恒水位SBR工艺在某污水厂中的工程化应用

张 静

(北京碧水源科技股份有限公司,北京 102206)

1 引言

随着我国经济的飞速发展和对生态环境要求的日益提高，中、小型污水处理厂建设数量也越来越多，对适合中、小型污水处理厂的工艺进行研究具有重要的现实意义[1，2]。

目前国内多数中、小型污水处理厂具有如下一些特点[3，4]：①承担的排水面积小，污水量也较小，但水量、水质的日变化较大；②一般在城镇小区或厂内修建，其占地往往受到限制，故处理单元应布置紧凑；③自动化程度要求较高，以降低运行成本；④可能会受实际条件限制(如有时靠近居民区或地面起伏不平等)，故平面布置需因地制宜、化弊为利；⑤一般不设污泥消化，宜采用低负荷的延时曝气工艺，在减少剩余污泥产量的同时使污泥实现好氧稳定。

恒水位SBR工艺是一种连续进水、连续出水、恒水位的改进型SBR工艺，含有至少一个连续进水、连续出水、恒水位的中间生物反应池和两个进行污泥回流、间歇反应、静止沉淀和交替出水的对称布置的SBR池[5]。恒水位SBR工艺具有A2/O的生物除磷脱氮功能和SBR的一体化、流程简洁、控制灵活等优点，是集约化程度非常高的污水处理技术之一，在小型水处理厂设计中有着诸多的优点和独到之处：抗冲击负荷能力高、工艺简化且节省占地、脱氮除磷效果好且污泥稳定、运行灵活且调节能力强等[6，7]。所以，随着城镇污水处理厂越来越普及对污水厂出水水质要求越来越高，恒水位SBR工艺将有着广阔的发展空间[8]。

2 项目概况

华北某污水处理厂远期规模10000 m3/d，一期处理规模2500 m3/d，由于厂区用地紧张，设计生化处理单元采用恒水位SBR工艺。

污水处理厂主要收集市区污水，污水处理厂出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，表1为污水处理厂的设计进出水水质情况。

表1 污水处理厂设计进出水水质情况

3 工艺概述

3.1 工艺选择原则

污水处理厂的建设和运行受多种因素的制约和影响。其中，处理工艺方案的确定对确保处理厂的运行性能和降低费用最为关键，因此有必要根据确定的标准和一般原则，从整体最优的观念出发，结合设计规模、污水水质特性以及当地的实际条件和要求，选择切实可行且经济合理的处理工艺方案，经全面技术经济分析后优选出最佳的总体工艺方案[9]。

处理工艺的选择应遵循以下原则：对所需去除的污染物有较高的处理效率；投资及运行成本较低，节省用地和降低能耗；应有足够的设计经验和运行实践经验；操作和维修简单；所选工艺应最大程度的减少对周围环境的不良影响(气味、噪声、气雾等)。

3.2 预处理工艺

污水厂一级处理一般采用物理处理法，主要目的是去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，属于二级处理的预处理[10]。一般设置格栅和沉砂池等处理设施。粗格栅用于截留大块的飘悬浮物，保护水泵机组。细格栅进一步去除污水中细小悬浮物，降低生物处理负荷。沉砂池的作用是分离污水中比重较大的无机砂粒，避免对后续污水处理设备的磨损。

常用的沉砂池形式有平流沉砂池、旋流沉砂池和曝气沉砂池。曝气沉砂池利用鼓风曝气形成水力旋流运动，使水中的砂粒和有机物分开，去除粒径较大的无机砂粒。曝气沉砂池除砂效果好，排砂干净，有机物含量低，气味小，既便于砂的后续处置，又可以减少对周围环境的臭味污染；还兼具撇渣和除油功能[11]。

本工程一级处理工段采用粗格栅+提升泵站+细格栅+曝气沉砂池+初沉池组合。

3.3 生化处理恒水位SBR工艺

恒水位SBR工艺是在SBR工艺基础上进行改进，将SBR工艺的变水位、间歇进出水运行方式改变为恒水位、连续进出水运行，出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。

恒水位SBR工艺具有很大的设计灵活性，本工程为厌氧池、缺氧池、好氧池和对称设置的SBR池的组合处理工艺单元。厌氧池为本系统的进水单元，主要为聚磷菌释磷提供厌氧环境，利用缺氧池来水中的挥发酸作为碳源，进行释磷反应去除磷；在缺氧池内回流污泥、混合液和部分进水进行混合，主要作用是去除回流污泥中的硝酸盐，反硝化作用去除总氮，同时减少硝酸盐对厌氧释磷的影响[12]；好氧池为本系统主要曝气区，好氧菌群在好氧池大部分有机物的降解、硝化反应和过量吸磷的反应。SBR池在两侧对称设置，为辅助曝气系统，在SBR池内完成曝气、回流、静沉和滗水等工序。SBR池在运行过程中两个池体进行功能周期性互换，当其中一池完成静止沉淀进入滗水阶段，另一池进行污泥回流、间歇反应和静止沉淀阶段，两个池体周期性交替互换运行，保证系统水位自始至终保持稳定，从而实现连续进出水。

