大型城市污水處理廠(chǎng)除氮脫磷工藝之循環(huán)式活性污泥法(C-TECH)

摘 要：循環(huán)式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology，簡(jiǎn)稱(chēng)C-TECH工藝)是間隙式活性污泥法(SBR法)的一種變型。該工藝將可變容積活性污泥法過(guò)程和生物選擇器原理進(jìn)行有機的結合。在循環(huán)式活性污泥法(C-TECH)中, 每一操作循環(huán)包括進(jìn)水-曝氣階段、沉淀階段、撇水階段和閑置階段等幾個(gè)過(guò)程。在操作循環(huán)的曝氣階段(同時(shí)進(jìn)水)一步完成生物降解過(guò)程 (包括降解有機物、硝化/反硝化、生物除磷等過(guò)程)；在非曝氣階段完成泥水分離功能。排水裝置系移動(dòng)式撇水堰，籍此可將每一循環(huán)操作中所處理的廢水經(jīng)沉淀階段后排出系統。

1 前言

隨著(zhù)污水處理除氮脫磷要求的不斷提高，污水處理工藝及其運行日益復雜化，污水處理的投資及其運行費用也隨之越來(lái)越高，因此如何在滿(mǎn)足處理要求的前提下，簡(jiǎn)化工藝流程，減少工程投資和運行費用，是世界各國所面臨的一個(gè)共同課題。下面簡(jiǎn)要介紹由Goronszy教授和奧地利SFC環(huán)境工程有限公司開(kāi)發(fā)、推廣應用的循環(huán)式活性污泥法工藝（簡(jiǎn)稱(chēng)C-TECH 工藝）。循環(huán)式活性污泥法工藝在其優(yōu)異的除氮脫磷性能基礎上，能大大地簡(jiǎn)化工藝流程，減少工程投資和運行費用，是目前國際上較為先進(jìn)的一種城市污水除磷脫氮工藝。

循環(huán)式活性污泥法（Cyclic Activated Sludge Technology,簡(jiǎn)稱(chēng)C-TECH工藝）為一間隙式反應器，在此反應器中活性污泥法過(guò)程按曝氣和非曝氣階段不斷重復進(jìn)行。該法將生物反應過(guò)程和泥水分離過(guò)程結合在一個(gè)池子中進(jìn)行。C-TECH方法是一種"充水和排水"活性污泥法系統，廢水按一定的周期和階段得到處理，故C-TECH方法是SBR工藝的一種變型。C-TECH工藝在七十年代開(kāi)始得到研究和應用，隨著(zhù)電子計算機應用和自動(dòng)化控制的日益普及，間隙運行的C-TECH工藝由于其投資和運行費用低處理性能高超，尤其是其優(yōu)異的脫氮除磷功能而越來(lái)越得到重視，該工藝已廣泛應用于城市污水和各種工業(yè)廢水的處理。

本文將簡(jiǎn)要介紹循環(huán)式活性污泥法(C-TECH)的主要特性及其在大型城市污水處理廠(chǎng)除氮脫磷方面的應用。

2 循環(huán)式活性污泥法工藝（C-TECH工藝）的基本組成及運行方式

2.1 C-TECH工藝的組

循環(huán)式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology，簡(jiǎn)稱(chēng)C-TECH工藝)是間隙式活性污泥法(SBR法)的一種變型。該工藝將可變容積活性污泥法過(guò)程和生物選擇器原理進(jìn)行有機的結合。在循環(huán)式活性污泥法(C-TECH)中, 每一操作循環(huán)包括進(jìn)水-曝氣階段、沉淀階段、撇水階段和閑置階段等幾個(gè)過(guò)程。在操作循環(huán)的曝氣階段(同時(shí)進(jìn)水)一步完成生物降解過(guò)程 (包括降解有機物、硝化/反硝化、生物除磷等過(guò)程)；在非曝氣階段完成泥水分離功能。排水裝置系移動(dòng)式撇水堰，籍此可將每一循環(huán)操作中所處理的廢水經(jīng)沉淀階段后排出系統。

