MABR工藝在過去幾年受到了水處理行業(yè)的注意，它的全名是膜曝氣生物膜反應(yīng)器(Membrane Aerated Biofilm  Reactor)，是一種基于氧氣/空氣的MBfR工藝。MBfR指的是基于膜傳導(dǎo)的生物膜反應(yīng)器 (MBfR-membrane biofilm  reactor)。

MABR工藝很好地結(jié)合了COD/BOD的去除、硝化/反硝化和厭氧氨氧化。目前MABR工藝的主要生廠商有蘇伊士水技術(shù)(Suez Water  Technologies & Solutions-Suez WTS，原GE水處理公司)的 ZeeLung 、愛爾蘭的  OxyMem以及源自以色列技術(shù)的美國公司FLUENCE。其中位于芝加哥的O’Brien再生水廠是Suez  WTS其中一個采用三級硝化的MABR示范項目，規(guī)模為2300PE。這是美國大芝加哥污水管理局(MWRD)在2015年開始與當(dāng)時的GE水處理公司合作的項目。在2017年底，項目團隊的三方代表——Suez  WTS、MWRD和COTE膜分離公司，將接近一年的試驗結(jié)果整理后發(fā)表在了IWA期刊Water Practice & Technology上。

背景介紹

美國大芝加哥污水管理局(MWRD)成立于1889年，其職能就是保護當(dāng)?shù)氐暮恿骱�泊。目前下�?座再生水廠(WRPs)和22座提升泵站，每年的電耗約6億kWh，其制定的2023年目標(biāo)就是通過一系列的節(jié)能行動并增加可再生能源開發(fā)利用，達(dá)到完全能量自給。其中MABR就是他們需要驗證的低能耗污水處理工藝之一。這個研究的目的是對MABR反應(yīng)器在大型污水廠的低溫高水力負(fù)荷條件下TSS和氮的去除效果和能耗情況進行評估，同時測試它能否滿足未來的磷排放要求。他們在MWRD管理的O’Brien污水廠側(cè)流段安裝了一個商用級膜箱(membrane  cassette)，試驗期為2015的6月至2016年5月。這份報告涵蓋的是前9個月的結(jié)果。由于這個示范項目只能驗證該技術(shù)的部分優(yōu)點，所以他們還運用模擬計算加以輔助分析。

O’brien再生水廠概況

O’brien再生水廠(OWRP)，始建于1928年，原名North Side WRP。2012年為紀(jì)念MWRD委員會的前主席Terrence J.  O’brien在24年任期內(nèi)的卓越貢獻(xiàn)，委員會決定j將污水廠用他的名字命名。該污水廠采用初沉+傳統(tǒng)活性污泥法去除TSS(總懸浮固體)、BOD和氨氮。在污水廠含有四條平行的處理線，每條線處理1/4的進水量。平均處理量為870,000m³/d，春季峰值流量可達(dá)1,900,000m³/d，。雖然目前沒有關(guān)于磷的出水要求，但預(yù)計會在不久將來實施，而生物除磷是其首選方案。對目前的工藝配置而言，這意味著新增一條處理線來引入缺氧區(qū)。

項目組與著名的污水建模公司Hydromantis公司合作，基于成熟的MBBR工藝模型，開發(fā)了一個MABR生物膜模型。然后通過GPS-X模擬軟件對混合MABR的表現(xiàn)進行預(yù)測�；旌螹ABR指的是包含了懸浮生長和生物膜附著生長模式的微生物系統(tǒng)。

早在2013年，污水廠就用GPS-X軟件對OWRP污水廠的一條處理線進行模擬。模擬結(jié)果很好地反應(yīng)了實際數(shù)據(jù)，也確認(rèn)了污水廠在春季峰值運行時很難滿足氨氮的排放標(biāo)準(zhǔn)。在這期間，為了維持硝化菌的數(shù)量，MLSS濃度要增加到月2600mg/L，這導(dǎo)致二沉池超負(fù)荷運行，出水TSS也可能超標(biāo)。另外模擬結(jié)果顯示結(jié)合了MABR技術(shù)的改造工程能在相同的處理能力且不影響硝化作用的前提下將SRT從11天減少到6天，這使MLSS降至低于2,000mg/L，解決了二沉池的負(fù)荷問題，而且能滿足1.0mg/L的磷出水標(biāo)準(zhǔn)，無需新增反應(yīng)器體積或化學(xué)除磷。

MABR示范項目

為了更好地基于物料平衡來監(jiān)測運行表現(xiàn)，示范項目放置在一個集裝箱內(nèi)進行，并將反應(yīng)器體積最小化(17m³)，而不是按實際情況一樣將一個膜箱單元放到現(xiàn)有處理線內(nèi)形成一個混合MABR系統(tǒng)。進入MABR系統(tǒng)的水為初沉池出水和回流污泥(RAS)的混合流，流速為65m³/h，出水進入現(xiàn)有生物反應(yīng)池內(nèi)，并跟其16min的HRT匹配(如下圖所示)。

試驗周期為296天，實際分為了兩期，如下圖所示，前145天為第一期，膜箱含有64個模塊組件，后151天為第二期，從原來的64個組件移除16個，以此檢驗?zāi)た臻g密度對運行表現(xiàn)的影響。

