四種改良的低能耗MBR系統(tǒng)-日本案例

梵心4466 2021-01-28

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膜生物反應(yīng)器（MBR）雖有出水水質(zhì)好、占地面積小，運(yùn)行維護(hù)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，但其高能耗仍然是該工藝進(jìn)一步普及的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。日本下水道事業(yè)團(tuán)（Japan Sewage Works Agency, 以下簡稱JSWA）自2012年以來與多家私企開展了一系列聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目，開發(fā)了四種節(jié)能型的MBR系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了長期跟蹤，其研究結(jié)果發(fā)表在IWA期刊《Water Science & Technology》上。

項(xiàng)目介紹

截至2017年9月，日本有22個城市污水處理廠采用了MBR系統(tǒng)。JSWA對其中11座污水廠的單位能耗（SEC）進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，進(jìn)水流量和處理能力比（inflow/capacity ratios）≥20%的污水廠的SEC值為0.8-3.0 kWh/m³。文獻(xiàn)顯示其他國家MBR系統(tǒng)的SEC為0.4-2.4kWh/m³，低負(fù)荷運(yùn)行是高SEC的主要成因之一。在上述研究中，一個滿負(fù)荷運(yùn)行的示范工程的單位能耗可低至 0.39kWh / m³。下圖1是日本活性污泥工藝案例的的單位能耗統(tǒng)計(jì)圖，其擬合曲線顯示，當(dāng)進(jìn)水率為1的時(shí)候（進(jìn)水量等于設(shè)計(jì)容量），去除有機(jī)物和脫氮的單位能耗分別為約0.2和0.3kWh/m³。因此，MBR系統(tǒng)若想和傳統(tǒng)工藝競爭，甚至進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，如何降低能耗是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

圖1. 日本污水處理廠協(xié)會（2010）的數(shù)據(jù)顯示，日本傳統(tǒng)活性污泥工藝和脫氮除磷工藝的單位能耗。注：其中580座僅有傳統(tǒng)活性污泥工藝。有64座包含脫氮除磷工藝，例如MLE、分段式MLE和A2O工藝

在此背景下，自2012年以來，JSWA與多家私企合作，開發(fā)了4種能耗低于傳統(tǒng)MBR的 “節(jié)能型MBR系統(tǒng)”。經(jīng)過結(jié)合多因素的綜合考慮（如對脫氮的要求），他們將SEC目標(biāo)定為0.4 kWh/m³。

在日本，大部分MBR系統(tǒng)都配有穩(wěn)定池，因此流量相對穩(wěn)。但是這些污水廠的處理規(guī)模不大，截止2017年，22座污水廠中只有一座的處理量超過10000 m³/天。作者們認(rèn)為，MBR系統(tǒng)若想拓展其在中型和大型污水廠的應(yīng)用，需要對MBR的“峰值通量”運(yùn)行進(jìn)行研究。“峰值流量”是假設(shè)在陰雨天氣持續(xù)4-24小時(shí)時(shí)出現(xiàn)的流量峰值。該研究主要考察這些改良MBR系統(tǒng)長期運(yùn)行的能耗結(jié)果以及在特殊峰值情況下的表現(xiàn)，來驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際適用性。

節(jié)能方法

如下表1所示，他們主要有兩種節(jié)能策略：

(a) 降低清洗曝氣率：系統(tǒng)A、C和D都增加了膜單元的填充密度。更高的填充密度減少了單位過濾表面所需的曝氣量，從而減少了曝氣產(chǎn)生的能耗。一般而言，中空纖維膜的填充密度高于平板膜。

為了解決平板膜的這點(diǎn)不足，系統(tǒng)A采用了膜單元堆疊的方式，使填充密度提高了1.6倍（和傳統(tǒng)產(chǎn)品相比）。系統(tǒng)C通過減小中空纖維膜的外徑來增加填充密度（也是比常規(guī)產(chǎn)品多1.6倍）。系統(tǒng)D通過延長膜長度和增加每單位投影面積的纖維數(shù)量來提高填充密度（增幅達(dá)1.8倍）。系統(tǒng)B通過使用陶瓷膜，利用其親水性防止結(jié)垢粘附，使曝氣速率保持在較低水平。

(b) 降低泵功率：系統(tǒng)A通過采用了虹吸過濾和氣升循環(huán)以進(jìn)一步降低能耗。虹吸過濾借助水頭差引起的虹吸作用作為抽濾的作用力，而氣升循環(huán)采用氣泡的驅(qū)動力來完成沖刷，或者借用生物曝氣作為循環(huán)的動力。由于利用這些物理作用力不需要外加電源驅(qū)動，所以能夠減少能耗。

表1. 研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的4種節(jié)能型MBR概況

中試運(yùn)行期間，系統(tǒng)A使用一個MBR污水廠的的活性污泥混合液作為進(jìn)水，系統(tǒng)B使用初沉池的出水，系統(tǒng)C和D使用市政污水的原始進(jìn)水。A、B和D系統(tǒng)進(jìn)行了峰值運(yùn)行測試。

