一種基于實際設計和運行經驗而開發的改良型恒定水位的SBR污水處理系統

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）

　　關鍵詞：改良型SBR；恒定水位；循環運行；功能對稱循環交替；選擇靈活；完整選擇器效果；增強生物去除營養物；設計和運行模式

1 引言

　　在時間控制的活性污泥處理系統中，SBR系統或循環運行系統因結構簡單、緊湊、運行靈活等特點而受到普遍推崇。這些優點正是此類系統受到普遍關注和廣泛使用的原因，也是越來越多的同類新型系統在全面運行經驗的基礎之上而不斷被研究開發的原因。
　　雖然時間控制的系統的運行通常十分成功，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的基本設計準則，特別是影響提高營養物排除和沉淀效率的污泥負荷、需氧量和氧傳輸等重要準則得到遵循的話，是不應出現問題的。
　　在某些情況下，出現的問題常與時間控制系統的高度靈活性有關。這與人們的一般預期完全相反；然而如果未充分掌握污水處理設施運行的所有方面，或需要處理各種不同類型的污水時，“靈活性”常會成為問題產生的原因。為充分利用時間控制系統的靈活性，必須確保某些條件－操作人員對工藝的掌握，以及采用有效的監控。
　　多數的時間控制性活性污泥處理設施可歸類為變容積技術（常規系統類型有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獲得了商業性開發。
　　恒定水位循環運行系統的研制開發，將時間控制、變容積系統的優越性（因時間控制而結構簡潔、緊湊、靈活）與常規活性污泥處理系統的優越性（連續進水和出水、恒定水位和容積）相結合。這些系統設計為連續進出水、恒定水位和循環運行的系統。所有這些系統均可視為由通過水力連通的單獨的反應池組成。該系統循環運行；最常見的是三單元系統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一樣運行，可由進水方向決定三個水區的污泥分布，活性污泥在系統中交替更換流向，實現污泥在系統內回流。
　　恒定水位運行證明其較之變體積的時間控制系統更為優越。全球數百個此類恒定水位循環運行系統的實際運行經驗證明了恒定水位運行的實用性。尤其顯著的是，由于無須運行“復雜的”設備和使用簡單曝氣系統，工藝的可靠性大為提高。連續進出水特性也降低了投資成本，提供了更平穩的污泥沉淀條件。
　　這些恒定水位循環運行系統自然也存在一些缺陷。由于該系統不同水區的污泥分布非均勻性較高，在處理低濃度污水時易產生問題。因外水區和中水區的非均勻進水分布，外水區的平均污泥濃度比中水區的污泥濃度為高（=非對稱循環運行！）。在處理低濃度污水時，這一現象對沉淀過程（外側池的沉淀）不利，并導致中池處理能力的浪費。
　　出于對時間控制、恒定水位、循環運行系統優越性的堅信，本文作者最近開發出一種新型的系統。該系統是一個功能完全對稱的循環的連續型、恒定水位、循環運行的活性污泥處理系統。該系統實際上是常規型連續運行系統和變容積SBR的最“完美的”結合。其進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（反應和沉淀）進水、混合、曝氣和沉淀“完全”相同的循環運行。進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。系統將連續恒水位運行和靈活的時間控制完美地結合在一起。由于每一池的結構相同、運行過程相同，該系統便于操作。
　　本文對時間控制活性污泥處理系統的設計和運行的重要方面進行探討，并對具有功能對稱循環的新型恒定水位SBR系統予以介紹，該處理工藝的注冊名稱為：LUCAS污水處理工藝系統。

