某自來(lái)水廠水源水受到微污染，為保證出水水質(zhì)達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2006）要求，需對(duì)現(xiàn)有的常規(guī)處理工藝進(jìn)行升級(jí)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(dòng)控制與一體式管理等優(yōu)點(diǎn)，故可形成性能可靠、操作簡(jiǎn)單、適合縣鎮(zhèn)管理?xiàng)l件的飲用水安全保障技術(shù)。

筆者采用模型實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際改造工程的工藝流程，針對(duì)改造工程中主體工藝的設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行方式等重要影響因素，設(shè)計(jì)了一組4因素3水平的正交試驗(yàn)，采用數(shù)學(xué)建模中的層次分析法建立運(yùn)行工況的評(píng)價(jià)模型，綜合應(yīng)用隸屬度評(píng)分、極差分析、方差計(jì)算等數(shù)據(jù)處理手段進(jìn)行分析，zui終得到實(shí)驗(yàn)*的運(yùn)行工況，以指導(dǎo)改造工程的實(shí)際運(yùn)行工況的確定，對(duì)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(jià)值。

一體化生活污水處理地埋式設(shè)備直銷

1.2工藝運(yùn)行方法

進(jìn)水流量為6L/h，出水抽吸泵工作時(shí)流量為8L/h，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)保持出水流量恒定，以跨膜壓力（真空表讀數(shù)）來(lái)表征膜污染程度。每個(gè)試驗(yàn)工況的進(jìn)水時(shí)間和工藝運(yùn)行時(shí)間均相同，運(yùn)行過(guò)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*，每個(gè)工況結(jié)束后排掉一定體積混合液，再補(bǔ)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(gè)工況結(jié)束后用膜出水對(duì)膜組件進(jìn)行反沖洗，沖洗水流量為20L/h，沖洗時(shí)間為5min，后用質(zhì)量分?jǐn)?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(cè)試方法

UV254采用T6新世紀(jì)紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)（北京普析通用公司）測(cè)定；氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定。脂類物質(zhì)是所有細(xì)胞中生物膜的主要成分，在細(xì)胞死亡后會(huì)很快分解，且超過(guò)95%的生物膜脂類是以磷脂形式存在，故用總磷含量來(lái)表示反應(yīng)器中生物的活性具有可行性，總磷的測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法。胞外聚合物（EPS）可用來(lái)衡量膜池中對(duì)膜過(guò)濾產(chǎn)生不利影響的成分，本試驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)750nm下測(cè)定吸光度，多糖用蒽酮-硫酸法在波長(zhǎng)625nm下測(cè)定吸光度。

2模型建立與數(shù)據(jù)分析

2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

安排了一組4因素3水平的正交試驗(yàn)，以確定因素的主次性和顯著性。根據(jù)文獻(xiàn)確定影響因素為膜池內(nèi)的曝氣強(qiáng)度、膜池沉泥的刮泥間隔、膜抽吸泵的抽停時(shí)間、膜池內(nèi)的曝氣模式。膜池內(nèi)的曝氣強(qiáng)度根據(jù)氣水比設(shè)計(jì)，選定3個(gè)曝氣強(qiáng)度120、80、40L/h。膜池內(nèi)的刮泥間隔通過(guò)公式t=TlnC0/Ce確定，其中T為膜池的水力停留時(shí)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(gè)刮泥間隔1、0.75、0.5h。膜抽吸泵的抽、停時(shí)間根據(jù)進(jìn)出水量確定，以水位不超過(guò)膜池超高以及不低于膜組件標(biāo)高為準(zhǔn)，選定3個(gè)抽、停時(shí)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(shí)曝氣，工作時(shí)不曝氣）、連續(xù)曝氣。正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

一體化生活污水處理地埋式設(shè)備直銷

根據(jù)出水水質(zhì)、運(yùn)行成本、操作管理等方面的綜合需要，構(gòu)建了運(yùn)行工況優(yōu)化多目標(biāo)模型，如圖2所示。整個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)分成3個(gè)層次，目標(biāo)層（A）中有1個(gè)元素：運(yùn)行工況評(píng)價(jià)A，是問(wèn)題的預(yù)定目標(biāo)或理想結(jié)果；領(lǐng)域?qū)樱˙）包括4個(gè)元素：氮類去除效果評(píng)價(jià)B1、有機(jī)物去除效果評(píng)價(jià)B2、反應(yīng)器生物量評(píng)價(jià)B3、膜運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)B4，是要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)；指標(biāo)層（C）包括7個(gè)為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)而選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)：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(jī)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(gè)指標(biāo)均以每個(gè)工況下所測(cè)樣品結(jié)果的平均值計(jì)。 

