组合活性污泥－生物膜序批式反应器和工艺

摘要

本发明涉及一种新型生物膜－活性污泥序批式反应器(SBR)和工艺。该反应器包括至少一个与一第二池互连的第一池，以在其中贮存污水并从其中将污水排出；分别为每个池配备的可独立控制的阶段第一和第二阶段形成装置；设在每个池中以用于生物体生长的载体；以及用于控制每一阶段形成装置的操作以分别为生物体在每个池内的载体上生长创造条件。该反应器利用了用于接收连续或间歇式污水流入的多阶段SBR结构。每个阶段具有独立控制的连续或交替厌氧/缺氧/好氧操作，并且具有或不具有混合和来自其它阶段的循环。该结构和运行取决于处理目标和出水排放标准。

说明书

技术领域

本发明涉及污水及废水处理，特别是涉及利用序批式反应器系统以生化方法处理废水。

背景技术

虽然现时很多发展中国家仍广泛并适当地采用一些基本的废水污水处理技术，如土地/草地渗透、化粪池/渗滤坑和稳定池，但是这些技术只能应付一些较宽松的排水指标。要应付不断收紧的排水标淮，必须利用一些先进生化处理技术。这些先进技术主要利用在好氧和/或缺氧和/或厌氧处理条件下的微生物活动来满足不同或多种处理目的。这些处理目的可以是去除简单的有机物(生化需氧量[BOD]、化学需氧量[COD]、有机碳源[TOC]、总悬浮固体[TSS]等以应付严谨的营养素(氮[N]、磷[P])排放标准，同时去除复杂的有机物和/或有毒害物质。

生化废水处理技术可利用涉及处理工艺中生物体(生物质)、流量、运行、结构等的出现的多种类别进行分类。

这些类别包括但并不限于：

·流量：进入/排出或停留于系统内的废水的分配，其可以是连续性或间歇性工艺；

·运行：系统的控制和运行，其可以根据不同运行参数如流量、容积、曝气、温度、酸碱值、搅动、回流、剩余污泥废弃率等进行连续式或间歇式运行；

·生物体(生物质)：用于去除污物的微生物。该生物体可附着于载体的表面上形成生物膜或培养于通常已知为活性污泥的悬浮液中；

·污泥：用来表示反应器内的不同种类的生物体，如：活性污泥、废弃污泥、有硝化功能的污泥。对于本发明，术语“污泥”用于强调其达到污水处理目的的独有特性，并在其固定于载体上时呈生物膜的形式和/或悬浮于液体中时呈活性污泥的形式；

·载体(生物滤球)：用于附着生物体的薄膜的不同种类的承载介质。该载体可采用不同材料制成(其例子包括但并不限于木条、碎石、陶瓷、合金、塑胶、橡胶、回收轮胎)，并可以移动(即在池中自由移动)或固定(即不能移动或附着于池中进行有限移动)；

·池：用于盛载污水的主要物理结构。池可以具有与反应器或生物反应器相同的含义。反应器可再分成不同的池，而池也可分成不同的分池。为简明起见，其它类似术语如“水槽”等将不在这里使用；

·阶段：污物去除工艺中的主要生化或生物反应功能，如去除含碳物、含氮物(硝化和/或反硝化功能等)、含磷化合物。在任何系统中，污物去除的不同阶段可能在不同的池或多个池/分池内进行。它们典型地以与其它阶段不同的方式构造和运行，以获得主要功能；

·反应器：污水处理厂所用的池，可包括化学、物理、生物处理工艺等；

·沉淀(澄清)：如利用二级沉淀池或SBR的沉淀期等使生物体与分离以产生出最终排放物的工艺；

·生物选择器：可选的初始阶段，在此生物体首次接触污水，并建立较高的初始有机食物浓度：微生物比例(污泥负荷F/M)或絮凝物负荷，以增强生物体的特性，尤其是最小化细菌膨胀和泡沫化。该生物选择器可具有不同的种类(好氧/厌氧/缺氧或它们的组合)和设计。

每种组合具有不同的优点和缺点，从而使得它们可以在经济和节省空间方面适用于不同用途。

现有可用技术：好氧(完全或部分)处理工艺

活性污泥工艺

活性污泥(AS)工艺是现时最广泛采用的污水处理系统。该系统可应付非常严格的出水BOD/COD和营养素排放标淮。废水与悬浮生物体搅动混合而成的混合液典型地持续不断地流经整个系统。因此，AS便处于不同的条件下。微生物(尤其是好氧)于以下特定条件下通过新陈代谢反应将污染物转化成固体(生物体或污泥)和/或气体，同时产生水份：

