交替式生物处理池工艺处理城市污水
摘 要：UNITANK又称交替式生物处理池，其基本单元是由三个矩形池组成(A，B，C池)，相邻通过公共墙开洞或池底渠连通。三个池中都安装有曝气系统，可以是微孔曝气头、表曝机或潜水曝气机：外侧两个池(A和C池)设有固定式出水堰及剩余污泥排放装置，他们交替作为曝气池和沉淀池，中间的池子 (B池)只能作为曝气反应池。另外，污水通过闸门控制可以进入任意一个池子，采用连续进水，周期交替运行。
交替式生物处理池工艺(UNITANK)是结合传统活性污泥法和SBR法的优点形成的一种新型的活性污泥处理工艺，由三个矩形池串联组成(A，B，C池)，池内设曝气设备。交替式生物处理池按周期进行，B池连续曝气，两侧池内间断曝气，交替作为沉淀池和曝气池，进水交替进入A、B、C池，出水相应地从C、A池引出。系统中省去传统工艺中的初沉池和污泥回流设施。
石家庄高新技术产业开发区污水处理厂日处理污水10万吨，采用UNITANKTMIM工艺，占地7.2公顷。这是此工艺在国内(除澳门外)的首次应用。该污水处理厂进水水质指标为：BOD5≤400mg/L，SS≤400mg/L，COD≤600mg/L；出水水质要求：DOD5≤30mg／L，SS≤30mg／L，COD≤120mg/L。
处理工艺过程为：原污水进入格栅间，在此拦截污水中飘浮物，由污水泵提升，经细格栅进一步去除水中杂质，进入沉砂池去除砂粒，然后进入UNITANK池，去除BOD5等污染物，混合液经沉淀分离，澄清液进入接触池加氯消毒(季节性)后排入汪洋沟。剩余污泥经污泥泵送至集泥池，由带预浓缩功能的脱水机处理后，泥饼外运。
该污水处理厂UNITANK 池共为六个组，每个组由三个正方形反应池组成，单池净尺寸为长×宽×高＝35×35×7m，有效水深6米。两侧池采用周边堰出水。每组平均设计流量为 0.193m3／s，污泥浓度4000mg／l，泥龄为14天，污泥负荷0.113kgBOD／KgMLss／d，沉淀池最大表面负荷0.74m3／m2h。
该系统实际需氧量为60吨O2天。曝气系统采用表曝机和潜水搅拌机结合的方式，表曝机运行充氧，水下搅拌机用于辅助搅拌。表曝机选用浮动式高速表曝机，可适应水面起落，安装简单，维护方便。
UNITANK工艺据有独特的优点：
第一，结构紧凑，节省工程用地和土建费用；
第二，设备种类较少，便于维护管理；
第三，采用时序控制，形成厌氧、缺氧和好氧状态，实现除磷脱氮功能，运转灵活；
第四，容积和设备利用率高。
UNITANK工艺虽有许多优点，但也有一定的适用范围。在选择该工艺时应该考虑以下问题：
第一，进水BOD浓度较高时，建议考虑采用两级UNITANK工艺。第一级生物池按高负荷厌氧或好氧方式运行，第二级按低负荷好氧方式运行。
第二，出水水质有除磷要求时，应慎重考虑，因为该工艺很难形成生物除磷的理想厌氧状态。
第三，处理水量过大时，该工艺的复杂程度将大大提高。
综上所述，UNITANK工艺更适用于中小型污水处理厂，在一定的范围内，可以替代其它活性污泥法，有独特的优点，并具有较强的竞争力。
自1987年，比利时SEGHERS公司提出一种新颖的活性污泥去——UNITANK工艺，它集中了传统活性污泥法和SBR的优点，处理单元一体化，经济、运转灵活，在欧洲及亚洲已有近2百座此种工艺的污水处理厂建成。
石家庄高新技术产业开发区污水处理厂(以下简称石家庄高新区污水处理厂)日处理污水10迈万吨，经过工艺方案比较和论证，结合贷款国技术特点，决定采用UNITANK工艺。这是此工艺在国内 (除澳门外)的首次应用。
1.UNITANK工艺简介
