雨季合流污水通常具有流量與污染物負(fù)荷波動(dòng)較大、暴發(fā)性、隨機(jī)性強(qiáng)的污染特征，合流管網(wǎng)雨天污水溢流是導(dǎo)致城市河道雨天反復(fù)污染的重要原因，合流制溢流污染控制成為了當(dāng)前我國城鎮(zhèn)排水行業(yè)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。在雨污分流改造難以短期完成的情況下，充分挖掘城鎮(zhèn)污水廠的處理潛能，提高城鎮(zhèn)污水廠雨季處理能力，是解決當(dāng)前我國合流制溢流污染問題的一種經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)路線。

改良式序批間歇反應(yīng)器（MSBR）綜合了A2/O、SBR工藝的優(yōu)點(diǎn)，兼具厭氧、缺氧、好氧、序批反應(yīng)、沉淀出水等功能，具有占地面積小、建設(shè)運(yùn)行成本低、脫氮除磷效果好、控制靈活、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種先進(jìn)、高效、穩(wěn)定的生化處理工藝，在污水處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。為進(jìn)一步提高MSBR工藝對大水量合流污水的處理效果，采用改進(jìn)的多點(diǎn)進(jìn)水MSBR工藝進(jìn)行耐水力負(fù)荷沖擊性能中試研究，以期為我國合流制溢流污染控制和污水處理廠二級生化工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1、材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

多點(diǎn)進(jìn)水MSBR工藝中試裝置平面布置如圖1所示。采用一池10單元池型，其中4#單元為厭氧池，5#、5A#單元分別為第一、第二缺氧池，6#單元為主曝氣池，2#單元為污泥濃縮池，3#單元為預(yù)缺氧池，1A#、7A#單元分別為第一、第二缺/好氧池，1#、7#單元分別為第一、第二序批池。該裝置與已工程應(yīng)用的10單元MSBR工藝池型相同，但進(jìn)行了多點(diǎn)進(jìn)水和補(bǔ)充污泥回流的改進(jìn)設(shè)計(jì)，即在厭氧池（4#）一個(gè)污水進(jìn)水點(diǎn)和第一、第二序批池（1#、7#）向污泥濃縮池（2#）污泥回流設(shè)置的基礎(chǔ)上，于主曝氣池（6#）兩側(cè)增設(shè)了兩個(gè)污水進(jìn)水點(diǎn)和第一、第二序批池（1#、7#）增設(shè)了補(bǔ)充污泥回流泵實(shí)現(xiàn)活性污泥向厭氧池（4#）的強(qiáng)化回流。

中試裝置按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)規(guī)模（Q）為12m3/d（總變化系數(shù)Kz=1.3），外形尺寸為3.2m×2.2m×2.1m。各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)均按照旱季處理水量水質(zhì)確定，具體如下：平均污泥濃度為3500mg/L，污泥齡為16d，剩余污泥量為2.4kgDS/d；有機(jī)負(fù)荷為0.12kgCOD/（kgMLSS·d）；氣水比為7.2∶1，曝氣量為60L/min，曝氣池DO濃度為2~4mg/L；總水力停留時(shí)間（HRT）為22.53h，其中，厭氧池為1.31h、第一和第二缺氧池均為1.46h、主曝氣池為6.34h、泥水分離池為0.42h、預(yù)缺氧池為0.50h、第一和第二缺/好氧池均為1.20h、第一和第二序批池均為4.32h；污泥外回流比（1#和7#→2#）為100%~200%，補(bǔ)充污泥回流比（1#和7#→4#）為100%~200%，好氧池硝化液回流比（6#→5#）為200%~400%，預(yù)缺氧濃縮污泥回流比（3#→4#）為50%~70%。

