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1MBR在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀

近兩年來,膜生物反應(yīng)器在國(guó)內(nèi)已進(jìn)入了實(shí)用化階段。MBR系統(tǒng)的處理對(duì)象從生活污水?dāng)U展到高濃度有機(jī)廢水和難降解工業(yè)廢水,如制藥廢水、化工廢水、食品廢水、屠宰廢水、煙草廢水、豆制品廢水、糞便污水、黃泔污水等。從目前的趨勢(shì)看,中水回用將是MBR在我國(guó)推廣應(yīng)用的主要方向。列舉了MBR在我國(guó)的應(yīng)用實(shí)例及處理效果。這些應(yīng)用實(shí)例表明:MBR對(duì)生活污水、高濃度有機(jī)廢水與難降解工業(yè)廢水的處理效果良好。

2MBR在中水回用中的經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)污水水量、水質(zhì)及處理難易程度的不同,MBR處理工業(yè)廢水的一次性投資通常在4000~10000元/m3,應(yīng)用于中水回用系統(tǒng)的MBR(規(guī)模為10~500m3/d)的一次性投資為2500~5000元/m3,處理規(guī)模越大,單位處理污水量的一次性投資越低。本文以處理規(guī)模為240m3/d的回用系統(tǒng)做一初步的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

2•1不同MBR系統(tǒng)的費(fèi)用分析

采取費(fèi)用比較法進(jìn)行3類MBR系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析,它包括兩部分:MBR系統(tǒng)的工程建設(shè)費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用。工程建設(shè)費(fèi)用=基建費(fèi)用(建筑工程費(fèi)+設(shè)備購(gòu)置及安裝費(fèi)+不可預(yù)見工程費(fèi))+膜的購(gòu)置費(fèi)用。運(yùn)行費(fèi)用=設(shè)備折舊費(fèi)用(以10a計(jì))+膜更換費(fèi)用+動(dòng)力費(fèi)用+其他費(fèi)用(人員工資+維修清洗費(fèi))。3類MBR系統(tǒng)的建筑工程費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用分別見表2,表3(技術(shù)設(shè)計(jì)費(fèi)用均未考慮)。從表2,表3可以看出:(1)3類MBR系統(tǒng)的一次性投資費(fèi)用大小依次為:無機(jī)膜MBR>一體式MBR>分離式MBR;(2)運(yùn)行費(fèi)用大小依次為:無機(jī)膜MBR>分離式MBR>一體式MBR;(3)影響MBR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的主要因素是動(dòng)力費(fèi)用與膜的更換費(fèi)用。膜的更換費(fèi)用是影響一體式MBR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵因素;而動(dòng)力費(fèi)用是影響分離式MBR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵因素。在3種MBR系統(tǒng)的建筑工程費(fèi)用中,一體式MBR與分離式MBR的一次性投資基本相當(dāng),而一體式MBR的運(yùn)行費(fèi)用為分離式MBR的75%。我國(guó)是缺水國(guó)家,北方地區(qū)缺水更為嚴(yán)重,許多城市不得不采取限量供水和超量用水加倍收費(fèi)等措施。因此,中水回用對(duì)于合理用水和節(jié)約水資源勢(shì)在必行。以北京市2000年供水價(jià)格為例,居民生活用水價(jià)格為1•8元/m3;賓館、洗車、洗浴等行業(yè)供水價(jià)格為3•0~5•0元/m3。一體式膜生物反應(yīng)器總運(yùn)行成本為1•9元/m3,用于中水回用具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)可節(jié)省水資源,具有環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2•2影響MBR技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的相關(guān)因素分析

目前,對(duì)MBR系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的結(jié)論存在較大的差別。主要是由于在MBR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)膜的處理能力(膜通量)與膜使用壽命的估計(jì)存在很大的差別,直接影響對(duì)膜生物反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。在表2中,一體式MBR(國(guó)產(chǎn)膜)膜通量設(shè)定為8•33L/(m2•h),膜的使用壽命為2a,膜價(jià)格為150元/m2。下文僅討論膜通量、膜的使用壽命及膜價(jià)格的單因素變化對(duì)一體式膜生物反應(yīng)器運(yùn)行費(fèi)用的影響。膜通量的提高、膜壽命的延長(zhǎng)、膜價(jià)格的降低中任何單一因素的研究進(jìn)展均會(huì)大幅度降低MBR的運(yùn)行費(fèi)用。隨著膜制造技術(shù)的進(jìn)步,膜質(zhì)量的提高和膜制造成本的降低,MBR的投資與運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)隨之大幅度降低。如聚乙烯中空纖維膜等新型膜材料的開發(fā)已使其成本有很大降低。據(jù)估算,膜還有相當(dāng)大的降價(jià)空間,在未來的3~5a內(nèi),隨著膜材料的改進(jìn)和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,膜價(jià)格有望降為目前的40%~60%。隨著膜性能的提高、使用壽命的延長(zhǎng)與膜價(jià)格的降低,MBR的運(yùn)行費(fèi)用有望降低到1•0元/m3左右。

