城鎮(zhèn)污水處理廠MBR膜系統(tǒng)工藝自動(dòng)化控制的改進(jìn)措施

王文浩 WANG Wen-hao；甘璐 GAN Lu；劉濤 LIU Tao

（成都市排水有限責(zé)任公司，成都 610000）

0 引言

當(dāng)前，污水廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，城鎮(zhèn)許多存量污水廠需要進(jìn)行提標(biāo)改造。膜生物反應(yīng)器（MBR）是一種由膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)，能夠有效提高污水深度處理后的水質(zhì)，與傳統(tǒng)A2O工藝相比，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、產(chǎn)泥率低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，因此膜生物反應(yīng)器（MBR）成為城鎮(zhèn)許多存量污水廠提標(biāo)改造的普遍選擇。成都市某污水處理廠提標(biāo)改造后工藝模式為A2O+MBR，但MBR膜系統(tǒng)經(jīng)過長期使用后，存在吹掃效果不好、清洗效果不佳等問題，這將直接導(dǎo)致膜絲出現(xiàn)不可逆污堵現(xiàn)象、跨膜壓差增大，加劇膜絲性能衰減[2]，同時(shí)，該污水處理廠還使用一種MBR中空纖維膜恢復(fù)性清洗方法[1]，目前主要由人工手動(dòng)操作，但由于MBR膜系統(tǒng)涉及設(shè)備多、工序較為繁雜，人工操作量大、效率低，并且恢復(fù)性清洗后的廢水藥劑混合液直接進(jìn)入回流系統(tǒng)進(jìn)行稀釋，對生化池菌群產(chǎn)生不可逆的影響。因此，如何改善MBR膜系統(tǒng)吹掃效果，實(shí)現(xiàn)MBR膜系統(tǒng)自動(dòng)化恢復(fù)性清洗控制、改進(jìn)清洗后的廢水藥劑混合液排空處理方式，進(jìn)而保證MBR膜系統(tǒng)高效穩(wěn)定產(chǎn)水具有重要意義。

1 MBR膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概況

膜池區(qū)含有4座膜系統(tǒng)，單座膜系統(tǒng)由6個(gè)膜處理單元組成，采用并聯(lián)方式運(yùn)行。每個(gè)膜處理單元設(shè)備主要有產(chǎn)水泵、反洗泵、真空泵組、補(bǔ)水泵、加藥系統(tǒng)、吹掃風(fēng)機(jī)、排空泵以及配套使用的閥門、儀表等，其中加藥系統(tǒng)、吹掃風(fēng)機(jī)、排空泵、補(bǔ)水泵為膜處理單元共用設(shè)備，如圖1所示。各設(shè)備之間進(jìn)行搭配實(shí)現(xiàn)MBR膜系統(tǒng)的產(chǎn)水、抽真空、維護(hù)性清洗、恢復(fù)性清洗等操作。

圖1 MBR膜系統(tǒng)工藝流程圖

①抽真空模式。系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)或在產(chǎn)水過程中，當(dāng)產(chǎn)水管壓力小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入抽真空環(huán)節(jié)。停止產(chǎn)水泵，關(guān)閉產(chǎn)水閥，打開真空閥，啟動(dòng)真空泵組，當(dāng)抽真空時(shí)間大于設(shè)定值后，關(guān)閉真空閥，停止真空泵組，系統(tǒng)完成抽真空模式準(zhǔn)備進(jìn)入產(chǎn)水模式。

②產(chǎn)水模式。打開進(jìn)出水閥門，打開產(chǎn)水閥其他閥門均關(guān)閉，啟動(dòng)產(chǎn)水泵，選擇恒流量運(yùn)行模式。產(chǎn)水系統(tǒng)首先按照設(shè)定產(chǎn)水時(shí)間進(jìn)行產(chǎn)水，然后按照設(shè)定休息時(shí)間進(jìn)行休息，依次往復(fù)運(yùn)行。當(dāng)產(chǎn)水管壓力小于設(shè)定值且產(chǎn)水量低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)切換至抽真空模式。當(dāng)反沖洗壓力設(shè)定值大于產(chǎn)水管壓力或在線反洗周期時(shí)間滿足，系統(tǒng)由產(chǎn)水模式切換為維護(hù)性化學(xué)清洗模式。

③維護(hù)性化學(xué)清洗。維護(hù)性化學(xué)清洗請求滿足后，需要進(jìn)行維護(hù)性化學(xué)清洗，以恢復(fù)膜組件的滲透能力[3]。停止產(chǎn)水泵，關(guān)閉產(chǎn)水閥，打開反洗閥，啟動(dòng)反洗泵，啟動(dòng)加藥泵，打開加藥閥，清水和藥劑由產(chǎn)水管以反沖洗方式進(jìn)行沖洗，藥劑投加時(shí)間滿足設(shè)定值后停止反沖洗和加藥，實(shí)現(xiàn)膜組件藥水混合液模式進(jìn)行浸泡，浸泡設(shè)定時(shí)間后，打開吹掃風(fēng)機(jī)和常曝閥，進(jìn)行反洗吹掃。按照需求次數(shù)依次進(jìn)行循環(huán)操作完成維護(hù)性化學(xué)清洗，系統(tǒng)由維護(hù)性化學(xué)清洗進(jìn)入產(chǎn)水模式。

