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膜生物反应器MBR设计计算

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学社我家 发表于 2019-9-10 07:35 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
膜生物反应器的负荷+ }7 [+ a  l- |  x/ g% y2tech.cn

" I1 f' z- S/ @6 k0 R传统活性污泥法中,微生物的降解速率决定了进水的负荷,质量负荷率或是F/M是一个非常重要的设计参数,一般的范围是0.2~0.4kgCOD/kgMLSS·d。5 `1 ?# A. C7 `; n2 F( b3 R5 C2tech.cn

- |/ Q: x7 `& ~1 w4 G太高或太低的设计负荷都会导致有机物处理不完全或二沉池沉降性能不好,引起出水质量的下降。膜
. d2 k  o3 G' m  `
' x) {# e/ t9 s4 V* Q生物反应器的质量负荷率是0.02~0.1 kgCOD/kgMLSS·d,远远低于传统的活性污泥法。% w9 q0 p/ o3 m& X2tech.cn

1 p( A5 L. R6 d+ r膜生物反应器一般在较高的活性污泥浓度下运行,典型的是8~12g/L·MLSS。
' s1 B4 `5 R# ]) d; d1 L7 |8 Q5 k; b+ z5 d' p" O2tech.cn
然而,膜生物反应器体积负荷大约在1~1.8kgCOD/m3·d,高于活性污泥法的0.4~0.8kgCOD/m3·d。( F2 {( ?8 |2 @  y, \2tech.cn

& q7 k0 a/ M* }$ v8 o! y! ]因此,在处理相同浓度水平的污水时,可以减小反应器的占地面积和缩短停留时间。) j6 E/ g* ]* l) f  P2tech.cn

. ^& j; |8 [2 @$ B' Q7 ?工业规模的膜生物反应器水利停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)分别是3~6小时和30~200天。( ^, B( T( E  \8 m+ |( H$ h- w2tech.cn

' }& G/ I4 i# y3 o+ k# ]膜生物反应器的污泥停留时间一般是30~200天。
* {/ ~" [) D' ?% v3 ^: d7 s6 Z% m8 Y3 g) \/ q- A5 `1 \) w2tech.cn
对于传统的活性污泥法来说,因为二沉池沉降的限制,过长的SRT带来的较高的污泥浓度是不现实的。
4 ~& d2 L  S1 a1 ^2 k; A
8 i( s/ B. M2 g6 R; J( l2 [对于膜生物反应器来说,不受污泥沉降性和污泥流失限制,活性污泥浓度可以保持在比较高的水平。3 o, M4 ^8 A& X0 ?! d/ ?* L5 _! i2tech.cn

& Z1 B. f- f, W6 i7 t9 m长污泥停留时间可以使部分生长速率低、菌龄长的菌种截留在反应器中,对于脱氮菌和难降解污染物的特殊菌的生长有很大好处。长污泥停留时间还可以获得较低的污泥产率。4 j, W) A0 ~/ Z3 U" e; b* O2tech.cn
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在传统的活性污泥法中,太高或太低的质量负荷会导致出水中的溶解性微生物产物SMP(soluble microbial products)提高,从而导致出水质量下降。3 ~; k" c. N) m# t( b1 B9 l/ J2tech.cn

+ {. Q. p/ V3 I& ]" X; FSMP是微生物在新陈代谢过程中释放到好氧混合液中的各种有机物的总称,不包括厌氧过程中的挥发性脂肪酸。4 V: X$ m5 R/ Q7 ^( K$ ^. N( ^2tech.cn
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SMP包含了大量的有机物,包括腐殖酸,棕黄酸、多聚糖蛋白质、核酸、有机酸、氨基酸、抗生素、类固醇、酶和能量代谢产物并构成了主要的出水中有机物来源。优化的污泥停留时间可以减少SMP的产生。. b% q$ f" k. J. k3 a- t, ~7 y. j2tech.cn

2 |- m7 N) u/ ]6 \% ^膜生物反应器的出水通量- @# w, o0 s8 b# L0 C, i2tech.cn

6 E0 r+ s* c; r" G4 P, e% O在浸没式膜生物反应器中,多种因素会影响出水通量,例如透膜压力、曝气速率、气体引发的两相流错流过滤的速率、膜的特性、生物相的过滤特性等等。/ `" a/ `& T7 _, E+ L9 y5 ~2tech.cn

