恒水位SBR工藝在某污水廠中的工程化應(yīng)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(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和對生態(tài)環(huán)境要求的日益提高，中、小型污水處理廠建設(shè)數(shù)量也越來越多，對適合中、小型污水處理廠的工藝進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義[1，2]。

目前國內(nèi)多數(shù)中、小型污水處理廠具有如下一些特點[3，4]：①承擔(dān)的排水面積小，污水量也較小，但水量、水質(zhì)的日變化較大；②一般在城鎮(zhèn)小區(qū)或廠內(nèi)修建，其占地往往受到限制，故處理單元應(yīng)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(qū)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(shè)污泥消化，宜采用低負(fù)荷的延時曝氣工藝，在減少剩余污泥產(chǎn)量的同時使污泥實現(xiàn)好氧穩(wěn)定。

恒水位SBR工藝是一種連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水、恒水位的改進(jìn)型SBR工藝，含有至少一個連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水、恒水位的中間生物反應(yīng)池和兩個進(jìn)行污泥回流、間歇反應(yīng)、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(yōu)點，是集約化程度非常高的污水處理技術(shù)之一，在小型水處理廠設(shè)計中有著諸多的優(yōu)點和獨到之處：抗沖擊負(fù)荷能力高、工藝簡化且節(jié)省占地、脫氮除磷效果好且污泥穩(wěn)定、運行靈活且調(diào)節(jié)能力強等[6，7]。所以，隨著城鎮(zhèn)污水處理廠越來越普及對污水廠出水水質(zhì)要求越來越高，恒水位SBR工藝將有著廣闊的發(fā)展空間[8]。

2 項目概況

華北某污水處理廠遠(yuǎn)期規(guī)模10000 m3/d，一期處理規(guī)模2500 m3/d，由于廠區(qū)用地緊張，設(shè)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(qū)污水，污水處理廠出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，表1為污水處理廠的設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)情況。

表1 污水處理廠設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)情況

3 工藝概述

3.1 工藝選擇原則

污水處理廠的建設(shè)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(guān)鍵，因此有必要根據(jù)確定的標(biāo)準(zhǔn)和一般原則，從整體最優(yōu)的觀念出發(fā)，結(jié)合設(shè)計規(guī)模、污水水質(zhì)特性以及當(dāng)?shù)氐膶嶋H條件和要求，選擇切實可行且經(jīng)濟(jì)合理的處理工藝方案，經(jīng)全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后優(yōu)選出最佳的總體工藝方案[9]。

處理工藝的選擇應(yīng)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(jié)省用地和降低能耗；應(yīng)有足夠的設(shè)計經(jīng)驗和運行實踐經(jīng)驗；操作和維修簡單；所選工藝應(yīng)最大程度的減少對周圍環(huán)境的不良影響(氣味、噪聲、氣霧等)。

3.2 預(yù)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(tài)的固體污染物質(zhì)，屬于二級處理的預(yù)處理[10]。一般設(shè)置格柵和沉砂池等處理設(shè)施。粗格柵用于截留大塊的飄懸浮物，保護(hù)水泵機組。細(xì)格柵進(jìn)一步去除污水中細(xì)小懸浮物，降低生物處理負(fù)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(xù)污水處理設(shè)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(fēng)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(xù)處置，又可以減少對周圍環(huán)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(xì)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(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將SBR工藝的變水位、間歇進(jìn)出水運行方式改變?yōu)楹闼?、連續(xù)進(jìn)出水運行，出水水質(zhì)可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

恒水位SBR工藝具有很大的設(shè)計靈活性，本工程為厭氧池、缺氧池、好氧池和對稱設(shè)置的SBR池的組合處理工藝單元。厭氧池為本系統(tǒng)的進(jìn)水單元，主要為聚磷菌釋磷提供厭氧環(huán)境，利用缺氧池來水中的揮發(fā)酸作為碳源，進(jìn)行釋磷反應(yīng)去除磷；在缺氧池內(nèi)回流污泥、混合液和部分進(jìn)水進(jìn)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(tǒng)主要曝氣區(qū)，好氧菌群在好氧池大部分有機物的降解、硝化反應(yīng)和過量吸磷的反應(yīng)。SBR池在兩側(cè)對稱設(shè)置，為輔助曝氣系統(tǒng)，在SBR池內(nèi)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(jìn)行功能周期性互換，當(dāng)其中一池完成靜止沉淀進(jìn)入潷水階段，另一池進(jìn)行污泥回流、間歇反應(yīng)和靜止沉淀階段，兩個池體周期性交替互換運行，保證系統(tǒng)水位自始至終保持穩(wěn)定，從而實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)出水。

