恒水位SBR工藝在某污水廠中的工程化應用

張 靜

(北京碧水源科技股份有限公司,北京 102206)

1 引言

隨著我國經濟的飛速發展和對生態環境要求的日益提高，中、小型污水處理廠建設數量也越來越多，對適合中、小型污水處理廠的工藝進行研究具有重要的現實意義[1，2]。

目前國內多數中、小型污水處理廠具有如下一些特點[3，4]：①承擔的排水面積小，污水量也較小，但水量、水質的日變化較大；②一般在城鎮小區或廠內修建，其占地往往受到限制，故處理單元應布置緊湊；③自動化程度要求較高，以降低運行成本；④可能會受實際條件限制(如有時靠近居民區或地面起伏不平等)，故平面布置需因地制宜、化弊為利；⑤一般不設污泥消化，宜采用低負荷的延時曝氣工藝，在減少剩余污泥產量的同時使污泥實現好氧穩定。

恒水位SBR工藝是一種連續進水、連續出水、恒水位的改進型SBR工藝，含有至少一個連續進水、連續出水、恒水位的中間生物反應池和兩個進行污泥回流、間歇反應、靜止沉淀和交替出水的對稱布置的SBR池[5]。恒水位SBR工藝具有A2/O的生物除磷脫氮功能和SBR的一體化、流程簡潔、控制靈活等優點，是集約化程度非常高的污水處理技術之一，在小型水處理廠設計中有著諸多的優點和獨到之處：抗沖擊負荷能力高、工藝簡化且節省占地、脫氮除磷效果好且污泥穩定、運行靈活且調節能力強等[6，7]。所以，隨著城鎮污水處理廠越來越普及對污水廠出水水質要求越來越高，恒水位SBR工藝將有著廣闊的發展空間[8]。

2 項目概況

華北某污水處理廠遠期規模10000 m3/d，一期處理規模2500 m3/d，由于廠區用地緊張，設計生化處理單元采用恒水位SBR工藝。

污水處理廠主要收集市區污水，污水處理廠出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準，表1為污水處理廠的設計進出水水質情況。

表1 污水處理廠設計進出水水質情況

3 工藝概述

3.1 工藝選擇原則

污水處理廠的建設和運行受多種因素的制約和影響。其中，處理工藝方案的確定對確保處理廠的運行性能和降低費用最為關鍵，因此有必要根據確定的標準和一般原則，從整體最優的觀念出發，結合設計規模、污水水質特性以及當地的實際條件和要求，選擇切實可行且經濟合理的處理工藝方案，經全面技術經濟分析后優選出最佳的總體工藝方案[9]。

處理工藝的選擇應遵循以下原則：對所需去除的污染物有較高的處理效率；投資及運行成本較低，節省用地和降低能耗；應有足夠的設計經驗和運行實踐經驗；操作和維修簡單；所選工藝應最大程度的減少對周圍環境的不良影響(氣味、噪聲、氣霧等)。

3.2 預處理工藝

污水廠一級處理一般采用物理處理法，主要目的是去除污水中呈懸浮狀態的固體污染物質，屬于二級處理的預處理[10]。一般設置格柵和沉砂池等處理設施。粗格柵用于截留大塊的飄懸浮物，保護水泵機組。細格柵進一步去除污水中細小懸浮物，降低生物處理負荷。沉砂池的作用是分離污水中比重較大的無機砂粒，避免對后續污水處理設備的磨損。

常用的沉砂池形式有平流沉砂池、旋流沉砂池和曝氣沉砂池。曝氣沉砂池利用鼓風曝氣形成水力旋流運動，使水中的砂粒和有機物分開，去除粒徑較大的無機砂粒。曝氣沉砂池除砂效果好，排砂干凈，有機物含量低，氣味小，既便于砂的后續處置，又可以減少對周圍環境的臭味污染；還兼具撇渣和除油功能[11]。

本工程一級處理工段采用粗格柵+提升泵站+細格柵+曝氣沉砂池+初沉池組合。

3.3 生化處理恒水位SBR工藝

恒水位SBR工藝是在SBR工藝基礎上進行改進，將SBR工藝的變水位、間歇進出水運行方式改變為恒水位、連續進出水運行，出水水質可以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準。

恒水位SBR工藝具有很大的設計靈活性，本工程為厭氧池、缺氧池、好氧池和對稱設置的SBR池的組合處理工藝單元。厭氧池為本系統的進水單元，主要為聚磷菌釋磷提供厭氧環境，利用缺氧池來水中的揮發酸作為碳源，進行釋磷反應去除磷；在缺氧池內回流污泥、混合液和部分進水進行混合，主要作用是去除回流污泥中的硝酸鹽，反硝化作用去除總氮，同時減少硝酸鹽對厭氧釋磷的影響[12]；好氧池為本系統主要曝氣區，好氧菌群在好氧池大部分有機物的降解、硝化反應和過量吸磷的反應。SBR池在兩側對稱設置，為輔助曝氣系統，在SBR池內完成曝氣、回流、靜沉和潷水等工序。SBR池在運行過程中兩個池體進行功能周期性互換，當其中一池完成靜止沉淀進入潷水階段，另一池進行污泥回流、間歇反應和靜止沉淀階段，兩個池體周期性交替互換運行，保證系統水位自始至終保持穩定，從而實現連續進出水。