) y2 k* |4 u; j5 ?. d/ ^$ {! t这些因素错综复杂并且互相影响,到目前为止,它们对膜过滤过程的影响还没有透彻的解释。膜连续过滤的持久性以及一些防治污染的清洗技术,包括水反洗、气体反冲、间歇抽吸和化学彻底清洗都会影响膜的操作通量。
4 d( Y$ a! G; `7 t
' U' a) G# C5 `$ c) n浸没式的膜生物反应器操作通量一般在5~35LMH。在这种通量水平下,通过每小时4次,每次30秒的频繁反洗,每周一次15分钟的大规模反洗,化学清洗的周期可以延长到5个月以上。
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在通量25LMH以下,通过每小时12次,每次15秒的频繁反洗,每周一次15分钟的低浓度的次氯酸盐反洗,化学清洗的周期可以延长到一年以上。膜出水通量及透膜压力表现的汇总数据在下表。5 j0 E. N( J0 ]( S# o: t3 G2tech.cn

: `5 a0 M8 h: } 环境学社1.jpg 0 G. E: x' F" B6 w2tech.cn

7 _. K$ i* _2 `% x# Y膜生物反应器对营养物的去除
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3 {8 h3 e) g; }; w

, c! U! l5 }2 c在膜生物反应器中,良好的出水质量得益于有机物被生物降解后的彻底无机化和膜对微小生物颗粒以及大分子化合物的截留作用,使膜生物反应器的出水有机污染物浓度较低,可以满足一般非饮用的回用水要求。膜生物反应器COD去除效率高于95%的报道已经屡见不鲜。BOD和TOC去除率达到98%和94%也有报道。
0 y% @! r; }' B' q' d
2 l) h; w  a! c  E; q膜生物反应器的特点提高了长菌龄、生长慢的细菌,例如硝化菌等的生存几率。在充足的溶氧和较长的污泥停留时间下,反应器中的硝化效果比较好,总凯氏氮的去除效率能够达到95%。
: \, L" v. n8 y, _" ^( a
  X5 k9 v  \% S% q膜生物反应器剩余污泥产率
: t# T/ b8 c# ?  I& \
9 ~! y2 u* \2 `" {! u& G! p无论在国内还是在国外,在污水的生物处理中,废泥的处理在处理费用中占有很大的比重,污泥处理基建费用占污水处理厂总基建费用的比例都很高。
. \# H1 U  q. j2 d, B, z+ k/ P# S+ p! E3 G* j2tech.cn
膜生物反应器工艺可以省去二沉池和剩余污泥处理设施,从而减少了污水处理厂的基建投资和占地面积,降低了剩余污泥处理的费用。
! ~7 [6 e( T/ }/ J' U5 t) {% B% J& A6 {1 K% \2 F2tech.cn
膜生物反应器应用较长的污泥停留时间和较低的F/M,可以大幅降低剩余污泥的产率。较低的F/M使活性污泥微生物只能维持基本的新陈代谢,无法保持较高的生长率。5 k* ?; Q! R2 n. |& D8 t2tech.cn
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膜生物反应器的曝气设计
2 d: C+ `# a2 e( [! j2 B! A% a9 I
( a; r& Q" [. _" w1.生物曝气
& ~1 g+ X& h* ~4 y# |$ U, q
9 ^( c% s' B: d5 [曝气量首先与生物反应器(特别是混合液)所需的空气量有关,曝气量主要起到两方面的作用:
5 ^* [1 N* j! u. j' X+ C0 N$ c* G
/ @8 [/ B- g2 y6 `( t- w(1)搅拌;(2)提供溶解氧以维持一定的微生物量。
8 v7 P* i# }# [  d( j0 P) n2 W3 {- n/ g5 B6 _, O- h9 m2tech.cn
在生物处理过程中DO通常是关键的设计参数。根据系统物料平衡,可以得出以下关系式:
1 W. K+ }7 T; r& P6 V" n# x  ]- `+ G2tech.cn
环境学社1.jpg
; Q8 T4 {% k$ A3 c0 V
: `  M" b& a2 u: G氧气一般通过空气扩散器进入系统,并以空气或纯氧气泡的方式传递给微生物,但其中只有一部分可以被微生物利用,其量可以氧转移效率(OTE)表示,转移效率取决于扩散器类型和特定系统设计。
4 d  c2 y) K6 [, q2 W& f! `6 Y- m- b, y  l0 r2tech.cn
扩散器厂商会提供其产品在20℃下清水中的OTE值及3个修正因子α、β和φ,修正后的OTE值可以转化为在工艺用水中的值。
* E0 l6 N3 h3 R% @- y/ q( p  X  r# p# ^2tech.cn
因此维持生物群落所需的鼓风机气体流量可由下式计算得出:
5 i+ R6 _4 D) E) m, C) W6 {1 O$ W: c; y2 y' w2tech.cn
环境学社2.jpg
. \9 h' I2 l/ H* f! E1 T/ b0 u, A
4 d, Q1 Z3 o7 _" c# [为方便计算,这三个因子常被合并为一个因子α。
  z* Z3 X( N, t( X! }7 D. m5 J. D7 e. J) T3 ~: b% U2tech.cn
与其他流量不同,mA,b是质量流量而非体积流量。但在实际应用中常需要考虑生物曝气所需的空气体积,因此必须将其转化为体积流量。通
3 J5 Q6 d6 Z1 @
, \& g! _+ P% F3 D. ]常采用空气密度将mA,b标准化为特定温度(常为20℃)下的值,以提供单位出水所需的空气流量:" d  n- T0 o% {, E2 E4 D2tech.cn
" r. ?' }; d- y6 _4 o2tech.cn
环境学社3.jpg 2 S3 X+ [6 V+ l2tech.cn

