成靜，羅敏，朱朝范

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,湖北 十堰442002）

膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor，MBR）在 處理污水過程中不可避免的會受到污水中各種有機物和無機物污染，被污染的膜處理污水能力會隨著污染的加重先達(dá)到臨界點，當(dāng)膜污染超過該臨界點后膜處理污水的能力會快速下降。為解決該問題，在實際生產(chǎn)中通常通過物理清洗和化學(xué)清洗來恢復(fù)其污水處理能力，使膜污染盡可能在臨界點之下。在現(xiàn)有MBR處理工藝中通過判斷某個膜堆的透水率是否達(dá)到設(shè)定值來執(zhí)行清洗動作，或者間隔一段固定時間執(zhí)行清洗動作，清洗間隔時間和清洗強度（加藥濃度、清洗時間）均由人工給定，雖然該方法在大多數(shù)情況下也能很好控制膜污染程度，保證污水處理的質(zhì)量，但無法針對不斷變化的污水水質(zhì)靈活做出自動調(diào)整，普遍存在加藥相對過量或不足，加藥過多或加藥不足都不滿足污水處理廠低處理成本高出水質(zhì)量的要求。加藥過多不僅導(dǎo)致清洗藥劑浪費，后期更需要其他藥劑來中和過多清洗藥劑，增加污水處理成本；加藥過少膜污染無法恢復(fù)到正常水平，MBR 污水處理能力下降或處理后污水不達(dá)標(biāo)，造成單位時間有效污水處理量出現(xiàn)劇烈波動或因膜污染過度導(dǎo)致污水處理系統(tǒng)自動停機保護(hù)，致使生產(chǎn)過程頻繁中斷，需要專業(yè)工程師對故障原因進(jìn)行分析并判斷能否恢復(fù)生產(chǎn)。

與傳統(tǒng)污水處理工藝相比較，MBR 因其本身存在眾多優(yōu)勢而得到越來越廣泛的應(yīng)用［1］，但由于工業(yè)水體中繁雜污染物形成的復(fù)雜膜污染嚴(yán)重制約了MBR 在污水處理中的應(yīng)用［2］，如何合理控制膜污染是目前采用MBR 工藝污水廠面臨最大難題。印霞棐等［3］人使用電場控制膜污染，該方法缺點是增加額外電能損耗；余良正等［4］人使用活性炭控制膜污染，該方法缺點是需要消耗額外活性炭，以上2 種方法都不同程度上增加了污水廠運行成本，吳姍蔚等［5］人通過優(yōu)化曝氣過程有效控制了膜污染，該方法只考慮在物理清洗階段更好控制膜污染，并沒有優(yōu)化在控制膜污染方面更為關(guān)鍵的化學(xué)清洗過程。目前采用MBR工藝的污水處理廠中許多采用PLC 進(jìn)行自動控制［6-7］，文中從自動控制的角度出發(fā)，在不改變污水廠原工藝設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了利用選擇控制和預(yù)測控制相結(jié)合更好控制膜污染的方法。

1 MBR污水處理工藝

圖1 污水處理流程

污水處理工藝流程如圖1所示，污水經(jīng)過調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)后先通過格柵、沉淀池進(jìn)行預(yù)處理除去較大顆粒物，然后在厭氧池、好氧池的微生物硝化作用和反硝化作用下除去氨氮，同時MBR 膜片將污水中活性污泥分離出來后回流到好氧池，多余活性污泥直接從膜池排出，最后污水經(jīng)過消毒后外輸。

MBR 采用真空纖維膜，在過濾污水中必然會受到污染，膜通量會隨污染加深不斷減少，因此必須對膜片進(jìn)行清洗恢復(fù)膜通量，常用清洗方法包括物理清洗和化學(xué)清洗，化學(xué)清洗又根據(jù)清洗目的劃分為維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗。如圖2所示，膜生物反應(yīng)器運行過程中，需要對膜進(jìn)行物理清洗（physical cleaning，PC）、維護(hù)性清洗（maintenance cleaning，MC）及恢復(fù)性清洗（restorative cleaning,RC），3 種膜污染清洗方法對膜性能的恢復(fù)起決定性作用。通常多個PC 周期后進(jìn)行1 次MC，多個MC 周期后進(jìn)行1 次RC。盡管進(jìn)行清洗可以有效減少膜污染，但無論是哪種清洗方法清洗效率都達(dá)不到100%，膜污染會隨著運行時間增加而增加，將各個周期的運行數(shù)據(jù)，特別是對用于表征膜通量指標(biāo)的透水率q和跨膜壓差（transmembrane pressure，TMP）作回歸分析，可以得到TMP及q的變化趨勢，根據(jù)該趨勢可以預(yù)測膜污染進(jìn)程。

