垃圾滲濾液處理系統內置式膜和外置式膜比較
杜昱1，岳崢1，呂國慶1，李大利2，孫月馳1，張亞琳1，湯萌萌1
（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300074；2.阜新市規劃設計研究院，遼寧阜新123000)
摘要：內置式膜和外置式膜普遍應用于各種污水處理工程中，二者的處理效果相似，但能耗相差較大，外置式膜的能耗遠遠高于內置式膜。對于垃圾滲濾液處理工程，生化處理采用內置式膜生物反應器可以取得良好的效果，與外置式膜相比，占地面積相差不大，工程費用較低，可以節省90%的電耗，對降低滲濾液處理成本具有重要意義，具有很好的發展應用前景。
膜生物反應器(MBR)通常分為內置式和外置式兩種，兩種方式各有不同，能耗相差較大。在垃圾滲濾液處理領域，由于滲濾液進水污染物濃度較高，為滿足排放標準的要求，取得較好的處理效果，生物池內一般維持較高的污泥濃度，生化處理大多采用外置式MBR處理工藝。雖然外置式MBR工藝能夠取得良好的處理效果，但也會導致運行成本大幅增加。
在滲濾液處理技術發展初期階段，受膜材質等條件的限制，內置式膜只限于在低濃度的生化處理系統中使用，垃圾滲濾液處理系統很少使用內置式膜。近年來，隨著一些高科技材料的應用以及生產加工工藝的改進，內置式膜也可以適用于高濃度的生化處理系統，選取合適的膜分離方式，對降低污水處理成本具有重要意義。
為此,考察分析了內置式膜生物反應器與外置式膜生物反應器在滲濾液處理中的應用特點,以供工程設計時參考。
1 外置式膜生物反應器
在外置式膜生物反應器中生物反應器與膜單元相對獨立，通過混合液循環泵使得處理水通過膜組件后外排；其中生物反應器與膜分離裝置之間的相互干擾較小。目前在垃圾滲濾液處理中采用的外置式膜生物反應器一般均選用錯流式管式超濾膜。即循環泵為混合液（污泥）提供一定的流速（3.5~5 m/s），使混合液在管式超濾膜中形成紊流狀態，避免污泥在膜表面沉積。管式膜材質多采用PVDF（聚偏氟乙烯），孔徑為0.02 μm。外置式膜生物反應器示意見圖1。
圖1 外置式膜生物反應器示意
對于垃圾滲濾液處理系統，由于進水氨氮及COD濃度很高，為減小生物池容積，提高處理效率，一般使生物池維持較高的污泥濃度，正常運行時通常維持在10~20 g/L左右，最高可達40 g/L。因此處理垃圾滲濾液的MBR系統通常采用外置式超濾系統，而較少采用內置式，外置式超濾出水SS接近于零，能夠滿足后續深度處理水質要求。但由于外置式MBR系統機電設備較多，致使電耗大幅增加，運行成本提高。
2 內置式膜生物反應器
在內置式MBR中，膜組件置于生物反應器內部，原水進入膜生物反應器后，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥分解，再在抽吸泵或水頭差的作用下由膜過濾出水。內置式MBR利用曝氣時氣液向上的剪切力來實現膜表面的錯流效果，減少對膜的污染。與外置式MBR相比，內置式MBR最大的優點是動力消耗低。在市政污水處理領域應用比較多的是中空纖維膜和平板膜，其中中空纖維膜多采用PP（聚丙烯）材質，孔徑為0.08~2.0 μm，平板膜材質多采用PVDF（聚偏氟乙烯），孔徑為0.03~10μm。無論是中空纖維膜還是平板膜，要求生物池中污泥濃度一般不超過10 g/L，因此在高濃度的垃圾滲濾液處理工程中較少應用。
內置式膜生化反應器如圖2所示。
圖2 內置式膜生化反應器示意
在較早的時期，受原材料及加工工藝的限制，內置式膜一般只能應用在較低污泥濃度的生化處理系統中，污泥濃度通常不超過8 g/L，而外置式膜可以承受高達40 g/L的污泥濃度。
