膜生物反應(yīng)技術(shù)下的環(huán)境工程污水處理

陳 潔

（江西裕金咨詢服務(wù)有限公司，江西 萍鄉(xiāng)）

前言

膜生物反應(yīng)技術(shù)是一種較為常見的污水處理技術(shù)，在環(huán)境工程中有著較為廣泛的應(yīng)用。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，污水處理已經(jīng)成為環(huán)境工程中的重要內(nèi)容?；谕苿由鐣沙掷m(xù)發(fā)展和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)，應(yīng)在加強(qiáng)環(huán)境工程建設(shè)發(fā)展的過程中提高對于污水處理的重視，積極探討包括膜生物反應(yīng)技術(shù)在內(nèi)的各類先進(jìn)技術(shù)在污水處理中應(yīng)用的實際效果，以此來更好地提升環(huán)境工程質(zhì)量[1-2]。

1 膜生物反應(yīng)技術(shù)

1.1 膜生物反應(yīng)器工藝

膜生物反應(yīng)技術(shù)主要依賴于膜生物反應(yīng)器發(fā)揮作用，能夠在傳統(tǒng)活性污泥污水處理工藝的基礎(chǔ)上，應(yīng)用微濾膜過濾的方式來代替以往借助沉淀池對污水進(jìn)行沉淀分離的過程，將這種微濾膜與活性污泥技術(shù)以合理的方法結(jié)合起來。現(xiàn)階段應(yīng)用于污水處理的膜生物反應(yīng)器工藝分為一體式MBR 和分置式MBR兩種（見圖1）。

圖1 分置式MBR（a）和一體式MBR（b）結(jié)構(gòu)

在污水處理中應(yīng)用膜生物反應(yīng)器工藝，主要能夠基于微濾膜的作用來實現(xiàn)對于污水中各類懸浮顆粒物、污泥、大分子有機(jī)物、膠體的截留，提高出水水質(zhì)。整個處理過程所需的反應(yīng)器體積也比較小，能夠節(jié)約時間進(jìn)行污水處理的面積。而微生物本身的生長狀態(tài)也能夠發(fā)揮減少淤泥產(chǎn)量的目的，進(jìn)而有效節(jié)約用于污水處理的成本。

1.2 膜生物反應(yīng)器應(yīng)用范圍

基于膜生物反應(yīng)器的優(yōu)勢，其能夠被應(yīng)用到多種環(huán)境工程的建設(shè)發(fā)展當(dāng)中。在市政污水處理方面，主要應(yīng)用A2/O-MBR（厭氧/缺氧/好氧- 膜生物反應(yīng)器）工藝，在截留污水中大分子污染物的同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)生物脫氮除磷的目的；在工業(yè)廢水處理方面，主要依賴膜生物反應(yīng)器單元與配套的處理工藝組合而成，將整個污水處理分為前后兩個階段，前處理負(fù)責(zé)降低水中污染物濃度，調(diào)節(jié)廢水指標(biāo)，后處理負(fù)責(zé)進(jìn)一步除去污水中的污染物和有機(jī)鹽。

2 基于膜生物反應(yīng)技術(shù)優(yōu)化環(huán)境工程污水處理技術(shù)

在結(jié)合以往應(yīng)用膜生物反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)受到現(xiàn)有技術(shù)水平以及環(huán)境工程建設(shè)發(fā)展要求等方面的限制和影響，膜生物反應(yīng)技術(shù)存在一定的缺陷和不足，容易影響污水處理的實際效果?；诖?，需要結(jié)合當(dāng)前環(huán)境工程建設(shè)發(fā)展的實際情況，在明確膜生物反應(yīng)技術(shù)原理的前提下，探討能夠有效提升工藝技術(shù)和污水處理效果的有效措施如下：

2.1 膜污染處理

2.1.1 膜污染情況分析

在長時間應(yīng)用膜生物反應(yīng)器進(jìn)行污水處理的情況下，膜污染問題是容易影響污水處理效果的最主要原因。膜污染主要是由于MBR 混合液導(dǎo)致的，具體包含有機(jī)物以及有機(jī)物架橋的高價金屬離子?？紤]加強(qiáng)對于膜污染情況處理的目的，以某污水處理廠為例，基于環(huán)境工程污水處理的實際要求，對污水處理后的膜污染情況進(jìn)行分析。

一般來說，處理規(guī)模通常為6 萬m3/d，應(yīng)用的二級處理工藝為A2/O-MBR 工藝（見圖2）。該工藝應(yīng)用的微濾膜標(biāo)稱孔徑為0.04 μm。為分析膜污染情況，主要在同一膜池中進(jìn)行采樣，采樣量為5 L，測定并記錄MBR 混合液的溫度、pH 值、DO 濃度、粘度等數(shù)值，確定采樣頻率為2 周，時間跨度為1 年。將采集到的MBR 混合液樣品分別以上清液分離方法、污泥EPS分離方法、上清液有機(jī)物親疏水性分離方法、上清液有機(jī)物分子量組分離方法進(jìn)行分離處理，針對不同有機(jī)物的性質(zhì)特點來選擇合適的表征方法。

