循环式活性污泥法（C-TECH）——一种高效经济的城市污水除磷脱氮工艺

朱明权
（上海金源—SFC环境保护设备工程有限公司）

1 前言

　　随着污水处理除氮脱磷要求的不断提高，污水处理工艺及其运行日益复杂化，污水处理的投资及其运行费用也随之越来越高，因此如何在满足处理要求的前提下，简化工艺流程，减少工程投资和运行费用，是世界各国所面临的一个共同课题。下面简要介绍由Goronszy教授和奥地利SFC环境工程有限公司开发、推广应用的循环式活性污泥法工艺（简称C-TECH 工艺）。循环式活性污泥法工艺在其优异的除氮脱磷性能基础上，能大大地简化工艺流程，减少工程投资和运行费用，是目前国际上较为先进的一种城市污水除磷脱氮工艺。
　　循环式活性污泥法（Cyclic Activated Sludge Technology,简称C-TECH工艺）为一间隙式反应器，在此反应器中活性污泥法过程按曝气和非曝气阶段不断重复进行。该法将生物反应过程和泥水分离过程结合在一个池子中进行。C-TECH方法是一种"充水和排水"活性污泥法系统，废水按一定的周期和阶段得到处理，故C-TECH方法是SBR工艺的一种变型。C-TECH工艺在七十年代开始得到研究和应用，随着电子计算机应用和自动化控制的日益普及，间隙运行的C-TECH工艺由于其投资和运行费用低处理性能高超，尤其是其优异的脱氮除磷功能而越来越得到重视，该工艺已广泛应用于城市污水和各种工业废水的处理。
　　本文将简要介绍循环式活性污泥法(C-TECH)的主要特性及其在大型城市污水处理厂除氮脱磷方面的应用。

2 循环式活性污泥法工艺（C-TECH工艺）的基本组成及运行方式

2.1 C-TECH工艺的组
　　循环式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology，简称C-TECH工艺)是间隙式活性污泥法(SBR法)的一种变型。该工艺将可变容积活性污泥法过程和生物选择器原理进行有机的结合。在循环式活性污泥法(C-TECH)中, 每一操作循环包括进水-曝气阶段、沉淀阶段、撇水阶段和闲置阶段等几个过程。在操作循环的曝气阶段(同时进水)一步完成生物降解过程 (包括降解有机物、硝化/反硝化、生物除磷等过程)；在非曝气阶段完成泥水分离功能。排水装置系移动式撇水堰，籍此可将每一循环操作中所处理的废水经沉淀阶段后排出系统。 图 1 表示单池或多池C-TECH系统的各个循环操作过程，包括进水曝气阶段、固液分离阶段和撇水阶段等步骤。当撇水结束后撇水阶段尚有多余的时间可供支配时，可设置进水-闲置阶段。从图1也可看出C-TECH系统中生物选择器和主反应区之间的相互联系。
2.1.1生物选择器
　　在循环式活性污泥法工艺中设有生物选择器,在此选择器中,废水中的溶解性有机物质能通过酶反应机理而迅速去除。选择器可以恒定容积也可以可变容积运行。污泥回流液中所含有的硝酸盐可在此选择器中得以反硝化。选择器的最基本功能是防止产生污泥膨胀。
2.1.2主曝气区
　　在循环式活性污泥法工艺的主曝气区进行曝气供氧，主要完成降解有机物和同时硝化/反硝化（simultaneous nitrification/denitrification）过程。
　　循环式活性污泥法工艺操作循环过程

