纏繞卷式膜曝氣生物膜反應器工藝特性及農村污水處理應用實踐

孫 勇 孫德翀 楊旺政

(1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120；2.富朗世水務技術(江蘇)有限公司上海分公司，上海 200126)

黨的十八大以來，各種農村污水處理技術得到大量應用，積累了大量建設、運行和養(yǎng)護經驗[1]，[2]1-2。農村污水從末端處理來講，國內主要采用一體化裝置處理技術、生態(tài)處理技術以及一體化裝置預處理+生態(tài)穩(wěn)定處理組合技術等幾類[3]。我國“美麗鄉(xiāng)村”新發(fā)展階段和“雙碳”目標當下，對農村污水低碳減污運行、資源化可持續(xù)發(fā)展提出了更高要求，也需要適應我國農村污水收水特點的新型農村污水處理技術。新型技術不僅用于新建設施，更要對現有農村污水處理設施進行原位組合、疊加、迭代進而“有機”更新，而不是大拆大建[4]23，[5]。

纏繞卷式膜曝氣生物膜反應器(MABR)工藝將氧氣分離膜(透氧膜)與生物膜法相結合，是近年來國際污水處理領域新興技術。其獨特的膜片材質、防堵塞膜組件與超低能耗、低產泥量等特性，賦予了我國污水一體化處理技術新發(fā)展方向。針對我國農村污水收水特點，以此技術為核心形成的處理裝置具有占地面積小、運行穩(wěn)定、耐沖擊負荷、節(jié)省碳源藥劑投加等工藝特點，也具有防堵塞、低產泥、易損易壞件少、檢修維護方便等維保特點；既可作為獨立處理設施，也可用作生態(tài)處理設施前道預處理，近年來獲得很多成功示范應用。

1 纏繞卷式MABR膜材質和膜組件

纏繞卷式MABR是一種新型膜組件，屬于平板膜[6]。采用復合式平板透氣膜基材，內置線性低密度聚乙烯 (LLDPE)導氣網格板，對兩側膜片進行支撐；外置LLDPE波紋板對膜外側過流污水進行導流并輔助膜片外支撐。為提高裝填率，將復合膜板和外置LLDPE波紋導水板同心纏繞成卷式，形成良好水力條件、裝填率高、快速安裝的一體化膜組件。

1.1 膜材質

采用聚偏二氟乙烯(PVDF)內膜-聚二甲基硅氧烷橡膠 (PDMS) 外膜復合材質，二層復合非對稱結構。內膜為PVDF疏水微孔膜，具有強度高、抗污染能力強、耐化學腐蝕特點，其作為支撐層，可對外膜進行穩(wěn)定支撐。在膜外表面，界面聚合改性后的PDMS作為表覆層，厚度為幾個微米，屬于超薄皮層復合膜。二者復合既克服了PVDF疏水微孔膜氧氣選擇性不強的缺陷，也克服了傳統(tǒng)厚層致密硅膠膜泡點壓力高、跨膜阻力大、氧氣通量小的缺陷。外覆膜改性后，油滴類物質在表面上形成潤濕角>90°的顆粒，物理黏附力不牢，在層間水量擾動下極易被沖洗帶走，防止污染膜表面。界面改性后的硅膠外表面ζ界面電位為正電，也有助于負電荷生物膜吸附掛膜[7]。

1.2 膜結構及生物膜形態(tài)

不同于微孔曝氣器產生的1～2 mm粒徑空氣氣泡混合擴散[8]，纏繞卷式MABR膜曝氣只產生微米級氧氣氣泡，透膜后氣液兩相接觸面積大，快速發(fā)生飽和溶解，高濃度溶解氧分子以濃差梯度方式向外擴散傳輸，對生物膜無任何機械混合擾動，不干擾生物膜層間微生物附著形態(tài)，形成明顯的內層好氧、外層缺氧狀態(tài)。MABR具有活性污泥和生物膜“雙泥”特性和除碳、硝化反硝化同步去除特征。

