膜生物反应技术下的环境工程污水处理

陈 洁

（江西裕金咨询服务有限公司，江西 萍乡）

前言

膜生物反应技术是一种较为常见的污水处理技术，在环境工程中有着较为广泛的应用。在当前经济快速发展的背景下，污水处理已经成为环境工程中的重要内容。基于推动社会可持续发展和加强环境保护的目标，应在加强环境工程建设发展的过程中提高对于污水处理的重视，积极探讨包括膜生物反应技术在内的各类先进技术在污水处理中应用的实际效果，以此来更好地提升环境工程质量[1-2]。

1 膜生物反应技术

1.1 膜生物反应器工艺

膜生物反应技术主要依赖于膜生物反应器发挥作用，能够在传统活性污泥污水处理工艺的基础上，应用微滤膜过滤的方式来代替以往借助沉淀池对污水进行沉淀分离的过程，将这种微滤膜与活性污泥技术以合理的方法结合起来。现阶段应用于污水处理的膜生物反应器工艺分为一体式MBR 和分置式MBR两种（见图1）。

图1 分置式MBR（a）和一体式MBR（b）结构

在污水处理中应用膜生物反应器工艺，主要能够基于微滤膜的作用来实现对于污水中各类悬浮颗粒物、污泥、大分子有机物、胶体的截留，提高出水水质。整个处理过程所需的反应器体积也比较小，能够节约时间进行污水处理的面积。而微生物本身的生长状态也能够发挥减少淤泥产量的目的，进而有效节约用于污水处理的成本。

1.2 膜生物反应器应用范围

基于膜生物反应器的优势，其能够被应用到多种环境工程的建设发展当中。在市政污水处理方面，主要应用A2/O-MBR（厌氧/缺氧/好氧- 膜生物反应器）工艺，在截留污水中大分子污染物的同时，也能够实现生物脱氮除磷的目的；在工业废水处理方面，主要依赖膜生物反应器单元与配套的处理工艺组合而成，将整个污水处理分为前后两个阶段，前处理负责降低水中污染物浓度，调节废水指标，后处理负责进一步除去污水中的污染物和有机盐。

2 基于膜生物反应技术优化环境工程污水处理技术

在结合以往应用膜生物反应技术应用经验的基础上，发现受到现有技术水平以及环境工程建设发展要求等方面的限制和影响，膜生物反应技术存在一定的缺陷和不足，容易影响污水处理的实际效果。基于此，需要结合当前环境工程建设发展的实际情况，在明确膜生物反应技术原理的前提下，探讨能够有效提升工艺技术和污水处理效果的有效措施如下：

2.1 膜污染处理

2.1.1 膜污染情况分析

在长时间应用膜生物反应器进行污水处理的情况下，膜污染问题是容易影响污水处理效果的最主要原因。膜污染主要是由于MBR 混合液导致的，具体包含有机物以及有机物架桥的高价金属离子。考虑加强对于膜污染情况处理的目的，以某污水处理厂为例，基于环境工程污水处理的实际要求，对污水处理后的膜污染情况进行分析。

一般来说，处理规模通常为6 万m3/d，应用的二级处理工艺为A2/O-MBR 工艺（见图2）。该工艺应用的微滤膜标称孔径为0.04 μm。为分析膜污染情况，主要在同一膜池中进行采样，采样量为5 L，测定并记录MBR 混合液的温度、pH 值、DO 浓度、粘度等数值，确定采样频率为2 周，时间跨度为1 年。将采集到的MBR 混合液样品分别以上清液分离方法、污泥EPS分离方法、上清液有机物亲疏水性分离方法、上清液有机物分子量组分离方法进行分离处理，针对不同有机物的性质特点来选择合适的表征方法。

图2 污水处理厂MBR 工艺基本流程

在做好以上准备后，就可以结合表征结果来实现对于膜污染情况的计算和分析。对实际膜污染情况的计算，主要基于以下公式来实现：

在以上公式中，μ代表实际的过滤液粘度，单位为Pa·s；μ20代表水在20 ℃下的动力粘度，通常取1.002×10-3Pa·s；T 代表采样当天的温度，单位为℃；代表实际的过滤阻力，单位为l/m；TMP 代表跨膜压差，单位为kPa；J 代表总膜面积核算采样当日的平均通量，单位为L/m2·h。

将相关数值代入到以上公式当中，发现该污水处理厂应用的MBR 系统产水通量全年稳定在10 L/（m2·h）左右，相对应的日产水量为6 万m3/d。一年中，该污水处理厂5-10 月的TMP 值普遍低于30 kPa，而其余月份的TMP 整体偏高，最高超过60 kPa。

在实际计算分析中还发现，在考虑环境温度变化对膜生物反应器污水处理效果影响的前提下，以两种形式对微滤膜的过滤性能与温度变化之间的关系进行分析，得到的结果如表1 所示。

表1 温度与实际过滤阻力、上清液污染潜势的Pearson相关分析

结合表1 中的分析结果，微滤膜的过滤性能与环境温度之间能够呈现出显著的负相关关系。将该原理应用到实际的污水处理过程中，在温度越低的情况下，微滤膜应用过程中产生的实际过滤阻力也就越大，上清液膜污染潜势也越高。

