雨季合流污水通常具有流量與污染物負荷波動較大、暴發性、隨機性強的污染特征，合流管網雨天污水溢流是導致城市河道雨天反復污染的重要原因，合流制溢流污染控制成為了當前我國城鎮排水行業的難點和痛點。在雨污分流改造難以短期完成的情況下，充分挖掘城鎮污水廠的處理潛能，提高城鎮污水廠雨季處理能力，是解決當前我國合流制溢流污染問題的一種經濟可行的技術路線。
改良式序批間歇反應器（MSBR）綜合了A2/O、SBR工藝的優點，兼具厭氧、缺氧、好氧、序批反應、沉淀出水等功能，具有占地面積小、建設運行成本低、脫氮除磷效果好、控制靈活、抗沖擊負荷能力強等特點，是一種先進、高效、穩定的生化處理工藝，在污水處理領域被廣泛應用。為進一步提高MSBR工藝對大水量合流污水的處理效果，采用改進的多點進水MSBR工藝進行耐水力負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化設計提供參考。
1、材料與方法
1.1 試驗裝置
多點進水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。該裝置與已工程應用的10單元MSBR工藝池型相同，但進行了多點進水和補充污泥回流的改進設計，即在厭氧池（4#）一個污水進水點和第一、第二序批池（1#、7#）向污泥濃縮池（2#）污泥回流設置的基礎上，于主曝氣池（6#）兩側增設了兩個污水進水點和第一、第二序批池（1#、7#）增設了補充污泥回流泵實現活性污泥向厭氧池（4#）的強化回流。
中試裝置按照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A排放標準進行設計，設計規模（Q）為12m3/d（總變化系數Kz=1.3），外形尺寸為3.2m×2.2m×2.1m。各項設計參數均按照旱季處理水量水質確定，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；有機負荷為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%，預缺氧濃縮污泥回流比（3#→4#）為50%~70%。
當污水進水量為旱季設計流量1Q時，污水進水只有厭氧池（4#）一個進水點，第一、第二序批池（1#、7#）的活性污泥向污泥濃縮池（2#）回流，并經預缺氧池（3#）反硝化脫氮后將高濃度活性污泥回流到厭氧池（4#）。當模擬的合流污水進水量超過旱季峰值流量1.3Q時，在保持向厭氧池（4#）進水1.3Q的同時，通過進水分配閥門將超出旱季峰值流量的這部分進水平均分流至主曝氣池（6#）末端進行短程曝氣處理，同步將第一、第二序批池（1#、7#）調整為同時連續沉淀出水運行工況，并啟動兩個序批池（1#、7#）增設的補充污泥回流泵工作，按照啟動30min、停止30min的間歇運行方式將兩個序批池的活性污泥補充回流至厭氧池（4#），從而避免兩個序批池沉淀區因固體負荷過高而引起出水污泥流失（即“跑泥”）的情況。整個試驗過程中，除補充污泥回流泵外，污泥回流泵和各反應池的其他設備均和已工程應用的10單元MSBR工藝的運行設置模式相同。
1.2 中試方法
多點進水MSBR中試于2023年9月—11月在長沙市洋湖再生水廠進行，采用項目一期旋流沉砂池出水作為試驗原水，試驗規模為12~54m3/d，即按1Q、2Q、3Q、4Q、4.5Q分5個階段逐步提升試驗流量，最后階段再將試驗流量恢復為1Q，各階段水力負荷的調整在1~2h內完成，原計劃在1Q工況下運行穩定后將各階段試驗時間均設為5d，但在實際試驗過程中由于處理水量和水質的波動，各階段試驗時間進行了相應調整。試驗前期，對中試裝置進行了單機和聯動調試，并采用項目一期MSBR池剩余污泥進行接種馴化，當主曝氣池污泥濃度達到約3300mg/L并在1Q工況下穩定運行20d后，才開始正式水力負荷沖擊試驗，水力負荷沖擊試驗工況如表1所示，整個試驗過程中均未添加外碳源和化學除磷藥劑。
當試驗流量為1Q、2Q時，采用旋流沉砂池出水作為試驗進水，模擬污水處理廠污水進水或初期雨水的處理工況；當試驗流量提高到3Q、4Q、4.5Q時，采用旋流沉砂池出水與中試裝置出水按1∶1比例稀釋調配，模擬降雨中后期的大水量合流污水沖擊工況；最后將試驗流量恢復為1Q，考察MSBR工藝在經歷大水量沖擊之后的恢復效果。
1.3 采樣與分析方法
