水处理膜技术.doc

联邦德国埃尔夫特水协会北运河污水处理厂

编者：姚刚
业主：联邦德国埃尔夫特水协会（Erft Verband）
工程设计单位：联邦德国Hydro Ingenieure设计院
工程建设单位：联邦德国HOCHTIEF公司

1 埃尔夫特水协会北运河污水处理厂的建设背景

联邦德国埃尔夫特水协会负责埃尔夫特流域的污水处理。水协会有46座大小不等的污水处理厂，其中最小处理规模的污水厂只有800设计人口当量，最大的处理规模的污水厂为132000设计人口当量。北运河污水处理厂就是其中的一座。该污水处理厂位于水协会管辖区的最北面，接纳处理来自Kaarst市城市生活污水和部分来自Korschenbroich 及Neuss市的城市生活污水。

处理后的污水排放到北运河。北运河在拿破仑时代开始兴建，是连接莱茵河和马斯河的一条运河。因此北运河不属于天然水体。运河自身的水流量很少，而且流速很小。水体质量相当于III级水质－－“严重污染”。此外，扩建以后位于北运河下游的污水处理厂的出水要直径流经游泳水体。

北运河污水处理厂始建于1967年，于1973年扩建。目前这座污水处理厂的处理水平已经不能够满足相应的污水排放水体的标准。根据Kaarst市的土地发展规划，待扩建的污水处理厂必须放弃现有的厂址，需要另选厂址。根据德国环境影响评价法，埃尔夫特水协会在距离现厂址2.5公里北运河的上游方向选择了新厂址。

扩建工程于1998年开始设计，原采用传统活性污泥法方案。在此期间埃尔夫特水协会在Roedingen市的德国第一座活性污泥－膜分离法城市生活污水处理厂投产运行，取得了有益的经验。埃尔夫特水协会与德国北威州环境部协商，建议改变原设计方案，采用活性污泥－膜分离法。埃尔夫特水协会于2000年开始招标。经过评标谈判，确定采纳活性污泥－膜分离法方案。

2 污水设计参数

2.1 设计人口当量和污水量
根据德国污水技术规范规定，采用人口当量和污水量作为污水厂设计的依据。
本次扩建设计参数如下：
设计人口当量：80000
设计日污水量：16.000 m3/d
设计旱季流量：1024 m3/h
设计雨季流量： 1881 m3/h

2.2 污水水质
污染物负荷如下：
COD污染负荷：9600公斤/ 天
BOD5污染负荷：5250公斤/ 天
氮（TKN）污染负荷：897公斤/ 天
磷（P总）污染负荷：123公斤/ 天
悬浮物污染负荷：5600公斤/ 天

2.3 处理厂出水水质标准

德国水法对于处理后的城市生活污水直接排放水体的最低要求：

直接排放水体的最低要求
污水厂规模分类
COD
BOD5
铵氮/ N总
P总

毫克/升
毫克/升
毫克/升
毫克/升
等级I：
进水 BOD5< 60公斤/ 天
150
40
－
－
等级II：
进水 BOD5: 60-300公斤/ 天
110
25
－
－
等级III：
进水 BOD5: 300-1200公斤/ 天
90
20
10/18
T>12癈
－
等级IV：
进水 BOD5: 1200-6000公斤/ 天
90
20
10/18
T>12癈
2
等级IV：
进水 BOD5: >6000公斤/ 天
75
15
10/18
T>12癈
1

埃尔夫特水协会北运河污水处理厂出水直接排放到北运河。因此必须遵守德国水法规定的污水直接排放水体的最低排放的标准。 该污水处理厂规模属于IV类。因此必须达到以下标准：
参数
出水排放浓度极限值

毫克/升
COD
90
BOD5
20
铵氮/ N总
10/18 （T>12癈）
P总
2

3 处理工艺流程
埃尔夫特水协会北运河污水处理厂污水处理的主工艺为活性污泥－膜分离法。活性污泥－膜分离处理构筑物分成四条流水线。为了确保除磷的要求，在活性污泥法处理段投加絮凝剂，完成所谓“同步沉淀”除磷过程。

剩余污泥处理采用离心机脱水。

埃尔夫特水协会北运河污水处理厂污水、污泥处理工艺流程图如图所示：

出水
配水井
沉砂
除油池

进水
污泥储存
剩余污泥
活性污泥－膜分离

空气
污泥机械脱水

排放水体
细格栅

粗格栅
进水泵站

图1 埃尔夫特水协会北运河污水处理厂污水、污泥处理工艺流程图

4 厂区平面布置

现有的埃尔夫特水协会北运河污水处理厂距离新扩建的污水处理厂有2.5公里，在现有的污水处理厂将保留粗格栅、污水泵站和污水调节池（当污水处理厂出现故障时，污水可以暂时贮存在调节池中）。沿着北运河岸，铺设压力管道，将污水送往新扩建的污水处理厂。