④恢復(fù)性化學(xué)清洗。當(dāng)膜組件透水率小于100LMH/bar時(shí)（主要用于新膜），膜組件跨膜壓差小于-50kPa時(shí)（主要用于舊膜）或離線清洗時(shí)間滿足時(shí)，必須停止正常的產(chǎn)水流程，啟動(dòng)恢復(fù)性清洗[3]。按照一種MBR中控纖維膜恢復(fù)性清洗方法[1]中的操作流程進(jìn)行膜組件的恢復(fù)性清洗，由人工完成藥劑投加、清洗操作等工作，根據(jù)工藝要求確定清洗次數(shù)。如果需要酸堿先后清洗，則先按照上述流程先進(jìn)行一種清洗，然后再進(jìn)行另一種清洗，完成酸堿的先后清洗工作。

2 MBR膜系統(tǒng)中存在問題分析

成都市某污水廠在運(yùn)行MBR膜系統(tǒng)一段時(shí)間后，存在以下問題：

①M(fèi)BR膜系統(tǒng)吹掃曝氣效果不好。MBR膜系統(tǒng)產(chǎn)水過程中，維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗頻繁，有效運(yùn)行時(shí)間降低，跨膜壓差增漲速度過快，膜通量下降明顯，部分膜絲污堵嚴(yán)重，產(chǎn)水量急劇下降。分析其原因，除維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗外，MBR膜系統(tǒng)在產(chǎn)水過程中采用吹掃風(fēng)機(jī)對膜組底部曝氣來改變膜絲表面液體流態(tài)，進(jìn)而對膜絲進(jìn)行曝氣揉搓沖洗，實(shí)現(xiàn)高效除污效果，可以防止膜的表面污堵[4，5]。因此，膜絲曝氣吹掃效果也是影響MBR膜系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。一臺(tái)吹掃風(fēng)機(jī)為6個(gè)膜處理單元提高吹掃曝氣，每個(gè)膜處理單元的工作模式可能處于不同階段，無法通過改變風(fēng)機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)曝氣強(qiáng)度的變化，每個(gè)膜組吹掃以常曝閥常開進(jìn)行吹掃曝氣，吹掃風(fēng)量恒定，在膜絲出現(xiàn)污堵現(xiàn)象時(shí)，曝氣強(qiáng)度無法使堵塞物質(zhì)脫落，為了解決這一問題，該污水廠目前通過提高風(fēng)機(jī)頻率增加曝氣量和提升曝氣強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)增加風(fēng)機(jī)能耗，運(yùn)行一段時(shí)間后膜處理單元吹掃效果并不理想。

②MBR膜系統(tǒng)人工恢復(fù)性清洗效果不佳。MBR膜系統(tǒng)在長期運(yùn)行中，膜污染問題必然發(fā)生，必須進(jìn)行清洗，清除膜表面、膜孔內(nèi)的污物，恢復(fù)生物膜的通透性。目前該污水廠MBR膜系統(tǒng)恢復(fù)性清洗流程由人工按照一種MBR中控纖維膜恢復(fù)性清洗方法[1]中的操作流程進(jìn)行藥劑投加控制、浸泡時(shí)間控制、清洗次數(shù)控制等操作。由于清洗流程工序多，設(shè)備操作頻繁，人工操作存在操作不及時(shí)，操作過量等問題，影響MBR膜系統(tǒng)清洗效果，清洗效率低。

③MBR膜系統(tǒng)恢復(fù)性清洗后廢液處理方式對生化池菌群造成不利影響。人工操作完成恢復(fù)性清洗后，將膜組中的廢水藥劑混合液由排空泵排至污泥回流渠，由污泥回流渠回流至好氧區(qū)前端進(jìn)行藥液稀釋，這種操作對生化系統(tǒng)造成沖擊，破壞了生化池的菌群結(jié)構(gòu)，對生化池菌群產(chǎn)生不可逆的破壞影響。

3 改造方案

針對成都市某污水廠MBR膜系統(tǒng)使用過程中遇到的以上問題，進(jìn)行MBR膜系統(tǒng)吹掃曝氣改造和恢復(fù)性清洗自動(dòng)化改造。

①M(fèi)BR膜系統(tǒng)吹掃曝氣自動(dòng)化改造。在MBR膜系統(tǒng)吹掃風(fēng)管的常曝吹掃閥處增加疊加曝氣閥旁路，間歇性控制疊加曝氣閥開關(guān)，進(jìn)而調(diào)整膜組吹掃風(fēng)量，改變膜絲表面液體流態(tài)，提高曝氣沖洗效果，改善MBR膜組吹掃曝氣效果，并增加疊加曝氣閥的自動(dòng)控制。每個(gè)膜池由6個(gè)膜處理單元組成，常曝吹掃閥維持常開狀態(tài)，吹掃風(fēng)量應(yīng)滿足污泥濃度要求，根據(jù)疊加曝氣閥的間隔設(shè)定時(shí)間，進(jìn)行疊加曝氣閥輪詢開啟關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)疊加曝氣閥的自動(dòng)化控制。

