连续进水、恒水位的改进型SBR系统

吴卫国，Peter L.Timpany
(加拿大Stantec Consulting International Ltd.)

　　摘　要：介绍了一种连续进水、恒水位的改进型SBR系统在生物脱氮除磷方面的应用及其动态模拟，讨论了该系统的动态模拟在工程设计中的应用及其数学模型基础，并通过工程实例解说了在满足不同出水要求方面的设计灵活性。生产规模系统自1995年以来的运转实践表明：运行可靠、操作简便、处理效果好。在加拿大寒冷气候条件下，年平均BOD5、总氮、总磷和TSS的去除率分别为97%、81%、88%和94%。该改进型SBR系统的另一特点为剩余污泥浓度高，平均约为2×104 mg/L，这意味着与传统连续进水活性污泥工艺相比，可显著降低其污泥处理设施的造价。
　　关键词：改进型SBR；数学模型；脱氮除磷
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：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

　　序批反应器(SBR)可看成是连续流活性污泥工艺问世前的间歇进、出水活性污泥法的现代版［1］。20世纪80年代以来，随着对间歇操作工艺优点的重新认识以及工艺硬件和控制技术的发展，SBR工艺的应用日益增多。
　　尽管如此，SBR仍然有其不可否认的缺点。SBR的序批运行特性要求提供进、出水控制装置。对于小型或中型污水处理厂来说，由于SBR池子数量不多，这些控制装置的安装和运行养护不会有多大问题。但对于大型污水处理厂来说，随着SBR池子数量的增加，控制装置趋于复杂化，维修养护不便，设备投资增加。SBR的其他缺点还包括：①由于处理出水间歇排放，所需后续处理构筑物较大，否则需设调节池；②由于变水位运行，处理厂的总水头损失较大，池子容积利用率低；③间歇操作造成设备利用率低，增加高峰需氧量。
　　为了克服传统SBR工艺的这些缺点，进一步发挥该工艺的优点，近20年来出现了各种各样的改进型SBR系统，作者也于过去的10年里开发了下述连续进水、恒水位的改进型SBR系统。

1　工艺原理与特点

　　与传统SBR工艺及连续流、恒水位活性污泥工艺相比，改进型SBR系统具有以下主要特点：
　　①采用连续进、出水，避免了传统SBR对进水的控制要求及其间歇排水所造成的问题；
　　②采用恒水位运行，避免了传统SBR变水位操作水头损失大、池子容积利用率低的缺点；
　　③提供传统连续流、恒水位活性污泥工艺对生物脱氮除磷所具有的专用缺氧、厌氧和好氧反应区，提高了工艺运行的可靠性和灵活性；
　　④省去传统连续流、恒水位活性污泥工艺需设置的二沉池及其他相关构筑物和设备，降低了系统投资及运行费用；
　　⑤为泥水分离提供了与传统SBR类似的静止沉淀条件，改善了出水水质；
　　⑥提供与传统SBR类似的间歇反应区，提高了系统对生物脱氮除磷及有机物的去除效率。
　　改进型SBR工艺具有很大的设计灵活性。根据进水水质及出水要求，该系统可设计成不同的工艺构型。下面以图1所示的加拿大埃斯特凡市污水处理厂工艺构型为例对其工艺原理加以说明。该系统由5个水力连通的生物反应池所组成。第1格至第3格分别为缺氧、厌氧和好氧格，串联运行，这与传统连续流、多池串联活性污泥系统相同，其中没有设置任何周期性变化控制设备。原水连续进入第1格和第2格，这一点也与传统活性污泥系统相同。第4格与第5格完全相同，为对称格。这两格的运行功能进行周期性互换：当其中一格为滗水格时，另一格即为污泥回流、间歇反应和静止沉淀格(以下简称为RBS格)；反之亦然。
　　当第4格为滗水格时，处理出水由该格连续排出，此时第5格为RBS格，依次进行污泥回流、间歇反应和静止沉淀。在回流污泥时，第5格内的污泥回流泵(RAS泵)、混合设备和曝气系统开机，将第5格在上一运行周期作为滗水格时所累积的污泥泵回第1格。与此同时，第3格的混合液将以与RAS泵相同的流量流入第5格。回流污泥时，第5格内的曝气系统可开可关，或时开时关，以优化系统的脱氮效率。