圖2 膜污染控制示意圖

2 MBR膜污染控制方法

新膜污染控制方法如圖3 所示，該方法通過PLC自動計算q和TMP，根據(jù)其變化趨勢自動選擇清洗模式。

建立膜污染數(shù)學(xué)模型，具體的方法如下：

1）對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、濾波

原始數(shù)據(jù)：A=［x0,x1,...,xn］，XH為數(shù)據(jù)合理上限，XL為數(shù)據(jù)合理下限，刪減不在范圍內(nèi)數(shù)據(jù)；利用移動平均濾波器對數(shù)據(jù)A 進(jìn)行處理使數(shù)據(jù)銜接更加平滑,得到與A 等長的數(shù)據(jù)B。移動平均濾波器的默認(rèn)窗寬為5，B中元素的計算方法如式（1）所示：

圖3 新膜污染控制方法

式中：J 為膜通量；Q 為產(chǎn)水流量；S為膜面積；P2為跨膜壓差；H2為膜池中污水的液位；H0為膜組高度；ρ 為污水密度；g 為重力加速度；H1為壓力計高度；P0為膜堆不產(chǎn)水（靜置）時壓力表讀數(shù)；P0為膜堆產(chǎn)水時壓力表讀數(shù)。

3）數(shù)據(jù)擬合

某單位在福州污水處理廠中獲取部分?jǐn)?shù)據(jù)，針對1 個MC 周期內(nèi)（包含多個PC 周期）TMP 和q，采用線性回歸進(jìn)行擬合分析。此時膜生物反應(yīng)器污泥濃度約為8 000 mg·L，結(jié)果見圖4：該MC 周期內(nèi)，起始跨膜壓差TMP0為26.728 kPa，其變化率為0.3453 kPa·h-1；起始透水率q0為64.018 LMH·kPa-1，其變化率為-0.660 LMH·kPa-1·h-1。

圖4 線性回歸擬合分析結(jié)果

4）趨勢推測

q和TMP的計算方法為

式中：an為q擬合曲線多項式系數(shù)；bn為TMP擬合曲線多項式系數(shù)；T 為清洗周期；qset為q 下限；TMPset為TMP上限。根據(jù)式（4）～（5）計算下一次進(jìn)行PC/MC/RC 時間，如果預(yù)測距離下次清洗時間較長說明膜污染速度較慢，執(zhí)行經(jīng)濟型清洗方案，如果預(yù)測距離下次清洗時間很短說明膜污染增加速度很快，執(zhí)行加強型清洗方案。

新膜污染控制方法可以根據(jù)設(shè)定的檢測、控制周期對膜污染進(jìn)行周期性檢測和循環(huán)預(yù)測控制，減少人工參與，節(jié)省人力成本，減少藥劑浪費，提高污水處理經(jīng)濟性，滿足污水廠低成本高穩(wěn)定性運行需求，甚至可以根據(jù)不同膜堆膜片性能上的差異滿足不同膜堆差異化清洗需求。

3 膜污染控制硬軟件設(shè)計

圖5 膜污染控制硬件圖

圖5 為膜污染控制的硬件結(jié)構(gòu)圖。裝有PCS7、Matlab2018a 及SQL Server2016 數(shù)據(jù)庫的工程師站，交換機與控制MBR 的西門子400 通過工業(yè)以太網(wǎng)相連。DP 子站通過Modbus 通訊協(xié)議采集來自電磁流量計、氣體流量計、壓力傳感器、溫度傳感器及污泥濃度計等信號，通過輸出模塊控制各個設(shè)備單元，可實現(xiàn)各相應(yīng)管路電磁閥開關(guān)、產(chǎn)水設(shè)備單元的產(chǎn)水泵產(chǎn)水、抽真空單元的真空泵除去產(chǎn)水管路里的氣體、曝氣單元里的風(fēng)機曝氣、清洗單元里的加藥泵和反洗泵進(jìn)行膜清洗等必要動作。