1.只去除有机物质：在全好氧条件下；

2.只去除有机物质和氮：在好氧和缺氧条件下；

3.去除有机物质、氮和磷：在好氧、缺氧和厌氧条件下。

经过生化废水处理后，生物体必须从废水中分离，从而处理后的排出水才可以排放。该分离通常是利用重力沉淀或加压澄清进行。为了促进该分离工艺，运行中的混合液悬浮固体(MLSS)浓度或活性污泥浓度要普遍限制在小于3500mg/L。而生物废水处理最终产生的剩余污泥需要进一步处理，通常是污泥消化和/或脱水。

在处理过程中，培养一些生长缓慢及敏感的细菌如硝化菌和可分解复杂顽固的有机物质的细菌构成污水处理的速率限制，因此需要较高的运行泥龄以获得理想的排水水质。所得到的低食物：微生物比例(F/M)导致大容积的生物反应器。为去除营养素，必须另加厌氧/缺氧池。

二级沉淀池也需要较大的容积，尤其是当运行泥龄较高时，这会导致不良的污泥沉淀性。处理剩余污泥时也需要庞大的资金和高营运费用。另外，兴建池和沉淀池也需要较大的土地面积。因此，在人口稠密的地区，土地不足限制了应用带有沉淀池系统的传统活性污泥工艺的可行性。

序批式反应器(SBR)活性污泥工艺

为了减省分离的二级沉淀组件，充入-排出或分批处理系统如序批式反应器(SBR)得到重新采用。在这些SBR系统中，利用活性污泥和循环式时间控制开关运行，整个处理池均可作为沉淀池。利用高效能的控制设备控制所有组件运行，以达到高处理标准。

在第二代SBR技术(SBR2)中，与其他传统连续流式AS系统相似，引入生物选择器及分离厌氧/缺氧池，以分别控制丝状菌膨胀和泡沫化以及完善营养除去功效。不过，由于SBR系统仍然普遍需要较大(50％)的污泥部分处于未受曝气的环境，导致采用较高的运行泥龄及MLSS浓度，因此SBR工艺受到需要较大型水力反应器的限制，此外SBR还需要较长时间去沉淀分离生物体和撇去处理完的出水。典型的水力停留时间(HRT)介于15至24小时。另外，在每一运行周期的某一部分，撇水器和曝气头均会被闲置一段时间，因此构成了“资金闲置”，浪费了资源。

生物膜工艺

生物膜系统附设在生物体系统上，其利用一固体承载介质或(多个)载体供生物体附着生长。剩余的生物膜会从载体上剥落，因此这种工艺仍需利用二级沉淀池(较小的)。传统生物膜系统包括滴滤池(Trickling filter)、旋转生物接触器(Rotating biological contactors，RBC)和潜入式曝气过滤器(submerged aerated filters，SAF)。虽然它们均为较小型的系统，但却面对不完善反应环境控制、如混合搅拌及氧气运送、缓慢的重新启动和复原时间、闭塞及形成复杂的生态环境等问题。新型的系统包括生物曝气过滤器(biological aerated filters，BAF)，其依赖固定介质的反冲洗除去剩余的生物膜。

混合工艺-生物膜和活性污泥的组合

在这些比较新式的工艺中，载体(固定或可动)和活性污泥法被放置于同一处理系统中。固定载体AS系统，如活性滴滤池和供气活性RBC系统主要应用于高负荷的废水处理。它们包括带有下游AS系统的固定载体生物膜系统，以达到所需的出水排放标准。相比之下，移动式生物膜载体被结合在AS系统中，以用于处理低负荷废水中的硝化连带/不连带反硝化反应。这些技术包括流动床式生物反应器(moving bedbioreactor，MBBR)和序批式生物膜反应器(sequencing biofilm batch reactor，SBBR)，其通过简单地在反应器池中加入载体的方式构成。

