某自来水厂水源水受到微污染，为保证出水水质达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）要求，需对现有的常规处理工艺进行升级改造。改造工程采用新型水处理集成技术———PAC-MBR，即投加粉末活性炭（PAC）的膜生物反应器（MBR）组合工艺，该工艺具有水质调节能力良好、污染物去除范围广、设备紧凑、易于自动控制与一体式管理等优点，故可形成性能可靠、操作简单、适合县镇管理条件的饮用水安全保障技术。
笔者采用模型实验来模拟实际改造工程的工艺流程，针对改造工程中主体工艺的设计参数、运行方式等重要影响因素，设计了一组4因素3水平的正交试验，采用数学建模中的层次分析法建立运行工况的评价模型，综合应用隶属度评分、极差分析、方差计算等数据处理手段进行分析，最终得到实验最优的运行工况，以指导改造工程的实际运行工况的确定，对研究适合老水厂改造的饮用水安全保障技术具有一定的参考价值。
1试验装置与方法
1.1试验装置
本试验组合工艺流程如图1所示。采用一体式膜生物反应器，反应器（膜池）内置2个中空纤维膜组件，同时添加一定量的粉末活性炭[粒度0.075mm（200目）]。试验用膜为海南立升净水科技实业有限公司提供的浸没式PVC合金中空纤维膜，孔径为0.10μm，膜丝内径为1.00mm，外径为1.60mm，有效膜面积0.11m2，截留分子质量50000u。
图1试验装置
试验原水由一定量的腐殖酸和NH4Cl配制而成，CODMn约为4mg/L，氨氮约为2.5mg/L，该模拟配水与自来水厂沉淀池出水具有较好相似性，且可保证每个工况进水水质的一致性。进水经吸水隔膜泵打入生物反应器内，处理后的出水由吸水隔膜泵抽出，由安置在超滤膜组件和出水隔膜泵间的真空表测定跨膜压，膜组件采用间歇方式运行。通过小型气泵及设置在膜组件底部的穿孔管进行曝气，具体曝气量根据运行工况确定。反应器底部设有排泥阀，定期排泥以保证池内微生物活性。每个试验工况结束后，另设1台隔膜泵将膜出水反方向打入反应器对膜进行反冲洗。
1.2工艺运行方法
进水流量为6L/h，出水抽吸泵工作时流量为8L/h，通过调节阀门保持出水流量恒定，以跨膜压力（真空表读数）来表征膜污染程度。每个试验工况的进水时间和工艺运行时间均相同，运行过程中取样6次。膜池中粉末活性炭的投加量为2g/L，为了保证每次工况下膜池内的生物量和活性一致，每个工况结束后排掉一定体积混合液，再补充相应质量的新炭，维持池内的粉末活性炭浓度不变。每个工况结束后用膜出水对膜组件进行反冲洗，冲洗水流量为20L/h，冲洗时间为5min，后用质量分数为1%的NaOH溶液浸泡30min，直到膜的纯水通量恢复至新膜初始通量的95%以上为止。
1.3测试方法
UV254采用T6新世纪紫外可见光分光光度计（北京普析通用公司）测定；氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮采用标准分析方法测定。脂类物质是所有细胞中生物膜的主要成分，在细胞死亡后会很快分解，且超过95%的生物膜脂类是以磷脂形式存在，故用总磷含量来表示反应器中生物的活性具有可行性，总磷的测定采用钼锑抗分光光度法。胞外聚合物（EPS）可用来衡量膜池中对膜过滤产生不利影响的成分，本试验测定了混合液中溶解态蛋白质、多糖的含量，溶解态EPS的提取采用低速离心法，蛋白质用福林酚法在波长750nm下测定吸光度，多糖用蒽酮-硫酸法在波长625nm下测定吸光度。
2模型建立与数据分析
2.1正交试验设计
安排了一组4因素3水平的正交试验，以确定因素的主次性和显著性。根据文献确定影响因素为膜池内的曝气强度、膜池沉泥的刮泥间隔、膜抽吸泵的抽停时间、膜池内的曝气模式。膜池内的曝气强度根据气水比设计，选定3个曝气强度120、80、40L/h。膜池内的刮泥间隔通过公式t=TlnC0/Ce确定，其中T为膜池的水力停留时间（HRT=1.44h），C0为粉末活性炭初始质量浓度（2g/L），Ce为粉末活性炭剩余质量浓度，选定3个刮泥间隔1、0.75、0.5h。膜抽吸泵的抽、停时间根据进出水量确定，以水位不超过膜池超高以及不低于膜组件标高为准，选定3个抽、停时间组合30、10min，15、5min，9、3min。膜池内的曝气模式分别采用不曝气、间歇曝气（膜停抽时曝气，工作时不曝气）、连续曝气。正交试验方案见表1。
