一種基于實(shí)際設(shè)計和運(yùn)行經(jīng)驗而開發(fā)的改良型恒定水位的SBR污水處理系統(tǒng)

魯克·富蘭斯¹，威利·茍斯¹，朗·杰拉茲¹，顏元²
（1. WATERLEAU Global Water Technology NV, 1910 Kampenhout，比利時；2. 澳門離島污水處理有限公司）

　　關(guān)鍵詞：改良型SBR；恒定水位；循環(huán)運(yùn)行；功能對稱循環(huán)交替；選擇靈活；完整選擇器效果；增強(qiáng)生物去除營養(yǎng)物；設(shè)計和運(yùn)行模式

1 引言

　　在時間控制的活性污泥處理系統(tǒng)中，SBR系統(tǒng)或循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)而受到普遍推崇。這些優(yōu)點(diǎn)正是此類系統(tǒng)受到普遍關(guān)注和廣泛使用的原因，也是越來越多的同類新型系統(tǒng)在全面運(yùn)行經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上而不斷被研究開發(fā)的原因。
　　雖然時間控制的系統(tǒng)的運(yùn)行通常十分成功，但仍難免存在一些問題。需要說明的是：如果活性污泥處理技術(shù)的基本設(shè)計準(zhǔn)則，特別是影響提高營養(yǎng)物排除和沉淀效率的污泥負(fù)荷、需氧量和氧傳輸?shù)戎匾獪?zhǔn)則得到遵循的話，是不應(yīng)出現(xiàn)問題的。
　　在某些情況下，出現(xiàn)的問題常與時間控制系統(tǒng)的高度靈活性有關(guān)。這與人們的一般預(yù)期完全相反；然而如果未充分掌握污水處理設(shè)施運(yùn)行的所有方面，或需要處理各種不同類型的污水時，“靈活性”常會成為問題產(chǎn)生的原因。為充分利用時間控制系統(tǒng)的靈活性，必須確保某些條件－操作人員對工藝的掌握，以及采用有效的監(jiān)控。
　　多數(shù)的時間控制性活性污泥處理設(shè)施可歸類為變?nèi)莘e技術(shù)（常規(guī)系統(tǒng)類型有F&D、SBR、CAS）；除此之外，目前也有若干恒定水位的時間控制系統(tǒng)獲得了商業(yè)性開發(fā)。
　　恒定水位循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)的研制開發(fā)，將時間控制、變?nèi)莘e系統(tǒng)的優(yōu)越性（因時間控制而結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊、靈活）與常規(guī)活性污泥處理系統(tǒng)的優(yōu)越性（連續(xù)進(jìn)水和出水、恒定水位和容積）相結(jié)合。這些系統(tǒng)設(shè)計為連續(xù)進(jìn)出水、恒定水位和循環(huán)運(yùn)行的系統(tǒng)。所有這些系統(tǒng)均可視為由通過水力連通的單獨(dú)的反應(yīng)池組成。該系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行；最常見的是三單元系統(tǒng)的兩個外單元交替作為曝氣－混合或沉淀池，中池始終為曝氣或混合攪拌。在這種方式下，雖然水位恒定，但仍能象SBR一樣運(yùn)行，可由進(jìn)水方向決定三個水區(qū)的污泥分布，活性污泥在系統(tǒng)中交替更換流向，實(shí)現(xiàn)污泥在系統(tǒng)內(nèi)回流。
　　恒定水位運(yùn)行證明其較之變體積的時間控制系統(tǒng)更為優(yōu)越。全球數(shù)百個此類恒定水位循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗證明了恒定水位運(yùn)行的實(shí)用性。尤其顯著的是，由于無須運(yùn)行“復(fù)雜的”設(shè)備和使用簡單曝氣系統(tǒng)，工藝的可靠性大為提高。連續(xù)進(jìn)出水特性也降低了投資成本，提供了更平穩(wěn)的污泥沉淀條件。
　　這些恒定水位循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)自然也存在一些缺陷。由于該系統(tǒng)不同水區(qū)的污泥分布非均勻性較高，在處理低濃度污水時易產(chǎn)生問題。因外水區(qū)和中水區(qū)的非均勻進(jìn)水分布，外水區(qū)的平均污泥濃度比中水區(qū)的污泥濃度為高（=非對稱循環(huán)運(yùn)行?。?。在處理低濃度污水時，這一現(xiàn)象對沉淀過程（外側(cè)池的沉淀）不利，并導(dǎo)致中池處理能力的浪費(fèi)。
　　出于對時間控制、恒定水位、循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)優(yōu)越性的堅信，本文作者最近開發(fā)出一種新型的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個功能完全對稱的循環(huán)的連續(xù)型、恒定水位、循環(huán)運(yùn)行的活性污泥處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)際上是常規(guī)型連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)和變?nèi)莘eSBR的最“完美的”結(jié)合。其進(jìn)水在水力連通的所有“完全”相同的池間平均分布。所有各池全部參與功能交替（反應(yīng)和沉淀）進(jìn)水、混合、曝氣和沉淀“完全”相同的循環(huán)運(yùn)行。進(jìn)水分布決定了每一池完全對稱的污泥分布、相同的需氧量和沉淀條件。系統(tǒng)將連續(xù)恒水位運(yùn)行和靈活的時間控制完美地結(jié)合在一起。由于每一池的結(jié)構(gòu)相同、運(yùn)行過程相同，該系統(tǒng)便于操作。
　　本文對時間控制活性污泥處理系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行的重要方面進(jìn)行探討，并對具有功能對稱循環(huán)的新型恒定水位SBR系統(tǒng)予以介紹，該處理工藝的注冊名稱為：LUCAS污水處理工藝系統(tǒng)。