當(dāng)污水進(jìn)水量為旱季設(shè)計(jì)流量1Q時(shí)，污水進(jìn)水只有厭氧池（4#）一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)，第一、第二序批池（1#、7#）的活性污泥向污泥濃縮池（2#）回流，并經(jīng)預(yù)缺氧池（3#）反硝化脫氮后將高濃度活性污泥回流到厭氧池（4#）。當(dāng)模擬的合流污水進(jìn)水量超過旱季峰值流量1.3Q時(shí)，在保持向厭氧池（4#）進(jìn)水1.3Q的同時(shí)，通過進(jìn)水分配閥門將超出旱季峰值流量的這部分進(jìn)水平均分流至主曝氣池（6#）末端進(jìn)行短程曝氣處理，同步將第一、第二序批池（1#、7#）調(diào)整為同時(shí)連續(xù)沉淀出水運(yùn)行工況，并啟動(dòng)兩個(gè)序批池（1#、7#）增設(shè)的補(bǔ)充污泥回流泵工作，按照啟動(dòng)30min、停止30min的間歇運(yùn)行方式將兩個(gè)序批池的活性污泥補(bǔ)充回流至厭氧池（4#），從而避免兩個(gè)序批池沉淀區(qū)因固體負(fù)荷過高而引起出水污泥流失（即“跑泥”）的情況。整個(gè)試驗(yàn)過程中，除補(bǔ)充污泥回流泵外，污泥回流泵和各反應(yīng)池的其他設(shè)備均和已工程應(yīng)用的10單元MSBR工藝的運(yùn)行設(shè)置模式相同。

1.2 中試方法

多點(diǎn)進(jìn)水MSBR中試于2023年9月—11月在長沙市洋湖再生水廠進(jìn)行，采用項(xiàng)目一期旋流沉砂池出水作為試驗(yàn)原水，試驗(yàn)規(guī)模為12~54m3/d，即按1Q、2Q、3Q、4Q、4.5Q分5個(gè)階段逐步提升試驗(yàn)流量，最后階段再將試驗(yàn)流量恢復(fù)為1Q，各階段水力負(fù)荷的調(diào)整在1~2h內(nèi)完成，原計(jì)劃在1Q工況下運(yùn)行穩(wěn)定后將各階段試驗(yàn)時(shí)間均設(shè)為5d，但在實(shí)際試驗(yàn)過程中由于處理水量和水質(zhì)的波動(dòng)，各階段試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。試驗(yàn)前期，對中試裝置進(jìn)行了單機(jī)和聯(lián)動(dòng)調(diào)試，并采用項(xiàng)目一期MSBR池剩余污泥進(jìn)行接種馴化，當(dāng)主曝氣池污泥濃度達(dá)到約3300mg/L并在1Q工況下穩(wěn)定運(yùn)行20d后，才開始正式水力負(fù)荷沖擊試驗(yàn)，水力負(fù)荷沖擊試驗(yàn)工況如表1所示，整個(gè)試驗(yàn)過程中均未添加外碳源和化學(xué)除磷藥劑。

當(dāng)試驗(yàn)流量為1Q、2Q時(shí)，采用旋流沉砂池出水作為試驗(yàn)進(jìn)水，模擬污水處理廠污水進(jìn)水或初期雨水的處理工況；當(dāng)試驗(yàn)流量提高到3Q、4Q、4.5Q時(shí)，采用旋流沉砂池出水與中試裝置出水按1∶1比例稀釋調(diào)配，模擬降雨中后期的大水量合流污水沖擊工況；最后將試驗(yàn)流量恢復(fù)為1Q，考察MSBR工藝在經(jīng)歷大水量沖擊之后的恢復(fù)效果。

1.3 采樣與分析方法

試驗(yàn)期間，采集中試裝置在不同水力負(fù)荷下的進(jìn)出水水樣和主曝氣池混合液。中試裝置進(jìn)出水水管上均設(shè)置取樣龍頭，每天09：00、12：00、15：00、18：00采集水樣，混合后檢測水質(zhì)，檢測項(xiàng)目包括pH、COD、SS、NH3-N、TN和TP，檢測方法均為國家標(biāo)準(zhǔn)方法；活性污泥混合液每天采集1次，采用重量法檢測混合液懸浮固體（MLSS）濃度。

2、結(jié)果與討論

2.1 COD去除效果

不同水力負(fù)荷條件下進(jìn)出水COD濃度的變化如圖2所示。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，進(jìn)水COD在63~249mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，濃度變化較大，具有明顯的沖擊效應(yīng)。在1Q~4Q水力負(fù)荷條件下，出水COD基本在15~30mg/L之間，穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，COD去除率最高達(dá)到96.9%；在4.5Q水力負(fù)荷條件下，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，出水COD濃度迅速上升，最高達(dá)到75mg/L左右；但最后快速恢復(fù)到1Q水力負(fù)荷條件時(shí)，出水COD濃度迅速下降并達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)表明，隨著進(jìn)水量的提高，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷上升，實(shí)際水力停留時(shí)間逐漸降低，但MSBR生化工藝對有機(jī)物的降解始終較為充分，可見降解有機(jī)物的異養(yǎng)菌群適應(yīng)性及增殖能力較強(qiáng)，可在較短時(shí)間內(nèi)完成生物降解作用。

