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摘要：介绍了基于Yusuf Chisti-Murray Moo Young模型的含油废水MBR反应池的设计；研究了曝气量及反应器结构对膜间平均错流流速的影响，并据此选定MBR曝气量及反应器下降流过水断面积分别为200m3/h和3.9m2，获得的膜间平均错流流速为1.25m/s。一年半的工程实践表明膜组件的操作负压稳定在0.02MPa以下，远低于化学清洗时的操作负压控制标准0.05Mpa，从而解决了中空纤维膜应用于含油污水处理中膜污染严重的技术瓶颈，为处理其他难降解高浓度工业废水MBR的设计与应用提供了参考和依据。
关键词：MBR 错流流速 含油废水 曝气量
中图分类号：X703文献标示码：C文章编号：
Optimization Design of Membrane bio-reactor (MBR) in a Harbor Oily Wastewater Treatment Plant
LiRan
（Tianjin Port Authority, Tianjin 300456）
Abstract: Based on the model summarized by Yusuf Chisti-Murray Moo Young, effects of aeration rate and MBR structure on cross-flow velocity along membrane surface were investigated. When the aeration rate and cross-sectional area were 200m3/h and 3.9m2 respectively, the cross-flow velocity in the MBR was 1.25m/s. Due to this higher cross-flow velocity, Transmembrane Pressure (TMP) of MBR was less than 0.02MPa throughout the one-year operation time.
Keywords：MBR; cross-flow velocity; oily wastewater; aeration rate
近年来，膜技术在污水处理领域中的应用特别是与生物反应器相组合的膜生物反应器（MBR）工艺作为一种新型高效污水处理技术在国内受到了广泛关注，它具有节省用地、易于实现自动化等优点。经过不断的研究与改进，技术日益成熟，目前已有大量MBR工程应用实例[1,2]，具有成熟的运行经验可供借鉴。与其他传统工艺相比，MBR在出水稳定、节能环保和设备可靠等方面都具有明显的优势。但是，将MBR工艺应用于含油污水处理时，出现了较难克服的问题。由于膜在运行中不可避免的要受到污染，由此将影响到其使用寿命，同时，由于含油污水中油类污染物的存在，更加加剧了这一污染过程的发展。因此，目前各大中空纤维膜生产厂家都严格规定了进水中的含油量（以正己烷提取物（N-HEX值））不大于3mg/L[3]，这就大大限制了MBR工艺在含油污水处理中的应用。
膜间错流流速是减缓膜污染的关键因素，在处理城市污水的MBR工艺中，通常依靠曝气维持一定的错流流速（1m/s左右）来减缓膜污染[4]。而利用MBR处理含油污水的过程中，通常需要更高的错流流速才能保证膜片的使用寿命，这就需要对膜组件的空间结构以及曝气系统进行优化设计。本设计基于Yusuf Chisti-Murray Moo Young的计算结果和含油污水的特性提出了新的膜组件形式，优化了组件的空间结构，获得了较高的错流流速（1.25m/s），减缓了膜污染，延长了膜的使用周期。
1 工程概况
某港口含油废水处理系统主要工艺流程见图1。生化反应池接种污泥采用天津某污水处理厂的脱水污泥；水解酸化池（采用复合厌氧反应器 (AHR) 形式）的接种污泥浓度为5000mg/L，MBR反应池的接种污泥浓度为10000mg/L。经过40～45天左右的运行，COD去除率稳定在35%～40%左右，石油类去除率稳定在70%以上；水解酸化池的出水，即MBR进水水质见表1。