3影響MBR應(yīng)用的關(guān)鍵課題研究

由于膜通量的提高、膜壽命的延長(zhǎng)會(huì)大幅度降低MBR的運(yùn)行費(fèi)用,因此,在保證出水水質(zhì)的前提下,膜通量應(yīng)盡可能大,這樣可減少膜的使用面積,降低基建費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用。因此控制膜污染,保持較高的膜通量,是MBR研究的重要內(nèi)容。而膜通量與膜材料、操作方式、水力條件等因素密切相關(guān)。

3•1膜的選擇

現(xiàn)有膜可分為有機(jī)膜和無機(jī)膜兩種。由于較高的投資成本限制了無機(jī)膜生物反應(yīng)器在我國(guó)的廣泛應(yīng)用,國(guó)內(nèi)MBR系統(tǒng)普遍采用有機(jī)膜。常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBR通常采用超濾膜組件,截留分子量一般在2~30萬。截留分子量越大,初始膜通量越大,但長(zhǎng)期運(yùn)行膜通量未必越大。張洪宇進(jìn)行無機(jī)膜的通量衰減試驗(yàn)表明:孔徑0•2μm的膜比0•8μm的膜更適合于MBR[5]。何義亮用PES平板膜組件進(jìn)行膜通量衰減規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)[6]:在該試驗(yàn)條件下,膜初始通量衰減主要是由于濃差極化引起,膜截留分子量愈小,通量衰減率愈大;膜長(zhǎng)期運(yùn)行的通量衰減主要是由于膜污染引起,膜截留分子量愈大,通量衰減幅度愈大,化學(xué)清洗恢復(fù)率愈低。對(duì)于淹沒式MBR,既可用超濾膜,也可使用微濾膜。由于膜表面的凝膠層也起到了過濾作用,在處理生活污水時(shí),微濾膜與超濾膜的出水水質(zhì)沒有明顯差別,因此淹沒式MBR多采用0•1~0•4μm微濾膜。

3•2操作方式的優(yōu)化

當(dāng)膜材料選定后,其物化性質(zhì)也就基本確定了,操作方式就成為影響膜污染的主要因素。為了減緩膜污染,反沖洗是維持分離式MBR穩(wěn)定運(yùn)行的重要操作,樊耀波通過確定最佳反沖洗周期[7],使分離式MBR的膜通量達(dá)到60L/(m2•h)。針對(duì)抽吸淹沒式MBR,Yamamoto提出間歇式抽吸方式可有效減緩膜污染。桂萍通過研究進(jìn)一步指出:縮短抽吸時(shí)間或延長(zhǎng)停吸時(shí)間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染,抽吸時(shí)間對(duì)膜阻力的上升影響最大,曝氣量其次[8]。不僅污泥濃度、混合液粘度等影響膜通量,混合液本身的過濾性能,如活性污泥性狀,生物相也影響膜通量的衰減[9]。有研究表明:粉末活性炭與絮凝劑的加入有助于改善泥水分離性能,形成體積更大、粘性更小的污泥絮體,減少了膜堵塞的機(jī)會(huì)。但絮凝劑的過量加入會(huì)使污泥活性受到抑制,影響反應(yīng)器的處理能力和處理效果[5]。

