一種MBR膜污染控制方法研究

成靜，羅敏，朱朝范

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,湖北 十堰442002）

膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor，MBR）在 處理污水過程中不可避免的會(huì)受到污水中各種有機(jī)物和無機(jī)物污染，被污染的膜處理污水能力會(huì)隨著污染的加重先達(dá)到臨界點(diǎn)，當(dāng)膜污染超過該臨界點(diǎn)后膜處理污水的能力會(huì)快速下降。為解決該問題，在實(shí)際生產(chǎn)中通常通過物理清洗和化學(xué)清洗來恢復(fù)其污水處理能力，使膜污染盡可能在臨界點(diǎn)之下。在現(xiàn)有MBR處理工藝中通過判斷某個(gè)膜堆的透水率是否達(dá)到設(shè)定值來執(zhí)行清洗動(dòng)作，或者間隔一段固定時(shí)間執(zhí)行清洗動(dòng)作，清洗間隔時(shí)間和清洗強(qiáng)度（加藥濃度、清洗時(shí)間）均由人工給定，雖然該方法在大多數(shù)情況下也能很好控制膜污染程度，保證污水處理的質(zhì)量，但無法針對不斷變化的污水水質(zhì)靈活做出自動(dòng)調(diào)整，普遍存在加藥相對過量或不足，加藥過多或加藥不足都不滿足污水處理廠低處理成本高出水質(zhì)量的要求。加藥過多不僅導(dǎo)致清洗藥劑浪費(fèi)，后期更需要其他藥劑來中和過多清洗藥劑，增加污水處理成本；加藥過少膜污染無法恢復(fù)到正常水平，MBR 污水處理能力下降或處理后污水不達(dá)標(biāo)，造成單位時(shí)間有效污水處理量出現(xiàn)劇烈波動(dòng)或因膜污染過度導(dǎo)致污水處理系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)，致使生產(chǎn)過程頻繁中斷，需要專業(yè)工程師對故障原因進(jìn)行分析并判斷能否恢復(fù)生產(chǎn)。

與傳統(tǒng)污水處理工藝相比較，MBR 因其本身存在眾多優(yōu)勢而得到越來越廣泛的應(yīng)用［1］，但由于工業(yè)水體中繁雜污染物形成的復(fù)雜膜污染嚴(yán)重制約了MBR 在污水處理中的應(yīng)用［2］，如何合理控制膜污染是目前采用MBR 工藝污水廠面臨最大難題。印霞棐等［3］人使用電場控制膜污染，該方法缺點(diǎn)是增加額外電能損耗；余良正等［4］人使用活性炭控制膜污染，該方法缺點(diǎn)是需要消耗額外活性炭，以上2 種方法都不同程度上增加了污水廠運(yùn)行成本，吳姍蔚等［5］人通過優(yōu)化曝氣過程有效控制了膜污染，該方法只考慮在物理清洗階段更好控制膜污染，并沒有優(yōu)化在控制膜污染方面更為關(guān)鍵的化學(xué)清洗過程。目前采用MBR工藝的污水處理廠中許多采用PLC 進(jìn)行自動(dòng)控制［6-7］，文中從自動(dòng)控制的角度出發(fā)，在不改變污水廠原工藝設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了利用選擇控制和預(yù)測控制相結(jié)合更好控制膜污染的方法。

1 MBR污水處理工藝

圖1 污水處理流程

污水處理工藝流程如圖1所示，污水經(jīng)過調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)后先通過格柵、沉淀池進(jìn)行預(yù)處理除去較大顆粒物，然后在厭氧池、好氧池的微生物硝化作用和反硝化作用下除去氨氮，同時(shí)MBR 膜片將污水中活性污泥分離出來后回流到好氧池，多余活性污泥直接從膜池排出，最后污水經(jīng)過消毒后外輸。

MBR 采用真空纖維膜，在過濾污水中必然會(huì)受到污染，膜通量會(huì)隨污染加深不斷減少，因此必須對膜片進(jìn)行清洗恢復(fù)膜通量，常用清洗方法包括物理清洗和化學(xué)清洗，化學(xué)清洗又根據(jù)清洗目的劃分為維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗。如圖2所示，膜生物反應(yīng)器運(yùn)行過程中，需要對膜進(jìn)行物理清洗（physical cleaning，PC）、維護(hù)性清洗（maintenance cleaning，MC）及恢復(fù)性清洗（restorative cleaning,RC），3 種膜污染清洗方法對膜性能的恢復(fù)起決定性作用。通常多個(gè)PC 周期后進(jìn)行1 次MC，多個(gè)MC 周期后進(jìn)行1 次RC。盡管進(jìn)行清洗可以有效減少膜污染，但無論是哪種清洗方法清洗效率都達(dá)不到100%，膜污染會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間增加而增加，將各個(gè)周期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，特別是對用于表征膜通量指標(biāo)的透水率q和跨膜壓差（transmembrane pressure，TMP）作回歸分析，可以得到TMP及q的變化趨勢，根據(jù)該趨勢可以預(yù)測膜污染進(jìn)程。

