四种改良的低能耗MBR系统-日本案例

膜生物反应器（MBR）虽有出水水质好、占地面积小，运行维护平稳等优点，但其高能耗仍然是该工艺进一步普及的关键挑战。日本下水道事业团（Japan Sewage Works Agency, 以下简称JSWA）自2012年以来与多家私企开展了一系列联合研发项目，开发了四种节能型的MBR系统，并对其进行了长期跟踪，其研究结果发表在IWA期刊《Water Science & Technology》上。

项目介绍

截至2017年9月，日本有22个城市污水处理厂采用了MBR系统。JSWA对其中11座污水厂的单位能耗（SEC）进行调查统计。结果显示，进水流量和处理能力比（inflow/capacity ratios）≥20%的污水厂的SEC值为0.8-3.0 kWh/m³。文献显示其他国家MBR系统的SEC为0.4-2.4kWh/m³，低负荷运行是高SEC的主要成因之一。在上述研究中，一个满负荷运行的示范工程的单位能耗可低至 0.39kWh / m³。下图1是日本活性污泥工艺案例的的单位能耗统计图，其拟合曲线显示，当进水率为1的时候（进水量等于设计容量），去除有机物和脱氮的单位能耗分别为约0.2和0.3kWh/m³。因此，MBR系统若想和传统工艺竞争，甚至进一步扩大其应用范围，如何降低能耗是关键挑战。

图1. 日本污水处理厂协会（2010）的数据显示，日本传统活性污泥工艺和脱氮除磷工艺的单位能耗。注：其中580座仅有传统活性污泥工艺。有64座包含脱氮除磷工艺，例如MLE、分段式MLE和A2O工艺

在此背景下，自2012年以来，JSWA与多家私企合作，开发了4种能耗低于传统MBR的 “节能型MBR系统”。经过结合多因素的综合考虑（如对脱氮的要求），他们将SEC目标定为0.4 kWh/m³。

在日本，大部分MBR系统都配有稳定池，因此流量相对稳。但是这些污水厂的处理规模不大，截止2017年，22座污水厂中只有一座的处理量超过10000 m³/天。作者们认为，MBR系统若想拓展其在中型和大型污水厂的应用，需要对MBR的“峰值通量”运行进行研究。“峰值流量”是假设在阴雨天气持续4-24小时时出现的流量峰值。该研究主要考察这些改良MBR系统长期运行的能耗结果以及在特殊峰值情况下的表现，来验证系统的实际适用性。

节能方法

如下表1所示，他们主要有两种节能策略：

(a) 降低清洗曝气率：系统A、C和D都增加了膜单元的填充密度。更高的填充密度减少了单位过滤表面所需的曝气量，从而减少了曝气产生的能耗。一般而言，中空纤维膜的填充密度高于平板膜。

为了解决平板膜的这点不足，系统A采用了膜单元堆叠的方式，使填充密度提高了1.6倍（和传统产品相比）。系统C通过减小中空纤维膜的外径来增加填充密度（也是比常规产品多1.6倍）。系统D通过延长膜长度和增加每单位投影面积的纤维数量来提高填充密度（增幅达1.8倍）。系统B通过使用陶瓷膜，利用其亲水性防止结垢粘附，使曝气速率保持在较低水平。

(b) 降低泵功率：系统A通过采用了虹吸过滤和气升循环以进一步降低能耗。虹吸过滤借助水头差引起的虹吸作用作为抽滤的作用力，而气升循环采用气泡的驱动力来完成冲刷，或者借用生物曝气作为循环的动力。由于利用这些物理作用力不需要外加电源驱动，所以能够减少能耗。

表1. 研究团队开发的4种节能型MBR概况

中试运行期间，系统A使用一个MBR污水厂的的活性污泥混合液作为进水，系统B使用初沉池的出水，系统C和D使用市政污水的原始进水。A、B和D系统进行了峰值运行测试。

能耗计算方法

下图2显示了用于能耗计算的MBR基础系统的组成，下表2是计算参数的基本设置。首先他们根据表1和2对MBR所有设备的规格进行鉴定，然后计算各种设备在日平均流量情况下的电耗情况（包括了初沉池的污泥收集设备、初始污泥泵、细格栅、缺氧池搅拌器、风机、膜过滤泵、污泥回流泵、剩余污泥泵、化学清洗设备等），最后通过计算每日能耗和每日平均流量的比值得出SEC的数值。

图2. 用于能耗计算的MBR基础系统的组成以及各节能系统的工艺流程图

表2. 能耗计算规格

峰值运行

A和B系统的峰值测试是在长期运行测试期间进行的，而D系统的峰值测试是在长期测试后进行的。下表3是各系统的测试条件概况。峰值运行时间设为4或24小时，一次模拟短期和长期雨天运行的情况。其中4h峰值测试的流量为平均进水量的2-3倍，24h测试的峰值流量为平均值的1.3-2.5倍。

表3. 各系统在峰值流量下的运行

讨论结果

下图3显示了长期运行测试期间各系统的跨膜压(TMP) 和水温变化情况。各系统的连续运行时间在1-1.5年之间，期间有定期的化学清洗。下表4总结了各系统的进水和出水水质，数据显示，BOD和SS去除率接近100%，总氮去除率在60-80%。

图3. 各系统在不同情况下的跨膜压(TMP)和水温变化，包括恒定流量或昼夜波动，以及其他非常规的操作条件和事故。

表4. 长期运行测试下各系统的表现

各系统的单位能耗统计结果如下表5所示，所有数值都低于0.4kWh/m³的既定目标。其中结合了两种节能方法的系统A的单位能耗最低。如图4显示，虽然系统A的能耗比传统工艺减少43%，但也反映了膜清洗和生物曝气依然是MBR系统的主要能耗组成。

表5. 各系统的单位能耗计算结果

图4. 系统A和传统系统的单位能耗组成对比。传统MBR指使用传统膜产品，其他指的是初沉池、细格栅、剩余污泥泵的污泥收集能耗

在峰值运行的时候，可能会出现跨膜压突增或者膜污染等问题，但这次测试的三个系统都没有出现这类问题（如下图5、6、7所示）。这些系统都通过了峰值运行测试，说明它们能够在短时间乃至较长时间内应对雨天带来的挑战。值得一提的是，结果显示在暴雨天情况下如果采用MBR工艺，污水厂的超量外排负荷也会相应减少。在传统的活性污泥工艺里，当合流制污水的进水量超过污水厂的设计容量时，污水厂只会对这些超量污水做初沉处理，甚至不做处理直接外排。这些污水厂如果采用这些改良的MBR系统，就可以在极端天气下让更多合流的污水得到二级处理，从而减少外排的有机负荷。

图5. 系统B的峰值运行前后和期间的跨膜压变化情况

图6. 系统A的峰值运行前后和期间的跨膜压变化情况

图7. 系统D的峰值流量运行情况（峰值通量为1.3-1.6J，持续4小时）的跨膜压变化

小结

总的来说，该项目研究的四种改良MBR系统的单位能耗已经达到甚至低于常规活性污泥工艺的水平。此外示范运行结果显示，这些系统可以在平均进水量1.3-3倍的情况下正常运行4或24小时，这表明它们有能力应对暴雨等极端天气情况。作者们认为这些系统展示了其在节能和峰值运行方面优势，这将促进更多新建和现有的污水厂考虑采用MBR系统。

参考资料
Demonstration of energy-saving membrane bioreactor (MBR) systems，Kyoko Yamashita, Hiroki Itokawa and Toshikazu Hashimoto，Water Science & Technology (2019) 79 (3): 448–457.

https://doi.org/10.2166/wst.2019.068