1.1 基本构造
UNITANK又称交替式生物处理池，其基本单元是由三个矩形池组成(A，B，C池)，相邻通过公共墙开洞或池底渠连通。三个池中都安装有曝气系统，可以是微孔曝气头、表曝机或潜水曝气机：外侧两个池(A和C池)设有固定式出水堰及剩余污泥排放装置，他们交替作为曝气池和沉淀池，中间的池子 (B池)只能作为曝气反应池。另外，污水通过闸门控制可以进入任意一个池子，采用连续进水，周期交替运行。如图1所示。
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1.2 运行方式
UNITANK运行按周期运行，一个周期包括两个主阶段和两个中间阶段，一般单个周期时间为7小时，主阶段2×3小时，中间阶段2×30分钟。
1.2.1 主阶段
第一主阶段，污水首先进入A池，该池处于曝气状态，因上个阶段进行沉淀操作，积累了大量活性污泥，且浓度较高。进水与活性污泥混合，有机物被吸附，部分被降解。混合液继续流入B池，该池通 常连续曝气，有机物得到进一步的降解，同时在推流过程中，A池的活性污泥进入中间池，再进入C池，实现污泥在各池的重新分配。最后，混合液进入处于沉淀状态的C池，进行泥水分离，处理后的出水通过溢流堰排放，剩余污泥由该池排出。为了防止A、B池的污泥被冲至C池，过量积累，每120—180分 钟改变水流方向，即进入到下一个主阶段。
第二主阶段，污水先进入C池，污水及混合液的流动方向与第一阶段相反。
1.2.2 中间阶段
中间阶段的作用是完成曝气池到沉淀池的转换。在第一主阶段的中间阶段，污水进入B池，C池仍处于沉淀出水状态，同时A池开始进入沉淀状态，为出水作准备。在第二主阶段的中间阶段，污水进入B池，A池仍处于沉淀出水状态，同时C池开始进入沉淀状态，为出水作准备。
因为边池在曝气状态时，出水槽内进满混合液，所以边池进入沉淀状态后，开始的出水不能作为处理后的出水直接排放，需用冲洗排人处理系统。待出水澄清后，方可外排。
2.工程设计
2.1 处理规模及进出水水质
石家庄高新区污水厂处理城市污水，设计处理污水量10万吨/天，占地7.2公顷，污水处理厂进水 水质的主要指标为：COD≤600mg/L；BOD5≤400mg/L，SS≤400mg/L，出水水质要求：DOD5≤30mg／L，SS≤30mg／L，COD≤120mg/L。
2.2 处理工艺
原污水进入格栅间，在此拦截污水中飘浮物，由污水泵提升，经细格栅进一步去除水中杂质，进入沉砂池去除砂粒，然后进入UNITANK池，去除BOD5等污染物，混合液经沉淀分离，澄清液进入接触 池加氯消毒(季节性)后排入汪洋沟。剩余污泥经污泥泵送至集泥池，由带预浓缩功能的脱水机处理 后，泥饼外运。工艺流程如图2所示：
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2.3 池型的选择及进出水渠道设计
UNITANK池通常设计成三个等尺寸的矩形池，根据两侧池出水堰的形式即单侧堰或周边堰出水，可决定池子是否为正方形。一般当池子边长较小时(小于25米)两侧池采用单侧堰出水，池型可为长方形，池间连通采用池壁开洞方式，洞口在边池一侧加导流板，见图3，目的是使进水沿池底流动，流 态接近平流式沉淀池，导流板同时可防止中间池的曝气扰动侧池的沉淀。当池子尽寸较大时，两侧池可采用周边出水堰，池型为正方形，中间他的池问连通管出口设在侧墙池底边，两侧池的池间连通管出 口设在池中心，外加稳流筒，见图1，出水沿池底流动，流态接近中心进水，周边出水的辐流式沉淀池。
