2020, Vol. 38 
2. 京能盛乐热电有限责任公司, 呼和浩特 011518
2. Jingneng Shengle Thermal Power Co., Ltd., Hohhot 011518, China
近年来，国家要求水资源缺乏地区的火电厂逐步采用城市再生水作为生产用水。膜生物反应器（MBR）综合了膜分离技术和生物处理技术的优点，针对城市再生水水质特点，可以去除有机物和悬浮物在内的大量杂质和病毒、细菌等，具有出水水质优异、操作运行简单、污泥产率低及占地面积小等特点，在城市再生水处理回用中逐渐成为重要的应用技术。
1 系统概况内蒙古某热电厂2×350 MW冷热电联供机组工程再生水深度处理系统水源采用内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司污水处理厂及佳明环保科技公司污水处理厂处理后的再生水。污水处理厂来的再生水达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[1]中的二级标准，再生水深度处理系统额定出力为350 m3/h。
1.1 系统组成及工艺流程系统主要由机械格栅、旋转滤网、MBR膜池、透液抽吸泵、污泥回流泵及相关仪表组成，工艺流程见图 1。
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图 1 再生水深度处理系统工艺流程图 |
再生水经过配水渠进入细格栅，去除水中可能会对膜造成损坏的杂质和固体颗粒，如头发、麻布、沙砾和塑料等。为了保证处理系统的长期稳定运行，采用过滤精度为2 mm的细格栅，最大限度地防止粗大悬浮物或漂浮物及毛发等进入后续系统，将可能造成膜损坏的、较大的机械性杂质过滤掉。细格栅设有自动冲洗系统，防止污染物黏附在滤网表面，滤渣通过收集运至厂区指定收集地点。细格栅出水经过配水渠进入曝气池，曝气池设置在室外。
1.2.2 生物曝气池生物曝气池由池体、进水闸门、曝气系统和喷淋系统、污泥回流系统组成，在生物曝气池内维持一定浓度的活性污泥，通过向其供氧维持其好氧活性，利用微生物降解水中的有机物和各类营养物质，从而达到降低水中COD、BOD、氨氮等指标的效果，同时使进水投加的铁盐与水中磷酸根充分反应，去除水中总磷。消泡系统主要用于消除曝气时产生的大量泡沫，防止其溢出曝气池或随风飘走。曝气池出水设置电动旋转滤网，用于去除系统中不慎进入的树叶、塑料片和其他纤维颗粒杂质，避免其进入膜池，造成膜组件损坏。生物曝气装置采用盘式微孔曝气盘，充氧效率≥20%；配有3台（2用1备）曝气风机，风量为14.6 m3/min，风压为55 kPa。
1.2.3 MBR膜池旋转滤网出水自流进入MBR膜池，MBR膜池是再生水深度处理系统的关键单元，通过膜的过滤作用，达到固液分离的效果，而不依赖混合液悬浮固体的浓度或其沉降特性。因此，MBR可以维持很高的活性污泥含量。通过膜池进水渠将曝气池出水分配至4个膜池中。系统通过空气擦洗，使气水混合液在膜池中向上流动，在膜表面产生错流。错流持续冲刷膜表面，避免了固体颗粒在膜表面的沉积。透液抽吸泵使膜纤维内部保持负压状态，将滤液抽出后输送到下游工业水池使用。所有的颗粒物均被膜截留在混合液中，浓缩后的混合液用污泥回流泵回流至曝气池好氧段，并通过支管定期排除剩余污泥。MBR膜池配有5台（4用1备）透过液抽吸泵（流量110 m3/h，扬程15 m）、5台（4用1备）污泥循环泵（流量265 m3/h，扬程8 m）和3台膜擦洗风机（风量48 m3/min，风压49 kPa）。
本系统设计了4个膜列，每个膜列可容纳4个膜箱，本期安装3个膜箱，每个膜箱最多可装44片膜。根据该项目的处理规模，在每个膜列里安装2个36片膜元件膜箱和1个安装35片膜元件的膜箱，预留1个膜箱空间。每列膜池中的膜箱透过液母管连到透过液泵的吸入口，污泥混合液在透过液泵抽吸的作用下，将干净的透过液送到产品水池。膜元件采用美国科氏PHS1800-36型产品，面积为41 m2，运行方式为外压式。
1.2.4 其他辅助系统其他辅助系统包括污泥处理系统、反洗系统、化学清洗系统及中和系统等。
1.3 设计水质指标 1.3.1 进水水质再生水来水达到GB 18918—2002二级标准，见表 1。
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表 1 再生水深度处理系统设计进水水质 |
再生水深度处理系统设计出水水质见表 2。
