MBCR組合工藝特點及中試運行效果分析

趙寧波

(上海巴安水務(wù)股份有限公司，上海 201715)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，由“一級B”提高到“一級A”標(biāo)準(zhǔn)，甚至有些環(huán)境敏感地區(qū)的污水排放需要達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)[1]。污水處理廠的提標(biāo)改造項目在全國各地如雨后春筍般開展。根據(jù)《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中相關(guān)條文，我國“十三五”的城鎮(zhèn)污水處理總規(guī)模將從2.17億m3/d提高至2.68億m3/d，同時，新增污水處理設(shè)施所需投資金額也將達(dá)1 500多億元。膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝因其工藝流程簡單、易改造、出水水質(zhì)好等特點，在全國范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，為MBR工藝的研究和發(fā)展迎來了契機(jī)。同時，隨著膜技術(shù)產(chǎn)品的不斷更新，勢必將對傳統(tǒng)污水處理工藝設(shè)計帶來較大變革。移動床陶瓷膜生物反應(yīng)器(MBCR)工藝是膜處理工藝與生化工藝的組合，本文將針對MBCR工藝的設(shè)計特點，以城市生活污水作為原水進(jìn)行中試試驗。

1 MBCR中試裝置介紹及設(shè)計特點

MBCR是移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)與納米陶瓷平板膜(CFM)膜池組合而成的一種特殊的MBR工藝裝置。MBCR中試裝置分為控制系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)和工藝池體系統(tǒng)。其中，膜池系統(tǒng)包括兩個膜塔系列，1個膜塔包含8層膜組件，總過濾面積為64 m2，設(shè)計規(guī)模為2 m3/h。MBCR中試集裝箱裝置的占地面積為15 m2，高為2.6 m，裝機(jī)總功率為25 kW，三相電接入。裝置生化池部分采用MBBR工藝，通過向傳統(tǒng)生化池中投加生物掛膜載體填料可大大提高生化池內(nèi)部的生物菌群穩(wěn)定性，同時還可提高生化池的抗沖擊負(fù)荷能力。由于MBCR結(jié)合了MBBR和膜工藝，使其具有工藝流程緊湊、占地小、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、運行效果穩(wěn)定以及出水水質(zhì)好等優(yōu)勢[2]。

1.1 MBCR中試試驗裝置組成及工藝流程

工藝池體部分從進(jìn)水至產(chǎn)水依次為MBBR工藝池、CFM膜池、清水池等。MBBR工藝池分為3格，每一格分別設(shè)置為厭氧、缺氧、好氧環(huán)境，可完成生物脫氮、除磷、去除有機(jī)碳，厭氧池和缺氧池中裝有攪拌機(jī)。CFM膜池中放置兩座膜塔，單座膜塔由8層膜組件組裝而成，兩個膜塔采用并聯(lián)形式連接于產(chǎn)水干管，并由一臺抽吸泵進(jìn)行產(chǎn)水抽吸，同時兼做反洗水泵。膜池中放置污泥回流泵和污泥排放泵，且所有水泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備均可由控制觸屏面板控制開停。此外，所有池體上均安裝液位計，以便隨時觀測池體液位。

1.2 裝置設(shè)計特色

1.2.1 工藝設(shè)計特色

MBBR工藝作為生物膜工藝具有運行費用和能耗低、反應(yīng)器容積小、對沉淀要求低、運行簡單等優(yōu)點[3]。將MBBR工藝同CFM膜系統(tǒng)進(jìn)行組合可以解決傳統(tǒng)MBR工藝的諸多運行問題，如經(jīng)膜池濃縮回流的活性污泥可附著生長在MBBR池體填料上，對保持污泥濃度和發(fā)揮生物膜活性具有較大優(yōu)勢。此外，針對改造項目，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)碳濃度較大時，可直接在原有活性污泥法池體中加入生物填料，將傳統(tǒng)的活性污泥生化工藝改造為生物膜法工藝，以解決污泥負(fù)荷過高的問題[4]。

1.2.2 CFM膜系統(tǒng)設(shè)計特色

MBCR工藝中膜系統(tǒng)運行成功與否是整個工藝的關(guān)鍵所在。本MBCR工藝膜系統(tǒng)采用CFM陶瓷平板膜，并采用自動反沖洗和加藥控制系統(tǒng)，如表1所示，該無機(jī)陶瓷膜相對有機(jī)膜具有諸多優(yōu)點。