2.1.3污泥回流/排除剩余污泥系统
　　在池子的未端设有潜水泵，污泥通过此潜水泵不断地从主曝气区抽送至选择器中(污泥回流量约为进水流量的20 %左右)。所设置的剩余污泥泵在沉淀阶段结束后将工艺过程中产生的剩余污泥排出系统。 剩余污泥的浓度一般为10 g/l 左右。
2.1.4撇水装置
　　在池子的未端设有由电机驱动的可升降的撇水堰，以排出处理出水。 撇水装置及其它操作过程如溶解氧和排泥等均实行中央自动控制。
2.2工艺的运行方式和运行阶段
　　在循环式活性污泥法系统中，一般至少设二个池子，以使系统能处理连续的进水。为此，在第一个池子中进行沉淀和撇水时，在第二个池子中同时进行进水和曝气过程，反之亦然。为避免充入池子的进水通过短流影响处理水质量，在工艺执行沉淀、撇水过程时，一般需中断进水。在设有四个池子的系统中，通过合理地选择各个池子的循环过程，可以产生连续均匀的出水。
　　根据处理出水要求，系统可以多种不同的适合进水实际情况的循环过程进行运行。另外，为进行硝化和反硝化或除磷也可以选择不同的循环操作。
　　循环式活性污泥法系统简单地按曝气和非曝气阶段进行运行，系统通过时间开关加以控制，每一循环的出水量是变化的。
　　根据生产性装置的运行经验，在旱流流量条件下，循环式活性污泥法系统以4小时循环周期能达到最佳的处理效果(2小时曝气，2小时非曝气)。在负荷较低时，可以调整循环中各个阶段的时间分配以适应此时的水力和有机负荷。如实际负荷仅为设计负荷的50%，则在4小时循环周期中，可采用1小时曝气，3小时关闭曝气的方式运行。 另外，还可考虑6小时和8小时循环周期。
　　每一循环具体可划分为下列阶段:
　　(1) 充水 / 曝气
　　(2) 沉淀
　　(3) 撇水
　　(4) 闲置(随具体运行情况而定)
　　运行阶段1：曝气阶段
　　在曝气阶段，池子同时进水，在进水负荷较低时可适当缩短曝气时间，也可采用6小时循环系统，其中1小时沉淀，1小时撇水, 这种根据进水负荷来调整运行状态所表现的灵活性是其他连续流系统所无法相比的。
　　运行阶段2：沉淀阶段
　　在此阶段,系统停止曝气和进水，此时进水可直接转换到另一个池子。由于在沉淀阶段无水力干扰因素存在，因而可以在池子中形成有利于沉淀的条件。污泥絮体在池子中沉淀下来，并形成污泥层，污泥层不断下沉，在其上方形成上清液。在曝气阶段,池子中污泥呈均匀分布状态，曝气停止后，在池子中泥水混合液尚有部分残余混合能量，因此在沉淀阶段开始时，污泥颗粒利用这部分残余能量进行絮凝过程。在此混合能量消耗完后，污泥形成一边界层，并以成层沉淀的方式进行沉淀。在沉淀开始时，污泥沉速较慢，之后逐渐增加，在污泥进入池底压缩区时，沉速又逐渐减慢。
　　污泥的沉降速度主要取决于沉降开始时的污泥浓度，池子深度，池子表面积以及污泥的沉降性能。沉淀后污泥浓度可达10 g/l 左右。
　　运行阶段3：撇水阶段
　　在撇水阶段移动撇水堰沿给定轨道以较高的速度降到水面，在与水面接触后，撇水装置的下降速度即转换到正常下降速度，当撇水装置下降到最低水位后，再返回到初始状态。撇水堰渠的前部设有挡板， 可以避免将水面可能存在的浮渣(泥)随出水一起排出。
　　运行阶段4：闲置阶段
　　在实际操作中，撇水所需的时间往往小于理论设计最大时间，故撇水完成后剩余的时间即可作为闲置阶段，此阶段可以进行充水(不曝气)或其它反应过程。在撇水器返回初始状态三分钟后，即开始作为闲置阶段。

3 工艺基本原理

3.1生物选择器
　　与传统意义的SBR反应器不同，C-TECH工艺在进水阶段中不设单纯的充水过程或厌氧进水和缺氧进水混合过程。另外，C-TECH工艺不同于SBR法的一个重要特性在于在反应器的进水处设置一生物选择器。生物选择器是一容积较小的污水污泥接触区，在此接触区内，进入反应器的污水和从主反应区内回流的活性污泥相互混合接触。生物选择器的设置严格遵循活性污泥种群组成动力学的有关规律，创造合适的微生物生长条件并选择出絮凝性细菌。生物选择器的机理和作用在七十年代和八十年代分别由Chudoba和Wanner进行了深入的研究。大量研究结果表明，设计合理的生物选择器可有效地抑制丝状性细菌的大量繁殖，克服污泥膨胀，提高系统的稳定性。
　　活性污泥的絮体负荷So/Xo(即基质浓度So和活性微生物浓度Xo的比值)对系统中活性污泥的种群组成有较大的影响，较高的污泥絮体负荷将有助于絮凝性细菌的生长和繁殖。传统SBR工艺中，为防止可能发生的污泥膨胀，往往在循环过程中，通过快速进水的方式使系统在某一时段内产生较高的污泥絮体负荷。因此传统SBR工艺中反应池的进水模式和方案对整个系统的运行有很大的影响。在C-TECH工艺中，由于在池子首部设置有生物选择器，使得活性污泥不断地在选择器中经历一高絮体负荷阶段，从而有利于系统中絮凝性细菌的生长。此外，在选择器中较高的污泥絮体负荷可以提高污泥活性，使其能快速地去除废水中的溶解性易降解基质。一般地,由于溶解性易降解基质较有利于丝状性细菌的生长，因此在选择器中迅速地去除这部分基质，可进一步有效地抑制丝状性细菌的生长和繁殖。由于C-TECH工艺的这些特性，可使整个系统的运行不取决于污水处理厂的进水情况，可以在任意进水速率并且池子在完全混合的条件下运行而不会发生污泥膨胀。
3.2同步硝化反硝化和生物除磷
　　C-TECH工艺中的池子构造和操作方式可允许在一个循环中同时完成硝化和反硝化过程。C-TECH系统的一个重要特性是在工艺过程中不设缺氧混合阶段的条件下，高效地进行硝化和反硝化，从而达到深度去除氮的目的(见表3)。在C-TECH工艺中，硝化和反硝化在曝气阶段同时进行(co-currently or simultaneously)。运行时控制供氧强度以及曝气池中溶解氧浓度,使絮体的外周能保证有一个好氧环境进行硝化，由于溶解氧浓度得到控制，氧在污泥絮体内部的渗透传递作用受到限制，而较高的硝酸盐浓度(梯度)则能较好地渗透到絮体的内部，因此在絮体内部能有效地进行反硝化过程。另外，在曝气停止后的非曝气阶段中，沉淀污泥床中也存在有一定的反硝化作用。通过污泥回流，将部分硝酸盐氮带入设在池首的生物选择器中，因此在选择器中也有部分反硝化功能。

