某自來水廠水源水受到微污染，為保證出水水質達到《生活飲用水衛生標準》（GB5749—2006）要求，需對現有的常規處理工藝進行升級改造。改造工程采用新型水處理集成技術———PAC-MBR，即投加粉末活性炭（PAC）的膜生物反應器（MBR）組合工藝，該工藝具有水質調節能力良好、污染物去除范圍廣、設備緊湊、易于自動控制與一體式管理等優點，故可形成性能可靠、操作簡單、適合縣鎮管理條件的飲用水安全保障技術。
筆者采用模型實驗來模擬實際改造工程的工藝流程，針對改造工程中主體工藝的設計參數、運行方式等重要影響因素，設計了一組4因素3水平的正交試驗，采用數學建模中的層次分析法建立運行工況的評價模型，綜合應用隸屬度評分、極差分析、方差計算等數據處理手段進行分析，最終得到實驗最優的運行工況，以指導改造工程的實際運行工況的確定，對研究適合老水廠改造的飲用水安全保障技術具有一定的參考價值。
1試驗裝置與方法
1.1試驗裝置
本試驗組合工藝流程如圖1所示。采用一體式膜生物反應器，反應器（膜池）內置2個中空纖維膜組件，同時添加一定量的粉末活性炭[粒度0.075mm（200目）]。試驗用膜為海南立升凈水科技實業有限公司提供的浸沒式PVC合金中空纖維膜，孔徑為0.10μm，膜絲內徑為1.00mm，外徑為1.60mm，有效膜面積0.11m2，截留分子質量50000u。
圖1試驗裝置
試驗原水由一定量的腐殖酸和NH4Cl配制而成，CODMn約為4mg/L，氨氮約為2.5mg/L，該模擬配水與自來水廠沉淀池出水具有較好相似性，且可保證每個工況進水水質的一致性。進水經吸水隔膜泵打入生物反應器內，處理后的出水由吸水隔膜泵抽出，由安置在超濾膜組件和出水隔膜泵間的真空表測定跨膜壓，膜組件采用間歇方式運行。通過小型氣泵及設置在膜組件底部的穿孔管進行曝氣，具體曝氣量根據運行工況確定。反應器底部設有排泥閥，定期排泥以保證池內微生物活性。每個試驗工況結束后，另設1臺隔膜泵將膜出水反方向打入反應器對膜進行反沖洗。
1.2工藝運行方法
進水流量為6L/h，出水抽吸泵工作時流量為8L/h，通過調節閥門保持出水流量恒定，以跨膜壓力（真空表讀數）來表征膜污染程度。每個試驗工況的進水時間和工藝運行時間均相同，運行過程中取樣6次。膜池中粉末活性炭的投加量為2g/L，為了保證每次工況下膜池內的生物量和活性一致，每個工況結束后排掉一定體積混合液，再補充相應質量的新炭，維持池內的粉末活性炭濃度不變。每個工況結束后用膜出水對膜組件進行反沖洗，沖洗水流量為20L/h，沖洗時間為5min，后用質量分數為1%的NaOH溶液浸泡30min，直到膜的純水通量恢復至新膜初始通量的95%以上為止。
1.3測試方法
UV254采用T6新世紀紫外可見光分光光度計（北京普析通用公司）測定；氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮采用標準分析方法測定。脂類物質是所有細胞中生物膜的主要成分，在細胞死亡后會很快分解，且超過95%的生物膜脂類是以磷脂形式存在，故用總磷含量來表示反應器中生物的活性具有可行性，總磷的測定采用鉬銻抗分光光度法。胞外聚合物（EPS）可用來衡量膜池中對膜過濾產生不利影響的成分，本試驗測定了混合液中溶解態蛋白質、多糖的含量，溶解態EPS的提取采用低速離心法，蛋白質用福林酚法在波長750nm下測定吸光度，多糖用蒽酮-硫酸法在波長625nm下測定吸光度。
2模型建立與數據分析
2.1正交試驗設計
安排了一組4因素3水平的正交試驗，以確定因素的主次性和顯著性。根據文獻確定影響因素為膜池內的曝氣強度、膜池沉泥的刮泥間隔、膜抽吸泵的抽停時間、膜池內的曝氣模式。膜池內的曝氣強度根據氣水比設計，選定3個曝氣強度120、80、40L/h。膜池內的刮泥間隔通過公式t=TlnC0/Ce確定，其中T為膜池的水力停留時間（HRT=1.44h），C0為粉末活性炭初始質量濃度（2g/L），Ce為粉末活性炭剩余質量濃度，選定3個刮泥間隔1、0.75、0.5h。膜抽吸泵的抽、停時間根據進出水量確定，以水位不超過膜池超高以及不低于膜組件標高為準，選定3個抽、停時間組合30、10min，15、5min，9、3min。膜池內的曝氣模式分別采用不曝氣、間歇曝氣（膜停抽時曝氣，工作時不曝氣）、連續曝氣。正交試驗方案見表1。
