LUCAS®污水处理系统的设计和运行

一种基于实际设计和运行经验而开发的改良型恒定水位的SBR污水处理系统

鲁克·富兰斯¹，威利·苟斯¹，朗·杰拉兹¹，颜元²
（1. WATERLEAU Global Water Technology NV, 1910 Kampenhout，比利时；2. 澳门离岛污水处理有限公司）

　　关键词：改良型SBR；恒定水位；循环运行；功能对称循环交替；选择灵活；完整选择器效果；增强生物去除营养物；设计和运行模式

1 引言

　　在时间控制的活性污泥处理系统中，SBR系统或循环运行系统因结构简单、紧凑、运行灵活等特点而受到普遍推崇。这些优点正是此类系统受到普遍关注和广泛使用的原因，也是越来越多的同类新型系统在全面运行经验的基础之上而不断被研究开发的原因。
　　虽然时间控制的系统的运行通常十分成功，但仍难免存在一些问题。需要说明的是：如果活性污泥处理技术的基本设计准则，特别是影响提高营养物排除和沉淀效率的污泥负荷、需氧量和氧传输等重要准则得到遵循的话，是不应出现问题的。
　　在某些情况下，出现的问题常与时间控制系统的高度灵活性有关。这与人们的一般预期完全相反；然而如果未充分掌握污水处理设施运行的所有方面，或需要处理各种不同类型的污水时，“灵活性”常会成为问题产生的原因。为充分利用时间控制系统的灵活性，必须确保某些条件－操作人员对工艺的掌握，以及采用有效的监控。
　　多数的时间控制性活性污泥处理设施可归类为变容积技术（常规系统类型有F&D、SBR、CAS）；除此之外，目前也有若干恒定水位的时间控制系统获得了商业性开发。
　　恒定水位循环运行系统的研制开发，将时间控制、变容积系统的优越性（因时间控制而结构简洁、紧凑、灵活）与常规活性污泥处理系统的优越性（连续进水和出水、恒定水位和容积）相结合。这些系统设计为连续进出水、恒定水位和循环运行的系统。所有这些系统均可视为由通过水力连通的单独的反应池组成。该系统循环运行；最常见的是三单元系统的两个外单元交替作为曝气－混合或沉淀池，中池始终为曝气或混合搅拌。在这种方式下，虽然水位恒定，但仍能象SBR一样运行，可由进水方向决定三个水区的污泥分布，活性污泥在系统中交替更换流向，实现污泥在系统内回流。
　　恒定水位运行证明其较之变体积的时间控制系统更为优越。全球数百个此类恒定水位循环运行系统的实际运行经验证明了恒定水位运行的实用性。尤其显著的是，由于无须运行“复杂的”设备和使用简单曝气系统，工艺的可靠性大为提高。连续进出水特性也降低了投资成本，提供了更平稳的污泥沉淀条件。
　　这些恒定水位循环运行系统自然也存在一些缺陷。由于该系统不同水区的污泥分布非均匀性较高，在处理低浓度污水时易产生问题。因外水区和中水区的非均匀进水分布，外水区的平均污泥浓度比中水区的污泥浓度为高（=非对称循环运行！）。在处理低浓度污水时，这一现象对沉淀过程（外侧池的沉淀）不利，并导致中池处理能力的浪费。
　　出于对时间控制、恒定水位、循环运行系统优越性的坚信，本文作者最近开发出一种新型的系统。该系统是一个功能完全对称的循环的连续型、恒定水位、循环运行的活性污泥处理系统。该系统实际上是常规型连续运行系统和变容积SBR的最“完美的”结合。其进水在水力连通的所有“完全”相同的池间平均分布。所有各池全部参与功能交替（反应和沉淀）进水、混合、曝气和沉淀“完全”相同的循环运行。进水分布决定了每一池完全对称的污泥分布、相同的需氧量和沉淀条件。系统将连续恒水位运行和灵活的时间控制完美地结合在一起。由于每一池的结构相同、运行过程相同，该系统便于操作。
　　本文对时间控制活性污泥处理系统的设计和运行的重要方面进行探讨，并对具有功能对称循环的新型恒定水位SBR系统予以介绍，该处理工艺的注册名称为：LUCAS污水处理工艺系统。