表1 CFM膜系統(tǒng)特點Tab.1 Characteristics of CFM Membrane

MBCR處理系統(tǒng)集成了生化處理與膜濾系統(tǒng)，大大縮短了工藝流程。同時，膜系統(tǒng)(包括加藥系統(tǒng))運行模式簡單、易控制。

1.3 中試試驗方案

1.3.1 試驗前準(zhǔn)備

選取試驗場地后，連接MBCR裝置管道，調(diào)試中試設(shè)備單機(jī)。

①啟動生物池中曝氣風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)，觀察其是否能正常運行。

②啟動斜管沉淀池中污泥泵，觀察其是否能正常運行。

③啟動過濾池中污泥泵及反洗曝氣風(fēng)機(jī)，觀察其是否能正常運行。

④啟動滲透池中清水泵，觀察其是否能正常運行。

⑤啟動加藥泵，觀察其是否能正常運行。

1.3.2 試驗步驟

1)中試設(shè)備清水聯(lián)動調(diào)試。往裝置中通入自來水，開啟裝置自動控制程序，觀察裝置內(nèi)各傳感器是否能正常工作并穩(wěn)定出水。

2)進(jìn)行悶曝，初步設(shè)定悶曝時間為48 h。待裝置生化池污泥濃度(MLSS)達(dá)到設(shè)定值后對裝置產(chǎn)水量、出水水質(zhì)、生物池DO、MLSS等指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測60 d并記錄原始試驗數(shù)據(jù)。

常規(guī)水質(zhì)檢測指標(biāo)包括CODCr、SS、氨氮及生化池MLSS，指標(biāo)檢測方法為國標(biāo)檢測法，具體如表2所示。

表2 國標(biāo)法水質(zhì)檢測方法Tab.2 Water Quality Testing Methods according to National Standard

2 中試試驗結(jié)果分析

中試試驗開始之前，首先進(jìn)行污泥培養(yǎng)和掛膜，圖1為掛膜成功前后對比，同時檢測生化池MLSS。

圖1 填料顯微鏡圖Fig.1 Micrograph of Packings

MBCR中試試驗進(jìn)水采用某城市污水處理廠預(yù)處理出水，處理規(guī)模為2 m3/h，系統(tǒng)排水和排泥均排至廠區(qū)污水井，裝置進(jìn)水水質(zhì)檢測結(jié)果如表3所示。

表3 進(jìn)水水質(zhì)Tab.3 Influent Water Quality

圖2 MBCR對CODCr的去除效果Fig.2 Effect of MBCR on CODCr Removal

2.1 MBCR處理出水效果

由圖2可知，MBCR自接種污泥后運行一周左右基本實現(xiàn)了穩(wěn)定出水，出水CODCr質(zhì)量濃度穩(wěn)定在35 mg/L左右，去除率達(dá)到93%。研究表明，在底物濃度一定且污泥濃度在一定濃度范圍的情況下，有機(jī)碳的去除率同MLSS濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[5]。在裝置運行前一周內(nèi)，出水CODCr含量呈現(xiàn)下降趨勢，說明在該時間段內(nèi)接種的活性污泥的濃度和活性也在不斷上升。

圖3 MBCR對總氮的去除效果Fig.3 Effect of MBCR on TN Removal

由圖3可知，MBCR工藝對總氮的去除率最高為75%，出水質(zhì)量濃度低至10 mg/L，達(dá)到一級A水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

由圖4可知，MBCR工藝對總磷的去除率最高為95%，出水質(zhì)量濃度低至0.35 mg/L，達(dá)到一級A水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 MBCR對總磷的去除效果Fig.4 Effect of MBCR on TP Removal

由圖5可知，出水SS質(zhì)量濃度低于0.1 mg/L，這是由于MBCR裝置生化處理出水會經(jīng)膜微濾作用。

圖5 MBCR對SS的去除效果Fig.5 Effect of MBCR on SS Removal

試驗在檢測水質(zhì)指標(biāo)的同時也檢測了自污泥接種之后反應(yīng)池生化段內(nèi)活性污泥MLSS的變化情況，由圖6可知，MLSS的含量與上述CODCr去除率變化情況相符。

圖6 MBCR出水水質(zhì)Fig.6 Effluent Quality of MBCR

中試試驗原水取自生活污水處理廠預(yù)處理格柵出水，該水廠二級處理工藝為傳統(tǒng)AAO生化處理工藝+周進(jìn)周出式輻流沉淀池，深度處理采用混凝絮凝沉淀+V形濾池+二氧化氯消毒工藝。水廠處理出水基本可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。表4為MBCR運行穩(wěn)定后的出水水質(zhì)和同期污水廠出水水質(zhì)的對比。

