城镇污水处理厂MBR膜系统工艺自动化控制的改进措施

王文浩 WANG Wen-hao；甘璐 GAN Lu；刘涛 LIU Tao

（成都市排水有限责任公司，成都 610000）

0 引言

当前，污水厂出水排放标准不断提高，城镇许多存量污水厂需要进行提标改造。膜生物反应器（MBR）是一种由膜分离技术与生物处理技术有机结合的新型态废水处理系统，能够有效提高污水深度处理后的水质，与传统A2O工艺相比，具有出水水质稳定、产泥率低、占地面积小等优点，因此膜生物反应器（MBR）成为城镇许多存量污水厂提标改造的普遍选择。成都市某污水处理厂提标改造后工艺模式为A2O+MBR，但MBR膜系统经过长期使用后，存在吹扫效果不好、清洗效果不佳等问题，这将直接导致膜丝出现不可逆污堵现象、跨膜压差增大，加剧膜丝性能衰减[2]，同时，该污水处理厂还使用一种MBR中空纤维膜恢复性清洗方法[1]，目前主要由人工手动操作，但由于MBR膜系统涉及设备多、工序较为繁杂，人工操作量大、效率低，并且恢复性清洗后的废水药剂混合液直接进入回流系统进行稀释，对生化池菌群产生不可逆的影响。因此，如何改善MBR膜系统吹扫效果，实现MBR膜系统自动化恢复性清洗控制、改进清洗后的废水药剂混合液排空处理方式，进而保证MBR膜系统高效稳定产水具有重要意义。

1 MBR膜系统结构概况

膜池区含有4座膜系统，单座膜系统由6个膜处理单元组成，采用并联方式运行。每个膜处理单元设备主要有产水泵、反洗泵、真空泵组、补水泵、加药系统、吹扫风机、排空泵以及配套使用的阀门、仪表等，其中加药系统、吹扫风机、排空泵、补水泵为膜处理单元共用设备，如图1所示。各设备之间进行搭配实现MBR膜系统的产水、抽真空、维护性清洗、恢复性清洗等操作。

图1 MBR膜系统工艺流程图

①抽真空模式。系统进入启动状态或在产水过程中，当产水管压力小于设定值时，系统进入抽真空环节。停止产水泵，关闭产水阀，打开真空阀，启动真空泵组，当抽真空时间大于设定值后，关闭真空阀，停止真空泵组，系统完成抽真空模式准备进入产水模式。

②产水模式。打开进出水阀门，打开产水阀其他阀门均关闭，启动产水泵，选择恒流量运行模式。产水系统首先按照设定产水时间进行产水，然后按照设定休息时间进行休息，依次往复运行。当产水管压力小于设定值且产水量低于设定值时，系统切换至抽真空模式。当反冲洗压力设定值大于产水管压力或在线反洗周期时间满足，系统由产水模式切换为维护性化学清洗模式。

③维护性化学清洗。维护性化学清洗请求满足后，需要进行维护性化学清洗，以恢复膜组件的渗透能力[3]。停止产水泵，关闭产水阀，打开反洗阀，启动反洗泵，启动加药泵，打开加药阀，清水和药剂由产水管以反冲洗方式进行冲洗，药剂投加时间满足设定值后停止反冲洗和加药，实现膜组件药水混合液模式进行浸泡，浸泡设定时间后，打开吹扫风机和常曝阀，进行反洗吹扫。按照需求次数依次进行循环操作完成维护性化学清洗，系统由维护性化学清洗进入产水模式。

④恢复性化学清洗。当膜组件透水率小于100LMH/bar时（主要用于新膜），膜组件跨膜压差小于-50kPa时（主要用于旧膜）或离线清洗时间满足时，必须停止正常的产水流程，启动恢复性清洗[3]。按照一种MBR中控纤维膜恢复性清洗方法[1]中的操作流程进行膜组件的恢复性清洗，由人工完成药剂投加、清洗操作等工作，根据工艺要求确定清洗次数。如果需要酸碱先后清洗，则先按照上述流程先进行一种清洗，然后再进行另一种清洗，完成酸碱的先后清洗工作。

2 MBR膜系统中存在问题分析

成都市某污水厂在运行MBR膜系统一段时间后，存在以下问题：

①MBR膜系统吹扫曝气效果不好。MBR膜系统产水过程中，维护性清洗和恢复性清洗频繁，有效运行时间降低，跨膜压差增涨速度过快，膜通量下降明显，部分膜丝污堵严重，产水量急剧下降。分析其原因，除维护性清洗和恢复性清洗外，MBR膜系统在产水过程中采用吹扫风机对膜组底部曝气来改变膜丝表面液体流态，进而对膜丝进行曝气揉搓冲洗，实现高效除污效果，可以防止膜的表面污堵[4，5]。因此，膜丝曝气吹扫效果也是影响MBR膜系统性能的一个关键因素。一台吹扫风机为6个膜处理单元提高吹扫曝气，每个膜处理单元的工作模式可能处于不同阶段，无法通过改变风机频率实现曝气强度的变化，每个膜组吹扫以常曝阀常开进行吹扫曝气，吹扫风量恒定，在膜丝出现污堵现象时，曝气强度无法使堵塞物质脱落，为了解决这一问题，该污水厂目前通过提高风机频率增加曝气量和提升曝气强度，但同时也会增加风机能耗，运行一段时间后膜处理单元吹扫效果并不理想。

