,當年用于碳源和化學除磷藥劑的費用超過千萬元,在運行費用中占比高達 25% ,占動力費用的一半多,僅次于鼓風機電耗。

2. 3 生物除磷

在生物除磷無法滿足要求時,可向污水中投加濃度為 10% 的液體 PAC( 按 Al2O3 計) 。受當前國家控制產能政策綜合因素影響,用于聚合氯化鋁生產的原材料( 鋁礦土和鋁酸鈣等) 價格上漲,生產廢渣在原材料產地堆積易造成二次污染; 藥劑質量欠佳,容易堵塞管路; 首都大型活動期間供貨車輛進京受限,廠區內的藥罐受到占地限制需采用轉運形式,擴容后需一天 2 次 30 min 頻繁操作等,上述因素給依賴化學藥劑控制出水達標的污水廠帶來了不穩定的因素,可見生物除磷對穩定運行意義重大。

在 MBR 工藝中,通過雙向優化控制 DO 實現生物除磷,此時溶解氧 DO 的閾值范圍較窄,為 2 ~ 3mg /L,需要精細化及時調節。當 DO 較低時通過抑制硝化進程來完成生物除磷。當然并不是一味降低生物池 DO,除磷菌是兼性菌,好氧池 DO 過低,活性污泥會發黑,影響好氧過程磷的吸收。除了調節鼓風機開度,還可通過增加剩余污泥排放量達到系統增氧,反之亦然,進而實現 DO 的雙向控制。

當好氧區末端 DO > 4. 0 mg /L 時出水總磷容易升高,此時生物除磷調控不能通過剩余污泥排放完成。隨著生物池曝氣量降低總磷會逐漸下降,氣水比由 11 調整為 7( 見表 3) 。為了更快降低出水總磷,實際運行管理中還會通過減少剩余污泥的排放,用增加污泥濃度的方式增加系統需氧量,進而減少DO 強化生物除磷。此時如果增加剩余污泥排放量反而會使 DO 和出水總磷升高。

表 3 表明,4 × 104m3 /d 系列 MBR 每日剩余污泥排放量基本穩定不變,但是出水總磷變化趨勢卻因為氣水比的下降由超標轉為達標。分析認為剩余污泥排放量增加是相

對增加系統內 DO,有利于硝化進程,不利于磷的去除,反之亦然。2015 年至今,通過雙向優化控制 DO和剩余污泥的合理排放實現了階段性生物除磷。

3 其他工藝因素的優化控制

3. 1 根據季節轉換優化污泥濃度和污泥負荷運行

出水總磷、氨氮等隨著季節轉換會有較大變化,應根據季節采取不同的污泥負荷和污泥濃度的控制策略優化運行。

污泥負荷低時參與反應的生物量相對多,此時能耗和成本也會增加,為克服透水率異常衰減需提高膜曝氣量,導致鼓風機能耗增加。當污泥負荷在設計值 0. 059 kgBOD5 /( kgMLSS·d) 附近,MBR 工藝可以穩定運行。當污泥負荷 > 0. 064 kgBOD5 /( kgMLSS·d) 時,池面白色泡沫增多,調控難度增加。較低的污泥濃度雖然有利于膜池透水率的正常衰減,卻容易使生物系統遭到破壞,脫氮除磷機理也不適用。出水 COD 穩定也有賴于足夠的生物量,兼顧生物系統和膜池兩者的穩定運行,生物池 MLSS為 6 000 ~ 9 000 mg /L 較為合理。冬季水溫 < 12 ℃時,生物系統的硝化作用受到抑制,MLSS 不宜低于7 000 mg /L,膜池污泥濃度很容易超出 12 000mg /L,避免因膜池污泥濃度過高和出水水質的變化,發生不可逆的膜污染加劇和透水率衰減,此時還需增加膜吹掃氣量耗能來抵抗膜污染。在好氧池硝化速率較高的夏季,采用較低的生物池污泥濃度( 6 000 mg /L) 運行,有利 于節能降耗和降低膜污染。