與傳統(tǒng)SBR工藝及連續(xù)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(shè)置了缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、好氧區(qū)，滿足生化過程去除有機物、脫氮、除磷的不同環(huán)境要求，提高了生化反應(yīng)速率和污染物的去除效率[13]。

②對稱設(shè)置SBR單元，提供了連續(xù)進(jìn)、出水的運行條件，保證系統(tǒng)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(xù)進(jìn)出水，避免了傳統(tǒng)SBR池對進(jìn)水的控制要求以及間歇排水的問題，減少了對本系統(tǒng)前端和后續(xù)設(shè)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(zhì)，無需設(shè)置二沉池。

⑤減少了傳統(tǒng)SBR工藝需要的配套相關(guān)構(gòu)筑物和設(shè)備，降低了整體建設(shè)投資和運行費用。

⑥恒水位SBR工藝簡化且節(jié)省占地，系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力強，占地節(jié)省，運行靈活且調(diào)節(jié)能力強。

3.4 工藝流程

污水處理廠進(jìn)水經(jīng)粗格柵去除污水中較大的懸浮物后，由提升泵站提升后進(jìn)入細(xì)格柵和曝氣沉砂池，進(jìn)一步去除污水中比較大的無機顆粒物質(zhì)和沉砂。曝氣沉砂池出水自流進(jìn)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(xù)生化工藝順利運行。初沉池出水自流入恒水位SBR池進(jìn)行生化處理，進(jìn)行有機物去除、硝化、反硝化、吸磷釋磷等反應(yīng)，并完成泥水分離，出水經(jīng)消毒池消毒后達(dá)標(biāo)排放。格柵截留的柵渣外運，曝氣沉砂池產(chǎn)生的沉砂經(jīng)砂水分離器分離后外運，初沉池及恒水位SBR池產(chǎn)生的污泥進(jìn)入濃縮池混合濃縮，后經(jīng)脫水后運往當(dāng)?shù)靥盥駡鲞M(jìn)行填埋(圖1)。

圖1 污水處理廠工藝流程

4 恒水位SBR工藝設(shè)計

4.1 主要設(shè)計參數(shù)

一期工程設(shè)恒水位SBR池1座，單池處理規(guī)模2500 m3/d，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。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(guī)模：2500 m3/d。

總停留時間HRT：20.1 h。

泥齡：15 d。

污泥負(fù)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(qū)、厭氧區(qū)、好氧區(qū)以及兩側(cè)對稱設(shè)置的SBR池等5個單元組成。

4.2 系統(tǒng)平面布置

恒水位SBR工藝是連續(xù)進(jìn)水和連續(xù)出水的改良型SBR，為二階段的厭氧、缺氧、好氧法串聯(lián)：第一階段是在同一時段不同單元內(nèi)完成A2/O過程，第二階段是在不同時段在同一池子內(nèi)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(jù)工藝運行特點，池體內(nèi)部分為4個單元：

1#缺氧區(qū)，停留時間為4 h，平面尺寸6.5 m×10.5 m，池內(nèi)設(shè)攪拌器2臺，單臺攪拌功率1.64 kW。

2#厭氧區(qū)，停留時間為1.3 h，平面尺寸6.5 m×3.5 m，池內(nèi)設(shè)置攪拌器1臺，攪拌功率1.1 kW。

3#好氧區(qū)，停留時間為7.2 h，平面尺寸16.5 m×7.5 m，池內(nèi)設(shè)置曝氣器12臺，單臺服務(wù)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(shè)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(shè)污泥區(qū)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(tǒng)運行模式

該工程恒水位SBR池由5個水力連通的生物反應(yīng)池所組成：第1池至第3池分別為缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和好氧區(qū)串聯(lián)，所有設(shè)備均連續(xù)運行。第4池和第5池為兩個完全對稱設(shè)計的SBR池，兩池運行時進(jìn)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(jìn)入系統(tǒng)的厭氧區(qū)，通過水解酸化作用提供微生物厭氧釋磷作用所需的揮發(fā)酸[14]。后進(jìn)入好氧區(qū)，該池為主要曝氣區(qū)，好氧微生物在好氧池完成大部分有機物的降解、硝化反應(yīng)和過量吸磷的反應(yīng)。后對稱連續(xù)進(jìn)入兩側(cè)的SBR池。SBR1和SBR2完全對稱，進(jìn)行功能周期的互換。