MABR的進氣模式有兩個目的。首先，空氣自上而下通過膜內(nèi)腔，為微生物提供氧氣，并對氧氣傳遞速率(OTR)進行計算。其次，膜箱底部會間歇性地釋放粗孔混合器作混合和清洗，以控制生物膜的厚度。其工作原理圖可以參考下面的視頻：

處理效果

下圖和表2是兩個階段的測試結(jié)果：

表2. 示范單元結(jié)果概述

結(jié)果顯示MABR反應(yīng)器的MLSS與主線情況相似，平均值為2,160mg/L。DO值能基本維持為0，異常情況跟下雨、融雪和低碳氮負(fù)荷有關(guān)。出水氨氮為2.6mg/L(約70%的去除率)。過濾后的進水BOD值已經(jīng)相當(dāng)?shù)?6.6mg/L)，去除率約42%。平均的C/N比只有0.73，相當(dāng)?shù)汀?/p>

膜表現(xiàn)

膜箱在測試階段共被移除過5次作綜合觀察和生物膜采樣。如上圖2所示，膜箱在上面兩次檢驗時的外觀還是相當(dāng)“干凈”的，也就是沒有生物膜過度積累的現(xiàn)象。反應(yīng)器在1個月內(nèi)形成200μm厚的膜，并在整個測試階段維持在200-300μm的范圍內(nèi)，且沒有發(fā)現(xiàn)膜漏損問題。

MABR膜表現(xiàn)通常用膜表面積來表示(如下圖4)，單位面積的OTR相當(dāng)平穩(wěn)，維持在8-12g-O2/d/㎡之間，其中第一階段約27kg/d，第二階段為20kg/d。報告指出有三個階段的數(shù)據(jù)沒有用于平均值的計算，包括第1-21天的生物膜啟動器，第87-93天的曝氣速率的減少調(diào)整期，以及第267-276天的氧氣測試出現(xiàn)狀況的時候。

硝化速率如圖4(d)所示，硝化速率在0.5-2.5g-N/d/m2之間波動，主要受氨氮負(fù)荷率和進料C/N比率影響。大部分傳遞的氧氣都用于硝化作用，超過90%。這反應(yīng)了MABR反應(yīng)器的一大特點——硝化菌生長在靠近膜表面的生物膜內(nèi)，一個富含氧氣又受到“保護”的區(qū)域。

項目組還就曝氣量對OTR的影響進行了測試，在第60-144天內(nèi)，他們將曝氣量從4.3L/h/㎡逐步減少至3.0L/h/㎡(30%減少量)，直至2.1L/h/㎡(50%減少量)，然后在回升至4.3L/h/㎡。結(jié)果顯示30%的減少率并沒有明顯影響，但50%的減少量使OTR降低了20%。這是因為出氣氧含量的減少降低了通過膜的氧氣的滲透率。圖5(b)顯示了膜箱的混合頻率對硝化速率沒有影響。圖5(c)則顯示MABR在DO低于1mg/L的時候運作最佳。圖5(d)表明硝化速率越高，反硝化和BOD去除效果越好。

能耗表現(xiàn)

MABR能降低生物處理的能耗，主要通過以下三個途徑：

在更短的SRT內(nèi)需要更少的需氧量(且不會影響硝化作用);

減少了同步硝化/反硝化的需氧量(且不再需要回流泵);

比微孔曝氣擴散更高效的氧氣傳遞效率。

研究團隊指出，本次測試只展示了上述優(yōu)點中的第三個，而且也沒有得到完美體現(xiàn)。由于規(guī)模問題，這個實驗的曝氣是由壓縮機而不是低壓風(fēng)機時間的，所以無法直接監(jiān)測能效。另外只有一個膜箱不能充分利用間歇式的混合曝氣，這需要更多的膜箱。盡管如此，作者認(rèn)為通過圖6的曝氣效率的計算，已經(jīng)可以體現(xiàn)出MABR膜的潛在效能。

研究人員分析了6個不同情況下的曝氣效率。其中藍(lán)色的兩個是這個測試中的實際情況，綠色是試驗中直接反應(yīng)的優(yōu)化情況(包括曝氣量和混合氣的間歇頻率等)，紅色是正在研發(fā)但有待驗證的情景。按照他們的估算，氧氣傳遞效率有兩倍的增長空間。

結(jié)論

在9個月的測試期內(nèi)，MABR膜顯示出穩(wěn)定的氧氣傳送速率，且大部分傳遞的氧氣都用于硝化作用。結(jié)果顯示MABR混合工藝能對現(xiàn)有生物工藝做出顯著改善，同時減少了污水廠的能耗。

芝加哥MWRD的O’Brien再生水廠面臨著春季高負(fù)荷的沖擊，按照傳統(tǒng)方法需要新建生化池解決脫氮除磷的要求。這個研究項目的生物膜模型分析表明MABR技術(shù)能在現(xiàn)有設(shè)施條件下完成改造。而為其一年的實驗研究也部分顯示出MABR膜性能的穩(wěn)定性和未來可以優(yōu)化改進的空間。

參考資料

Demonstration of innovative MABR low-energy nutrient removal technology at  Chicago MWRD, J. Peeters, N. Adams, Z. Long, P. Côté, T. Kunetz, Water Practice  and Technology, Volume 12, Issue 4, Page 927-936，DOI: 10.2166/wpt.2017.096