MBR膜工艺处理煤液化废水

膜生物反应器(MBR)采用膜组件代替二沉池进行固液分离，污泥浓度可高达普通活性污泥法的3~4倍，污泥龄长，污泥负荷低，有利于降解废水中各类有机污染物和氨氮，近年来被广泛应用于有机废水处理、有机废水脱氮等方面。

　　不同类型的膜组件处理印染等废水的对比研究已有报道，但多为实验室研究，应用于煤化工废水处理实际项目的案例较少。笔者以陕西某煤化工废水处理项目为例，介绍了MBR工艺在煤间接液化废水处理项目中的应用情况，并对比了传统帘式和海藻式膜生物反应器的设计与运行参数，以期为同类工程提供参考。

一、工程概况

　　陕西某煤间接液化工业示范装置以煤为原料，生产液化油品。该项目排放的生产、生活废水经污水处理装置集中处理后再进行深度处理，大部分产水作为循环水站补水回用，深度处理产生的浓盐水排入浓水处理装置的蒸发结晶单元进行最终处理。

　　污水处理装置主工艺采用多级A/O+MBR组合工艺，其中MBR单元分别采用传统帘式和海藻式MBR系统，2套系统独立运行，各占50%处理能力，处理水量均为370m3/h。

二、工程设计

1. 进、出水水质

　　装置污水主要由气化污水、合成高浓度污水、含硫污水等组成，废水水质、水量波动大，氨氮、有机物浓度高，并含有一定浓度的油、硫化物等。根据分质分流的处理原则，各股废水分别经预处理后汇入调节池，后经多级A/O+MBR工艺处理，出水进入回用水装置进行软化脱盐。本项目污水出水要求在《黄河流域(陕西段)污水综合排放标准》(DB61/224—2011)一级标准基础上执行更严格的控制指标。进、出水设计水质见表1。

　　2.2 工艺选择

　　污水处理工艺流程如图1所示。

（1）预处理系统

　　气化污水硬度较高，影响后续工艺设备的运行，在初沉池前投加除硬剂，可去除水中的硬度和部分悬浮物。高浓度污水含有一定浓度的有机酸，首先进入中和池，投加碱液使废水近中性，后经涡凹、溶气两级气浮除油，再经UASB降解大部分有机物。含硫污水先经溶气气浮除油，后经化学沉淀法除硫化物(投加硫酸亚铁溶液)。以上预处理后的3股废水进入调节池均质混合。

（2） 生化处理系统

　　该项目处理规模大，同时含有较高浓度的氨氮和COD，因此选用A/O变型工艺——多级A/O工艺作为生化工艺，该工艺可根据进水状况灵活调节各段的回流比等参数，适合与后端的MBR池有机结合。

（3） MBR系统

　　采用处理规模相同的传统帘式和海藻式MBR2组系统，参数对比如表2所示。

　　传统帘式MBR两端固定在出水口，产水时通过抽吸泵产生的负压作用，使混合液中的水往膜内渗透，经过膜的中空管收集，最后进入两端的出水收集管中。由于它的膜丝比较稳定，附着在膜丝上的生物不易被曝气吹走，所以附着生物较多，可以更有效地去除污水中的各种有害物质。

　　海藻式MBR则由底部固定在出水口、上部不固定的膜丝组件组成的。其主要特点是不固定的一端随着曝气的进行不停抖动，有利于去除膜表面污染物质，尤其可避免顶部毛发纤维的缠绕，大大降低了膜的污染程度。且在膜单元中间曝气，优化了曝气位置，减少了污泥在底部的沉积。

三、MBR单元主要设计参数

1.生化池

　　生化反应池采用多级A/O工艺，其中一级O池停留时间67h，分2格，每格尺寸68.0m×60.0m×7.0m，有效水深6.2m，每格设5个廊道，污泥质量浓度4g/L，池底设置旋流式曝气器。

　　一级A池停留时间67h，分2格，每格尺寸68.0m×60.0m×7.0m，有效水深6.2m，设置推流式搅拌器共16台，设2台一级A池至一级O池的混合液回流泵，回流比200%。

　　二级A池停留时间12h，分2格，每格尺寸32.0m×22.0m×7.0m，有效水深6.2m，设置推流式搅拌器共4台。

　　二级O池停留时间7h，分2格，每格尺寸20m×22m×7.0m，有效水深6.2m，污泥质量浓度4g/L，池底设置旋流式曝气器，配6台从二级O池回流至一级A池的硝化液回流泵，回流比800%。

2. MBR设备间

　　为方便设备维护、管理，MBR池设置在MBR设备间内。MBR设备间内设置产水泵、反洗泵、污泥回流泵、曝气风机及膜清洗设备等。

　　膜池共设8格，其中海藻式MBR和传统帘式MBR各设4组规格相同的膜池。单组膜池尺寸11.0m×3.2m×4.3m，有效水深3.4m。每组膜池安装膜组件5套，共40套。每套膜组件过滤面积1500m2，总过滤面积30000m2。膜池设计平均膜通量13L/(m2·h)，最大时膜通量15L/(m2·h)，设计污泥质量浓度8.0g/L。2套MBR系统共用1座产水池，尺寸16.0m×11.0m×4.3m，有效水深3.8m，停留时间0.9h。

　　每套膜池对应1台产水泵及污泥回流泵。其中产水泵采用卧式离心泵，变频控制，以实现不同工况下产水量的灵活控制。海藻式MBR系统的产水泵流量比传统帘式MBR系统大1倍，以实现定期大流量抽吸，去除膜丝顶部积累的空气。与膜池一对一的污泥回流泵可以灵活控制各组膜池的回流量，以保证污泥浓度均匀，污泥回流比为400%。