試驗期間，采集中試裝置在不同水力負荷下的進出水水樣和主曝氣池混合液。中試裝置進出水水管上均設置取樣龍頭，每天09：00、12：00、15：00、18：00采集水樣，混合后檢測水質，檢測項目包括pH、COD、SS、NH3-N、TN和TP，檢測方法均為國家標準方法；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、結果與討論
2.1 COD去除效果
不同水力負荷條件下進出水COD濃度的變化如圖2所示。在整個試驗過程中，進水COD在63~249mg/L范圍內波動，濃度變化較大，具有明顯的沖擊效應。在1Q~4Q水力負荷條件下，出水COD基本在15~30mg/L之間，穩定達到一級A標準，COD去除率最高達到96.9%；在4.5Q水力負荷條件下，隨著試驗的進行，出水COD濃度迅速上升，最高達到75mg/L左右；但最后快速恢復到1Q水力負荷條件時，出水COD濃度迅速下降并達到一級A標準。試驗表明，隨著進水量的提高，進水有機負荷上升，實際水力停留時間逐漸降低，但MSBR生化工藝對有機物的降解始終較為充分，可見降解有機物的異養菌群適應性及增殖能力較強，可在較短時間內完成生物降解作用。
2.2 SS去除效果
不同水力負荷條件下進出水SS濃度的變化如圖3所示。在整個試驗過程中，進水SS在50~350mg/L范圍內波動，濃度變化較大。在1Q~4Q水力負荷逐步提高和快速恢復到1Q水力負荷過程中，出水SS始終穩定在20mg/L以內，呈現出良好的SS去除效果；在4.5Q水力負荷條件下，出水出現嚴重的“跑泥”現象，出水SS出現較明顯上升，最大值達到67mg/L左右。試驗表明，在2Q及以上水力負荷沖擊下，啟動MSBR工藝多點進水分流短程曝氣處理和補充污泥回流功能，同步將第一、第二序批池設置為同時連續沉淀出水運行工況，可有效避免進水大水量水力負荷沖擊引起主曝氣池活性污泥大量推流流失，進而導致第一、第二序批池沉淀區固體負荷快速急劇上升，確保了大水量水力負荷沖擊條件下沉淀區的固體負荷始終處于一個較為穩定的水平，并呈現出良好的SS去除效果。
2.3 NH3-N去除效果
不同水力負荷條件下進出水NH3-N濃度的變化如圖4所示。
在整個試驗過程中，進水NH3-N在6~20mg/L范圍內波動，濃度變化較大。在1Q~4Q水力負荷條件下，出水NH3-N保持在5mg/L以內，大部分時間維持在1.0mg/L以下，穩定達到一級A標準；在4.5Q水力負荷條件下，隨著試驗的進行，出水出現嚴重的“跑泥”現象，出水NH3-N濃度迅速上升，最高達到17.3mg/L；但在快速恢復到1Q水力負荷條件時，出水NH3-N濃度迅速下降并恢復達到一級A標準。試驗表明，在2Q~4Q水力負荷條件下，啟動改進的進水分流短程曝氣處理和補充污泥回流功能，可以確保大水量沖擊負荷條件下主曝氣池不發生明顯的活性污泥流失，實現活性污泥的泥齡大于硝化菌生長的世代時間，在主曝氣池實現了充分的硝化反應，從而保證了NH3-N的穩定去除。
2.4 TN去除效果
不同水力負荷條件下進出水TN濃度的變化如圖5所示。在整個試驗過程中，進水TN在12~33mg/L范圍內波動，濃度變化較大。在1Q~4Q水力負荷和不投加外碳源條件下，出水TN基本在4.5~11.5mg/L之間，穩定達到國家一級A標準，這表明MSBR工藝通過進水分流降低了水力負荷沖擊對缺氧池反硝化時間的影響，同時利用補充污泥回流來維持缺氧池反硝化區域的污泥濃度和反應速率，確保了MSBR工藝在1Q~4Q水力負荷沖擊工況下仍能夠保證出水TN的穩定達標。在4.5Q水力負荷條件下，由于主曝氣池、缺氧池等各反應池的水力停留時間都大幅縮短，并超出了該生化系統能夠承受的極限，因此主曝氣池NH3-N的硝化作用不徹底，同時已硝化產生的硝態氮在缺氧階段的反硝化作用也不充分，從而導致出水TN迅速上升達到23mg/L左右，造成TN去除效率顯著下降。試驗流量再快速恢復到1Q水力負荷條件時，出水TN迅速下降并恢復達到一級A標準。
2.5 TP去除效果