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表 2 再生水深度处理系统设计出水水质 |
对系统所用MBR中空纤维膜进行抽样送检，对纯水通量、平均孔径及膜表面状貌等性能指标进行检测。测得膜丝水通量为20.5 L/m2h，平均孔径为0.03 μm。膜丝的扫描电镜（SEM）表征如图 2。
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图 2 MBR中空纤维膜的SEM断面照片 |
根据该项目的处理规模，每个膜元件的面积为41 m2，通过膜丝水通量测定值核算系统处理能力为：4列×（2×36片+35片）×41 m2×20.5 L/m2h×10-3= 359.7 m3/h，而系统额定出力为350 m3/h，核算结果满足运行要求。
从膜丝SEM图像可以看出，膜丝内部为光滑的空腔结构，截面孔道均匀清晰。
2.2 运行工艺参数分析 2.2.1 生物曝气池溶解氧浓度（DO）当DO大于1 mg/L时系统对COD有良好的去除效果，其去除率可达90%以上，且DO再增加对COD的去除效果不再有明显影响。在短期缺氧条件下，即DO在0.5~1 mg/L时系统也能获得较好的去除效率。但是严重缺氧时间较长，如DO小于0.5 mg/L时，会滋生厌氧菌，导致池水发臭[2]。所以综合考虑去除效果和曝气能耗，系统运行时生物曝气池溶解氧浓度宜控制在1.0~2.0 mg/L。
2.2.2 生物曝气池污泥浓度（MLSS）正常的MLSS在4~8 g/L。MLSS过高或过低都可能影响MBR系统的运行稳定[3-4]。MLSS过低时，可采用投入种泥或停止污泥排放等措施；MLSS过高时，可采取增加污泥排放量等措施。
2.2.3 污泥负荷污泥负荷（F/M）是指单位质量的活性污泥，在单位时间内要保证一定的处理效果所能承受的有机污染物量。F代表食料，即进入系统中的有机污染物量；M代表活性微生物量，即曝气池中的活性污泥量。在实际工程中，F/M值一般以BOD污泥负荷来表示。F/M是影响活性污泥增长速率、有机物降解速率、氧的利用速率以及污泥吸附凝聚性的重要因素。采用高的BOD污泥负荷，将加快有机污染物的降解速率和活性污泥的增长速率，降低曝气池的容积，在经济上比较适宜，但处理水水质未必能达到预定的要求。采用低的BOD污泥负荷，有机物的降解速率和污泥增长速率都将降低，曝气池容积增加，但处理水水质可能提高[6]。
当工程条件确定时，污泥负荷只与1 d内废水带入系统的有机物总量和曝气池内的污泥总量有关[6-8]。
2.2.4 水温温度的影响主要体现在微生物活性方面，温度过低，生物处于休眠状态；过高则使之变性失去活性。
本系统因为无保温措施，故水温与环境温度相关，冬季水温在5~10 ℃，春秋季水温在10~15 ℃，夏季在15~20 ℃。有研究发现当水温在10~20 ℃变化时，温度对系统对有机物及氨氮的处理效果影响不是很大[9]，故本系统运行时未对水温进行调整。
2.3 系统运行效果测试系统于2016年投运，经过2 a的调整运行，于2017年年底MLSS达到要求值，系统进入稳定运行状态。
从2018年1月至2019年10月，分三个阶段对系统的运行效果进行了测试分析和调整。具体过程如下：
第一阶段：2018年1—8月。系统MLSS控制在4~8 g/L，向生物曝气池内投加工业葡萄糖，投加方式为每6 h加2 kg。
第二阶段：2018年9—12月。系统MLSS控制在2~3.8 g/L，停止向系统投加工业葡萄糖。
第三阶段：2019年1—10月。逐渐降低系统MLSS至0.5~1 g/L。
3 结果及讨论 3.1 再生水来水水质和水量特点本系统根据电厂实际用水需求运行，夏季处理水量为3000~4000 m3/d，冬季处理水量为2000~ 3000 m3/d。2018年10月以前，再生水水源完全取自内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司污水处理厂（以下简称蒙牛再生水），从2018年10月至今再生水水源取蒙牛再生水及佳明环保科技公司污水处理厂（以下简称佳明再生水）处理后的混合水，其中蒙牛再生水水量大且较为稳定，佳明再生水水量小且不稳定（为1000~1500 m3/d）。蒙牛再生水的水质特点为高磷、高氨氮、高碱度、低COD、低悬浮物，冬季水温在10 ℃左右。佳明再生水水质特点为含盐量低、低COD，低氨氮、低悬浮物，冬季水温较低，在10 ℃以下。2018年和2019年再生水来水水质分析如图 3和表 3所示。