圖 1 表示單池或多池C-TECH系統的各個(gè)循環(huán)操作過(guò)程，包括進(jìn)水曝氣階段、固液分離階段和撇水階段等步驟。當撇水結束后撇水階段尚有多余的時(shí)間可供支配時(shí)，可設置進(jìn)水-閑置階段。從圖1也可看出C-TECH系統中生物選擇器和主反應區之間的相互聯(lián)系。

2.1.1生物選擇器

在循環(huán)式活性污泥法工藝中設有生物選擇器,在此選擇器中,廢水中的溶解性有機物質(zhì)能通過(guò)酶反應機理而迅速去除。選擇器可以恒定容積也可以可變容積運行。污泥回流液中所含有的硝酸鹽可在此選擇器中得以反硝化。選擇器的最基本功能是防止產(chǎn)生污泥膨脹。

2.1.2主曝氣區

在循環(huán)式活性污泥法工藝的主曝氣區進(jìn)行曝氣供氧，主要完成降解有機物和同時(shí)硝化/反硝化（simultaneous nitrification/denitrification）過(guò)程。
循環(huán)式活性污泥法工藝操作循環(huán)過(guò)程

2.1.3污泥回流/排除剩余污泥系統

在池子的未端設有潛水泵，污泥通過(guò)此潛水泵不斷地從主曝氣區抽送至選擇器中(污泥回流量約為進(jìn)水流量的20 %左右)。所設置的剩余污泥泵在沉淀階段結束后將工藝過(guò)程中產(chǎn)生的剩余污泥排出系統。 剩余污泥的濃度一般為10 g/l 左右。

2.1.4撇水裝置

在池子的未端設有由電機驅動(dòng)的可升降的撇水堰，以排出處理出水。 撇水裝置及其它操作過(guò)程如溶解氧和排泥等均實(shí)行中央自動(dòng)控制。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

2.2工藝的運行方式和運行階段

在循環(huán)式活性污泥法系統中，一般至少設二個(gè)池子，以使系統能處理連續的進(jìn)水。為此，在第一個(gè)池子中進(jìn)行沉淀和撇水時(shí)，在第二個(gè)池子中同時(shí)進(jìn)行進(jìn)水和曝氣過(guò)程，反之亦然。為避免充入池子的進(jìn)水通過(guò)短流影響處理水質(zhì)量，在工藝執行沉淀、撇水過(guò)程時(shí)，一般需中斷進(jìn)水。在設有四個(gè)池子的系統中，通過(guò)合理地選擇各個(gè)池子的循環(huán)過(guò)程，可以產(chǎn)生連續均勻的出水。

根據處理出水要求，系統可以多種不同的適合進(jìn)水實(shí)際情況的循環(huán)過(guò)程進(jìn)行運行。另外，為進(jìn)行硝化和反硝化或除磷也可以選擇不同的循環(huán)操作。
循環(huán)式活性污泥法系統簡(jiǎn)單地按曝氣和非曝氣階段進(jìn)行運行，系統通過(guò)時(shí)間開(kāi)關(guān)加以控制，每一循環(huán)的出水量是變化的。

根據生產(chǎn)性裝置的運行經(jīng)驗，在旱流流量條件下，循環(huán)式活性污泥法系統以4小時(shí)循環(huán)周期能達到最佳的處理效果(2小時(shí)曝氣，2小時(shí)非曝氣)。在負荷較低時(shí)，可以調整循環(huán)中各個(gè)階段的時(shí)間分配以適應此時(shí)的水力和有機負荷。如實(shí)際負荷僅為設計負荷的50%，則在4小時(shí)循環(huán)周期中，可采用1小時(shí)曝氣，3小時(shí)關(guān)閉曝氣的方式運行。 另外，還可考慮6小時(shí)和8小時(shí)循環(huán)周期。