　　回流污泥结束后，第5格内RAS泵关机，该格混合液从而无进无出。第5格随即成为一个与其他格相隔离的、与传统SBR类似的间歇反应池。间歇反应完成后，第5格内的曝气和混合设备关机，从而为处理出水与活性污泥的分离创造了一个与传统SBR类似的静止沉淀条件。静止沉淀为第5格在下一运行周期变换为滗水格作好准备。
　　当第5格依次进行污泥回流、间歇反应和静止沉淀时，由第3格连续流入第4格的混合液将第4格在上一周期静止沉淀阶段所产生的上清液(即处理出水)连续置换排出。在滗水状态下，除滗水器外，第4格内所有设备(曝气、混合和污泥回流)均关机。
　　第5格完成静止沉淀之后，其运行功能即与第4格互换：第5格成为滗水格，而第4格则成为RBS格。因此，下一周期时，第4格将依次进行污泥回流、间歇反应和静止沉淀，而第5格则将上一周期静止沉淀阶段所形成的上清液连续排放出此格。此时，第5格中所有曝气、混合和污泥回流设备仍处关机状态。该改进型SBR工艺的运行就是由第4格和第5格的如此周期性功能互换所构成，整个系统内的水位自始至终保持恒定。
　　应该强调指出，图1所示工艺构型只是该改进型SBR工艺的一个特例。实际应用中，根据不同处理要求，该系统可灵活设计成只去除BOD或兼有硝化、脱氮、除磷的不同工艺构型。
　　例如，用于韩国仁川新国际机场污水回用处理厂的该改进型SBR系统采用了9个反应格，用于生物脱氮除磷。用于加拿大阿尔伯塔省欧克托克污水处理厂的工艺构型最简单，只有3格，用于BOD和总悬浮物的去除。

2　计算机模拟

　　传统连续流、恒水位活性污泥系统的设计一般采用经验公式或稳态生物动力学公式或两者的结合，这些方法需假定系统各组分的变化率可忽略不计。稳态简化还需假定进水水质、水量保持恒定。而改进型SBR系统由于周期运行特点，即使在进水水质、水量恒定的前提下，系统各组分仍将处于动态状况。鉴于此，作者于1992年—1993年间开发了可用于该系统设计的计算机模拟方法。本节对计算机模拟所采用的活性污泥基础数学模型［2、3］及模拟方法的应用作一简要介绍。
　　IAWPRC(国际水污染研究和控制协会，即现在的IWA国际水协会)于1986年发表的1号活性污泥模型包括了有机物氧化、硝化和反硝化生物过程。1989年，Wentzel等人提出了活性污泥聚合磷微生物的数学模型。Dold于1990年结合并扩展了IAWPRC和 Wentzel两者的工作，提出了一个含有机物氧化、硝化、反硝化及生物除磷过程的活性污泥综合模型。鉴于Dold的综合模型是当时唯一全面包括了有机物氧化、硝化、反硝化及生物除磷过程的模型，笔者选择了Dold的综合模型作为改进型SBR系统计算机模拟的基础活性污泥模型。在系统模拟方法开发过程中，作者将Dold的综合模型作了进一步扩展，以使其更一般化［4］。对Dold模型
的进一步扩展包括以下6种缺氧活性污泥的新陈代谢过程：
　　a.聚合磷微生物以细胞内含PHB(聚β羟基丁酸)为碳源、以硝酸氮为氮源时的缺氧生长；
　　b.溶解磷为生长限制条件时，聚合磷微生物以细胞内含PHB为碳源、以氨氮为氮源的缺氧生长；
　　c.溶解磷为生长限制条件时，聚合磷微生物以细胞内含PHB为碳源、以硝酸氮为氮源的缺氧生长；
　　d.聚合磷微生物的缺氧死亡；
　　e.聚合磷微生物缺氧死亡时，细胞内含聚合磷的水解；
　　f.聚合磷微生物缺氧死亡时，细胞内含PHB的水解。
　　对Dold活性污泥综合模型的进一步扩展还包括以下改进：
　　g.异养菌利用复杂基质或挥发酸为碳源时，采用不同的最大比生长速率和半速常数；
　　h.生物降解缓慢基质的厌氧水解；
　　i.异养菌将复杂基质发酵成挥发酸时的细胞合成；
　　j.厌氧发酵的COD损失；
　　k.聚合磷微生物在吸收用于PHB合成的挥发酸时的COD损失；
　　l.引入聚合磷微生物所合成的聚合磷只有部分可水解；
　　m.将异养菌发酵速率用莫诺特型方程表达；
　　n.将硝酸氮“闭”函数引入聚合磷微生物厌氧死亡速率方程；
　　o.将聚合磷“开”函数及硝酸氮“闭”函数引入聚合磷微生物在厌氧条件下分解聚合磷以提供维持能的速率方程；
　　p.将无机颗粒物也作为一系统组分。
　　经以上扩展和改进后所得到的活性污泥模型含有34个生物过程及18个系统组分，其中包括Dold的原模型中的28个生物过程和17个系统组分。Barker和Dold对Dold的原模型也作了类似的扩展和改进，包括上述d、e、f、h、i、j、k、l、m、n，以及o中的聚合磷“开”函数［5］。
　　为了确保系统模拟的数值可靠性，在计算机模拟中引入了物料平衡计算，用系统COD、氮和磷的总输入校核由模拟结果所计算出的系统COD、氮和磷的总输出。应用经验表明，系统模拟的相对数值误差＜2%～3%，说明了系统模拟结果的数值可靠性。模拟的相对数值误差以下式表示：

