抽真空系统在MBR污水处理工艺中的应用

刘海山，王小燕

（1.青岛双元水务有限公司，山东青岛 266109；2.青岛海湾中水有限公司，山东青岛 266001）

0 引言

MBR（Membrane Bio-Reactor，膜生物反应器）污水处理工艺是一种高效的污水处理工艺，以其出水水质稳定良好、占地面积小等优势在污水处理行业中不断得到推广和应用。MBR工艺的中空纤维膜孔径仅有0.3 μm，产水过程中会产生堵塞，需要停运产水泵，执行膜清洗流程。清洗时，膜丝内部有空气聚集，会造成产水泵再次开启时发生气蚀和叶轮干转。为解决这一问题，产水泵进水管道内需加入抽真空系统。青岛某污水厂在MBR 工艺的建设过程中，实施了以真空发生器为核心单元的抽真空系统，实现产水泵启停时的恒流量运行，取得了很好效果。

1 工程概况

青岛某污水处理厂改扩建工程中，工程规模为新建15 万吨/日的MBR 工艺。该厂将MBR 系统分为两部分，即10 万吨膜池和5 万吨膜池，其中10 万吨膜池含有16 个产水膜组，5 万吨膜池含有8 个产水膜组；10 万吨膜池系统用一套抽真空装置，5万吨膜池系统用一套抽真空装置。

2 抽真空系统设计

2.1 系统设计及运行原理

抽真空系统中含有5 组真空发生装置、1 台真空罐、16 套抽真空电磁阀和16 套音叉液位计，每组真空发生装置上含有1 套真空发生器、1 个电磁阀、1 个脚座阀和1 个减压阀，压力罐上配有1 个压力表、1 个液位计、1 台进气阀、1 台出水阀和1 台抽真空总阀（图1）。

图1 抽真空系统

真空发生器的工作原理是压缩空气通过真空发生器的喷嘴时，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动；在卷吸作用下，使喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，在喷管出口四周的空腔内产生负压，形成一定的真空度；与此负压腔联通的真空吸入口内的空气，源源不断地进入喷管周边的负压腔，经过持续的压缩空气流动，使与真空发生器相通的真空罐产生负压（图2）。

图2 抽真空原理

由流体力学可知，不可压缩空气的气体流动性方程为（默认气体为不可压缩）：A1V1=A2V2。其中，A1、A2为截面积，V1、V2为气体流速。可知截面积越大气体速度越低，截面积越小气体速度越高。

由伯努利方程可知，空气流速增大，压力降低。所以当V2增大到一定程度后，P2将会小于1 个大气压，即产生负压。所以，可以通过增加流速来获得负压。

一定流速的压缩空气经过减压阀进入真空发生器，真空发生器进行抽真空，真空罐内的空气通过真空发生器被抽走，真空罐产生负压。当抽真空电磁阀开启时，通过管道与真空罐相连的产水管道顶部的空气流向负压的真空罐，产水管道产生真空。膜池内的中空纤维膜内的水，在膜池水上方空气的压力下流向产水管道，填补真空。产水管道内充满水后，产水泵开启运行，进行产水。产水泵运行一定时间（7～8 min）后停止运行，膜池内的中空纤维膜执行膜池运行的清洗过程（约1 min）。循环往复，产水泵间歇循环运行。

2.2 抽真空系统运行方式设计

抽真空系统运行过程共有三个独立的运行部分，分别是真空发生器的运行、压力罐排水过程和产水管道抽真空过程。

（1）真空发生器的运行。当真空罐中的压力高于设定值时，打开真空发生器和减压阀之间的电磁阀，使压缩空气经过减压阀减压后进入真空发生器，此时真空发生器工作产生的负压使真空罐中的压力逐渐降低，当压力值低于设定至时真空发生器停止工作。

（2）压力罐的排水过程。压力罐通过液位计检测压力罐内的水位，当水位高于设定值时，压力罐的进气阀与排水阀同时打开，将压力罐中的水排净。在排水过程中整个抽真空系统不运行，总阀保证关闭状态，以使产水管道中保持负压。