2.2 SS去除效果

不同水力負(fù)荷條件下進(jìn)出水SS濃度的變化如圖3所示。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，進(jìn)水SS在50~350mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，濃度變化較大。在1Q~4Q水力負(fù)荷逐步提高和快速恢復(fù)到1Q水力負(fù)荷過程中，出水SS始終穩(wěn)定在20mg/L以內(nèi)，呈現(xiàn)出良好的SS去除效果；在4.5Q水力負(fù)荷條件下，出水出現(xiàn)嚴(yán)重的“跑泥”現(xiàn)象，出水SS出現(xiàn)較明顯上升，最大值達(dá)到67mg/L左右。試驗(yàn)表明，在2Q及以上水力負(fù)荷沖擊下，啟動(dòng)MSBR工藝多點(diǎn)進(jìn)水分流短程曝氣處理和補(bǔ)充污泥回流功能，同步將第一、第二序批池設(shè)置為同時(shí)連續(xù)沉淀出水運(yùn)行工況，可有效避免進(jìn)水大水量水力負(fù)荷沖擊引起主曝氣池活性污泥大量推流流失，進(jìn)而導(dǎo)致第一、第二序批池沉淀區(qū)固體負(fù)荷快速急劇上升，確保了大水量水力負(fù)荷沖擊條件下沉淀區(qū)的固體負(fù)荷始終處于一個(gè)較為穩(wěn)定的水平，并呈現(xiàn)出良好的SS去除效果。

2.3 NH3-N去除效果

不同水力負(fù)荷條件下進(jìn)出水NH3-N濃度的變化如圖4所示。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，進(jìn)水NH3-N在6~20mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，濃度變化較大。在1Q~4Q水力負(fù)荷條件下，出水NH3-N保持在5mg/L以內(nèi)，大部分時(shí)間維持在1.0mg/L以下，穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)；在4.5Q水力負(fù)荷條件下，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，出水出現(xiàn)嚴(yán)重的“跑泥”現(xiàn)象，出水NH3-N濃度迅速上升，最高達(dá)到17.3mg/L；但在快速恢復(fù)到1Q水力負(fù)荷條件時(shí)，出水NH3-N濃度迅速下降并恢復(fù)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)表明，在2Q~4Q水力負(fù)荷條件下，啟動(dòng)改進(jìn)的進(jìn)水分流短程曝氣處理和補(bǔ)充污泥回流功能，可以確保大水量沖擊負(fù)荷條件下主曝氣池不發(fā)生明顯的活性污泥流失，實(shí)現(xiàn)活性污泥的泥齡大于硝化菌生長的世代時(shí)間，在主曝氣池實(shí)現(xiàn)了充分的硝化反應(yīng)，從而保證了NH3-N的穩(wěn)定去除。

2.4 TN去除效果

不同水力負(fù)荷條件下進(jìn)出水TN濃度的變化如圖5所示。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，進(jìn)水TN在12~33mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，濃度變化較大。在1Q~4Q水力負(fù)荷和不投加外碳源條件下，出水TN基本在4.5~11.5mg/L之間，穩(wěn)定達(dá)到國家一級A標(biāo)準(zhǔn)，這表明MSBR工藝通過進(jìn)水分流降低了水力負(fù)荷沖擊對缺氧池反硝化時(shí)間的影響，同時(shí)利用補(bǔ)充污泥回流來維持缺氧池反硝化區(qū)域的污泥濃度和反應(yīng)速率，確保了MSBR工藝在1Q~4Q水力負(fù)荷沖擊工況下仍能夠保證出水TN的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。在4.5Q水力負(fù)荷條件下，由于主曝氣池、缺氧池等各反應(yīng)池的水力停留時(shí)間都大幅縮短，并超出了該生化系統(tǒng)能夠承受的極限，因此主曝氣池NH3-N的硝化作用不徹底，同時(shí)已硝化產(chǎn)生的硝態(tài)氮在缺氧階段的反硝化作用也不充分，從而導(dǎo)致出水TN迅速上升達(dá)到23mg/L左右，造成TN去除效率顯著下降。試驗(yàn)流量再快速恢復(fù)到1Q水力負(fù)荷條件時(shí)，出水TN迅速下降并恢復(fù)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 TP去除效果