3. 2 進水量和水力停留時間

為實現脫氮除磷,MBR厭氧段和缺氧段的停留時間總和占到生物池總停留時間的 40% ~ 50% ,比傳統 A2O 工藝占比大。MBR 工藝在高容積負荷、低污泥負荷、長泥齡下運行,抗污染負荷沖擊能力強,受膜通量的限制,抗水量負荷沖擊弱。進水量變化會影響出水水質和膜污染。進水量過高會加速膜污染,當水量超負荷運行 4 h 以上,常規在線化學反洗在恢復通量方面效果變差,所以要延長膜的使用壽命還需嚴格控制 MBR 進水量。小規模 MBR 工藝對停留時間變化更敏感,例如 6 × 104 m3/d MBR系列在 4、5 月進水停留時間不足 13. 2 h( 低于設計值) 時出水出現異常,4 × 104 m3 /d MBR 系列生物池停留時間稍長,約 17. 6 h,出水相對穩定。設計停留時間短的系統要完成充分的硝化需要更高的氣水比和更高的能耗,所以小型水廠停留時間稍長更有利于穩定運行。

4 膜污染控制措施和效果

4. 1 化學清洗與膜吹掃

連續產水膜過濾壓力逐漸升高,抗膜污染多以化學反洗和離線清洗來解決,化學反洗 3 ~ 7 天一次,可解決膜的輕度污染,離線清洗每年兩次。不可逆的膜污染大多源于吹掃不足,如 2008 年 6 × 104m3 /d MBR 系列開始運行,2009 年最大平均產水能力為 4. 6 × 104 m3 /d,以后逐年下降,最高僅達到設計能力的 82% ,運行到第 5 年操作壓力最高到 50kPa,化學清洗后透水率高點僅為 700 L /( ㎡·h·MPa) ,最低衰減到 200 L /( ㎡·h·MPa) ,已經無法通過提高操作壓力達到最大的通量,也不能通過有效的化學清洗恢復透水率。膜吹掃氣量不足是造成膜污染不可逆的主要原因。2014 年 6 × 104 m3 /d 系列換膜,與 4 × 104 m3 /d 系列對比見表 4。

運行初期膜吹掃系統鼓風機 3 用 3 備,總氣量為 36 000 m3/h,膜吹掃量為 0. 21 m3/( ㎡·h) ,運行一個月膜絲表面積泥嚴重,透水率衰減嚴重,平均每天透水率下降超過 10 L /( ㎡ ·h·MPa) 。圖 2是膜吹掃氣量不足導致的膜絲表面積泥,用人工沖洗加上化學浸泡清洗恢復透水率、膜通量的效果并不理想。

透水率最低衰減到 400 L /( ㎡ ·h·MPa) ,停產進行離線化學清洗,即人工沖洗之后用 1% 氫氧化鈉 + 2 000 mg /L 次氯酸鈉洗浸泡 10 h,曝氣,pH值為 12. 1。然后以 1% 檸檬酸浸泡、曝氣,pH 值為 3. 4,透水率可恢復到平均 1 850 L /( ㎡·h·MPa) ,效果較好。但是由于吹掃氣量不足,洗后運透水率最低衰減到 400 L /( ㎡ ·h·MPa) ,停產進行離線化學清洗,即人工沖洗之后用 1% 氫氧化鈉 + 2 000 mg /L 次氯酸鈉洗浸泡 10 h,曝氣,pH值為 12. 1。然后以 1% 檸檬酸浸泡、曝氣,pH 值為 3. 4,透水率可恢復到平均 1 850 L /( ㎡ ·h·MPa) ,效果較好。但是由于吹掃氣量不足,洗后運行一周透水率迅速衰減。

針對這一狀況采取措施,2015 年 7 月增開一臺膜吹掃風機,由 3 用 3 備改為 4 用 2 備,總氣量為 41 000 ~ 43 000 m3 /h,此時單位膜面積吹掃氣量提高到 0. 25 m3 /( ㎡ ·h) ,膜池污泥濃度 12 000mg /L,膜污染得到及時有效的控制,透水率衰減正常。膜吹掃氣量充足還可抗水量負荷的波動。

4. 2 合理配置鼓風機氣量

4 × 104 m3 /d MBR 系列生物池設計需氣量為17 649 Nm3 /h,實 際 需 氣 量 為 7 000 ~ 11 000Nm3 /h,6 × 104 m3/d MBR系列生物池設計需氣量為 37 600 Nm3/h,實 際 需 氣 量 為 12 000 ~ 18 000Nm3/h。

4 × 104 m3/d MBR 系列和 6 × 104 m3 /d MBR系列生物池共用一套鼓風機系統,采用單級高速離心鼓風機 3 臺,風量為 508 m3 /min,實際使用 1 用 2備,全年 2 /3 時間由一臺鼓風機提供最高約 23 000m3 /h 的風量給全廠好氧池曝氣,其余時間 2 用 1 備運行,可見設計需氣量和實際需氣量有較大差異。

