缠绕卷式膜曝气生物膜反应器工艺特性及农村污水处理应用实践

孙 勇 孙德翀 杨旺政

(1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.富朗世水务技术(江苏)有限公司上海分公司，上海 200126)

党的十八大以来，各种农村污水处理技术得到大量应用，积累了大量建设、运行和养护经验[1]，[2]1-2。农村污水从末端处理来讲，国内主要采用一体化装置处理技术、生态处理技术以及一体化装置预处理+生态稳定处理组合技术等几类[3]。我国“美丽乡村”新发展阶段和“双碳”目标当下，对农村污水低碳减污运行、资源化可持续发展提出了更高要求，也需要适应我国农村污水收水特点的新型农村污水处理技术。新型技术不仅用于新建设施，更要对现有农村污水处理设施进行原位组合、叠加、迭代进而“有机”更新，而不是大拆大建[4]23，[5]。

缠绕卷式膜曝气生物膜反应器(MABR)工艺将氧气分离膜(透氧膜)与生物膜法相结合，是近年来国际污水处理领域新兴技术。其独特的膜片材质、防堵塞膜组件与超低能耗、低产泥量等特性，赋予了我国污水一体化处理技术新发展方向。针对我国农村污水收水特点，以此技术为核心形成的处理装置具有占地面积小、运行稳定、耐冲击负荷、节省碳源药剂投加等工艺特点，也具有防堵塞、低产泥、易损易坏件少、检修维护方便等维保特点；既可作为独立处理设施，也可用作生态处理设施前道预处理，近年来获得很多成功示范应用。

1 缠绕卷式MABR膜材质和膜组件

缠绕卷式MABR是一种新型膜组件，属于平板膜[6]。采用复合式平板透气膜基材，内置线性低密度聚乙烯 (LLDPE)导气网格板，对两侧膜片进行支撑；外置LLDPE波纹板对膜外侧过流污水进行导流并辅助膜片外支撑。为提高装填率，将复合膜板和外置LLDPE波纹导水板同心缠绕成卷式，形成良好水力条件、装填率高、快速安装的一体化膜组件。

1.1 膜材质

采用聚偏二氟乙烯(PVDF)内膜-聚二甲基硅氧烷橡胶 (PDMS) 外膜复合材质，二层复合非对称结构。内膜为PVDF疏水微孔膜，具有强度高、抗污染能力强、耐化学腐蚀特点，其作为支撑层，可对外膜进行稳定支撑。在膜外表面，界面聚合改性后的PDMS作为表覆层，厚度为几个微米，属于超薄皮层复合膜。二者复合既克服了PVDF疏水微孔膜氧气选择性不强的缺陷，也克服了传统厚层致密硅胶膜泡点压力高、跨膜阻力大、氧气通量小的缺陷。外覆膜改性后，油滴类物质在表面上形成润湿角>90°的颗粒，物理黏附力不牢，在层间水量扰动下极易被冲洗带走，防止污染膜表面。界面改性后的硅胶外表面ζ界面电位为正电，也有助于负电荷生物膜吸附挂膜[7]。

1.2 膜结构及生物膜形态

不同于微孔曝气器产生的1～2 mm粒径空气气泡混合扩散[8]，缠绕卷式MABR膜曝气只产生微米级氧气气泡，透膜后气液两相接触面积大，快速发生饱和溶解，高浓度溶解氧分子以浓差梯度方式向外扩散传输，对生物膜无任何机械混合扰动，不干扰生物膜层间微生物附着形态，形成明显的内层好氧、外层缺氧状态。MABR具有活性污泥和生物膜“双泥”特性和除碳、硝化反硝化同步去除特征。

1.3 膜组件构造

缠绕卷式MABR膜组件内部结构和外形分别见图1和图2。膜片内部为LLDPE注塑成型超薄塑料导气网格板，对膜片进行强度支撑。网格板具有极好的韧性，拉伸强度>12 MPa，断裂伸长率>500%，可进行较大角度的弯曲缠绕。网格板炼塑时加入炭黑或者钛白粉，形成黑色或银白色网格板，可耐紫外线老化。网格板可对注入的低压膜曝气空气进行导流布气，使得两侧膜面透氧出气均匀。其为非极性材料，可对注入空气中的微小尘埃进行静电吸附，避免堵塞膜内表面，起到截留保护作用。膜外侧用LLDPE波纹导水板作为外支撑。波纹导水板包裹于两圈缠绕膜片之间，使得相邻膜间隔5 cm以上，提供较大的过水通道，防止堵塞。波纹导水板、双层膜片以及膜片间网格导气板两端封口，三者同心缠绕成螺旋状，成为缠绕卷式MABR膜组件。卷式膜组件相对于平板膜或者中空纤维膜，既具有中空纤维膜较高装填率、较大膜表面积特点，又具有平板膜强度高、抗纤维缠绕、机械稳定性好、抗污染、清洗便捷、寿命长的特点。