不同水力負荷條件下進出水TP濃度的變化如圖6所示。在1Q~4Q水力負荷和不投加除磷藥劑條件下，出水TP在0.5mg/L左右波動，并穩定控制在1mg/L以內，達到了A2/O、氧化溝、SBR等傳統二級生化工藝生物除磷效果，這表明MSBR工藝的進水分流功能有效避免前端厭氧池受到水力負荷沖擊的影響，而對回流污泥濃縮進行預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，使得多點進水MSBR工藝在1Q~4Q水力負荷條件下的生物除磷過程均進行得較為充分。在4.5Q水力負荷條件下，出水TP迅速上升達到1.35mg/L，究其原因主要有兩個方面，首先，4.5Q水力負荷條件下系統脫氮效率顯著下降，使得通過兩個序批池污泥回流進入到厭氧池的硝態氮不斷增加，而較高濃度的硝態氮會抑制厭氧池聚磷菌的生物釋磷，進而影響到后續好氧階段的過量吸磷效果，這會導致出水TP濃度升高；其次，MSBR工藝因受到4.5Q水力負荷沖擊而導致出水SS有所上升，其中所包含的顆粒態TP也進一步推高了出水TP濃度。實際工程應用中，在生物除磷的同時輔以化學除磷措施，可以確保出水TP穩定達到一級A標準。
2.6 主曝氣池MLSS濃度變化
不同水力負荷條件下主曝氣池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，而且當進水量超過旱季峰值流量1.3Q時，從主曝氣池流失到兩個序批池的活性污泥可通過序批池補充污泥泵回流至厭氧池并最終返回到主曝氣池，可以保證多點進水MSBR工藝主曝氣池MLSS濃度穩定維持在3000~4000mg/L，可見進水分流及補充污泥回流等改進設計可有效應對水力負荷沖擊引起主曝氣池活性污泥流失的情況。當試驗流量提高到4.5Q水力負荷時，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，并呈現持續下降趨勢，這也是NH3-N等指標在4.5Q水力負荷沖擊下去除效率快速下降的原因之一。最后階段將試驗流量恢復到1Q水力負荷時，發現經過1~2d的運行后，4.5Q水力負荷沖擊所導致的MSBR生化系統中被推流到兩個序批池的活性污泥可以通過污泥回流和補充污泥回流重新返回到主曝氣池，圖7中第35和36天的數據表明主曝氣池MLSS濃度又重新恢復到約3000mg/L，出水水質指標也相應恢復到1Q~4Q水力負荷下的正常水平。
2.7 耐大水量水力負荷沖擊的機理
在1Q~4Q水力負荷條件下，多點進水MSBR工藝處理污水進水和模擬的超量合流污水中試取得了良好的效果，呈現出良好的耐大水量水力負荷沖擊性能，這主要是因為MSBR工藝具有靈活的運行調控機制。首先，在大水量沖擊工況下，將MSBR工藝兩個序批池交替沉淀出水運行調整為同時連續沉淀出水運行狀態，使得工藝的序批池沉淀區面積增加1倍，工藝可承受的表面水力負荷與固體負荷同步提高1倍，理論上工藝處理能力可提升至2Q~3Q旱季設計流量，且無需新增二沉池等構筑物。同時，我國雨季多發生在4月—9月，大水量合流污水沖擊多發生在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速率提升約1.5倍，因此夏季高溫條件下生化池設計水力停留時間大大超出了實際需要的水力停留時間；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進水MSBR工藝兩個序批池同時連續沉淀出水運行并能保持良好的沉淀效果。其次，通過在主曝氣池增設兩個進水點，將超過旱季設計流量的合流污水分流至曝氣池末端，進行分流短程曝氣處理，有效避免了大水量合流污水經主曝氣池全程處理引起主曝氣池活性污泥快速流失，進而引起序批池沉淀區的固體負荷快速上升，最終發生工藝系統活性污泥大量溢出而崩潰，相應確保了MSBR工藝的處理效果。最后，通過在序批池增設補充污泥回流泵，加強大水量工況下主曝氣池向序批池沉淀區流失的活性污泥強化補充回流至厭氧池，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速率，也有效避免了序批池沉淀區因固體負荷過高及泥層太厚而發生出水“跑泥”現象。
3、結論
當污水進水量為旱季設計流量1Q時，采用厭氧池單點進水的運行工況，MSBR工藝可實現穩定運行，出水COD、NH3-N和TN優于一級A標準。當模擬的合流污水量為2Q~4Q水力負荷時，采用厭氧池和主曝氣池兩側多點進水運行工況，同步將MSBR工藝兩側兩個序批池調整為連續沉淀出水運行狀態，并啟動兩個序批池的補充污泥回流功能，多點進水MSBR工藝仍可連續穩定運行，主曝氣污泥濃度穩定維持在3000~4000mg/L，出水COD、NH3-N和TN優于一級A標準，呈現出良好的耐大水量水力負荷沖擊性能。但當模擬的合流污水量提高到4.5Q水力負荷時，多點進水MSBR工藝主曝氣池的污泥濃度迅速降低到3000mg/L以下并呈持續下降趨勢，出水水質指標快速上升并無法達標運行。（來源：可事托環保設備<上海>有限公司，湖南先導洋湖再生水有限公司）