②MBR膜系统人工恢复性清洗效果不佳。MBR膜系统在长期运行中，膜污染问题必然发生，必须进行清洗，清除膜表面、膜孔内的污物，恢复生物膜的通透性。目前该污水厂MBR膜系统恢复性清洗流程由人工按照一种MBR中控纤维膜恢复性清洗方法[1]中的操作流程进行药剂投加控制、浸泡时间控制、清洗次数控制等操作。由于清洗流程工序多，设备操作频繁，人工操作存在操作不及时，操作过量等问题，影响MBR膜系统清洗效果，清洗效率低。

③MBR膜系统恢复性清洗后废液处理方式对生化池菌群造成不利影响。人工操作完成恢复性清洗后，将膜组中的废水药剂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区前端进行药液稀释，这种操作对生化系统造成冲击，破坏了生化池的菌群结构，对生化池菌群产生不可逆的破坏影响。

3 改造方案

针对成都市某污水厂MBR膜系统使用过程中遇到的以上问题，进行MBR膜系统吹扫曝气改造和恢复性清洗自动化改造。

①MBR膜系统吹扫曝气自动化改造。在MBR膜系统吹扫风管的常曝吹扫阀处增加叠加曝气阀旁路，间歇性控制叠加曝气阀开关，进而调整膜组吹扫风量，改变膜丝表面液体流态，提高曝气冲洗效果，改善MBR膜组吹扫曝气效果，并增加叠加曝气阀的自动控制。每个膜池由6个膜处理单元组成，常曝吹扫阀维持常开状态，吹扫风量应满足污泥浓度要求，根据叠加曝气阀的间隔设定时间，进行叠加曝气阀轮询开启关闭，实现叠加曝气阀的自动化控制。

②MBR膜系统恢复性清洗自动控制改造。根据该污水厂使用的一种MBR中空纤维膜恢复性清洗方法[1]要求，在膜组池上增加药剂投加点位改造，增加PH检测仪表，并进行PLC编程来实现自动控制。具体操作步骤为：

1）恢复性清洗的准备工作。停止需要进行恢复性清洗的膜组，通过排空泵将该膜组内污泥混合液排至污泥回流渠。人工进行MBR中空纤维膜的滤饼层清洗，通过补水阀对该膜组池进行补水。

2）恢复性清洗自动程序。根据该污水厂使用的一种MBR中空纤维膜恢复性清洗方法[1]操作要求，保证恢复性反洗药剂投加浓度小于多点位药剂投加浓度。根据工艺运行调试确定反冲洗、浸泡、曝气的具体设定时间。

3）清洗加药量计算方法。

根据膜组池的尺寸，和需要投加的药剂浓度，以及储药罐尺寸计算出储药管的变化高度，具体参考下式：

式中：

V—膜组池补水体积=膜池长X膜池宽X膜组浸没液位，m3；

N—药剂投加浓度的目标设定值，PPM；

μ—药品含量（%）；

r—储药罐半径，储药罐为圆柱形，m；

ρ—储药罐内的药品密度，mg/L。

提前设定药剂投加浓度的目标值N，恢复性清洗自动程序开始运行时，获取当前药剂罐中的药剂高度，通过上述公式求解投加药剂的目标高度，当达到目标高度时，停止加药泵并关闭加药阀门，加药动作执行完毕。

③MBR膜系统恢复性清洗后废液处理流程改造。MBR膜系统恢复性清洗完成后的控制模式由原来的将废水药剂混合液排空至污泥回流渠，改变为打开进水阀和补水阀、补水泵，并静置1小时，将膜组池内的废水药剂混合液汇入膜池内的其他膜处理单元进行稀释，然后启动该膜处理单元的产水模式，将废水药剂混合液在稀释的同时通过产水方式进行产出至清水池稀释，当PH检测结果满足出水要求（即6～9），表示该膜组池稀释完毕，打开出水阀进入正常产水模式。程序控制流程如图2所示。

图2 恢复性清洗废液处理流程图

4 实施改造效果

MBR膜系统改造完成后进行调试，经过一段时间运行，改造后的膜系统清洗频次明显减少，膜通量降低、膜丝污堵现象得到有效改善。通过恢复性清洗自动化控制改造，提高了膜处理单元的清洗效率，恢复性清洗通过曝气与反冲震动交替进行，实现强、弱搭配的“水气协同”清洗，能够最大化利用物理与化学清洗能力，同时进行恢复性清洗后废液处理流程改造，降低化学试剂对生物菌群结构产生的影响。改造后的MBR膜系统结构图如图3所示。

图3 MBR膜系统实施改造后的系统结构图

5 结束语

本次改造不仅成本低，可靠性高，扩展性强，提升膜系统曝气揉搓冲洗效果，改善产水时膜丝的工作性能和提高膜通量，通过对MBR膜系统恢复性清洗的自动化实现，也使膜系统恢复性清洗效果得到有效提升，同时极大地减轻了操作人员的劳动强度，提升了污水厂的自动化水平。使该污水厂的一种MBR中空纤维膜恢复性清洗方法在污水厂得到更好的推广应用，MBR膜系统的成功改造优化案例为其他污水厂的MBR膜系统改造提供了有益参考和重要经验，同时也为污水厂推动无人值守、少人值守打下了坚实基础。