能耗計(jì)算方法

下圖2顯示了用于能耗計(jì)算的MBR基礎(chǔ)系統(tǒng)的組成，下表2是計(jì)算參數(shù)的基本設(shè)置。首先他們根據(jù)表1和2對MBR所有設(shè)備的規(guī)格進(jìn)行鑒定，然后計(jì)算各種設(shè)備在日平均流量情況下的電耗情況（包括了初沉池的污泥收集設(shè)備、初始污泥泵、細(xì)格柵、缺氧池?cái)嚢杵鳌L(fēng)機(jī)、膜過濾泵、污泥回流泵、剩余污泥泵、化學(xué)清洗設(shè)備等），最后通過計(jì)算每日能耗和每日平均流量的比值得出SEC的數(shù)值。

圖2. 用于能耗計(jì)算的MBR基礎(chǔ)系統(tǒng)的組成以及各節(jié)能系統(tǒng)的工藝流程圖

表2. 能耗計(jì)算規(guī)格

峰值運(yùn)行

A和B系統(tǒng)的峰值測試是在長期運(yùn)行測試期間進(jìn)行的，而D系統(tǒng)的峰值測試是在長期測試后進(jìn)行的。下表3是各系統(tǒng)的測試條件概況。峰值運(yùn)行時(shí)間設(shè)為4或24小時(shí)，一次模擬短期和長期雨天運(yùn)行的情況。其中4h峰值測試的流量為平均進(jìn)水量的2-3倍，24h測試的峰值流量為平均值的1.3-2.5倍。

表3. 各系統(tǒng)在峰值流量下的運(yùn)行

討論結(jié)果

下圖3顯示了長期運(yùn)行測試期間各系統(tǒng)的跨膜壓(TMP) 和水溫變化情況。各系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間在1-1.5年之間，期間有定期的化學(xué)清洗。下表4總結(jié)了各系統(tǒng)的進(jìn)水和出水水質(zhì)，數(shù)據(jù)顯示，BOD和SS去除率接近100%，總氮去除率在60-80%。

圖3. 各系統(tǒng)在不同情況下的跨膜壓(TMP)和水溫變化，包括恒定流量或晝夜波動，以及其他非常規(guī)的操作條件和事故。

表4. 長期運(yùn)行測試下各系統(tǒng)的表現(xiàn)

各系統(tǒng)的單位能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表5所示，所有數(shù)值都低于0.4kWh/m3的既定目標(biāo)。其中結(jié)合了兩種節(jié)能方法的系統(tǒng)A的單位能耗最低。如圖4顯示，雖然系統(tǒng)A的能耗比傳統(tǒng)工藝減少43%，但也反映了膜清洗和生物曝氣依然是MBR系統(tǒng)的主要能耗組成。

表5. 各系統(tǒng)的單位能耗計(jì)算結(jié)果

圖4. 系統(tǒng)A和傳統(tǒng)系統(tǒng)的單位能耗組成對比。傳統(tǒng)MBR指使用傳統(tǒng)膜產(chǎn)品，其他指的是初沉池、細(xì)格柵、剩余污泥泵的污泥收集能耗

在峰值運(yùn)行的時(shí)候，可能會出現(xiàn)跨膜壓突增或者膜污染等問題，但這次測試的三個系統(tǒng)都沒有出現(xiàn)這類問題（如下圖5、6、7所示）。這些系統(tǒng)都通過了峰值運(yùn)行測試，說明它們能夠在短時(shí)間乃至較長時(shí)間內(nèi)應(yīng)對雨天帶來的挑戰(zhàn)。值得一提的是，結(jié)果顯示在暴雨天情況下如果采用MBR工藝，污水廠的超量外排負(fù)荷也會相應(yīng)減少。在傳統(tǒng)的活性污泥工藝?yán)?，?dāng)合流制污水的進(jìn)水量超過污水廠的設(shè)計(jì)容量時(shí)，污水廠只會對這些超量污水做初沉處理，甚至不做處理直接外排。這些污水廠如果采用這些改良的MBR系統(tǒng)，就可以在極端天氣下讓更多合流的污水得到二級處理，從而減少外排的有機(jī)負(fù)荷。

圖5. 系統(tǒng)B的峰值運(yùn)行前后和期間的跨膜壓變化情況

圖6. 系統(tǒng)A的峰值運(yùn)行前后和期間的跨膜壓變化情況

圖7. 系統(tǒng)D的峰值流量運(yùn)行情況（峰值通量為1.3-1.6J，持續(xù)4小時(shí)）的跨膜壓變化

小結(jié)

總的來說，該項(xiàng)目研究的四種改良MBR系統(tǒng)的單位能耗已經(jīng)達(dá)到甚至低于常規(guī)活性污泥工藝的水平。此外示范運(yùn)行結(jié)果顯示，這些系統(tǒng)可以在平均進(jìn)水量1.3-3倍的情況下正常運(yùn)行4或24小時(shí)，這表明它們有能力應(yīng)對暴雨等極端天氣情況。作者們認(rèn)為這些系統(tǒng)展示了其在節(jié)能和峰值運(yùn)行方面優(yōu)勢，這將促進(jìn)更多新建和現(xiàn)有的污水廠考慮采用MBR系統(tǒng)。

參考資料
Demonstration of energy-saving membrane bioreactor (MBR) systems，Kyoko Yamashita, Hiroki Itokawa and Toshikazu Hashimoto，Water Science & Technology (2019) 79 (3): 448–457.

https:///10.2166/wst.2019.068

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