2 时间控制系统的简介

　　时间控制性活性污泥法污水处理可在单个反应池或多个反应池结构的设施内进行。每一反应池均有二个主要功能：①生物处理功能（氧化、硝化、反硝化和除磷）；② 沉淀功能（固液分离）。没有专门的沉淀池意味着无须安装回流污泥泵和管道设施，也无须底部刮泥设施。只需一个单独的反应池，按照进水－出水（F&D）式原理运行。循环运行的几个阶段依据特定的间隔实施，一般可分为：进水、反应、沉淀、滗水（或排水）和静止。剩余污泥可以在沉淀阶段排出。因这些阶段连续反复，该类系统常被称为间歇型或循环型运行系统。当使用单独反应池时（进水－出水F&D式系统），进水和出水排放为非连续式，因而需要一个蓄水池。配有二个或更多反应池的污水处理系统可以归类为序批处理技术（SBR）。每一池按照后续阶段（进水、……）的同样模式，但以异步、交错阶段方式运行，以使整个系统能够连续进水和排放出水。运行期间，反应池的水量在高水位和低水位之间变化。因此，序批处理反应池系统或循环运行系统被统称为变容积系统。
　　循环运行进水－排水式系统或序批处理反应池系统的主要优点是其结构简单、紧凑，无污泥回流设施，通过调控时间控制可对所有运行阶段和基质梯度变化实施有效控制，从而选择出具有良好沉淀性能的微生物。循环运行进水－排水式系统或序批处理反应池系统的主要缺点是变容积（水位变化）和间歇的进水和出水。如果有多个池（至少二个）按照后续阶段的同样模式，以异步、交错阶段方式运行，整体进水和出水流速可以保持常恒。但是，对于每一进水和排水仍为间歇的单池，其所有缺点依旧（大管径、大功率泵、以及高曝气系统功率等）。
　　因为常规活性污泥系统和循环运行活性污泥系统二者（进水－抽出式系统、序批处理反应池）各有其优点和缺点，人们试图将两个系统的优点结合进一套组合式连续循环运行系统。在进水－出水（F&D）式系统和SBR系统中，因为具备了经济可行的自动化装置（70年代以后），组合型循环运行系统的功能得以大大加强。这些组合型系统可统称为连续循环交替运行活性污泥处理系统，其后续研制开发及工艺演变走向了不同的方向。本文着重论述此类活性污泥处理系统中组合式循环交替运行系统。
　　连续（常规）活性污泥处理系统的特点是系统设有空间分开的反应和沉淀（不同的池）和具有连续的进水和出水。
　　循环运行活性污泥处理系统的特点是系统设有时间分开的反应和沉淀和非连续的进水和出水，类似一般单池进水－排水式系统和早先的帕斯唯尔（Pasveer）式氧化沟。
　　组合连续循环交替运行活性污泥处理系统的特点是系统设有时间分开的反应和沉淀，同时也具有连续的进水和出水。这种组合连续循环交替运行系统可分为三类组合系统：
2.1 半组合循环交替运行系统
　　相较于循环运行系统，此类系统更具连续常规系统的功能特征。索兰德描述了一个具有不同反应时间，但有专用沉淀池的系统。二个水力连接区交替进水、曝气和搅拌。污泥从二个活性水区中的一个直接流入单独的专门沉淀池或经另一水区流入沉淀池。浓缩污泥从沉淀池底部循环至二个活性水区中的一个。
　　另一个系统是沉淀时间不同，但是反应过程确定。活性水区具有专门功能，只有沉淀池在不同时间内交替沉淀和曝气（对浓缩污泥再次悬浮和活性处理，以避免使用刮泥设施）。浓缩污泥回流到活化反应池前端。为使污泥活化以去除营养元素，需额外的沉淀池和污泥回流。
2.2 非对称功能组合循环交替系统
　　此类系统具有不同时间的反应和沉淀，连续的进水和出水，不同的功能单元和设备（例如2个外侧池和1个不同的中池），以及非对称性功能循环交替。此类系统均由二个池壁（有连通孔）分隔成三区的处理池（长型池、方型池或沟）。外侧池交替作为活化区（进水、曝气、搅拌）和沉淀区，中池始终作为曝气池（或称反应池）。在一个阶段内，污水－污泥混合体从曝气、进水或搅拌的外侧池流向中间曝气池，并最终进入另一外侧池沉淀（经处理的出水由此排出处理系统）；在后续的主要阶段内，污水－污泥混合液从新活化外侧池（原沉淀区）反向流回中池及新的外侧沉淀池（原进水和曝气区），经处理的出水由此排出处理系统。污泥可以从作为沉淀池的外侧池排出。
　　所有系统均有一个中间阶段，该阶段的一个外侧池功能交替为活化作用和沉淀。该功能交替循环，将污泥从一个外侧池经中池输入到另一个外侧池，然后再反向运行。因为所有三个池并不相同、有不同的功能（外侧池交替活化/沉淀，不同于中池只活化），功能循环交替，产生三个池内的污泥浓度不相等，使三个池的负荷不相等。外侧池负荷高，中池负荷低，这意味曝气系统效率不能达到最佳状态。由于外侧池比中池负荷高，其污泥浓度异于中池，不利于沉淀。
2.3 完全功能组合循环交替的系统
　　此类组合交替系统具有不同时间的反应和沉淀、整体的连续进水和出水、相同的功能单元、相同的设备和完全对称性的功能循环。
　　现有的具备功能对称循环的组合循环交替系统实际上即为（通用）SBR和应用二个或更多池型的CASS系统。然而，这些SBR系统属于变容积型活性污泥处理系统，即：可变水位，每一单池非连续进水和出水。
　　新型污水处理系统是一种完全组合交替、功能对称连续循环运行、恒定水位的活性污泥处理系统。每一池功能完全相同，有相同设备和功能循环，整个系统和每一水力连接单元均具有不同时间的反应和沉淀，恒定水位和连续进、出水。