1.3 膜組件構造

纏繞卷式MABR膜組件內部結構和外形分別見圖1和圖2。膜片內部為LLDPE注塑成型超薄塑料導氣網格板，對膜片進行強度支撐。網格板具有極好的韌性，拉伸強度>12 MPa，斷裂伸長率>500%，可進行較大角度的彎曲纏繞。網格板煉塑時加入炭黑或者鈦白粉，形成黑色或銀白色網格板，可耐紫外線老化。網格板可對注入的低壓膜曝氣空氣進行導流布氣，使得兩側膜面透氧出氣均勻。其為非極性材料，可對注入空氣中的微小塵埃進行靜電吸附，避免堵塞膜內表面，起到截留保護作用。膜外側用LLDPE波紋導水板作為外支撐。波紋導水板包裹于兩圈纏繞膜片之間，使得相鄰膜間隔5 cm以上，提供較大的過水通道，防止堵塞。波紋導水板、雙層膜片以及膜片間網格導氣板兩端封口，三者同心纏繞成螺旋狀，成為纏繞卷式MABR膜組件。卷式膜組件相對于平板膜或者中空纖維膜，既具有中空纖維膜較高裝填率、較大膜表面積特點，又具有平板膜強度高、抗纖維纏繞、機械穩(wěn)定性好、抗污染、清洗便捷、壽命長的特點。

1—PVDF支撐層；2—PDMS表覆層(親水改性)；3—疏水微孔氣體通道；4—附著生長致密生物膜；5—導氣網格板；6—支撐盤；7—進、出風軟管；8—環(huán)氧樹脂密封；9—波紋導水板；10—懸浮活性污泥絮體

1—纏繞卷式膜；2—上、下布水板；3—進風軟管；4—出風軟管；5—空氣卷掃進風管；6—不銹鋼穿孔曝氣管；7—膜組件固定支架

同心纏繞后形成的卷式MABR膜組件視水深高低，可單層或多層疊加浸沒放置在污水處理生化池中。膜組件上下部為聚乙烯材質高空隙進出水布水板，兩側配有聚氯乙烯(PVC) 進、出風軟管。來自低壓風機的空氣從進風軟管進入后，通過內置導流板在同心各層膜片空隙間依次流動，保證各個流通面高效透氧。由膜片間的導流板支撐外側水壓力，過流空氣壓力只需克服導流間流通阻力、復合透氧膜內層微孔過流擴散阻力、膜外層改性硅膠滲透阻力，不需克服外側靜水壓，和傳統(tǒng)的污水底部鼓風曝氣相比，風機供風壓力極大降低，極高的傳氧效率也使氣量大為減少。發(fā)生透氧后的尾氣(含N2等)從出風軟管外排，沒有外部污水相的揮發(fā)性有機物滲透至氣相，排放尾氣不含任何污水氣溶膠成分，對水面大氣空氣污染極大降低[9]56。膜組件底部設不銹鋼穿孔曝氣管，釋放的大氣泡定期對膜組件進行曝氣卷掃，吹掃膜外導水板堵塞污泥和老化生物膜。整個膜組件通過不銹鋼固定支架進行組合，與池底預埋件固定。