根據出水水質、運行成本、操作管理等方面的綜合需要，構建了運行工況優化多目標模型，如圖2所示。整個評價系統分成3個層次，目標層（A）中有1個元素：運行工況評價A，是問題的預定目標或理想結果；領域層（B）包括4個元素：氮類去除效果評價B1、有機物去除效果評價B2、反應器生物量評價B3、膜運行狀況評價B4，是要實現目標所涉及的中間環節；指標層（C）包括7個為實現目標而選擇的評價指標：出水氨氮（NH4+-N）C1、出水亞硝酸鹽氮（NO2--N）C2、出水硝酸鹽氮（NO3--N）C3、出水有機物UV254值C4、生物接觸氧化池總磷（TP）C5、膜池混合液EPS濃度C6、跨膜壓差（TMP）C7，7個指標均以每個工況下所測樣品結果的平均值計。
圖2運行工況優化多目標模型
本試驗確定綜合指標為Z，指標層（C）中各指標Ci在體系中的權重分配為wi，采用賦權加法得到綜合指標公式：
。其中指標層各指標Ci對應的單項指標評分為Zi，計算得到的Z值作為評價各運行工況與優化的重要參考依據。
2.3指標體系權重分配
由于7個評價指標不盡相同，計量單位也不一致，難以換算，因此采取層次分析法（AHP）進行分析，將復雜問題分解成各個組成因素，將這些因素按支配關系分組形成遞階層次結構，通過兩兩比較確定各個因素相對重要性，然后綜合決策者的判斷，確定決策方案相對重要性的總排序〔7〕。各個指標權重的比較方法采用四分法：將所有指標一對一進行比較，根據客觀分析和具體試驗要求，判斷兩者的相對重要性，并構造判斷矩陣。判斷非常重要的一方給4分，另一方給0分；比較重要的一方給3分，另一方給1分；雙方同樣重要，均給2分；最后按每一指標的評分值占所有指標評分值的百分比確定其權重〔8〕。
本試驗中具體的層次分析法評判步驟如下：（1）領域層各因素權重（wBi）分配：采用四分法建立運行工況評價判斷矩陣A表（表2）；（2）指標層各因素權重（wCi）分配：采用四分法建立氮類物質去除效果評價判斷矩陣B1表（表3）及反應器生物量和膜運行復合評價判斷矩陣B3&B4表（表4）；（3）求出指標層各指標Ci在體系中的最終權重分配：wi=wBi×wCi。
判斷矩陣（A）中的4個因素：在氮類物質去除效果評價B1中，因原水氨氮較高，需要較高的去除率，且一般工藝去除率較低，故其重要性最高；有機物去除效果評價B2，經本工藝去除后效果遠優于水質標準要求，故其重要性較低；反應器生物量評價B3因本工藝的重要優勢在于能較好地發揮微生物降解作用，故其重要性較高；膜運行狀況評價B4因模擬試驗周期相對較短，相對而言其重要性較低，但在示范工程中應重點考慮。判斷矩陣（B1）中的3個因素：出水氨氮C1是本工藝的主要控制指標，出水亞硝酸鹽氮C2和出水硝酸鹽氮C3僅在分析氮元素的相互轉化過程中作為參考，因此C1的重要性遠高于C2和C3。判斷矩陣（B3&B4）中的3個因素：膜池混合液EPS濃度C6既作為膜池中生物量的重要表征指標，又是膜污染形成的重要原因，故將判斷矩陣B3和B4進行綜合考慮；膜池內總磷C5作為池中生物量和生物活性的重要表征指標，與C6重要性相當；跨膜壓差C7作為評價膜污染的直觀指標，因試驗周期較短，因此表現并不特別明顯，其重要性較低。
運用MATLAB軟件，按照一致性檢驗的計算公式及方法計算，得到各判斷矩陣A、B1、B3&B4的一致性指標均＜0.1，即判斷矩陣的一致性均可以接受，各權重的分配是合理的。將分析計算得到的各指標權重分配wi（wi=wBi×wCi）和隸屬度評分Zi代入式（1）中，得到計算綜合評價指標Z的具體化公式：
