膜生物反應技術下的環境工程污水處理

陳 潔

（江西裕金咨詢服務有限公司，江西 萍鄉）

前言

膜生物反應技術是一種較為常見的污水處理技術，在環境工程中有著較為廣泛的應用。在當前經濟快速發展的背景下，污水處理已經成為環境工程中的重要內容。基于推動社會可持續發展和加強環境保護的目標，應在加強環境工程建設發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技術在內的各類先進技術在污水處理中應用的實際效果，以此來更好地提升環境工程質量[1-2]。

1 膜生物反應技術

1.1 膜生物反應器工藝

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

圖1 分置式MBR（a）和一體式MBR（b）結構

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

1.2 膜生物反應器應用范圍

基于膜生物反應器的優勢，其能夠被應用到多種環境工程的建設發展當中。在市政污水處理方面，主要應用A2/O-MBR（厭氧/缺氧/好氧- 膜生物反應器）工藝，在截留污水中大分子污染物的同時，也能夠實現生物脫氮除磷的目的；在工業廢水處理方面，主要依賴膜生物反應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，前處理負責降低水中污染物濃度，調節廢水指標，后處理負責進一步除去污水中的污染物和有機鹽。

2 基于膜生物反應技術優化環境工程污水處理技術

在結合以往應用膜生物反應技術應用經驗的基礎上，發現受到現有技術水平以及環境工程建設發展要求等方面的限制和影響，膜生物反應技術存在一定的缺陷和不足，容易影響污水處理的實際效果。基于此，需要結合當前環境工程建設發展的實際情況，在明確膜生物反應技術原理的前提下，探討能夠有效提升工藝技術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

在長時間應用膜生物反應器進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 混合液導致的，具體包含有機物以及有機物架橋的高價金屬離子。考慮加強對于膜污染情況處理的目的，以某污水處理廠為例，基于環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行分析。

一般來說，處理規模通常為6 萬m3/d，應用的二級處理工藝為A2/O-MBR 工藝（見圖2）。該工藝應用的微濾膜標稱孔徑為0.04 μm。為分析膜污染情況，主要在同一膜池中進行采樣，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、上清液有機物親疏水性分離方法、上清液有機物分子量組分離方法進行分離處理，針對不同有機物的性質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

在做好以上準備后，就可以結合表征結果來實現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：

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日的平均通量，單位為L/m2·h。

將相關數值代入到以上公式當中，發現該污水處理廠應用的MBR 系統產水通量全年穩定在10 L/（m2·h）左右，相對應的日產水量為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現，在考慮環境溫度變化對膜生物反應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系進行分析，得到的結果如表1 所示。

表1 溫度與實際過濾阻力、上清液污染潛勢的Pearson相關分析

結合表1 中的分析結果，微濾膜的過濾性能與環境溫度之間能夠呈現出顯著的負相關關系。將該原理應用到實際的污水處理過程中，在溫度越低的情況下，微濾膜應用過程中產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，對膜污染情況進行處理，不僅需要結合污水處理的實際情況，還應考慮環境溫度變化對膜生物反應技術應用效果產生的影響。

2.1.2 膜污染處理措施

為實現對于膜污染情況的處理，從理論的角度，通常采取調控混合液、優化膜組件構型、優化曝氣模式等措施，主要用于延緩膜污染的發展。但考慮實際進行污水處理時不可避免會導致膜污染，主要應用在線清洗以及離線清洗兩種模式來達到去除膜污染層、恢復膜的產水性能等目的[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，充分發揮酸洗破壞污染層結構的作用，提升后續堿洗的效果，能夠將最終的清洗效率達到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24 h。將膜比通量的數值變化作為膜絲過濾性能的評判指標，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

為實現對基于陌生污染應技術的污水處理工藝優化調整，還需將研究重點放到A2/O-MBR 生化池曝氣控制上。在對環境工程中應用的MBR 工藝進行深入分析后發現，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關系。在考慮污水處理兼顧經濟效益和社會效益的情況下，根據實際的需求，以氨氮濃度作為控制曝氣的依據，對曝氣量進行動態控制，則可以在穩定運行的前提下實現曝氣能耗的高效利用。

在進行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。結合PID 控制原理構建的好氧池曝氣控制系統流程如圖3 所示。

圖3 好氧池曝氣控制系統流程

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，手動設定氨氮濃度所需控制的設定點NHsetpoint。然后測定耗氧池中氨氮的實時濃度，將得到的濃度結果與氨氮設定點值進行比較，計算二者之間的誤差大小。

在此基礎上，以執行第一級PI 控制計算器的方式，對DO 濃度所需控制的設定點進行計算，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；τ1代表第一級控制器積分時間；eNH代表實時濃度與氨氮設定點的誤差值；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，計算實時濃度與設定點之間的誤差。再依據相同的原理執行第二級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行曝氣控制的有效方法，主要可以發揮計算機軟件和算法程序的作用，確定相關參數的大致取值范圍（見表2）。

表2 好氧池曝氣控制策略參數優化中的參數取值

在確定參數取值范圍后，利用軟件程序來進行動態模擬，將動態模擬的結果，作為對氨氮濃度穩定性進行評判的主要標準和依據，從中選出最合適的參數組。考慮在不同的環境工程中應用的膜生物反應器工藝設備數量和規模存在差異，因而實際獲得的參數取值范圍也各不相同。

在獲得相應的參數結果之后，對得到的動態模擬結果和實際的污水處理流程模擬輸出數據進行對比分析，可以實現對膜生物反應技術應用的節能運行效果的分析。這一對比過程中應用的軟件模型，主要以隨機生成的進水水量和水質數據作為輸入數據，結合環境工程中應用的膜生物反應器工藝運行情況來確定數據隨機值的具體范圍。將獲得的數據輸入到表格軟件中，以隨機值函數的方式生成更直觀的數據關系圖，不僅可以將數據直接作為模型輸入的主要數據，也可以明確數據之間的關系[4]。

2.2.3 曝氣控制策略

為更好地提升污水處理效果，在環境工程中實際應用膜生物反應器技術，通常需要采取與其他相關處理技術相結合的方法或配套工程來進一步提高出水水質。對A2/O-MBR 工藝中的生化池曝氣進行控制，主要可以采用PI 反饋控制的原理方法，依賴軟件系統控制程序來實現對污水處理設備的優化控制，以構建模擬模型的方式，基于相關的參數變化來實現動態模擬優化控制，在達到降低膜生物反應器工藝能源損耗目的的同時，也能夠節約用于污水處理的實際成本，提升環境工程整體的經濟性。

具體而言，應在結合以上模擬實驗結果的前提下，充分發揮控制器的作用，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用的污水處理設備發送信號程序，并實現對設備整體運轉狀態的實時監控，同時也應注重好氧池中氨氮濃度的變化情況。依據獲得的污水處理設備相關參數變化情況，對實際報體量以及估值處理設備的實際運行功率進行核算分析，依據核算結果對膜生物反應器工藝的實際能耗效果進行分析評價。應用這一控制策略，不僅能夠有效提升工藝實際應用的節能效果，也能夠讓整個環境工程獲得更短的效益回收期，因而能夠兼顧經濟效益和社會效益提升環境工程的建設發展水平。

結束語

綜上所述，膜生物反應技術是一項能夠有效滿足環境工程污水處理需求的技術。以該技術為基礎實現對于環境工程污水處理效果的優化，已經逐漸成為污水處理發展的主要方向和趨勢。基于此，應在充分考慮當前膜生物反應技術應用存在問題的前提下，采取積極有效的優化措施來保障和提升污水處理的實際效果，從而更好地為經濟和社會發展所服務。