图1 含油废水处理流程
Fig.1 Oily wastewater treatment flow
表1 系统运行效果
Table 1 System running results
2 MBR池的设计优化
含油废水经过静置分离、 斜板隔油、混凝沉淀、水解酸化后，通过酸化池顶部集水槽进入MBR反应池。由表1可以发现，水解池出水水质虽得到了很大地改善，但各种污染物浓度仍然维持在较高的水平，特别是石油类污染物浓度仍高达2.0～7.2 mg/L，该运行工况极易加速膜污染，影响MBR反应器的稳定运行。
为了减缓膜污染，延长了膜的使用周期，本设计以Yusuf Chisti和Murray Moo Young提出的气提液体上升流速模型为基础，结合含油污水的水质特点，针对性的开发了处理含油废水膜组件的表面错流流速模型。
本设计采用一体式膜生物反应器（见图2），即将膜组件直接置于生物反应池内，通过自吸泵抽吸，得到滤液。将该一体式膜生物反应器从中分成两半, 则每半可看成是一个内循环式气提反应器，这种气提反应器由升流区和降流区组成，在升流区通常设有曝气装置，降流区则没有，且同前者相比, 其含气率较低[5, 6]。
一体式膜生物反应器中液体上升流速ULr可采用Yusuf Chisti 和 Murray Moo Young [5]提出的气提式反应器中液体上升流速计算公式进行计算：
式中：ULr—液体表面上升流速，m/s；
g—重力加速度，m2/s；
hD —反应器内气液分散高度，m；
Ar, Ad—反应器上升流和下降流过水断面积，m2；
εr, εd —反应器上升流和下降流含气率；
KT, KB —反应器顶部和底部区域的摩擦阻力系数。
由于反应器顶部未封闭，顶部区域的能力消耗可忽略不计，即KT=0。
而反应器底部区域的摩擦阻力系数可由经验公式（2）计算：
式中：Ab —反应器底部过水断面积，m2；
反应器内气液分散高度hD可用式（3）计算：
式中：hL —反应器有效高度，m；
ε—反应器总含气率，可用下式计算：
（4）
降流区由于没有设置曝气装置则，其含气率较低，近似地εd=0；
升流区的含气率εr可由下式计算：
（5）
式中：UGr —气体表面上升流速，m/s，可用下式计算：
（6）
式中：Qg —反应器曝气量，m3/h。
图2 处理含油废水MBR组件的剖面图及平面图
Fig.2 Profile and layout of MBR treating oily wastewater
本设计选用的膜组件空间结构为长方体，L×B×H=1900×970×4000mm，组件共安装膜片30片（双层布置）；由于曝气装置主要布置与膜组件下方，即膜组件总的断面积为反应器上升流断面积，Ar=1.84m2；同时反应器底部过水断面积Ab=2.30m2；反应器水深hL=4.5m；根据土建结构设计规范，可以得到反应器最小的下降流过水断面积Ad=2.74m2。将以上尺寸参数带入上述公式并利用文獻[5, 6]所示计算步骤，可以得到膜生物反应器中曝气量与错流流速之间的关系（图3）。
图3 曝气量与平均错流流速之间的关系
Fig.3 Correlation between aeration rate and cross-flow velocity
可以看出，膜间液体平均错流流速随着曝气量的增加而增大：当曝气量为200m3/h时，平均错流流速为0.84m/s；当曝气量达到300m3/h时，平均错流流速仍小于1m/s。而在膜生物反应器工艺中，为了减缓膜污染，错流流速通常维持在1m/s左右，在含油污水处理中，则需要更高的错流流速才能保证膜片的使用寿命。单纯通过提高曝气量不仅难以获得较高的错流流速，而且过高的曝气量必将带来较高的运行费用。因此需要通过改变其他参数来提高流体平均错流流速。
为了节省MBR运行费用，反应器曝气量选定为200m3/h，通过改变反应器下降流过水断面积来改变平均错流流速，计算结果如图4所示。
图4 反应器下降流过水断面积与平均错流流速之间的关系
Fig.3 Correlation between cross-sectional area of downcomer and cross-flow velocity