表4 MBCR處理出水水質(zhì)與傳統(tǒng)生化工藝對比Tab.4 Comparison of Effluent Quality between MBCR and Traditional Biochemical Process

由表4可知，MBCR中試裝置出水水質(zhì)除總氮外均達(dá)到了地表類Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。同時，由于使用膜過濾系統(tǒng)替代沉淀池，可避免因活性污泥膨脹導(dǎo)致的出水水質(zhì)變差的問題。

2.2 CFM膜性能試驗

在運行過程中，CFM膜表面會不斷富集有機(jī)和無機(jī)顆粒物質(zhì)，從而在一定程度上影響膜的過水性能，降低膜實際運行通量。膜的反洗分為運行中物理反沖洗和化學(xué)清洗。其中，物理反沖洗與膜抽吸泵抽吸產(chǎn)水步驟共同組成膜系統(tǒng)的運行程序。交替性的膜化學(xué)清洗系統(tǒng)中設(shè)置次氯酸鈉和檸檬酸兩種膜清洗藥劑，當(dāng)膜受到有機(jī)污染較多時，采用次氯酸鈉溶液進(jìn)行膜的維護(hù)性清洗，當(dāng)膜受無機(jī)顆粒堵塞時，采用檸檬酸溶液清洗。在市政污水處理過程中，常見的是有機(jī)污染物對膜造成的污堵，本文通過膜通量恢復(fù)試驗探究膜系統(tǒng)的運行方式和適宜化學(xué)清洗周期。

膜通量恢復(fù)性試驗中，MBCR膜系統(tǒng)采取恒壓運行模式，維持抽吸負(fù)壓在-25 000 Pa。對照組不進(jìn)行化學(xué)清洗，連續(xù)檢測抽吸泵產(chǎn)水流量，試驗組每7 d進(jìn)行一次次氯酸鈉在線化學(xué)清洗，清洗完成后再進(jìn)入過濾模式，中試試驗裝置自帶數(shù)據(jù)采集和存儲功能。

由圖7可知，抽吸+化學(xué)清洗的運行模式下，膜通量呈現(xiàn)階梯式下降，并能在化學(xué)清洗后基本恢復(fù)通量。而沒有化學(xué)清洗的運行方式下，膜通量基本呈現(xiàn)為連續(xù)遞減趨勢。針對一般城鎮(zhèn)污水處理廠，CFM膜在線化學(xué)清洗時間一般控制7 d為一個周期。

圖7 兩種運行方式下MBCR產(chǎn)水流量變化曲線Fig.7 Change Curve of Effluent Quantity of MBCR under Two Operation Modes

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

通過MBCR中試裝置運行效果分析，該組合工藝對市政生活污水的處理出水完全滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

MBCR工藝可以滿足較低的污泥負(fù)荷條件，實際運行中，在出水水質(zhì)穩(wěn)定后測得膜池中活性污泥質(zhì)量濃度達(dá)到8 000 mg/L。同時，污泥齡控制在23 d以上，實際運行效果證明產(chǎn)泥量較常規(guī)生化法低。

CFM作為無機(jī)膜在通量和運行性能上較中空纖維膜存在較多優(yōu)勢。運行過程中周期性的反沖洗可以使膜的通量不斷得到恢復(fù)，在保證產(chǎn)水量上具有明顯優(yōu)勢，中試試驗穩(wěn)定運行過程中通量基本可以穩(wěn)定在35 L/(m2·h)。

3.2 建議

(1)MBCR中試裝置的運行結(jié)果表明，傳統(tǒng)生化處理工藝可以經(jīng)過一系列的改造和變形，滿足特定條件下水處理要求。

(2)MBR工藝設(shè)計中抽吸泵與反洗水泵的選型應(yīng)對應(yīng)進(jìn)行，針對特定水質(zhì)最好能做中試試驗，以確定最佳運行和反洗周期。

(3)中試裝置運行初期會存在抽吸泵抽不出水的現(xiàn)象，這是由于抽吸泵前管道中存在氣體，導(dǎo)致無法形成真空環(huán)境，所以有必要在產(chǎn)水母管上方設(shè)置排氣閥，建議選用電磁閥。

(4)實際工程中通常為恒流量運行模式，隨著膜系統(tǒng)運行，產(chǎn)水管抽吸負(fù)壓也必將會隨之上升，一般以7 d為一個周期對膜系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)恢復(fù)性清洗。但實際運行過程中，當(dāng)膜抽吸負(fù)壓接近-50 000 Pa時，即使運行時間不到一周，也需要進(jìn)行化學(xué)恢復(fù)性清洗，以免造成膜通量的不可恢復(fù)性損壞。