& k( o+ x  ]2 I! Z式中:J’net为经标准化的20℃下的净通量。4 ^( Q6 [0 z+ i. n1 l  B2tech.cn
% {; z% D0 E% M( }2tech.cn
2.膜曝气
& G  o  s( t' v& _- ?  Y
0 X0 Y. |, |2 n3 \2 l0 U! m: wMBR中膜单元的曝气十分重要,它可以将固体物质从膜表面冲刷下来。目前人们还未能深入了解曝气量和膜通量下降之间的关系,因此在实际应用中膜曝气量一般不是通过理论计算得到,而是按照以往的经验得出,通常膜厂商会提供一个合适的曝气量值。与膜清洗一样,最有价值的数据来源于中试研究和生产性工程实例。
, O5 k* e" g) \) ^0 B6 ?
: `: n  l( {" h+ H& r" m. O在浸没式系统中,对能耗起主要作用的因素是比曝气能耗,即QA与膜面积的比值(SADm)或QA与出水流量的比值(SADp):
1 u5 C' H; i' M6 @7 T" s. Z 环境学社4.jpg 下标m指单个膜元件或膜组件。SADm单位为m3(空气)/(m2·时间),名义上等于m/h,SADp无单位。需要注意的是,这两个值都与温度有关:随着温度的升高,由于粘度下降,气体体积(及流量)增加,膜通量也会增加。标准化至20℃时,气体流量单位为Nm3/h。
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精彩评论2

 楼主| 学社我家 发表于 2019-9-10 07:35 | 显示全部楼层
膜生物反应器的能耗及处理成本
% k' S. ~7 V- \$ q% ?# j, K! {, Q
! W3 r! S" ~  P* z& A! y* H# v% F2 W" B侧流式膜生物反应器中,为保持2~4m/s的错流速率减少膜污染,能耗很大一部分消耗在循环泵上。循环泵的回流比达到了10~20:1,同时高剪切力也会影响到细菌生长,进而影响到微生物活性。. }7 y8 W6 ]/ Q4 h! \2tech.cn

" ]% }- V0 Z: ^膜生物反应器对城市污水处理的成本己经从1992年的令人吃惊的800元每立方米降至目前0.8元每立方米。这主要是因为膜成本的降低造成的。膜的成本已经由1992年的3200元(400~500美元)每平方米降到了目前大约300元每平方米。" H+ \. E* ?# x! P: B% [( m5 j; f2tech.cn