与传统SBR工艺及连续流、恒水位活性污泥工艺相比，本工程采用的恒水位SBR工艺具有以下主要特点：

①分别设置了缺氧区、厌氧区、好氧区，满足生化过程去除有机物、脱氮、除磷的不同环境要求，提高了生化反应速率和污染物的去除效率[13]。

②对称设置SBR单元，提供了连续进、出水的运行条件，保证系统恒水位运行，降低了操作水头损失，提高了池体的利用率。

③采用连续进出水，避免了传统SBR池对进水的控制要求以及间歇排水的问题，减少了对本系统前端和后续设计单元的影响。

④SBR池能够提供静止沉淀运行工序，保障出水水质，无需设置二沉池。

⑤减少了传统SBR工艺需要的配套相关构筑物和设备，降低了整体建设投资和运行费用。

⑥恒水位SBR工艺简化且节省占地，系统抗冲击负荷能力强，占地节省，运行灵活且调节能力强。

3.4 工艺流程

污水处理厂进水经粗格栅去除污水中较大的悬浮物后，由提升泵站提升后进入细格栅和曝气沉砂池，进一步去除污水中比较大的无机颗粒物质和沉砂。曝气沉砂池出水自流进入初沉池，去除污水中可沉降的无机和有机的悬浮物，确保后续生化工艺顺利运行。初沉池出水自流入恒水位SBR池进行生化处理，进行有机物去除、硝化、反硝化、吸磷释磷等反应，并完成泥水分离，出水经消毒池消毒后达标排放。格栅截留的栅渣外运，曝气沉砂池产生的沉砂经砂水分离器分离后外运，初沉池及恒水位SBR池产生的污泥进入浓缩池混合浓缩，后经脱水后运往当地填埋场进行填埋(图1)。

图1 污水处理厂工艺流程

4 恒水位SBR工艺设计

4.1 主要设计参数

一期工程设恒水位SBR池1座，单池处理规模2500 m3/d，钢筋混凝土结构。单座池体平面尺寸21.5 m×16.5 m，有效水深6 m。

单池处理规模：2500 m3/d。

总停留时间HRT：20.1 h。

泥龄：15 d。

污泥负荷：0.101 kgBOD5/kgMLSS.d。

混合液MLSS：3.0 g/L。

本工程采用恒水位SBR池体由缺氧区、厌氧区、好氧区以及两侧对称设置的SBR池等5个单元组成。

4.2 系统平面布置

恒水位SBR工艺是连续进水和连续出水的改良型SBR，为二阶段的厌氧、缺氧、好氧法串联：第一阶段是在同一时段不同单元内完成A2/O过程，第二阶段是在不同时段在同一池子内完成好氧、缺氧和沉淀的过程。

恒水位SBR池单池处理能力2500 m3/d，单池平面尺寸21.5 m×16.5 m，有效水深6 m，根据工艺运行特点，池体内部分为4个单元：

1#缺氧区，停留时间为4 h，平面尺寸6.5 m×10.5 m，池内设搅拌器2台，单台搅拌功率1.64 kW。

2#厌氧区，停留时间为1.3 h，平面尺寸6.5 m×3.5 m，池内设置搅拌器1台，搅拌功率1.1 kW。

3#好氧区，停留时间为7.2 h，平面尺寸16.5 m×7.5 m，池内设置曝气器12台，单台服务面积12 m2。

4#、4’#SBR，停留时间8 h，单池平面尺寸14 m×5 m，每池设回流泵1台(Q=105 m3/h，H=0.8 m)，将混合液打至1#缺氧池。底部穿孔管曝气，设污泥区排泥。

单座恒水位SBR池的平面布置形式如图2所示。

图2 恒水位SBR平面布置示意

4.3 系统运行模式

该工程恒水位SBR池由5个水力连通的生物反应池所组成：第1池至第3池分别为缺氧区、厌氧区和好氧区串联，所有设备均连续运行。第4池和第5池为两个完全对称设计的SBR池，两池运行时进行周期性互换，交替模式运行。

首先，初沉池污水大部分(约80%)进入系统的厌氧区，通过水解酸化作用提供微生物厌氧释磷作用所需的挥发酸[14]。后进入好氧区，该池为主要曝气区，好氧微生物在好氧池完成大部分有机物的降解、硝化反应和过量吸磷的反应。后对称连续进入两侧的SBR池。SBR1和SBR2完全对称，进行功能周期的互换。

