城鎮污水處理廠MBR膜系統工藝自動化控制的改進措施

王文浩 WANG Wen-hao；甘璐 GAN Lu；劉濤 LIU Tao

（成都市排水有限責任公司，成都 610000）

0 引言

當前，污水廠出水排放標準不斷提高，城鎮許多存量污水廠需要進行提標改造。膜生物反應器（MBR）是一種由膜分離技術與生物處理技術有機結合的新型態廢水處理系統，能夠有效提高污水深度處理后的水質，與傳統A2O工藝相比，具有出水水質穩定、產泥率低、占地面積小等優點，因此膜生物反應器（MBR）成為城鎮許多存量污水廠提標改造的普遍選擇。成都市某污水處理廠提標改造后工藝模式為A2O+MBR，但MBR膜系統經過長期使用后，存在吹掃效果不好、清洗效果不佳等問題，這將直接導致膜絲出現不可逆污堵現象、跨膜壓差增大，加劇膜絲性能衰減[2]，同時，該污水處理廠還使用一種MBR中空纖維膜恢復性清洗方法[1]，目前主要由人工手動操作，但由于MBR膜系統涉及設備多、工序較為繁雜，人工操作量大、效率低，并且恢復性清洗后的廢水藥劑混合液直接進入回流系統進行稀釋，對生化池菌群產生不可逆的影響。因此，如何改善MBR膜系統吹掃效果，實現MBR膜系統自動化恢復性清洗控制、改進清洗后的廢水藥劑混合液排空處理方式，進而保證MBR膜系統高效穩定產水具有重要意義。

1 MBR膜系統結構概況

膜池區含有4座膜系統，單座膜系統由6個膜處理單元組成，采用并聯方式運行。每個膜處理單元設備主要有產水泵、反洗泵、真空泵組、補水泵、加藥系統、吹掃風機、排空泵以及配套使用的閥門、儀表等，其中加藥系統、吹掃風機、排空泵、補水泵為膜處理單元共用設備，如圖1所示。各設備之間進行搭配實現MBR膜系統的產水、抽真空、維護性清洗、恢復性清洗等操作。

圖1 MBR膜系統工藝流程圖

①抽真空模式。系統進入啟動狀態或在產水過程中，當產水管壓力小于設定值時，系統進入抽真空環節。停止產水泵，關閉產水閥，打開真空閥，啟動真空泵組，當抽真空時間大于設定值后，關閉真空閥，停止真空泵組，系統完成抽真空模式準備進入產水模式。

②產水模式。打開進出水閥門，打開產水閥其他閥門均關閉，啟動產水泵，選擇恒流量運行模式。產水系統首先按照設定產水時間進行產水，然后按照設定休息時間進行休息，依次往復運行。當產水管壓力小于設定值且產水量低于設定值時，系統切換至抽真空模式。當反沖洗壓力設定值大于產水管壓力或在線反洗周期時間滿足，系統由產水模式切換為維護性化學清洗模式。

③維護性化學清洗。維護性化學清洗請求滿足后，需要進行維護性化學清洗，以恢復膜組件的滲透能力[3]。停止產水泵，關閉產水閥，打開反洗閥，啟動反洗泵，啟動加藥泵，打開加藥閥，清水和藥劑由產水管以反沖洗方式進行沖洗，藥劑投加時間滿足設定值后停止反沖洗和加藥，實現膜組件藥水混合液模式進行浸泡，浸泡設定時間后，打開吹掃風機和常曝閥，進行反洗吹掃。按照需求次數依次進行循環操作完成維護性化學清洗，系統由維護性化學清洗進入產水模式。

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

2 MBR膜系統中存在問題分析

成都市某污水廠在運行MBR膜系統一段時間后，存在以下問題：

①MBR膜系統吹掃曝氣效果不好。MBR膜系統產水過程中，維護性清洗和恢復性清洗頻繁，有效運行時間降低，跨膜壓差增漲速度過快，膜通量下降明顯，部分膜絲污堵嚴重，產水量急劇下降。分析其原因，除維護性清洗和恢復性清洗外，MBR膜系統在產水過程中采用吹掃風機對膜組底部曝氣來改變膜絲表面液體流態，進而對膜絲進行曝氣揉搓沖洗，實現高效除污效果，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膜系統性能的一個關鍵因素。一臺吹掃風機為6個膜處理單元提高吹掃曝氣，每個膜處理單元的工作模式可能處于不同階段，無法通過改變風機頻率實現曝氣強度的變化，每個膜組吹掃以常曝閥常開進行吹掃曝氣，吹掃風量恒定，在膜絲出現污堵現象時，曝氣強度無法使堵塞物質脫落，為了解決這一問題，該污水廠目前通過提高風機頻率增加曝氣量和提升曝氣強度，但同時也會增加風機能耗，運行一段時間后膜處理單元吹掃效果并不理想。