　　相对数值误差(%)＝(系统总输入－系统总输出)/系统总输入×100

　　系统COD总输入包括原水中的COD和系统由于自养菌(硝化菌)生物合成所产生的COD。系统COD、氮和磷的总输出由系统模拟程序根据系统模拟的以下结果自动算出：①出水中的COD、氮和磷；②剩余污泥中的COD、氮和磷；③氧化、反硝化和发酵过程中去除的COD；④反硝化过程中去除的氮。
　　系统物料平衡计算不仅提供了有关模拟数值可靠性的信息，同时也为评价改进型SBR系统所特有的各种生物脱氮除磷工艺构型的节能效率提供了宝贵的数据［6］，并可得出采用不同工艺构型时反硝化和发酵过程所去除的COD量。由此，可结合系统模拟对出水水质的预测，为工艺比较和选择提供很好的依据。
　　改进型SBR系统模拟除了可用于工艺构型比较和选择外，还可用于工程设计，以完成以下重要工艺计算：
　　a.在稳态进水(进水水质、水量不随时间变化)或动态进水(进水水质、水量随时间变化)条件下确定生物反应器尺寸；
　　b.供氧设备计算；
　　c.水泵选择；
　　d.污泥设备计算；
　　e.工艺运行条件选择(如选择进水点及流量分配，确定混合液浓度、回流位置及流量，生物反应器好氧及缺氧运行状态的切换，以及系统运行周期的选择等)；
　　f.出水水质预测；
　　g.污水处理厂物料平衡计算。
　　改进型SBR系统模拟也为工艺运行分析及已有系统的优化提供了一个有用的工具，例如可用于解决工艺瓶颈问题，进行系统运行优化以降低费用、改进系统操作，对暴雨或新引入污水的可能影响进行评估。

