聊聊：膜生物反应器[MBR]系统运行管理
在活性污泥法发展100多年来，一些新的工艺在随着科学技术的发展而在活性污泥法中得以应用。膜处理工艺作为新兴的材料科学在水处理行业中得到一些应用，在饮用水行业中的微滤，超滤，纳滤，反渗透等使用各种不同孔径的膜材料进行的净水过滤技术都已经实现的，也应用到了普通人的家里的净水装置上，在污水处理行业，随着对处理出水水质的不断提升严格标准下，膜技术也逐步开始在污水处理中得到应用，一些对水质要求较高的污水厂，采用了MBR（Membrane BioReactor）膜生物反应器来作为活性污泥处理工艺中的一部分，在一定程度上提升了污水处理的效果，但是也带来了一些运行管理的难题。在讨论MBR的运行管理之前，我们先来简单了解下MBR究竟是什么。在很多技术领域中，广泛使用膜进行工业生产，进行物质之间的有效分离。膜是一种在一定的条件下（比如压力、浓度、电离作用等）使一些特定的物质通过具有通过能力的薄层，实现不同物质之间的分离、浓缩、提纯等，简单的说就是在特殊条件下才能实现特定过滤效果的薄膜。根据薄膜的渗透的孔径不同，可以分为微滤膜，超滤膜，纳滤膜，反渗透膜，渗析膜、电渗析膜等。与水处理相关的主要是前四种，这四种都是以压力差为动力的膜分离的过程，就是在膜两侧存在一定的压力差时，混合液的一部分溶剂和小于膜孔径的物质组分就会通过膜，而大于膜孔径的微粒，大分子，盐类，微生物等就会被膜截留下来。大面积应用在污水处理行业中的，主要是以微滤膜为主，各种膜之间的区别如下表：
膜微滤超滤纳滤反渗透
膜孔径（μm）0.05~100.001~0.050.0005~0.0010.0001~0.0005
截留物质悬浮物微粒，细菌生物大分子溶剂、溶质大分子、离子溶剂相对分子质量>1000
将这几种膜和水处理行业中的砂滤做对比如下图所示：
不同的膜对水中各种物质的拦截能力不同，污水处理厂的出水对更细微的物质没有特殊要求，本身生活污水中的金属离子等的含量都比较少，一般很少用到后续的超滤、纳滤、反渗透膜作为生产用膜，主要应用的是以微滤膜为主。
在活性污泥法中，其中最重要的一环就是活性污泥的泥水分离，污水厂中通常使用的是二沉池作为泥水分离，将上清液和活性污泥在一个相对静止的构筑物内进行分离，上清液从构筑物上方流出，污泥通过污泥回流泵回流到生物池中。但是传统的二沉池在运行中存在污泥上浮、污泥泡沫，细碎污泥、污泥膨胀等各种因素的影响，导致二沉池出水中的悬浮物较高，后期必须增加深度处理单元的加药、沉淀、过滤来进行二沉池出水的再次净化，这也就是深度处理工艺的设置的原因。
由于微滤膜的孔径相对较大，很多离子，包括一些小型的分子都是可以通过的，因此微滤膜不是作为污水处理的主体来应用的，而对于有机污染物，营养元素都是无法被微滤膜截留的，因此污水处理的主体处理工艺仍是活性污泥法。微滤膜仅是作为活性污泥法的一部分进行使用的，由于微滤膜的孔径在0.05~10μm之间，只有小于这个孔径的水及水中的物质才能通过，活性污泥絮凝体直径一般为0.02~0.2mm之间，因此活性污泥絮凝体是无法通过微滤膜的，因此微滤膜对活性污泥具有的良好的分离性能，利用这个特性，在活性污泥工艺中的应用就是进行活性污泥和水的高效分离，使用微滤膜取代了二沉池进行泥水分离，实现了更清洁的处理出水。采用微滤膜进行活性污泥的泥水分离以后，减少了原有的二沉池和深度处理单元，缩短了污水厂的工艺流程，减少了污水厂的占地面积等。
微滤膜的使用不能脱离活性污泥法，它只是替代了活性污泥法中的泥水分离的二沉池，是作为活性污泥法中的一个组件，同时由于微滤膜在使用中和活性污泥中的微生物接触，在生产过程中要考虑生物对膜的影响，也有使用膜作为硝化反硝化的工艺应用，所以在污水厂大量使用的微滤膜成为MBR，就是膜生物反应器，是一个独立的反应装置，作用等同于二沉池及后续的深度处理构筑物的固液分离作用，而污水中的有机物去除，营养元素的去除等还是依赖于活性污泥法这个工艺主体来进行的，所以所谓MBR一般不能单独称为一种工艺，只能是A２O＋MBR或者AO＋MBR，氧化沟＋MBR等，MBR不是单独的工艺称谓。
