北京地區(qū)水資源短缺，再生水需求量不斷增加，甚至超過(guò)了地表水的供水量[1]. 因水量巨大、 穩(wěn)定，污水作為再生水水源將在今后成為必然[2]. 膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor,MBR)具有出水濁度低、 水質(zhì)穩(wěn)定和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[3]，常用做超濾、 反滲透等再生水處理的預(yù)處理手段[4, 5]. 但是相對(duì)常規(guī)工藝，MBR能耗高，降低了其在再生水處理中的優(yōu)勢(shì). 目前生活污水的MBR處理噸水能耗大多分布在0.45~0.91 kW ·h左右，比常規(guī)工藝處理同類(lèi)污水的噸水能耗0.24~0.37 kW ·h高出1~2倍，相應(yīng)的COD去除能耗為1.40~2.76 kW ·h ·kg-1左右，其COD去除能耗也高于常規(guī)工藝的1.01~1.54 kW ·h ·kg-1[6]. 隨著城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，城市建設(shè)用地更趨緊張，A2/O-MBR的應(yīng)用迅速增加[7]，A2/O-MBR工藝的能耗問(wèn)題引起了人們重視. 然而由于A2/O-MBR工藝起步較晚[8]，現(xiàn)有的A2/O-MBR工藝能耗的研究大多集中在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的短期運(yùn)行[9]或模擬研究[10]，大部分的這類(lèi)研究試圖從反應(yīng)器構(gòu)型、 操作條件(如曝氣)和膜污染等方面考察MBR運(yùn)行能耗[11, 12, 13]，或者僅著眼于某個(gè)局部(如膜生物池或膜組件內(nèi)部)[14, 15]，對(duì)實(shí)際A2/O-MBR污水處理廠節(jié)能降耗的指導(dǎo)意義有限. 雖然有文獻(xiàn)報(bào)道A2/O工藝[16] 或MBR工藝[17]的大型污水處理廠能耗情況，但鮮見(jiàn)A2/O-MBR工藝污水處理廠的能耗報(bào)道，并且由于處理水質(zhì)、 環(huán)境條件以及調(diào)查時(shí)間(時(shí)間分布和時(shí)間長(zhǎng)度)存在差異，現(xiàn)有的研究未能準(zhǔn)確比較不同工藝的能耗水平.

　　北京市清河再生水廠采用：倒置A2/O、 A2/O、 A2/O-MBR污水處理工藝，運(yùn)行數(shù)據(jù)完整，工藝豐富、 可對(duì)照性強(qiáng). 因此，本研究以清河再生水廠為對(duì)象，通過(guò)全面分析、 對(duì)比該廠常規(guī)工藝(倒置A2/O、 A2/O)與A2/O-MBR工藝的運(yùn)行能耗構(gòu)成，確定各工藝能耗水平，分析高能耗的主要環(huán)節(jié)及原因，進(jìn)而提出針對(duì)A2/O-MBR工藝的節(jié)能措施，以期為今后該再生水廠和同類(lèi)工藝降低運(yùn)行能耗提供借鑒. 1 材料與方法 1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

　　為考察清河再生水廠不同污水處理工藝能耗的時(shí)空分布特征及其影響因素，收集、 整理了不同污水處理工藝各年的水量、 進(jìn)出水水質(zhì)和電耗等數(shù)據(jù)，其中常規(guī)工藝(倒置A2/O、 A2/O)包括2008年和2012年運(yùn)行數(shù)據(jù)，A2/O-MBR工藝包括2012年下半年到2014年上半年運(yùn)行數(shù)據(jù).

　　1.2 清河再生水廠概況

　　清河再生水廠污水處理工藝包括常規(guī)工藝和A2/O-MBR 工藝，出水全部作為再生水廠水源，處理規(guī)模為55萬(wàn)t ·d-1. 常規(guī)工藝分為兩期建設(shè)，分別為倒置A2/O工藝和正置A2/O工藝，污水來(lái)自同一管網(wǎng)，處理規(guī)模均為20萬(wàn)t ·d-1，分別于2002年10月和2004年12月投入運(yùn)行，2012年清河再生水工程全面建成，一期、 二期生化池進(jìn)行改造后投加填料，出水經(jīng)過(guò)反硝化濾池+超濾+臭氧處理后進(jìn)入再生水管網(wǎng). A2/O-MBR工藝處理規(guī)模為15萬(wàn)t ·d-1，于2012年4月通水運(yùn)行，出水經(jīng)過(guò)接觸氧化+次氯酸鈉消毒后進(jìn)入再生水管網(wǎng). 此外，為提高生化處理的碳源濃度和氮、 磷的去除效率，保證生化反應(yīng)池內(nèi)有較高的碳氮比和碳磷比，故清河再生水廠未設(shè)初沉池，污水經(jīng)過(guò)沉砂池后進(jìn)入生化池.