圖2 膜污染控制示意圖

2 MBR膜污染控制方法

新膜污染控制方法如圖3 所示，該方法通過PLC自動(dòng)計(jì)算q和TMP，根據(jù)其變化趨勢自動(dòng)選擇清洗模式。

建立膜污染數(shù)學(xué)模型，具體的方法如下：

1）對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、濾波

原始數(shù)據(jù)：A=［x0,x1,...,xn］，XH為數(shù)據(jù)合理上限，XL為數(shù)據(jù)合理下限，刪減不在范圍內(nèi)數(shù)據(jù)；利用移動(dòng)平均濾波器對數(shù)據(jù)A 進(jìn)行處理使數(shù)據(jù)銜接更加平滑,得到與A 等長的數(shù)據(jù)B。移動(dòng)平均濾波器的默認(rèn)窗寬為5，B中元素的計(jì)算方法如式（1）所示：

圖3 新膜污染控制方法

式中：J 為膜通量；Q 為產(chǎn)水流量；S為膜面積；P2為跨膜壓差；H2為膜池中污水的液位；H0為膜組高度；ρ 為污水密度；g 為重力加速度；H1為壓力計(jì)高度；P0為膜堆不產(chǎn)水（靜置）時(shí)壓力表讀數(shù)；P0為膜堆產(chǎn)水時(shí)壓力表讀數(shù)。

3）數(shù)據(jù)擬合

某單位在福州污水處理廠中獲取部分?jǐn)?shù)據(jù)，針對1 個(gè)MC 周期內(nèi)（包含多個(gè)PC 周期）TMP 和q，采用線性回歸進(jìn)行擬合分析。此時(shí)膜生物反應(yīng)器污泥濃度約為8 000 mg·L，結(jié)果見圖4：該MC 周期內(nèi)，起始跨膜壓差TMP0為26.728 kPa，其變化率為0.3453 kPa·h-1；起始透水率q0為64.018 LMH·kPa-1，其變化率為-0.660 LMH·kPa-1·h-1。

圖4 線性回歸擬合分析結(jié)果

4）趨勢推測

q和TMP的計(jì)算方法為

式中：an為q擬合曲線多項(xiàng)式系數(shù)；bn為TMP擬合曲線多項(xiàng)式系數(shù)；T 為清洗周期；qset為q 下限；TMPset為TMP上限。根據(jù)式（4）～（5）計(jì)算下一次進(jìn)行PC/MC/RC 時(shí)間，如果預(yù)測距離下次清洗時(shí)間較長說明膜污染速度較慢，執(zhí)行經(jīng)濟(jì)型清洗方案，如果預(yù)測距離下次清洗時(shí)間很短說明膜污染增加速度很快，執(zhí)行加強(qiáng)型清洗方案。

新膜污染控制方法可以根據(jù)設(shè)定的檢測、控制周期對膜污染進(jìn)行周期性檢測和循環(huán)預(yù)測控制，減少人工參與，節(jié)省人力成本，減少藥劑浪費(fèi)，提高污水處理經(jīng)濟(jì)性，滿足污水廠低成本高穩(wěn)定性運(yùn)行需求，甚至可以根據(jù)不同膜堆膜片性能上的差異滿足不同膜堆差異化清洗需求。

3 膜污染控制硬軟件設(shè)計(jì)

圖5 膜污染控制硬件圖

圖5 為膜污染控制的硬件結(jié)構(gòu)圖。裝有PCS7、Matlab2018a 及SQL Server2016 數(shù)據(jù)庫的工程師站，交換機(jī)與控制MBR 的西門子400 通過工業(yè)以太網(wǎng)相連。DP 子站通過Modbus 通訊協(xié)議采集來自電磁流量計(jì)、氣體流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器及污泥濃度計(jì)等信號(hào)，通過輸出模塊控制各個(gè)設(shè)備單元，可實(shí)現(xiàn)各相應(yīng)管路電磁閥開關(guān)、產(chǎn)水設(shè)備單元的產(chǎn)水泵產(chǎn)水、抽真空單元的真空泵除去產(chǎn)水管路里的氣體、曝氣單元里的風(fēng)機(jī)曝氣、清洗單元里的加藥泵和反洗泵進(jìn)行膜清洗等必要?jiǎng)幼鳌?/p>

