MBR中曝氣控制策略優(yōu)化及工程應(yīng)用

張明 盛浩 徐辰 趙怡陽

摘要：本研究以典型高濃度有機(jī)廢水（焚燒廠滲濾液實(shí)際工程）為例，對(duì)MBR系統(tǒng)曝氣策略進(jìn)行優(yōu)化。在傳統(tǒng)曝氣控制基礎(chǔ)上引入溶解性蛋白質(zhì)作為控制參數(shù)，在150 m3/d滲濾液處理中，試驗(yàn)組產(chǎn)水通量在系統(tǒng)運(yùn)行30 d后平均高于對(duì)照組8.5 L/m2?h，提高效率約12%。單位處理電耗降低8.8%。

關(guān)鍵詞：MBR;曝氣量;溶解性蛋白質(zhì);控制策略

污水處理領(lǐng)域中，MBR（膜生物反應(yīng)器）是一種活性污泥法（生化處理單元）與膜分離技術(shù)（膜處理單元）相結(jié)合的組合工藝，生化處理單元的污染物降解率和膜處理單元的產(chǎn)水通量是衡量MBR工藝處理效果的關(guān)鍵指標(biāo)。好氧生物（活性污泥）通過曝氣獲得生化反應(yīng)需氧量，同時(shí)對(duì)反應(yīng)池中各反應(yīng)物進(jìn)行攪拌混合，提高傳質(zhì)效率和反應(yīng)速度。曝氣量過少，生化好氧段微生物活動(dòng)受到限制，影響出水有機(jī)物和氨氮的降解;過多則能耗加劇，還會(huì)造成菌膠團(tuán)解絮，影響后續(xù)膜處理過濾效率，進(jìn)而降低膜產(chǎn)水通量。

由于實(shí)際污水處理中進(jìn)水水質(zhì)和運(yùn)行工況的差異，運(yùn)行成本和技術(shù)的限制，現(xiàn)有《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》所述曝氣量計(jì)算公式中的許多參數(shù)無法完全通過傳感器實(shí)時(shí)測得。工程應(yīng)用中的理論曝氣量需在各種參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值基礎(chǔ)上進(jìn)行估算，一般僅可作為曝氣量控制的參考基線。以事先設(shè)定的生化反應(yīng)池混合液剩余溶解氧作為控制目標(biāo)，滿足好氧條件（2-4 mg/L），這與實(shí)際所需曝氣量存在較大差異。而且，出水中的剩余含氧量控制僅能滿足微生物系統(tǒng)的需氧量，確保污染物去除率，而無法保證活性污泥的過濾性能。因此，本研究在傳統(tǒng)曝氣量控制方式的基礎(chǔ)上，對(duì)曝氣影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高活性污泥的過濾性能。

1 曝氣量理論調(diào)控方式

研究發(fā)現(xiàn)，活性污泥中微生物產(chǎn)生的胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）是造成超濾膜有機(jī)污染的主要物質(zhì)，而EPS和SMP中的溶解性蛋白質(zhì)是最主要的污染成分，直接影響活性污泥的過濾性能。溶解性蛋白質(zhì)含量在一定的曝氣范圍內(nèi)與曝氣量呈負(fù)相關(guān)，曝氣量過少時(shí)，微生物處于缺氧狀態(tài)，細(xì)胞大量析出溶解性蛋白質(zhì);曝氣量過大，營養(yǎng)物不足以滿足微生物生長需要，微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，大量細(xì)胞解體，也會(huì)造成溶解性蛋白質(zhì)含量增加。所以，在滿足微生物基本需氧量的前提下，根據(jù)溶解性蛋白質(zhì)含量的變化趨勢(shì)，對(duì)出水溶解氧進(jìn)行控制，使其保持在合理范圍，對(duì)提高M(jìn)BR的整體效率具有重要意義。

本研究中采用一種新的曝氣量調(diào)控思路，同時(shí)測定生化處理出水的實(shí)際溶解氧含量（CX）和溶解性蛋白質(zhì)含量（CP），通過溶解性蛋白質(zhì)含量變化率（L）計(jì)算溶解氧微調(diào)值（ΔC），并將溶解氧的初始控制值（C0）和溶解氧微調(diào)值（ΔC）的總和設(shè)為溶解氧控制值（C1），進(jìn)而調(diào)控MBR裝置的曝氣量（G），并進(jìn)行連續(xù)化的曝氣量調(diào)控，具體調(diào)控過程的數(shù)學(xué)描述為：

