前沿:MABR在芝加哥污水厂的最新中试结果分析

2018-10-15 09:41:52      点击:

MABR工艺在过去几年受到了水处理行业的注意,它的全名是膜曝气生物膜反应器(Membrane Aerated Biofilm Reactor),是一种基于氧气/空气的MBfR工艺。MBfR指的是基于膜传导的生物膜反应器 (MBfR-membrane biofilm reactor),关于此工艺IWA微信公众号曾在之前的推送《MABR工艺:污水厂实现能耗自给的可能性》里有关专门的介绍。

MABR工艺很好地结合了COD/BOD的去除、硝化/反硝化和厌氧氨氧化。目前MABR工艺的主要生厂商有苏伊士水技术(Suez Water Technologies & Solutions-Suez WTS,原GE水处理公司)的 ZeeLung 、爱尔兰的 OxyMem以及源自以色列技术的美国公司FLUENCE。其中位于芝加哥的O’Brien再生水厂是Suez WTS其中一个采用三级硝化的MABR示范项目,规模为2300PE。这是美国大芝加哥污水管理局(MWRD)在2015年开始与当时的GE水处理公司合作的项目。在2017年底,项目团队的三方代表——Suez WTS、MWRD和COTE膜分离公司,将接近一年的试验结果整理后发表在了IWA期刊Water Practice & Technology上。

背景介绍

美国大芝加哥污水管理局(MWRD)成立于1889年,其职能就是保护当地的河流湖泊。目前下辖7座再生水厂(WRPs)和22座提升泵站,每年的电耗约6亿kWh,其制定的2023年目标就是通过一系列的节能行动并增加可再生能源开发利用,达到完全能量自给。其中MABR就是他们需要验证的低能耗污水处理工艺之一。这个研究的目的是对MABR反应器在大型污水厂的低温高水力负荷条件下TSS和氮的去除效果和能耗情况进行评估,同时测试它能否满足未来的磷排放要求。他们在MWRD管理的O’Brien污水厂侧流段安装了一个商用级膜箱(membrane cassette),试验期为2015的6月至2016年5月。这份报告涵盖的是前9个月的结果。由于这个示范项目只能验证该技术的部分优点,所以他们还运用模拟计算加以辅助分析。

O’brien再生水厂概况

O’brien再生水厂(OWRP),始建于1928年,原名North Side WRP。2012年为纪念MWRD委员会的前主席Terrence J. O’brien在24年任期内的卓越贡献,委员会决定j将污水厂用他的名字命名。该污水厂采用初沉+传统活性污泥法去除TSS(总悬浮固体)、BOD和氨氮。在污水厂含有四条平行的处理线,每条线处理1/4的进水量。平均处理量为870,000m3/d,春季峰值流量可达1,900,000m3/d,。虽然目前没有关于磷的出水要求,但预计会在不久将来实施,而生物除磷是其首选方案。对目前的工艺配置而言,这意味着新增一条处理线来引入缺氧区。

项目组与著名的污水建模公司Hydromantis公司合作,基于成熟的MBBR工艺模型,开发了一个MABR生物膜模型。然后通过GPS-X模拟软件对混合MABR的表现进行预测。混合MABR指的是包含了悬浮生长和生物膜附着生长模式的微生物系统。

早在2013年,污水厂就用GPS-X软件对OWRP污水厂的一条处理线进行模拟。模拟结果很好地反应了实际数据,也确认了污水厂在春季峰值运行时很难满足氨氮的排放标准。在这期间,为了维持硝化菌的数量,MLSS浓度要增加到月2600mg/L,这导致二沉池超负荷运行,出水TSS也可能超标。另外模拟结果显示结合了MABR技术的改造工程能在相同的处理能力且不影响硝化作用的前提下将SRT从11天减少到6天,这使MLSS降至低于2,000mg/L,解决了二沉池的负荷问题,而且能满足1.0mg/L的磷出水标准,无需新增反应器体积或化学除磷。

MABR示范项目

为了更好地基于物料平衡来监测运行表现,示范项目放置在一个集装箱内进行,并将反应器体积最小化(17m3),而不是按实际情况一样将一个膜箱单元放到现有处理线内形成一个混合MABR系统。进入MABR系统的水为初沉池出水和回流污泥(RAS)的混合流,流速为65m3/h,出水进入现有生物反应池内,并跟其16min的HRT匹配(如下图所示)。