可以看出，随着反应器下降流过水断面积，流体平均错流流速逐渐增加；但为了节省基建投资，降低污水处理单元的体积，并提高膜生物反应器内微生物浓度，本设计中下降流过水断面积选定为3.9 m2，流体平均错流流速为1.25m/s。
基于以上所得参数进行MBR反应池的设计，其与水解酸化池合建，钢混结构，有效水深4.5米，分为2组，反应池尺寸： L×B×H＝12m×16m×5.5m。中空纤维膜组件主要由集水和曝气两部分组成，由中空纤维膜片、集水管组成集水系统，数片中空纤维膜片的出水集中于集水管，出水采用泵吸出水，集水管的设计缓解了由于负压出水对于膜片可能造成的损伤。由空气管、布气管、穿孔管组成曝气系统，空气管与膜组件下部的布气管相连，中空纤维膜片下端设置穿孔管，数根穿孔管平行设置并与布气管并连，布气管中的压缩空气由穿孔管上的微孔沿35度角向下射出。曝气系统的设置保证了每片膜片能够获得固定的曝气强度。
3 MBR池的运行效果
上述模型经1：1工程用双层中空纤维膜组件的验证后应用于工程实践，膜组件的运行参数为：膜组件的临界出水量10L/m2·h；抽吸与停抽时间比为12min：3min；汽水比为1：20。MBR已稳定运行一年半，膜组件的操作负压稳定在0.02MPa以下，远低于化学清洗时的操作负压控制标准0.05Mpa，有效解决了油类污染物对于膜组件的污染，为MBR工艺应用于类似工程铺平了道路。
参考文献：
[1] 朱亮，朱凤春，许旭昌，等. MBR/PAC组合工艺处理污水厂尾水的中试研究. 中国给水排水，2006, 25 (5): 59~62.
[2] 曹斌，黄霞，Kitanaka A., 等. MBR-RO组合工艺污水回收中试研究. 环境科学，2008, 29 (4): 915~919
[3] 天津膜天膜科技有限公司. 帘式膜用户手册[Z]. 天津：天津膜天膜科技有限公司，2006.
[4] 李俊，奚旦立，石勇. 動态膜处理污水时阻力分布及污染机理. 化工学报，2008, 59 (9): 2309~2315.
[5] 刘锐，黄霞，王志强，等. 一体式膜-生物反应器的水动力学特性. 环境科学，2000, 21 (5): 47~50.
[6] Chisti Y., Moo-Young M. Improve the performance of airlift reactors. Chemical Engineering Process, 1993, 6: 38~45.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：MBR 错流流速 含油废水 曝气量
中图分类号：X703文献标示码：C文章编号：
Optimization Design of Membrane bio-reactor (MBR) in a Harbor Oily Wastewater Treatment Plant
LiRan
（Tianjin Port Authority, Tianjin 300456）
Abstract: Based on the model summarized by Yusuf Chisti-Murray Moo Young, effects of aeration rate and MBR structure on cross-flow velocity along membrane surface were investigated. When the aeration rate and cross-sectional area were 200m3/h and 3.9m2 respectively, the cross-flow velocity in the MBR was 1.25m/s. Due to this higher cross-flow velocity, Transmembrane Pressure (TMP) of MBR was less than 0.02MPa throughout the one-year operation time.