每一循環(huán)具體可劃分為下列階段:

(1) 充水 / 曝氣
(2) 沉淀
(3) 撇水
(4) 閑置(隨具體運行情況而定)

運行階段1：曝氣階段

在曝氣階段，池子同時(shí)進(jìn)水，在進(jìn)水負荷較低時(shí)可適當縮短曝氣時(shí)間，也可采用6小時(shí)循環(huán)系統，其中1小時(shí)沉淀，1小時(shí)撇水, 這種根據進(jìn)水負荷來(lái)調整運行狀態(tài)所表現的靈活性是其他連續流系統所無(wú)法相比的。

運行階段2：沉淀階段

在此階段,系統停止曝氣和進(jìn)水，此時(shí)進(jìn)水可直接轉換到另一個(gè)池子。由于在沉淀階段無(wú)水力干擾因素存在，因而可以在池子中形成有利于沉淀的條件。污泥絮體在池子中沉淀下來(lái)，并形成污泥層，污泥層不斷下沉，在其上方形成上清液。在曝氣階段,池子中污泥呈均勻分布狀態(tài)，曝氣停止后，在池子中泥水混合液尚有部分殘余混合能量，因此在沉淀階段開(kāi)始時(shí)，污泥顆粒利用這部分殘余能量進(jìn)行絮凝過(guò)程。在此混合能量消耗完后，污泥形成一邊界層，并以成層沉淀的方式進(jìn)行沉淀。在沉淀開(kāi)始時(shí)，污泥沉速較慢，之后逐漸增加，在污泥進(jìn)入池底壓縮區時(shí)，沉速又逐漸減慢。

污泥的沉降速度主要取決于沉降開(kāi)始時(shí)的污泥濃度，池子深度，池子表面積以及污泥的沉降性能。沉淀后污泥濃度可達10 g/l 左右。

運行階段3：撇水階段

在撇水階段移動(dòng)撇水堰沿給定軌道以較高的速度降到水面，在與水面接觸后，撇水裝置的下降速度即轉換到正常下降速度，當撇水裝置下降到最低水位后，再返回到初始狀態(tài)。撇水堰渠的前部設有擋板， 可以避免將水面可能存在的浮渣(泥)隨出水一起排出。

運行階段4：閑置階段

在實(shí)際操作中，撇水所需的時(shí)間往往小于理論設計最大時(shí)間，故撇水完成后剩余的時(shí)間即可作為閑置階段，此階段可以進(jìn)行充水(不曝氣)或其它反應過(guò)程。在撇水器返回初始狀態(tài)三分鐘后，即開(kāi)始作為閑置階段。

3 工藝基本原理

3.1生物選擇器

與傳統意義的SBR反應器不同，C-TECH工藝在進(jìn)水階段中不設單純的充水過(guò)程或厭氧進(jìn)水和缺氧進(jìn)水混合過(guò)程。另外，C-TECH工藝不同于SBR法的一個(gè)重要特性在于在反應器的進(jìn)水處設置一生物選擇器。生物選擇器是一容積較小的污水污泥接觸區，在此接觸區內，進(jìn)入反應器的污水和從主反應區內回流的活性污泥相互混合接觸。生物選擇器的設置嚴格遵循活性污泥種群組成動(dòng)力學(xué)的有關(guān)規律，創(chuàng )造合適的微生物生長(cháng)條件并選擇出絮凝性細菌。生物選擇器的機理和作用在七十年代和八十年代分別由Chudoba和Wanner進(jìn)行了深入的研究。大量研究結果表明，設計合理的生物選擇器可有效地抑制絲狀性細菌的大量繁殖，克服污泥膨脹，提高系統的穩定性。有廢水需要處理的單位，也可以到污水寶項目服務(wù)平臺咨詢(xún)具備類(lèi)似污水處理經(jīng)驗的企業(yè)。