（3）产水管道抽真空过程。每组膜池运行中，根据设定管道压力表的压力值、音叉液位计的信号，触发压力管道的电磁阀动作，启动产水管道抽真空过程，当音叉液位计检测到管道液位达到管道顶端时停止抽真空。在同一时间内只能执行1 组膜池的抽真空动作。

3 抽真空系统的程序设计

抽真空系统的正常工作都是通过PLC 进行控制完成的，系统程序按功能分为产生负压程序、产水管抽真空程序和真空罐排水程序。

3.1 产生负压程序设计

产生负压程序主要根据真空罐的负压表读数进行启动或停止，当真空罐的压力值大于设定值时启动抽真空，当压力罐的压力小于设定值时停止抽真空。此子程序主要是让真空罐始终保持一定的真空度，可让后续的产水管抽真空程序随时进行。由于在抽真空的过程中会消耗大量的压缩空气，所以在压缩空气的压力小于设定值时禁止抽真空，同时产生压缩空气压力低的报警信号。

3.2 产水管抽真空程序设计

在程序设计之初，用于产水管抽真空的电磁阀启动与停止，是由产水管道的高、低音叉液位计信号进行控制的：低音叉有液位信号，且高音叉无液位信号时，开启电磁阀，产水管道开始抽真空；高低音叉都有液位信号时，关闭电磁阀，产水管道停止抽真空。但在运行过程中出现了管道频繁抽真空的现象，即管道内已经有水没有空气，电磁阀仍频繁开停。分析原因是在产水泵正常运行时，在管道顶部可能有泡沫或者旋涡，低音叉会检测不到液位而发生误报，造成电磁阀频繁启停，真空罐内会抽入很多水，影响整个系统的运行。经过多次调节高低音叉的安装位置，也无法完全避免这种现象的发生。

基于这种情况优化改进程序，只要有以下3 个条件之一，电磁阀就开启，只让高音叉液位计控制抽真空的停止：①在产水泵启动后一定时间内，管道流量未达到预设流量的60%时启动抽真空；②产水泵启动后，跨膜压差高于设定值就启动抽真空；③膜池在进行清洗后启动抽真空。启动后当管道液位到达高音叉液位计后，停止抽真空程序；若在设定时间内未达到高音叉液位，抽真空系统进行故障报警。

通过以上的程序改进，解决了产水管电磁阀频繁开启的问题。经过统计，膜池产水管抽真空电磁阀由曾经的每20 min 启动1 次降低到平均1.5 d 启动1 次，MBR 膜池出水系统稳定达标运行。

3.3 真空罐排水程序设计

排水程序与产生负压程序类似，即通过真空罐液位计触发排水程序的启动：当液位高于设定值后启动排水程序，当液位低于设定值后停止排水程序。在排水过程中，抽真空系统停止负压程序与抽真空程序。

4 抽真空系统的不足与改进

在实际运行过程中发现，高音叉液位计也会出现故障，其故障后产水管抽真空无法停止，使得大量的水进入真空罐。解决这个问题，可以通过监测真空罐的液位上升速度来判定产水管内液位是否已到高音叉液位计，从而控制电磁阀的关闭。这有待于在今后的实际生产运行中，通过观察和思考继续进行完善。

系统中产水管抽真空的控制阀采用的是电磁阀，电磁阀没有阀门的开关指示，无法直观观察电磁阀是否真正执行了开停指令。今后考虑将电磁阀改成启动蝶阀，可以通过阀门的开、关信号得知抽真空设备动作与否。

5 结束语

抽真空系统是MBR 工艺中相对重要的环节，该厂采用的以真空发生器为核心设备的抽真空系统起到了至关重要的作用。该系统通过正压气源产生真空，极大简化了真空回路，有利于降低设备投资成本，降低设备运行成本和维护维修费用，并且提高设备的可靠性。该套抽真空系统具有广阔的推广前景。