抽真空系統(tǒng)在MBR污水處理工藝中的應(yīng)用

劉海山，王小燕

（1.青島雙元水務(wù)有限公司，山東青島 266109；2.青島海灣中水有限公司，山東青島 266001）

0 引言

MBR（Membrane Bio-Reactor，膜生物反應(yīng)器）污水處理工藝是一種高效的污水處理工藝，以其出水水質(zhì)穩(wěn)定良好、占地面積小等優(yōu)勢(shì)在污水處理行業(yè)中不斷得到推廣和應(yīng)用。MBR工藝的中空纖維膜孔徑僅有0.3 μm，產(chǎn)水過程中會(huì)產(chǎn)生堵塞，需要停運(yùn)產(chǎn)水泵，執(zhí)行膜清洗流程。清洗時(shí)，膜絲內(nèi)部有空氣聚集，會(huì)造成產(chǎn)水泵再次開啟時(shí)發(fā)生氣蝕和葉輪干轉(zhuǎn)。為解決這一問題，產(chǎn)水泵進(jìn)水管道內(nèi)需加入抽真空系統(tǒng)。青島某污水廠在MBR 工藝的建設(shè)過程中，實(shí)施了以真空發(fā)生器為核心單元的抽真空系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水泵啟停時(shí)的恒流量運(yùn)行，取得了很好效果。

1 工程概況

青島某污水處理廠改擴(kuò)建工程中，工程規(guī)模為新建15 萬噸/日的MBR 工藝。該廠將MBR 系統(tǒng)分為兩部分，即10 萬噸膜池和5 萬噸膜池，其中10 萬噸膜池含有16 個(gè)產(chǎn)水膜組，5 萬噸膜池含有8 個(gè)產(chǎn)水膜組；10 萬噸膜池系統(tǒng)用一套抽真空裝置，5萬噸膜池系統(tǒng)用一套抽真空裝置。

2 抽真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行原理

抽真空系統(tǒng)中含有5 組真空發(fā)生裝置、1 臺(tái)真空罐、16 套抽真空電磁閥和16 套音叉液位計(jì)，每組真空發(fā)生裝置上含有1 套真空發(fā)生器、1 個(gè)電磁閥、1 個(gè)腳座閥和1 個(gè)減壓閥，壓力罐上配有1 個(gè)壓力表、1 個(gè)液位計(jì)、1 臺(tái)進(jìn)氣閥、1 臺(tái)出水閥和1 臺(tái)抽真空總閥（圖1）。

圖1 抽真空系統(tǒng)

真空發(fā)生器的工作原理是壓縮空氣通過真空發(fā)生器的噴嘴時(shí)，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動(dòng)；在卷吸作用下，使噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，在噴管出口四周的空腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，形成一定的真空度；與此負(fù)壓腔聯(lián)通的真空吸入口內(nèi)的空氣，源源不斷地進(jìn)入噴管周邊的負(fù)壓腔，經(jīng)過持續(xù)的壓縮空氣流動(dòng)，使與真空發(fā)生器相通的真空罐產(chǎn)生負(fù)壓（圖2）。

圖2 抽真空原理

由流體力學(xué)可知，不可壓縮空氣的氣體流動(dòng)性方程為（默認(rèn)氣體為不可壓縮）：A1V1=A2V2。其中，A1、A2為截面積，V1、V2為氣體流速?？芍孛娣e越大氣體速度越低，截面積越小氣體速度越高。

由伯努利方程可知，空氣流速增大，壓力降低。所以當(dāng)V2增大到一定程度后，P2將會(huì)小于1 個(gè)大氣壓，即產(chǎn)生負(fù)壓。所以，可以通過增加流速來獲得負(fù)壓。