不同水力負(fù)荷條件下進(jìn)出水TP濃度的變化如圖6所示。在1Q~4Q水力負(fù)荷和不投加除磷藥劑條件下，出水TP在0.5mg/L左右波動(dòng)，并穩(wěn)定控制在1mg/L以內(nèi)，達(dá)到了A2/O、氧化溝、SBR等傳統(tǒng)二級生化工藝生物除磷效果，這表明MSBR工藝的進(jìn)水分流功能有效避免前端厭氧池受到水力負(fù)荷沖擊的影響，而對回流污泥濃縮進(jìn)行預(yù)缺氧處理則盡可能地降低了硝酸鹽對厭氧池厭氧釋磷的影響，使得多點(diǎn)進(jìn)水MSBR工藝在1Q~4Q水力負(fù)荷條件下的生物除磷過程均進(jìn)行得較為充分。在4.5Q水力負(fù)荷條件下，出水TP迅速上升達(dá)到1.35mg/L，究其原因主要有兩個(gè)方面，首先，4.5Q水力負(fù)荷條件下系統(tǒng)脫氮效率顯著下降，使得通過兩個(gè)序批池污泥回流進(jìn)入到厭氧池的硝態(tài)氮不斷增加，而較高濃度的硝態(tài)氮會(huì)抑制厭氧池聚磷菌的生物釋磷，進(jìn)而影響到后續(xù)好氧階段的過量吸磷效果，這會(huì)導(dǎo)致出水TP濃度升高；其次，MSBR工藝因受到4.5Q水力負(fù)荷沖擊而導(dǎo)致出水SS有所上升，其中所包含的顆粒態(tài)TP也進(jìn)一步推高了出水TP濃度。實(shí)際工程應(yīng)用中，在生物除磷的同時(shí)輔以化學(xué)除磷措施，可以確保出水TP穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 主曝氣池MLSS濃度變化

不同水力負(fù)荷條件下主曝氣池MLSS濃度的變化如圖7所示。在1Q~4Q水力負(fù)荷條件下，MSBR生化工藝每天生成的活性污泥量和排放的剩余污泥量基本相當(dāng)，而且當(dāng)進(jìn)水量超過旱季峰值流量1.3Q時(shí)，從主曝氣池流失到兩個(gè)序批池的活性污泥可通過序批池補(bǔ)充污泥泵回流至厭氧池并最終返回到主曝氣池，可以保證多點(diǎn)進(jìn)水MSBR工藝主曝氣池MLSS濃度穩(wěn)定維持在3000~4000mg/L，可見進(jìn)水分流及補(bǔ)充污泥回流等改進(jìn)設(shè)計(jì)可有效應(yīng)對水力負(fù)荷沖擊引起主曝氣池活性污泥流失的情況。當(dāng)試驗(yàn)流量提高到4.5Q水力負(fù)荷時(shí)，主曝氣池活性污泥流出速度大于污泥回流速度，主曝氣池MLSS濃度迅速降低到3000mg/L以下，并呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，這也是NH3-N等指標(biāo)在4.5Q水力負(fù)荷沖擊下去除效率快速下降的原因之一。最后階段將試驗(yàn)流量恢復(fù)到1Q水力負(fù)荷時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1~2d的運(yùn)行后，4.5Q水力負(fù)荷沖擊所導(dǎo)致的MSBR生化系統(tǒng)中被推流到兩個(gè)序批池的活性污泥可以通過污泥回流和補(bǔ)充污泥回流重新返回到主曝氣池，圖7中第35和36天的數(shù)據(jù)表明主曝氣池MLSS濃度又重新恢復(fù)到約3000mg/L，出水水質(zhì)指標(biāo)也相應(yīng)恢復(fù)到1Q~4Q水力負(fù)荷下的正常水平。