由于HRT不依赖于泥龄，这些混合工艺的优点包括小巧的印迹(较小的处理体积)。但是，这些混合系统仍然存在与生物膜技术同样的问题，尤其是不能完善地控制反应条件。

现有可用技术：厌氧处理工艺

厌氧处理为一工艺，其涉及(1)通过生化水解将废水中的颗粒转化成可溶性有机物，然后再转化成短链有机酸，以及(2)产生气体(甲烷和二氧化碳)，所有过程均在厌氧状态下进行。

厌氧处理技术适于处理高负荷工业废水和大型城市污水处理分流出来的高浓度废水。但是，该技术很难达到典型的出水排放标淮，而且该工艺没有去除营养素的能力。因此，需要在下游位置安装好氧处理池。同时厌氧处理产生出来的甲烷可被用于能量生产。

低技术系统(低反应率/庞大容积)被多年来广泛应用于不同用途。现代的典型用途包括污泥和固体废物消化和处理池。二阶段式高效厌氧工艺于近年来被发展，其优点在于高反应效率和低HRT(如一日)。高效处理广泛应用于高负荷可溶性有机工业废水和偶尔用作生活污水处理。

在第一阶段，在连续进料搅拌进水池反应器中将输入的有机碳转化成短链有机酸。在第二阶段，该有机酸再转化成甲烷和二氧化碳。该生物体通常形成絮凝物或在合成介质上生长，它们的生长速度较慢并对酸碱值较敏感。运行温度可调节为高温或中温。

现时有很多厌氧反应器可供选择，包括上流厌氧污泥毯(Upflowanaerobic sludge blanket，UASB)、接触或内循环反应器(Contact orinternal circulation reactor)、固定生物膜/床反应器(fixed film/bedreactor)、混合流化床(hybrid fluidized bed，FB)和扩张式颗粒污泥毯(expanded granular sludge blanket，EGSB)。这些工艺主要着眼于第二阶段的稳定性，但很少(如果有的话)注意第一阶段的改进。因此它们的共同局限在于较差反应条件控制。

因此，本发明的目的在于利用一新型混合SBR技术提供一全新、改良的废水处理方法。

发明内容

根据本发明的该目的，一方面提供一种用于处理废水的系统(也称为SBR3系统)，其包括至少一个反应器。该反应器包括至少一个第一池，该第一池与一第二池互连，以贮存废水以及排出废水。所述池设有用于进水以及出水的装置，以允许至少一个池内的水位可被充填至进水水平以及排出至较低的排水水平。分别为每个第一池和第二池提供可独立控制的第一和第二阶段形成装置。在每个所述池中，还设有用于生物体生长的载体。一控制所述第一和第二阶段形成装置的运行的控制器被设置，以便在一生物反应阶段中使生物膜生物体在所述第一池中选择性地在所述载体上生长为第一污泥，且所述第一污泥适于在所述废水中实施一第一生物反应阶段，且生物膜生物体适于在一第二生物反应阶段中在所述第二池中选择性地在所述载体上生长为第二污泥。

所述阶段形成装置可以是该系统中的任何设备或固有设计，以能够维持适当的生物反应器功能所需的反应条件。在优选实施例中，该阶段形成装置包括至少一个搅动器、曝气器、制气器、加热器、冷却器，泵或它们的组合，以控制运行参数，如氧气、氧化还原电位(ORP)、温度、酸碱值和水位，用以进一步监控每一阶段的运行情况。

在其中一实施方式中，第一池与第二池通过一分隔壁分隔，而在该分隔壁中设有开口，以便废水和生物体(活性污泥)或混合液自由流动于两池之间。这允许两池作为一单一SBR单元，同时水位在进水和撇水时均具有同样的高度。在另一实施方式中，分隔两池的分隔壁可以比反应器的侧壁的高度低，同时在第一池中安装进水装置，在第二池中则安装撇水装置。在这种实施形式中，当第一池完全充水后，废水或混合液体便会溢流进第二池，而撇水只会在第二池进行。

在另一优选实施例中，该系统可选择性地包括一第三池和回流装置，以用来连接第一池和/或第二池。该回流装置如泵及相关的管道可用来运送第一池或第二池的生物反应中所产生的混合液至第三池，以进行另一阶段的生物反应。或者，第三池可按照如分隔第一池和第二池的方式通过分隔壁将第三池与第一池和/或第二池分隔。