一定流速的壓縮空氣經(jīng)過減壓閥進(jìn)入真空發(fā)生器，真空發(fā)生器進(jìn)行抽真空，真空罐內(nèi)的空氣通過真空發(fā)生器被抽走，真空罐產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)抽真空電磁閥開啟時(shí)，通過管道與真空罐相連的產(chǎn)水管道頂部的空氣流向負(fù)壓的真空罐，產(chǎn)水管道產(chǎn)生真空。膜池內(nèi)的中空纖維膜內(nèi)的水，在膜池水上方空氣的壓力下流向產(chǎn)水管道，填補(bǔ)真空。產(chǎn)水管道內(nèi)充滿水后，產(chǎn)水泵開啟運(yùn)行，進(jìn)行產(chǎn)水。產(chǎn)水泵運(yùn)行一定時(shí)間（7～8 min）后停止運(yùn)行，膜池內(nèi)的中空纖維膜執(zhí)行膜池運(yùn)行的清洗過程（約1 min）。循環(huán)往復(fù)，產(chǎn)水泵間歇循環(huán)運(yùn)行。

2.2 抽真空系統(tǒng)運(yùn)行方式設(shè)計(jì)

抽真空系統(tǒng)運(yùn)行過程共有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行部分，分別是真空發(fā)生器的運(yùn)行、壓力罐排水過程和產(chǎn)水管道抽真空過程。

（1）真空發(fā)生器的運(yùn)行。當(dāng)真空罐中的壓力高于設(shè)定值時(shí)，打開真空發(fā)生器和減壓閥之間的電磁閥，使壓縮空氣經(jīng)過減壓閥減壓后進(jìn)入真空發(fā)生器，此時(shí)真空發(fā)生器工作產(chǎn)生的負(fù)壓使真空罐中的壓力逐漸降低，當(dāng)壓力值低于設(shè)定至?xí)r真空發(fā)生器停止工作。

（2）壓力罐的排水過程。壓力罐通過液位計(jì)檢測(cè)壓力罐內(nèi)的水位，當(dāng)水位高于設(shè)定值時(shí)，壓力罐的進(jìn)氣閥與排水閥同時(shí)打開，將壓力罐中的水排凈。在排水過程中整個(gè)抽真空系統(tǒng)不運(yùn)行，總閥保證關(guān)閉狀態(tài)，以使產(chǎn)水管道中保持負(fù)壓。

（3）產(chǎn)水管道抽真空過程。每組膜池運(yùn)行中，根據(jù)設(shè)定管道壓力表的壓力值、音叉液位計(jì)的信號(hào)，觸發(fā)壓力管道的電磁閥動(dòng)作，啟動(dòng)產(chǎn)水管道抽真空過程，當(dāng)音叉液位計(jì)檢測(cè)到管道液位達(dá)到管道頂端時(shí)停止抽真空。在同一時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行1 組膜池的抽真空動(dòng)作。

3 抽真空系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

抽真空系統(tǒng)的正常工作都是通過PLC 進(jìn)行控制完成的，系統(tǒng)程序按功能分為產(chǎn)生負(fù)壓程序、產(chǎn)水管抽真空程序和真空罐排水程序。

3.1 產(chǎn)生負(fù)壓程序設(shè)計(jì)

產(chǎn)生負(fù)壓程序主要根據(jù)真空罐的負(fù)壓表讀數(shù)進(jìn)行啟動(dòng)或停止，當(dāng)真空罐的壓力值大于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)抽真空，當(dāng)壓力罐的壓力小于設(shè)定值時(shí)停止抽真空。此子程序主要是讓真空罐始終保持一定的真空度，可讓后續(xù)的產(chǎn)水管抽真空程序隨時(shí)進(jìn)行。由于在抽真空的過程中會(huì)消耗大量的壓縮空氣，所以在壓縮空氣的壓力小于設(shè)定值時(shí)禁止抽真空，同時(shí)產(chǎn)生壓縮空氣壓力低的報(bào)警信號(hào)。