2 時間控制系統(tǒng)的簡介

　　時間控制性活性污泥法污水處理可在單個反應(yīng)池或多個反應(yīng)池結(jié)構(gòu)的設(shè)施內(nèi)進(jìn)行。每一反應(yīng)池均有二個主要功能：①生物處理功能（氧化、硝化、反硝化和除磷）；② 沉淀功能（固液分離）。沒有專門的沉淀池意味著無須安裝回流污泥泵和管道設(shè)施，也無須底部刮泥設(shè)施。只需一個單獨(dú)的反應(yīng)池，按照進(jìn)水－出水（F&D）式原理運(yùn)行。循環(huán)運(yùn)行的幾個階段依據(jù)特定的間隔實(shí)施，一般可分為：進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、潷水（或排水）和靜止。剩余污泥可以在沉淀階段排出。因這些階段連續(xù)反復(fù)，該類系統(tǒng)常被稱為間歇型或循環(huán)型運(yùn)行系統(tǒng)。當(dāng)使用單獨(dú)反應(yīng)池時（進(jìn)水－出水F&D式系統(tǒng)），進(jìn)水和出水排放為非連續(xù)式，因而需要一個蓄水池。配有二個或更多反應(yīng)池的污水處理系統(tǒng)可以歸類為序批處理技術(shù)（SBR）。每一池按照后續(xù)階段（進(jìn)水、……）的同樣模式，但以異步、交錯階段方式運(yùn)行，以使整個系統(tǒng)能夠連續(xù)進(jìn)水和排放出水。運(yùn)行期間，反應(yīng)池的水量在高水位和低水位之間變化。因此，序批處理反應(yīng)池系統(tǒng)或循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)被統(tǒng)稱為變?nèi)莘e系統(tǒng)。
　　循環(huán)運(yùn)行進(jìn)水－排水式系統(tǒng)或序批處理反應(yīng)池系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，無污泥回流設(shè)施，通過調(diào)控時間控制可對所有運(yùn)行階段和基質(zhì)梯度變化實(shí)施有效控制，從而選擇出具有良好沉淀性能的微生物。循環(huán)運(yùn)行進(jìn)水－排水式系統(tǒng)或序批處理反應(yīng)池系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是變?nèi)莘e（水位變化）和間歇的進(jìn)水和出水。如果有多個池（至少二個）按照后續(xù)階段的同樣模式，以異步、交錯階段方式運(yùn)行，整體進(jìn)水和出水流速可以保持常恒。但是，對于每一進(jìn)水和排水仍為間歇的單池，其所有缺點(diǎn)依舊（大管徑、大功率泵、以及高曝氣系統(tǒng)功率等）。
　　因為常規(guī)活性污泥系統(tǒng)和循環(huán)運(yùn)行活性污泥系統(tǒng)二者（進(jìn)水－抽出式系統(tǒng)、序批處理反應(yīng)池）各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，人們試圖將兩個系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合進(jìn)一套組合式連續(xù)循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)。在進(jìn)水－出水（F&D）式系統(tǒng)和SBR系統(tǒng)中，因為具備了經(jīng)濟(jì)可行的自動化裝置（70年代以后），組合型循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)的功能得以大大加強(qiáng)。這些組合型系統(tǒng)可統(tǒng)稱為連續(xù)循環(huán)交替運(yùn)行活性污泥處理系統(tǒng)，其后續(xù)研制開發(fā)及工藝演變走向了不同的方向。本文著重論述此類活性污泥處理系統(tǒng)中組合式循環(huán)交替運(yùn)行系統(tǒng)。
　　連續(xù)（常規(guī)）活性污泥處理系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)有空間分開的反應(yīng)和沉淀（不同的池）和具有連續(xù)的進(jìn)水和出水。
