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针对大型再生水厂不同工艺的污染物去除、能源消耗和污泥处理的关键问题,收集和整理了北京市某大型再生水厂三年(2008年、2012年、2013年)的运行数据及相关资料,综合运用了多种统计分析方法,明确了大型MBR城市污水处理厂的运行成本组成、运行特征及其调控策略;统计分析常规活性污泥法工艺和MBR工艺的能耗总量、能耗构成和能耗时空分布等能耗特征,明确不同设计条件和运行条件对能耗特征的影响;比较分析常规活性污泥工艺、MBR工艺的污泥浓缩和机械脱水性能,明确了污染物去除、季节和操作条件(药剂等)等因素对脱水性能的影响。提出了适合膜生物反应器大型城市污水处理厂高效运行、降低能耗、促进污泥减量的策略。结果表明,同2008年相比,2013年不仅进水的COD浓度升高,TN浓度和TP浓度降低,导致进水的碳/氮/磷比值从2008年的100:14.5:1.4升高到2013年的100:0.1:0.9,而且主要污染物去除效果均有明显改善,改善幅度依次为TP>COD>TN。年内变化特征表现为:汛期进水COD、TN和TP的浓度降低但波动加剧,它们的去除率降低,因此汛期出水COD稳定、TN浓度降低而TP浓度波动;温暖季进水COD、TN和TP的浓度高,它们的去除率有不同程度提高,因此温暖季出水的TN浓度波动较大、COD和TP浓度稳定。冗余分析(RDA)结果表明,一期倒置A~2/O工艺的出水TN和TP浓度同步波动,主要受工况变化影响,脱氮除磷的碳源竞争是导致出水TN浓度降低、TP浓度升高的重要原因。二期A~2/O工艺的出水COD浓度和TN浓度主要受进水水质波动影响。三期A~2/O-MBR工艺的出水水质最稳定,膜运行性能至关重要。能耗分析结果表明,连续曝气的A~2O-MBR溶氧量富余,且由于运行期间进水量不足,吨水能耗达0.78 kWh·m-3~0.92 kWh·m-3,是处理同类城市污水的该厂常规工艺(A~2O、倒置A~2O)的2倍之多;去除1kg COD能耗为2.85 kWh·kg-1,是常规工艺的3倍之多。单元能耗分析表明,A~2O-MBR鼓风机节能潜力大,冗余分析表明增大进水量、降低曝气量、降低污泥回流比等节能手段对出水水质影响较小。A~2/O-MBR工艺调整为间歇曝气运行后,间歇曝气节能效果明显,吨水能耗减少42.39%,去除kg COD能耗减少54.74%。单独设立MBR膜曝气池不尽合理,增加了不必要的曝气和污泥回流。在保证膜元件能顺利清洗的条件下,A~2O-MBR工程可将膜组件置于好氧池内,以减少能耗。针对A~2/O和A~2/O-MBR工艺,污泥脱水性能和絮凝剂投配率均呈现季节性变化特征,冬季污泥较难脱水,絮凝剂消耗大。A~2/O-MBR工艺的脱水污泥含水率年均值为(81.92±1.64)%,A~2/O工艺为(82.56±1.35)%,污泥脱水絮凝剂消耗(以DS计,下同)分别为(8.70±7.25)kg·t-1和(7.42±2.96)kg·t-1,电耗(以DS计,下同)分别为331.82 kWh·t-1和121.57 k Wh·t-1。A~2/O-MBR工艺的污泥脱水絮凝剂成本(以DS计,下同)为204.76元·t-1,用电成本为231.61元·t-1;A~2/O工艺的污泥脱水絮凝剂成本为175.00元·t-1,用电成本为84.86元·t-1。综合考虑用电成本和絮凝剂消耗成本,A~2/O-MBR工艺的污泥脱水成本较高。RDA分析表明,水温等季节性因素引起污泥有机质变化是影响污泥脱水性能的关键因素之一,此外,污泥龄也与污泥脱水性能有一定相关性。