　　1.2.1 常規(guī)工藝介紹

　　清河再生水廠一期采用倒置A2/O工藝，污泥外回流比為80%~100%，無(wú)內(nèi)循環(huán). 一期工藝流程示意圖見(jiàn)圖 1(a).

　　圖 1 清河再生水廠污水處理工藝流程示意

　　倒置A2/O工藝單獨(dú)為厭氧池配水，總磷去除率達(dá)94.87%，出水年均濃度為(0.31±0.34)mg ·L-1(2008年全年數(shù)據(jù) ，下同). 由于缺氧段池容較小，未設(shè)內(nèi)回流，脫氮效果不理想，出水總氮年均濃度為(21.74±4.32) mg ·L-1. 二期采用正置A2/O工藝，增大了缺氧池池容所占比例，內(nèi)回流設(shè)為300%，總氮去除率由一期的65.89%提高至74.05%，出水總氮年均濃度降低至(16.51±3.53) mg ·L-1. 同時(shí)二期為保證系統(tǒng)除磷能力，增大污泥外回流比至100%~120%，出水總磷年均濃度為(0.82±0.75) mg ·L-1. 二期工藝流程示意圖見(jiàn)圖 1(b).

　　由于污水被提升到曝氣沉砂池進(jìn)行除砂處理平分進(jìn)入一期、 二期兩個(gè)處理系統(tǒng)，且后續(xù)采用的工藝類(lèi)似，設(shè)備相當(dāng)，所以兩期工程的能耗基本相同，本文采用兩期平均能耗作為“常規(guī)工藝”能耗.

　　1.2.2 A2/O-MBR工藝介紹

　　清河再生水廠A2/O-MBR工藝采用北京碧水源公司“MBRU-1000”型膜組器，每個(gè)組器內(nèi)設(shè)60片PVDF簾式膜，單片膜面積27.5 m2，平均膜孔徑0.15μm，平均膜運(yùn)行通量為16.4 L ·(m2 ·h)-1，單個(gè)膜組器投影面積6.0 m2，設(shè)計(jì)曝氣量≥75.0 m3 ·(m2 ·h)-1. 膜池污泥回流比為400%，好氧池內(nèi)回流比為500%，缺氧池內(nèi)回流比為100%，其工藝流程示意圖見(jiàn)圖 1(c).

　　在A2/O -MBR工藝中，污泥被膜池截留回流到好氧池以保持污泥負(fù)荷，然后由好氧池回流到缺氧池進(jìn)行脫氮，膜池出水TN濃度為(14.80±4.50)mg ·L-1(2014年上半年數(shù)據(jù)，下同). 但大量污泥回流到缺氧池導(dǎo)致這部分污泥未經(jīng)歷厭氧階段，影響除磷效果[18]，因此再由缺氧池內(nèi)回流至厭氧池，膜池出水TP為(0.18±0.08)mg ·L-1.

　　1.3 能耗分析方法

　　采用比能耗分析法、 單元能耗分析法和冗余分析法研究常規(guī)工藝和A2O-MBR工藝的能耗. 比能耗是處理單位體積的污水所消耗的能量，可折算為噸污水電能(kW ·h ·t-1)或去除單位質(zhì)量的污染物所消耗的能量(kW ·h ·kg-1)[19]. 比能耗分析法可以直觀地表示不同工藝的能耗水平，可為工藝取舍、 改進(jìn)提供參考. 單元能耗分析是將再生水廠按功能和能耗特征分成預(yù)處理、 生化處理、 深度處理和污泥處理這4個(gè)單元分別進(jìn)行能耗分析，確定節(jié)能潛力，通過(guò)解析每一單元的能耗變化規(guī)律和主要影響因素，篩選出可行的節(jié)能途徑[20]. 冗余分析屬于約束性排序，可以看成多元線性回歸的擴(kuò)展，采用兩個(gè)變量集的線性關(guān)系模型,得到數(shù)值矩陣并對(duì)特征值進(jìn)行分解，能將物種(單位能耗、 處理效果)、 環(huán)境變量和樣點(diǎn)之間的關(guān)系反映在坐標(biāo)軸上[21].