圖2運(yùn)行工況優(yōu)化多目標(biāo)模型

本試驗(yàn)確定綜合指標(biāo)為Z，指標(biāo)層（C）中各指標(biāo)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(biāo)公式：

。其中指標(biāo)層各指標(biāo)Ci對(duì)應(yīng)的單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分為Zi，計(jì)算得到的Z值作為評(píng)價(jià)各運(yùn)行工況與優(yōu)化的重要參考依據(jù)。

2.3指標(biāo)體系權(quán)重分配

由于7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)不盡相同，計(jì)量單位也不*，難以換算，因此采取層次分析法（AHP）進(jìn)行分析，將復(fù)雜問(wèn)題分解成各個(gè)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(guò)兩兩比較確定各個(gè)因素相對(duì)重要性，然后綜合決策者的判斷，確定決策方案相對(duì)重要性的總排序〔7〕。各個(gè)指標(biāo)權(quán)重的比較方法采用四分法：將所有指標(biāo)一對(duì)一進(jìn)行比較，根據(jù)客觀分析和具體試驗(yàn)要求，判斷兩者的相對(duì)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；zui后按每一指標(biāo)的評(píng)分值占所有指標(biāo)評(píng)分值的百分比確定其權(quán)重〔8〕。

本試驗(yàn)中具體的層次分析法評(píng)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(yùn)行工況評(píng)價(jià)判斷矩陣A表（表2）；（2）指標(biāo)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(píng)價(jià)判斷矩陣B1表（表3）及反應(yīng)器生物量和膜運(yùn)行復(fù)合評(píng)價(jià)判斷矩陣B3&B4表（表4）；（3）求出指標(biāo)層各指標(biāo)Ci在體系中的zui終權(quán)重分配：wi=wBi×wCi。

判斷矩陣（A）中的4個(gè)因素：在氮類物質(zhì)去除效果評(píng)價(jià)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zui高；有機(jī)物去除效果評(píng)價(jià)B2，經(jīng)本工藝去除后效果遠(yuǎn)優(yōu)于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，故其重要性較低；反應(yīng)器生物量評(píng)價(jià)B3因本工藝的重要優(yōu)勢(shì)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(yùn)行狀況評(píng)價(jià)B4因模擬試驗(yàn)周期相對(duì)較短，相對(duì)而言其重要性較低，但在示范工程中應(yīng)重點(diǎn)考慮。判斷矩陣（B1）中的3個(gè)因素：出水氨氮C1是本工藝的主要控制指標(biāo)，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(guò)程中作為參考，因此C1的重要性遠(yuǎn)高于C2和C3。判斷矩陣（B3&B4）中的3個(gè)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(biāo)，又是膜污染形成的重要原因，故將判斷矩陣B3和B4進(jìn)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(biāo)，與C6重要性相當(dāng)；跨膜壓差C7作為評(píng)價(jià)膜污染的直觀指標(biāo)，因試驗(yàn)周期較短，因此表現(xiàn)并不特別明顯，其重要性較低。

運(yùn)用MATLAB軟件，按照*性檢驗(yàn)的計(jì)算公式及方法計(jì)算，得到各判斷矩陣A、B1、B3&B4的*性指標(biāo)均＜0.1，即判斷矩陣的*性均可以接受，各權(quán)重的分配是合理的。將分析計(jì)算得到的各指標(biāo)權(quán)重分配wi（wi=wBi×wCi）和隸屬度評(píng)分Zi代入式（1）中，得到計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Z的具體化公式：

