膜生物反应器( membrane bio-reactor，MBR)具有占地面积小、出水水质好、污泥产率低等优点，然而高能耗成为了MBR工艺在水处理领域进一步研究和应用的最大瓶颈。据统计，我国城市污水处理厂的平均电耗为0.29 kWh·m－3，其中MBR工艺单位能耗是0.6～0.9 kWh·m－3，远高于传统生物处理工艺(0.2～0.3kWh·m－3) ，能耗水平与欧美等发达国家相比差距较大。特别是处理低浓度有机物废水时能耗问题尤为突出，如何找到降低能耗、物耗的途径是当前的迫切需要。
缺氧-厌氧-好氧膜生物反应器(anoxic-anaerobic-anoxic membrane bio-reactor，3AMBR) 是具有高效脱氮除磷性能的新型MBR组合工艺。该工艺具有出水水质好、运行稳定、污泥产量小等优点，但同时系统存在运行成本过高的问题。李捷等认为，3AMBR工艺的能耗主要来源于降低膜污染、提高脱氮除磷效果而采取的强曝气和内循环的动力消耗。
基于3AMBR实际运行中存在的高能耗问题，本研究开展中试实验，尝试从改变进水、曝气及内回流比的方式对3AMBR工艺的优化运行进行了研究，以期在无外加碳源的条件下，达到强化脱氮效率、节能降耗的目的，并研究可用于工程实际的工艺节能改造方案。
1 实验材料及方法
1.1 实验进水
中试装置搭建于昆明第四污水厂内，进水为经污水厂三道格栅处理后的生活污水和污泥脱水原液，实验期间进水水质见表1。实验进水水质波动较大，其中C/N( 质量比)为5.40，根据传统脱氮理论，进水碳源稍显不足，属于低C/N值生活污水，脱氮难度较大。
表1 进水水质
1.2 实验装置
中试装置箱体采用钢板焊接制备，设备有效容积为L×W×H=3.9m×2m×2m，设计污水处理量为1m3·h－1，采用昆明第四污水处理厂现有运行工艺，工艺流程为厌氧-缺氧-好氧-变化池-膜池(图1)，该工艺对好氧池进行了分区，好氧区前段(好氧1段) 充分利用膜池回流的DO，可减少曝气器布置密度，后段(好氧2段)有机物浓度较低，减少曝气器布置密度，为后续处理单元争取更多碳源，同时可减少好氧停留时间、增加变化池停留时间，提高总氮去除效率。各池体间用开孔钢板分隔。膜组器采用帘式聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)中空纤维膜，膜孔径≤0.1μm。
图1 MBR中试实验工艺流程
1.3 中试装置运行工况
中试装置的污泥龄为15d，膜池约为7g·L－1，好氧池与变化池约为6g·L－1，厌氧池与缺氧池约为5g·L－1。总水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)为14. 04 h(其中：厌氧区1.08h、缺氧区7.02h、好氧区4.32 h、膜区1.62h) 。该工艺设置了3个混合液回流：膜池至好氧池(R1)、好氧池至缺氧池(R2)、变化池至厌氧池(R3)。产水由自吸泵间歇抽吸出水，抽停时间比为9min/1min，每周进行一次维护性清洗(enhanced flux maintenance，EFM)。进水量、回流量与曝气量主要通过电磁阀(2W-250-25)、液体电磁流量计(BTLD-20016 1110)与气体流量计控制。
本研究优选了4套实验方案，其中方案1模拟昆明市第四污水处理厂处理工艺流程。其他方案与方案1相比，主要调整如下：方案2，完全停止好氧池曝气，加大R1回流，主要考察膜池富余溶解氧利用替代曝气的效果；方案3，降低好氧池首段曝气量，主要考察降低曝气量的影响；方案4，改变进水方式，考察多点进水运行工况的效果。各方案运行的具体变量对比如表2所示。
表2 3AMBR中试实验方案变量对比
1.4 分析项目及方法