活性污泥的絮體負荷So/Xo(即基質(zhì)濃度So和活性微生物濃度Xo的比值)對系統中活性污泥的種群組成有較大的影響，較高的污泥絮體負荷將有助于絮凝性細菌的生長(cháng)和繁殖。傳統SBR工藝中，為防止可能發(fā)生的污泥膨脹，往往在循環(huán)過(guò)程中，通過(guò)快速進(jìn)水的方式使系統在某一時(shí)段內產(chǎn)生較高的污泥絮體負荷。因此傳統SBR工藝中反應池的進(jìn)水模式和方案對整個(gè)系統的運行有很大的影響。在C-TECH工藝中，由于在池子首部設置有生物選擇器，使得活性污泥不斷地在選擇器中經(jīng)歷一高絮體負荷階段，從而有利于系統中絮凝性細菌的生長(cháng)。此外，在選擇器中較高的污泥絮體負荷可以提高污泥活性，使其能快速地去除廢水中的溶解性易降解基質(zhì)。一般地,由于溶解性易降解基質(zhì)較有利于絲狀性細菌的生長(cháng)，因此在選擇器中迅速地去除這部分基質(zhì)，可進(jìn)一步有效地抑制絲狀性細菌的生長(cháng)和繁殖。由于C-TECH工藝的這些特性，可使整個(gè)系統的運行不取決于污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水情況，可以在任意進(jìn)水速率并且池子在完全混合的條件下運行而不會(huì )發(fā)生污泥膨脹。

3.2同步硝化反硝化和生物除磷

C-TECH工藝中的池子構造和操作方式可允許在一個(gè)循環(huán)中同時(shí)完成硝化和反硝化過(guò)程。C-TECH系統的一個(gè)重要特性是在工藝過(guò)程中不設缺氧混合階段的條件下，高效地進(jìn)行硝化和反硝化，從而達到深度去除氮的目的(見(jiàn)表3)。在C-TECH工藝中，硝化和反硝化在曝氣階段同時(shí)進(jìn)行(co-currently or simultaneously)。運行時(shí)控制供氧強度以及曝氣池中溶解氧濃度,使絮體的外周能保證有一個(gè)好氧環(huán)境進(jìn)行硝化，由于溶解氧濃度得到控制，氧在污泥絮體內部的滲透傳遞作用受到限制，而較高的硝酸鹽濃度(梯度)則能較好地滲透到絮體的內部，因此在絮體內部能有效地進(jìn)行反硝化過(guò)程。另外，在曝氣停止后的非曝氣階段中，沉淀污泥床中也存在有一定的反硝化作用。通過(guò)污泥回流，將部分硝酸鹽氮帶入設在池首的生物選擇器中，因此在選擇器中也有部分反硝化功能。

C-TECH系統中通過(guò)曝氣和非曝氣階段使活性污泥不斷地經(jīng)過(guò)好氧和厭氧的循環(huán)，這些反應條件將有利于聚磷細菌在系統中的生長(cháng)和累積。因此C-TECH系統具有生物除磷的功能。生物除磷的效果很大程度上取決于進(jìn)水中所含有的易降解基質(zhì)的含量。在C-TECH工藝的選擇器中活性污泥通過(guò)快速酶去除機理吸附和吸收大量易降解的溶解性基質(zhì), 這些吸附和吸收的易降解基質(zhì)可用于后續的生物除磷過(guò)程，對整個(gè)系統的生物除磷功能起著(zhù)非常重要的作用。根據Goronszy 等人的研究，當微生物體內吸附和吸收大量易降解物質(zhì)而且處在氧化還原電位為+100 mV至 -150 mV 的交替變化的環(huán)境中時(shí)，系統可具有良好的生物除磷功能。