　　循環(huán)運(yùn)行活性污泥處理系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)有時間分開的反應(yīng)和沉淀和非連續(xù)的進(jìn)水和出水，類似一般單池進(jìn)水－排水式系統(tǒng)和早先的帕斯唯爾（Pasveer）式氧化溝。
　　組合連續(xù)循環(huán)交替運(yùn)行活性污泥處理系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)有時間分開的反應(yīng)和沉淀，同時也具有連續(xù)的進(jìn)水和出水。這種組合連續(xù)循環(huán)交替運(yùn)行系統(tǒng)可分為三類組合系統(tǒng)：
2.1 半組合循環(huán)交替運(yùn)行系統(tǒng)
　　相較于循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)，此類系統(tǒng)更具連續(xù)常規(guī)系統(tǒng)的功能特征。索蘭德描述了一個具有不同反應(yīng)時間，但有專用沉淀池的系統(tǒng)。二個水力連接區(qū)交替進(jìn)水、曝氣和攪拌。污泥從二個活性水區(qū)中的一個直接流入單獨(dú)的專門沉淀池或經(jīng)另一水區(qū)流入沉淀池。濃縮污泥從沉淀池底部循環(huán)至二個活性水區(qū)中的一個。
　　另一個系統(tǒng)是沉淀時間不同，但是反應(yīng)過程確定?；钚运畢^(qū)具有專門功能，只有沉淀池在不同時間內(nèi)交替沉淀和曝氣（對濃縮污泥再次懸浮和活性處理，以避免使用刮泥設(shè)施）。濃縮污泥回流到活化反應(yīng)池前端。為使污泥活化以去除營養(yǎng)元素，需額外的沉淀池和污泥回流。
2.2 非對稱功能組合循環(huán)交替系統(tǒng)
　　此類系統(tǒng)具有不同時間的反應(yīng)和沉淀，連續(xù)的進(jìn)水和出水，不同的功能單元和設(shè)備（例如2個外側(cè)池和1個不同的中池），以及非對稱性功能循環(huán)交替。此類系統(tǒng)均由二個池壁（有連通孔）分隔成三區(qū)的處理池（長型池、方型池或溝）。外側(cè)池交替作為活化區(qū)（進(jìn)水、曝氣、攪拌）和沉淀區(qū)，中池始終作為曝氣池（或稱反應(yīng)池）。在一個階段內(nèi)，污水－污泥混合體從曝氣、進(jìn)水或攪拌的外側(cè)池流向中間曝氣池，并最終進(jìn)入另一外側(cè)池沉淀（經(jīng)處理的出水由此排出處理系統(tǒng)）；在后續(xù)的主要階段內(nèi)，污水－污泥混合液從新活化外側(cè)池（原沉淀區(qū)）反向流回中池及新的外側(cè)沉淀池（原進(jìn)水和曝氣區(qū)），經(jīng)處理的出水由此排出處理系統(tǒng)。污泥可以從作為沉淀池的外側(cè)池排出。
　　所有系統(tǒng)均有一個中間階段，該階段的一個外側(cè)池功能交替為活化作用和沉淀。該功能交替循環(huán)，將污泥從一個外側(cè)池經(jīng)中池輸入到另一個外側(cè)池，然后再反向運(yùn)行。因為所有三個池并不相同、有不同的功能（外側(cè)池交替活化/沉淀，不同于中池只活化），功能循環(huán)交替，產(chǎn)生三個池內(nèi)的污泥濃度不相等，使三個池的負(fù)荷不相等。外側(cè)池負(fù)荷高，中池負(fù)荷低，這意味曝氣系統(tǒng)效率不能達(dá)到最佳狀態(tài)。由于外側(cè)池比中池負(fù)荷高，其污泥濃度異于中池，不利于沉淀。
2.3 完全功能組合循環(huán)交替的系統(tǒng)
　　此類組合交替系統(tǒng)具有不同時間的反應(yīng)和沉淀、整體的連續(xù)進(jìn)水和出水、相同的功能單元、相同的設(shè)備和完全對稱性的功能循環(huán)。
　　現(xiàn)有的具備功能對稱循環(huán)的組合循環(huán)交替系統(tǒng)實(shí)際上即為（通用）SBR和應(yīng)用二個或更多池型的CASS系統(tǒng)。然而，這些SBR系統(tǒng)屬于變?nèi)莘e型活性污泥處理系統(tǒng)，即：可變水位，每一單池非連續(xù)進(jìn)水和出水。
　　新型污水處理系統(tǒng)是一種完全組合交替、功能對稱連續(xù)循環(huán)運(yùn)行、恒定水位的活性污泥處理系統(tǒng)。每一池功能完全相同，有相同設(shè)備和功能循環(huán)，整個系統(tǒng)和每一水力連接單元均具有不同時間的反應(yīng)和沉淀，恒定水位和連續(xù)進(jìn)、出水。