活性污泥生物体也存在并悬浮于混合液中。如果活性污泥允许混合在一起，该活性污泥由从不同阶段的生物膜载体上剥落下来的生物膜生物体组成。该活性污泥可以提升污水处理效能，以达到特定的目标。不过，有些反应条件不论有或没有外加一个或多个反应阶段，都需要该特别加强作用的特定污泥去达到不同于每个独立阶段的生物膜生物体的不同污水处理目标。

根据使用者的需求，如需要的话，一可选的第四池被提供，以适于接收来自第三池的废水和混合液，以便另一阶段的生物反应。根据使用者的要求，连接装置和分隔壁可按照之前提及的类型连接和循环废水于四个池子之间。

为达到不同的污水处理目标，可增加更多的生物反应阶段和污泥。

根据本发明的另一方面，提供一种处理废水的方法，其采用至少一个反应器，该至少一个反应器包含互连的至少一个第一池和一第二池。该池还设有供生物体在其上附着生长的载体。该方法包括将污水引进第一池和可选地引进第二池；分开控制所述池的运行条件，以使得在所述第一池中产生第一条件，以适于第一生物体附着在所述载体上生长，从而形成适于第一生物反应阶段的第一污泥，以及在所述第二池中产生第二条件，以适于第二生物体附着在所述载体上生长，从而形成适于第二生物反应阶段的第二污泥；以及在至少一个池处理完毕后，排空其中的废水。根据使用者的需要，将被控制的系统运行条件可包括第一池和第二池中的溶解氧、酸碱值、温度、水位和废水水力。

在该方法的一实施方式中，第一阶段为缺氧反硝化反应，第一条件为无曝气的污染物去除；第二阶段为好氧硝化反应，第二条件例如通过向包含生物体的载体曝气以在第二池中产生充足的氧气形成第二条件。在此方面，第一或第二污泥和它们所附着的载体优选比用于处理的混合液的密度大；通过调节不同SBR运行条件，如调控曝气，包括间歇性曝气，以使载体间歇性悬浮于第一池或第二池内，便可产生第一和第二条件。

在另一种实施方式中，该反应器可进一步包括一第三池，该方法进一步包括用来将在第一池或第二池中生物反应后产生的混合液运送到该第三池。作为进一步的可选实施方式，该反应器可包括一第四池，该方法进一步包括将混合液从第三池运送到第四池。在第三池和第四池中可以进行的生物反应例如包括脱碳或除磷。一些有用的组合方式在下面大体介绍，而进一步的细节将在下面的详细描述中讲解。为了区分现有的SBR系统与本发明，下文也用术语“SBR3”表示根据本发明的系统。

该SBR3系统采用一多阶段和多池结构，其结合有固定和/或可动生物膜载体，并具有/不具有生物选择器。至少一个池必须以SBR模式运行(即具有自动计时循环运行和可变式容积操作，包括预设最高与最低水位等)。同时，SBR3还必须包含至少两个反应阶段和两个池。在这些池中，运行参数将被优化至最理想状态，以产生出高效的污泥，这也是SBR3达至改进的高效能的关键。

与之相关的不同运行阶段和污泥将根据各自的主要功能列出如下：

对于好氧(完全或部分好氧)处理：

BS：RC，DN，P以及提升污泥的沉降性，其基于减少引致污泥膨胀及泡沫的丝絮菌

N：硝化

DN：反硝化

P：除磷

RC：去除容易被生物降解的碳源

SC：去除缓慢被生物降解的碳源

对于厌氧(部分厌氧)处理：

HP：水解作用

AC：产生有机酸

MP：产生甲烷

该革新的新系统结合现有SBR、AS和生物膜系统的优点，以提供一较小型、灵活、稳定、坚固、抵御水力和有机负荷冲击的系统，从而可生产出成本合理及占地少的高水质排水。SBR的特点如小型的组合式结构、高性能的工艺控制被加强，同时生物膜系统的坚固特性和降低的沉淀需求被结合进来。

该SBR3可以达到任何一种或多种生物处理目标(即生化或功能性阶段)，取决于系统如何运行和/或构造。该SBR3系统可准确地切合污水处理要求，包括去除：1)总悬浮固体(TSS)与有机物质(尤其是较慢受生物降解的有机物)；2)TSS、有机物质和含氮物(N)；3)TSS、有机物、N和含磷物质(P)等。该SBR3还可以应用在间歇式或连续式进水模式。