3 新型组合循环交替运行系统

　　该系统的生物反应池的一个单阶段运行可以由三至四个单元构成。单阶段运行适应于低浓度到中浓度的工业污水和城市污水处理。系统的所有三或四个池均为水力连通（图1）。

图1 三池系统水利流程图（LUCAS-3）

　　该系统无外侧池或中间池之分。每个反应池单元都是相同的，有相同的设备和相同的功能循环运行。相同的池内反应池容积和反应池水位保持恒定。功能循环可以在所有池开始或结束。

图2a 三单元系统的对等性功能循环（主要阶段）

图2b 从主要阶段1到主要阶段2的过渡阶段

图2c 三单元系统主要阶段的典型视图

　　功能循环交替使连续进水和出水成为可能，而无须使用单独的沉淀池和污泥刮除和回流设备。功能循环在单一系统内的不同时间阶段实施反应和沉淀功能。
　　在每个主要阶段（图2b）之间需要一个过渡阶段。这一阶段用于将活化水区准备为新的沉淀水区。原先的曝气、非进水区变为新的沉淀水区意味着该水区内不留有任何未经处理的基质，从而能达到极严格的排放标准。该系统仍有连续的进水流和出水流，并延续约0.5 ～ 1小时。
　　功能循环支持基质梯度的引入（聚积–再生原理）；进而通过所谓内部选择器的作用效果，促进性能良好的絮凝沉淀体的形成。
　　功能循环也支持最佳生物性除氮和除磷：通过在活性水区交替进行缺氧（混合）、厌氧（混合）和好氧（混合/曝气）程序，促进活性污泥的反硝化、硝化和磷的新陈代谢过程（图3）。

图3 去除营养物的功能循环交替范例

　　四单元系统可以在功能循环状态下达到双倍的沉淀能力，以便应付城市污水处理厂在暴雨流量时的高峰负荷。

图4 四单元系统在暴雨流量运行时的扩展沉淀能力（主要阶段）

　　功能循环可产生对等的（相同）进水分布，因此产生对等的污泥和需氧量分布。
　　新创的功能循环和相同的功能单元构成了完全的系统多种选择。当进行维护时，每一池均可通过关闭连接管阀门而与其它池分开。
　　根据不同用途（城市或工业污水处理，除碳、氮或磷）和系统的大小，可以做出不同的选择。
　　3单元系统和4单元系统的典型应用范围是20000 ～ 100 000人口当量。达数百万人口当量的大规模城市污水处理厂可设计为各100 000人口当量的并列系统。4单元系统最适合于处理高氮、磷含量的污水。3单元系统适合于处理中度氮、磷含量的污水。

图5 四单元系统的典型视图

4 时间控制系统的设计和运行

　　如前所述，活性污泥处理系统的基本设计准则应予以遵循。污泥负荷、污泥产生、氧传输（活性水区），水力表面和堰上负荷（沉淀过程）的基本准则均应予以考虑。
　　在营养物质的生物去除方面，硝化、反硝化以及磷的吸收和释放率须根据污水特性准确估算（BOD︰N︰P比率）。在日后的运行期间，变化的进水氮和磷浓度可能会对最佳时间，缺氧、厌氧和好氧阶段的调节设置造成问题。
　　在这种情况下，如果工艺经验不足，时间控制的灵活性有可能达不到最佳利用状态。另外，有可能需要安装更先进的监测设备，如氧化还原电位监测，以便自动区分缺氧和厌氧阶段。
　　除时间控制系统外，须特别注意间歇断续型进水和间歇型出水。在非连续排水时，堰上水力负荷较高，这可能导致悬浮固体随出水流失。
　　还有，若水位变化，选择适当的大型曝气设备和表面悬浮污泥及油脂撇除器也可能会有一定的困难。
　　基于上述的问题，我们倾向于选择连续进出水流、恒定水位的时间控制系统。
　　最新的发展是一个非常近似于SBR的系统；该系统有完全的对等循环交替运行，因而具备连续、恒定水位系统和时间控制SBR的所有优点。