2.4隸屬度評分
根據9個工況出水水質、生物量以及跨膜壓差的變化情況，計算出各工況下每個指標不同時間取樣結果的平均值，用隸屬度方法對各工況7個評價指標分別評分〔9〕：（1）對于有機物、氨氮、亞硝酸鹽氮、膜池內EPS、跨膜壓差這5個指標，要求越低越好，評定方法是在9個工況中對應指標的最大值和最小值范圍內，100分對應最小值，0分對應最大值，以各工況相應值所占的比例即隸屬度進行評分：隸屬度=（最大值－指標值）/（最大值－最小值）×100；（2）對于硝酸鹽氮、膜池內總磷這2個指標，要求越高越好，評定方法亦是在9個工況中的最大值和最小值范圍內，100分對應最大值，0分對應最小值，同樣以各工況相應值所占的比例評分：隸屬度=（指標值－最小值）/（最大值－最小值）×100。指標層的各指標Ci對應的隸屬度評分Zi見表5。
將計算得到的隸屬度評分Zi代入式（2）中，得到9個工況的綜合評價指標Z，最終得到綜合指標評分，列入表6中。采用極差分析法對運行工況的各因素進行分析比較，結果表明，各因素作用的重要程度為：膜池內的曝氣強度>膜池的刮泥間隔>膜池內的曝氣模式>膜的抽、停時間。膜池內的曝氣強度應在設計過程中重點考慮，適當的曝氣可為活性污泥微生物提供生長必需的氧氣，而且可使泥水混合物充分混合，對于延緩膜池中膜污染有一定的作用；曝氣量過小則難以實現上述作用；曝氣量過大不僅增加能耗，還可能影響混合液的性狀，考慮到實際給水系統污泥濃度較低，故采用較污水處理系統氣水比經驗值低的氣水比值。膜池內的曝氣模式和膜池的刮泥間隔也應在設計中予以考慮，合適的膜池內曝氣方式有利于膜池中活性污泥微生物的形成和膜污染的控制，選擇合適的刮泥間隔，能夠以排泥和補投新炭的方式保持系統的正常運行。膜的抽、停時間由進出水量決定，分析結果表明對于不同的設計參數影響不大，應結合抽吸泵運行管理綜合確定。
由表6可知，工況7和工況9的綜合指標Z值較其他工況要高，分別為58.24和66.53，為備選的較優工況。在實際運行過程中，出水水質是檢驗工況合理性的最直接和最重要因素，其中出水氨氮和UV254為主要檢測指標，工況對其去除效果和出水穩定性的影響最為重要。對工況7和工況9運行過程中的出水氨氮和UV254進行監測，見圖3。
由圖3可以看出，從去除效果角度分析：工況7和工況9對UV254均有較好的去除效果，且隨著試驗的進行UV254逐漸減少并趨于穩定，平均去除率均在90%以上，這主要是受PAC的物理吸附和后期活性微生物氧化的共同作用〔10〕；工況7對氨氮的去除效果明顯好于工況9，且工況7是所有工況中對氨氮去除率最高的，這主要是由于工況7膜池內的曝氣強度選擇比較合理，同時采用間歇曝氣的運行方式，兩者結合為反應器提供了充足的溶解氧、適宜的pH和利于硝化菌生長的環境，提高了系統的生物活性，因此對氨氮的去除效果優于其他工況。從出水穩定性角度分析：工況7出水氨氮和UV254的方差均小于工況9，說明工況7的出水水質波動較小，處理效果更穩定，有較強的抗沖擊負荷能力，這主要是由于工況7的運行條件能夠充分發揮PAC與膜的協同作用。
結合考慮綜合指標Z、出水水質去除效果和穩定性等因素，選擇工況7為最優工況，即：膜池內曝氣強度40L/h，膜池刮泥間隔1h，出水抽吸泵抽、停時間9、3min，膜池采用間歇曝氣。具體參見http://m.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
3結論
針對PAC-MBR組合工藝設計了一組4因素3水平的正交試驗方案，擬得出最佳組合工況指導現場工藝運行。在膜池內曝氣強度40L/h，膜池刮泥間隔1h，出水抽吸泵抽、停時間9、3min，膜池采用間歇曝氣的組合工況下，組合工藝的出水水質、反應器生物活性以及膜運行壓力均處于較好狀態且整體效果最優，因此可選為最佳工況。其中膜池內的曝氣強度是首要影響因素，膜池的曝氣模式和膜池的刮泥間隔是關鍵影響因素，在工程運行中應重點考慮。