2 纏繞卷式MABR農村污水處理典型工藝、適應性及運行能耗分析

2.1 典型工藝

典型工藝如圖3所示，工藝以缺氧+好氧生物脫氮型為主，由進水調蓄池及提升泵井、生化池(缺氧池+好氧池)和沉淀池組成。調蓄池入口設內進流提籃斜條粗格柵，攔截進水中砂礫、石塊等大顆粒雜質。進水調蓄產生的沉淀底泥定期進行泵排清撈。出水端設浮渣擋板和撇渣管，攔截油脂。出水提升潛污泵設在外進流套筒斜條細格柵內，根據設定水位啟停。池內沉淀底泥、攔截粗細柵渣、撇除浮渣(食物脂肪、礦物質油、油脂等)，可與禽畜糞便、污水收集管道通溝污泥一道進行好氧堆肥，返田資源化利用。缺氧池內放置一層或多層纏繞卷式MABR膜組件，底部安裝環(huán)形不銹鋼穿孔曝氣管，產生的3 cm以上大氣泡發(fā)生氣提效應，使混合液在同心各層膜片間的上下流均勻流動，利于進水底物和生物膜之間接觸傳質。進風來自低壓側流式變頻風機，膜內進風在同心纏繞各層膜片內透氧后，剩余尾氣外排至池面以上。排放尾氣不含任何污水氣溶膠成分，無異味臭氣溢出，也無介水病菌或病毒隨氣溶膠外溢產生公共安全風險[9]58。缺氧池內形成生物膜和活性污泥“雙泥”共存、污染底物和溶解氧異向傳質、同步硝化反硝化，利用內源碳源進行反硝化，不需額外投加商品碳源。缺氧池出水后進入好氧池(采用活性污泥法)，池底微孔曝氣器底部鼓風曝氣供氧，進一步削減混合液中的COD和穩(wěn)定水質，采用低能耗靜音空浮風機供風，風機設兩路出風管，一路至缺氧池底部空氣卷掃穿孔管，另一路至好氧池底部曝氣器。進入末端沉淀池前，可投加化學除磷藥劑進行同步化學除磷。泥水分離沉淀池采用輻流式或平流式池型，沉淀后污泥外回流至缺氧池，剩余污泥外排，可與調蓄池沉淀污泥協(xié)同好氧堆肥。沉淀池出水可后接不同的深度處理設施，滿足不同出路污水的資源化回用要求。上述典型工藝具體應用時，可將前后段進行集約化組成，形成共壁一體化裝置形式，以減小占地面積，提高設備能效。

1—進水管件；2—提籃斜條粗格柵；3—套筒斜條細格柵；4—潛污泵；5—浮動撇渣管；6—便攜式排污泵；7—膜組件；8—不銹鋼穿孔曝氣管；9—側流式變頻風機；10—微孔曝氣器；11—空浮風機；12—電動蝶閥；13—刮泥機；14—PVC斜管；15—污泥回流泵；16—剩余污泥泵

2.2 農村污水處理適應性分析

鑒于水量、水質、收集管網等現狀，無論是小戶數(3～10戶)散點小集中處理，還是村落多居戶統(tǒng)一集中處理，甚至是大型村落組團集中處理，農村污水都存在水量季節(jié)性波動、雨季雨水混入、水質經常性或季節(jié)性變化、沉積物和懸浮物偏多等諸多問題，如果處理設施運行和保養(yǎng)不利，往往會造成設施堵塞、設備運行不正常、出水水質不穩(wěn)定等問題[4]24。纏繞卷式MABR工藝預處理段設置兩道斜條格柵和浮動撇渣管，斜條格柵獨特的斜切向進水流態(tài)可對石塊、纖維、毛發(fā)等物質進行高效攔截，浮動撇渣管隨液位上下浮動撇渣，兩者組合可保證后道生化段免堵塞。易堵塞雜物高效攔截后出水進入膜法處理段，獨特的膜傳氧特性形成較厚的密實生物膜層，耐水質沖擊。生物膜內層好氧菌分泌的大量胞外聚合物將不同共生菌群固結在膜表面，菌株間代謝電子傳遞短且健全。掛膜生物載量大、密實，耐低溫并且活性保持長久。即使在長期停運后，處理裝置也可快速投入運行。膜組件獨特的底部卷掃大氣泡氣提循環(huán)結構形成上下循環(huán)流態(tài)，可保證老化膜層及時帶出，避免堵塞過流通道。在高水量沖擊時，循環(huán)流態(tài)可消除流量波動影響，密實的膜層也不宜被高進水流速沖刷剝落。工藝為高生物量低負荷類型，產泥量少，剩余污泥密實且可快速泥水分離。膜組件結構特點和工藝組合方式可針對性克服農村污水運維問題。此外，該工藝具有高效節(jié)能、減污降碳的特點。