②MBR膜系統(tǒng)恢復(fù)性清洗自動(dòng)控制改造。根據(jù)該污水廠使用的一種MBR中空纖維膜恢復(fù)性清洗方法[1]要求，在膜組池上增加藥劑投加點(diǎn)位改造，增加PH檢測儀表，并進(jìn)行PLC編程來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。具體操作步驟為：

1）恢復(fù)性清洗的準(zhǔn)備工作。停止需要進(jìn)行恢復(fù)性清洗的膜組，通過排空泵將該膜組內(nèi)污泥混合液排至污泥回流渠。人工進(jìn)行MBR中空纖維膜的濾餅層清洗，通過補(bǔ)水閥對該膜組池進(jìn)行補(bǔ)水。

2）恢復(fù)性清洗自動(dòng)程序。根據(jù)該污水廠使用的一種MBR中空纖維膜恢復(fù)性清洗方法[1]操作要求，保證恢復(fù)性反洗藥劑投加濃度小于多點(diǎn)位藥劑投加濃度。根據(jù)工藝運(yùn)行調(diào)試確定反沖洗、浸泡、曝氣的具體設(shè)定時(shí)間。

3）清洗加藥量計(jì)算方法。

根據(jù)膜組池的尺寸，和需要投加的藥劑濃度，以及儲(chǔ)藥罐尺寸計(jì)算出儲(chǔ)藥管的變化高度，具體參考下式：

式中：

V—膜組池補(bǔ)水體積=膜池長X膜池寬X膜組浸沒液位，m3；

N—藥劑投加濃度的目標(biāo)設(shè)定值，PPM；

μ—藥品含量（%）；

r—儲(chǔ)藥罐半徑，儲(chǔ)藥罐為圓柱形，m；

ρ—儲(chǔ)藥罐內(nèi)的藥品密度，mg/L。

提前設(shè)定藥劑投加濃度的目標(biāo)值N，恢復(fù)性清洗自動(dòng)程序開始運(yùn)行時(shí)，獲取當(dāng)前藥劑罐中的藥劑高度，通過上述公式求解投加藥劑的目標(biāo)高度，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)高度時(shí)，停止加藥泵并關(guān)閉加藥閥門，加藥動(dòng)作執(zhí)行完畢。

③MBR膜系統(tǒng)恢復(fù)性清洗后廢液處理流程改造。MBR膜系統(tǒng)恢復(fù)性清洗完成后的控制模式由原來的將廢水藥劑混合液排空至污泥回流渠，改變?yōu)榇蜷_進(jìn)水閥和補(bǔ)水閥、補(bǔ)水泵，并靜置1小時(shí)，將膜組池內(nèi)的廢水藥劑混合液匯入膜池內(nèi)的其他膜處理單元進(jìn)行稀釋，然后啟動(dòng)該膜處理單元的產(chǎn)水模式，將廢水藥劑混合液在稀釋的同時(shí)通過產(chǎn)水方式進(jìn)行產(chǎn)出至清水池稀釋，當(dāng)PH檢測結(jié)果滿足出水要求（即6～9），表示該膜組池稀釋完畢，打開出水閥進(jìn)入正常產(chǎn)水模式。程序控制流程如圖2所示。

圖2 恢復(fù)性清洗廢液處理流程圖

4 實(shí)施改造效果

MBR膜系統(tǒng)改造完成后進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，改造后的膜系統(tǒng)清洗頻次明顯減少，膜通量降低、膜絲污堵現(xiàn)象得到有效改善。通過恢復(fù)性清洗自動(dòng)化控制改造，提高了膜處理單元的清洗效率，恢復(fù)性清洗通過曝氣與反沖震動(dòng)交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱搭配的“水氣協(xié)同”清洗，能夠最大化利用物理與化學(xué)清洗能力，同時(shí)進(jìn)行恢復(fù)性清洗后廢液處理流程改造，降低化學(xué)試劑對生物菌群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。改造后的MBR膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 MBR膜系統(tǒng)實(shí)施改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

本次改造不僅成本低，可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，提升膜系統(tǒng)曝氣揉搓沖洗效果，改善產(chǎn)水時(shí)膜絲的工作性能和提高膜通量，通過對MBR膜系統(tǒng)恢復(fù)性清洗的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，也使膜系統(tǒng)恢復(fù)性清洗效果得到有效提升，同時(shí)極大地減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了污水廠的自動(dòng)化水平。使該污水廠的一種MBR中空纖維膜恢復(fù)性清洗方法在污水廠得到更好的推廣應(yīng)用，MBR膜系統(tǒng)的成功改造優(yōu)化案例為其他污水廠的MBR膜系統(tǒng)改造提供了有益參考和重要經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為污水廠推動(dòng)無人值守、少人值守打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。