2 時間控制系統的簡介

　　時間控制性活性污泥法污水處理可在單個反應池或多個反應池結構的設施內進行。每一反應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施，也無須底部刮泥設施。只需一個單獨的反應池，按照進水－出水（F&D）式原理運行。循環運行的幾個階段依據特定的間隔實施，一般可分為：進水、反應、沉淀、潷水（或排水）和靜止。剩余污泥可以在沉淀階段排出。因這些階段連續反復，該類系統常被稱為間歇型或循環型運行系統。當使用單獨反應池時（進水－出水F&D式系統），進水和出水排放為非連續式，因而需要一個蓄水池。配有二個或更多反應池的污水處理系統可以歸類為序批處理技術（SBR）。每一池按照后續階段（進水、……）的同樣模式，但以異步、交錯階段方式運行，以使整個系統能夠連續進水和排放出水。運行期間，反應池的水量在高水位和低水位之間變化。因此，序批處理反應池系統或循環運行系統被統稱為變容積系統。
　　循環運行進水－排水式系統或序批處理反應池系統的主要優點是其結構簡單、緊湊，無污泥回流設施，通過調控時間控制可對所有運行階段和基質梯度變化實施有效控制，從而選擇出具有良好沉淀性能的微生物。循環運行進水－排水式系統或序批處理反應池系統的主要缺點是變容積（水位變化）和間歇的進水和出水。如果有多個池（至少二個）按照后續階段的同樣模式，以異步、交錯階段方式運行，整體進水和出水流速可以保持常恒。但是，對于每一進水和排水仍為間歇的單池，其所有缺點依舊（大管徑、大功率泵、以及高曝氣系統功率等）。
　　因為常規活性污泥系統和循環運行活性污泥系統二者（進水－抽出式系統、序批處理反應池）各有其優點和缺點，人們試圖將兩個系統的優點結合進一套組合式連續循環運行系統。在進水－出水（F&D）式系統和SBR系統中，因為具備了經濟可行的自動化裝置（70年代以后），組合型循環運行系統的功能得以大大加強。這些組合型系統可統稱為連續循環交替運行活性污泥處理系統，其后續研制開發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中組合式循環交替運行系統。
　　連續（常規）活性污泥處理系統的特點是系統設有空間分開的反應和沉淀（不同的池）和具有連續的進水和出水。
　　循環運行活性污泥處理系統的特點是系統設有時間分開的反應和沉淀和非連續的進水和出水，類似一般單池進水－排水式系統和早先的帕斯唯爾（Pasveer）式氧化溝。
　　組合連續循環交替運行活性污泥處理系統的特點是系統設有時間分開的反應和沉淀，同時也具有連續的進水和出水。這種組合連續循環交替運行系統可分為三類組合系統：
2.1 半組合循環交替運行系統
　　相較于循環運行系統，此類系統更具連續常規系統的功能特征。索蘭德描述了一個具有不同反應時間，但有專用沉淀池的系統。二個水力連接區交替進水、曝氣和攪拌。污泥從二個活性水區中的一個直接流入單獨的專門沉淀池或經另一水區流入沉淀池。濃縮污泥從沉淀池底部循環至二個活性水區中的一個。
　　另一個系統是沉淀時間不同，但是反應過程確定。活性水區具有專門功能，只有沉淀池在不同時間內交替沉淀和曝氣（對濃縮污泥再次懸浮和活性處理，以避免使用刮泥設施）。濃縮污泥回流到活化反應池前端。為使污泥活化以去除營養元素，需額外的沉淀池和污泥回流。
2.2 非對稱功能組合循環交替系統
　　此類系統具有不同時間的反應和沉淀，連續的進水和出水，不同的功能單元和設備（例如2個外側池和1個不同的中池），以及非對稱性功能循環交替。此類系統均由二個池壁（有連通孔）分隔成三區的處理池（長型池、方型池或溝）。外側池交替作為活化區（進水、曝氣、攪拌）和沉淀區，中池始終作為曝氣池（或稱反應池）。在一個階段內，污水－污泥混合體從曝氣、進水或攪拌的外側池流向中間曝氣池，并最終進入另一外側池沉淀（經處理的出水由此排出處理系統）；在后續的主要階段內，污水－污泥混合液從新活化外側池（原沉淀區）反向流回中池及新的外側沉淀池（原進水和曝氣區），經處理的出水由此排出處理系統。污泥可以從作為沉淀池的外側池排出。
　　所有系統均有一個中間階段，該階段的一個外側池功能交替為活化作用和沉淀。該功能交替循環，將污泥從一個外側池經中池輸入到另一個外側池，然后再反向運行。因為所有三個池并不相同、有不同的功能（外側池交替活化/沉淀，不同于中池只活化），功能循環交替，產生三個池內的污泥濃度不相等，使三個池的負荷不相等。外側池負荷高，中池負荷低，這意味曝氣系統效率不能達到最佳狀態。由于外側池比中池負荷高，其污泥濃度異于中池，不利于沉淀。
2.3 完全功能組合循環交替的系統
　　此類組合交替系統具有不同時間的反應和沉淀、整體的連續進水和出水、相同的功能單元、相同的設備和完全對稱性的功能循環。
　　現有的具備功能對稱循環的組合循環交替系統實際上即為（通用）SBR和應用二個或更多池型的CASS系統。然而，這些SBR系統屬于變容積型活性污泥處理系統，即：可變水位，每一單池非連續進水和出水。
　　新型污水處理系統是一種完全組合交替、功能對稱連續循環運行、恒定水位的活性污泥處理系統。每一池功能完全相同，有相同設備和功能循環，整個系統和每一水力連接單元均具有不同時間的反應和沉淀，恒定水位和連續進、出水。