2.7 耐大水量水力負(fù)荷沖擊的機(jī)理

在1Q~4Q水力負(fù)荷條件下，多點(diǎn)進(jìn)水MSBR工藝處理污水進(jìn)水和模擬的超量合流污水中試取得了良好的效果，呈現(xiàn)出良好的耐大水量水力負(fù)荷沖擊性能，這主要是因?yàn)?/span>MSBR工藝具有靈活的運(yùn)行調(diào)控機(jī)制。首先，在大水量沖擊工況下，將MSBR工藝兩個(gè)序批池交替沉淀出水運(yùn)行調(diào)整為同時(shí)連續(xù)沉淀出水運(yùn)行狀態(tài)，使得工藝的序批池沉淀區(qū)面積增加1倍，工藝可承受的表面水力負(fù)荷與固體負(fù)荷同步提高1倍，理論上工藝處理能力可提升至2Q~3Q旱季設(shè)計(jì)流量，且無需新增二沉池等構(gòu)筑物。同時(shí)，我國雨季多發(fā)生在4月—9月，大水量合流污水沖擊多發(fā)生在7月—9月，夏季水溫一般比冬季高15℃以上，水溫升高15℃可以使微生物的反應(yīng)速率提升約1.5倍，因此夏季高溫條件下生化池設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間大大超出了實(shí)際需要的水力停留時(shí)間；水溫升高還可以降低水的黏度，改善活性污泥的沉降性能和澄清功能，這也從客觀上保證了大水量沖擊下多點(diǎn)進(jìn)水MSBR工藝兩個(gè)序批池同時(shí)連續(xù)沉淀出水運(yùn)行并能保持良好的沉淀效果。其次，通過在主曝氣池增設(shè)兩個(gè)進(jìn)水點(diǎn)，將超過旱季設(shè)計(jì)流量的合流污水分流至曝氣池末端，進(jìn)行分流短程曝氣處理，有效避免了大水量合流污水經(jīng)主曝氣池全程處理引起主曝氣池活性污泥快速流失，進(jìn)而引起序批池沉淀區(qū)的固體負(fù)荷快速上升，最終發(fā)生工藝系統(tǒng)活性污泥大量溢出而崩潰，相應(yīng)確保了MSBR工藝的處理效果。最后，通過在序批池增設(shè)補(bǔ)充污泥回流泵，加強(qiáng)大水量工況下主曝氣池向序批池沉淀區(qū)流失的活性污泥強(qiáng)化補(bǔ)充回流至厭氧池，有效保證了前端厭氧池、缺氧池和主曝氣池的污泥濃度和反應(yīng)速率，也有效避免了序批池沉淀區(qū)因固體負(fù)荷過高及泥層太厚而發(fā)生出水“跑泥”現(xiàn)象。

3、結(jié)論

當(dāng)污水進(jìn)水量為旱季設(shè)計(jì)流量1Q時(shí)，采用厭氧池單點(diǎn)進(jìn)水的運(yùn)行工況，MSBR工藝可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，出水COD、NH3-N和TN優(yōu)于一級A標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)模擬的合流污水量為2Q~4Q水力負(fù)荷時(shí)，采用厭氧池和主曝氣池兩側(cè)多點(diǎn)進(jìn)水運(yùn)行工況，同步將MSBR工藝兩側(cè)兩個(gè)序批池調(diào)整為連續(xù)沉淀出水運(yùn)行狀態(tài)，并啟動(dòng)兩個(gè)序批池的補(bǔ)充污泥回流功能，多點(diǎn)進(jìn)水MSBR工藝仍可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，主曝氣污泥濃度穩(wěn)定維持在3000~4000mg/L，出水COD、NH3-N和TN優(yōu)于一級A標(biāo)準(zhǔn)，呈現(xiàn)出良好的耐大水量水力負(fù)荷沖擊性能。但當(dāng)模擬的合流污水量提高到4.5Q水力負(fù)荷時(shí)，多點(diǎn)進(jìn)水MSBR工藝主曝氣池的污泥濃度迅速降低到3000mg/L以下并呈持續(xù)下降趨勢，出水水質(zhì)指標(biāo)快速上升并無法達(dá)標(biāo)運(yùn)行。（來源：可事托環(huán)保設(shè)備<上海>有限公司，湖南先導(dǎo)洋湖再生水有限公司）