: W# x) h5 Y1 I" J: P; N膜的成本、膜更换周期以及能耗是膜生物反应器的主要成本。而能耗主要体现在泵的动力消耗和曝气风机的动力消耗上。
( V6 b3 T. s' Q& Y* `3 L$ Q; Y  G4 S& t3 ?2tech.cn
目前,能量消耗依然是处理成本的主要部分,其次是污泥处理成本和膜的更换成本。处理成本降低是推动膜生物反应器的广泛应用主要因素,其他因素,如:占地面积小、外形美观、有消毒功能等对膜生物反应器的推广更加有利。7 a& ^0 ]2 G; H, m* d2tech.cn

4 Y, i1 s; f" u: k9 `6 a3 g
 楼主| 学社我家 发表于 2019-9-10 07:38 | 显示全部楼层
对MBR工艺流程各组成单元运行特性的考察表明:MBR工艺的放大设计应主要包括生物反应器设计参数选取、泵系统选择、膜组件选择等几个方面。( K5 x7 d- e* v/ j% \1 i, Z2tech.cn
* D) Q# |( d! g% h2tech.cn
① 生物反应器参数的选取。# u/ ?7 B8 h: N9 k% L9 v" _2tech.cn
) _; w$ K- b7 S% k2tech.cn
大量试验研究显示:采用MBR工艺处理城市污水,污泥负荷、体积负荷已不再是制约处理效果的重要指标。8 k, p) I# h. L  q$ L6 Z, c; ]2tech.cn

$ {: F' N$ l" T2 e4 f6 {根据中试运行的经验,可将水力停留时间HRT、污泥停留时间SRT作为MBR工艺生物反应器单元的设计依据,因为这样不仅能确保工艺操作的长期稳定性,而且能简化设计过程。
6 r9 ?# \- a* K' _: n" ?3 x
3 Z" B1 }2 ]. x4 c: g/ c3 e( j② 泵系统选择。
( I+ L/ C1 F% `. g9 M; ~* A: c) {" {1 D2tech.cn
MBR工艺中加压泵的特点是扬程高、流量小;而循环泵则要求扬程低、流量大。
$ \2 X$ c  F, c( D. L! i3 c0 L5 G2 u+ x, a) B- |, C4 G2tech.cn
考虑到加压泵和循环泵并联工作的需要,两种泵的扬程必须相等,即H2=H3。泵流量的选择,则只需达到膜组件对设计膜面流速的要求即可。. W6 O: \% ?8 H. l. D) ]2tech.cn

5 w3 r" q* p% t  r6 a+ |在此前提下,为节能起见,循环泵的流量宜大一些,而加压泵的流量宜小一些(至少应满足Q2>Q)。5 M9 @8 a8 u* h2 D) W; Z2tech.cn

5 W1 J# d& l! W: W' c4 y③ 膜组件选取。9 |( |, ]+ ^* M2tech.cn

( u& t! C1 W. y6 U/ j膜组件是MBR工艺的关键组成单元,它的选择对MBR工艺的运行具有决定性的作用。研究表明:以回用为目的的城市污水生物处理应优先选用超滤膜组件。
2 f6 e* k$ b, E7 Y: v/ w. E! N, p3 S. X! T. c4 K5 M" t* O2tech.cn
膜通量是膜组件设计中最重要的技术参数之一。当处理能力一定时,设计选择的膜通量越高,所需的膜面积就越小,膜组件部分的固定投资就越少;但另一方面,MBR工艺的运行周期也就会越短,从而增加膜组件清洗的次数和费用。( O' q2 @' j0 c' a, X' ^2tech.cn
+ h) V9 |& K% W2tech.cn
因此,在具体的放大设计中应兼顾工艺的运行周期和膜组件的固定投资两个方面。
- E, B- j' n9 U) K2 ~
+ ?% l6 N9 F9 S5 J! w( z设计运行周期一般不小于3周。
0 W: w7 O; m, z' e& h# ~% Z( W9 B# K* B1 B" s2tech.cn
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