連續進水、恒水位的改進型SBR系統
吳衛國，Peter L.Timpany
(加拿大Stantec Consulting International Ltd.)
摘 要：介紹了一種連續進水、恒水位的改進型SBR系統在生物脫氮除磷方面的應用及其動態模擬，討論了該系統的動態模擬在工程設計中的應用及其數學模型基礎，并通過工程實例解說了在滿足不同出水要求方面的設計靈活性。生產規模系統自1995年以來的運轉實踐表明：運行可靠、操作簡便、處理效果好。在加拿大寒冷氣候條件下，年平均BOD5、總氮、總磷和TSS的去除率分別為97%、81%、88%和94%。該改進型SBR系統的另一特點為剩余污泥濃度高，平均約為2×104 mg/L，這意味著與傳統連續進水活性污泥工藝相比，可顯著降低其污泥處理設施的造價。
關鍵詞：改進型SBR；數學模型；脫氮除磷
中圖分類號：X703.1
文獻標識碼：A
文章編號：1000-4602(2001)07-0017-06
Modified SBR System with Continuous Flow and Constant Level
WU Wei-guo,Peter L. Timpany
(Stantec Consulting International Ltd.,Canada)
Abstract：Engineering application and dynamic simulation of the modified SBR system with continuous flow and constant level are presented with emphasis on biological nutrient removal,and the application of its dynamic simulation in project design and the mathematical model basis are discussed.The design flexibility in meeting various effluent requirements is illustrated in case studies.The operating experiences since 1995 in full-scale wastewater treatment plants have showed that the system is reliable and easy to operate with high efficiency.Under the cold climate in Canada, annual average rate of BOD5,TN,TP,and TSS removal is 97%,81%,88%,and 94% respectively.Furthermore,the modified SBR system is characterized by high concentration of excess sludge with an average of about 20 000 mg/L,which means that the cost of its sludge treatment facility is significantly reduced compared to conventional activated sludge process with continuous flow.
Keywords:modified SBR；mathematical model;nitrogen and phosphorus removal
序批反應器(SBR)可看成是連續流活性污泥工藝問世前的間歇進、出水活性污泥法的現代版［1］。20世紀80年代以來，隨著對間歇操作工藝優點的重新認識以及工藝硬件和控制技術的發展，SBR工藝的應用日益增多。