新扩建的污水处理厂的平面布置图如图所示：

图2 埃尔夫特水协会北运河污水处理厂平面布置图

图3 埃尔夫特水协会北运河污水处理厂俯瞰示意图

5 主要构筑物

5.1 细格栅
由于采用活性污泥－膜分离法，为防止纤维、织物等在膜组件的上部缠绕，细格栅是非常必要的。
2台细格栅：格栅间距5毫米。

5.2 曝气沉砂除油池
为有利于活性污泥处理，除了采用曝气沉砂池外，为保证膜分离技术的应用，防止油污污染膜，需要除油。因此设计了2座曝气沉砂除油池。

5.3 细格栅
为防止毛发丝在膜组件的上部缠绕，需要采用细筛处理。
2台细筛：筛网间距0.5毫米。

5.4 前置反硝化活性污泥曝气池
设计参数：
污泥负荷率： 0.05 kg BOD5/kgTS/d
容积负荷率： 0.57 kg BOD5/m3/d
污泥浓度： 12 kg TS/m3
总池容积 = 9.200 m3
池子分成四组。

5.5 一体式膜分离
采用中空纤维组合式膜组件。膜组件直接淹没式搁置在活性污泥曝气池的末端池区内。每个活性污泥曝气池中搁置两组膜组件。总共有8八组。
膜的总过滤面积为84480 平方米。
膜孔径为0.1 微米。
膜组件的类型：ZeeWeedÒZW 500 c。
图4为膜组件ZeeWeedÒZW 500 c 的示意图。

图4：膜组件ZeeWeedÒZW 500 c 示意图

6 分析

6.1 概述
埃尔夫特水协会北运河污水处理厂正在建设。尚未投产运行，所以目前无法对其运行情况作出分析。膜分离技术应用于城市生活污水处理尚处于起始阶段。下文将对膜分离技术的优缺点、经济可行性以及应用前景作简要分析，仅供参考。

6.2 活性污泥－膜分离法的优缺点
优点
• 水力停留时间与污泥停留时间相分离－在活性污泥曝气池内可以实现高污泥浓度
• 污泥浓度可以高达20克/升（4－5倍于传统活性污泥法），因此所需曝气池容积小
• 工艺流程简化，可省去二沉池
• 占地少
• 没有污泥膨胀问题
• 剩余污泥量少－大约是传统活性污泥法的三分之一
• 出水水质好、卫生指标高
有效的除磷（生物除磷，在污泥厌氧处理中30％的磷又会释放出来，重新回到污水中），
无悬浮物（由悬浮物引起的COD可以全部去除），
无细菌－出水的水质相当于传统活性污泥法工艺与砂滤和紫外线（UV）或臭氧氧化（杀菌，消毒）。

这些优点在设计、建设和运行过程中都得到了验证。

缺点
· 设计、运行经验较少
· 膜的投资较高
· 运行费用高－膜过滤的能源消耗大
· 膜组件的使用寿命有待延长
· 膜的化学清洗过程，清洗效果和自动化等等尚需要优化
· 运行的灵活性有待提高－雨季水力冲击负荷时处理效果受影响

不能普及的外在原因是污水管理部门还没有提出这样高的排放要求。

6.3 活性污泥－膜分离法与其它处理方法的经济比较

膜分离技术的经济可行性（单位污水处理总费用）取决于以下三大因素：
能耗：对于淹没式膜组件而言主要是曝气能耗高－采用间歇曝气明显降低能耗。
膜组件费用：一次性费用和更换膜组件费用与使用寿命长相关（很受运行条件的影响）。膜组件在过去几年明显降低，目前价格125－200马克/平方米。而且会继续下降。
过滤能力：与前两项相比过去几年没有太大变化。

经济比较的内容：
· 投资－膜的价格（大约占污水厂总投资的30％）。
· 运行（总）费用：膜法的关键问题在于
－膜的使用寿命
－膜的更换费用
－电能消耗

下面针对埃尔夫特水协会北运河污水处理厂招标设计中的几种处理工艺进行经济比较。经济比较是在德国的条件下进行。

在设计招标中对以下工艺进行了经济比较：
· 活性污泥－膜分离法：出水水质最好
采用中空纤维组合式－淹没式，过滤面积为84 480 平方米，膜孔径：0.1 微米
· 传统法（污泥厌氧消化）：出水水质合格
· 传统法（污泥好氧稳定）：出水水质不合格

6.3.1 投资比较
经过计算，膜法的投资最低。传统法（污泥消化）设计方案的投资比膜法方案的投资高11％，传统法（污泥稳定）设计方案的投资比膜法方案的投资高3％。比较结果见下表和下图。