MBR膜组件有浸没式和分离式两种:
通常的污水厂的MBR组件都为分离式的，就是在生物池外部建设一组MBR池，将MBR组件放入到MBR膜池中，这样运行管理更为方便，对MBR膜的观察，清洗，检修都更加适合。
MBR膜在经过多年的发展，已经出现了各种各样类型和结构的膜，这些膜从不同的方面对现有的MBR处理流程中的问题进行了应对性的处理，发展出各种不同类型的MBR膜，有平板膜，中空膜等等。在实际生产实践中，可以根据厂内的实际需求选择合理的MBR膜。
关于MBR的原理性的分析和介绍，在这里就不展开进行说明了，对于污水厂的运维管理人员来说，对于任何工艺设施设备，更需要知道是如何保证它达到它的设计标准，帮助运行管理人员更好的保持污水处理工艺的运行，保持良好的出水水质。关于MBR膜本身的研究和深入的机理其实对运行人员并不是很重要，当然有兴趣的人员可以通过各种资料来深入的学习MBR膜的相关知识。
MBR作为取代二沉池的膜生物反应器，它利用了膜的细微孔径在一定压力下实现的活性污泥的泥水分离，基本的原理是这样，但是要把这样的原理应用到实际生产中，还需要很多技术细节的实施。MBR在多年的发展中不断地改进和完善生产工艺，在实际生产中起到更加良好的泥水分离作用。
作为MBR膜在进行过滤模式中，主要的过滤方式有死端过滤和错流过滤，如下图所示：
图中ａ为死端过滤，和化验室中进行的滤纸过滤的原理相同，但是很容易快速堵塞，而且膜的渗透速率会直线下降，直到彻底堵塞，渗透液完全不能通过MBR膜。而错流过滤会在膜渗透速率下降到一定程度后形成平台形式，但是不会影响浓缩液的回流，也同时也仍有一部分渗透液的继续通过MBR膜。在MBR的实际使用中，浓缩液和渗透液会通过两个途径从MBR池中抽升离开，也就是MBR的污泥回流泵和清水抽吸泵的作用。
随着活性污泥颗粒不断的堆积到MBR膜表面，就会造成MBR膜的堵塞，那如何保持膜表面的清洁呢？在MBR工艺中引入了膜擦洗风机，通过高强度的曝气对膜表面的堆积的活性污泥颗粒擦洗下来，保持MBR膜的通量。
下图使用平板的MBR膜来说明膜擦洗风机对MBR的运行中的清理作用，可以看到蓝色的空气泡从MBR膜表面对堆积的活性污泥的一个吹扫擦洗的作用，通过在MBR组件池中的高强度的曝气产生的空气泡，将MBR膜表面的膜堆积的活性污泥颗粒吹离MBR膜，从而恢复MBR膜的膜通量。
由于MBR是作为活性污泥法的一个组件，在运行中会受到活性污泥中的胶体、絮凝体、微生物的生物黏附污染，在MBR工艺中会有两种清洁过程：物理清洁和化学清洁。使用空气进行清洗的是物理清洁，但是要对MBR表面的微生物黏附的污染，就需要进行化学清洗。化学清洗通过在MBR模组池内投加化学药剂，通常为次氯酸钠、柠檬酸等，消杀MBR膜表面的微生物黏附，以消除因为微生物结垢导致的跨膜压差变大影响。化学清洗可以根据生物膜的生长程度进行在线清洗和离线浸泡清洗两种方式进行。在一些大型的MBR工厂中，要考虑在运行中，离线清洗对整个工艺流程和处理水量的影响，要做好充足的计算和准备。
这就是MBR的生产运行的基本的原理，当然在实际的使用中还有更为复杂和精细的设备来保证MBR反应器的稳定运行，对于MBR膜的日常运行中，还需要了解一些关键的参数：
（１）膜通量：
膜通量是指物料（在MBR工艺中特指处理后的出水，）在单位时间通过单位膜面积的量，一般用J来表示，单位为m3/（m2·s），或者简化成m/s，有时也称为渗透速率或过滤速率。在实际的生产中，对厂内的MBR的膜通量进行观测和记录，是对MBR过滤效果的一个衡量，并以此来确定MBR膜出水量的大小，确定MBR是否需要进行清洗工序等。特别是在北方污水厂受温度影响较大的地区，要注意冬季温度对膜通量变化的影响，一般以２０℃的膜通量为基准数值，对不同的温度下的膜通量可以通过公式计算：
