随着世界水资源的不断消耗, 水问题已经成为性问题, 为了实现水资源的可持续利用, 污水处理后回用已经是一个不可回避的事实。膜生物反应器(MBR ) 是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术, 因其出水水质能达到生活杂用水水质标准, 可满足一般的中水回用要求, 且该工艺占地面积小、运行稳定、管理方便、污泥产量少, 使其在中水回用领域的应用日益广泛 。

1. 北小河污水处理厂二期工程简介

为了缓解北京市的水资源短缺问题, 承担为北京奥林匹克公园提供景观用水的使命, 北京城市排水集团于2006年开始筹建北小河污水处理厂二期工程, 并于2008年4月完成施工并投入运行, 主体工艺采用MBR 工艺, 设计处理能力为6×104 t /d, 主要处理奥运村及北苑地区的生活污水, 处理后的出水通过中水管网输送给用户, 处理工艺流程如图 1所示。

原水先经过8 mm 的细格栅后, 由进水提升泵提升到曝气沉砂池, 其出水经1 mm 的细格栅过滤后进入MBR 生物反应池, 生物反应池采用UCT 工艺, 有机物、氮、磷等污染物在生物池中被去除, 同时在系统中设有化学除磷设施, 辅助生物除磷; 循环泵将生物池内的混合液提升至膜池进行固液分离, 膜过滤出水经消毒后配送到再生水管网。MBR 处理系统的设计参数: MBR 反应池共4 个, 依次为厌氧池、缺氧池、好氧池和膜池, 厌氧池、缺氧池和好氧池的HRT分别为1. 65、5. 35和7 h; COD、TN、TP和SS 负荷设计值分别为33 000、3 900、600、20 400 kg /d, SRT的设计值为16. 6 d; 超滤膜的直径为0. 04μm, zui大膜通量为16. 8 L / ( m2·h) , 设计膜通量为13. 7 L / (m2·h) ; 比曝气能耗为0. 27 m3 / ( m2·h)。

2. 2009年全年运行效果与分析

2.1 进水水质

2009年北小河污水处理厂全年的进水水质情况见表1。

从表1可以看出, 全年进水中各项指标均有较大幅度的波动, 进水中有机物、悬浮物、TP浓度的波动幅度要大于TN 浓度的, 进水中污染物浓度的大幅度波动会导致MBR 处理负荷的较大波动。污水中的有机物浓度是制约处理系统去除氮、磷污染物的关键因素, 从北小河污水处理厂的全年进水水质可以看出, 其COD /TN 值在8. 6左右, COD /TP值在 70左右, 进水中有机碳源丰富, 有利于系统对氮、磷的去除。

2.2 运行效果

2009年MBR 处理系统的出水水质见表2。

由表2可知, MBR 系统在2009年全年均表现出良好的处理效果, 对COD、BOD5、SS、NH+ 4 - N、TN 和TP 的平均去除率分别为96. 4%、99. 1% 、 98. 4%、98. 8% 、79. 5%、96. 2% 。与《城市污水再生利用城市杂用水水质》( GB /T 18920-2002)标准相比, MBR处理系统的出水水质, 除总大肠菌群外, 其他指标均可基本达标, 全年的达标天数均在355 d 以上。而对于总大肠菌群, 由于取样点位于ClO2 投加点之前, 该指标的超标天数较多。

从MBR 系统全年的运行效果可以看出, 虽然进水水质波动较大, 但是MBR处理系统的出水水质非常稳定, 表现出了良好的抗冲击负荷能力, 特别是对 COD、SS、浊度等指标的处理效果, 较常规二级生物处理工艺的稳定, 不会因发生污泥膨胀等问题而导致出水水质恶化, 符合中水回用对水质安全性和稳定性的要求。

2.3 影响因素

2.3.1 影响TN去除的因素分析

在整个MBR系统中, 对TN 的去除主要发生在生化反应区, 影响TN 去除的因素主要有: 进水中的有机物浓度、内回流比及由好氧区回流到缺氧区的溶解氧( DO )浓度。因本系统好氧区的DO 浓度采用在线探头反馈控制, 其值基本维持在1. 5 ~ 2. 0 mg /L之间, 比较稳定, 因此影响系统中TN 去除的因素主要为进水有机物浓度和内回流比。

进水有机物浓度对TN 去除的影响如图2 所示。可知, 当进水COD 在450~ 750 mg /L之间变化时, 对TN 的去除量也随之变化, 并表现出良好的一致性。而当内回流比在450% ~ 700% 之间变化时, 对TN 的去除量并不随之变化, 两者之间未表现出良好的相关性。由此可知, 影响MBR 系统去除TN 的主要因素为进水有机物浓度, 而该系统的内回流比较大, 对TN 的去除基本无影响, 因此在今后的运行中可以适当降低系统的内回流比, 以减少能耗。

2.3.2 温度与MLSS对MBR处理效果的影响

由于MBR 系统中设有化学除磷设施, 因此只讨论温度与MLSS对有机物和氨氮去除的影响。北小河污水处理厂位于北方地区, 2009年zui低运行水温在13℃左右, 全年有4个月的水温< 15℃。生物硝化反应可以在4~ 45℃的范围内进行, 而亚硝酸菌的*生长温度为35℃, 硝酸菌的*生长温度为35~ 42℃, 较低的温度会影响硝化菌的活性[ 3] 。图3为2009年MBR系统中水温与MLSS的变化。

