MBR中曝气控制策略优化及工程应用

张明 盛浩 徐辰 赵怡阳

摘要：本研究以典型高浓度有机废水（焚烧厂渗滤液实际工程）为例，对MBR系统曝气策略进行优化。在传统曝气控制基础上引入溶解性蛋白质作为控制参数，在150 m3/d渗滤液处理中，试验组产水通量在系统运行30 d后平均高于对照组8.5 L/m2?h，提高效率约12%。单位处理电耗降低8.8%。

关键词：MBR;曝气量;溶解性蛋白质;控制策略

污水处理领域中，MBR（膜生物反应器）是一种活性污泥法（生化处理单元）与膜分离技术（膜处理单元）相结合的组合工艺，生化处理单元的污染物降解率和膜处理单元的产水通量是衡量MBR工艺处理效果的关键指标。好氧生物（活性污泥）通过曝气获得生化反应需氧量，同时对反应池中各反应物进行搅拌混合，提高传质效率和反应速度。曝气量过少，生化好氧段微生物活动受到限制，影响出水有机物和氨氮的降解;过多则能耗加剧，还会造成菌胶团解絮，影响后续膜处理过滤效率，进而降低膜产水通量。

由于实际污水处理中进水水质和运行工况的差异，运行成本和技术的限制，现有《给排水设计手册》所述曝气量计算公式中的许多参数无法完全通过传感器实时测得。工程应用中的理论曝气量需在各种参数的经验值基础上进行估算，一般仅可作为曝气量控制的参考基线。以事先设定的生化反应池混合液剩余溶解氧作为控制目标，满足好氧条件（2-4 mg/L），这与实际所需曝气量存在较大差异。而且，出水中的剩余含氧量控制仅能满足微生物系统的需氧量，确保污染物去除率，而无法保证活性污泥的过滤性能。因此，本研究在传统曝气量控制方式的基础上，对曝气影响参数进行优化，提高活性污泥的过滤性能。

1 曝气量理论调控方式

研究发现，活性污泥中微生物产生的胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）是造成超滤膜有机污染的主要物质，而EPS和SMP中的溶解性蛋白质是最主要的污染成分，直接影响活性污泥的过滤性能。溶解性蛋白质含量在一定的曝气范围内与曝气量呈负相关，曝气量过少时，微生物处于缺氧状态，细胞大量析出溶解性蛋白质;曝气量过大，营养物不足以满足微生物生长需要，微生物处于内源呼吸状态，大量细胞解体，也会造成溶解性蛋白质含量增加。所以，在满足微生物基本需氧量的前提下，根据溶解性蛋白质含量的变化趋势，对出水溶解氧进行控制，使其保持在合理范围，对提高MBR的整体效率具有重要意义。

本研究中采用一种新的曝气量调控思路，同时测定生化处理出水的实际溶解氧含量（CX）和溶解性蛋白质含量（CP），通过溶解性蛋白质含量变化率（L）计算溶解氧微调值（ΔC），并将溶解氧的初始控制值（C0）和溶解氧微调值（ΔC）的总和设为溶解氧控制值（C1），进而调控MBR装置的曝气量（G），并进行连续化的曝气量调控，具体调控过程的数学描述为：

2 调控方式实际应用和效果

本研究在江苏某300 m3/d规模的垃圾焚烧厂渗滤液处理项目中将上述调控方式与传统方式进行了比较。该项目分为两条处理线，每条线处理规模150 m3/d，分别采用传统控制和上述新调控方式。厌氧进水COD约为10000 mg/L，氨氮约为1800 mg/L，生化池（两级A/O）内停留时间为8 d，第一级O池采用最大量曝气（风机1台，参数为：Q=24.80 m3/min，H=7 m，N=45 kW，此处指单条处理线配置，下同），试验组和对照组在第二级O池处分别采用了溶解性蛋白质含量调控方式和DO固定值调节（变频控制风机1台，参数为：Q=5.70 m3/min，H=6 m，N=11 kW）。超滤（UF）处理中，采用8寸管式超滤膜，单支膜组件过滤面积27 m2，共4支，最低产水通量为65 L/m2?h。

溶解氧控制值的获得方法是：每天人工检测两次处理液II的溶解性蛋白质含量（图 1（左）所示），检测一次处理液II的微生物量MLVSS值，计算日平均溶解性蛋白质含量 ，自处理开始5日起计算处理液II的五日平均溶解性蛋白质含量;以处理液III的产水流量计记录产水量，观察产水通量变化趋势（如图 1（右）所示）。

曝气量调控过程中处理组和对照组的MBR系统的出水水质没有明显区别，均达到了预期设计要求。但图 1（左）可以看出，以出水溶解性蛋白质含量变化率作为曝气优化调节的指标，可以有效控制溶解性蛋白质浓度的变化范围在70-170 mg/L之间，明显好于对照组，进而减少了溶解性蛋白质对后续UF膜的有机污染。图 1（右）中试验组产水通量在系统运行30 d后平均高于对照组8.5 L/m2?h，提高效率约12%，随着运行时间的增加两者差距继续加大。同时，由于曝气量按需供给，曝气能耗也有所降低，结合UF系统因产水效率提高可减少的开机时间，试验组总能耗要显著低于对照组。根据60 d试验能耗数据（仅考察生化+UF系统电耗），两组处理线分别处理了约6500 m3渗滤液，其中试验组耗电量为105758 kWh，单位电耗16.27 kWh/m3渗滤液，对照组耗电量为125790 kWh，单位电耗19.35 kWh/m3渗滤液，试验组单位电耗比对照组节约3.08 kWh/m3渗滤液。按照常规系统单位电耗35 kWh/m3渗滤液计算，采用新的MBR曝气量调控方法后，至少可节约能耗约8.8%。

3 结论与建议

在高浓度有机污水处理中，纳滤、超滤和反渗透膜的应用越来越广泛。膜有机污染是造成产水通量降低的主要原因，且会大大降低膜使用周期，增加洗膜频率，增加运行费用。本研究在理论调控方式优化的基础上进行了工程实际应用实验，发现通過在传统曝气控制策略中引入溶解性蛋白质控制参数，可以有效降低膜有机污染，提高产水通量12%，从而降低能耗约8.8%。且调控方法简单易行，适于推广，对市场应用具有实际指导意义。

参考文献：

[1] 左薇;吴晴;王浩宇;陈琳;利用数学模拟方法分析硝化MBR系统中SMP转换过程【D】《环境工程学报》2014-04-05