盡管如此，SBR仍然有其不可否認的缺點。SBR的序批運行特性要求提供進、出水控制裝置。對于小型或中型污水處理廠來說，由于SBR池子數量不多，這些控制裝置的安裝和運行養護不會有多大問題。但對于大型污水處理廠來說，隨著SBR池子數量的增加，控制裝置趨于復雜化，維修養護不便，設備投資增加。SBR的其他缺點還包括：①由于處理出水間歇排放，所需后續處理構筑物較大，否則需設調節池；②由于變水位運行，處理廠的總水頭損失較大，池子容積利用率低；③間歇操作造成設備利用率低，增加高峰需氧量。
為了克服傳統SBR工藝的這些缺點，進一步發揮該工藝的優點，近20年來出現了各種各樣的改進型SBR系統，作者也于過去的10年里開發了下述連續進水、恒水位的改進型SBR系統。
1 工藝原理與特點
與傳統SBR工藝及連續流、恒水位活性污泥工藝相比，改進型SBR系統具有以下主要特點：
?、俨捎眠B續進、出水，避免了傳統SBR對進水的控制要求及其間歇排水所造成的問題；
?、诓捎煤闼贿\行，避免了傳統SBR變水位操作水頭損失大、池子容積利用率低的缺點；
?、厶峁﹤鹘y連續流、恒水位活性污泥工藝對生物脫氮除磷所具有的專用缺氧、厭氧和好氧反應區，提高了工藝運行的可靠性和靈活性；
?、苁∪鹘y連續流、恒水位活性污泥工藝需設置的二沉池及其他相關構筑物和設備，降低了系統投資及運行費用；
⑤為泥水分離提供了與傳統SBR類似的靜止沉淀條件，改善了出水水質；
?、尢峁┡c傳統SBR類似的間歇反應區，提高了系統對生物脫氮除磷及有機物的去除效率。
改進型SBR工藝具有很大的設計靈活性。根據進水水質及出水要求，該系統可設計成不同的工藝構型。下面以圖1所示的加拿大埃斯特凡市污水處理廠工藝構型為例對其工藝原理加以說明。該系統由5個水力連通的生物反應池所組成。第1格至第3格分別為缺氧、厭氧和好氧格，串聯運行，這與傳統連續流、多池串聯活性污泥系統相同，其中沒有設置任何周期性變化控制設備。原水連續進入第1格和第2格，這一點也與傳統活性污泥系統相同。第4格與第5格完全相同，為對稱格。這兩格的運行功能進行周期性互換：當其中一格為潷水格時，另一格即為污泥回流、間歇反應和靜止沉淀格(以下簡稱為RBS格)；反之亦然。
當第4格為潷水格時，處理出水由該格連續排出，此時第5格為RBS格，依次進行污泥回流、間歇反應和靜止沉淀。在回流污泥時，第5格內的污泥回流泵(RAS泵)、混合設備和曝氣系統開機，將第5格在上一運行周期作為潷水格時所累積的污泥泵回第1格。與此同時，第3格的混合液將以與RAS泵相同的流量流入第5格。回流污泥時，第5格內的曝氣系統可開可關，或時開時關，以優化系統的脫氮效率。
回流污泥結束后，第5格內RAS泵關機，該格混合液從而無進無出。第5格隨即成為一個與其他格相隔離的、與傳統SBR類似的間歇反應池。間歇反應完成后，第5格內的曝氣和混合設備關機，從而為處理出水與活性污泥的分離創造了一個與傳統SBR類似的靜止沉淀條件。靜止沉淀為第5格在下一運行周期變換為潷水格作好準備。
當第5格依次進行污泥回流、間歇反應和靜止沉淀時，由第3格連續流入第4格的混合液將第4格在上一周期靜止沉淀階段所產生的上清液(即處理出水)連續置換排出。在潷水狀態下，除潷水器外，第4格內所有設備(曝氣、混合和污泥回流)均關機。
第5格完成靜止沉淀之后，其運行功能即與第4格互換：第5格成為潷水格，而第4格則成為RBS格。因此，下一周期時，第4格將依次進行污泥回流、間歇反應和靜止沉淀，而第5格則將上一周期靜止沉淀階段所形成的上清液連續排放出此格。此時，第5格中所有曝氣、混合和污泥回流設備仍處關機狀態。該改進型SBR工藝的運行就是由第4格和第5格的如此周期性功能互換所構成，整個系統內的水位自始至終保持恒定。
應該強調指出，圖1所示工藝構型只是該改進型SBR工藝的一個特例。實際應用中，根據不同處理要求，該系統可靈活設計成只去除BOD或兼有硝化、脫氮、除磷的不同工藝構型。