2.3 主要工藝參數和運行能耗

2.3.1 主要工藝參數

表1 纏繞卷式MABR生化池(缺氧池投加)形成的不同復合污泥濃度1)

工藝參數設定：缺氧池BOD體積負荷0.80～1.20 kg/(m3·d)，氨氮體積負荷0.25～0.35 kg/(m3·d)，單位膜面積BOD負荷0.010～0.015 kg/(m2·d)，單位膜面積氨氮負荷0.004～0.005 kg/(m2·d)，生物膜+活性污泥形成的復合污泥質量濃度8 000～10 000 mg/L，水力停留時間2.5～3.5 h；好氧池BOD體積負荷0.75～1.50 kg/m3，活性污泥質量濃度500～2 000 mg/L，水力停留時間0.50～0.75 h；沉淀池進入活性污泥濃度比較低，池容較小，表面水力負荷取1.75～2.00 m3/(m2·h)，水力停留時間1.5～2.5 h。生化池(缺氧池+好氧池)在進水水溫為10～30 ℃時穩(wěn)定運行，出水COD去除率90%以上，BOD去除率95%以上，氨氮去除率90%以上，總氮去除率80%以上，可穩(wěn)定保證出水水質優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》 (GB 18918—2002) 一級A標準。后道工序接化學除磷、轉盤濾池或者砂濾池，出水水質可達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)準Ⅳ類標準。

2.3.2 運行能耗

纏繞卷式MABR工藝的運行能耗主要在膜曝氣傳氧方面，較傳統(tǒng)活性污泥法、傳統(tǒng)膜法工藝，所需曝氣風量、氣壓大為降低。

(1) 傳氧方式

透氧膜無泡曝氣的傳氧速率可由式(1)表示[10]：

(1)

式中：KLa為總傳質擴散系數，h-1；C*為飽和溶解氧質量濃度(20 ℃標況下為9.17 mg/L)，mg/L；C為溶解氧實際質量濃度，mg/L。

親水性膜表面活躍著大量分泌胞外聚合物的異養(yǎng)好氧菌和自養(yǎng)硝化菌，可形成黏附性強、厚度大的密實生物膜，掛膜厚度在1～2 mm。傳氧方式是溶解滲透，一方面?zhèn)餮鯏U散高且不需擾動膜層，另一方面無擾動傳氧也利于增加膜層厚度。而傳統(tǒng)附著型填料，無論是固定填料，還是懸浮填料，甚至是膜生物反應器(MBR)膜填料，其外向內的透氧方式限定了其較薄的掛膜厚度，一般在0.2～0.3 mm[11]。前者是后者的5～10倍。纏繞卷式MABR膜工藝大量的微生物存在于膜外表面，外部的活性污泥絮體較少。傳氧路徑集中在生物膜部位，而不是活性污泥絮體顆粒。僅通過一定厚度的生物膜進行傳氧，不需要傳統(tǒng)活性污泥法氣泡劇烈混合接觸傳氧。透氧膜透過的為純氧，氣泡高分壓下快速溶解于生物膜中，并快速滲透傳遞到膜層微生物胞內，KLa高并且傳質接觸面積大。