举例来说，在多种污泥及多阶段运行的SBR3工艺中，第一池内的载体(固定/移动)和/或混合液可含有高效有机物降解(RC)和/或反硝化(DN)功能的污泥，该第一池可根据实际运行模式维持在厌氧/缺氧/好氧条件(环境)。生长缓慢的细菌如硝化菌(其限制AS系统的速率)便会茂盛地附着于随后的SBR模式的好氧池内的载体上。该生物膜为具有硝化(N)功能的污泥。因此，MLSS浓度便可优化/最小化，以允许快速沉降及排水，从而达至最高水力处理量。

在好氧处理中，载体可容许使用较经济的粗大气泡曝气器及射流曝气器，这些曝气器有着与薄膜微气泡曝气器同样的供氧效率。该系统能够同时兼存好氧和缺氧条件的能力允许同步进行硝化-反硝化反应，以提高和促进N的去除。

另一种富有弹性的运行方式是当出现高流量进水时，负责排水的池便会停止曝气和搅动，并只作连续式沉降/沉淀与排水。

SBR3的结构和运行模式取决于被处理废水的特质及出水排放的要求。以下列出多种SBR3的示范性应用，以迎合不同的特定废水处理目标。注意，术语“好氧”、“缺氧”、“厌氧”只代表运行阶段的主要反应条件或环境，并不排除其它反应条件或环境的出现(如典型地，SBR运行模式具有一些不曝气的沉降/撇水时段)。

好氧(完全/部分好氧)处理

1.用于仅去除有机物及悬浮固体的二污泥SBR3工艺

a)二阶段式好氧-好氧工艺(将于案例1中详述)

b)三阶段式好氧-好氧-好氧工艺

上述结构的一例子是利用第一阶段除去容易被生物降解有机物(RC阶段)以及后两个阶段用作除去两种不同较慢和不容易被生物降解的有机物(SC1及SC2阶段)，其中在RC阶段，RC污泥被培养成生物膜附着在固定或间歇性悬浮载体上(主要功用：除去容易被生物降解的有机物)以及在SC1与SC2阶段中，SC污泥形成生物膜附着在悬浮的载体上(主要作用：除去两种不同的缓慢被生物降解的有机物)。

2.用于仅去除有机物-悬浮固体-氮的二污泥SBR3工艺

a)二阶段式交替缺氧/好氧-缺氧/好氧工艺(将于案例2中详述)

b)二阶段式交替缺氧/好氧-好氧工艺

c)二阶段式缺氧-好氧工艺

以上结构的一例子是利用一个阶段用于硝化反应(N阶段)以及一个阶段用于反硝化反应(DN阶段)，其中在DN阶段，DN污泥生长为位于固定载体上的生物膜(主要作用：反硝化)，而N污泥则作为生物膜存在于N阶段的悬浮载体上(主要作用：硝化)。

d)二阶段式好氧-缺氧工艺

以上结构的一例子是利用一个阶段用于部分硝化反应，即亚硝化反应，由NH₃-N氧化至NO₂-N(N阶段)和反硝化(DN阶段)，其中加入阿摩尼亚或者外碳源，在DN阶段中，DN污泥形成生物膜附生在固定载体上(主要功用：反硝化反应)以及在N阶段中，N污泥以生物膜形式附生在悬浮载体上(主要功用：硝化反应)

3.仅用作有机物-悬浮固体-磷的除去以及硝化反应的二污泥至三污泥式SBR3工艺

a)二阶段式交替厌氧/好氧-好氧工艺

b)三阶段式厌氧-好氧-好氧工艺

以上结构的一例子为利用其中一个阶段进行硝化(N阶段)和除磷(P1及P2阶段)反应，其中在N阶段中，N污泥形成生物膜附生在悬浮载体上(主要作用：硝化反应)以及在P1和P2阶段中，P污泥以生物膜附生于悬浮载体上或混合液中(活性P污泥)。活性P污泥以悬浮形式流动于P1和P2阶段或全部阶段中(主要作用：以循环式厌氧排磷和好氧吸磷形式除磷)

