MABR（膜曝氣生物膜反應(yīng)器）在芝加哥污水廠的最新中試結(jié)果
2018-05-09 09:12來(lái)源：IWA國(guó)際水協(xié)會(huì)
MABR工藝在過(guò)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(ài)爾蘭的 OxyMem以及源自以色列技術(shù)的美國(guó)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(jí)硝化的MABR示范項(xiàng)目，規(guī)模為2300PE。這是美國(guó)大芝加哥污水管理局(MWRD)在2015年開(kāi)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(guó)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�。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(guò)一系列的節(jié)能行動(dòng)并增加可再生能源開(kāi)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(duì)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(píng)估，同時(shí)測(cè)試它能否滿足未來(lái)的磷排放要求。他們?cè)贛WRD管理的O’Brien污水廠側(cè)流段安裝了一個(gè)商用級(jí)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(méi)有關(guān)于磷的出水要求，但預(yù)計(jì)會(huì)在不久將來(lái)實(shí)施，而生物除磷是其首選方案。對(duì)目前的工藝配置而言，這意味著新增一條處理線來(lái)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(kāi)發(fā)了一個(gè)MABR生物膜模型。然后通過(guò)GPS-X模擬軟件對(duì)混合MABR的表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)�；旌螹ABR指的是包含了懸浮生長(zhǎng)和生物膜附著生長(zhǎng)模式的微生物系統(tǒng)。
早在2013年，污水廠就用GPS-X軟件對(duì)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(wèn)題，而且能滿足1.0mg/L的磷出水標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)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(lái)監(jiān)測(cè)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)。
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(lái)的64個(gè)組件移除16個(gè)，以此檢驗(yàn)?zāi)た臻g密度對(duì)運(yùn)行表現(xiàn)的影響。
MABR的進(jìn)氣模式有兩個(gè)目的。首先，空氣自上而下通過(guò)膜內(nèi)腔，為微生物提供氧氣，并對(duì)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(cè)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(guò)濾后的進(jìn)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(cè)試階段共被移除過(guò)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(méi)有生物膜過(guò)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(cè)試階段維持在200-300μm的范圍內(nèi)，且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)膜漏損問(wèn)題。
MABR膜表現(xiàn)通常用膜表面積來(lái)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(méi)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(cè)試出現(xiàn)狀況的時(shí)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(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(guò)90%。這反應(yīng)了MABR反應(yīng)器的一大特點(diǎn)——硝化菌生長(zhǎng)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(duì)OTR的影響進(jìn)行了測(cè)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(méi)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(guò)膜的氧氣的滲透率。圖5(b)顯示了膜箱的混合頻率對(duì)硝化速率沒(méi)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。
能耗表現(xiàn)
MABR能降低生物處理的能耗，主要通過(guò)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(cè)試只展示了上述優(yōu)點(diǎn)中的第三個(gè)，而且也沒(méi)有得到完美體現(xiàn)。由于規(guī)模問(wèn)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(wú)法直接監(jiān)測(cè)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(guò)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。
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(cè)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(zhǎng)空間。
結(jié)論
在9個(gè)月的測(cè)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(duì)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(lái)可以?xún)?yōu)化改進(jìn)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