例如，用于韓國仁川新國際機場污水回用處理廠的該改進型SBR系統采用了9個反應格，用于生物脫氮除磷。用于加拿大阿爾伯塔省歐克托克污水處理廠的工藝構型最簡單，只有3格，用于BOD和總懸浮物的去除。
2 計算機模擬
傳統連續流、恒水位活性污泥系統的設計一般采用經驗公式或穩態生物動力學公式或兩者的結合，這些方法需假定系統各組分的變化率可忽略不計。穩態簡化還需假定進水水質、水量保持恒定。而改進型SBR系統由于周期運行特點，即使在進水水質、水量恒定的前提下，系統各組分仍將處于動態狀況。鑒于此，作者于1992年—1993年間開發了可用于該系統設計的計算機模擬方法。本節對計算機模擬所采用的活性污泥基礎數學模型［2、3］及模擬方法的應用作一簡要介紹。
IAWPRC(國際水污染研究和控制協會，即現在的IWA國際水協會)于1986年發表的1號活性污泥模型包括了有機物氧化、硝化和反硝化生物過程。1989年，Wentzel等人提出了活性污泥聚合磷微生物的數學模型。Dold于1990年結合并擴展了IAWPRC和 Wentzel兩者的工作，提出了一個含有機物氧化、硝化、反硝化及生物除磷過程的活性污泥綜合模型。鑒于Dold的綜合模型是當時唯一全面包括了有機物氧化、硝化、反硝化及生物除磷過程的模型，筆者選擇了Dold的綜合模型作為改進型SBR系統計算機模擬的基礎活性污泥模型。在系統模擬方法開發過程中，作者將Dold的綜合模型作了進一步擴展，以使其更一般化［4］。對Dold模型
的進一步擴展包括以下6種缺氧活性污泥的新陳代謝過程：
a.聚合磷微生物以細胞內含PHB(聚β羥基丁酸)為碳源、以硝酸氮為氮源時的缺氧生長；
b.溶解磷為生長限制條件時，聚合磷微生物以細胞內含PHB為碳源、以氨氮為氮源的缺氧生長；
c.溶解磷為生長限制條件時，聚合磷微生物以細胞內含PHB為碳源、以硝酸氮為氮源的缺氧生長；
d.聚合磷微生物的缺氧死亡；
e.聚合磷微生物缺氧死亡時，細胞內含聚合磷的水解；
f.聚合磷微生物缺氧死亡時，細胞內含PHB的水解。
對Dold活性污泥綜合模型的進一步擴展還包括以下改進：
g.異養菌利用復雜基質或揮發酸為碳源時，采用不同的最大比生長速率和半速常數；
h.生物降解緩慢基質的厭氧水解；
i.異養菌將復雜基質發酵成揮發酸時的細胞合成；
j.厭氧發酵的COD損失；
k.聚合磷微生物在吸收用于PHB合成的揮發酸時的COD損失；
l.引入聚合磷微生物所合成的聚合磷只有部分可水解；
m.將異養菌發酵速率用莫諾特型方程表達；
n.將硝酸氮“閉”函數引入聚合磷微生物厭氧死亡速率方程；
o.將聚合磷“開”函數及硝酸氮“閉”函數引入聚合磷微生物在厭氧條件下分解聚合磷以提供維持能的速率方程；
p.將無機顆粒物也作為一系統組分。
經以上擴展和改進后所得到的活性污泥模型含有34個生物過程及18個系統組分，其中包括Dold的原模型中的28個生物過程和17個系統組分。Barker和Dold對Dold的原模型也作了類似的擴展和改進，包括上述d、e、f、h、i、j、k、l、m、n，以及o中的聚合磷“開”函數［5］。
為了確保系統模擬的數值可靠性，在計算機模擬中引入了物料平衡計算，用系統COD、氮和磷的總輸入校核由模擬結果所計算出的系統COD、氮和磷的總輸出。應用經驗表明，系統模擬的相對數值誤差＜2%～3%，說明了系統模擬結果的數值可靠性。模擬的相對數值誤差以下式表示：
相對數值誤差(%)＝(系統總輸入－系統總輸出)/系統總輸入×100
系統COD總輸入包括原水中的COD和系統由于自養菌(硝化菌)生物合成所產生的COD。系統COD、氮和磷的總輸出由系統模擬程序根據系統模擬的以下結果自動算出：①出水中的COD、氮和磷；②剩余污泥中的COD、氮和磷；③氧化、反硝化和發酵過程中去除的COD；④反硝化過程中去除的氮。