圖2 污水處理廠MBR 工藝基本流程

在做好以上準(zhǔn)備后，就可以結(jié)合表征結(jié)果來實現(xiàn)對于膜污染情況的計算和分析。對實際膜污染情況的計算，主要基于以下公式來實現(xiàn)：

在以上公式中，μ代表實際的過濾液粘度，單位為Pa·s；μ20代表水在20 ℃下的動力粘度，通常取1.002×10-3Pa·s；T 代表采樣當(dāng)天的溫度，單位為℃；代表實際的過濾阻力，單位為l/m；TMP 代表跨膜壓差，單位為kPa；J 代表總膜面積核算采樣當(dāng)日的平均通量，單位為L/m2·h。

將相關(guān)數(shù)值代入到以上公式當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)該污水處理廠應(yīng)用的MBR 系統(tǒng)產(chǎn)水通量全年穩(wěn)定在10 L/（m2·h）左右，相對應(yīng)的日產(chǎn)水量為6 萬m3/d。一年中，該污水處理廠5-10 月的TMP 值普遍低于30 kPa，而其余月份的TMP 整體偏高，最高超過60 kPa。

在實際計算分析中還發(fā)現(xiàn)，在考慮環(huán)境溫度變化對膜生物反應(yīng)器污水處理效果影響的前提下，以兩種形式對微濾膜的過濾性能與溫度變化之間的關(guān)系進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如表1 所示。

表1 溫度與實際過濾阻力、上清液污染潛勢的Pearson相關(guān)分析

結(jié)合表1 中的分析結(jié)果，微濾膜的過濾性能與環(huán)境溫度之間能夠呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。將該原理應(yīng)用到實際的污水處理過程中，在溫度越低的情況下，微濾膜應(yīng)用過程中產(chǎn)生的實際過濾阻力也就越大，上清液膜污染潛勢也越高。

基于以上原理，對膜污染情況進(jìn)行處理，不僅需要結(jié)合污水處理的實際情況，還應(yīng)考慮環(huán)境溫度變化對膜生物反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用效果產(chǎn)生的影響。

2.1.2 膜污染處理措施

為實現(xiàn)對于膜污染情況的處理，從理論的角度，通常采取調(diào)控混合液、優(yōu)化膜組件構(gòu)型、優(yōu)化曝氣模式等措施，主要用于延緩膜污染的發(fā)展。但考慮實際進(jìn)行污水處理時不可避免會導(dǎo)致膜污染，主要應(yīng)用在線清洗以及離線清洗兩種模式來達(dá)到去除膜污染層、恢復(fù)膜的產(chǎn)水性能等目的[3]。

具體而言，選擇草酸作為清洗微濾膜的主要藥劑，以“酸洗- 堿洗”的順序，充分發(fā)揮酸洗破壞污染層結(jié)構(gòu)的作用，提升后續(xù)堿洗的效果，能夠?qū)⒆罱K的清洗效率達(dá)到81%左右。整個膜污染的清洗處理時長為72 h，劃分為酸洗- 堿洗- 堿洗三個階段，每個階段持續(xù)24 h。將膜比通量的數(shù)值變化作為膜絲過濾性能的評判指標(biāo)，用于判斷衡量膜污染清洗處理的實際效果。

2.2 A2/O-MBR 生化池曝氣控制

2.2.1 曝氣控制原理

為實現(xiàn)對基于陌生污染應(yīng)技術(shù)的污水處理工藝優(yōu)化調(diào)整，還需將研究重點放到A2/O-MBR 生化池曝氣控制上。在對環(huán)境工程中應(yīng)用的MBR 工藝進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)，好氧池中氨氮濃度、溶解氧濃度和曝氣量之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系。在考慮污水處理兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的情況下，根據(jù)實際的需求，以氨氮濃度作為控制曝氣的依據(jù)，對曝氣量進(jìn)行動態(tài)控制，則可以在穩(wěn)定運行的前提下實現(xiàn)曝氣能耗的高效利用。

在進(jìn)行A2/O-MBR 生化池曝氣控制研究前，首先需要明確曝氣控制策略的原理。結(jié)合PID 控制原理構(gòu)建的好氧池曝氣控制系統(tǒng)流程如圖3 所示。

圖3 好氧池曝氣控制系統(tǒng)流程

在整個控制流程中，首先需要基于實際出水需求和溫度情況，手動設(shè)定氨氮濃度所需控制的設(shè)定點NHsetpoint。然后測定耗氧池中氨氮的實時濃度，將得到的濃度結(jié)果與氨氮設(shè)定點值進(jìn)行比較，計算二者之間的誤差大小。

