降低膜生物反应器_MBR_能耗的主要途径

降低膜生物反应器_MBR_能耗的主要途径

降低膜生物反应器（MBR）能耗的主要途径

陈 军

（博莱克威奇工程设计有限公司 广东 深圳 585101）

摘 要： 由于膜生物反应器能耗较高，制约其在工程上的应用。通过对MBR工艺能耗进行研究分析，得出改进和优化工艺设计、设备选型和运行管理，能有效的降低膜生物反应器的能耗。工程运行也表明：优化和改进工艺设计，设备选型和运行管理模式的节能效率分别为30%，40%，15%，节能降耗效果明显。

关键词： 工艺设计；设备；运行；改进；优化；节能降耗

中图分类号：X7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2010）0520161－02

膜生物反应器（MBR）工艺与传统废水生物处理工艺相比，出水水质好，出水可直接回用，占地面积小，活性污泥浓度高，剩余污泥产量少[1]，易于实现自动控制，但也存在一些不足，如膜造价高，使膜生物反应器的基建投资高于传统污水处理工艺，膜容易污染，给操作管理带来不便，尤其是高能耗因素制约MBR工艺在污水处理厂的广泛应用。为了使膜生物反应器（MBR）成为具有较强竞争力且普遍使用的技术，必须找到有效的节能降耗途径。

1 膜生物反应器能耗的特点

城市污水处理厂消耗的能源主要包括电、燃料及药剂等潜在能源，其中电耗占总能耗的60％～90％，具体电耗分布情况因工艺和管理水平的不同而有差异。由于电耗在总能耗中占有很大的比重，故如何降低电耗也就是节能的重点。而MBR工艺除了具有污水处理厂常规废水生物处理工艺的能耗特点外，还有其自身能耗特点。

首先MBR 泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次是 MBR 池中 MLSS 浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度，还有为了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成 MBR 的能耗要比传统的生物处理工艺高。根据实际运行来看，目前常规分离式MBR运行能耗为3～4 kWh/m3，淹没式MBR运行能耗为0.6～2.0kWh/m3，高于活性污泥法的0.3～0.4 kWh/m3。研究结果表明：能耗是造成MBR运行费用高的主要原因。

2 膜生物反应器能耗的分配比例

膜生物反应器主要能耗的来源有：膜擦洗曝气鼓风机、生化工艺曝气鼓风机、污泥回流泵、抽吸泵和提升泵和缺氧区搅拌器，不包括预处理和消毒处理，其中膜擦洗曝气占系统能耗的34%，生化工艺曝气占42%，污泥回流占10%，抽吸泵和提升泵占4%，缺氧区搅拌占9%，其它能耗约为1%。

3 降低膜生物反应器能耗的主要途径

从膜生物反应器主要能耗的来源来看，膜擦洗曝气和生化工艺曝气占总能耗的76%，是MBR工艺节能降耗的重点研究对象。本文通过工艺设计，设备选型和运行管理三个方面来降低MBR工艺的能耗。

3.1 从工艺设计方面降低能耗

3.1.1 流量控制方式影响MBR的能耗

流量控制方式影响膜的面积和能耗。对于采用MBR工艺的污水处理厂，可设置调节池来平衡流量变化，减少峰值流量时膜元件的使用量，从而减少了生化反应和膜元件擦洗所需的气量，可节能约50%。也可通过改变膜通量来解决流量变化问题，峰值流量时增加膜通量也可减少膜的使用面积而减少能耗。以某污水处理厂为例：设计处理水量Q=68000m3/d，峰值流量系数K=1.5，最高时通量42Lmh，最大日通量33Lmh，平均通量23Lmh。对比后发现通过流量调节，节能非常明显。

表一流量控制节能比较

3.1.2 强化预处理，减少MBR能耗

对于大型的污水处理厂，都会采取一定的预处理工艺来去除部分COD，减少生化池容积和需氧量，从而减少电耗。但不同的预处理工艺，其节能效果也不一样。有研究表明： 采用初次沉淀池，可去除30%左右的COD，节能达35%；采用水解酸化或AB工艺，可去除40%左右的COD，节能达50%；采用厌氧或化学沉淀，可去除60%左右的COD，节能达75%[2]。故选用合适的预处理工艺能降低MBR能耗。

虽然细格栅对COD的去除率较小，但对MBR而言，其作用是非常重要的。细格栅能截留污水中较小的悬浮物，纤维等杂质，有效预防膜元件的堵塞与损伤，减少膜空气擦洗强度而降低能耗。