圖2及圖3所示為典型C-TECH污水廠(chǎng)在進(jìn)水曝氣階段氨氮濃度硝酸鹽氮濃度以及溶解氧濃度的典型變化曲線(xiàn)。

3.3工藝控制方式

C-TECH工藝中的池子流態(tài)呈完全混合式,通過(guò)溶解氧探頭測定池子中曝氣階段開(kāi)始時(shí)和曝氣階段結束時(shí)的溶解氧變化情況，從而可在生產(chǎn)性裝置上直接測得活性污泥的呼吸速率,所測得的污泥呼吸速率將直接作為調節曝氣階段曝氣強度和排除剩余污泥量的控制參數。由于這種控制方式能使池子中的溶解氧濃度與工藝要求相一致，故能最大程度地減少曝氣所需的能耗。

4 C-TECH工藝除磷脫氮應用實(shí)例

自七十年代以來(lái)，對循環(huán)式活性污泥法的機理及其應用進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)工作，工藝技術(shù)和設備不斷地得到完善，目前，循環(huán)式活性污泥法工藝在美國、澳大利亞、歐洲、亞洲等國的很多污水處理廠(chǎng)尤其在深度脫氮除磷方面得到大量應用。

迄今為止，操作循環(huán)為4小時(shí)的C-TECH系統已成功地應用于日處理從500人口當量(120m3/d)至400000人口當量(210000m3/d) 規模的污水處理廠(chǎng)。

目前已經(jīng)投入運行的最大的可變容積活性污泥法污水廠(chǎng)(采用C-TECH工藝)為澳大利亞的Quakers Hill污水處理廠(chǎng)，該廠(chǎng)擬進(jìn)行分期建設，全部建成后，共有五組C-TECH池子。設計時(shí)采用模塊布置方法，根據進(jìn)水水量情況逐步建成。目前已有二組C-TECH池子投入運行，每組池子長(cháng)度為131 m， 寬度為76 m，池子表面積達9956m2。每組C-TECH池子的進(jìn)水端設有生物選擇器，位于池子中部污泥回流泵(靠池壁設置)將主反應區的活性污泥回流至生物選擇器并與污水混合接觸，選擇器的平均水力停留時(shí)間為1.0小時(shí)(包括回流量)。選擇器的運行可分為曝氣和不曝氣二種方式。處理出水通過(guò)5個(gè)同步運行的撇水裝置排出系統，各個(gè)撇水器的撇水速率保持相等。每一操作循環(huán)為4小時(shí)，其中曝氣時(shí)間為2小時(shí)。撇水速率為13毫米/分鐘。每一組C-TECH池子的處理能力為100000人口當量。采用管式橡膠膜曝氣裝置進(jìn)行曝氣和混合。該廠(chǎng)已運行五年，其運行結果見(jiàn)表4。從該表可看出，C-TECH工藝具有非常高超的除磷脫氮效果。

澳大利亞Black Rock污水處理廠(chǎng)也是一個(gè)采用C-TECH工藝的污水處理廠(chǎng),共設四個(gè)C-TECH池子, 每個(gè)池子長(cháng)為120米, 寬為60米, 池子表面積為7200平方米,池子設計最大水深為5米.該廠(chǎng)最大日處理能力可達210000 m3/d. 進(jìn)水BOD5為370 mg/l, SS為360 mg/l,TKN為63 mg/l, TP為8.6 mg/l.安裝在池子底部的圓盤(pán)式橡膠膜曝氣系統提供曝氣和混合。在C-TECH池子中也結合有生物選擇器.每個(gè)池子設置八臺同步運行可同時(shí)升降的長(cháng)度各為10米的撇水裝置. 在設計該廠(chǎng)時(shí)進(jìn)行了為期一年的中試試驗。

聯(lián)邦德國波茨坦(Potsdam)污水處理廠(chǎng)設計平均日處理量為21082 m3/d，最大設計小時(shí)流量為2490 m3/h。 在旱流流量條件下循環(huán)周期為4小時(shí)，在雨天流量下為3小時(shí)。系統共設4個(gè)C-TECH單元，內置于2個(gè)圓形池子中，每個(gè)池子的直徑為52m，最大設計水深為5.5m。由于該廠(chǎng)進(jìn)水泵提升能力過(guò)大，對后續生物處理段造成很大的沖擊，其進(jìn)水氮的負荷波動(dòng)高達4倍以上，見(jiàn)圖4。