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此外，还可根据实际工程情况，中间池的尺寸可与两侧池的尺寸不同。
石家庄高新区污水处理厂工程UNITANK池共为六个组，分三个系列，每个组由三个正方形反应池组成，单池净尺寸为长×宽×高＝35×35×7m，有效水深6米。两侧池采用周边堰出水。 每组内三个反应池由池底渠道连通，两侧池的连通渠出水口位于池中心，设有稳流筒，防止进水对沉淀污泥的扰动。
污水由配水井均匀分给三条位于池顶的配水渠道，一条配水渠负责一个系列两组池的配水，见图4交替式生物池配水渠示意图。因此，同一系列中的两组池按同步运行，不同系列的运行时序可不同步进行。每组池的出水汇入池底的出水总干管，直接排出处理厂。
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2.4 石家庄高新区污水处理厂主要工艺参数
每单元平均设计流量： 0.193m3/s
水力停留时间： 31.8hr(含沉淀时间)
容积负荷： 0.45kgBOD／m3／d
污泥浓度： 4000mg/l
污泥负荷： 0.113kgBOD/kgMLSS／d
沉淀池最大表面负荷： 0.74m3／m3／2h
2.5 冲洗水系统的选择和设计
由于在曝气阶段，两侧池的出水堰内进入了混合液，沉淀初期被污染的出水不能直接排放，需经冲洗水系统外排。冲洗水排放系统一般有两种形式。第一种，由电动闸门控制，冲洗出水经管渠，排人处理厂进水泵房。该方法运行管理较简单，不用添加设备，但对进水泵房会产生一定的水力冲击负荷，如果UNlTANK运行系列较多，运行时序岔开，那么冲击负荷相对较低，对进水影响较小。第二种，由电动闸门控制，冲洗出水直接进入冲洗水池，池内设潜水泵，将冲洗水送至中间池。该方法不会对进水泵 房产生影响，但需加设冲洗水池和冲洗水泵，运行管理较复杂，如果UNITANK运行系列较少，该种方法较适合。
石家庄高新区污水处理厂的冲洗水系统采用第一种形式，即冲洗水直接排至进水泵房。每组生物池中两侧池的出水均进入到中间池边的一条公共出水渠道，该渠道上安装两台电动闸门，具有两种功能，分别作为出水渠道和冲洗水渠道使用。在沉淀出水的初期，公共渠道上的出水闸门关闭，冲洗水闸打开，冲洗水经冲洗水管人厂区污水管，然后排入处理厂进水泵房。进水泵房的平均流量短时增加1／6。当出水水质正常时，打开出水闸门，关闭冲洗水闸，出水进入总出水管道排出处理厂。
2.6 曝气系统的选择和设计
UNITANK工艺可以采用表面机曝气和微孔器曝气两种形式。针对这两种形式在UNITANK工艺中的特点作如下对比：
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由以上对比可以看出，表面曝气机更适合UNITANK工艺，如果工程占地允许，建议尽量采用表面曝气机曝气。
石家庄高新区污水处理厂曝气系统采用表曝机和潜水搅拌机相结合的方式，每个池中安装2台表曝机、2台水下搅拌机，表曝机运行充氧，当水中溶解氧到达高限设定值时，表曝机停止工作，水下搅拌 机运行，当水中溶解氧低于低限设定值时，水下搅拌机停止工作，表曝机开始运行。本工程的实际需氧量为60吨O2天。
表曝机选用比利时AQUA公司生产浮动式高速表曝机，它可以适应因水流方向改变而造成的水面起落，另外安装简单，只需缆绳固定。由于高速表曝机的电机直接驱动螺旋叶轮，不需要减速装置，因此检修量少，维护方便。
表曝机功率为75KW，潜水搅拌机功率为12.5KW。
2.7 污泥排放系统的选择和设计
