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编辑|胖先生的水处理日记
来源|水友交流
前两天在公众号上说了说MABR的事儿，然后就有水友跟我说，他做过这方面的试验。
我就问水友方不方便具体说下，我看大家都挺感兴趣的。
这个水友倒不是那种扭捏的人，十分大方的回复我说：
“这有啥不方便的？又不是什么核心的秘密！”
然后就把他当时的试验过程及数据，发了一份给我。
接下来我简单的叙述下他的实验过程，感兴趣的大家都可以看看。
阅读本文的读者，可能有新来的朋友，还不太了解MABR这个技术，咱们就简单的概括下。
MABR，英文名称叫做“Membrane aeration bio-reactor”，翻译成中文就是“膜曝气生物反应器”。
这种工艺和MBR有相同也有不同，是气体分离膜与生物膜法水处理技术相结合的一种新型污水处理技术。
在MABR技术中，中空纤维膜组件往往承担着两个作用：
（1）作为微生物附着和生长的载体；
（2）作为微生物的供气渠道。
因此，对于MABR膜组件，往往有两点要求：
（1）容易被微生物泥膜附着；
（2）透气但不透水。
由于采用了透气性中空纤维膜这种特殊载体，因此其与普通生物膜工艺的运行方式有所不同。
MABR的泥膜从里向外的溶解氧浓度由高到低，因此形成了外面缺氧内部好氧的特殊环境，有利于实现同时硝化反硝化脱氮的作用。
简单介绍过后，咱们再来看看水友的MABR小试情况。
水友的小试反应器是自己组装的，大概流程如下图所示：
▲水友自制的MABR小试反应器结构图
其中气压表的量程范围为0~0.1MPa，气体流量计量程范围为0.06~0.6L/min，液体流量计的量程范围为10~100L/min，循环泵流量为5L/min，反应池尺寸为Φ1400×1000mm。
至于膜组件，采用的是PP材质的中空纤维帘式膜，膜丝外径650μm，内径300μm，每根膜管共有膜丝数800根，共有64根膜组，总表面积112m²。
从这个简图就能看出MABR和MBR工艺的最大不同。
MBR是用抽吸泵连接中空纤维超滤膜组的内部，水从外向内流过膜组。
而MABR则是用氧气源连接中空纤维透气膜组的内部，气从内向外流过膜组。
值得注意的是，MABR的氧气源通常有两种方式：空气和纯氧。
如果采用空气充氧的话，中空纤维膜的两端通常是敞开的，也就是错流透气。
如果是纯氧充氧的话，中空纤维膜的末端通常是密封的，也就是死端透气。
水友的这个小试试验采取的是纯氧氧气瓶曝气，但毕竟是小试，不需要考虑曝气成本，因此他的MABR小试反应器的膜组件末端依然是敞开的，不密封。
实验正式开始前，要首先对MABR膜组件挂膜。
挂膜操作可以说是MABR技术在污水处理中能否成功应用的最关键环节了，MABR处理效果如何，很大程度就看你膜挂的怎么样了。
一般MABR挂膜应用频率较高的方法为循环挂膜法，具体操作为首先混合接种的活性污泥和污水，水友控制的MLSS=6000mg/L。
等接种污泥和污水混合好后，打开循环泵将泥水混合物泵入反应器，让水面没过中空纤维膜组件上边缘并小流量内循环（40L/h），避免水力循环对微生物剪切作用过大。
挂膜期间，随时向反应池内投加KH2PO4、葡萄糖和(NH4)2SO4，将中空纤维膜内腔压力调节为100kPa，每2~3 d更换1次污水，重复操作，直至完成挂膜。
一般在15d内即可完成MABR的挂膜，表现为中空纤维膜表面完全覆盖一层薄薄的淡黄色生物膜。
完成挂膜后，可以首先排除反应器内的污水，然后重新注入新的污水，按照60L/h的进水量连续运行。
在实验时，水友首先加入一定量的污水和活性污泥，然后调节氧气瓶的阀门，让氧气以一定的压力流出，经气体流量计、气体压力表后进入MABR膜组件上中空纤维膜内腔，并开始扩散。
在氧气扩散通过MABR膜组件的膜壁时，被生物膜外壁附着的微生物消耗，同时循环泵启动，保持反应池内的混合状态，并经液体流量计控制处理的污水流量。
