北京地區(qū)水資源短缺，再生水需求量不斷增加，甚至超過了地表水的供水量[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)定和自動化程度高等優(yōu)點[3]，常用做超濾、 反滲透等再生水處理的預(yù)處理手段[4, 5]. 但是相對常規(guī)工藝，MBR能耗高，降低了其在再生水處理中的優(yōu)勢. 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)污水排放標準的日益提高，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驗室規(guī)模的短期運行[9]或模擬研究[10]，大部分的這類研究試圖從反應(yīng)器構(gòu)型、 操作條件(如曝氣)和膜污染等方面考察MBR運行能耗[11, 12, 13]，或者僅著眼于某個局部(如膜生物池或膜組件內(nèi)部)[14, 15]，對實際A2/O-MBR污水處理廠節(jié)能降耗的指導(dǎo)意義有限. 雖然有文獻報道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A2/O-MBR工藝污水處理廠的能耗報道，并且由于處理水質(zhì)、 環(huán)境條件以及調(diào)查時間(時間分布和時間長度)存在差異，現(xiàn)有的研究未能準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，運行數(shù)據(jù)完整，工藝豐富、 可對照性強. 因此，本研究以清河再生水廠為對象，通過全面分析、 對比該廠常規(guī)工藝(倒置A2/O、 A2/O)與A2/O-MBR工藝的運行能耗構(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，進而提出針對A2/O-MBR工藝的節(jié)能措施，以期為今后該再生水廠和同類工藝降低運行能耗提供借鑒. 1 材料與方法 1.1 數(shù)據(jù)來源
為考察清河再生水廠不同污水處理工藝能耗的時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年運行數(shù)據(jù)，A2/O-MBR工藝包括2012年下半年到2014年上半年運行數(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，污水來自同一管網(wǎng)，處理規(guī)模均為20萬t ·d-1，分別于2002年10月和2004年12月投入運行，2012年清河再生水工程全面建成，一期、 二期生化池進行改造后投加填料，出水經(jīng)過反硝化濾池+超濾+臭氧處理后進入再生水管網(wǎng). A2/O-MBR工藝處理規(guī)模為15萬t ·d-1，于2012年4月通水運行，出水經(jīng)過接觸氧化+次氯酸鈉消毒后進入再生水管網(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)過沉砂池后進入生化池.
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%，無內(nèi)循環(huán). 一期工藝流程示意圖見圖 1(a).
圖 1 清河再生水廠污水處理工藝流程示意
倒置A2/O工藝單獨為厭氧池配水，總磷去除率達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圖 1(b).
由于污水被提升到曝氣沉砂池進行除砂處理平分進入一期、 二期兩個處理系統(tǒng)，且后續(xù)采用的工藝類似，設(shè)備相當，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，平均膜運行通量為16.4 L ·(m2 ·h)-1，單個膜組器投影面積6.0 m2，設(shè)計曝氣量≥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荷，然后由好氧池回流到缺氧池進行脫氮，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個單元分別進行能耗分析，確定節(jié)能潛力，通過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展，采用兩個變量集的線性關(guān)系模型,得到數(shù)值矩陣并對特征值進行分解，能將物種(單位能耗、 處理效果)、 環(huán)境變量和樣點之間的關(guān)系反映在坐標軸上[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，處于全國同類工藝水平的下游[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，能耗勢必增加，另一方面2012年10月下旬進水量驟然降低，也導(dǎo)致了單位能耗的升高. 直到12月，進水量接近設(shè)計值(15.00萬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(見圖 3). 因此降低A2/O-MBR單位能耗一方面要優(yōu)化設(shè)計和運行，降低膜池曝氣能耗，另一方面要保證運行過程中進水量達到設(shè)計要求.
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(見圖 4)，膜池曝氣量大仍然是主要原因. 當然MBR膜池曝氣量過剩，微生物濃度高，氧化能力比常規(guī)工藝強，如能提高進水的COD，則在同等曝氣強度下COD負荷更高，則COD單位能耗會有所降低.
圖 4 不同工藝處理1kg COD的能耗
比能耗是能耗與處理量(如進水量、 CODremoved)的比值，簡單直觀，通過分析可知曝氣量及進水量是影響不同工藝能耗水平的關(guān)鍵. 但比能耗無法量化各個環(huán)節(jié)的耗能情況，可能會忽略掉其他關(guān)鍵影響因素，因此結(jié)合單元分析法進一步分析.
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(曝氣沉砂、 好氧曝氣和膜曝氣)、 污泥脫水間與干化場、 污泥泵房、 再生水處理、 馬達控制中心(motor control center,MCC)等，各單元能耗分布見圖 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、 進水泵、 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、 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、 進水泵等.