在此基礎(chǔ)上，以執(zhí)行第一級PI 控制計算器的方式，對DO 濃度所需控制的設(shè)定點進(jìn)行計算，計算公式如下：

式中，Bias1代表第一級控制器輸出初值；Kp1代表第一級控制器比例系數(shù)；τ1代表第一級控制器積分時間；eNH代表實時濃度與氨氮設(shè)定點的誤差值；ti、ti-1分別代表第i 次和第i-1 次控制器執(zhí)行的時間，二者的差值即為控制器的動作間隔。

然后還需要測定好氧池DO 的實時濃度，計算實時濃度與設(shè)定點之間的誤差。再依據(jù)相同的原理執(zhí)行第二級PI 控制計算器。

2.2.2 曝氣控制實驗分析

在明確以上原理之后，通過實驗的方法來確定能夠進(jìn)行曝氣控制的有效方法，主要可以發(fā)揮計算機(jī)軟件和算法程序的作用，確定相關(guān)參數(shù)的大致取值范圍（見表2）。

表2 好氧池曝氣控制策略參數(shù)優(yōu)化中的參數(shù)取值

在確定參數(shù)取值范圍后，利用軟件程序來進(jìn)行動態(tài)模擬，將動態(tài)模擬的結(jié)果，作為對氨氮濃度穩(wěn)定性進(jìn)行評判的主要標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，從中選出最合適的參數(shù)組。考慮在不同的環(huán)境工程中應(yīng)用的膜生物反應(yīng)器工藝設(shè)備數(shù)量和規(guī)模存在差異，因而實際獲得的參數(shù)取值范圍也各不相同。

在獲得相應(yīng)的參數(shù)結(jié)果之后，對得到的動態(tài)模擬結(jié)果和實際的污水處理流程模擬輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以實現(xiàn)對膜生物反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用的節(jié)能運行效果的分析。這一對比過程中應(yīng)用的軟件模型，主要以隨機(jī)生成的進(jìn)水水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)境工程中應(yīng)用的膜生物反應(yīng)器工藝運行情況來確定數(shù)據(jù)隨機(jī)值的具體范圍。將獲得的數(shù)據(jù)輸入到表格軟件中，以隨機(jī)值函數(shù)的方式生成更直觀的數(shù)據(jù)關(guān)系圖，不僅可以將數(shù)據(jù)直接作為模型輸入的主要數(shù)據(jù)，也可以明確數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[4]。

2.2.3 曝氣控制策略

為更好地提升污水處理效果，在環(huán)境工程中實際應(yīng)用膜生物反應(yīng)器技術(shù)，通常需要采取與其他相關(guān)處理技術(shù)相結(jié)合的方法或配套工程來進(jìn)一步提高出水水質(zhì)。對A2/O-MBR 工藝中的生化池曝氣進(jìn)行控制，主要可以采用PI 反饋控制的原理方法，依賴軟件系統(tǒng)控制程序來實現(xiàn)對污水處理設(shè)備的優(yōu)化控制，以構(gòu)建模擬模型的方式，基于相關(guān)的參數(shù)變化來實現(xiàn)動態(tài)模擬優(yōu)化控制，在達(dá)到降低膜生物反應(yīng)器工藝能源損耗目的的同時，也能夠節(jié)約用于污水處理的實際成本，提升環(huán)境工程整體的經(jīng)濟(jì)性。

具體而言，應(yīng)在結(jié)合以上模擬實驗結(jié)果的前提下，充分發(fā)揮控制器的作用，在實際的工藝運行中，啟動控制器后由輸出信號向好氧池應(yīng)用的污水處理設(shè)備發(fā)送信號程序，并實現(xiàn)對設(shè)備整體運轉(zhuǎn)狀態(tài)的實時監(jiān)控，同時也應(yīng)注重好氧池中氨氮濃度的變化情況。依據(jù)獲得的污水處理設(shè)備相關(guān)參數(shù)變化情況，對實際報體量以及估值處理設(shè)備的實際運行功率進(jìn)行核算分析，依據(jù)核算結(jié)果對膜生物反應(yīng)器工藝的實際能耗效果進(jìn)行分析評價。應(yīng)用這一控制策略，不僅能夠有效提升工藝實際應(yīng)用的節(jié)能效果，也能夠讓整個環(huán)境工程獲得更短的效益回收期，因而能夠兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會效益提升環(huán)境工程的建設(shè)發(fā)展水平。

結(jié)束語

綜上所述，膜生物反應(yīng)技術(shù)是一項能夠有效滿足環(huán)境工程污水處理需求的技術(shù)。以該技術(shù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)對于環(huán)境工程污水處理效果的優(yōu)化，已經(jīng)逐漸成為污水處理發(fā)展的主要方向和趨勢?；诖?，應(yīng)在充分考慮當(dāng)前膜生物反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用存在問題的前提下，采取積極有效的優(yōu)化措施來保障和提升污水處理的實際效果，從而更好地為經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展所服務(wù)。