1—PVDF支撑层；2—PDMS表覆层(亲水改性)；3—疏水微孔气体通道；4—附着生长致密生物膜；5—导气网格板；6—支撑盘；7—进、出风软管；8—环氧树脂密封；9—波纹导水板；10—悬浮活性污泥絮体

1—缠绕卷式膜；2—上、下布水板；3—进风软管；4—出风软管；5—空气卷扫进风管；6—不锈钢穿孔曝气管；7—膜组件固定支架

同心缠绕后形成的卷式MABR膜组件视水深高低，可单层或多层叠加浸没放置在污水处理生化池中。膜组件上下部为聚乙烯材质高空隙进出水布水板，两侧配有聚氯乙烯(PVC) 进、出风软管。来自低压风机的空气从进风软管进入后，通过内置导流板在同心各层膜片空隙间依次流动，保证各个流通面高效透氧。由膜片间的导流板支撑外侧水压力，过流空气压力只需克服导流间流通阻力、复合透氧膜内层微孔过流扩散阻力、膜外层改性硅胶渗透阻力，不需克服外侧静水压，和传统的污水底部鼓风曝气相比，风机供风压力极大降低，极高的传氧效率也使气量大为减少。发生透氧后的尾气(含N2等)从出风软管外排，没有外部污水相的挥发性有机物渗透至气相，排放尾气不含任何污水气溶胶成分，对水面大气空气污染极大降低[9]56。膜组件底部设不锈钢穿孔曝气管，释放的大气泡定期对膜组件进行曝气卷扫，吹扫膜外导水板堵塞污泥和老化生物膜。整个膜组件通过不锈钢固定支架进行组合，与池底预埋件固定。

2 缠绕卷式MABR农村污水处理典型工艺、适应性及运行能耗分析

2.1 典型工艺

典型工艺如图3所示，工艺以缺氧+好氧生物脱氮型为主，由进水调蓄池及提升泵井、生化池(缺氧池+好氧池)和沉淀池组成。调蓄池入口设内进流提篮斜条粗格栅，拦截进水中砂砾、石块等大颗粒杂质。进水调蓄产生的沉淀底泥定期进行泵排清捞。出水端设浮渣挡板和撇渣管，拦截油脂。出水提升潜污泵设在外进流套筒斜条细格栅内，根据设定水位启停。池内沉淀底泥、拦截粗细栅渣、撇除浮渣(食物脂肪、矿物质油、油脂等)，可与禽畜粪便、污水收集管道通沟污泥一道进行好氧堆肥，返田资源化利用。缺氧池内放置一层或多层缠绕卷式MABR膜组件，底部安装环形不锈钢穿孔曝气管，产生的3 cm以上大气泡发生气提效应，使混合液在同心各层膜片间的上下流均匀流动，利于进水底物和生物膜之间接触传质。进风来自低压侧流式变频风机，膜内进风在同心缠绕各层膜片内透氧后，剩余尾气外排至池面以上。排放尾气不含任何污水气溶胶成分，无异味臭气溢出，也无介水病菌或病毒随气溶胶外溢产生公共安全风险[9]58。缺氧池内形成生物膜和活性污泥“双泥”共存、污染底物和溶解氧异向传质、同步硝化反硝化，利用内源碳源进行反硝化，不需额外投加商品碳源。缺氧池出水后进入好氧池(采用活性污泥法)，池底微孔曝气器底部鼓风曝气供氧，进一步削减混合液中的COD和稳定水质，采用低能耗静音空浮风机供风，风机设两路出风管，一路至缺氧池底部空气卷扫穿孔管，另一路至好氧池底部曝气器。进入末端沉淀池前，可投加化学除磷药剂进行同步化学除磷。泥水分离沉淀池采用辐流式或平流式池型，沉淀后污泥外回流至缺氧池，剩余污泥外排，可与调蓄池沉淀污泥协同好氧堆肥。沉淀池出水可后接不同的深度处理设施，满足不同出路污水的资源化回用要求。上述典型工艺具体应用时，可将前后段进行集约化组成，形成共壁一体化装置形式，以减小占地面积，提高设备能效。