系統物料平衡計算不僅提供了有關模擬數值可靠性的信息，同時也為評價改進型SBR系統所特有的各種生物脫氮除磷工藝構型的節能效率提供了寶貴的數據［6］，并可得出采用不同工藝構型時反硝化和發酵過程所去除的COD量。由此，可結合系統模擬對出水水質的預測，為工藝比較和選擇提供很好的依據。
改進型SBR系統模擬除了可用于工藝構型比較和選擇外，還可用于工程設計，以完成以下重要工藝計算：
a.在穩態進水(進水水質、水量不隨時間變化)或動態進水(進水水質、水量隨時間變化)條件下確定生物反應器尺寸；
b.供氧設備計算；
c.水泵選擇；
d.污泥設備計算；
e.工藝運行條件選擇(如選擇進水點及流量分配，確定混合液濃度、回流位置及流量，生物反應器好氧及缺氧運行狀態的切換，以及系統運行周期的選擇等)；
f.出水水質預測；
g.污水處理廠物料平衡計算。
改進型SBR系統模擬也為工藝運行分析及已有系統的優化提供了一個有用的工具，例如可用于解決工藝瓶頸問題，進行系統運行優化以降低費用、改進系統操作，對暴雨或新引入污水的可能影響進行評估。
3 工程應用實例
3.1 埃斯特凡城市污水處理廠
通過對包括改進型SBR系統在內的七個候選處理方案費用和預計處理效果的比較，加拿大薩斯喀徹溫省埃斯特凡(Estevan)市于1993年決定采用改進型SBR工藝對其已有的氧化塘污水處理系統進行升級改造。盡管該市對近期污水處理沒有脫氮除磷要求，考慮到生物脫氮除磷系統在節省能耗方面的優越性，以及所預計的遠期出水磷為1 mg/L的要求，所設計的改進型SBR系統采用了如圖1所示的生物脫氮除磷工藝構型。
進入埃斯特凡城市污水處理廠的原水先經粉碎機進行預處理，然后以連續流方式進入該系統進行生物處理。為了加速缺氧格(第1格)中的反硝化，一部分污水進入缺氧格以提供一定的碳源。大部分污水則進入厭氧格(第2格)以便最大限度地為生物除磷提供所需的揮發酸。
系統排出的剩余污泥經好氧消化池處理，消化后的污泥由螺旋脫水機脫水后運至該市的固體廢物填埋場進行衛生填埋。由于近期對出水磷沒有要求，污泥消化和脫水過程中所釋放出的磷全部返回至該系統的進口。
改進型SBR系統于1995年年底投產，現已成功地運行了五年多。表1列出了該系統1997年7月—1998年6月的年平均運行數據。表中的數據表明，該系統的運行結果令人滿意，處理出水的BOD5、COD、總氮、總磷和TSS分別低于5、50、10、1和15 mg/L。
圖2～6給出了埃斯特凡市改進型SBR系統1998年9月—1999年2月運行的進出水BOD5、氨氮、總氮、總磷和TSS數據(依次為1998年9月1日、9月15日、9月29日、10月13日、10月27日、11月10日、11月24日、12月8日、12月22日、1999年1月5日、1月19日、2月2日、2月16日測得)。這一期間，出水BOD5、氨氮、總氮、總磷和TSS的濃度平均分別為4.7、0.8、7.8、1.1和15 mg/L。這些數據與表1中的數據具有很好的可比性，表明了該系統運行的穩定性。該系統運行的穩定性還可由圖2～4中出水BOD5、氨氮和總氮的數據進一步說明，盡管進水BOD5、氨氮和總氮濃度變化相對較大，出水BOD5、氨氮和總氮的濃度保持相對穩定，受進水濃度變化的影響很小。圖5、6的數據似乎表明，出水總磷和TSS受進水濃度變化的影響較大。對其他有關運行數據的分析表明，出水總磷和TSS顯然受到這一期間系統非正常排泥操作的影響。在上述期間內，螺旋脫水機發生故障數次，造成活性污泥無法從系統中排出，導致污泥在系統中過度積累(潷水格中MLSS高達9 000 mg/L)。而每當螺旋脫水機修復后，為了排出系統中積累的過量污泥，排泥又往往過甚，導致系統中活性污泥量急劇降低(潷水格中一次排泥超過該格污泥總量的40%)。