基于以上原理，对膜污染情况进行处理，不仅需要结合污水处理的实际情况，还应考虑环境温度变化对膜生物反应技术应用效果产生的影响。

2.1.2 膜污染处理措施

为实现对于膜污染情况的处理，从理论的角度，通常采取调控混合液、优化膜组件构型、优化曝气模式等措施，主要用于延缓膜污染的发展。但考虑实际进行污水处理时不可避免会导致膜污染，主要应用在线清洗以及离线清洗两种模式来达到去除膜污染层、恢复膜的产水性能等目的[3]。

具体而言，选择草酸作为清洗微滤膜的主要药剂，以“酸洗- 碱洗”的顺序，充分发挥酸洗破坏污染层结构的作用，提升后续碱洗的效果，能够将最终的清洗效率达到81%左右。整个膜污染的清洗处理时长为72 h，划分为酸洗- 碱洗- 碱洗三个阶段，每个阶段持续24 h。将膜比通量的数值变化作为膜丝过滤性能的评判指标，用于判断衡量膜污染清洗处理的实际效果。

2.2 A2/O-MBR 生化池曝气控制

2.2.1 曝气控制原理

为实现对基于陌生污染应技术的污水处理工艺优化调整，还需将研究重点放到A2/O-MBR 生化池曝气控制上。在对环境工程中应用的MBR 工艺进行深入分析后发现，好氧池中氨氮浓度、溶解氧浓度和曝气量之间存在明显的相关关系。在考虑污水处理兼顾经济效益和社会效益的情况下，根据实际的需求，以氨氮浓度作为控制曝气的依据，对曝气量进行动态控制，则可以在稳定运行的前提下实现曝气能耗的高效利用。

在进行A2/O-MBR 生化池曝气控制研究前，首先需要明确曝气控制策略的原理。结合PID 控制原理构建的好氧池曝气控制系统流程如图3 所示。

图3 好氧池曝气控制系统流程

在整个控制流程中，首先需要基于实际出水需求和温度情况，手动设定氨氮浓度所需控制的设定点NHsetpoint。然后测定耗氧池中氨氮的实时浓度，将得到的浓度结果与氨氮设定点值进行比较，计算二者之间的误差大小。

在此基础上，以执行第一级PI 控制计算器的方式，对DO 浓度所需控制的设定点进行计算，计算公式如下：

式中，Bias1代表第一级控制器输出初值；Kp1代表第一级控制器比例系数；τ1代表第一级控制器积分时间；eNH代表实时浓度与氨氮设定点的误差值；ti、ti-1分别代表第i 次和第i-1 次控制器执行的时间，二者的差值即为控制器的动作间隔。

然后还需要测定好氧池DO 的实时浓度，计算实时浓度与设定点之间的误差。再依据相同的原理执行第二级PI 控制计算器。

2.2.2 曝气控制实验分析

在明确以上原理之后，通过实验的方法来确定能够进行曝气控制的有效方法，主要可以发挥计算机软件和算法程序的作用，确定相关参数的大致取值范围（见表2）。

表2 好氧池曝气控制策略参数优化中的参数取值

在确定参数取值范围后，利用软件程序来进行动态模拟，将动态模拟的结果，作为对氨氮浓度稳定性进行评判的主要标准和依据，从中选出最合适的参数组。考虑在不同的环境工程中应用的膜生物反应器工艺设备数量和规模存在差异，因而实际获得的参数取值范围也各不相同。

在获得相应的参数结果之后，对得到的动态模拟结果和实际的污水处理流程模拟输出数据进行对比分析，可以实现对膜生物反应技术应用的节能运行效果的分析。这一对比过程中应用的软件模型，主要以随机生成的进水水量和水质数据作为输入数据，结合环境工程中应用的膜生物反应器工艺运行情况来确定数据随机值的具体范围。将获得的数据输入到表格软件中，以随机值函数的方式生成更直观的数据关系图，不仅可以将数据直接作为模型输入的主要数据，也可以明确数据之间的关系[4]。

2.2.3 曝气控制策略

为更好地提升污水处理效果，在环境工程中实际应用膜生物反应器技术，通常需要采取与其他相关处理技术相结合的方法或配套工程来进一步提高出水水质。对A2/O-MBR 工艺中的生化池曝气进行控制，主要可以采用PI 反馈控制的原理方法，依赖软件系统控制程序来实现对污水处理设备的优化控制，以构建模拟模型的方式，基于相关的参数变化来实现动态模拟优化控制，在达到降低膜生物反应器工艺能源损耗目的的同时，也能够节约用于污水处理的实际成本，提升环境工程整体的经济性。

具体而言，应在结合以上模拟实验结果的前提下，充分发挥控制器的作用，在实际的工艺运行中，启动控制器后由输出信号向好氧池应用的污水处理设备发送信号程序，并实现对设备整体运转状态的实时监控，同时也应注重好氧池中氨氮浓度的变化情况。依据获得的污水处理设备相关参数变化情况，对实际报体量以及估值处理设备的实际运行功率进行核算分析，依据核算结果对膜生物反应器工艺的实际能耗效果进行分析评价。应用这一控制策略，不仅能够有效提升工艺实际应用的节能效果，也能够让整个环境工程获得更短的效益回收期，因而能够兼顾经济效益和社会效益提升环境工程的建设发展水平。

结束语

综上所述，膜生物反应技术是一项能够有效满足环境工程污水处理需求的技术。以该技术为基础实现对于环境工程污水处理效果的优化，已经逐渐成为污水处理发展的主要方向和趋势。基于此，应在充分考虑当前膜生物反应技术应用存在问题的前提下，采取积极有效的优化措施来保障和提升污水处理的实际效果，从而更好地为经济和社会发展所服务。