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 不同工藝的比能耗分析

　　由圖 2可知，2012年A2/O-MBR工藝的比能耗較高，平均噸水能耗為(0.92±0.13) kW ·h ·t-1，是常規(guī)工藝的2.36倍，處于全國(guó)同類(lèi)工藝水平的下游[6]. 這一方面由于采用MBR替代常規(guī)工藝的二沉池，膜池曝氣量大，能耗勢(shì)必增加，另一方面2012年10月下旬進(jìn)水量驟然降低，也導(dǎo)致了單位能耗的升高. 直到12月，進(jìn)水量接近設(shè)計(jì)值(15.00萬(wàn)t ·d-1)，單位能耗才大幅回落至(0.80±0.07) kW ·h ·t-1，降低到常規(guī)工藝的2倍左右(見(jiàn)圖 3). 因此降低A2/O-MBR單位能耗一方面要優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行，降低膜池曝氣能耗，另一方面要保證運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)水量達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

　　圖 2 常規(guī)處理工藝和A2/O-MBR工藝的噸水能耗

　　圖 3 2012年不同工藝噸水能耗對(duì)比

　　同樣地，A2/O-MBR工藝去除單位COD能耗為(2.85±1.63) kW ·h ·kg-1，是常規(guī)工藝的3.13倍(見(jiàn)圖 4)，膜池曝氣量大仍然是主要原因. 當(dāng)然MBR膜池曝氣量過(guò)剩，微生物濃度高，氧化能力比常規(guī)工藝強(qiáng)，如能提高進(jìn)水的COD，則在同等曝氣強(qiáng)度下COD負(fù)荷更高，則COD單位能耗會(huì)有所降低.

　　圖 4 不同工藝處理1kg COD的能耗

　　比能耗是能耗與處理量(如進(jìn)水量、 CODremoved)的比值，簡(jiǎn)單直觀，通過(guò)分析可知曝氣量及進(jìn)水量是影響不同工藝能耗水平的關(guān)鍵. 但比能耗無(wú)法量化各個(gè)環(huán)節(jié)的耗能情況，可能會(huì)忽略掉其他關(guān)鍵影響因素，因此結(jié)合單元分析法進(jìn)一步分析.

　　2.2 不同工藝的單元能耗分析與節(jié)能潛力分析

　　一期、 二期主要能源消耗環(huán)節(jié)包括污水提升泵、 鼓風(fēng)機(jī)(曝氣沉砂、 好氧曝氣和膜曝氣)、 污泥脫水間與干化場(chǎng)、 污泥泵房、 再生水處理、 馬達(dá)控制中心(motor control center,MCC)等，各單元能耗分布見(jiàn)圖 5.

　　圖 5 不同工藝能耗分布情況

　　由圖 5可知，常規(guī)工藝主要耗能環(huán)節(jié)依次是鼓風(fēng)機(jī)、 進(jìn)水泵、 污泥泵、 再生水處理、 污泥脫水與干化等; A2/O-MBR依次是鼓風(fēng)機(jī)、 再生水處理、 膜抽吸、 回流泵(外回流泵+內(nèi)回流泵)、 污泥脫水與干化、 進(jìn)水泵等.

　　兩個(gè)工藝均是曝氣的能耗最大，分別占到42.97%和50.65%，是節(jié)能重點(diǎn)環(huán)節(jié). 通常降低曝氣能耗有3種方法：①采用精確曝氣，將在線測(cè)定溶氧、 氨氮濃度的信號(hào)值輸入自控系統(tǒng)，根據(jù)處理要求精確控制風(fēng)量[16]; ②通過(guò)非連續(xù)曝氣(變頻控制、 間歇曝氣)減少無(wú)效曝氣[22, 23]; ③通過(guò)工藝升級(jí)，優(yōu)化構(gòu)筑物及膜組件構(gòu)型、 曝氣設(shè)備，增大氧傳質(zhì)系數(shù)，或者采用MBR與傳統(tǒng)處理工藝的組合形式，保證MBR滿負(fù)荷運(yùn)行[24]. 由于(倒置)A2/O工藝脫氮除磷對(duì)溶氧濃度有嚴(yán)格要求，因此采用方法一既節(jié)能又提高出水水質(zhì)，一舉兩得. 方法二是設(shè)備的優(yōu)化控制，通過(guò)設(shè)備控制實(shí)現(xiàn)變頻曝氣、 脈沖曝氣. 對(duì)于曝氣過(guò)量的MBR工藝，空氣利用率低，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣頻率，防止膜孔嚴(yán)重堵塞，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行前提下，減少總的曝氣量，是節(jié)能的重要手段. 前兩種方法簡(jiǎn)單易行，該廠都有不同程度的實(shí)施. 方法一針對(duì)常規(guī)工藝，該廠已有過(guò)研究報(bào)道[25]，方法二針對(duì)A2/O-MBR，將在后文介紹. 方法三旨在提高氧傳質(zhì)系數(shù)和增大構(gòu)筑物利用率. 除進(jìn)行設(shè)備優(yōu)選外，還可以通過(guò)建立水廠的數(shù)學(xué)模型[26, 27]以及計(jì)算流體力學(xué)模型[28, 29]，進(jìn)行工藝、 構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計(jì). 這種方法需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且對(duì)模擬軟件使用能力要求較高，是未來(lái)的節(jié)能方向之一.