4.用于有机物-悬浮固体-除磷脱氮反应的二、三和多污泥式SBR3工艺

a)二阶段式交替厌氧/缺氧/好氧-好氧工艺

b)二阶段式交替厌氧/缺氧/好氧-缺氧/好氧工艺

c)三阶段式厌氧-缺氧-好氧工艺(将于案例3中详述)

d)三阶段交替厌氧/缺氧-好氧-好氧工艺

e)三阶段交替厌氧/好氧-缺氧/好氧-好氧工艺

f)三阶段交替厌氧/缺氧-缺氧/好氧-好氧工艺

g)三阶段交替厌氧/缺氧-缺氧/好氧-缺氧/好氧工艺

h)三阶段交替厌氧/缺氧/好氧-缺氧/好氧-好氧工艺

i)三阶段式交替厌氧/缺氧/好氧-缺氧/好氧-缺氧/好氧工艺

除了加入一第三阶段(P阶段)以用于除磷反应外，以上结构的一个例子与前述任何一种用于有机物-悬浮固体-脱氮的二污泥式SBR3工艺相同，该第三P污泥可以附生在载体上形成生物膜，或者由活性P污泥组成，其悬浮及流动在所有池中(主要作用：以循环式厌氧排磷及缺氧/好氧吸磷式除磷)。

厌氧(完全厌氧)处理

1.用于除去有机物-悬浮固体和产生甲烷的二、三和多污泥式SBR3工艺

a)双阶段式厌氧-厌氧运行

以上结构的一个例子采用一阶段用于有机颗粒的水解及产生短链有机酸(HP-AC阶段)及甲烷(MP阶段)。在HP-AC阶段中，HP-AC污泥形成生物膜附生于间歇性悬浮载体上(主要功用：有机颗粒的水解及产生短链有机酸)，以及在MP阶段中，MP污泥形成生物膜附生在悬浮载体或混合液中(主要作用：产生甲烷)

b)三阶段式厌氧-厌氧-厌氧工艺(将于案例4中详述)

以上结构的一个例子利用一阶段用于有机颗粒水解(HP阶段)以及产生短链有机酸(AC阶段)和甲烷(MP阶段)。在HP阶段中，HP污泥形成生物膜附生于间歇性悬浮载体上(主要功用：有机颗粒的水解作用)，在AC阶段中，AC污泥附生在间歇性悬浮载体上(主要功用，产生短链有抗酸)，以及在MP阶段中，MP污泥形成生物附生在悬浮载体或混合液中(主要作用：生产甲烷)

因为本发明的高程度的监控功能，即使废水含有不同种类的污物仍可以最有效率、最快捷及最经济的方法除去。

附图说明

图1示出了根据本发明的一方面的系统。

图2示出了根据本发明的另一方面的系统。

图3示出了根据本发明的另一方面的系统。

图4示出了根据本发明的另一方面的系统。

图5示出了根据本发明的另一方面的系统。

图6示出了根据本发明的另一方面的系统。

图7(A)及7(B)示出了利用图1的系统的二阶段二污泥好氧-好氧SBR3工艺的SBR循环顺序。

图8(A)及8(B)示出了利用图2的系统的二阶段二污泥缺氧-好氧SBR3工艺的SBR循环顺序。

图8(C)为列出污水处理厂1(STW 1 site #1)在五天期间的平均进水水质数据的表格。

图8(D)为列出污水处理厂1在五天期间的SBR3的平均出水水质数据的表格。

图8(E)为列出污水处理厂1在五天期间的传统SBR的平均出水水质数据的表格。

图8(F)为列出污水处理厂2(STW 1 site #2)在五天期间的平均进水水质数据的的表格。

图8(G)为列出污水处理厂2在五天期间的SBR3的平均出水水质数据的表格。

图8(H)为列出于污水处理厂2在五天期间的传统SBR的出水水质数据的表格。

图8(I)以图表表示使用SBR3的污水处理厂1为期六十六天运行的每日出水氮浓度。

图8(J)以图表表示使用SBR3的污水处理厂2为期七十八天运行的每日出水氮浓度。

图8(K)以图表表示使用SBR3污水处理厂2为期九十三天运行的每日出水磷浓度。

图9(A)及9(B)示出了利用图4的系统的三阶段-三污泥厌氧-缺氧-好氧SBR3工艺的SBR循环顺序。

图10(A)及10(B)示出了利用图6的系统的三阶段-三污泥厌氧-厌氧-厌氧SBR3工艺的SBR循环顺序。

具体实施方式

根据需要，本发明的详尽具体形式将于下文披露；但是，应当理解，以下所披露的具体结构仅作为示范参考，本发明可以不同形式实施。因此，这里详细描述的特别的结构和功能性细节并不构成限制，文中所描述的仅为权利要求的基础以及作为教导本领域的技术人员以任何适宜具体结构应用本发明的代表性依据。为便于描述，在所有附图中，流入系统的废水指示为I；空气指示为A；出水指示为E以及污泥指示为“S”，而不再进一步解释。

