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MABR(膜曝气生物膜反应器)在芝加哥污水厂的最新中试结果

关注:日期:2018-05-10

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)。

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)。


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。


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:



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。


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