　　該廠常規(guī)工藝和A2/O-MBR工藝的污泥回流能耗均較高，分別占13.87%和8.98%，具有一定節(jié)能空間. 再生水系統(tǒng)采用了超濾處理，給水泵電耗較高，可以采用變頻控制，選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)回收率，優(yōu)化反洗策略等手段達(dá)到節(jié)能目的[5]. 由于本研究針對(duì)污水處理單元能耗，因此不對(duì)再生水處理環(huán)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)分析. MBR膜抽吸能耗影響因素較多，如曝氣強(qiáng)度、 污泥濃度、 反洗頻率等，這部分的能耗近期主要通過(guò)加強(qiáng)管理，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行來(lái)降低，遠(yuǎn)期需要依靠技術(shù)創(chuàng)新，從根本上減輕膜污染，降低運(yùn)行能耗. 進(jìn)水泵是一級(jí)處理的主要能耗環(huán)節(jié)，一般通過(guò)大小泵組合運(yùn)行和泵高位運(yùn)行等提高泵的運(yùn)行效率[30]，但是由于該廠進(jìn)水為一次提升，節(jié)能空間有限.

　　綜合比能耗分析及單元能耗分析可知，A2/O-MBR工藝能耗處在同類(lèi)工藝中游偏下水平，是節(jié)能的重點(diǎn)，常規(guī)工藝能耗較低，相對(duì)A2/O-MBR工藝節(jié)能潛力有限. 對(duì)于A2/O-MBR工藝，降低曝氣量、 增大進(jìn)水量、 降低污泥回流比是降低其能耗的主要手段. 但是優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)降低能耗的同時(shí)，會(huì)對(duì)出水水質(zhì)造成不同影響，故采用冗余分析(redundancy analysis,RDA)對(duì)其影響進(jìn)行綜合評(píng)估.

　　2.3 A2/O-MBR冗余分析

　　2013年全年的A2/O-MBR冗余分析結(jié)果如圖 6. 從中可知，與噸水能耗有較強(qiáng)正相關(guān)的環(huán)境變量主要為污泥回流比和膜池溶解氧，與噸水能耗有較強(qiáng)負(fù)相關(guān)的環(huán)境變量主要為進(jìn)水量和膜通量，這與之前的分析是一致的. 從該廠2014年運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，膜池曝氣溶氧平均在(5.73±1.88) mg ·L-1，仍高于生化所需的溶氧. 此外，A2/O-MBR工藝的設(shè)計(jì)有待繼續(xù)優(yōu)化，例如，污泥回流不盡合理，首先是好氧池外單獨(dú)設(shè)立膜池，增加了不必要的曝氣量和回流泵; 其次是污泥內(nèi)回流比過(guò)大，因此也增大了能耗. 最后進(jìn)水量滿足設(shè)計(jì)要求，并相應(yīng)地提高膜通量，有較好的節(jié)能效果.

　　圖 6 2013年全年A2/O-MBR工藝能耗

　　與環(huán)境變量的RDA二維排序

　　同時(shí)要考慮調(diào)整參數(shù)對(duì)出水水質(zhì)的影響. 由圖 6可知氮(TN和硝態(tài)氮)的去除與噸水能耗呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此降低能耗有利于脫氮，即降低膜池溶解氧和回流比、 提高進(jìn)水量和膜通量均能提高TN和硝態(tài)氮的去除率. 以減小曝氣量為例，2014年TN去除率較2012年提高了1.80%，出水TN由(17.88±4.98) mg ·L-1 降低為(14.80±4.50) mg ·L-1. COD與膜池DO呈較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，DO降低后，2014年COD去除率較2012年升高了1.67%，出水COD由18.67 mg ·L-1降至(15.37±1.77) mg ·L-1. TP的去除受環(huán)境變量的影響與COD類(lèi)似，2014年COD去除率較2012年提高了1.80%，出水TP由0.33mg ·L-1降低至(0.18±0.08) mg ·L-1. 連續(xù)曝氣時(shí)污泥SVI值達(dá)113.63±33.15，說(shuō)明改造前曝氣量偏大，改造后SVI值降至94.96±23.55. 綜合以上分析，在一定范圍內(nèi)調(diào)整操作參數(shù)以便節(jié)能，不會(huì)造成出水水質(zhì)惡化. 但是也要防止一味地追求高通量和低曝氣量，導(dǎo)致TMP急劇上升、 出水溶氧過(guò)低影響受納水體水質(zhì)等問(wèn)題[31].