Keywords：MBR; cross-flow velocity; oily wastewater; aeration rate
近年来，膜技术在污水处理领域中的应用特别是与生物反应器相组合的膜生物反应器（MBR）工艺作为一种新型高效污水处理技术在国内受到了广泛关注，它具有节省用地、易于实现自动化等优点。经过不断的研究与改进，技术日益成熟，目前已有大量MBR工程应用实例[1,2]，具有成熟的运行经验可供借鉴。与其他传统工艺相比，MBR在出水稳定、节能环保和设备可靠等方面都具有明显的优势。但是，将MBR工艺应用于含油污水处理时，出现了较难克服的问题。由于膜在运行中不可避免的要受到污染，由此将影响到其使用寿命，同时，由于含油污水中油类污染物的存在，更加加剧了这一污染过程的发展。因此，目前各大中空纤维膜生产厂家都严格规定了进水中的含油量（以正己烷提取物（N-HEX值））不大于3mg/L[3]，这就大大限制了MBR工艺在含油污水处理中的应用。
膜间错流流速是减缓膜污染的关键因素，在处理城市污水的MBR工艺中，通常依靠曝气维持一定的错流流速（1m/s左右）来减缓膜污染[4]。而利用MBR处理含油污水的过程中，通常需要更高的错流流速才能保证膜片的使用寿命，这就需要对膜组件的空间结构以及曝气系统进行优化设计。本设计基于Yusuf Chisti-Murray Moo Young的计算结果和含油污水的特性提出了新的膜组件形式，优化了组件的空间结构，获得了较高的错流流速（1.25m/s），减缓了膜污染，延长了膜的使用周期。
1 工程概况
某港口含油废水处理系统主要工艺流程见图1。生化反应池接种污泥采用天津某污水处理厂的脱水污泥；水解酸化池（采用复合厌氧反应器 (AHR) 形式）的接种污泥浓度为5000mg/L，MBR反应池的接种污泥浓度为10000mg/L。经过40～45天左右的运行，COD去除率稳定在35%～40%左右，石油类去除率稳定在70%以上；水解酸化池的出水，即MBR进水水质见表1。
图1 含油废水处理流程
Fig.1 Oily wastewater treatment flow
表1 系统运行效果
Table 1 System running results
2 MBR池的设计优化
含油废水经过静置分离、 斜板隔油、混凝沉淀、水解酸化后，通过酸化池顶部集水槽进入MBR反应池。由表1可以发现，水解池出水水质虽得到了很大地改善，但各种污染物浓度仍然维持在较高的水平，特别是石油类污染物浓度仍高达2.0～7.2 mg/L，该运行工况极易加速膜污染，影响MBR反应器的稳定运行。
为了减缓膜污染，延长了膜的使用周期，本设计以Yusuf Chisti和Murray Moo Young提出的气提液体上升流速模型为基础，结合含油污水的水质特点，针对性的开发了处理含油废水膜组件的表面错流流速模型。
本设计采用一体式膜生物反应器（见图2），即将膜组件直接置于生物反应池内，通过自吸泵抽吸，得到滤液。将该一体式膜生物反应器从中分成两半, 则每半可看成是一个内循环式气提反应器，这种气提反应器由升流区和降流区组成，在升流区通常设有曝气装置，降流区则没有，且同前者相比, 其含气率较低[5, 6]。
一体式膜生物反应器中液体上升流速ULr可采用Yusuf Chisti 和 Murray Moo Young [5]提出的气提式反应器中液体上升流速计算公式进行计算：
式中：ULr—液体表面上升流速，m/s；
g—重力加速度，m2/s；
hD —反应器内气液分散高度，m；
Ar, Ad—反应器上升流和下降流过水断面积，m2；
εr, εd —反应器上升流和下降流含气率；
KT, KB —反应器顶部和底部区域的摩擦阻力系数。
由于反应器顶部未封闭，顶部区域的能力消耗可忽略不计，即KT=0。
而反应器底部区域的摩擦阻力系数可由经验公式（2）计算：
式中：Ab —反应器底部过水断面积，m2；
反应器内气液分散高度hD可用式（3）计算：
式中：hL —反应器有效高度，m；
ε—反应器总含气率，可用下式计算：
（4）
降流区由于没有设置曝气装置则，其含气率较低，近似地εd=0；
升流区的含气率εr可由下式计算：
（5）
式中：UGr —气体表面上升流速，m/s，可用下式计算：
（6）
式中：Qg —反应器曝气量，m3/h。
图2 处理含油废水MBR组件的剖面图及平面图