當(dāng)SBR1潷水時，處理出水由該池連續(xù)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(jìn)行污泥回流、間歇反應(yīng)和沉淀：①污泥回流時，SBR2池回流泵、混合器和曝氣系統(tǒng)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(tǒng)可開可關(guān)，間歇反應(yīng)時間1.4 h；③回流和間歇反應(yīng)完成后，SBR2池曝氣和混合設(shè)備停機，進(jìn)入靜止沉淀，靜沉?xí)r間0.6 h。靜止沉淀為下一運行周期變換為潷水格作好準(zhǔn)備。SBR2池依次完成污泥回流、間歇反應(yīng)和禁止沉淀時，SBR1池將上一周期靜止沉淀的上清液進(jìn)行排出，進(jìn)入潷水階段；④ 完成靜止沉淀后，缺氧區(qū)內(nèi)回流污泥與部分進(jìn)水(約20%)混合，對回流污泥中硝酸鹽進(jìn)行去除，防止硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬醭赜绊戓屃鬃饔谩?/p>

5 恒水位SBR池設(shè)計特點

5.1 除磷系統(tǒng)

由于兩側(cè)的SBR池混合液進(jìn)行回流，混合液中含有一定量NOx-N，若此直接進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，會抑制聚磷菌厭氧釋磷。設(shè)計考慮設(shè)置缺氧區(qū)主要用于去除NOx-N，同時系統(tǒng)進(jìn)水的20%也將進(jìn)入缺氧區(qū)，以提供反硝化所需碳源，從而保證后續(xù)厭氧區(qū)內(nèi)聚磷菌釋磷。設(shè)計厭氧區(qū)有效池容136.5 m3，HRT=1.3 h。

5.2 脫氮系統(tǒng)

主要通過缺氧區(qū)、好氧區(qū)和兩側(cè)的SBR來完成，缺氧區(qū)有效池容409.5 m3，HRT=4 h，SBR至缺氧區(qū)的內(nèi)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(jù)前續(xù)處理單元的實際處理效果進(jìn)行調(diào)整，以強化系統(tǒng)脫氮的性能。含NOx-N的混合液回流至缺氧區(qū)進(jìn)行反硝化去除總氮。

5.3 沉淀出水系統(tǒng)

恒水位SBR池兩側(cè)的SBR池周期性充當(dāng)沉淀池，在SBR池出水前，已進(jìn)行了預(yù)沉淀，初步實現(xiàn)泥水分離；從SBR池底部進(jìn)水，進(jìn)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(tǒng)始終保持恒水位運行，反應(yīng)池的容積利用率高[15]。

6 運行效果

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

圖3 運行期間半年監(jiān)測水廠平均進(jìn)、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(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)水COD濃度基本維持在350 mg/L以下，符合設(shè)計要求。經(jīng)恒水位SBR工藝處理后日在線監(jiān)測出水水質(zhì)COD可降低至50 mg/L以下，去除效率可達(dá)85%～91%(圖4、圖5)。

圖4 1～90 d內(nèi)水廠進(jìn)、出水COD含量及去除率

圖5 91～180 d內(nèi)水廠進(jìn)、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(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)水氨氮濃度基本維持在35 mg/L以下，符合設(shè)計要求。經(jīng)恒水位SBR工藝處理后日在線監(jiān)測出水水質(zhì)氨氮可降低至5 mg/L以下，去除效率可達(dá)85%～95%(圖6、圖7)。

圖6 1～90 d內(nèi)水廠進(jìn)、出水氨氮含量及去除率

圖7 91～180 d內(nèi)水廠進(jìn)、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(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)水總氮濃度基本維持在40 mg/L以下，符合設(shè)計要求。經(jīng)恒水位SBR工藝處理后日在線監(jiān)測出水水質(zhì)氨氮可降低至15 mg/L以下，去除效率可達(dá)70%～85%(圖8、圖9)。

圖8 1～90 d內(nèi)水廠進(jìn)、出水總氮含量及去除率

圖9 91～180 d內(nèi)水廠進(jìn)、出水總氮含量及去除率

7 結(jié)論

本工程中恒水位SBR工藝運行參數(shù)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(qū)停留時間1.3 h，缺氧區(qū)停留時間4 h，好氧區(qū)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(yīng)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(jiān)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(zhì)達(dá)到設(shè)計要求《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。本工程的應(yīng)用可以為類似地區(qū)同類污水處理廠的生產(chǎn)運行輔以佐證。