膜擦洗鼓風機設計上稍顯不足,例如 6 × 104 m3/dMBR 系列膜擦洗是 4 用 1 備,鼓風機風量為 228m3 /min; 4 × 104 m3 /d MBR 系列膜擦洗鼓風機 3 臺,單臺風量 Q = 180 m3 /min,由于沒有備用鼓風機,當有故障時,膜池只能減產。

5 膜泄漏和解決措施

膜池取代傳統二沉池進行泥水分離后,污泥上浮和膨脹不再影響出水水質,雖然不受污泥沉降性能限制和影響,但是膜池泄漏會引起出水異常。初期泄漏一般不容易察覺,但是會引起出水如總磷等指標的攀升,如果不能及時判斷采取措施會最終導致超標,錯失調控的良機。這種情況一般發生在離線清洗后,由于安裝不到位或者膜局部損壞所致。

斷裂的膜絲增多時會在投入產水的初期出水混濁,但是隨著產水不斷進行,斷絲處會很快被高濃度的膜池混合液堵塞住,最終不會影響到產水水質。

解決措施: 根據出水水質變化進行分析,在線儀表失靈的情況下也適用。4 月 17 日有一組膜池離線清洗恢復運行,次日出水總磷持續上升,總氮、氨氮指標相對穩定,總氮不隨總磷一起上升,初步判斷不是由于溶解氧過高所致,而是與膜池物理泄漏相關。4 月 21 日總磷 0. 25 mg /L 接近超標,取樣觀測1、2 號膜池對比樣,發現 1 號膜池出水混濁。22 日經過排查隔離膜組器后,出水總磷和總氮大幅降低。

在此過程中,隨著調低溶解氧,氨氮指標升高趨勢,總磷和總氮下降。泄漏原因是膜片產水收集管處斷裂,拆開更換后恢復正常產水,總磷也隨之下降。

最后,MBR 工藝在線儀表品質參差不齊,價格昂貴,初期投入較高,敏感性差異和局限性對于工藝調控的參考作用也有限,日后維護需投入大量的人力、物力,應避免過度依賴。在實踐中根據實際運行狀況,結合部分常規手持溶解氧儀進行出水趨勢判斷、邏輯技術分析來調控,可減少部分在線儀表的一次性投入和后期的維護量。

6 結語

① 進水碳氮比不是制約 MBR工藝脫氮除磷的主要因素,在氨氮出水達標的情況下優化控制溶解氧閾值范圍在 1. 5 ~ 3. 5 mg /L,可在沒有外加碳源的情況下實現高效脫氮和生物除磷,反硝化脫氮也不會受到回流污泥所攜帶的氧影響,平均脫氮率達到 90% ,在節約藥劑成本的同時不引入有機物的二次污染,年節約藥劑費用千萬余元。

② 優 化 控 制 污 泥 負 荷 在 0. 059 kgBOD5 /( kgMLSS·d) ,生物池污泥濃度在 6 000 ~ 9 000mg /L,生物池氣水比冬季 6 ~ 8,夏季 4 ~ 6 等關鍵工藝參數,水力停留時間≥13. 2 h,出水可滿足特許經營服務協議和北京市《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》( DB 11 /890—2012) 的一級 B 標準要求,獲得其他工藝不易得到的出水水質的同時可降低鼓風機單耗。

③ 定期化學清洗可以抵抗輕度膜污染,膜吹掃氣量充足比膜的化學清洗來得重要,單位膜面積吹掃氣量≥0. 24 m3 /( ㎡·h) 可維持透水率正常衰減,同時控制膜池污泥濃度不超過 12 000 mg /L?刂七M水量有利于抗膜污染,延長膜的使用壽命。

④ MBR 回流混合液所帶回的氧可以給生物池補給作用,在設計上 MBR 膜擦洗鼓風機備用普遍稍顯不足,而好氧池鼓風機配置有余。建議在今后的 MBR 工藝設計和運行中改進和改造。

⑤ MBR 工藝污泥濃度比傳統工藝高,出水水質好,避免了污泥膨脹問題,但需要防止由于膜泄漏引起的出水水質異常。根據出水水質和工藝參數變化的邏輯關系進行分析判斷可以有效杜絕超標。

原標題:MBR工藝運行優化措施和膜污染控制

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