Ｊ＝Ｊ２０×１.０２５（T－２０）
其中J２０为２０℃下的膜通量，T为实际运行的水温。
通过公式可以看到，随着温度的降低到低于２０℃以后，膜通量也会随之下降，反之则增加。在日常管理中的，特别是北方四季明显的地区，要考虑温度对MBR膜的膜通量的影响作用，在冬季期间采取合理的工艺管理措施。
（2）跨膜压差
在MBR膜过滤过程中，需要施加一个外力来使物料通过MBR膜，这个外界施加的驱动力是为了消除MBR内外的压力差，因此把它称为跨膜压差，用TMP来表示，单位是Pa。跨膜压差在实际运行中也反映了MBR膜的污堵程度，在运行跨膜压差越大，说明MBR膜表面堆积的活性污泥也就越多，需要进行膜冲洗的工序。
这两个参数在MBR膜工艺运行中，是对膜的过滤能力的描述，在运行中，要注意收集这两个参数在日常运行中的变化，通过膜过滤能力的日常观测，建立在活性污泥的不同运行工况下膜过滤能力的变化，从而预判膜清洗成本，实现MBR膜的精细化管理。
MBR反应器在运行中，最大的困扰来自于MBR膜的结垢和污堵造成的膜通量下降的问题。膜通量下降会使处理水量下降，造成污水厂的运行负荷无法达到正常运行负荷，需要用大量的资金和时间来进行膜的物理和化学清洗，恢复膜通量，但是在没有全面系统的管理条件下，膜通量的下降时间会越来越短，清洗频次也会越来越多，最终导致MBR膜无法正常运转，在污水厂中，对膜污堵和结垢的原因进行管理，是MBR工艺的重要管理内容。
MBR膜反应器作为活性污泥法中的一个组成部分，替代了二沉池和深度处理单元，因为这个原因，在MBR的运行中仍要结合活性污泥法中的一些因素来进行运行管理工作。下面从几个方面和大家一起探讨MBR的运行管理工作。
一、预处理设备。
城镇污水中常常含有大量的细小的悬浮物和棉织物的纤维，动物毛发等，这些细小的悬浮物和纤维、毛发在预处理段要进行非常有效的去除，否则这些悬浮物和纤维会将MBR膜的中空纤维编织和捆绑起来，使中空纤维膜丝捆扎成一束一束，活性污泥的混合液无法进入到束内的膜丝进行过滤，造成膜通量的下降。因此在采用MBR膜反应器的污水厂，特别是后期改造的污水厂对于前端的预处理设备，特别是格栅的选用一定要充分考虑细小的悬浮物和棉织物纤维的去除。一般为了有效去除这些物质，会采用粗、中、细三道格栅，或者是粗、细、膜格栅。最终的膜格栅要采用1mm~0.5mm的过滤间距，并且采用高压水冲洗的方式进行清渣处理，这样才能有效去除污水中的细小悬浮物和纤维。
在污水厂进行改造或者新建设计之初，如果确定采用MBR膜反应器，应对进水水质进行不同孔径的筛分过滤，根据不同孔径的金属筛网过滤后的杂物来判断和确定应采用什么密度的格栅来对污水中的物质进行去除，以免在MBR膜的后期运行中，造成膜运行和更换成本的上升。
另外在很多研究和实际运行中发现，进水中存在油类、油脂等都会对MBR造成很严重的污堵情况，对大量存在油脂的进水，要进行机械刮油和气浮除油等，对油脂进行去除，以免造成MBR膜污堵和结垢。
二、污泥培养。
MBR膜是活性污泥为主体的工艺类型，在运行初期需要进行活性污泥的培养，而活性污泥的正常的培养需要微生物的培养和增殖，整个过程较为缓慢。但是很多污水厂工程在前期受到各种因素制约，进展缓慢，工程完工都是在上级检查的最后期限之外了，因此对于调试期间根本无法按照正常自然增长的活性污泥来进行，往往需要从别的污水厂拉运已经成熟的活性污泥，这种接种培养的过程从原理上没有什么问题，很多污水厂也是这样进行培养的，但是对于MBR工艺，还要有一点一定要进行注意的，就是拉运的其他污水厂的污泥，如果不是MBR工艺的，前端没有多重的格栅进行污水细微悬浮物的去除，活性污泥中存在大量的悬浮物，纤维，毛发等。这些物质会使MBR膜丝缠绕成束状，导致内部无法进行过滤，造成膜通量下降，因此即使从其他污水厂进行拉运污泥接种培养，也要注意从进口的膜格栅进行过滤后进入生物池，以免堵塞MBR膜丝。