参照图1，作为本发明的范例的第一实施例示出了一系统110a，其具有三个(反应)池114、118和122，该三个池通过分隔壁112a和112b中的开口水力互连。池114作为一个可选的生物选择器，以选择出所需的絮体形成微生物。为提供曝气，空气经粗大气泡曝气器116由供气系统116a提供，以进行搅拌混和以及为池118、122曝气。另外，系统116同样可提供可选的间歇性曝气于生物选择器114中。池118含有适于某一生物反应阶段的污泥，而这些污泥会选择性地附生在载体120上。载体120虽是移动式的，但是只要不启动池内的粗大气泡曝气器116以及供气系统116a的运行以进行搅动混和，载体便可保持沉降于池底。池122中含有适于另一生物反应阶段的第二污泥，该污泥也会选择性地生长于可移动载体124上。废水经进水系统115流入池114，而来自池122的混合液经回流系统128也可能流入池114中。池122中设有设备126，以去除上清液成为出水。

图2示出例举本发明的另一实施例，除了在系统210b中混合液经回流系统230从池222循环到池214及218中外，其结构与图1相似。

参照图3，例举本发明的第三实施例示出了一系统310c，其具有四个池332、334、336及338，它们通过分隔壁312c、312d及312e中的开口水力互连。池332作为一个生物选择器，在没有曝气和搅动混和的情况下选择所需的絮体形成微生物。池334包含有污泥，该污泥适于在某一生物反应阶段选择性地附生在载体320上。池336及338含有第二污泥，该污泥适于在另一生物反应阶段中选择性地附生于移动式载体324上，并可为了测试目的在每一个池中建立不同的反应条件和参数，例如载体的容积百分比。池332接收经进水系统315而来的废水以及经回流系统340从池338流入的混合液。混合液也可同时经由相同的系统340循环到池334。为提供曝气，空气经供气系统316a从粗大气泡曝气器316提供，以搅动混和以及为池334、336和338供气。池338中提供一个可变容积的撇水设备342。池338中还提供一设备343a，以去除上清液成为出水。

图4示出了本发明的另一实施例的系统410d，其含有四个池444、446、448及450，它们由分隔壁412f、412g及412h中的开口水力互连。在这种实施方式中，池444及446中没有载体用于保持选择性适于某一生物反应的污泥。反之，所有池中的活性污泥为第一污泥，以提供循环式生物反应，而第一阶段的反应尤其与池444及446相关。池448含有用于另一生物反应阶段的第二污泥，其选择性地附生在移动式载体420上。池450含有用于第三生物反应阶段的污泥，其选择性地附生在移动式载体424上。池444及446将接收通过进水系统415b进入的污水。池444及448也可接收从池450经回流系统452而来的返回混合液。混合液也可从池448通过可选的回流系统453循环到池444。为提供曝气，空气可由粗大气泡曝气器416经供气系统416a提供，以搅动混和以及为池444、446、448和450供气。池450中设有设备426，以去除上清液成为出水。

图5示出了本发明的另一实施例的系统510e，其含有六个池554、556、558、560、562及564，它们由分隔壁512i、512j、512k、512l、512m中的开口水力互连。为试验目的，不同的反应条件及参数均可在不同池子中设定。池554及556中没有载体用于保持选择性生长的污泥以及没有曝气或搅动混和。反之，流经所有池中的活性污泥为提供循环性生物反应的第一污泥，第一阶段反应尤其与池554及556相关。池558及560含有选择性地附生于移动式载体520上用于另一生物反应阶段的第二污泥。池562及564含有位于移动式载体524上用于第三生物反应阶段的第三污泥。池554及556接收经由进水系统515c进来的废水。池554及558也可接收从池564经回流系统566的混合液。混合液也可从池560经另一回流系统568循环到池554。为提供曝气，空气可由粗大气泡曝气器516经供气系统516a提供，以搅拌混和以及为池558、560、562及564供气。池564提供有一可变容积撇水设备542。池564可提供一设备543b，以撇出上清液成为出水。