3　工程应用实例

3.1　埃斯特凡城市污水处理厂
　　通过对包括改进型SBR系统在内的七个候选处理方案费用和预计处理效果的比较，加拿大萨斯喀彻温省埃斯特凡(Estevan)市于1993年决定采用改进型SBR工艺对其已有的氧化塘污水处理系统进行升级改造。尽管该市对近期污水处理没有脱氮除磷要求，考虑到生物脱氮除磷系统在节省能耗方面的优越性，以及所预计的远期出水磷为1 mg/L的要求，所设计的改进型SBR系统采用了如图1所示的生物脱氮除磷工艺构型。
　　进入埃斯特凡城市污水处理厂的原水先经粉碎机进行预处理，然后以连续流方式进入该系统进行生物处理。为了加速缺氧格(第1格)中的反硝化，一部分污水进入缺氧格以提供一定的碳源。大部分污水则进入厌氧格(第2格)以便最大限度地为生物除磷提供所需的挥发酸。
　　系统排出的剩余污泥经好氧消化池处理，消化后的污泥由螺旋脱水机脱水后运至该市的固体废物填埋场进行卫生填埋。由于近期对出水磷没有要求，污泥消化和脱水过程中所释放出的磷全部返回至该系统的进口。
　　改进型SBR系统于1995年年底投产，现已成功地运行了五年多。表1列出了该系统1997年7月—1998年6月的年平均运行数据。表中的数据表明，该系统的运行结果令人满意，处理出水的BOD₅、COD、总氮、总磷和TSS分别低于5、50、10、1和15 mg/L。

表1　改进型SBR系统年平均运行结果 参数 BOD₅ COD 凯氏氮 氨氮 硝氮 总氮 总磷 正磷 TSS 进水(mg/L) 152 378 49 32.8 　 49 6.7 5.2 188 出水(mg/L) 4.9 48 4.2 1.3 5.3 9.5 0.8 0.6 11 去除率(%) 96.8 87.3 91.4 96.0 　 80.6 88.1 88.5 94.1 注 BOD₅和TSS采用标准方法测定，其他参数采用Hach方法测定。

　　图2～6给出了埃斯特凡市改进型SBR系统1998年9月—1999年2月运行的进出水BOD₅、氨氮、总氮、总磷和TSS数据(依次为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日测得)。这一期间，出水BOD5、氨氮、总氮、总磷和TSS的浓度平均分别为4.7、0.8、7.8、1.1和15 mg/L。这些数据与表1中的数据具有很好的可比性，表明了该系统运行的稳定性。该系统运行的稳定性还可由图2～4中出水BOD₅、氨氮和总氮的数据进一步说明，尽管进水BOD₅、氨氮和总氮浓度变化相对较大，出水BOD₅、氨氮和总氮的浓度保持相对稳定，受进水浓度变化的影响很小。图5、6的数据似乎表明，出水总磷和TSS受进水浓度变化的影响较大。对其他有关运行数据的分析表明，出水总磷和TSS显然受到这一期间系统非正常排泥操作的影响。在上述期间内，螺旋脱水机发生故障数次，造成活性污泥无法从系统中排出，导致污泥在系统中过度积累(滗水格中MLSS高达9 000 mg/L)。而每当螺旋脱水机修复后，为了排出系统中积累的过量污泥，排泥又往往过甚，导致系统中活性污泥量急剧降低(滗水格中一次排泥超过该格污泥总量的40%)。

　　　

　　　

　　图7给出了改进型SBR系统剩余活性污泥浓度的运行数据。数据表明，该系统的剩余污泥浓度远高于传统连续进水活性污泥工艺的剩余污泥浓度。与传统连续进水活性污泥工艺的剩余污泥浓度(5 000～1.2×10⁴ mg/L)相比，改进型SBR系统的剩余活性污泥浓度高达2×10⁴mg/L。这很可能归功于以下原因：该系统的剩余活性污泥经过静止沉淀，而污泥静止沉淀的浓缩效果要高于传统连续进水活性污泥二沉池的动态沉淀/浓缩效果。由于剩余污泥的体积与浓度成反比，意味着与传统连续进水活性污泥工艺相比，改进型SBR系统所需剩余污泥处理设施的造价可显著降低。