圖6顯示了膜污染的控制流程：1）通過工控電腦設(shè)定膜污染控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。2）膜污染控制系統(tǒng)按設(shè)定參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)行污水處理，執(zhí)行包括進(jìn)水、曝氣、抽真空、開啟產(chǎn)水泵等一系列動(dòng)作。3）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如產(chǎn)水流量、產(chǎn)水壓力、污水溫度、污泥濃度等，通過PLC 經(jīng)交換機(jī)傳輸?shù)焦こ處熣倦娔X，歸檔到數(shù)據(jù)庫。4）Matlab調(diào)用數(shù)據(jù)庫中采集到的膜污染控制系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波、計(jì)算、擬合、推測、仿真。仿真結(jié)果可以反映在不同溫度、污泥濃度下每個(gè)PC 和MC 能恢復(fù)的TMP0以及該P(yáng)C和MC周期內(nèi)TMP變化率。相應(yīng)的，也可以算出每個(gè)PC 和MC 周期q0和q 的變化率。5）通過將多個(gè)PC周期的TMP0和q0進(jìn)行線性回歸擬合，可以預(yù)測大概多長時(shí)間需要進(jìn)行MC。通過將多個(gè)MC周期的q0進(jìn)行線性回歸擬合，也可以預(yù)測需要進(jìn)行RC的時(shí)間。6）將仿真得到的優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中，采集系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和Matlab仿真結(jié)果做對比。如果差異符合預(yù)期，則用Matlab將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PLC功能模塊，在原程序中調(diào)用這些PLC功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)智能控制膜污染，如在PC 過程中增加曝氣或改變抽吸靜置時(shí)間比、以不同間隔頻率采取MC 甚至加強(qiáng)MC。7）必要時(shí)，根據(jù)清洗后再次運(yùn)行的數(shù)據(jù)，重復(fù)上述的各個(gè)步驟，再次使用Matlab計(jì)算、擬合、預(yù)測、仿真，重新生成更精確的PLC 功能模塊，優(yōu)化各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，通過數(shù)學(xué)模型和PLC功能塊迭代達(dá)到更優(yōu)控制膜污染目的。

圖6 膜污染控制流程圖

4 結(jié)果分析

圖7是針對1個(gè)RC周期內(nèi)，把各個(gè)MC周期內(nèi)的TMP0和q0再次回歸，從而預(yù)測下一次RC時(shí)間的結(jié)果（假定RC 觸發(fā)條件是q 低于50 LMH·kPa-1）。有別于傳統(tǒng)膜污染控制方法規(guī)定，每隔20 d做1次RC（此時(shí)q 小于50 LMH·kPa-1），實(shí)際趨勢顯示，大概32 d以后，才需要再次做RC，避免每20 d進(jìn)行一次RC造成的藥劑浪費(fèi)。