根据出水水质、运行成本、操作管理等方面的综合需要，构建了运行工况优化多目标模型，如图2所示。整个评价系统分成3个层次，目标层（A）中有1个元素：运行工况评价A，是问题的预定目标或理想结果；领域层（B）包括4个元素：氮类去除效果评价B1、有机物去除效果评价B2、反应器生物量评价B3、膜运行状况评价B4，是要实现目标所涉及的中间环节；指标层（C）包括7个为实现目标而选择的评价指标：出水氨氮（NH4+-N）C1、出水亚硝酸盐氮（NO2--N）C2、出水硝酸盐氮（NO3--N）C3、出水有机物UV254值C4、生物接触氧化池总磷（TP）C5、膜池混合液EPS浓度C6、跨膜压差（TMP）C7，7个指标均以每个工况下所测样品结果的平均值计。
图2运行工况优化多目标模型
本试验确定综合指标为Z，指标层（C）中各指标Ci在体系中的权重分配为wi，采用赋权加法得到综合指标公式：
。其中指标层各指标Ci对应的单项指标评分为Zi，计算得到的Z值作为评价各运行工况与优化的重要参考依据。
2.3指标体系权重分配
由于7个评价指标不尽相同，计量单位也不一致，难以换算，因此采取层次分析法（AHP）进行分析，将复杂问题分解成各个组成因素，将这些因素按支配关系分组形成递阶层次结构，通过两两比较确定各个因素相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性的总排序〔7〕。各个指标权重的比较方法采用四分法：将所有指标一对一进行比较，根据客观分析和具体试验要求，判断两者的相对重要性，并构造判断矩阵。判断非常重要的一方给4分，另一方给0分；比较重要的一方给3分，另一方给1分；双方同样重要，均给2分；最后按每一指标的评分值占所有指标评分值的百分比确定其权重〔8〕。
本试验中具体的层次分析法评判步骤如下：（1）领域层各因素权重（wBi）分配：采用四分法建立运行工况评价判断矩阵A表（表2）；（2）指标层各因素权重（wCi）分配：采用四分法建立氮类物质去除效果评价判断矩阵B1表（表3）及反应器生物量和膜运行复合评价判断矩阵B3&B4表（表4）；（3）求出指标层各指标Ci在体系中的最终权重分配：wi=wBi×wCi。
判断矩阵（A）中的4个因素：在氮类物质去除效果评价B1中，因原水氨氮较高，需要较高的去除率，且一般工艺去除率较低，故其重要性最高；有机物去除效果评价B2，经本工艺去除后效果远优于水质标准要求，故其重要性较低；反应器生物量评价B3因本工艺的重要优势在于能较好地发挥微生物降解作用，故其重要性较高；膜运行状况评价B4因模拟试验周期相对较短，相对而言其重要性较低，但在示范工程中应重点考虑。判断矩阵（B1）中的3个因素：出水氨氮C1是本工艺的主要控制指标，出水亚硝酸盐氮C2和出水硝酸盐氮C3仅在分析氮元素的相互转化过程中作为参考，因此C1的重要性远高于C2和C3。判断矩阵（B3&B4）中的3个因素：膜池混合液EPS浓度C6既作为膜池中生物量的重要表征指标，又是膜污染形成的重要原因，故将判断矩阵B3和B4进行综合考虑；膜池内总磷C5作为池中生物量和生物活性的重要表征指标，与C6重要性相当；跨膜压差C7作为评价膜污染的直观指标，因试验周期较短，因此表现并不特别明显，其重要性较低。
运用MATLAB软件，按照一致性检验的计算公式及方法计算，得到各判断矩阵A、B1、B3&B4的一致性指标均＜0.1，即判断矩阵的一致性均可以接受，各权重的分配是合理的。将分析计算得到的各指标权重分配wi（wi=wBi×wCi）和隶属度评分Zi代入式（1）中，得到计算综合评价指标Z的具体化公式：