(2) 進水水質、污泥濃度影響

式(1)中的KLa分別和α(污水KLa/清水KLa)、β(污水C*/清水C*)正相關[12]15。傳統(tǒng)活性污泥法氣泡容易黏附非極性物質[13]，從而減少氣液接觸面積并減低氧氣傳輸速率，造成α值和KLa下降。膜曝氣傳氧發(fā)生在生物膜內部，不與進水中的上述成分接觸，其傳氧系數不受進水水質影響，可一直保持穩(wěn)定高效。傳統(tǒng)生物膜法，尤其是MBR工藝，其懸浮污泥混合液固體濃度(MLSS)在8 000～12 000 mg/L，易形成高黏度流變混合液。黏附在氣泡水層接觸表面的高黏污泥，會造成α值下降并對氧擴散不利。MABR工藝中大量微生物固結在膜表面，膜之間的活性污泥絮體濃度較低(MLSS為500～2 000 mg/L)，沒有高濃度懸浮污泥帶來的黏性阻礙傳氧問題。膜曝氣傳氧發(fā)生在生物膜層內部，外部混合液鹽度對膜內傳導性低，β值影響小，對于維持較高的溶解氧有利[14]；不受表面活性劑、鹽度、污泥濃度附加黏度影響，使得MABR工藝可獲得高效透氧傳遞和高溶解氧。

(3) 風量、風壓

兩層膜片間由空氣導流板提供靜水壓力支撐力，過流空氣壓力只需克服導流間流通阻力、復合透氧膜內層微孔過流擴散阻力、膜外層改性硅膠滲透阻力，風損僅為5 kPa左右。無論是傳統(tǒng)活性污泥法還是傳統(tǒng)膜法，甚至MBR工藝，其鼓風曝氣風壓需考慮池內靜水壓力以及管路、曝氣器等風損，風機出口備壓=凈水壓力+(12～15)kPa。兩者比較，MABR膜曝氣工藝曝氣風壓大為降低。

與MBR膜池不同，MABR膜組件所需的卷掃循環(huán)氣量較低，僅保證氣提產生的膜通道流態(tài)為層流狀態(tài)，膜片間混合液流速在0.15～0.30 m/s即可。而MBR膜池需要較高的過膜混合液切向錯流流速(3～5 m/s)，需要提供較大風量的卷掃空氣[12]36。相較而言，MABR工藝降低了氣泡卷掃動力耗能。

以典型的農村污水水質為例，采用圖3所示的典型工藝時，發(fā)生的曝氣能耗參數與傳統(tǒng)活性污泥法對比見表2。

表2 農村污水處理纏繞卷式MABR工藝與傳統(tǒng)活性污泥法工藝長期運行能耗對比

對比可知，MABR膜組件的SOTE和SAE是傳統(tǒng)底部鼓風氣泡曝氣的3倍左右，單位處理水量的曝氣能耗較傳統(tǒng)活性污泥法節(jié)省30%以上，運行能耗優(yōu)勢明顯。

3 應用案例

纏繞卷式MABR工藝已有幾十個成功建成并運行案例，在水質提升、能耗節(jié)省、集約占地、方便運維方面極具優(yōu)勢。

纏繞卷式MABR工藝可實現生污泥(初沉污泥)、柵渣、生化污泥、化學污泥等固體廢棄物源頭分類，并且可將難生物降解的生物質——生化污泥源頭減量，疊加上低能耗裝機功率，此配置方式可很好地響應今后農村新能源“源網儲荷”發(fā)展模式[15]，助力實現農村污水處理節(jié)能降耗、減污降碳。

4 結 語

通過纏繞卷式MABR工藝復合透氧膜材質、傳氧和掛膜方式、膜組件和運行能耗綜合分析，并結合實踐應用，闡述農村污水組合工藝以及依附形成的一體化裝置在水質提升、能耗節(jié)省、集約占地、方便運維方面極具優(yōu)勢。近期，筆者在無錫新城污水處理廠開展了微生物增強污泥減量生產性試驗，實現了膜法工藝40%以上的源頭生化污泥減量。該試驗結果為纏繞卷式MABR耦合污泥減量菌，協(xié)同實現源頭污泥減量奠定了技術示范。今后，在尾水灌溉和生態(tài)補水等既有資源化基礎上，該工藝在污水污泥分類資源化利用、實現源頭污泥減量等方面會更好助力農村污水處理領域，協(xié)同構建“無廢鄉(xiāng)村”。