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)，關(guān)于此工藝IWA微信公眾號曾在之前的推送《MABR工藝：污水廠實(shí)現(xiàn)能耗自給的可能性》里有關(guān)專門的介紹。

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(gè)采用三級硝化的MABR示范項(xiàng)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(shí)的GE水處理公司合作的項(xiàng)目。在2017年底，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的三方代表——Suez WTS、MWRD和COTE膜分離公司，將接近一年的試驗(yàn)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(hù)當(dāng)?shù)氐暮恿骱础Ｄ壳跋螺?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(dòng)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(yàn)證的低能耗污水處理工藝之一。這個(gè)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(jìn)行評估，同時(shí)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(gè)商用級膜箱（membrane cassette），試驗(yàn)期為2015的6月至2016年5月。這份報(bào)告涵蓋的是前9個(gè)月的結(jié)果。由于這個(gè)示范項(xiàng)目只能驗(yàn)證該技術(shù)的部分優(yōu)點(diǎn)，所以他們還運(yùn)用模擬計(jì)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(huì)的前主席Terrence J. O’brien在24年任期內(nèi)的卓越貢獻(xiàn)，委員會(huì)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(jìn)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(jì)會(huì)在不久將來實(shí)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(xiàng)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(gè)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(jìn)行預(yù)測。混合MABR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(jìn)行模擬。模擬結(jié)果很好地反應(yīng)了實(shí)際數(shù)據(jù)，也確認(rèn)了污水廠在春季峰值運(yùn)行時(shí)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(yùn)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(xiàng)目

為了更好地基于物料平衡來監(jiān)測運(yùn)行表現(xiàn)，示范項(xiàng)目放置在一個(gè)集裝箱內(nèi)進(jìn)行，并將反應(yīng)器體積最小化（17m3），而不是按實(shí)際情況一樣將一個(gè)膜箱單元放到現(xiàn)有處理線內(nèi)形成一個(gè)混合MABR系統(tǒng)。進(jìn)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(jìn)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）。

圖1. MABR示范單元和工藝流程設(shè)計(jì)

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

圖2. MABR膜模塊

MABR的進(jìn)氣模式有兩個(gè)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(jìn)行計(jì)算。其次，膜箱底部會(huì)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(gè)階段的測試結(jié)果：

圖3. 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(jìn)水BOD值已經(jīng)相當(dāng)?shù)停?.6mg/L），去除率約42%。平均的C/N比只有0.73，相當(dāng)?shù)汀?

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(yàn)時(shí)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(gè)月內(nèi)形成200μm厚的膜，并在整個(gè)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(bào)告指出有三個(gè)階段的數(shù)據(jù)沒有用于平均值的計(jì)算，包括第1-21天的生物膜啟動(dòng)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(shí)候。

圖4. MABR膜表現(xiàn)

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(dòng)，主要受氨氮負(fù)荷率和進(jìn)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(diǎn)——硝化菌生長在靠近膜表面的生物膜內(nèi)，一個(gè)富含氧氣又受到“保護(hù)”的區(qū)域。

項(xiàng)目組還就曝氣量對OTR的影響進(jìn)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?yàn)槌鰵庋鹾康臏p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(shí)候運(yùn)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。

圖5. 各變量對膜表現(xiàn)的影響

能耗表現(xiàn)

MABR能降低生物處理的能耗，主要通過以下三個(gè)途徑：

在更短的SRT內(nèi)需要更少的需氧量（且不會(huì)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(kuò)散更高效的氧氣傳遞效率。

研究團(tuán)隊(duì)指出，本次測試只展示了上述優(yōu)點(diǎn)中的第三個(gè)，而且也沒有得到完美體現(xiàn)。由于規(guī)模問題，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的曝氣是由壓縮機(jī)而不是低壓風(fēng)機(jī)時(shí)間的，所以無法直接監(jiān)測能效。另外只有一個(gè)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(jì)算，已經(jīng)可以體現(xiàn)出MABR膜的潛在效能。

圖6. 膜傳氧效率和未來改進(jìn)預(yù)測

研究人員分析了6個(gè)不同情況下的曝氣效率。其中藍(lán)色的兩個(gè)是這個(gè)測試中的實(shí)際情況，綠色是試驗(yàn)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(yàn)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(gè)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(shí)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(gè)研究項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)的空間。