除去拉运接种污泥要进行注意以外，还有重要一点需要运行人员注意，就是在培养初期，不能使用MBR膜。对于MBR来说，可以将活性污泥系统的污泥浓度提高到很高的浓度，活性污泥浓度越高，絮凝体越大，在通过MBR膜时就会越容易被擦洗气体带走，不容易堵塞。但是在培养初期，活性污泥絮凝体较小，很多絮凝体成针状的结构，这种结构非常容易嵌入到MBR膜丝中，导致MBR膜丝堵塞，因此在活性污泥培养期间，MBR膜分离器不应投入使用，以免造成MBR膜使用的周期缩短，膜通量下降速度加快。
三、日常运维项目检测。
对于在MBR的日常运维管理中，运行人员需要对系统的一些参数进行日常的检测，通过这些数据的检测，逐一对MBR系统的运行效果进行判断，日常的检测项目表如下：
工艺过程检测项目
曝气池DO，MLSS，泡沫、EPS、滤纸过滤效果等。
出水水温，PH值，浊度（或SS），常规的水质分析包括COD、氨氮等
MBR模组跨膜压差TMP，膜通量等
其中（1）DO：当MLSS浓度高时，氧气的消耗能力增强，溶解氧就会降低。而MBR工艺的优势在于控制高污泥浓度，因此，在日常运行中，重点要确认好氧池中的溶解氧浓度，，以免生物处理所需的好氧条件不足，造成处理能力下降。。
（2）生物池中的MLSS：当MLSS浓度过高时，会导致氧气供给不足和MBR膜的堵塞。因此，在系统内维持合理的MLSS浓度是日常管理需要认真进行的工作。由于MLSS浓度的设置根据各个污水厂的流入污水的浓度和MBR膜的处理条件而有所不同，因此运行管理人员需要通过长期的MLSS检测和MBR膜的运行工况，出水水质来综合确定最佳值，同时还要必须确保足够长的污泥龄SRT来维持硝化和反硝化反应的进行。
（3）泡沫：曝气池上的泡沫，不论是启动泡沫还是生物泡沫，都会将大量的泡沫表面堆积的固体杂质粘固在MBR膜丝表面上，造成MBR膜丝的污堵，导致膜通量下降，对生物池的泡沫的工艺管控，也是在MBR系统中重要的管理内容，通过季节性的工艺调控，降低生物池泡沫的产生，以保证MBR膜的良好运行，是运行人员需要认真对待的。
（4）EPS：细胞外多糖物质，很多研究都已经明确，EPS对MBR膜丝的结垢和污堵有着直接的关联，在有条件的MBR厂内，应该将EPS作为日常监测项目，对EPS引起的污泥泡沫，膨胀等问题及时发现，并采取相应的工艺调控措施进行管控，以保证MBR的膜通量。
（５）滤纸过滤效果：活性污泥中的各种微生物，絮凝体，悬浮杂质，包括EPS对MBR膜的过滤性都会产生严重的堵塞和结垢，如果能提前检测活性污泥的过滤性能，就能采取相应的措施来改变活性污泥的，保持MBR膜的膜通量，因此可以在化验室进行滤纸过滤速度的检测。一般可以根据５C的定量滤纸进行过滤，并计算规定时间内过滤的液体容量来判断过滤效果。如果活性污泥通过滤纸的水量为5 mL ／５分钟或更少，则MBR膜设备的过滤性能可能会降低。由于膜的污染，即使具有足够的渗透性，跨膜压力也会增加。因此，有必要经常检查渗透率。下图是用滤纸测量过滤效果的方法：
（６）MBR膜出水的浊度和SS：确认出水中的SS含量，以确保MBR膜丝有没有膜破裂或异常。
（７）膜滤水的常规水质分析：通过分析膜出水中的COD或氨氮来确定好氧池中的DO是否充足，保持出水水质的稳定。
（８）跨膜压差、膜通量：通过日常监测跨膜压差和膜通量数据，判断MBR是否堵塞，或者堵塞的临界量，来进行有效的清洁，以确保有效的日常运行，同时也要分析堵塞原因，以便今后进行更好的预先管理。
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