UNITANK工艺通常有两种排放剩余污泥的方式，即连续排泥和间歇排泥。连续排泥是指在运行期间连续排放混合液，剩余污泥泵容量较低，基本不需要控制，但是由于剩余污泥浓度低，后续污泥浓缩脱水的负荷将会加大。间歇排泥是指在特定时段集中排泥，如在沉淀末期排泥，该方式剩余污泥泵容量较高，需要控制排泥时间及排泥闸，但该方式剩余污泥浓度较高，后续污泥浓缩脱水的负荷较低。
石家庄新区污水处理厂剩余污泥采用间歇排泥方式，排泥时间设在沉淀后期。全厂共设两座剩余污泥泵房，在污泥泵房内共安装污泥泵6台，分别负责6组交替式生物处理池的排泥。每个污泥泵经 管道由电动阀门控制分别从处理单元中的2个沉淀池中抽泥，排泥时间设在沉淀后期。排泥管道按两 台污泥泵同时工作设计。
经计算污泥产量为32吨干泥/天，泥龄为14天。污泥含水率按99.2％计，污泥产量4000吨/天，每组生物池每天排泥667m3。按每个周期排泥2次，每次15—20分钟计，选污泥泵流量为0.1m3／s，扬程7.5米。
3、结语
UNITANK工艺据有独特的优点：第一，与传统活性污泥法相比，可不设回流污泥系统及沉淀池刮泥机，投资低，同时由于设备种类较少，便于维护管理，降低了日常检修费用；第二，运行周期和时序可根据进水水质和出水水质要求进行调整，形成厌氧、缺氧和好氧交替状态，实现除磷脱氮功能，运转灵活；第三，采用矩形池结构，生物池共同隔墙布置，可节省土建费用和工程建设用地；第四，系统为连续运行，出水采用固定堰，不设浮动式滗水器，水面基本桓定，另外池中约有三分之二的设备同时运行，与SBR工艺相比，其容积和设备利用率高。
UNITANK工艺虽有许多优点，但也有一定的适用范围。在选择该工艺时应该考虑以下问题：
第一，进水BOD浓度较高时，建议考虑采用两级UNITANK工艺。本文介绍的是单级UNITANK工艺，即进水只经过一级生物池处理，当进水水质较高时，如BOD高于500mg/L时，可采用两级UNI-TANK工艺，即用两级生物池处理，第一级生物池按高负荷厌氧或好氧方式运行，第二级按低负荷好氧方式运行。目前，西格司公司已有两级UNITANK工艺的工程业绩。
第二，出水水质有除磷要求时，应慎重考虑是否选用该工艺。该工艺除磷脱氮过程的原理是：通过在沉淀末期和曝气期中间加入非曝气搅拌期，形成缺氧和厌氧状态，完成脱氮和生物除磷功能。但是，从实际运行看，很难形成生物除磷的理想状态。因为，在非曝气搅拌期，水中大量的硝酸盐会消耗溶解 性BOD，降低有效BOD／P比值；进水中溶解性BOD在生物池内被大量稀释，除磷菌可摄取的BOD量减少，在厌氧阶段磷释放不彻底。因此生物除磷功能很难保证。从工程业绩看，西格斯公司自1987年至1997年已有187座该工艺处理厂投产，但无生物除磷记录。所以，选择该工艺生物除磷时应慎重考虑。
第三，处理水量过大时，应充分考虑该工艺的复杂性，由于工艺运行、结构设沉降缝和抗浮等原因的限制，处理池每格的尺寸宜控制在40×40米范围内。当处理水量增加时，处理单元数也会增加，致使配水、出水、冲洗水和剩余污泥排放等设备随着单元数而增加，大大提高了实际运行的复杂程度。从自动控制方面看，10万吨/天处理规模的污水厂，氧化沟工艺的I／O数量只需1200点，而该工艺为3000点以上，随着处理单元数量增加，其控制量也将成倍增加。所以，该工艺在规模较大处理厂应用时，应进行全面考虑。
综上所述，UNITANK工艺更适用于中小型污水处理厂，在一定的范围内，可以替代其它活性污泥法，有独特的优点，并具有较强的竞争力。
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