3.2 產(chǎn)水管抽真空程序設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)之初，用于產(chǎn)水管抽真空的電磁閥啟動(dòng)與停止，是由產(chǎn)水管道的高、低音叉液位計(jì)信號(hào)進(jìn)行控制的：低音叉有液位信號(hào)，且高音叉無液位信號(hào)時(shí)，開啟電磁閥，產(chǎn)水管道開始抽真空；高低音叉都有液位信號(hào)時(shí)，關(guān)閉電磁閥，產(chǎn)水管道停止抽真空。但在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了管道頻繁抽真空的現(xiàn)象，即管道內(nèi)已經(jīng)有水沒有空氣，電磁閥仍頻繁開停。分析原因是在產(chǎn)水泵正常運(yùn)行時(shí)，在管道頂部可能有泡沫或者旋渦，低音叉會(huì)檢測(cè)不到液位而發(fā)生誤報(bào)，造成電磁閥頻繁啟停，真空罐內(nèi)會(huì)抽入很多水，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)高低音叉的安裝位置，也無法完全避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。

基于這種情況優(yōu)化改進(jìn)程序，只要有以下3 個(gè)條件之一，電磁閥就開啟，只讓高音叉液位計(jì)控制抽真空的停止：①在產(chǎn)水泵啟動(dòng)后一定時(shí)間內(nèi)，管道流量未達(dá)到預(yù)設(shè)流量的60%時(shí)啟動(dòng)抽真空；②產(chǎn)水泵啟動(dòng)后，跨膜壓差高于設(shè)定值就啟動(dòng)抽真空；③膜池在進(jìn)行清洗后啟動(dòng)抽真空。啟動(dòng)后當(dāng)管道液位到達(dá)高音叉液位計(jì)后，停止抽真空程序；若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未達(dá)到高音叉液位，抽真空系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警。

通過以上的程序改進(jìn)，解決了產(chǎn)水管電磁閥頻繁開啟的問題。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，膜池產(chǎn)水管抽真空電磁閥由曾經(jīng)的每20 min 啟動(dòng)1 次降低到平均1.5 d 啟動(dòng)1 次，MBR 膜池出水系統(tǒng)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行。

3.3 真空罐排水程序設(shè)計(jì)

排水程序與產(chǎn)生負(fù)壓程序類似，即通過真空罐液位計(jì)觸發(fā)排水程序的啟動(dòng)：當(dāng)液位高于設(shè)定值后啟動(dòng)排水程序，當(dāng)液位低于設(shè)定值后停止排水程序。在排水過程中，抽真空系統(tǒng)停止負(fù)壓程序與抽真空程序。

4 抽真空系統(tǒng)的不足與改進(jìn)

在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，高音叉液位計(jì)也會(huì)出現(xiàn)故障，其故障后產(chǎn)水管抽真空無法停止，使得大量的水進(jìn)入真空罐。解決這個(gè)問題，可以通過監(jiān)測(cè)真空罐的液位上升速度來判定產(chǎn)水管內(nèi)液位是否已到高音叉液位計(jì)，從而控制電磁閥的關(guān)閉。這有待于在今后的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，通過觀察和思考繼續(xù)進(jìn)行完善。

系統(tǒng)中產(chǎn)水管抽真空的控制閥采用的是電磁閥，電磁閥沒有閥門的開關(guān)指示，無法直觀觀察電磁閥是否真正執(zhí)行了開停指令。今后考慮將電磁閥改成啟動(dòng)蝶閥，可以通過閥門的開、關(guān)信號(hào)得知抽真空設(shè)備動(dòng)作與否。

5 結(jié)束語

抽真空系統(tǒng)是MBR 工藝中相對(duì)重要的環(huán)節(jié)，該廠采用的以真空發(fā)生器為核心設(shè)備的抽真空系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用。該系統(tǒng)通過正壓氣源產(chǎn)生真空，極大簡(jiǎn)化了真空回路，有利于降低設(shè)備投資成本，降低設(shè)備運(yùn)行成本和維護(hù)維修費(fèi)用，并且提高設(shè)備的可靠性。該套抽真空系統(tǒng)具有廣闊的推廣前景。