2.4隸屬度評(píng)分

根據(jù)9個(gè)工況出水水質(zhì)、生物量以及跨膜壓差的變化情況，計(jì)算出各工況下每個(gè)指標(biāo)不同時(shí)間取樣結(jié)果的平均值，用隸屬度方法對(duì)各工況7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別評(píng)分〔9〕：（1）對(duì)于有機(jī)物、氨氮、亞硝酸鹽氮、膜池內(nèi)EPS、跨膜壓差這5個(gè)指標(biāo)，要求越低越好，評(píng)定方法是在9個(gè)工況中對(duì)應(yīng)指標(biāo)的zui大值和zui小值范圍內(nèi)，100分對(duì)應(yīng)zui小值，0分對(duì)應(yīng)zui大值，以各工況相應(yīng)值所占的比例即隸屬度進(jìn)行評(píng)分：隸屬度=（zui大值－指標(biāo)值）/（zui大值－zui小值）×100；（2）對(duì)于硝酸鹽氮、膜池內(nèi)總磷這2個(gè)指標(biāo)，要求越高越好，評(píng)定方法亦是在9個(gè)工況中的zui大值和zui小值范圍內(nèi)，100分對(duì)應(yīng)zui大值，0分對(duì)應(yīng)zui小值，同樣以各工況相應(yīng)值所占的比例評(píng)分：隸屬度=（指標(biāo)值－zui小值）/（zui大值－zui小值）×100。指標(biāo)層的各指標(biāo)Ci對(duì)應(yīng)的隸屬度評(píng)分Zi見(jiàn)表5。

將計(jì)算得到的隸屬度評(píng)分Zi代入式（2）中，得到9個(gè)工況的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Z，zui終得到綜合指標(biāo)評(píng)分，列入表6中。采用極差分析法對(duì)運(yùn)行工況的各因素進(jìn)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(qiáng)度>膜池的刮泥間隔>膜池內(nèi)的曝氣模式>膜的抽、停時(shí)間。膜池內(nèi)的曝氣強(qiáng)度應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮，適當(dāng)?shù)钠貧饪蔀榛钚晕勰辔⑸锾峁┥L(zhǎng)必需的氧氣，而且可使泥水混合物充分混合，對(duì)于延緩膜池中膜污染有一定的作用；曝氣量過(guò)小則難以實(shí)現(xiàn)上述作用；曝氣量過(guò)大不僅增加能耗，還可能影響混合液的性狀，考慮到實(shí)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(yàn)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(jì)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(bǔ)投新炭的方式保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。膜的抽、停時(shí)間由進(jìn)出水量決定，分析結(jié)果表明對(duì)于不同的設(shè)計(jì)參數(shù)影響不大，應(yīng)結(jié)合抽吸泵運(yùn)行管理綜合確定。

由表6可知，工況7和工況9的綜合指標(biāo)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(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，出水水質(zhì)是檢驗(yàn)工況合理性的zui直接和zui重要因素，其中出水氨氮和UV254為主要檢測(cè)指標(biāo)，工況對(duì)其去除效果和出水穩(wěn)定性的影響zui為重要。對(duì)工況7和工況9運(yùn)行過(guò)程中的出水氨氮和UV254進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見(jiàn)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(duì)UV254均有較好的去除效果，且隨著試驗(yàn)的進(jìn)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(duì)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(duì)氨氮去除率zui高的，這主要是由于工況7膜池內(nèi)的曝氣強(qiáng)度選擇比較合理，同時(shí)采用間歇曝氣的運(yùn)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(zhǎng)的環(huán)境，提高了系統(tǒng)的生物活性，因此對(duì)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(shuō)明工況7的出水水質(zhì)波動(dòng)較小，處理效果更穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，這主要是由于工況7的運(yùn)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(biāo)Z、出水水質(zhì)去除效果和穩(wěn)定性等因素，選擇工況7為*工況，即：膜池內(nèi)曝氣強(qiáng)度40L/h，膜池刮泥間隔1h，出水抽吸泵抽、停時(shí)間9、3min，膜池采用間歇曝氣。

3結(jié)論

針對(duì)PAC-MBR組合工藝設(shè)計(jì)了一組4因素3水平的正交試驗(yàn)方案，擬得出好組合工況指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工藝運(yùn)行。在膜池內(nèi)曝氣強(qiáng)度40L/h，膜池刮泥間隔1h，出水抽吸泵抽、停時(shí)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(yùn)行壓力均處于較好狀態(tài)且整體效果*，因此可選為好工況。其中膜池內(nèi)的曝氣強(qiáng)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(yùn)行中應(yīng)重點(diǎn)考慮。