與傳統SBR工藝及連續流、恒水位活性污泥工藝相比，本工程采用的恒水位SBR工藝具有以下主要特點：

①分別設置了缺氧區、厭氧區、好氧區，滿足生化過程去除有機物、脫氮、除磷的不同環境要求，提高了生化反應速率和污染物的去除效率[13]。

②對稱設置SBR單元，提供了連續進、出水的運行條件，保證系統恒水位運行，降低了操作水頭損失，提高了池體的利用率。

③采用連續進出水，避免了傳統SBR池對進水的控制要求以及間歇排水的問題，減少了對本系統前端和后續設計單元的影響。

④SBR池能夠提供靜止沉淀運行工序，保障出水水質，無需設置二沉池。

⑤減少了傳統SBR工藝需要的配套相關構筑物和設備，降低了整體建設投資和運行費用。

⑥恒水位SBR工藝簡化且節省占地，系統抗沖擊負荷能力強，占地節省，運行靈活且調節能力強。

3.4 工藝流程

污水處理廠進水經粗格柵去除污水中較大的懸浮物后，由提升泵站提升后進入細格柵和曝氣沉砂池，進一步去除污水中比較大的無機顆粒物質和沉砂。曝氣沉砂池出水自流進入初沉池，去除污水中可沉降的無機和有機的懸浮物，確保后續生化工藝順利運行。初沉池出水自流入恒水位SBR池進行生化處理，進行有機物去除、硝化、反硝化、吸磷釋磷等反應，并完成泥水分離，出水經消毒池消毒后達標排放。格柵截留的柵渣外運，曝氣沉砂池產生的沉砂經砂水分離器分離后外運，初沉池及恒水位SBR池產生的污泥進入濃縮池混合濃縮，后經脫水后運往當地填埋場進行填埋(圖1)。

圖1 污水處理廠工藝流程

4 恒水位SBR工藝設計

4.1 主要設計參數

一期工程設恒水位SBR池1座，單池處理規模2500 m3/d，鋼筋混凝土結構。單座池體平面尺寸21.5 m×16.5 m，有效水深6 m。

單池處理規模：2500 m3/d。

總停留時間HRT：20.1 h。

泥齡：15 d。

污泥負荷：0.101 kgBOD5/kgMLSS.d。

混合液MLSS：3.0 g/L。

本工程采用恒水位SBR池體由缺氧區、厭氧區、好氧區以及兩側對稱設置的SBR池等5個單元組成。

4.2 系統平面布置

恒水位SBR工藝是連續進水和連續出水的改良型SBR，為二階段的厭氧、缺氧、好氧法串聯：第一階段是在同一時段不同單元內完成A2/O過程，第二階段是在不同時段在同一池子內完成好氧、缺氧和沉淀的過程。

恒水位SBR池單池處理能力2500 m3/d，單池平面尺寸21.5 m×16.5 m，有效水深6 m，根據工藝運行特點，池體內部分為4個單元：

1#缺氧區，停留時間為4 h，平面尺寸6.5 m×10.5 m，池內設攪拌器2臺，單臺攪拌功率1.64 kW。

2#厭氧區，停留時間為1.3 h，平面尺寸6.5 m×3.5 m，池內設置攪拌器1臺，攪拌功率1.1 kW。

3#好氧區，停留時間為7.2 h，平面尺寸16.5 m×7.5 m，池內設置曝氣器12臺，單臺服務面積12 m2。

4#、4’#SBR，停留時間8 h，單池平面尺寸14 m×5 m，每池設回流泵1臺(Q=105 m3/h，H=0.8 m)，將混合液打至1#缺氧池。底部穿孔管曝氣，設污泥區排泥。

單座恒水位SBR池的平面布置形式如圖2所示。

圖2 恒水位SBR平面布置示意

4.3 系統運行模式

該工程恒水位SBR池由5個水力連通的生物反應池所組成：第1池至第3池分別為缺氧區、厭氧區和好氧區串聯，所有設備均連續運行。第4池和第5池為兩個完全對稱設計的SBR池，兩池運行時進行周期性互換，交替模式運行。

首先，初沉池污水大部分(約80%)進入系統的厭氧區，通過水解酸化作用提供微生物厭氧釋磷作用所需的揮發酸[14]。后進入好氧區，該池為主要曝氣區，好氧微生物在好氧池完成大部分有機物的降解、硝化反應和過量吸磷的反應。后對稱連續進入兩側的SBR池。SBR1和SBR2完全對稱，進行功能周期的互換。