当SBR1滗水时，处理出水由该池连续排出，滗水时间2 h，滗水期间定时排出剩余污泥。此时，SBR2池则进行污泥回流、间歇反应和沉淀：①污泥回流时，SBR2池回流泵、混合器和曝气系统均启动运行，将上一周期滗水时所累积的污泥利用污泥泵回流至前端的缺氧池，回流时间1.2 h，回流百分比为100%；②回流污泥时，SBR2池曝气系统可开可关，间歇反应时间1.4 h；③回流和间歇反应完成后，SBR2池曝气和混合设备停机，进入静止沉淀，静沉时间0.6 h。静止沉淀为下一运行周期变换为滗水格作好准备。SBR2池依次完成污泥回流、间歇反应和禁止沉淀时，SBR1池将上一周期静止沉淀的上清液进行排出，进入滗水阶段；④ 完成静止沉淀后，缺氧区内回流污泥与部分进水(约20%)混合，对回流污泥中硝酸盐进行去除，防止硝酸盐进入厌氧池影响释磷作用。

5 恒水位SBR池设计特点

5.1 除磷系统

由于两侧的SBR池混合液进行回流，混合液中含有一定量NOx-N，若此直接进入厌氧区，会抑制聚磷菌厌氧释磷。设计考虑设置缺氧区主要用于去除NOx-N，同时系统进水的20%也将进入缺氧区，以提供反硝化所需碳源，从而保证后续厌氧区内聚磷菌释磷。设计厌氧区有效池容136.5 m3，HRT=1.3 h。

5.2 脱氮系统

主要通过缺氧区、好氧区和两侧的SBR来完成，缺氧区有效池容409.5 m3，HRT=4 h，SBR至缺氧区的内回流比100%。SBR有效池容为840 m3，HRT=8 h。SBR池各阶段的运行时间可根据前续处理单元的实际处理效果进行调整，以强化系统脱氮的性能。含NOx-N的混合液回流至缺氧区进行反硝化去除总氮。

5.3 沉淀出水系统

恒水位SBR池两侧的SBR池周期性充当沉淀池，在SBR池出水前，已进行了预沉淀，初步实现泥水分离；从SBR池底部进水，进一步强化泥水分离的效果。出水采用自动空气排水堰，保证该系统始终保持恒水位运行，反应池的容积利用率高[15]。

6 运行效果

污水厂自建成投产以来，运行稳定、良好。废水进水量在1684 ～2435 m3/d左右，与设计值Q=2500 m3/d基本相符。出水水量稳定在1677～2428 m3/d左右，出水率高达99.5%以上(图3)。

图3 运行期间半年监测水厂平均进、出水量及出水率

6.1 COD去除情况

分析污水厂半年运行期间在线监测数据，进水COD浓度基本维持在350 mg/L以下，符合设计要求。经恒水位SBR工艺处理后日在线监测出水水质COD可降低至50 mg/L以下，去除效率可达85%～91%(图4、图5)。

图4 1～90 d内水厂进、出水COD含量及去除率

图5 91～180 d内水厂进、出水COD含量及去除率

6.2 氨氮去除情况

分析污水厂半年运行期间在线监测数据，进水氨氮浓度基本维持在35 mg/L以下，符合设计要求。经恒水位SBR工艺处理后日在线监测出水水质氨氮可降低至5 mg/L以下，去除效率可达85%～95%(图6、图7)。

图6 1～90 d内水厂进、出水氨氮含量及去除率

图7 91～180 d内水厂进、出水氨氮含量及去除率

6.3 总氮去除情况

分析污水厂半年运行期间在线监测数据，进水总氮浓度基本维持在40 mg/L以下，符合设计要求。经恒水位SBR工艺处理后日在线监测出水水质氨氮可降低至15 mg/L以下，去除效率可达70%～85%(图8、图9)。

图8 1～90 d内水厂进、出水总氮含量及去除率

图9 91～180 d内水厂进、出水总氮含量及去除率

7 结论

本工程中恒水位SBR工艺运行参数如下：总停留时间为20.5 h，pH值7.5～8.0，污泥浓度3000 mg/L，气水比20∶1。其中厌氧区停留时间1.3 h，缺氧区停留时间4 h，好氧区停留时间7.2 h，SBR池停留时间8 h。单池SBR池运行周期为4 h，回流、间歇反应时间1.4 h，静止沉淀时间0.6 h，滗水时间2 h，回流比1∶1。监测水厂半年的运行情况表明，恒水位SBR工艺对污水中COD、氨氮和总氮的去除效果良好，处理后出水水质达到设计要求《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准的规定。本工程的应用可以为类似地区同类污水处理厂的生产运行辅以佐证。