圖7 RC時(shí)間預(yù)測曲線

表1 不同污泥濃度下膜污染變化

圖8 RC周期內(nèi)膜片產(chǎn)水流量和產(chǎn)水壓力

MBR膜片在1個(gè)完整RC周期內(nèi)使用新膜污染控制方法后產(chǎn)水流量和產(chǎn)水壓力變化情況如圖8所示，在上次進(jìn)行RC 清洗后膜片恢復(fù)較高產(chǎn)水流量，接著在每天執(zhí)行1 次MC 常規(guī)清洗情況下膜通量隨運(yùn)行時(shí)間緩慢下降，到第32 d后膜污染增加速度突然加快，在第38 d控制系統(tǒng)根據(jù)膜污染趨勢自動(dòng)進(jìn)行1 次加強(qiáng)MC，系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)；從第65 d開始膜污染快速增加，在第68 d控制系統(tǒng)執(zhí)行加強(qiáng)MC后膜污染并沒有恢復(fù)正常，控制系統(tǒng)在接下來25 d內(nèi)執(zhí)行3次加強(qiáng)型MC后膜污染仍然沒有恢復(fù)正常，說明通過MC清洗不能維持系統(tǒng)正常運(yùn)行，控制系統(tǒng)下達(dá)停機(jī)保護(hù)命令。使用新膜污染控制方法時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)判斷膜污染增加速度（污水劣化速度）是否在系統(tǒng)解決能力范圍內(nèi)，當(dāng)膜污水處理能力不足以解決遇到的問題時(shí)執(zhí)行報(bào)警停機(jī)保護(hù)，具有自動(dòng)分析問題能力，同時(shí)在停機(jī)前為工作人員留有較多到場時(shí)間（25 d），在接下來停機(jī)保護(hù)24 d里，通過反復(fù)測試確認(rèn)造成膜污染快速增加原因是污水水質(zhì)太差而不是膜性能衰減，沒有必要馬上進(jìn)行RC，待水質(zhì)恢復(fù)后可以恢復(fù)生產(chǎn)；在RC 周期內(nèi)最后一次執(zhí)行MC 原因在事后確認(rèn)為壓力傳感器偶發(fā)性故障，說明新膜污染控制方法可以有效避免因?yàn)閭鞲衅髋及l(fā)性故障照成的系統(tǒng)停機(jī)；如果使用傳統(tǒng)膜污染控制方法會(huì)在第39 d、69 d、166 d 執(zhí)行報(bào)警停機(jī)保護(hù)，接著必須由人工評(píng)估膜污染狀態(tài)并判斷系統(tǒng)是否可以恢復(fù)生產(chǎn)，使用新膜污染控制方法可以節(jié)省人力成本，減少停機(jī)次數(shù)，提高污水廠產(chǎn)水在線率。

因?yàn)樵谛履の廴究刂品椒ㄖ袩o需因停機(jī)次數(shù)增加而增強(qiáng)每次MC 強(qiáng)度，甚至根據(jù)第140～180 d間優(yōu)良透水率和整個(gè)RC 周期較少停機(jī)次數(shù)可以考慮減少RC 清洗藥劑濃度和下一個(gè)RC 周期內(nèi)普通MC 清洗藥劑濃度或增加經(jīng)濟(jì)型MC 清洗方案，最終形成節(jié)省清洗藥劑的良性循環(huán)。

更進(jìn)一步，如果有多種不同型號(hào)的膜片或因運(yùn)行工況導(dǎo)致不同性能的同一種型號(hào)膜片在同一套污水處理系統(tǒng)中，由于膜本身性能衰變，其TMP和q 會(huì)運(yùn)行在不同區(qū)間，從而導(dǎo)致相同TMP 和q 對應(yīng)的膜污染程度也不相同。文中提出的膜污染自動(dòng)控制方法能夠根據(jù)此類差異在PLC 中編寫差異化膜污染控制程序，從而在實(shí)際運(yùn)行中，對不同的膜堆采用不同的膜污染清洗方案，有針對性的實(shí)現(xiàn)對不同程度膜污染MBR 差異化控制。表2 為2 種不同性質(zhì)的膜片在同水質(zhì)同流量過濾時(shí)的膜污染情況，其TMP和q的變化率都有很大的差異。新膜污染控制方法允許控制系統(tǒng)針對現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的差異，作出更合理選擇，實(shí)現(xiàn)每個(gè)膜堆選擇執(zhí)行不同清洗方案的功能，避免傳統(tǒng)膜污染控制方法相同清洗方案所導(dǎo)致加藥相對過量或加藥相對不足。

表2 不同膜片膜污染速度對比

5 結(jié)論

通過計(jì)算和擬合某一階段膜透水率或跨膜壓差，使用預(yù)測控制理論根據(jù)膜污染增加速度預(yù)測達(dá)到設(shè)定膜污染程度所需時(shí)間，在膜污染增加較慢時(shí)間段采用普通清洗方案減少清洗藥劑和設(shè)備能耗，在膜污染急速增加階段提前采用加強(qiáng)清洗方法，防止膜堆故障停機(jī)。使用透水率或跨膜壓差增量代替原膜堆透水率或跨膜壓差瞬時(shí)值作為是否需要進(jìn)行清洗的判斷條件，不受上次清洗效率和人工設(shè)定清洗條件不合理的影響，減少人工分析膜污染變化趨勢次數(shù)，因此可以節(jié)約人工成本，減少系統(tǒng)偶發(fā)性故障和污水廠來水水質(zhì)短時(shí)間波動(dòng)造成報(bào)警停機(jī)次數(shù)，保證污水處理系統(tǒng)穩(wěn)定性。