3•3水力學(xué)特性的改善

改善膜面附近料液的流體力學(xué)條件,如提高流體的膜面流速,減少濃差極化,使被截留的溶質(zhì)及時(shí)被帶走,能有效降低膜的污染,保持較高的膜通量。黃霞、何義亮分別采用PAN平板式超濾膜、PAN/PS管式膜組件考察不同膜面循環(huán)流速下污泥濃度對(duì)膜通量的影響,發(fā)現(xiàn)MLSS對(duì)膜通量的影響程度與膜面循環(huán)流速有關(guān)[10~11]。大量試驗(yàn)表明:污泥過膜流態(tài)為層流,遠(yuǎn)比紊流時(shí)易于堵塞,因此從理論上確定不同污泥濃度下紊流發(fā)生的最小膜面流速(Vmin)有重要意義。邢傳宏、彭躍蓮研究均發(fā)現(xiàn):最小膜面流速與污泥濃度之間呈良好的線性關(guān)系[12~13]。但他們對(duì)臨界膜面流速的計(jì)算值可能偏高,因?yàn)槲勰嘌亓鞯懒鲃?dòng)的過程中,水同時(shí)透過膜流出,增加了流體在垂直方向的紊動(dòng),從而在一定程度上降低了下臨界雷諾數(shù)(Rek)。何義亮的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一推論,平板膜組件由紊流到層流的Rek為1083,外壓管式膜組件的Rek為966,均小于一般牛頓流體的下臨界雷諾數(shù)2000[11]。分離式MBR中,一般采用錯(cuò)流過濾的方式,這有助于防止膜面沉積污染。對(duì)于一體式MBR,設(shè)計(jì)合理的流道結(jié)構(gòu),提高膜間液體上升流速,使較大的曝氣量起到?jīng)_刷膜表面的錯(cuò)流過濾效果顯得尤為重要。劉銳通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn),得到適合活性污泥流體的膜間液體上升模型,提出反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)液體上升流速的影響:在同樣的曝氣強(qiáng)度下,反應(yīng)器越高,上升流通道越窄,下降流通道與底部通道越寬,則越能獲得較大的膜間錯(cuò)流流速[15]。

3•4能耗

能耗是污水處理工藝的一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo),直接關(guān)系到處理方法的可行性。目前,常規(guī)分離式MBR運(yùn)行能耗為3~4kW•h/m3,淹沒式MBR運(yùn)行能耗為0•6~2kW•h/m3,高于活性污泥法的0•3~0•4kW•h/m3。較高的動(dòng)力費(fèi)用是MBR推廣應(yīng)用中遇到的主要問題之一。許多研究結(jié)果也表明:能耗是造成MBR運(yùn)行費(fèi)用高的主要原因。張紹園分析了分離式MBR的能耗組成:泵的熱能損失、曝氣能耗、管道阻力能耗、膜組件能耗和回流污泥水頭損失能耗,其耗能大小依次為:膜組件>泵>曝氣>管道>回流污泥,膜組件能耗占總能耗的40%~50%,其中80%用于膜過濾的能量以熱能的方式散發(fā)[14]。顧平對(duì)抽吸淹沒式MBR的能耗分析表明:曝氣的能耗占總能耗的96%以上[17]。通常研究者都認(rèn)為能耗的降低與膜污染的控制是MBR研究領(lǐng)域兩個(gè)獨(dú)立的課題,而張紹園、鄭祥采用穿流式、錯(cuò)流式膜組件進(jìn)行分離式MBR研究發(fā)現(xiàn):能耗隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)、膜污染的增加呈上升趨勢(shì),從運(yùn)行初期的不足0•5kW•h/m3增加到3kW•h/m3[14,16]。這說明:分離式膜生物反應(yīng)器的能耗問題實(shí)質(zhì)是膜污染問題。在實(shí)際工程中,由于系統(tǒng)各部件的不匹配(如風(fēng)機(jī)、水泵的實(shí)際處理能力高于MBR系統(tǒng)所需)也造成實(shí)際運(yùn)行能耗高于理論能耗值。為了進(jìn)一步降低能耗,顧平應(yīng)用位差驅(qū)動(dòng)出水和低水頭間斷工作的重力淹沒式MBR,較好地克服了膜的污染與阻塞,使膜長(zhǎng)時(shí)間保持較大的膜通量,并且省去復(fù)雜的氣水反沖洗設(shè)備和降低曝氣量,使MBR處理生活污水的能耗可下降到1•0kW•h/m3[17],該型MBR在實(shí)際工程中能耗已降到0•6~0•8kW•h/m3。

4結(jié)論

盡管MBR的運(yùn)行費(fèi)用略高于常規(guī)生物處理方法,但MBR的處理出水能達(dá)到中水回用的目的,且隨著膜制造技術(shù)的進(jìn)步,膜質(zhì)量的提高和膜制造成本的降低,MBR的投資也會(huì)隨之大幅度降低。另外,各種新型膜生物反應(yīng)器的開發(fā),如在低壓下運(yùn)行的重力淹沒式MBR、厭氧MBR等與傳統(tǒng)的好氧加壓膜生物反應(yīng)器相比,其運(yùn)行費(fèi)用大幅度下降。因此可以預(yù)見,膜生物反應(yīng)器作為中水回用技術(shù)將會(huì)愈來愈具有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。預(yù)計(jì)中水回用將是MBR在我國(guó)推廣應(yīng)用的主要方向。目前我國(guó)膜生物反應(yīng)器在中水回用中的應(yīng)用實(shí)例尚少,需結(jié)合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和MBR工藝的特點(diǎn),進(jìn)一步加強(qiáng)研究以推動(dòng)其工程化應(yīng)用的進(jìn)程。