COD:《重铬酸钾法》(GB 11914-1989)；TN:《过硫酸钾氧化分光光度法》(GB I1894-1989)；NH3-N:《氨氮的测定-纳氏试剂分光光度法》(HJ 535-2009)；NO3-N:《硝酸盐氮的测定-酚二磺酸分光光度法》(GB/T 7480-1989)；TP:《钼锑抗分光光度法》(GB 11893-1989)；DO:采用HACH HQ-40-d便携式溶氧仪测量；MLSS:采用HACH TSS便携式污泥浓度计测量；ORP:采用HACH HQ-11-d ORP计测量；pH:采用HACH pH计测量；浊度:采用HACH 2100N浊度仪测量。
2 结果与讨论
2.1 实验期间各方案水质结果分析
中试MBR系统自2014年5—12月，进行了200d左右的中试实验，在去除了切换调试期后，稳定期长达100d(其中方案1为70d，方案2为10d，方案3为10d，方案4为10d) ，在此期间出水水质良好，主要水质主要指标监测结果见图2。出水在改变运行参数后略有波动，总体来说各方案COD出水均低于30mg·L－1，去除率可达83.10%；出水TN、NH3-N、TP的质量浓度平均值分别7.09、0.92 和0.33mg·L－1，去除率均值为63.06%、81.59%、97.05%，优于绝大多数传统处理工艺，满足城镇污水处理厂一级A排放标准的要求(COD≤50mg·L－1，NH3-N≤10mg·L－1，TP≤0.5 mg·L－1)。各污染物除TP采用生物+化学法外，其余皆采用生物法去除。
图2 3AMBR中试出水效果
2.1.1 DO值
由表3 监测结果可知，受节能措施的影响，各反应池水体DO值均出现了不同程度的改变：方案2虽然完全停止了曝气，但好氧1段仍保持了接近原来一半的DO水平(0.23 mg·L－1) ，说明膜池液回流确实起到了补充溶解氧的作用；方案3则停止好氧1曝气，该池DO值进一步降低到约方案1的1/4水平(0.13mg·L－1)，膜池以外的各池DO水平非常接近，梯度不明显；多点进水对DO值也产生了一定程度的影响，尤其是2个好氧池和变化池形成了更好的DO值浓度梯度。
表3 3AMBR中试各单元溶解氧(单位：mg·L－1)
2.1.2 有机污染物
各方案在运行期间均达到了较好的COD去除效果，去除率分别为86.23%、87.47%、84.79%、89.65%。从沿程污染物浓度变化情况(图3) 可知，由于受到生化降解及回流液稀释的作用，各方案COD浓度在厌氧池下降幅度较大，可达到81.28%以上，后续处理单元对COD也有少量的去除作用。改变运行参数后(方案2、方案3 及方案4)，各单元COD去除率均略有下降，但与对照组相比差异并不显著，不影响出水达标(均低于30mg·L－1)。这表明，不同供氧方式及进水方式对COD处理效果的影响不大。当改变供氧方式时(方案2或方案3)好氧池溶解氧均值低于0.25 mg·L－1，与厌氧池、缺氧池DO梯度变小，MBR工艺中有机物的去除主要通过生化降解，而该套工艺中由于膜系统的存在具有极好的泥水分离效果，污泥浓度高(5～8 g·L－1)，保证了COD的良好去除率。当采用多点进水时(方案4) ，对碳源进行了重新分配，但未见缺氧池与变化池COD值出现明显上升，主要原因是污泥浓度较高，有机物在反应器前段快速被消耗，而本次实验的采样点则位于处理构筑物的末端。
图3 各方案工艺流程中污染物浓度的变化趋势
2.1.3 含氮污染物
TN在各方案中均呈持续下降的趋势，这主要是系统沿程实现了同步硝化反硝化作用的结果，各方案NH3-N和NO3-N值沿程变化呈负相关性(图3(c)，(d))，两者之间存在明显的转化迹象，这也与国内外其他研究结果相似。
改造后的方案脱氮效率皆明显提高。方案2的污水进入系统后随着NH3-N浓度的持续下降，NO3-N很好地稳定在2.50mg·L－1左右，表明系统硝化/反硝化过程进行良好，其中好氧2段至变化池末端发生二次反硝化作用，分析原因主要是好氧2段与变化池中溶氧值(0.09mg·L－1)较低，反硝化菌的活性高；最低的出水TN出水浓度证明：增加回流较其他手段更有利于氮的去除。