圖6顯示了膜污染的控制流程：1）通過工控電腦設(shè)定膜污染控制系統(tǒng)運行參數(shù)。2）膜污染控制系統(tǒng)按設(shè)定參數(shù)自動運行，進(jìn)行污水處理，執(zhí)行包括進(jìn)水、曝氣、抽真空、開啟產(chǎn)水泵等一系列動作。3）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如產(chǎn)水流量、產(chǎn)水壓力、污水溫度、污泥濃度等，通過PLC 經(jīng)交換機傳輸?shù)焦こ處熣倦娔X，歸檔到數(shù)據(jù)庫。4）Matlab調(diào)用數(shù)據(jù)庫中采集到的膜污染控制系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波、計算、擬合、推測、仿真。仿真結(jié)果可以反映在不同溫度、污泥濃度下每個PC 和MC 能恢復(fù)的TMP0以及該PC和MC周期內(nèi)TMP變化率。相應(yīng)的，也可以算出每個PC 和MC 周期q0和q 的變化率。5）通過將多個PC周期的TMP0和q0進(jìn)行線性回歸擬合，可以預(yù)測大概多長時間需要進(jìn)行MC。通過將多個MC周期的q0進(jìn)行線性回歸擬合，也可以預(yù)測需要進(jìn)行RC的時間。6）將仿真得到的優(yōu)化運行參數(shù)運用到實際系統(tǒng)運行中，采集系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)和Matlab仿真結(jié)果做對比。如果差異符合預(yù)期，則用Matlab將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PLC功能模塊，在原程序中調(diào)用這些PLC功能模塊，從而實現(xiàn)智能控制膜污染，如在PC 過程中增加曝氣或改變抽吸靜置時間比、以不同間隔頻率采取MC 甚至加強MC。7）必要時，根據(jù)清洗后再次運行的數(shù)據(jù)，重復(fù)上述的各個步驟，再次使用Matlab計算、擬合、預(yù)測、仿真，重新生成更精確的PLC 功能模塊，優(yōu)化各項運行參數(shù)，通過數(shù)學(xué)模型和PLC功能塊迭代達(dá)到更優(yōu)控制膜污染目的。

圖6 膜污染控制流程圖

4 結(jié)果分析

圖7是針對1個RC周期內(nèi)，把各個MC周期內(nèi)的TMP0和q0再次回歸，從而預(yù)測下一次RC時間的結(jié)果（假定RC 觸發(fā)條件是q 低于50 LMH·kPa-1）。有別于傳統(tǒng)膜污染控制方法規(guī)定，每隔20 d做1次RC（此時q 小于50 LMH·kPa-1），實際趨勢顯示，大概32 d以后，才需要再次做RC，避免每20 d進(jìn)行一次RC造成的藥劑浪費。

