某自來水廠水源水受到微污染，為保證出水水質(zhì)達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006）要求，需對現(xiàn)有的常規(guī)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(shù)———PAC-MBR，即投加粉末活性炭（PAC）的膜生物反應(yīng)器（MBR）組合工藝，該工藝具有水質(zhì)調(diào)節(jié)能力良好、污染物去除范圍廣、設(shè)備緊湊、易于自動控制與一體式管理等優(yōu)點，故可形成性能可靠、操作簡單、適合縣鎮(zhèn)管理條件的飲用水安全保障技術(shù)。
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(shè)計參數(shù)、運行方式等重要影響因素，設(shè)計了一組4因素3水平的正交試驗，采用數(shù)學(xué)建模中的層次分析法建立運行工況的評價模型，綜合應(yīng)用隸屬度評分、極差分析、方差計算等數(shù)據(jù)處理手段進行分析，最終得到實驗最優(yōu)的運行工況，以指導(dǎo)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(shù)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(yīng)器，反應(yīng)器（膜池）內(nèi)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(yè)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(nèi)徑為1.00mm，外徑為1.60mm，有效膜面積0.11m2，截留分子質(zhì)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(zhì)的一致性。進水經(jīng)吸水隔膜泵打入生物反應(yīng)器內(nèi)，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(shè)置在膜組件底部的穿孔管進行曝氣，具體曝氣量根據(jù)運行工況確定。反應(yīng)器底部設(shè)有排泥閥，定期排泥以保證池內(nèi)微生物活性。每個試驗工況結(jié)束后，另設(shè)1臺隔膜泵將膜出水反方向打入反應(yīng)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(diào)節(jié)閥門保持出水流量恒定，以跨膜壓力（真空表讀數(shù)）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(nèi)的生物量和活性一致，每個工況結(jié)束后排掉一定體積混合液，再補充相應(yīng)質(zhì)量的新炭，維持池內(nèi)的粉末活性炭濃度不變。每個工況結(jié)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(zhì)量分數(shù)為1%的NaOH溶液浸泡30min，直到膜的純水通量恢復(fù)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(zhì)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(yīng)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(chǎn)生不利影響的成分，本試驗測定了混合液中溶解態(tài)蛋白質(zhì)、多糖的含量，溶解態(tài)EPS的提取采用低速離心法，蛋白質(zhì)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(shù)據(jù)分析
2.1正交試驗設(shè)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(jù)文獻確定影響因素為膜池內(nèi)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(nèi)的曝氣模式。膜池內(nèi)的曝氣強度根據(jù)氣水比設(shè)計，選定3個曝氣強度120、80、40L/h。膜池內(nèi)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(zhì)量濃度（2g/L），Ce為粉末活性炭剩余質(zhì)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(jù)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(nèi)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(xù)曝氣。正交試驗方案見表1。
根據(jù)出水水質(zhì)、運行成本、操作管理等方面的綜合需要，構(gòu)建了運行工況優(yōu)化多目標模型，如圖2所示。整個評價系統(tǒng)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(yù)定目標或理想結(jié)果；領(lǐng)域?qū)樱˙）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(yīng)器生物量評價B3、膜運行狀況評價B4，是要實現(xiàn)目標所涉及的中間環(huán)節(jié)；指標層（C）包括7個為實現(xiàn)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(jié)果的平均值計。
圖2運行工況優(yōu)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(quán)重分配為wi，采用賦權(quán)加法得到綜合指標公式：
。其中指標層各指標Ci對應(yīng)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(yōu)化的重要參考依據(jù)。
2.3指標體系權(quán)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(fù)雜問題分解成各個組成因素，將這些因素按支配關(guān)系分組形成遞階層次結(jié)構(gòu)，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(quán)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(jù)客觀分析和具體試驗要求，判斷兩者的相對重要性，并構(gòu)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(quán)重〔8〕。
本試驗中具體的層次分析法評判步驟如下：（1）領(lǐng)域?qū)痈饕蛩貦?quán)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(quán)重（wCi）分配：采用四分法建立氮類物質(zhì)去除效果評價判斷矩陣B1表（表3）及反應(yīng)器生物量和膜運行復(fù)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(quán)重分配：wi=wBi×wCi。
判斷矩陣（A）中的4個因素：在氮類物質(zhì)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(jīng)本工藝去除后效果遠優(yōu)于水質(zhì)標準要求，故其重要性較低；反應(yīng)器生物量評價B3因本工藝的重要優(yōu)勢在于能較好地發(fā)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(yīng)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(zhuǎn)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(nèi)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(xiàn)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(quán)重的分配是合理的。將分析計算得到的各指標權(quán)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(jù)9個工況出水水質(zhì)、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(jié)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(nèi)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(yīng)指標的最大值和最小值范圍內(nèi)，100分對應(yīng)最小值，0分對應(yīng)最大值，以各工況相應(yīng)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(nèi)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(nèi)，100分對應(yīng)最大值，0分對應(yīng)最小值，同樣以各工況相應(yīng)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(yīng)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(jié)果表明，各因素作用的重要程度為：膜池內(nèi)的曝氣強度>膜池的刮泥間隔>膜池內(nèi)的曝氣模式>膜的抽、停時間。膜池內(nèi)的曝氣強度應(yīng)在設(shè)計過程中重點考慮，適當?shù)钠貧饪蔀榛钚晕勰辔⑸锾峁┥L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(xiàn)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(tǒng)污泥濃度較低，故采用較污水處理系統(tǒng)氣水比經(jīng)驗值低的氣水比值。膜池內(nèi)的曝氣模式和膜池的刮泥間隔也應(yīng)在設(shè)計中予以考慮，合適的膜池內(nèi)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(tǒng)的正常運行。膜的抽、停時間由進出水量決定，分析結(jié)果表明對于不同的設(shè)計參數(shù)影響不大，應(yīng)結(jié)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(yōu)工況。在實際運行過程中，出水水質(zhì)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(wěn)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(jiān)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(wěn)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(nèi)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(jié)合為反應(yīng)器提供了充足的溶解氧、適宜的pH和利于硝化菌生長的環(huán)境，提高了系統(tǒng)的生物活性，因此對氨氮的去除效果優(yōu)于其他工況。從出水穩(wěn)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(zhì)波動較小，處理效果更穩(wěn)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(fā)揮PAC與膜的協(xié)同作用。
結(jié)合考慮綜合指標Z、出水水質(zhì)去除效果和穩(wěn)定性等因素，選擇工況7為最優(yōu)工況，即：膜池內(nèi)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://www.jianfeilema.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3結(jié)論
針對PAC-MBR組合工藝設(shè)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(dǎo)現(xiàn)場工藝運行。在膜池內(nèi)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(zhì)、反應(yīng)器生物活性以及膜運行壓力均處于較好狀態(tài)且整體效果最優(yōu)，因此可選為最佳工況。其中膜池內(nèi)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(guān)鍵影響因素，在工程運行中應(yīng)重點考慮。