　　传统帘式和海藻式MBR各设1套反洗泵，变频控制，反洗水采用产水池出水，反冲洗通量30~34L/(m2·h)。

　　传统帘式MBR采用常规的连续曝气，曝气风机采用2台单级高速离心风机(1用1备)，单台风机Q=141m3/min，p=50kPa，P=220kW。海藻式MBR采用间歇曝气，即4组膜池依次曝气，曝气量占总风量的25%，曝气风机采用2台罗茨风机(1用1备)，单台风机Q=83m3/min，p=50kPa，P=110kW。通过管路上设置的电动蝶阀控制每组膜池曝气开闭。为避免曝气管道上的锈渣进入膜池损坏膜丝，MBR曝气管道均采用不锈钢材质，另风机均采用无油风机，避免带入油分。

　　由于产水抽吸时会有空气进入膜丝中，2套MBR系统在产水管顶部设置真空水射器定期抽吸去除积累的空气，抽吸工况在每个产水周期前进行1次，持续时间10~30s。

　　采用柠檬酸和次氯酸钠作为化学清洗剂，清洗方式均采用清水+化学药剂，不同的是，传统帘式MBR采用反洗泵作为清洗泵，而海藻式MBR单独设置清洗水泵。2套膜系统分别设置柠檬酸及次氯酸钠的清洗装置各1套，分别供维护性清洗及恢复性清洗使用。所有清洗装置单独放置在MBR加药间内。恢复性清洗在膜池中进行，无需将膜组件吊出，减少了人工工作量。

　　MBR产水管均采用UPVC管，MBR曝气管道采用不锈钢(SS304)材质，避免锈渣等杂质进入系统，损坏膜丝。

四、运行效果

1. MBR的启动调试

　　MBR系统正常运行的前提是前端A/O池活性污泥系统的成功启动，一般建议膜池污泥质量浓度>3g/L时再启动产水程序。该装置自2016年初开始调试运行，在A/O池分次投加某市政污水厂活性污泥，同时逐渐增加废水比例，直至污泥质量浓度增加至3g/L左右，废水进入MBR系统并开始正常产水。

　　由于进水不含生活污水，因此工艺前端未设计配置膜格栅。运行一段时间后发现传统帘式MBR的膜丝尤其是上部出水端缠绕了部分丝状纤维等杂质，分析原因认为，由于生化池调试时采用市政污水厂污泥作为接种污泥，其中混有较多丝状物，缠绕在膜丝上难以分离。另外，由于生化池露天设计，池面漂浮的杂质也会进入膜池，影响膜组件的运行。后期在生化池出水口设置1~2mm的人工筛网，并定期打捞生化池表面的杂物，并对膜组件进行离线人工清理，缠绕物的影响得以消除。而海藻式MBR的膜丝上未发现明显的缠绕物，也体现了该膜结构的优势。

2.实际进出水的水质

　　至今2套MBR系统运行良好。检测常规进出水水质如表3所示。

　　在进水COD、氨氮浓度较高且水质波动较大的条件下，2套MBR系统均保持了较高的污染物去除率，MBR系统可截留生化混合液中的硝化菌及优势菌种，使生化系统维持在较高的污泥浓度下运行，保证了氨氮和有机物的去除效果。

　　相比传统帘式MBR，海藻式MBR对总氮的去除效果更佳，这得益于该系统采用的循环曝气模式，增加了缺氧反应时间，但其氨氮去除率相对较低。传统帘式MBR去除有机物的效果更佳。

3.清洗频率对比

　　项目通过控制化学清洗的频率，有效控制MBR膜污染。总结运行经验后对清洗频率进行推荐，结果见表4。

　　相比传统帘式MBR，海藻式MBR维护性清洗频率略高，这是由于该系统采用循环曝气方式，膜曝气擦洗空气量较低，但曝气的总体能耗更低。

　　2套系统的柠檬酸清洗频率相比其他废水较高，是因为气化废水所含硬度较高，经分析，硬度以碳酸盐为主，后期化学清洗通过辅助投加盐酸以保证碳酸盐的彻底去除。

4.MBR运行成本

　　相比化学清洗药剂费用，MBR系统的运行成本主要体现在能耗上。传统帘式MBR运行电费为0.57元/m3，而海藻式MBR运行电费为0.45元/m3，这是由于海藻式MBR采用间歇曝气方式，选用的风机功率更小。

5、结论与建议

　　将MBR工艺应用于煤间接液化废水处理，克服了废水水质波动大，COD、氨氮浓度高的影响，出水水质优良，完全满足设计要求。其中，海藻式MBR受进水丝状杂质影响较小，去除总氮效果更佳，化学清洗频率略高，总体运行能耗较低;传统帘式MBR去除有机物的效果更佳，运行更稳定。实际工程中应根据进水水质情况，结合投资、能耗等，综合考虑选择合适的膜组件类型。

　　考虑到煤化工废水含有较高浓度的油、硬度、重金属离子，前端预处理单元应保证运行稳定，避免对膜系统造成不可逆的影响。应根据进水水质变化及时调整MBR运行参数及清洗周期。同时提高运营管理水平，坚持膜的定期清洗策略，使膜污染得到合理控制。今后需重点考虑MBR系统与生化处理的有机结合(如将硝化液回流与污泥回流合并)，采用更经济有效的MBR曝气方式以减少能耗，并研发可用于煤化工废水的亲水性强、更耐污染的膜材料