2 調(diào)控方式實(shí)際應(yīng)用和效果

本研究在江蘇某300 m3/d規(guī)模的垃圾焚燒廠滲濾液處理項(xiàng)目中將上述調(diào)控方式與傳統(tǒng)方式進(jìn)行了比較。該項(xiàng)目分為兩條處理線，每條線處理規(guī)模150 m3/d，分別采用傳統(tǒng)控制和上述新調(diào)控方式。厭氧進(jìn)水COD約為10000 mg/L，氨氮約為1800 mg/L，生化池（兩級(jí)A/O）內(nèi)停留時(shí)間為8 d，第一級(jí)O池采用最大量曝氣（風(fēng)機(jī)1臺(tái)，參數(shù)為：Q=24.80 m3/min，H=7 m，N=45 kW，此處指單條處理線配置，下同），試驗(yàn)組和對(duì)照組在第二級(jí)O池處分別采用了溶解性蛋白質(zhì)含量調(diào)控方式和DO固定值調(diào)節(jié)（變頻控制風(fēng)機(jī)1臺(tái)，參數(shù)為：Q=5.70 m3/min，H=6 m，N=11 kW）。超濾（UF）處理中，采用8寸管式超濾膜，單支膜組件過濾面積27 m2，共4支，最低產(chǎn)水通量為65 L/m2?h。

溶解氧控制值的獲得方法是：每天人工檢測兩次處理液II的溶解性蛋白質(zhì)含量（圖 1（左）所示），檢測一次處理液II的微生物量MLVSS值，計(jì)算日平均溶解性蛋白質(zhì)含量 ，自處理開始5日起計(jì)算處理液II的五日平均溶解性蛋白質(zhì)含量;以處理液III的產(chǎn)水流量計(jì)記錄產(chǎn)水量，觀察產(chǎn)水通量變化趨勢(shì)（如圖 1（右）所示）。

曝氣量調(diào)控過程中處理組和對(duì)照組的MBR系統(tǒng)的出水水質(zhì)沒有明顯區(qū)別，均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。但圖 1（左）可以看出，以出水溶解性蛋白質(zhì)含量變化率作為曝氣優(yōu)化調(diào)節(jié)的指標(biāo)，可以有效控制溶解性蛋白質(zhì)濃度的變化范圍在70-170 mg/L之間，明顯好于對(duì)照組，進(jìn)而減少了溶解性蛋白質(zhì)對(duì)后續(xù)UF膜的有機(jī)污染。圖 1（右）中試驗(yàn)組產(chǎn)水通量在系統(tǒng)運(yùn)行30 d后平均高于對(duì)照組8.5 L/m2?h，提高效率約12%，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加兩者差距繼續(xù)加大。同時(shí)，由于曝氣量按需供給，曝氣能耗也有所降低，結(jié)合UF系統(tǒng)因產(chǎn)水效率提高可減少的開機(jī)時(shí)間，試驗(yàn)組總能耗要顯著低于對(duì)照組。根據(jù)60 d試驗(yàn)?zāi)芎臄?shù)據(jù)（僅考察生化+UF系統(tǒng)電耗），兩組處理線分別處理了約6500 m3滲濾液，其中試驗(yàn)組耗電量為105758 kWh，單位電耗16.27 kWh/m3滲濾液，對(duì)照組耗電量為125790 kWh，單位電耗19.35 kWh/m3滲濾液，試驗(yàn)組單位電耗比對(duì)照組節(jié)約3.08 kWh/m3滲濾液。按照常規(guī)系統(tǒng)單位電耗35 kWh/m3滲濾液計(jì)算，采用新的MBR曝氣量調(diào)控方法后，至少可節(jié)約能耗約8.8%。

3 結(jié)論與建議

在高濃度有機(jī)污水處理中，納濾、超濾和反滲透膜的應(yīng)用越來越廣泛。膜有機(jī)污染是造成產(chǎn)水通量降低的主要原因，且會(huì)大大降低膜使用周期，增加洗膜頻率，增加運(yùn)行費(fèi)用。本研究在理論調(diào)控方式優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行了工程實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過在傳統(tǒng)曝氣控制策略中引入溶解性蛋白質(zhì)控制參數(shù)，可以有效降低膜有機(jī)污染，提高產(chǎn)水通量12%，從而降低能耗約8.8%。且調(diào)控方法簡單易行，適于推廣，對(duì)市場應(yīng)用具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 左薇;吳晴;王浩宇;陳琳;利用數(shù)學(xué)模擬方法分析硝化MBR系統(tǒng)中SMP轉(zhuǎn)換過程【D】《環(huán)境工程學(xué)報(bào)》2014-04-05