3.2　仁川新国际机场污水回用处理厂
　　韩国仁川新国际机场污水回用处理厂的设计进水总氮为60 mg/L、总磷为12 mg/L。为了满足出水总氮≤10 mg/L、总磷≤1 mg/L的回用水要求，选用了改进型SBR系统作为污水回用处理厂的主体处理工艺。由于原水中的氮、磷浓度较高，为了满足处理要求，采用了如图8所示的具有9个反应格的系统。
　　仁川机场改进型SBR系统的运行操作与埃斯特凡市系统类似。为了提供操作灵活性，采用了两个厌氧反应格(第2、3格)。除第1格为缺氧格外，在主要好氧格(第4格)后又设置了另一缺氧格(第5格)，以提高对氮的去除效果。第7格和第9格互为对称格，其运行方式与图1中第4格和第5格的运行方式相同。第6格和第8格也互为对称格，分别为第7格和第9格的上游格。
　　当第7格和第9格作周期性功能互换时，第6格和第8格也同时进行功能互换。与埃斯特凡市改进型SBR系统的第1格至第3格的运行相似，仁川改进型SBR系统的第1至第5格在运行中也没有任何周期性变化。经过预处理的原水除一小部分进入第1格和第5格(缺氧格)外，大部分进入第2格(厌氧格)，以最大限度地提高生物除磷效果。

　　为了预测仁川改进型SBR系统在不同进水条件下的运行结果，对该系统在稳态进水及动态进水条件下的运行进行了模拟。模拟结果如表2所示。

表2　仁川机场改进型SBR系统模拟出水水质 季节 进水方式 出水水质(mg/L) 氨氮 溶解性凯氏氮 硝氮 溶解性总氮 溶解性磷 夏季 稳态进水 1.7 4.6 5.2 9.8 0.3 动态进水 2.1 5.1 4.8 9.9 0.7 冬季 稳态进水 2.7 5.6 4.3 9.9 0.4 动态进水 2.7 5.7 4.0 9.7 0.8

　　表中的结果表明，动态进水对生物脱氮除磷活性污泥工艺的处理效果有显著影响。由于实际污水处理厂的进水基本为动态进水，根据稳态进水假设对生物脱氮除磷活性污泥工艺去除效果所作出的预测可能往往是过于乐观的。由于稳态进水是传统设计方法常用的基本假设，模拟结果表明，在采用传统方法进行生物脱氮除磷活性污泥工艺设计时，附加一定的安全系数是必要的，以保证系统在实际动态进水条件下也能满足所给定的设计要求。表2中的结果同时还表明，在所模拟的动态进水条件下，仁川机场改进型SBR系统的设计可满足给定的出水要求(仁川机场的改进型SBR系统现正在试运转)。

4　结论

　　工程实践表明，改进型SBR系统具有运行可靠、操作简便、处理效果好等特点。根据加拿大埃斯特凡城市污水处理厂改进型SBR系统的运行结果，BOD5、总氮、总磷和悬浮物的年平均去除效果分别为97%、81%、88%和94%。改进型SBR系统的另一特点为，由系统排出的剩余污泥浓度高，平均约为2×10⁴ mg/L。这意味着与传统连续进水活性污泥工艺相比，该系统所需剩余污泥处理设施的造价可显著降低。
　　动态模拟为该系统的工程设计提供了一个很好的应用工具。改进型SBR系统动态模拟结果表明，动态进水对生物脱氮除磷活性污泥工艺的处理效果有显著影响。由于稳态进水是传统活性污泥工艺设计方法常用的基本假设，在采用传统方法进行生物脱氮除磷活性污泥工艺设计时，有必要附加一定的安全系数，以保证系统在实际动态进水条件下也能可靠地满足设计要求。

参考文献：

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　　［4］W Wu，Timpany P，Dawson B.Simulation and Applications of a Novel Modified SBR System for Biological Nutrient Removal［J］.Water Science and Technology,2001，43：215-222.
　　［5］Barker P S，Dold P L.General Model for Biological Nutrient Removal Activated-Sludge Systems:Model Presentation［J］.Water Environmental Research,1997，69：969-984.
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　　作者简介：吴卫国(1952-)，男，江苏南京人，加拿大Stantec Consulting International Ltd.总工程师，主要研究方向为水污染控制。
　　通讯处：Stantec Center,1122-4th Street S.W.,Calgary,AB,Canada T2R 1M1
　　E-mail:wgwu@stantec.com
　　收稿日期：2001-04-07