圖7 RC時間預(yù)測曲線

表1 不同污泥濃度下膜污染變化

圖8 RC周期內(nèi)膜片產(chǎn)水流量和產(chǎn)水壓力

MBR膜片在1個完整RC周期內(nèi)使用新膜污染控制方法后產(chǎn)水流量和產(chǎn)水壓力變化情況如圖8所示，在上次進(jìn)行RC 清洗后膜片恢復(fù)較高產(chǎn)水流量，接著在每天執(zhí)行1 次MC 常規(guī)清洗情況下膜通量隨運行時間緩慢下降，到第32 d后膜污染增加速度突然加快，在第38 d控制系統(tǒng)根據(jù)膜污染趨勢自動進(jìn)行1 次加強MC，系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)；從第65 d開始膜污染快速增加，在第68 d控制系統(tǒng)執(zhí)行加強MC后膜污染并沒有恢復(fù)正常，控制系統(tǒng)在接下來25 d內(nèi)執(zhí)行3次加強型MC后膜污染仍然沒有恢復(fù)正常，說明通過MC清洗不能維持系統(tǒng)正常運行，控制系統(tǒng)下達(dá)停機保護(hù)命令。使用新膜污染控制方法時，控制系統(tǒng)自動判斷膜污染增加速度（污水劣化速度）是否在系統(tǒng)解決能力范圍內(nèi)，當(dāng)膜污水處理能力不足以解決遇到的問題時執(zhí)行報警停機保護(hù)，具有自動分析問題能力，同時在停機前為工作人員留有較多到場時間（25 d），在接下來停機保護(hù)24 d里，通過反復(fù)測試確認(rèn)造成膜污染快速增加原因是污水水質(zhì)太差而不是膜性能衰減，沒有必要馬上進(jìn)行RC，待水質(zhì)恢復(fù)后可以恢復(fù)生產(chǎn)；在RC 周期內(nèi)最后一次執(zhí)行MC 原因在事后確認(rèn)為壓力傳感器偶發(fā)性故障，說明新膜污染控制方法可以有效避免因為傳感器偶發(fā)性故障照成的系統(tǒng)停機；如果使用傳統(tǒng)膜污染控制方法會在第39 d、69 d、166 d 執(zhí)行報警停機保護(hù)，接著必須由人工評估膜污染狀態(tài)并判斷系統(tǒng)是否可以恢復(fù)生產(chǎn)，使用新膜污染控制方法可以節(jié)省人力成本，減少停機次數(shù)，提高污水廠產(chǎn)水在線率。

因為在新膜污染控制方法中無需因停機次數(shù)增加而增強每次MC 強度，甚至根據(jù)第140～180 d間優(yōu)良透水率和整個RC 周期較少停機次數(shù)可以考慮減少RC 清洗藥劑濃度和下一個RC 周期內(nèi)普通MC 清洗藥劑濃度或增加經(jīng)濟型MC 清洗方案，最終形成節(jié)省清洗藥劑的良性循環(huán)。

更進(jìn)一步，如果有多種不同型號的膜片或因運行工況導(dǎo)致不同性能的同一種型號膜片在同一套污水處理系統(tǒng)中，由于膜本身性能衰變，其TMP和q 會運行在不同區(qū)間，從而導(dǎo)致相同TMP 和q 對應(yīng)的膜污染程度也不相同。文中提出的膜污染自動控制方法能夠根據(jù)此類差異在PLC 中編寫差異化膜污染控制程序，從而在實際運行中，對不同的膜堆采用不同的膜污染清洗方案，有針對性的實現(xiàn)對不同程度膜污染MBR 差異化控制。表2 為2 種不同性質(zhì)的膜片在同水質(zhì)同流量過濾時的膜污染情況，其TMP和q的變化率都有很大的差異。新膜污染控制方法允許控制系統(tǒng)針對現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)的差異，作出更合理選擇，實現(xiàn)每個膜堆選擇執(zhí)行不同清洗方案的功能，避免傳統(tǒng)膜污染控制方法相同清洗方案所導(dǎo)致加藥相對過量或加藥相對不足。

表2 不同膜片膜污染速度對比

5 結(jié)論

通過計算和擬合某一階段膜透水率或跨膜壓差，使用預(yù)測控制理論根據(jù)膜污染增加速度預(yù)測達(dá)到設(shè)定膜污染程度所需時間，在膜污染增加較慢時間段采用普通清洗方案減少清洗藥劑和設(shè)備能耗，在膜污染急速增加階段提前采用加強清洗方法，防止膜堆故障停機。使用透水率或跨膜壓差增量代替原膜堆透水率或跨膜壓差瞬時值作為是否需要進(jìn)行清洗的判斷條件，不受上次清洗效率和人工設(shè)定清洗條件不合理的影響，減少人工分析膜污染變化趨勢次數(shù)，因此可以節(jié)約人工成本，減少系統(tǒng)偶發(fā)性故障和污水廠來水水質(zhì)短時間波動造成報警停機次數(shù)，保證污水處理系統(tǒng)穩(wěn)定性。