3 新型組合循環交替運行系統

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

圖1 三池系統水利流程圖（LUCAS-3）

　　該系統無外側池或中間池之分。每個反應池單元都是相同的，有相同的設備和相同的功能循環運行。相同的池內反應池容積和反應池水位保持恒定。功能循環可以在所有池開始或結束。

圖2a 三單元系統的對等性功能循環（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 三單元系統主要階段的典型視圖

　　功能循環交替使連續進水和出水成為可能，而無須使用單獨的沉淀池和污泥刮除和回流設備。功能循環在單一系統內的不同時間階段實施反應和沉淀功能。
　　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準備為新的沉淀水區。原先的曝氣、非進水區變為新的沉淀水區意味著該水區內不留有任何未經處理的基質，從而能達到極嚴格的排放標準。該系統仍有連續的進水流和出水流，并延續約0.5 ～ 1小時。
　　功能循環支持基質梯度的引入（聚積–再生原理）；進而通過所謂內部選擇器的作用效果，促進性能良好的絮凝沉淀體的形成。
　　功能循環也支持最佳生物性除氮和除磷：通過在活性水區交替進行缺氧（混合）、厭氧（混合）和好氧（混合/曝氣）程序，促進活性污泥的反硝化、硝化和磷的新陳代謝過程（圖3）。

圖3 去除營養物的功能循環交替范例

　　四單元系統可以在功能循環狀態下達到雙倍的沉淀能力，以便應付城市污水處理廠在暴雨流量時的高峰負荷。

圖4 四單元系統在暴雨流量運行時的擴展沉淀能力（主要階段）

　　功能循環可產生對等的（相同）進水分布，因此產生對等的污泥和需氧量分布。
　　新創的功能循環和相同的功能單元構成了完全的系統多種選擇。當進行維護時，每一池均可通過關閉連接管閥門而與其它池分開。
　　根據不同用途（城市或工業污水處理，除碳、氮或磷）和系統的大小，可以做出不同的選擇。
　　3單元系統和4單元系統的典型應用范圍是20000 ～ 100 000人口當量。達數百萬人口當量的大規模城市污水處理廠可設計為各100 000人口當量的并列系統。4單元系統最適合于處理高氮、磷含量的污水。3單元系統適合于處理中度氮、磷含量的污水。

圖5 四單元系統的典型視圖

4 時間控制系統的設計和運行

　　如前所述，活性污泥處理系統的基本設計準則應予以遵循。污泥負荷、污泥產生、氧傳輸（活性水區），水力表面和堰上負荷（沉淀過程）的基本準則均應予以考慮。
　　在營養物質的生物去除方面，硝化、反硝化以及磷的吸收和釋放率須根據污水特性準確估算（BOD︰N︰P比率）。在日后的運行期間，變化的進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節設置造成問題。
　　在這種情況下，如果工藝經驗不足，時間控制的靈活性有可能達不到最佳利用狀態。另外，有可能需要安裝更先進的監測設備，如氧化還原電位監測，以便自動區分缺氧和厭氧階段。
　　除時間控制系統外，須特別注意間歇斷續型進水和間歇型出水。在非連續排水時，堰上水力負荷較高，這可能導致懸浮固體隨出水流失。
　　還有，若水位變化，選擇適當的大型曝氣設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進出水流、恒定水位的時間控制系統。
　　最新的發展是一個非常近似于SBR的系統；該系統有完全的對等循環交替運行，因而具備連續、恒定水位系統和時間控制SBR的所有優點。