水友做实验的原水，取自某生活污水处理厂，氨氮值在40~50mg/L之间，总氮在50~60mg/L之间，COD在350mg/L左右。
在实验过程中，因为中空纤维膜孔径较小，可将气体压强控制在泡点以下，确保曝气期间气体透过膜进入液体的过程中无气泡，或肉眼看不到的小气泡(<60μm)极少，实现无泡供氧。
无泡曝气有3个优点。
其一在供氧过程中，氧扩散状态为分子状态，且在传递到生物相的过程中能够避开液相边界层，因此在理论上可以实现100%的传质效率。
其二，无泡曝气过程对水体的扰动小，可以最大限度避免污水中易挥发物质，例如甲醛、苯酚等进入大气中，从而造成二次污染。
其三，可以通过控制膜内腔氧气的压力大小，精准控制生物层的氧气供应量。
总之，MABR的无泡曝气特点，可以在充分满足生物膜生长需氧量的同时，避免过量曝气引发的污水好氧池溶解氧浓度过高、污泥产量过高以及运行成本过高等问题。
水友自制的MABR反应器膜组件形式为中空纤维帘式，在钢架上固定两组膜组件单元，一组膜组件单元由32个膜组件形成8排、4列结构。
反应器膜组件两端均不密封，气体由一端不间断通入中空纤维膜内腔，部分氧气渗透通过膜后供给生物膜，部分氧气则从反应器膜组件另外一端排出。
具体的供氧压力＜0.1MPa，可以在0.01~0.05MPa之间波动，主要也是看出水的指标。
如果氨氮的去除率不太好的话，说明供氧不足，就需要适当增加供氧压力。
如果氨氮的去除率还行，但总氮的去除率不太理想的话，说明供氧过量，附着在MABR膜丝上的生物膜已经被O2穿透了。
因此反硝化环境被破坏，那就要适当降低供氧压力了。
其实也可以根据生化过程所需氧量来反推压力，涉及到的相关公式如下所示：
这个公式换算一下，就可以得到下面这个公式了：
K×ΔP=Q÷A
而参数K，也就是氧气的渗透系数，是可以被测出来的。
测量氧气渗透系数通常采用标准测试方法，如ASTMD3985或ISO2556，都可以准确测量氧气的渗透系数。
因此我要想算出O2的分压差，只需要知道Q和A两个参数就可以了。
而Q可以通过硝化反应的方程式来推算。
例如我想把整个反硝化过程控制在短程亚硝酸盐的程度，那么氧化1g的氨氮就需要消耗3.43g的O2。
如果一个10000m³/d的项目，需要将氨氮从40mg/L降低到3mg/L，那么每天的需氧量就是1.27吨。
按照空气中氧的含量是21%，那么每天需要空气6.04吨。
25℃条件下空气的密度是1.17kg/m³，也就是5165m³/d，相当于215208.33L/h。
而MABR膜组件的透氧通量，咱就按照10L/m²·h计算，需要膜面积21520m²。
氧气渗透系数我查资料显示是0.001~0.004L/(m²·h·Pa)，具体和膜材料有关，咱们就按照0.001L/(m²·h·Pa)来算吧。
ΔP=Q÷A÷K=215208.33÷0.001÷21520÷1000=10kPa
当然了，我也不知道我查的关键数据，例如K值是不是正确，因此这个数据肯定和厂家给的数据有偏差（25~55kPa）。
总之，咱就看思路吧。
选择风机曝气压力时，还有一点是最好别超过膜的泡点压力。
所谓膜的泡点压力，是膜内的气体在压力作用下到达膜-液界面而具有逐渐形成微小气泡时的趋势。
膜丝表面的气泡受到浮力、惯性力、粘力、表面张力、剪切力5种力的共同作用，随着气泡的不断增大，气泡表现出逃离膜丝表面的趋势。
由于水体的流动，使得附着在膜表面的气泡受到剪切力的作用，回流量越大水流产生的剪切力就越大，气泡更容易脱离膜丝表面而进入液相。
总之，泡点压力随着回流量的增大而减小。
因此这个泡点压力也不是一个固定不变的数值，控制起来也是比较麻烦的。
这也是MABR不能大规模应用的一个难点，就是理论很美好，但实操很费劲。
好了，最后说下水友MABR小试装置的出水数据吧。
COD=22mg/L，氨氮=0.36mg/L，总氮=7mg/L，都能达到一级A的标准。
总磷差点事儿，不合格。
好了，今天的话题就说到这吧。