　　2.4 A2/O-MBR節(jié)能措施及效果

　　自2013年6月起，A2/O-MBR進(jìn)水量增大到170.02×103 m3 ·d-1，導(dǎo)致膜在較高通量下運(yùn)行. 如繼續(xù)采用增大曝氣量方式維持高膜通量，則能耗仍會(huì)居高不下. 該廠最終通過(guò)管路閥門(mén)的改裝，實(shí)行非連續(xù)曝氣，減少無(wú)效沖刷，在提高膜表觀通量的同時(shí)，降低了能耗. 改造后脈沖曝氣的平均曝氣強(qiáng)度為70～110 m3 ·(m2 ·h)-1，比連續(xù)曝氣模式減少約30%的曝氣量，鼓風(fēng)機(jī)能耗所占比例下降到36.18%(見(jiàn)圖 7). 自2013年5月投入使用以來(lái)，A2/O-MBR運(yùn)行穩(wěn)定，噸水能耗下降至(0.53±0.06) kW ·h，降幅達(dá)42.39%(見(jiàn)圖 8)，去除單位COD的能耗下降至(1.29±0.59) kW ·h ·kg-1，降幅達(dá)54.74%.

　　圖 7 改造前后A2/O-MBR工藝的能耗分布情況

　　圖 8 改造前后A2/O-MBR工藝噸水能耗情況

　　綜上，改造曝氣方式后的A2/O-MBR能耗水平有了顯著提高. 但由于污泥回流量較大、 膜池溶解氧濃度仍較高，噸水能耗與同行業(yè)先進(jìn)水平相比仍存在差距[6]. 主要就是該廠A2/O-MBR于好氧池外另設(shè)膜曝氣池不盡合理，增加了不必要的膜池曝氣和污泥回流. 但是考慮到該工程為改建工程，且單設(shè)膜池便于膜元件清洗，因此仍可接受. 近期可以從優(yōu)化污泥回流泵的配置、 定期檢修管道、 閥門(mén)以及優(yōu)化曝氣的時(shí)空分布等方面著手降低能耗[24]. 遠(yuǎn)期通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)模擬技術(shù)[29]、 建立活性污泥數(shù)學(xué)模型[32, 33] 等方法，針對(duì)性地進(jìn)行MBR池容、 池形、 膜組件構(gòu)型和位置以及運(yùn)行參數(shù)等的輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化，進(jìn)一步降低運(yùn)行能耗. 具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://m.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)比能耗分析表明，連續(xù)曝氣的A2/O-MBR溶氧量富余，且由于運(yùn)行期間進(jìn)水量不足，噸水能耗達(dá)(0.80±0.07)~(0.92±0.13) kW ·h ·t-1，是處理同類(lèi)城市污水的該廠常規(guī)工藝(A2/O、 倒置A2/O)的2倍之多; 去除單位COD能耗為(2.85±1.63) kW ·h ·kg-1，是常規(guī)工藝的3倍之多.

　　(2)單元能耗分析表明，A2/O-MBR鼓風(fēng)機(jī)節(jié)能潛力大，冗余分析表明增大進(jìn)水量、 降低曝氣量、 降低污泥回流比等節(jié)能手段對(duì)出水水質(zhì)影響較小. A2/O-MBR工藝調(diào)整為間歇曝氣運(yùn)行后，間歇曝氣節(jié)能效果明顯，噸水能耗減少42.39%，去除單位COD能耗減少54.74%.

　　(3)單獨(dú)設(shè)立MBR膜曝氣池不盡合理，增加了不必要的曝氣和污泥回流. 在保證膜元件能順利清洗的條件下，A2/O-MBR工程可將膜組件置于好氧池內(nèi)，以降低能耗.

　　(4)降低A2/O-MBR能耗，除了在技術(shù)上持續(xù)改進(jìn)和改革外，還應(yīng)該提高再生水廠管理水平，繼續(xù)加強(qiáng)能耗分析與評(píng)估.(來(lái)源及作者：中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 楊敏、魏源送、郁達(dá)偉、劉吉寶、樊耀波 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 李亞明、呂鑑)