當SBR1潷水時，處理出水由該池連續排出，潷水時間2 h，潷水期間定時排出剩余污泥。此時，SBR2池則進行污泥回流、間歇反應和沉淀：①污泥回流時，SBR2池回流泵、混合器和曝氣系統均啟動運行，將上一周期潷水時所累積的污泥利用污泥泵回流至前端的缺氧池，回流時間1.2 h，回流百分比為100%；②回流污泥時，SBR2池曝氣系統可開可關，間歇反應時間1.4 h；③回流和間歇反應完成后，SBR2池曝氣和混合設備停機，進入靜止沉淀，靜沉時間0.6 h。靜止沉淀為下一運行周期變換為潷水格作好準備。SBR2池依次完成污泥回流、間歇反應和禁止沉淀時，SBR1池將上一周期靜止沉淀的上清液進行排出，進入潷水階段；④ 完成靜止沉淀后，缺氧區內回流污泥與部分進水(約20%)混合，對回流污泥中硝酸鹽進行去除，防止硝酸鹽進入厭氧池影響釋磷作用。

5 恒水位SBR池設計特點

5.1 除磷系統

由于兩側的SBR池混合液進行回流，混合液中含有一定量NOx-N，若此直接進入厭氧區，會抑制聚磷菌厭氧釋磷。設計考慮設置缺氧區主要用于去除NOx-N，同時系統進水的20%也將進入缺氧區，以提供反硝化所需碳源，從而保證后續厭氧區內聚磷菌釋磷。設計厭氧區有效池容136.5 m3，HRT=1.3 h。

5.2 脫氮系統

主要通過缺氧區、好氧區和兩側的SBR來完成，缺氧區有效池容409.5 m3，HRT=4 h，SBR至缺氧區的內回流比100%。SBR有效池容為840 m3，HRT=8 h。SBR池各階段的運行時間可根據前續處理單元的實際處理效果進行調整，以強化系統脫氮的性能。含NOx-N的混合液回流至缺氧區進行反硝化去除總氮。

5.3 沉淀出水系統

恒水位SBR池兩側的SBR池周期性充當沉淀池，在SBR池出水前，已進行了預沉淀，初步實現泥水分離；從SBR池底部進水，進一步強化泥水分離的效果。出水采用自動空氣排水堰，保證該系統始終保持恒水位運行，反應池的容積利用率高[15]。

6 運行效果

污水廠自建成投產以來，運行穩定、良好。廢水進水量在1684 ～2435 m3/d左右，與設計值Q=2500 m3/d基本相符。出水水量穩定在1677～2428 m3/d左右，出水率高達99.5%以上(圖3)。

圖3 運行期間半年監測水廠平均進、出水量及出水率

6.1 COD去除情況

分析污水廠半年運行期間在線監測數據，進水COD濃度基本維持在350 mg/L以下，符合設計要求。經恒水位SBR工藝處理后日在線監測出水水質COD可降低至50 mg/L以下，去除效率可達85%～91%(圖4、圖5)。

圖4 1～90 d內水廠進、出水COD含量及去除率

圖5 91～180 d內水廠進、出水COD含量及去除率

6.2 氨氮去除情況

分析污水廠半年運行期間在線監測數據，進水氨氮濃度基本維持在35 mg/L以下，符合設計要求。經恒水位SBR工藝處理后日在線監測出水水質氨氮可降低至5 mg/L以下，去除效率可達85%～95%(圖6、圖7)。

圖6 1～90 d內水廠進、出水氨氮含量及去除率

圖7 91～180 d內水廠進、出水氨氮含量及去除率

6.3 總氮去除情況

分析污水廠半年運行期間在線監測數據，進水總氮濃度基本維持在40 mg/L以下，符合設計要求。經恒水位SBR工藝處理后日在線監測出水水質氨氮可降低至15 mg/L以下，去除效率可達70%～85%(圖8、圖9)。

圖8 1～90 d內水廠進、出水總氮含量及去除率

圖9 91～180 d內水廠進、出水總氮含量及去除率

7 結論

本工程中恒水位SBR工藝運行參數如下：總停留時間為20.5 h，pH值7.5～8.0，污泥濃度3000 mg/L，氣水比20∶1。其中厭氧區停留時間1.3 h，缺氧區停留時間4 h，好氧區停留時間7.2 h，SBR池停留時間8 h。單池SBR池運行周期為4 h，回流、間歇反應時間1.4 h，靜止沉淀時間0.6 h，潷水時間2 h，回流比1∶1。監測水廠半年的運行情況表明，恒水位SBR工藝對污水中COD、氨氮和總氮的去除效果良好，處理后出水水質達到設計要求《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準的規定。本工程的應用可以為類似地區同類污水處理廠的生產運行輔以佐證。