兩個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，將在線測定溶氧、 氨氮濃度的信號值輸入自控系統(tǒng)，根據(jù)處理要求精確控制風(fēng)量[16]; ②通過非連續(xù)曝氣(變頻控制、 間歇曝氣)減少無效曝氣[22, 23]; ③通過工藝升級，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滿負荷運行[24]. 由于(倒置)A2/O工藝脫氮除磷對溶氧濃度有嚴格要求，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，通過設(shè)備控制實現(xiàn)變頻曝氣、 脈沖曝氣. 對于曝氣過量的MBR工藝，空氣利用率低，通過調(diào)節(jié)曝氣頻率，防止膜孔嚴重堵塞，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行前提下，減少總的曝氣量，是節(jié)能的重要手段. 前兩種方法簡單易行，該廠都有不同程度的實施. 方法一針對常規(guī)工藝，該廠已有過研究報道[25]，方法二針對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. 除進行設(shè)備優(yōu)選外，還可以通過建立水廠的數(shù)學(xué)模型[26, 27]以及計算流體力學(xué)模型[28, 29]，進行工藝、 構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計. 這種方法需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且對模擬軟件使用能力要求較高，是未來的節(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?shù)南到y(tǒng)回收率，優(yōu)化反洗策略等手段達到節(jié)能目的[5]. 由于本研究針對污水處理單元能耗，因此不對再生水處理環(huán)節(jié)進行單獨分析. MBR膜抽吸能耗影響因素較多，如曝氣強度、 污泥濃度、 反洗頻率等，這部分的能耗近期主要通過加強管理，及時調(diào)整運行來降低，遠期需要依靠技術(shù)創(chuàng)新，從根本上減輕膜污染，降低運行能耗. 進水泵是一級處理的主要能耗環(huán)節(jié)，一般通過大小泵組合運行和泵高位運行等提高泵的運行效率[30]，但是由于該廠進水為一次提升，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工藝能耗處在同類工藝中游偏下水平，是節(jié)能的重點，常規(guī)工藝能耗較低，相對A2/O-MBR工藝節(jié)能潛力有限. 對于A2/O-MBR工藝，降低曝氣量、 增大進水量、 降低污泥回流比是降低其能耗的主要手段. 但是優(yōu)化運行參數(shù)降低能耗的同時，會對出水水質(zhì)造成不同影響，故采用冗余分析(redundancy analysis,RDA)對其影響進行綜合評估.
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，與噸水能耗有較強負相關(guān)的環(huán)境變量主要為進水量和膜通量，這與之前的分析是一致的. 從該廠2014年運行數(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)回流比過大，因此也增大了能耗. 最后進水量滿足設(shè)計要求，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
同時要考慮調(diào)整參數(shù)對出水水質(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)曝氣時污泥SVI值達113.63±33.15，說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、 出水溶氧過低影響受納水體水質(zhì)等問題[31].
2.4 A2/O-MBR節(jié)能措施及效果
自2013年6月起，A2/O-MBR進水量增大到170.02×103 m3 ·d-1，導(dǎo)致膜在較高通量下運行. 如繼續(xù)采用增大曝氣量方式維持高膜通量，則能耗仍會居高不下. 該廠最終通過管路閥門的改裝，實行非連續(xù)曝氣，減少無效沖刷，在提高膜表觀通量的同時，降低了能耗. 改造后脈沖曝氣的平均曝氣強度為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)機能耗所占比例下降到36.18%(見圖 7). 自2013年5月投入使用以來，A2/O-MBR運行穩(wěn)定，噸水能耗下降至(0.53±0.06) kW ·h，降幅達42.39%(見圖 8)，去除單位COD的能耗下降至(1.29±0.59) kW ·h ·kg-1，降幅達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、 閥門以及優(yōu)化曝氣的時空分布等方面著手降低能耗[24]. 遠期通過計算流體力學(xué)模擬技術(shù)[29]、 建立活性污泥數(shù)學(xué)模型[32, 33] 等方法，針對性地進行MBR池容、 池形、 膜組件構(gòu)型和位置以及運行參數(shù)等的輔助設(shè)計和優(yōu)化，進一步降低運行能耗. 具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.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，且由于運行期間進水量不足，噸水能耗達(0.80±0.07)~(0.92±0.13) kW ·h ·t-1，是處理同類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)機節(jié)能潛力大，冗余分析表明增大進水量、 降低曝氣量、 降低污泥回流比等節(jié)能手段對出水水質(zhì)影響較小. A2/O-MBR工藝調(diào)整為間歇曝氣運行后，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)改進和改革外，還應(yīng)該提高再生水廠管理水平，繼續(xù)加強能耗分析與評估.(來源及作者：中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 楊敏、魏源送、郁達偉、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)