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

③MBR膜系統恢復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前端進行藥液稀釋，這種操作對生化系統造成沖擊，破壞了生化池的菌群結構，對生化池菌群產生不可逆的破壞影響。

3 改造方案

針對成都市某污水廠MBR膜系統使用過程中遇到的以上問題，進行MBR膜系統吹掃曝氣改造和恢復性清洗自動化改造。

①MBR膜系統吹掃曝氣自動化改造。在MBR膜系統吹掃風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，進而調整膜組吹掃風量，改變膜絲表面液體流態，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控制。每個膜池由6個膜處理單元組成，常曝吹掃閥維持常開狀態，吹掃風量應滿足污泥濃度要求，根據疊加曝氣閥的間隔設定時間，進行疊加曝氣閥輪詢開啟關閉，實現疊加曝氣閥的自動化控制。

②MBR膜系統恢復性清洗自動控制改造。根據該污水廠使用的一種MBR中空纖維膜恢復性清洗方法[1]要求，在膜組池上增加藥劑投加點位改造，增加PH檢測儀表，并進行PLC編程來實現自動控制。具體操作步驟為：

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

2）恢復性清洗自動程序。根據該污水廠使用的一種MBR中空纖維膜恢復性清洗方法[1]操作要求，保證恢復性反洗藥劑投加濃度小于多點位藥劑投加濃度。根據工藝運行調試確定反沖洗、浸泡、曝氣的具體設定時間。

3）清洗加藥量計算方法。

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

式中：

V—膜組池補水體積=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設定值，PPM；

μ—藥品含量（%）；

r—儲藥罐半徑，儲藥罐為圓柱形，m；

ρ—儲藥罐內的藥品密度，mg/L。

提前設定藥劑投加濃度的目標值N，恢復性清洗自動程序開始運行時，獲取當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高度，當達到目標高度時，停止加藥泵并關閉加藥閥門，加藥動作執行完畢。

③MBR膜系統恢復性清洗后廢液處理流程改造。MBR膜系統恢復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，改變為打開進水閥和補水閥、補水泵，并靜置1小時，將膜組池內的廢水藥劑混合液匯入膜池內的其他膜處理單元進行稀釋，然后啟動該膜處理單元的產水模式，將廢水藥劑混合液在稀釋的同時通過產水方式進行產出至清水池稀釋，當PH檢測結果滿足出水要求（即6～9），表示該膜組池稀釋完畢，打開出水閥進入正常產水模式。程序控制流程如圖2所示。

圖2 恢復性清洗廢液處理流程圖

4 實施改造效果

MBR膜系統改造完成后進行調試，經過一段時間運行，改造后的膜系統清洗頻次明顯減少，膜通量降低、膜絲污堵現象得到有效改善。通過恢復性清洗自動化控制改造，提高了膜處理單元的清洗效率，恢復性清洗通過曝氣與反沖震動交替進行，實現強、弱搭配的“水氣協同”清洗，能夠最大化利用物理與化學清洗能力，同時進行恢復性清洗后廢液處理流程改造，降低化學試劑對生物菌群結構產生的影響。改造后的MBR膜系統結構圖如圖3所示。

圖3 MBR膜系統實施改造后的系統結構圖

5 結束語

本次改造不僅成本低，可靠性高，擴展性強，提升膜系統曝氣揉搓沖洗效果，改善產水時膜絲的工作性能和提高膜通量，通過對MBR膜系統恢復性清洗的自動化實現，也使膜系統恢復性清洗效果得到有效提升，同時極大地減輕了操作人員的勞動強度，提升了污水廠的自動化水平。使該污水廠的一種MBR中空纖維膜恢復性清洗方法在污水廠得到更好的推廣應用，MBR膜系統的成功改造優化案例為其他污水廠的MBR膜系統改造提供了有益參考和重要經驗，同時也為污水廠推動無人值守、少人值守打下了堅實基礎。