3.1.3 优化MBR污泥回流系统

对于脱氮除磷的MBR而言，一般都有污泥回流和混合液回流。膜池的污泥回流使所有反应池的MLSS浓度接近，好氧池的硝化液回流到缺氧池进行脱氮，缺氧池回流到厌氧池进行除磷。目前国外多采用三段回流，如图1所示，其流程如下：

图1 MBR回流流程图

通过改进，在膜池后增加脱氧池，降低膜池出水中的溶解氧浓度，直接回流到缺氧区进行反硝化脱氮，其流程如下：

图2 改进后MBR回流流程图

回流系统改进后，如图2所示，在保证出水水质的前提下，减少了45%的提升水量，进而减少总能耗4.0%左右。但此流程没有充分利用膜池中饱和溶解氧量，导致部分能量的浪费。

3.2 从设备选型上降低能耗3.2.1 生化曝气系统

对于MBR工艺的污水处理厂而言，鼓风曝气系统电耗一般占全厂电耗的76％左右，是全厂节能的关键。最主要的节能途径就是提高鼓风机效率和氧利用率，从而减小供气量，达到降低能耗的作用。

1）采用高效率的鼓风机

提高鼓风机的效率，对全厂的节能降耗是至观重要的。根据目前使用的鼓风机来看，各种鼓风机的效率各不相同，必须根据实际需要来选择合适的鼓风机。例如鼓风机的效率从60%提高到70%，则节省电耗14%左右。由于鼓风机24小时连续运转，节能效果非常的明显。

2）鼓风机采用变频调速技术

由于鼓风机的风压是一定的，风量只能靠出气阀调节，实际生产过程

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中出气阀的开度一般只有50％-70％，如果采用变频调速系统控制风量，节能效果很显著。例如风机功率为110kw 时，采用变频调速前，电流为120～130A，采用变频调速技术后，电流为70～80A，则可节省电耗20%左右。此外采用变频调速技术轴承等的机械磨损减少，寿命延长，维修工作量减少，而且电机可以软启动，对电网的冲击大幅减少。

3）采用微孔曝气器

微孔曝气器可以减小气泡尺寸，增大表面积，提高氧的利用率，减少风量。以天津东郊污水厂和纪庄子污水厂为例，采用微孔全面曝气，比穿孔管曝气节电20％以上。英国有报道采用微孔曝气每去除1 kgBOD5可节约风量25％，节省电耗18％。

3.2.2 膜空气擦洗曝气系统

1）提高膜通量和采取流量调节措施，都可以减少膜元件的使用数量，从而达到减少膜擦洗所需的空气量。

2）膜元件的结构形式影响膜擦洗所需的空气量。例如平板膜空气擦洗所需的气量约为中空纤维膜擦洗所需的气量的2-3倍，电耗明显高于中空纤维膜。据报道，国外最新开发的一种单端固定的中空纤维膜，其空气擦洗所需的气量约为两端固定的中空纤维膜气量的30%-50%，进一步的减少了膜擦洗所需的空气量，对降低全厂的能耗具有重要意义。

3.3 从运行管理上降低能耗

1）回收膜池的溶解氧。在MBR工艺中，膜池的溶解氧浓度较高，一般为5.0-6.0mg/L，如果直接回流到缺氧池，造成缺氧池反硝化脱氮不能正常进行。若是经脱氧后回流到缺氧池，造成能量的浪费。通常将膜池的污泥回流到好氧池，使溶解氧得到再次利用，可减少鼓风机的供气量，降低曝气系统能耗。例如将设计处理水量为Q，膜池的污泥以4Q回流到好氧池，在理论上而言，在不考虑鼓风机的供气量时，好氧池的DO浓度达2.0-2.5 mg/L，可满足生化需氧量。但在实际运行中，膜池溶解氧的利用率只有30%左右，可减少污水处理厂总能耗12%左右。

2）采用间歇运行。研究表明，间歇运行可有效控制膜污染，从而降

低曝气强度，节省能耗。

在抽吸过滤时，悬浮固体和溶解性有机物均会在膜表面沉积，停止过滤时，膜表面的沉积污泥因曝气和扩张作用脱离膜表面，但并不是停抽时间越长越有利于膜污染的控制。一方面，停抽时间越长，系统的产水率下降，需要增加更多的膜面积来维持产水量；另一方面，曝气只能减少沉积在膜表面的沉积污泥，由于溶解性物质进入膜孔道引起的堵塞和膜表面的凝胶层大部分属于不可逆污染，因此在恒流出水时，长时间停抽并不能有效控制膜污染。