近年來，由于新材料的應用，使得中空纖維膜的應用范圍更加廣泛，例如以PTFE（聚四氟乙烯）為材質的中空纖維膜，具有更加良好的性能，其中最大的特點就是可以適應較高的污泥濃度，使得中空纖維膜在高濃度廢水處理領域的應用成為可能。工程實例證明，內置式膜在垃圾滲濾液處理工程中能取得良好的運行效果，可大幅節省能耗、降低運行成本。
3 膜生物反應器的比較
3.1 系統組成
對內置式和外置式膜進行比較的前提是，生物池內混合液懸浮物濃度相同，因此在膜前端的生物池對二者而言是相同的，只是對膜本身及其相關的配套設施進行比較。
內置式系統由膜池、膜組件、抽吸泵、清洗鼓風機及配套清洗設施組成，清洗鼓風機與曝氣鼓風機統一放置在鼓風機房內，抽吸泵可以放置在室外膜池旁，整個系統的控制要求較低、運行管理也較簡單。
外置式系統由進水泵、膜組件、循環泵及配套清洗設施組成，膜組件和循環泵需設在室內，進水泵可以放置在室外生物池旁，整個系統控制要求高、運行管理復雜。
3.2 占地面積
內置式膜系統需要建一座膜池，膜組件放在膜池內，但無需建膜處理間。而外置式膜系統無需建膜池，需建一座膜處理間，將膜組件放在室內，兩個系統占地面積相差不大。
3.3 工程投資
內置式和外置式膜的通量有較大的差別，內置式膜的通量為12.5~32.5 L/(m2·h），外置式膜的通量為60~80 L/(m2·h)，因此在處理相同水量的前提下，內置式膜需要的面積要遠大于外置式膜的面積。由于受使用條件的限制，中空纖維膜承受的壓力較低，而且加工難度較小，導致其生產成本也較低。而管式膜需要承受較高的壓力，加工難度大，其生產成本也相應較高。綜合比較，在污水處理量相同的情況下，管式膜的綜合造價要高于中空纖維膜。
以500 m3/d處理規模為例，二者的投資比較如表1所示。
表1 內置式和外置式膜投資比較
3.4 使用效果
鑒于內置式膜系統低廉的運行成本，目前已經廣泛應用于垃圾滲濾液處理領域，并取得良好的效果。
武漢市綠色環保能源有限公司垃圾焚燒廠垃圾滲濾液處理工程，處理規模為400 m3/d，采用內置式MBR系統，于2010年6月建成投入運行至今，效果良好。
該廠原污水COD為50 000 mg/L左右，MBR膜進水COD為800 mg/L左右，出水COD<600 mg/L，產水穩定，SS＜80 mg/L，目前運行情況良好，沒有出現斷絲現象。處理出水水質達到《城市污水再生利用工業用水水質》（GB/T 19923—2005）標準，回用于循環冷卻水系統補充水，項目生產及生活廢水不外排。
3.5 運行成本
在管式超濾系統中，為保證活性污泥不在超濾膜管中沉積，必須保持最低4 m/s的流速，這樣會使超濾系統能耗過高。同時，由于膜的孔徑較小（0.02 μm），使凈水透過膜必須使用較高的壓力，這也是超濾耗電較高的一個原因。外置式MBR系統電耗組成見圖3。
圖3 外置式MBR處理垃圾滲濾液系統電耗組成
從圖3可以看出，除鼓風機外，超濾系統所占電耗高于其他機械設備，這也是導致垃圾滲濾液處理運行成本高的主要原因之一。
對于內置式MBR系統而言，只需要設置抽吸泵和膜清洗用鼓風機即可，其電耗遠遠低于外置式系統。以500 m3/d規模的垃圾滲濾液處理工程為例，對二者的電耗進行比較，結果見表2。
表2 內置式和外置式膜電耗比較
3.6 綜合比較
內置式膜生物反應器和外置式膜生物反應器的綜合比較如表3所示。
表3 膜生物反應器比較
4 結論
① 內置式膜可以用于垃圾滲濾液處理較高污泥濃度的MBR生化處理系統，效果良好。
② 內置式膜系統的工程費用低于外置式膜系統。
③ 內置式膜系統的電耗遠遠低于外置式膜系統，運行成本大幅降低。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第20期“述評與討論”欄目）
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