1—进水管件；2—提篮斜条粗格栅；3—套筒斜条细格栅；4—潜污泵；5—浮动撇渣管；6—便携式排污泵；7—膜组件；8—不锈钢穿孔曝气管；9—侧流式变频风机；10—微孔曝气器；11—空浮风机；12—电动蝶阀；13—刮泥机；14—PVC斜管；15—污泥回流泵；16—剩余污泥泵

2.2 农村污水处理适应性分析

鉴于水量、水质、收集管网等现状，无论是小户数(3～10户)散点小集中处理，还是村落多居户统一集中处理，甚至是大型村落组团集中处理，农村污水都存在水量季节性波动、雨季雨水混入、水质经常性或季节性变化、沉积物和悬浮物偏多等诸多问题，如果处理设施运行和保养不利，往往会造成设施堵塞、设备运行不正常、出水水质不稳定等问题[4]24。缠绕卷式MABR工艺预处理段设置两道斜条格栅和浮动撇渣管，斜条格栅独特的斜切向进水流态可对石块、纤维、毛发等物质进行高效拦截，浮动撇渣管随液位上下浮动撇渣，两者组合可保证后道生化段免堵塞。易堵塞杂物高效拦截后出水进入膜法处理段，独特的膜传氧特性形成较厚的密实生物膜层，耐水质冲击。生物膜内层好氧菌分泌的大量胞外聚合物将不同共生菌群固结在膜表面，菌株间代谢电子传递短且健全。挂膜生物载量大、密实，耐低温并且活性保持长久。即使在长期停运后，处理装置也可快速投入运行。膜组件独特的底部卷扫大气泡气提循环结构形成上下循环流态，可保证老化膜层及时带出，避免堵塞过流通道。在高水量冲击时，循环流态可消除流量波动影响，密实的膜层也不宜被高进水流速冲刷剥落。工艺为高生物量低负荷类型，产泥量少，剩余污泥密实且可快速泥水分离。膜组件结构特点和工艺组合方式可针对性克服农村污水运维问题。此外，该工艺具有高效节能、减污降碳的特点。

2.3 主要工艺参数和运行能耗

2.3.1 主要工艺参数

表1 缠绕卷式MABR生化池(缺氧池投加)形成的不同复合污泥浓度1)

工艺参数设定：缺氧池BOD体积负荷0.80～1.20 kg/(m3·d)，氨氮体积负荷0.25～0.35 kg/(m3·d)，单位膜面积BOD负荷0.010～0.015 kg/(m2·d)，单位膜面积氨氮负荷0.004～0.005 kg/(m2·d)，生物膜+活性污泥形成的复合污泥质量浓度8 000～10 000 mg/L，水力停留时间2.5～3.5 h；好氧池BOD体积负荷0.75～1.50 kg/m3，活性污泥质量浓度500～2 000 mg/L，水力停留时间0.50～0.75 h；沉淀池进入活性污泥浓度比较低，池容较小，表面水力负荷取1.75～2.00 m3/(m2·h)，水力停留时间1.5～2.5 h。生化池(缺氧池+好氧池)在进水水温为10～30 ℃时稳定运行，出水COD去除率90%以上，BOD去除率95%以上，氨氮去除率90%以上，总氮去除率80%以上，可稳定保证出水水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 一级A标准。后道工序接化学除磷、转盘滤池或者砂滤池，出水水质可达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)准Ⅳ类标准。

2.3.2 运行能耗

缠绕卷式MABR工艺的运行能耗主要在膜曝气传氧方面，较传统活性污泥法、传统膜法工艺，所需曝气风量、气压大为降低。

(1) 传氧方式

透氧膜无泡曝气的传氧速率可由式(1)表示[10]：

(1)

式中：KLa为总传质扩散系数，h-1；C*为饱和溶解氧质量浓度(20 ℃标况下为9.17 mg/L)，mg/L；C为溶解氧实际质量浓度，mg/L。

亲水性膜表面活跃着大量分泌胞外聚合物的异养好氧菌和自养硝化菌，可形成黏附性强、厚度大的密实生物膜，挂膜厚度在1～2 mm。传氧方式是溶解渗透，一方面传氧扩散高且不需扰动膜层，另一方面无扰动传氧也利于增加膜层厚度。而传统附着型填料，无论是固定填料，还是悬浮填料，甚至是膜生物反应器(MBR)膜填料，其外向内的透氧方式限定了其较薄的挂膜厚度，一般在0.2～0.3 mm[11]。前者是后者的5～10倍。缠绕卷式MABR膜工艺大量的微生物存在于膜外表面，外部的活性污泥絮体较少。传氧路径集中在生物膜部位，而不是活性污泥絮体颗粒。仅通过一定厚度的生物膜进行传氧，不需要传统活性污泥法气泡剧烈混合接触传氧。透氧膜透过的为纯氧，气泡高分压下快速溶解于生物膜中，并快速渗透传递到膜层微生物胞内，KLa高并且传质接触面积大。