表3 C-TECH工艺的除氮脱磷效果 (85%累积频率值, 水温为8.3度, 污泥泥龄为20天) BOD₅(mg/l) COD(mg/l) TKN(mg/l) T-P(mg/l) NO₃-N(mg/l) NH₄-N(mg/l) PO₄-P(mg/l) 进水 390 650 63 10 -- -- -- 出水 -- -- 6.3 2.2 2.5 4.5 2.0

　　C-TECH系统中通过曝气和非曝气阶段使活性污泥不断地经过好氧和厌氧的循环，这些反应条件将有利于聚磷细菌在系统中的生长和累积。因此C-TECH系统具有生物除磷的功能。生物除磷的效果很大程度上取决于进水中所含有的易降解基质的含量。在C-TECH工艺的选择器中活性污泥通过快速酶去除机理吸附和吸收大量易降解的溶解性基质, 这些吸附和吸收的易降解基质可用于后续的生物除磷过程，对整个系统的生物除磷功能起着非常重要的作用。根据Goronszy 等人的研究，当微生物体内吸附和吸收大量易降解物质而且处在氧化还原电位为+100 mV至 -150 mV 的交替变化的环境中时，系统可具有良好的生物除磷功能。
　　图2及图3所示为典型C-TECH污水厂在进水曝气阶段氨氮浓度硝酸盐氮浓度以及溶解氧浓度的典型变化曲线。

3.3工艺控制方式
　　C-TECH工艺中的池子流态呈完全混合式,通过溶解氧探头测定池子中曝气阶段开始时和曝气阶段结束时的溶解氧变化情况，从而可在生产性装置上直接测得活性污泥的呼吸速率,所测得的污泥呼吸速率将直接作为调节曝气阶段曝气强度和排除剩余污泥量的控制参数。由于这种控制方式能使池子中的溶解氧浓度与工艺要求相一致，故能最大程度地减少曝气所需的能耗。

4 C-TECH工艺除磷脱氮应用实例

　　自七十年代以来，对循环式活性污泥法的机理及其应用进行了大量的研究和开发工作，工艺技术和设备不断地得到完善，目前，循环式活性污泥法工艺在美国、澳大利亚、欧洲、亚洲等国的很多污水处理厂尤其在深度脱氮除磷方面得到大量应用。
　　迄今为止，操作循环为4小时的C-TECH系统已成功地应用于日处理从500人口当量(120m³/d)至400000人口当量(210000m³/d) 规模的污水处理厂。
　　目前已经投入运行的最大的可变容积活性污泥法污水厂(采用C-TECH工艺)为澳大利亚的Quakers Hill污水处理厂，该厂拟进行分期建设，全部建成后，共有五组C-TECH池子。设计时采用模块布置方法，根据进水水量情况逐步建成。目前已有二组C-TECH池子投入运行，每组池子长度为131 m， 宽度为76 m，池子表面积达9956m²。每组C-TECH池子的进水端设有生物选择器，位于池子中部污泥回流泵(靠池壁设置)将主反应区的活性污泥回流至生物选择器并与污水混合接触，选择器的平均水力停留时间为1.0小时(包括回流量)。选择器的运行可分为曝气和不曝气二种方式。处理出水通过5个同步运行的撇水装置排出系统，各个撇水器的撇水速率保持相等。每一操作循环为4小时，其中曝气时间为2小时。撇水速率为13毫米/分钟。每一组C-TECH池子的处理能力为100000人口当量。采用管式橡胶膜曝气装置进行曝气和混合。该厂已运行五年，其运行结果见表4。从该表可看出，C-TECH工艺具有非常高超的除磷脱氮效果。