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图 3 2018年和2019年再生水来水水质统计 |
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表 3 2018年和2019年再生水来水水质统计 |
由图 3可见，2018年至2019年再生水来水水质波动规律变化不大，未因取用佳明再生水而变动。
3.2 处理效果分析于2018年1月至2019年10月对系统出水水质进行检测，并对悬浮物、COD、氨氮以及总磷的处理效果进行了计算分析，测试结果如表 4所示。
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表 4 再生水深度处理系统处理效果统计分析 |
从统计结果来看，出水悬浮物和氨氮质量浓度全部满足要求，且去除效果较好，出水总磷全部不合格且去除效果不好。这主要是因为本系统除磷主要通过投加絮凝剂的方式将来水中的总磷沉淀于体系之外，通过膜丝的过滤作用得以去除。在系统投运初期投加絮凝剂时，造成膜丝跨膜压差增长较快，继续运行有可能造成膜丝的污堵，故停止投加絮凝剂，导致总磷去除效果不佳。
出水COD存在个别超标情况，且去除效果变化幅度较大。测试期间，系统对污染物的去除效果见图 4。
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图 4 系统对污染物的去除效果 |
系统从2016年开始投运到2017年年底，MLSS控制在4~8 g/L运行。由于再生水来水有机物含量低，污泥负荷在0.02 kg-COD/（kg-MLSS.d）以下，导致微生物消亡速率大于繁殖速率，活性污泥的活性不断降低，出水水质变差[10]。为了改善这种情况，于2018年初向生物曝气池内投加工业葡萄糖，投加方式为每6 h投加2 kg，以提高污泥负荷，增强微生物活性，情况得以改善。但要维持高的污泥浓度，就要减少排泥操作，这使得曝气池内污泥龄较高，导致水中因微生物内源呼吸作用而产生胶体物质，从而引起MBR膜运行跨膜压差增大，膜丝有污堵风险。故于2018年9月停止投加工业葡萄糖，从10— 12月系统对COD的去除率降低。针对这种情况，于2019年初，开始逐渐降低污泥质量浓度至0.5~1 g/L直到10月，相当于将污泥负荷提升8倍，约为0.16 kg-COD/（kg-MLSS.d），污泥活性提高，出水水质得到改善，COD去除率相对稳定，同时由于污泥质量浓度的降低对膜的污染压力也相应减小。为了查明系统对COD的去除效果，根据系统运行参数的调整过程将整个测试期间相应地分为3个阶段进行说明，运行调整过程及结果见图 5。
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图 5 系统运行调整过程及结果 |
（1）2018年1—8月为测试第一阶段，系统出水COD在1.2~15.6 mg/L，平均值为8.8 mg/L，COD去除率在1.8%~95.0%，平均去除率为56.4%。
（2）2018年9—12月为测试第二阶段，系统出水COD在5.3~23.3 mg/L，平均值为14.7 mg/L，COD去除率在17.0%~51.4%，平均去除率为31.0%。
（3）2019年1—10月为测试第三阶段，系统出水COD在5.2~12.1 mg/L，平均值为9.6 mg/L，COD去除率在43.4%~85.1%，平均去除率为60.2%。
4 结论（1）通过对某热电厂再生水深度处理系统运行效果及运行参数进行调整测试，实现了膜生物反应器对城市再生水中悬浮物和氨氮等对象的稳定处理效果。在处理COD方面，根据来水水质条件对污泥浓度和污泥负荷进行了优化，将污泥质量浓度减小至0.5~1 g/L，污泥负荷提升至0.16 kg-COD/（kg-MLSS.d）后，系统出水COD全部合格，对COD有较高且稳定的去除率。
（2）膜生物反应器（MBR）在污水处理方面已经得到广泛的应用[11]，尤其是近年来随着环保要求的不断提高，城市再生水普遍回用于火力发电厂作为生产用水，这为膜生物反应器提供了更加广阔的应用空间。虽然膜生物反应器在处理COD、BOD、氨氮等污染物方面具有很强的优势，但为了保证处理效果同时兼顾减缓膜丝污堵延长膜丝寿命，还需对如水温、曝气池溶氧浓度、水流停留时间、污泥浓度、污泥负荷等工艺参数进行优化调整，以达到最佳效果。
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