(2) 进水水质、污泥浓度影响

式(1)中的KLa分别和α(污水KLa/清水KLa)、β(污水C*/清水C*)正相关[12]15。传统活性污泥法气泡容易黏附非极性物质[13]，从而减少气液接触面积并减低氧气传输速率，造成α值和KLa下降。膜曝气传氧发生在生物膜内部，不与进水中的上述成分接触，其传氧系数不受进水水质影响，可一直保持稳定高效。传统生物膜法，尤其是MBR工艺，其悬浮污泥混合液固体浓度(MLSS)在8 000～12 000 mg/L，易形成高黏度流变混合液。黏附在气泡水层接触表面的高黏污泥，会造成α值下降并对氧扩散不利。MABR工艺中大量微生物固结在膜表面，膜之间的活性污泥絮体浓度较低(MLSS为500～2 000 mg/L)，没有高浓度悬浮污泥带来的黏性阻碍传氧问题。膜曝气传氧发生在生物膜层内部，外部混合液盐度对膜内传导性低，β值影响小，对于维持较高的溶解氧有利[14]；不受表面活性剂、盐度、污泥浓度附加黏度影响，使得MABR工艺可获得高效透氧传递和高溶解氧。

(3) 风量、风压

两层膜片间由空气导流板提供静水压力支撑力，过流空气压力只需克服导流间流通阻力、复合透氧膜内层微孔过流扩散阻力、膜外层改性硅胶渗透阻力，风损仅为5 kPa左右。无论是传统活性污泥法还是传统膜法，甚至MBR工艺，其鼓风曝气风压需考虑池内静水压力以及管路、曝气器等风损，风机出口备压=净水压力+(12～15)kPa。两者比较，MABR膜曝气工艺曝气风压大为降低。

与MBR膜池不同，MABR膜组件所需的卷扫循环气量较低，仅保证气提产生的膜通道流态为层流状态，膜片间混合液流速在0.15～0.30 m/s即可。而MBR膜池需要较高的过膜混合液切向错流流速(3～5 m/s)，需要提供较大风量的卷扫空气[12]36。相较而言，MABR工艺降低了气泡卷扫动力耗能。

以典型的农村污水水质为例，采用图3所示的典型工艺时，发生的曝气能耗参数与传统活性污泥法对比见表2。

表2 农村污水处理缠绕卷式MABR工艺与传统活性污泥法工艺长期运行能耗对比

对比可知，MABR膜组件的SOTE和SAE是传统底部鼓风气泡曝气的3倍左右，单位处理水量的曝气能耗较传统活性污泥法节省30%以上，运行能耗优势明显。

3 应用案例

缠绕卷式MABR工艺已有几十个成功建成并运行案例，在水质提升、能耗节省、集约占地、方便运维方面极具优势。

缠绕卷式MABR工艺可实现生污泥(初沉污泥)、栅渣、生化污泥、化学污泥等固体废弃物源头分类，并且可将难生物降解的生物质——生化污泥源头减量，叠加上低能耗装机功率，此配置方式可很好地响应今后农村新能源“源网储荷”发展模式[15]，助力实现农村污水处理节能降耗、减污降碳。

4 结 语

通过缠绕卷式MABR工艺复合透氧膜材质、传氧和挂膜方式、膜组件和运行能耗综合分析，并结合实践应用，阐述农村污水组合工艺以及依附形成的一体化装置在水质提升、能耗节省、集约占地、方便运维方面极具优势。近期，笔者在无锡新城污水处理厂开展了微生物增强污泥减量生产性试验，实现了膜法工艺40%以上的源头生化污泥减量。该试验结果为缠绕卷式MABR耦合污泥减量菌，协同实现源头污泥减量奠定了技术示范。今后，在尾水灌溉和生态补水等既有资源化基础上，该工艺在污水污泥分类资源化利用、实现源头污泥减量等方面会更好助力农村污水处理领域，协同构建“无废乡村”。