由图3可知, 北小河污水处理厂2009年全年的运行温度在12. 8~ 26. 2℃之间, 生物反应池中的 MLSS保持在7 200 mg /L以上。而全年对COD 的去除率在94. 4% ~ 97. 6% 之间, 对氨氮的去除率在 96. 5% ~ 99. 7%之间, 较低的温度并未对有机物的去除及硝化反应产生明显的影响。这可能是因为 MBR系统中的污泥浓度较高, 参加生化反应的活性污泥总量较大, 对温度具有较强的抗冲击能力, 这与白晓慧等人的研究结论一致, 其通过大庆乘风庄污水处理厂5年的运行经验得出: 通过保持较高的污泥浓度、控制系统的较低负荷, 在较低的水温下仍可保持较高的硝化效率[ 4] 。

3. 超滤膜的维护

3.1 常规的膜维护方案

在MBR 运行过程中, 由于产水泵的负压抽吸作用, 混合液中的微生物、悬浮颗粒、胶体、EPS(附着在微生物细胞外的胞外聚合物)、SMP(溶解在水体中的胞外聚合物)等物质在膜表面不断堆积, 造成膜的污染。合理的运行工况和有效的膜清洗方案可以减缓膜污染速率, 减少化学清洗频率, 节省药剂。 MBR系统主要采用松歇、反冲洗、维护性清洗和化学在线清洗4种手段对超滤膜进行维护, 各种清洗均在膜池内原位进行, 无需异位清洗。

3.1.1 松歇

在松歇阶段, 膜过滤过程停止, 跨膜压差降至零, 滤饼层发生轻微膨胀; 此时继续进水并鼓风曝气, 将部分滤饼从膜丝表面冲洗下来。在标准运行过程中, 松歇的频率为12m in一次, 每次历时60 s。

3.1.2 反冲洗

MBR系统的反冲洗流量为140 L / s, 反冲洗时的膜通量为22 L / ( m2·h), 反冲洗频率为12 m in 一次, 整个反冲洗历时40 s, 其中包括15 s的松歇、 20 s的反冲洗和5 s的延迟。

3.1.3. 维护性清洗

一般超滤膜运行1~ 2 周即进行一次维护性清洗(也称之为化学反冲洗) , 采用含次氯酸的过滤液对膜组件进行反冲洗, 耗时约30 m in。维护性清洗在鼓风曝气且停止进混合液的状态下进行。

3.1.4. 化学在线清洗

每隔3个月进行一次次氯酸钠在线清洗, 每隔 6个月进行一次柠檬酸在线清洗, 分别去除有机与无机污染物。清洗过程: 清空膜池后, 在膜池内加入稀释的化学药剂进行循环和浸泡清洗。

3.2 不同清洗方案的对比

北小河污水处理厂的MBR 工艺自投入使用至 2009年10月均采用常规的化学清洗方案, 具体见表3。通过化学清洗可将膜丝表面的滤饼层及凝胶层去除, 恢复膜的透水性能; 但随着运行时间的增长, 膜元件局部出现较厚的滤饼层, 常规的化学清洗并不能获得理想的效果, 透水率只能恢复到600~ 700 L / (m2·h·MPa), 而正常情况下透水率应恢复到1 000 L / (m2·h·MPa)左右。

为了获得较好的化学清洗效果, 对化学清洗方案进行了改进, 将化学药剂浸泡并曝气的时间由30 m in提高到6 h; 同时在清洗过程中发现, 每个循环后NaC lO浓度都有一定的降低, 特别是在*个循环后, 为此在每个循环结束后, 手动补药将NaC lO 浓度恢复到初始值。改进的化学清洗方案可以将膜的透水率恢复到800~ 1 000 L / (m2 · h· MPa)。但通过将膜架移出观察发现, 仍有局部滤饼层未被清洗掉, 为了较*地恢复膜的透水性能, 将超滤膜进行手动离线清洗, 并辅以简单的化学清洗, 离线清洗后膜的透水率可恢复到1 350~ 1 500 L / ( m2 · h· MPa), 透水性能得到了较理想的恢复。

4. 结论

① 北小河污水处理厂的MBR 工艺在2009年全年运行效果稳定, 且出水水质基本能够满足城市污水再生利用城市杂用水水质 ( GB /T 18920! 2002)的要求, 该工程的实际运行效果进一步印证了MBR 工艺用于污水再生回用的可行性。

② 在设有化学除磷系统的MBR 工艺中, 当内回流比较高时, 进水有机物浓度是影响TN 去除的主要因素。

③ 在冬季低温条件下, MBR 系统仍能保持较好的处理效果, 较高的污泥浓度可减小低温对MBR 处理效果的影响。

④ MBR工艺经过较长时间的运行后, 膜元件局部会产生较厚的滤饼层, 仅采用化学清洗不能使膜的透水性能得到较好的恢复, 建议采用离线清洗方法。

参考文献:

[ 1]  鲍建国, 卢学实. 一体式膜生物反应器处理港口污水及回用[ J] . 中国给水排水, 2002, 18( 9): 37- 38.

[ 2]  李青, 吕小明. 混凝/厌氧/MBR处理居住小区污水并回用[ J] . 中国给水排水, 2008, 24( 6): 83- 85.

[ 3]  姜体胜, 杨琦, 尚海涛, 等. 温度和pH 值对活性污泥法脱氮除磷的影响[ J] . 环境工程学报, 2009, 1 ( 9): 10- 14.

[ 4]  白晓慧, 陈英旭, 王宝贞. 活性污泥法低温硝化及其运行控制条件研究[ J]. 环境科学学报, 2001, 21( 5) : 569 - 572.