2.4隶属度评分
根据9个工况出水水质、生物量以及跨膜压差的变化情况，计算出各工况下每个指标不同时间取样结果的平均值，用隶属度方法对各工况7个评价指标分别评分〔9〕：（1）对于有机物、氨氮、亚硝酸盐氮、膜池内EPS、跨膜压差这5个指标，要求越低越好，评定方法是在9个工况中对应指标的最大值和最小值范围内，100分对应最小值，0分对应最大值，以各工况相应值所占的比例即隶属度进行评分：隶属度=（最大值－指标值）/（最大值－最小值）×100；（2）对于硝酸盐氮、膜池内总磷这2个指标，要求越高越好，评定方法亦是在9个工况中的最大值和最小值范围内，100分对应最大值，0分对应最小值，同样以各工况相应值所占的比例评分：隶属度=（指标值－最小值）/（最大值－最小值）×100。指标层的各指标Ci对应的隶属度评分Zi见表5。
将计算得到的隶属度评分Zi代入式（2）中，得到9个工况的综合评价指标Z，最终得到综合指标评分，列入表6中。采用极差分析法对运行工况的各因素进行分析比较，结果表明，各因素作用的重要程度为：膜池内的曝气强度>膜池的刮泥间隔>膜池内的曝气模式>膜的抽、停时间。膜池内的曝气强度应在设计过程中重点考虑，适当的曝气可为活性污泥微生物提供生长必需的氧气，而且可使泥水混合物充分混合，对于延缓膜池中膜污染有一定的作用；曝气量过小则难以实现上述作用；曝气量过大不仅增加能耗，还可能影响混合液的性状，考虑到实际给水系统污泥浓度较低，故采用较污水处理系统气水比经验值低的气水比值。膜池内的曝气模式和膜池的刮泥间隔也应在设计中予以考虑，合适的膜池内曝气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，选择合适的刮泥间隔，能够以排泥和补投新炭的方式保持系统的正常运行。膜的抽、停时间由进出水量决定，分析结果表明对于不同的设计参数影响不大，应结合抽吸泵运行管理综合确定。
由表6可知，工况7和工况9的综合指标Z值较其他工况要高，分别为58.24和66.53，为备选的较优工况。在实际运行过程中，出水水质是检验工况合理性的最直接和最重要因素，其中出水氨氮和UV254为主要检测指标，工况对其去除效果和出水稳定性的影响最为重要。对工况7和工况9运行过程中的出水氨氮和UV254进行监测，见图3。
由图3可以看出，从去除效果角度分析：工况7和工况9对UV254均有较好的去除效果，且随着试验的进行UV254逐渐减少并趋于稳定，平均去除率均在90%以上，这主要是受PAC的物理吸附和后期活性微生物氧化的共同作用〔10〕；工况7对氨氮的去除效果明显好于工况9，且工况7是所有工况中对氨氮去除率最高的，这主要是由于工况7膜池内的曝气强度选择比较合理，同时采用间歇曝气的运行方式，两者结合为反应器提供了充足的溶解氧、适宜的pH和利于硝化菌生长的环境，提高了系统的生物活性，因此对氨氮的去除效果优于其他工况。从出水稳定性角度分析：工况7出水氨氮和UV254的方差均小于工况9，说明工况7的出水水质波动较小，处理效果更稳定，有较强的抗冲击负荷能力，这主要是由于工况7的运行条件能够充分发挥PAC与膜的协同作用。
结合考虑综合指标Z、出水水质去除效果和稳定性等因素，选择工况7为最优工况，即：膜池内曝气强度40L/h，膜池刮泥间隔1h，出水抽吸泵抽、停时间9、3min，膜池采用间歇曝气。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3结论
针对PAC-MBR组合工艺设计了一组4因素3水平的正交试验方案，拟得出最佳组合工况指导现场工艺运行。在膜池内曝气强度40L/h，膜池刮泥间隔1h，出水抽吸泵抽、停时间9、3min，膜池采用间歇曝气的组合工况下，组合工艺的出水水质、反应器生物活性以及膜运行压力均处于较好状态且整体效果最优，因此可选为最佳工况。其中膜池内的曝气强度是首要影响因素，膜池的曝气模式和膜池的刮泥间隔是关键影响因素，在工程运行中应重点考虑。