圖7給出了改進型SBR系統剩余活性污泥濃度的運行數據。數據表明，該系統的剩余污泥濃度遠高于傳統連續進水活性污泥工藝的剩余污泥濃度。與傳統連續進水活性污泥工藝的剩余污泥濃度(5 000～1.2×104 mg/L)相比，改進型SBR系統的剩余活性污泥濃度高達2×104mg/L。這很可能歸功于以下原因：該系統的剩余活性污泥經過靜止沉淀，而污泥靜止沉淀的濃縮效果要高于傳統連續進水活性污泥二沉池的動態沉淀/濃縮效果。由于剩余污泥的體積與濃度成反比，意味著與傳統連續進水活性污泥工藝相比，改進型SBR系統所需剩余污泥處理設施的造價可顯著降低。
3.2 仁川新國際機場污水回用處理廠
韓國仁川新國際機場污水回用處理廠的設計進水總氮為60 mg/L、總磷為12 mg/L。為了滿足出水總氮≤10 mg/L、總磷≤1 mg/L的回用水要求，選用了改進型SBR系統作為污水回用處理廠的主體處理工藝。由于原水中的氮、磷濃度較高，為了滿足處理要求，采用了如圖8所示的具有9個反應格的系統。
仁川機場改進型SBR系統的運行操作與埃斯特凡市系統類似。為了提供操作靈活性，采用了兩個厭氧反應格(第2、3格)。除第1格為缺氧格外，在主要好氧格(第4格)后又設置了另一缺氧格(第5格)，以提高對氮的去除效果。第7格和第9格互為對稱格，其運行方式與圖1中第4格和第5格的運行方式相同。第6格和第8格也互為對稱格，分別為第7格和第9格的上游格。
當第7格和第9格作周期性功能互換時，第6格和第8格也同時進行功能互換。與埃斯特凡市改進型SBR系統的第1格至第3格的運行相似，仁川改進型SBR系統的第1至第5格在運行中也沒有任何周期性變化。經過預處理的原水除一小部分進入第1格和第5格(缺氧格)外，大部分進入第2格(厭氧格)，以最大限度地提高生物除磷效果。
為了預測仁川改進型SBR系統在不同進水條件下的運行結果，對該系統在穩態進水及動態進水條件下的運行進行了模擬。模擬結果如表2所示。
表中的結果表明，動態進水對生物脫氮除磷活性污泥工藝的處理效果有顯著影響。由于實際污水處理廠的進水基本為動態進水，根據穩態進水假設對生物脫氮除磷活性污泥工藝去除效果所作出的預測可能往往是過于樂觀的。由于穩態進水是傳統設計方法常用的基本假設，模擬結果表明，在采用傳統方法進行生物脫氮除磷活性污泥工藝設計時，附加一定的安全系數是必要的，以保證系統在實際動態進水條件下也能滿足所給定的設計要求。表2中的結果同時還表明，在所模擬的動態進水條件下，仁川機場改進型SBR系統的設計可滿足給定的出水要求(仁川機場的改進型SBR系統現正在試運轉)。
4 結論
工程實踐表明，改進型SBR系統具有運行可靠、操作簡便、處理效果好等特點。根據加拿大埃斯特凡城市污水處理廠改進型SBR系統的運行結果，BOD5、總氮、總磷和懸浮物的年平均去除效果分別為97%、81%、88%和94%。改進型SBR系統的另一特點為，由系統排出的剩余污泥濃度高，平均約為2×104 mg/L。這意味著與傳統連續進水活性污泥工藝相比，該系統所需剩余污泥處理設施的造價可顯著降低。
動態模擬為該系統的工程設計提供了一個很好的應用工具。改進型SBR系統動態模擬結果表明，動態進水對生物脫氮除磷活性污泥工藝的處理效果有顯著影響。由于穩態進水是傳統活性污泥工藝設計方法常用的基本假設，在采用傳統方法進行生物脫氮除磷活性污泥工藝設計時，有必要附加一定的安全系數，以保證系統在實際動態進水條件下也能可靠地滿足設計要求。
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作者簡介：吳衛國(1952-)，男，江蘇南京人，加拿大Stantec Consulting International Ltd.總工程師，主要研究方向為水污染控制。
通訊處：Stantec Center,1122-4th Street S.W.,Calgary,AB,Canada T2R 1M1
E-mail:wgwu@stantec.com
收稿日期：2001-04-07
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