随着我国很多地区对污水厂出水水质要求的不断提高，膜生物反应器(MBR) 因具有出水水质好且运行稳定等优点获得了越来越广泛的应用。此外，由于征地成本不断提高，污水处理厂的建设用地指标一再压缩，同样为MBR工艺的应用提供了大量的机会。但是目前采用MBR工艺的污水处理厂电耗一般为0．45～0．91 kW·h /m3，较高的处理电耗限制了MBR工艺的推广应用。
目前国内外为降低MBR能耗，已进行了一系列的研究，但主要针对膜材质、膜制作技术、膜操作、生物池的池型等方面，而针对前端预处理、一级处理、生化处理部分，以及整体流程与后续膜池的衔接过程等缺乏优化设计经验，全流程设计参数不全，影响运行效果以及膜寿命和能耗。拟通过对MBR工艺全流程的节能降耗的实际探索，为新建及改造的
污水处理厂的节能降耗提供技术支持。
1、工程简介
北方某污水处理厂总体设计规模为15 × 104m3/d，采用MBR处理工艺，工艺流程如图1所示。出水水质需要达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。

图1 某北方污水处理厂工艺流程
设计进、出水水质见表1

表1 设计进、出水水质
2、工程设计中降低能耗的探索
2.1 设置初沉池
目前，受碳源缺乏等因素影响，很多污水处理厂前端未设初沉池，但取消初沉池时，生物池中活性污泥的比例较低，且生物池中总污泥浓度较高，增加了后续膜处理单元抽水的能耗及反洗的频率。因此在本工程中仍设置初沉池。经计算，在固定总池容和泥龄的情况下，有无初沉池参数对比见表2。

表2 有无初沉池参数对比
由表2 可见，在相同总池容( 初沉池与生物池体积之和) 、处理泥龄、处理效果的前提下，反推生物池内的污泥浓度，在有初沉池的情况下，生物池中的污泥浓度较低，故相同条件下后续膜池的污泥浓度较低，从而使膜池出水抽吸的能耗及膜擦洗的能耗降低。
2.2 智能精确曝气控制系统的应用
智能精确曝气控制系统包括生物池智能工艺优化系统和生物池智能曝气控制系统。生物池智能工艺优化系统的作用是预测工艺运行状况，实时给出生物反应池的工艺优化参数。在接收到优化参数后，生物池智能曝气控制系统自动控制鼓风机、空气阀门等设备，使当前溶解氧稳定在设定值附近。
在对节能空间进行预评估时，应用BioWin(污水处理厂模拟软件)进行稳态条件模拟。保持进水量不变，在保证出水氨氮≤1．0mg/L 前提下，适当降低生物池好氧区的溶氧浓度，其出水水质和对生物池供气量的影响模拟结果如表3所示。

表3 不同溶解氧设定值对出水水质和供气量影响
由上述计算结果，工况二比工况一减少供气量11．6%，工况三更低，能降低供气量21．5%。
故采用精确曝气控制系统，在保证出水氨氮达标的前提下，适度降低生物池好氧区的溶氧浓度，不但可以充分利用MBR外回流带至好氧区的剩余溶氧，减少好氧末端回流至缺氧区的溶氧，为脱氮提供良好的缺氧环境，降低出水总氮浓度，还可以降低生物池好氧区的供气量，达到节能效果。
2.3 脉冲曝气擦洗代替恒流量曝气擦洗
在膜抽吸出水时，污泥不断在膜表面聚集，从而造成抽吸能耗增加，为了抑制污泥在膜表面的聚集，需要进行膜表面的曝气擦洗。对于擦洗一般分为两种: 一种恒流量曝气擦洗，另一种为脉冲曝气擦洗。实验表明，在总风量基本不变的情况下，采用脉冲膜擦洗比恒量膜擦洗产水泵的能耗降低约为5%。
在本工程中，在膜池曝气风管上设置的相应高低曝气气动阀门，高曝气时开启高曝气气动阀门，低曝气气动阀门关闭; 低曝气时，高曝气气动阀门关闭，低曝气气动阀门开启。脉冲擦洗的周期同产水泵的运行周期结合，当产水泵停止时，擦洗应为低值。当产水泵运行时，擦洗为高值。
2.4 合适膜通量的选取
通过对无锡、昆明、北京、广州等地采用MBR工艺的污水处理厂的运行情况进行调查表明: 最大瞬时通量≤19L/(m2·h) (12℃)，平均瞬时通量≤15L/(m2·h) (12℃)，是较为合适的。在本工程中，采用的最大瞬时膜通量为16．93L/(m2·h)，平均瞬时膜通量为13．02L/(m2·h)。
2.5 膜池－ 好氧池回流比例的选取
在MBR工艺中，膜池的溶解氧浓度较高，一般为5．0～6．0mg/L，如果直接回流到缺氧池(见图2)，则造成缺氧池反硝化脱氮不能正常进行。若是经脱氧后回流到缺氧池，则造成能量的浪费，而且停留时间较长。通常将膜池的污泥回流到好氧池，使溶解氧得到再次利用，可减少鼓风机的供气量，降低曝气系统能耗。而提高污泥的外回流比例，可以减少膜池中的污泥浓度，这又降低了膜擦洗的能耗。

图2 MBＲ工艺回流方式
根据本工程的实际设计参数，膜池－ 好氧池回流比例对MBR运行能耗的影响计算结果见表4。

表4 膜池－ 好氧池外回流比例对MBＲ运行能耗影响
由表4可以看出，在本项目所述条件下，膜池－好氧池回流比例为(4～5)Q为最佳。在此情况下膜池的污泥浓度、产水泵的抽吸力、膜擦洗的能耗、回流污泥等的总体能耗较低。在本工程的实际设计中，采用的回流比例为4．5Q。
3、结论
① 采用MBR工艺的污水处理厂建议设置初沉单元，可以增加生物池中活性污泥的比例，在相同池容条件下，可降低运行成本。
② 采用精确曝气可以按照水质的实时情况进行鼓风机的运行调度，减少能耗，通过模拟预测生物池好氧区的供气量可减少20%左右。
③ 在本项目条件下，采用脉冲膜擦洗比恒量膜擦洗产水泵的能耗降低约5%。膜通量取最大瞬时通量≤19L/(m2·h) (温度为12℃)，平均瞬时通量≤15L/(m2·h) (温度为12℃)较为合适。膜池－ 好氧池回流比取(4～5)Q节能效果最佳。
④ 该污水处理厂已稳定运行8个月，实际进水量约为12×104m3/d，各项指标均能很好地达到设计要求，出水COD为32～45mg/L、BOD5为1．8～6．5mg/L、SS为0．4～1．1mg/L、TN为7．6～10．4mg/L、氨氮为0．9～2．6mg/L、TP为0．16～0．32mg /L。
⑤ 按照上述设计及运行参数，本项目实际MBR工艺过程( 产水、膜擦洗及外回流泵) 的总单位耗电量约为0．144～0．157kW·h/m3，整体电耗约为0．398～0．47kW·h/m3，在目前已运行的MBR工艺污水处理厂中处于领先水平。