3 新型組合循環(huán)交替運(yùn)行系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)的生物反應(yīng)池的一個單階段運(yùn)行可以由三至四個單元構(gòu)成。單階段運(yùn)行適應(yīng)于低濃度到中濃度的工業(yè)污水和城市污水處理。系統(tǒng)的所有三或四個池均為水力連通（圖1）。

圖1 三池系統(tǒng)水利流程圖（LUCAS-3）

　　該系統(tǒng)無外側(cè)池或中間池之分。每個反應(yīng)池單元都是相同的，有相同的設(shè)備和相同的功能循環(huán)運(yùn)行。相同的池內(nèi)反應(yīng)池容積和反應(yīng)池水位保持恒定。功能循環(huán)可以在所有池開始或結(jié)束。

圖2a 三單元系統(tǒng)的對等性功能循環(huán)（主要階段）

圖2b 從主要階段1到主要階段2的過渡階段

圖2c 三單元系統(tǒng)主要階段的典型視圖

　　功能循環(huán)交替使連續(xù)進(jìn)水和出水成為可能，而無須使用單獨(dú)的沉淀池和污泥刮除和回流設(shè)備。功能循環(huán)在單一系統(tǒng)內(nèi)的不同時間階段實(shí)施反應(yīng)和沉淀功能。
　　在每個主要階段（圖2b）之間需要一個過渡階段。這一階段用于將活化水區(qū)準(zhǔn)備為新的沉淀水區(qū)。原先的曝氣、非進(jìn)水區(qū)變?yōu)樾碌某恋硭畢^(qū)意味著該水區(qū)內(nèi)不留有任何未經(jīng)處理的基質(zhì)，從而能達(dá)到極嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)仍有連續(xù)的進(jìn)水流和出水流，并延續(xù)約0.5 ～ 1小時。
　　功能循環(huán)支持基質(zhì)梯度的引入（聚積–再生原理）；進(jìn)而通過所謂內(nèi)部選擇器的作用效果，促進(jìn)性能良好的絮凝沉淀體的形成。
　　功能循環(huán)也支持最佳生物性除氮和除磷：通過在活性水區(qū)交替進(jìn)行缺氧（混合）、厭氧（混合）和好氧（混合/曝氣）程序，促進(jìn)活性污泥的反硝化、硝化和磷的新陳代謝過程（圖3）。