方案3降低曝气量后，仍存在较高的COD和NH3-N去除率，可能是存在兼型厌氧菌在低DO条件下利用有机碳源进行反硝化作用。但同时，NH3-N要高于方案2和方案3，TN去除率不高，这是因为反硝化菌活性不高，亚硝酸还原酶的合成受到抑制，导致反硝化过程中亚硝酸盐的积累，这也在孙家君等、周丹丹等的研究中也发现相似的规律。
方案4采用分段进水的方式，虽然变化趋势与方案1接近，并且也出现了较高的NO3-N 累积，但由于较为均匀地分配了氮负荷与碳源，硝化/反硝化过程得以更好地进行，其中好氧2段至变化池末端，NO3-N呈现明显下降趋势，出现二次反硝化作用，但与方案2对比，结合溶氧值与COD变化趋势可知，主要是因为多点进水为处理流程末端反应池提供了充足的碳源，所以沿程各项氮素指标均优于方案1，并最终达到了更好的脱氮效果。结果表明，多点进水可合理分配碳源，降低反应器前端负荷，从而提高脱氮效率。
2.1.4 含磷污染物
中试装置除磷采用生物法+化学除磷，在昆明市第四污水处理厂超细格栅之后投加铁盐(硫酸铁)，由图3(c)可知，在厌氧池末端已实现了TP的有效去除，出水水质均能达到GB 18918-2002一级A标的要求。由前期在昆明第四污水处理厂所做研究可知，生物法+化学除
磷法即使在COD/TP＜20时也可达到较好的除磷效果，且方法稳定可靠。本实验中各方案除磷效果略有差别，主要是由于进水水质变化造成。
2.2 能效分析与讨论
污水处理过程中的能耗主要是指电耗，据研究其中鼓风机、泵等设备的电耗通常占到总体直接能耗的60%～90%。中试装置预处理、出水消毒系统、污泥系统的耗电量参考污水厂的耗电量，由于中试装置的曝气设备直接接自昆明市第四污水处理厂的曝气鼓风机，因此采用曝气流量占鼓风机总流量的百分比来估算耗电量。中试实验用到的其他用电设备主要有: 单相潜水泵(0.75kW，0.37kW)，离心泵(0.37kW，仅供出水、反冲洗用)，为了在相同标准下比较，这些设备均按污水厂的能耗水平分别进行了折算，具体见表4。
表4 MBR中试装置各方案能耗统计表(单位：kWh·m－1)
从污水厂的能耗分布看，曝气和吹扫电耗合计达0.383 kWh·m－3，占全厂总电耗的62.89%，是节能降耗的关键。受规模效应等的影响，中试装置与污水处理厂的能耗比高达7.65(折算后为2.26)。折算结果显示，方案2、3均实现了能耗的明显降低，并且保证了良好的出水水质，说明减少曝气是可行的节能途径；其中，增加回流、完全停止曝气的方案2获得了最低的能耗，并且表现出了最佳的脱氮能力，回流起到了代替曝气、甚至更好的效果，当然这一结论是在中试特定的条件下获得的。方案4采用多点进水，能耗虽基本没有变化，但优化了碳源配置，降低了好氧段首端的有机负荷，提高了脱氮效率，对出水水质有明显的改善作用，从而提高了污水处理的能效。
3 结论及建议
本研究以实际城市污水为对象，构建中试系统，进行了长达200余天的现场实验，结论如下：1)减少曝气是切实可行的节能途径，即使好氧池在低溶氧(DO＜0.3 mg·L－1) 状态下运行，仍可保证系统出水的稳定达标排放；2)增加膜池回流比，可充分利用膜池富余溶解氧，起到部分或完全替代好氧池曝气的效果，并可同时实现脱氮效能；3)多点进水在降低反应器前端污染负荷的同时，通过合理分配碳源改善了缺氧池的反硝化性能，进而提高了系统的整体处理能力，从而明显提升了能效。
本实验的3种优化方案都是较行之有效的节能参考，运行中的污水处理厂可采用类似方案1的方式，通过适当降低曝气强度达到节能；而对于新建或改造中的污水处理厂，建议设置多点进水，并辅以各单元回流量和曝气量灵活调节的选择，以实现污水处理能效的最大化。