Fig.2 Profile and layout of MBR treating oily wastewater
本设计选用的膜组件空间结构为长方体，L×B×H=1900×970×4000mm，组件共安装膜片30片（双层布置）；由于曝气装置主要布置与膜组件下方，即膜组件总的断面积为反应器上升流断面积，Ar=1.84m2；同时反应器底部过水断面积Ab=2.30m2；反应器水深hL=4.5m；根据土建结构设计规范，可以得到反应器最小的下降流过水断面积Ad=2.74m2。将以上尺寸参数带入上述公式并利用文獻[5, 6]所示计算步骤，可以得到膜生物反应器中曝气量与错流流速之间的关系（图3）。
图3 曝气量与平均错流流速之间的关系
Fig.3 Correlation between aeration rate and cross-flow velocity
可以看出，膜间液体平均错流流速随着曝气量的增加而增大：当曝气量为200m3/h时，平均错流流速为0.84m/s；当曝气量达到300m3/h时，平均错流流速仍小于1m/s。而在膜生物反应器工艺中，为了减缓膜污染，错流流速通常维持在1m/s左右，在含油污水处理中，则需要更高的错流流速才能保证膜片的使用寿命。单纯通过提高曝气量不仅难以获得较高的错流流速，而且过高的曝气量必将带来较高的运行费用。因此需要通过改变其他参数来提高流体平均错流流速。
为了节省MBR运行费用，反应器曝气量选定为200m3/h，通过改变反应器下降流过水断面积来改变平均错流流速，计算结果如图4所示。
图4 反应器下降流过水断面积与平均错流流速之间的关系
Fig.3 Correlation between cross-sectional area of downcomer and cross-flow velocity
可以看出，随着反应器下降流过水断面积，流体平均错流流速逐渐增加；但为了节省基建投资，降低污水处理单元的体积，并提高膜生物反应器内微生物浓度，本设计中下降流过水断面积选定为3.9 m2，流体平均错流流速为1.25m/s。
基于以上所得参数进行MBR反应池的设计，其与水解酸化池合建，钢混结构，有效水深4.5米，分为2组，反应池尺寸： L×B×H＝12m×16m×5.5m。中空纤维膜组件主要由集水和曝气两部分组成，由中空纤维膜片、集水管组成集水系统，数片中空纤维膜片的出水集中于集水管，出水采用泵吸出水，集水管的设计缓解了由于负压出水对于膜片可能造成的损伤。由空气管、布气管、穿孔管组成曝气系统，空气管与膜组件下部的布气管相连，中空纤维膜片下端设置穿孔管，数根穿孔管平行设置并与布气管并连，布气管中的压缩空气由穿孔管上的微孔沿35度角向下射出。曝气系统的设置保证了每片膜片能够获得固定的曝气强度。
3 MBR池的运行效果
上述模型经1：1工程用双层中空纤维膜组件的验证后应用于工程实践，膜组件的运行参数为：膜组件的临界出水量10L/m2·h；抽吸与停抽时间比为12min：3min；汽水比为1：20。MBR已稳定运行一年半，膜组件的操作负压稳定在0.02MPa以下，远低于化学清洗时的操作负压控制标准0.05Mpa，有效解决了油类污染物对于膜组件的污染，为MBR工艺应用于类似工程铺平了道路。
参考文献：
[1] 朱亮，朱凤春，许旭昌，等. MBR/PAC组合工艺处理污水厂尾水的中试研究. 中国给水排水，2006, 25 (5): 59~62.
[2] 曹斌，黄霞，Kitanaka A., 等. MBR-RO组合工艺污水回收中试研究. 环境科学，2008, 29 (4): 915~919
[3] 天津膜天膜科技有限公司. 帘式膜用户手册[Z]. 天津：天津膜天膜科技有限公司，2006.
[4] 李俊，奚旦立，石勇. 動态膜处理污水时阻力分布及污染机理. 化工学报，2008, 59 (9): 2309~2315.
[5] 刘锐，黄霞，王志强，等. 一体式膜-生物反应器的水动力学特性. 环境科学，2000, 21 (5): 47~50.
[6] Chisti Y., Moo-Young M. Improve the performance of airlift reactors. Chemical Engineering Process, 1993, 6: 38~45.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。