图1. MABR示范单元和工艺流程设计



试验周期为296天,实际分为了两期,如下图所示,前145天为第一期,膜箱含有64个模块组件,后151天为第二期,从原来的64个组件移除16个,以此检验膜空间密度对运行表现的影响。

图2. MABR膜模块

MABR的进气模式有两个目的。首先,空气自上而下通过膜内腔,为微生物提供氧气,并对氧气传递速率(OTR)进行计算。其次,膜箱底部会间歇性地释放粗孔混合器作混合和清洗,以控制生物膜的厚度。其工作原理图可以参考下面的视频:

处理效果

下图和表2是两个阶段的测试结果:

图3. 测试结果

表2. 示范单元结果概述

结果显示MABR反应器的MLSS与主线情况相似,平均值为2,160mg/L。DO值能基本维持为0,异常情况跟下雨、融雪和低碳氮负荷有关。出水氨氮为2.6mg/L(约70%的去除率)。过滤后的进水BOD值已经相当低(6.6mg/L),去除率约42%。平均的C/N比只有0.73,相当低。

膜表现

膜箱在测试阶段共被移除过5次作综合观察和生物膜采样。如上图2所示,膜箱在上面两次检验时的外观还是相当“干净”的,也就是没有生物膜过度积累的现象。反应器在1个月内形成200μm厚的膜,并在整个测试阶段维持在200-300μm的范围内,且没有发现膜漏损问题。

MABR膜表现通常用膜表面积来表示(如下图4),单位面积的OTR相当平稳,维持在8-12g-O2/d/㎡之间,其中第一阶段约27kg/d,第二阶段为20kg/d。报告指出有三个阶段的数据没有用于平均值的计算,包括第1-21天的生物膜启动器,第87-93天的曝气速率的减少调整期,以及第267-276天的氧气测试出现状况的时候。

图4. MABR膜表现



硝化速率如图4(d)所示,硝化速率在0.5-2.5g-N/d/m2之间波动,主要受氨氮负荷率和进料C/N比率影响。大部分传递的氧气都用于硝化作用,超过90%。这反应了MABR反应器的一大特点——硝化菌生长在靠近膜表面的生物膜内,一个富含氧气又受到“保护”的区域。

项目组还就曝气量对OTR的影响进行了测试,在第60-144天内,他们将曝气量从4.3L/h/㎡逐步减少至3.0L/h/㎡(30%减少量),直至2.1L/h/㎡(50%减少量),然后在回升至4.3L/h/㎡。结果显示30%的减少率并没有明显影响,但50%的减少量使OTR降低了20%。这是因为出气氧含量的减少降低了通过膜的氧气的渗透率。图5(b)显示了膜箱的混合频率对硝化速率没有影响。图5(c)则显示MABR在DO低于1mg/L的时候运作最佳。图5(d)表明硝化速率越高,反硝化和BOD去除效果越好。

图5. 各变量对膜表现的影响

 

能耗表现

MABR能降低生物处理的能耗,主要通过以下三个途径:

在更短的SRT内需要更少的需氧量(且不会影响硝化作用);

减少了同步硝化/反硝化的需氧量(且不再需要回流泵);

比微孔曝气扩散更高效的氧气传递效率。

研究团队指出,本次测试只展示了上述优点中的第三个,而且也没有得到完美体现。由于规模问题,这个实验的曝气是由压缩机而不是低压风机时间的,所以无法直接监测能效。另外只有一个膜箱不能充分利用间歇式的混合曝气,这需要更多的膜箱。尽管如此,作者认为通过图6的曝气效率的计算,已经可以体现出MABR膜的潜在效能。

图6. 膜传氧效率和未来改进预测

 

研究人员分析了6个不同情况下的曝气效率。其中蓝色的两个是这个测试中的实际情况,绿色是试验中直接反应的优化情况(包括曝气量和混合气的间歇频率等),红色是正在研发但有待验证的情景。按照他们的估算,氧气传递效率有两倍的增长空间。

结论

在9个月的测试期内,MABR膜显示出稳定的氧气传送速率,且大部分传递的氧气都用于硝化作用。结果显示MABR混合工艺能对现有生物工艺做出显著改善,同时减少了污水厂的能耗。

芝加哥MWRD的O’Brien再生水厂面临着春季高负荷的冲击,按照传统方法需要新建生化池解决脱氮除磷的要求。这个研究项目的生物膜模型分析表明MABR技术能在现有设施条件下完成改造。而为其一年的实验研究也部分显示出MABR膜性能的稳定性和未来可以优化改进的空间。


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