GKW污水厂单位投资
GKW污水厂总投资

（马克/人口当量）
（百万马克）
膜法设计投资
519
41.5
膜法投标最高价格
541
43.3
膜法投标最低价格
498
39.8

传统法（污泥消化）设计投资
576
46.1
传统法（污泥消化）投标价格
580
46.4
传统法（污泥稳定）设计投资
534
42.7

6.3.2 静态运行费用比较

静态运行费用的比较考虑以下费用组成：
人员费用 390 000 马克/年
能源费用 720 000 马克/年
维修保养（没考虑膜的更新费用）240 000 马克/年
剩余物处理费用 600 000 马克/年
运行消耗材料费用 1 100 000 马克/年
污水排放费 250 000 马克/年
年费用总和 3 300 000 马克/年

经过比较，膜法的设计方案的运行费用最高，比传统法（污泥消化）设计方案的运行费用大约高20％，比传统法（污泥稳定）设计方案的运行费用大约高7％。比较结果见下表。

膜法的设计方案的运行费用高的主要原因在于膜法的电能消耗较大。膜法的设计方案的电能消耗比传统法（污泥消化）设计方案的电能消耗大约高74％，比传统法（污泥稳定）设计方案的电能消耗大约高57％。比较结果见下表。

电能消耗比较

（kWh/m3）
Roedingen污水厂（膜法，3000WE），2000年
2
Roedingen污水厂，改变循环/间歇运行方式
1.6
GKW污水厂

膜法
0.8
传统法（污泥消化）
0.46
传统法（污泥稳定）
0.51

6.3.3 动态运行费用比较
动态运行费用即考虑投资、再投资费用时的运行费用。根据“德国动态费用比较计算准则”进行，考虑的动态因素如下：
污水厂使用计算年限－25年
构筑物使用年限－25年（折旧）
机械设备和电器自动控制系统使用年限－12.5年
膜的使用年限－5年或8年
计算年利息－3％
物价增长率－0％
如果污水厂使用计算年限按25年考虑，并考虑到上述动态因素，两种传统法（污泥厌氧消化和污泥好氧稳定）的单位年费用均为：0.89马克/立方米。

膜法相应的单位年费用取决于：
膜的一次性费用
膜的使用寿命
膜的更换费用
假设：
膜的使用寿命为5年或8年（目前均有先例）；
膜的更换费用为膜的一次性费用的二分之一。

从而可以推导出膜法与传统法可比的经济价格：
使用寿命为5年时的可比经济价格：95马克/平方米膜；
使用寿命为8年时的可比经济价格：115马克/平方米膜。

6.4 膜法应用的展望
－技术前提
德国膜法在城市生活污水处理中应用几年的实践表明，尽管还存在一系列具体的问题，但是目前已经具备了应用的技术前提。
－膜的价格的发展
大型膜法城市生活污水处理的经济性目前尚未完全实现。但是其发展趋势是令人乐观的。1998年膜的单价为2001年的2.88倍。如果过去几年膜的单位价格的发展还能够继续，膜法的应用将日益增加，膜的生产量也将增加。随着膜的生产规模的增加，其价格将会进一步下降。这种良性循环一定会促进膜法的应用。膜法的经济性将在不远的将来（最迟到2005年）就能够实现。其发展趋势如图所示：

1997年有位德国教授分析了在污水处理中使用膜法的进水浓度（BOD5）经济临界点： BOD5 ＝2500 mg/l；
并估计8年后（2005年），膜的价格会降低一半，那么进水浓度（BOD5）经济临界点可以降低到： BOD5 ＝1300 mg/l。
然而目前的膜的单价已经只是1997年的三分之一。而且这种趋势仍然继续。由此可见，在城市生活污水处理中大规模应用膜法已经为期不远了。
－电能消耗水平的发展
如图所示1998年的膜法工艺的电能消耗水平为2001年的2.5倍。随着膜组件种类的开发和研究，在不远的将来膜法工艺的电能消耗水平会接近传统活性污泥法。

－其它
膜的使用寿命达到8年将会得到保证
膜的清洗方法将会不断优化
新工艺的开发也会不断发展
膜法在中国应用的展望
水源：
中国缺水，城市污水的回用一直是水管理领域的重要课题。膜法无疑将在城市污水回用方面发挥重要作用。
排水体制：
膜的过滤面积决定污水厂的处理能力，膜的过滤能力比较稳定，膜的价格高，因此不能设计的太富于。膜法对水力负荷的波动适应能力因此也较差。分流制排水系统的污水量比较稳定，会有利于膜法的应用。而中国大部分的城市或城区采用分流制排水系统，这也会有助于膜法在中国城市污水处理中的应用。

资料提供单位：联邦德国埃尔夫特水协会（Erft Verband）

主要参考文献：
Gewaesserschutz·Wasser ·Abwasser:184卷，188卷
主编：亚琛工业大学Dohmann教授