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MBR膜生物反应器在中水回用中技术经济分析

发布日期:2017-04-11 10:01 访问次数:
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    在中水回用技术中膜生物反应器将会越来越具有经济、技术上的竞争优势。估计中水回用将是MBR在我国推广应用的主要方向。目前我国膜生物反应器在中水回用中的应用实例还很少,需要结合我国的经济发展水平和MBR工艺的特点,进一步加强研究以推动其工程化应用的进程。

   新型水处理技术是膜生物反应器(MBR)由膜分离单元与生物处理单元相结合的,与传统的生化处理技术相比,MBR膜具有以下几点主要特点:处理效率高、出水水质好;设备紧凑、占地面积小;易实现自动控制、运行管理简单。80年代以来,该技术愈来愈受到重视,成为水处理技术研究的一个热点。目前,膜生物反应器已应用于美国、德国、法国、日本和埃及等十多个国家,处理规模在6~13000m3/d。

    1MBR在我国的应用现状

    近两年来,膜生物反应器在国内已进入了实用化阶段。MBR系统的处理对象从生活污水扩展到高浓度有机废水和难降解工业废水,如制药废水、工业废水处理、化工废水、食品废水、屠宰废水、烟草废水、豆制品废水、粪便污水、黄泔污水等。从目前的趋势看,中水回用将是MBR在我国推广应用的主要方向。表1列举了MBR在我国的应用实例及处理效果。这些应用实例表明:MBR对生活污水、高浓度有机废水与难降解工业废水的处理效果良好。
 3影响MBR应用的关键课题研究

    由于膜通量的提高、膜寿命的延长会大幅度降低MBR的运行费用,因此,在保证出水水质的前提下,膜通量应尽可能大,这样可减少膜的使用面积,降低基建费用与运行费用。因此控制膜污染,保持较高的膜通量,是MBR研究的重要内容。而膜通量与膜材料、操作方式、水力条件等因素密切相关。

    2.1水力学特性的改善

    改善膜面附近料液的流体力学条件,如提高流体的膜面流速,减少浓差极化,使被截留的溶质及时被带走,能有效降低膜的污染,保持较高的膜通量。黄霞、何义亮分别采用PAN平板式超滤膜、PAN/PS管式膜组件考察不同膜面循环流速下污泥浓度对膜通量的影响,发现MLSS对膜通量的影响程度与膜面循环流速有关。大量试验表明:污泥过膜流态为层流,远比紊流时易于堵塞,因此从理论上确定不同污泥浓度下紊流发生的最小膜面流速(Vmin)有重要意义。邢传宏、彭跃莲研究均发现:最小膜面流速与污泥浓度之间呈良好的线性关系。但他们对临界膜面流速的计算值可能偏高,因为污泥沿流道流动的过程中,水同时透过膜流出,增加了流体在垂直方向的紊动,从而在一定程度上降低了下临界雷诺数(Rek)。


    2.2操作方式的优化

    当膜材料选定后,其物化性质也就基本确定了,操作方式就成为影响膜污染的主要因素。为了减缓膜污染,反冲洗是维持分离式MBR稳定运行的重要操作,樊耀波通过确定最佳反冲洗周期,使分离式MBR的膜通量达到60L/(m2·h)。针对抽吸淹没式MBR,山本提出间歇式抽吸方式可有效减缓膜污染。桂萍通过研究进一步指出:缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染,抽吸时间对膜阻力的上升影响最大,曝气量其次。

    不仅污泥浓度、混合液粘度等影响膜通量,混合液本身的过滤性能,如活性污泥性状,生物相也影响膜通量的衰减。有研究表明:粉末活性炭与絮凝剂的加入有助于改善泥水分离性能,形成体积更大、粘性更小的污泥絮体,减少了膜堵塞的机会。但絮凝剂的过量加入会使污泥活性受到抑制,影响反应器的处理能力和处理效果。

    2.3
膜的选择

    现有膜可分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜生物反应器在我国的广泛应用,国内MBR系统普遍采用有机膜。常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式MBR通常采用超滤膜组件,截留分子量一般在2~30万。截留分子量越大,初始膜通量越大,但长期运行膜通量未必越大。张洪宇进行无机膜的通量衰减试验表明:孔径0.2μm的膜比0.8μm的膜更适合于MBR。何义亮用PES平板膜组件进行膜通量衰减规律的研究发现:在该试验条件下,膜初始通量衰减主要是由于浓差极化引起,膜截留分子量愈小,通量衰减率愈大;膜长期运行的通量衰减主要是由于膜污染引起,膜截留分子量愈大,通量衰减幅度愈大,化学清洗恢复率愈低。对于淹没式MBR,既可用超滤膜,也可使用微滤膜。由于膜表面的凝胶层也起到了过滤作用,在处理生活污水时,微滤膜与超滤膜的出水水质没有明显差别,因此淹没式MBR多采用0.1~0.4μm微滤膜。
    2MBR在中水回用中的经济分析

    根据污水水量、水质及处理难易程度的不同,MBR处理工业废水的一次性投资通常在4000~10000元/m3,应用于中水回用系统的MBR(规模为10~500m3/d)的一次性投资为2500~5000元/m3,处理规模越大,单位处理污水量的一次性投资越低。本文以处理规模为240m3/d的回用系统做一初步的技术经济分析。

    3.1不同MBR系统的费用分析

    采取费用比较法进行3类MBR系统的经济分析,它包括两部分:MBR系统的工程建设费用及运行费用。

    工程建设费用=基建费用(建筑工程费+设备购置及安装费+不可预见工程费)+膜的购置费用。运行费用=设备折旧费用(以10a计)+膜更换费用+动力费用+其他费用(人员工资+维修清洗费)。MBR系统的建筑工程费和运行费用分别:(1)3类MBR系统的一次性投资费用大小依次为:无机膜MBR>一体式MBR>分离式MBR;(2)运行费用大小依次为:无机膜MBR>分离式MBR>一体式MBR;

    (3)影响MBR系统运行费用的主要因素是动力费用与膜的更换费用。膜的更换费用是影响一体式MBR系统运行费用的关键因素;而动力费用是影响分离式MBR系统运行费用的关键因素。在3种MBR系统的建筑工程费用中,一体式MBR与分离式MBR的一次性投资基本相当,而一体式MBR的运行费用为分离式MBR的75%。我国是缺水国家,北方地区缺水更为严重,许多城市不得不采取限量供水和超量用水加倍收费等措施。因此,中水回用对于合理用水和节约水资源势在必行。以北京市2000年供水价格为例,居民生活用水价格为1.8元/m3;宾馆、洗车、洗浴等行业供水价格为3.0~5.0元/m3。一体式膜生物反应器总运行成本为1.9元/m3,用于中水回用具有明显的竞争优势。同时可节省水资源,具有环境效益和经济效益。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。

    3.2影响MBR技术经济评价的相关因素分析目前,对MBR系统的技术经济分析的结论存在较大的差别。主要是由于在MBR系统设计中,对膜的处理能力(膜通量)与膜使用寿命的估计存在很大的差别,直接影响对膜生物反应器的经济评价。在表2中,一体式MBR(国产膜)膜通量设定为8.33L/(m2·h),膜的使用寿命为2a,膜价格为150元/m2。下文仅讨论膜通量、膜的使用寿命及膜价格的单因素变化对一体式膜生物反应器运行费用的影响,统计结果见图1,图2和图3。

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