3）控制曝气强度。在MBR工艺中，曝气的目的除了为微生物供氧之外，大量气泡以较高速度穿过中空纤维膜组件，气体夹带的水流对膜面起冲刷作用，使膜表面处于剧烈紊动状态，避免了凝胶层的增厚和堵塞物质的积累，大大延长了膜化学清洗周期。因此膜擦洗时曝气量较高，气水体积比为25:1以上，明显高于传统处理工艺，但曝气强度过大时，不仅使曝气能耗线性增加，还会破坏污泥絮体中微生物、无机颗粒和胞外多聚物之间的相互关系，导致菌胶团解体，使膜表面沉积的颗粒粒径减小，滤饼的结构更加致密，从而使其膜过滤阻力增加，膜污染加剧，缩短膜过滤周期。因此在保证出水水质的前提下，不可过度的曝气。

4 结论

对于MBR工艺的污水处理厂而言，通过工艺设计、设备选型和运行管理的改进与优化，可以获得非常明显的节能降耗效果：优化工艺设计可节能30%左右，设备选型可节能40%左右，改进运行管理模式可节能15%，不仅可创造可观的经济效益，也使MBR工艺在技术上更加先进和成熟，在经济上逐步获得发展的优势为MBR技术的推广提供了有力的支持。

参考文献：

[1]（英国）斯蒂芬森（Stephenson，T.）等著，张树国等译，膜生物反应器污水处理技术，化学工业出版社，2003.

[2]王凯军，污水处理节能降耗途径和对策分析，2006.

（上接第82页）

MP3、汽车配件、体温表、助听器及人体植入仪器、电动汽车等厂商提供无线输电的解决方案。

3 微波/激光——远程传输

法、天线的放射特性、微波发送装置的姿态控制、宇宙空间的微波传播特性、为确保故障时安全的保安系统等都是亟待解决的技术问题。

欧盟在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置，已于2003年向当地村庄送电。日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000，2050年进入规模运行。

4 结束语

随着无线电力传输技术的不断发展与成熟，不但使人们未来的生活有望摆脱手机、相机、笔记本电脑等移动设备电源线的束缚，享受在机场、车站、酒店多种场所提供的无线电力，还可用于一些特殊场合，如人体植入仪器如心脏起搏器等的输电问题、低轨道军用卫星、太阳能卫星发电站等。从长远来看，该技术具有潜在的广泛应用前景。但是，每一种无线传输方式，都有一系列问题需要解决，如电能传输效率问题，电力公司如何收费和计费，能量传输所产生的电磁波是否对人体健康带来危害等等。不管怎样，一旦这项技术能够普及，会给人们的生活带来巨大的便利。

参考文献：

[1]杨成英、陈勇，中程距离无线输电的实现[J].科技信息，2009（3）：410-411.

[2]侯清江，无线供电技术方案及应用[J].光盘技术，2009，（02）：32-33.

[3]松浦虔士著，电力传输工程[M].曹广益译，北京：科学出版社，2001.[4]Kurs,André,Aristeidis Karalis,Robert Moffatt,J.D.Joannopoulos,Peter Fisher,Marin Solja i .“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances.”[J].Science,July 2007,Vol.317:8386.作者简介：

曾翔（1982-），女，汉族，四川自贡人，助教，电子科技大学在读硕士，主要从事电子技术及其应用方面的研究。

图3 宇宙太阳能发电厂（SPS）的无线电力传输

理论上，无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小，所以，可利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺等问题也有着重要意义。因此，许多国家都没有放弃这方面的研究。1968年，美国工程师彼得格拉泽提出了空间太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的概念，其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地，通过微波将电能送回地球。1979年，美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划，建立“SPS太阳能卫星基准系统”，如图3所示。SPS（Solar Power satellite）是太阳能发电卫星，处在地球约36000km的静止轨道上，那里太阳的能量约为地球上的1.4倍。据预测，一个SPS所装载的太阳电池的直流输出功率为10GW，电池输出的电力通过振荡器变换成微波电力，从送电的天线向地球表面以微波（2.45GHz）形式无线送电。地球上的接收天线由半波长的偶极天线、整流二极管、低通滤波器及旁路电容组成，可接收到5GW的电力[3]。目前，SPS

的建设方

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