圖3 去除營養(yǎng)物的功能循環(huán)交替范例

　　四單元系統(tǒng)可以在功能循環(huán)狀態(tài)下達(dá)到雙倍的沉淀能力，以便應(yīng)付城市污水處理廠在暴雨流量時的高峰負(fù)荷。

圖4 四單元系統(tǒng)在暴雨流量運(yùn)行時的擴(kuò)展沉淀能力（主要階段）

　　功能循環(huán)可產(chǎn)生對等的（相同）進(jìn)水分布，因此產(chǎn)生對等的污泥和需氧量分布。
　　新創(chuàng)的功能循環(huán)和相同的功能單元構(gòu)成了完全的系統(tǒng)多種選擇。當(dāng)進(jìn)行維護(hù)時，每一池均可通過關(guān)閉連接管閥門而與其它池分開。
　　根據(jù)不同用途（城市或工業(yè)污水處理，除碳、氮或磷）和系統(tǒng)的大小，可以做出不同的選擇。
　　3單元系統(tǒng)和4單元系統(tǒng)的典型應(yīng)用范圍是20000 ～ 100 000人口當(dāng)量。達(dá)數(shù)百萬人口當(dāng)量的大規(guī)模城市污水處理廠可設(shè)計為各100 000人口當(dāng)量的并列系統(tǒng)。4單元系統(tǒng)最適合于處理高氮、磷含量的污水。3單元系統(tǒng)適合于處理中度氮、磷含量的污水。

圖5 四單元系統(tǒng)的典型視圖

4 時間控制系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行

　　如前所述，活性污泥處理系統(tǒng)的基本設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)予以遵循。污泥負(fù)荷、污泥產(chǎn)生、氧傳輸（活性水區(qū)），水力表面和堰上負(fù)荷（沉淀過程）的基本準(zhǔn)則均應(yīng)予以考慮。
　　在營養(yǎng)物質(zhì)的生物去除方面，硝化、反硝化以及磷的吸收和釋放率須根據(jù)污水特性準(zhǔn)確估算（BOD︰N︰P比率）。在日后的運(yùn)行期間，變化的進(jìn)水氮和磷濃度可能會對最佳時間，缺氧、厭氧和好氧階段的調(diào)節(jié)設(shè)置造成問題。
　　在這種情況下，如果工藝經(jīng)驗不足，時間控制的靈活性有可能達(dá)不到最佳利用狀態(tài)。另外，有可能需要安裝更先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，如氧化還原電位監(jiān)測，以便自動區(qū)分缺氧和厭氧階段。
　　除時間控制系統(tǒng)外，須特別注意間歇斷續(xù)型進(jìn)水和間歇型出水。在非連續(xù)排水時，堰上水力負(fù)荷較高，這可能導(dǎo)致懸浮固體隨出水流失。
　　還有，若水位變化，選擇適當(dāng)?shù)拇笮推貧庠O(shè)備和表面懸浮污泥及油脂撇除器也可能會有一定的困難。
　　基于上述的問題，我們傾向于選擇連續(xù)進(jìn)出水流、恒定水位的時間控制系統(tǒng)。
　　最新的發(fā)展是一個非常近似于SBR的系統(tǒng)；該系統(tǒng)有完全的對等循環(huán)交替運(yùn)行，因而具備連續(xù)、恒定水位系統(tǒng)和時間控制SBR的所有優(yōu)點(diǎn)。