盡管氮的負荷波動(dòng)較大，但C-TECH系統高超的同時(shí)硝化反硝化效果仍能保證出水的氨氮和硝酸鹽氮濃度維持在很低的出水濃度。進(jìn)、出水氨氮濃度如圖5和圖6所示。出水硝酸鹽氮濃度一般在5mg/L以下。
　　
捷克Znojmo污水處理廠(chǎng) 設計平均日處理量為19000 m3/d，最大設計小時(shí)流量為1800 m3/h。 在旱流流量條件下循環(huán)周期為4小時(shí)，在雨天流量下為2.4小時(shí)。系統共設4個(gè)C-TECH單元，每個(gè)池子的長(cháng)為74m，寬為15.5m，最大設計水深為5.0m。該廠(chǎng)進(jìn)水總氮濃度在50mg/L左右，通過(guò)C-TECH工藝中高超的同步硝化/反硝化過(guò)程，其出水總氮濃度維持在5mg/L左右，見(jiàn)圖7。通過(guò)選擇器對絮凝性細菌的的選擇作用，系統的污泥沉降指數可降至50ml/g左右，見(jiàn)圖8。

6 C-TECH工藝與傳統活性污泥法的比較

與傳統活性污泥法比較，C-TECH工藝最重要的特征是不設獨立的二沉池和刮泥系統(一般也不設初沉池)。在C-TECH方法中，活性污泥始終保持在一個(gè)池子中完成生物反應和泥水分離過(guò)程。因此無(wú)需設置如傳統活性污泥法中將污泥從二沉池輸送至曝氣池的回流裝置(回流比一般為100%)，也無(wú)需設置如前置反硝化系統中的內回流系統(內回流比可達300%左右)。C-TECH系統中為生物選擇器而設置的回流系統其回流比一般僅為20%的日平均流量。因而C-TECH系統可節省大量的土建費用和運行費用(省掉二沉池、刮泥橋、回流污泥系統、用于硝化/反硝化的內回流系統、攪拌裝置、曝氣池和二沉池之間的各種管道連接等)。當由于進(jìn)水水質(zhì)和水量發(fā)生變化而影響污泥性質(zhì)(如絮凝效果等)和處理效果時(shí)，可簡(jiǎn)單地調節變化C-TECH系統中進(jìn)水和曝氣循環(huán)過(guò)程，而使系統重新恢復正常運行。開(kāi)發(fā)C-TECH工藝的主要目標是盡可能降低基建和運行費用，簡(jiǎn)化操作過(guò)程，提高系統的可靠性和運行的靈活性。

7 C-TECH方法的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）工藝流程非常簡(jiǎn)單, 土建和設備投資低 (無(wú)初沉池和二沉池以及規模較大的回流污泥泵站，無(wú)需攪拌裝置)；
（2）能很好地緩沖進(jìn)水水質(zhì)水量的波動(dòng)，運行靈活；
（3）在進(jìn)行生物除磷脫氮操作時(shí)，整個(gè)工藝的運行得到良好的控制，處理出水水質(zhì)尤其是除磷脫氮的效果顯著(zhù)優(yōu)于傳統活性污泥法；
（4）運行簡(jiǎn)單，無(wú)需進(jìn)行大量的污泥回流和內回流；
（5）無(wú)污泥膨脹, 沉淀過(guò)程在靜止環(huán)境中進(jìn)行，無(wú)漂泥現象，故工藝過(guò)程穩定；
（6）自動(dòng)化程度高，人員費用��；
（7）采用組合式模塊結構，布置緊湊，占地面積少，分期建設和擴建方便。來(lái)源：中國環(huán)保頻道