表4 澳大利亚Quakers Hill 污水处理厂设计及运行出水值比较 设计值 实际运行结果 出水指标 50%累积频率(mg/l) 90%累积频率(mg/l) 50%累积频率(mg/l) 90%累积频率(mg/l) BOD₅ 15 25 10 15 SS 15 30 5 9 NH₄-N 1 2 0.5 1.1 TN 15 - 1 -- TP 1 -- 0.8 -- SVI(ml/g) 150 -- 53 --

　　澳大利亚Black Rock污水处理厂也是一个采用C-TECH工艺的污水处理厂,共设四个C-TECH池子, 每个池子长为120米, 宽为60米, 池子表面积为7200平方米,池子设计最大水深为5米.该厂最大日处理能力可达210000 m³/d. 进水BOD₅为370 mg/l, SS为360 mg/l,TKN为63 mg/l, TP为8.6 mg/l.安装在池子底部的圆盘式橡胶膜曝气系统提供曝气和混合。在C-TECH池子中也结合有生物选择器.每个池子设置八台同步运行可同时升降的长度各为10米的撇水装置. 在设计该厂时进行了为期一年的中试试验。
　　联邦德国波茨坦(Potsdam)污水处理厂设计平均日处理量为21082 m³/d，最大设计小时流量为2490 m³/h。 在旱流流量条件下循环周期为4小时，在雨天流量下为3小时。系统共设4个C-TECH单元，内置于2个圆形池子中，每个池子的直径为52m，最大设计水深为5.5m。由于该厂进水泵提升能力过大，对后续生物处理段造成很大的冲击，其进水氮的负荷波动高达4倍以上，见图4。

　　尽管氮的负荷波动较大，但C-TECH系统高超的同时硝化反硝化效果仍能保证出水的氨氮和硝酸盐氮浓度维持在很低的出水浓度。进、出水氨氮浓度如图5和图6所示。出水硝酸盐氮浓度一般在5mg/L以下。
　　捷克Znojmo污水处理厂 设计平均日处理量为19000 m³/d，最大设计小时流量为1800 m³/h。 在旱流流量条件下循环周期为4小时，在雨天流量下为2.4小时。系统共设4个C-TECH单元，每个池子的长为74m，宽为15.5m，最大设计水深为5.0m。该厂进水总氮浓度在50mg/L左右，通过C-TECH工艺中高超的同步硝化/反硝化过程，其出水总氮浓度维持在5mg/L左右，见图7。通过选择器对絮凝性细菌的的选择作用，系统的污泥沉降指数可降至50ml/g左右，见图8。

6 C-TECH工艺与传统活性污泥法的比较

　　与传统活性污泥法比较，C-TECH工艺最重要的特征是不设独立的二沉池和刮泥系统(一般也不设初沉池)。在C-TECH方法中，活性污泥始终保持在一个池子中完成生物反应和泥水分离过程。因此无需设置如传统活性污泥法中将污泥从二沉池输送至曝气池的回流装置(回流比一般为100%)，也无需设置如前置反硝化系统中的内回流系统(内回流比可达300%左右)。C-TECH系统中为生物选择器而设置的回流系统其回流比一般仅为20%的日平均流量。因而C-TECH系统可节省大量的土建费用和运行费用(省掉二沉池、刮泥桥、回流污泥系统、用于硝化/反硝化的内回流系统、搅拌装置、曝气池和二沉池之间的各种管道连接等)。当由于进水水质和水量发生变化而影响污泥性质(如絮凝效果等)和处理效果时，可简单地调节变化C-TECH系统中进水和曝气循环过程，而使系统重新恢复正常运行。开发C-TECH工艺的主要目标是尽可能降低基建和运行费用，简化操作过程，提高系统的可靠性和运行的灵活性。

7 C-TECH方法的主要优点

　　（1）工艺流程非常简单, 土建和设备投资低 (无初沉池和二沉池以及规模较大的回流污泥泵站，无需搅拌装置)；
　　（2）能很好地缓冲进水水质水量的波动，运行灵活；
　　（3）在进行生物除磷脱氮操作时，整个工艺的运行得到良好的控制，处理出水水质尤其是除磷脱氮的效果显著优于传统活性污泥法；
　　（4）运行简单，无需进行大量的污泥回流和内回流；
　　（5）无污泥膨胀, 沉淀过程在静止环境中进行，无漂泥现象，故工艺过程稳定；
　　（6）自动化程度高，人员费用省；
　　（7）采用组合式模块结构，布置紧凑，占地面积少，分期建设和扩建方便；