图6示出了本发明的另一实施例的系统617。三个池601、602及603水力互连在一起。壁614分隔第一池601及第二池602，而壁615则分隔第二池602及第三池603。进水系统613连接第一池601。池601、602及603中分别提供了载体609、610及611。搅拌器(混合设备)605安装在三个池的池底。分隔筛606在搅拌器之上贴近池底地水平安放在三个池子中。池601、602及603分别安装有盖子618、619及620。第一回流系统604被设置，并连接池603、602及601。第二回流系统612被设置，并连接池601及602。撇水器(撇水设备)616安装在池603内。用于收集气体的608的装置则由设备608提供。

废水经进水系统613进入第一池601。该废水再由池601经由分隔壁614、615中的开口流入第二及第三池602、603。各池中的载体609，610的运动通过控制搅拌器605的操作(如间歇式搅动)进行控制。利用第一回流系统604将混合液由第三池603分别返回到第一池601及第二池620。第二回流系统612将混合液从第二池602返回到第一池601中。第三池603中的撇水器616用于去除上清液成为出水。池盖618，619及620用于保持池内厌氧反应条件(或环境)及保存气体，如在池603中产生的生化气体气泡607。池603上的池盖620与生化气体收集系统608相连。

例子

四个关于本发明的案例将于下文详述：

案例1：仅仅用于有机物及悬浮固体除去的二阶段及二污泥好氧-好氧工艺

其中一种可行的二阶段式二污泥SBR3系统结构在图1中展示。而SBR3工艺的循环顺序也展示在图7A及7B中。循环首先从步骤7A1开始，经过7A2、7B1及7B2，然后返回步骤7A1。在该工艺中，三个池子用作：

(1)第一RC阶段(在第二池118中进行)；及

(2)第二SC阶段(在第三池122中进行)。

为了方便生物反应过程的描述，以下描述只含有某些生化阶段而没有进一步参照图1、7A或7B所示的特定池。应当理解，这些反应过程发生在相应的池中。

根据该案例，RC阶段的生物选择器作为RC阶段的其中一部分。这种设计包含有RC阶段，其中RC污泥附生于移动式载体上，载体在没有外部搅拌或混合时维持沉降在池底；以及SC阶段，其中SC污泥附生在移动式载体上。一可变容积排空设备(撇水器)安装在SC阶段中(在图7A及7B中展示)，其可改变第三池的废水水位。注意，在该案例中，虽然RC阶段具有恒定的容积，但是其也可建成可变容积的。

BS(如有的话)或RC阶段(假设没有BS阶段)接收连续或间歇性进入的废水以及收集从SC阶段进来的循环混合液。RC阶段用作去除高效率好氧有机物。可能存在的硝酸盐及亚硝酸盐原本存在于废水中或在RC和/或SC阶段中，或由废水中的亚摩尼亚产生出来。在该案例中，当限制曝气或暂停曝气时，混合液从SC阶段循环到RC阶段用于反硝化反应。构成RC污泥主要是生长快速的细菌，其能够分解容易被生物降解的有机物。在这里所使用的载体是移动式的而且因为比水稍重，所以维持在接近池底的地方。载体占池70％的空间并让生物体附着生长。利用间歇性搅动混和或曝气，可移动式载体便可以短暂地悬浮在池中。

任何装置均可以用来作曝气之用，只要其能提供合适的反应条件或环境，例如：自然重力(例如水流)、混合式重力及压力曝气、压力曝气等。在压力曝气方面，空气可从大气泡曝气器提供搅拌混和及曝气。虽然使用大气泡曝气器，但依然接近细气泡曝气器的高效供氧能力，因为大气泡在载体中能有较长的停留时间及可利用载体将大气泡打散至细气泡。因为有高浓度的生物体在RC阶段中，所以在此阶段可除去高达或超过90％的容易被微生物降解的有机物。

RC阶段的混合液可以通过任何流动连接装置，例如溢流、管道、底流泵等与SC阶段的混合液接触及混和。而在每个开口都有网筛，以防止任何生物膜载体从一个阶段池流到另一个阶段，同时容许活性污泥通过。活性污泥含有一些生物膜生物体也有助于达到处理要求，但是并不与某一阶段有关。另一方面，混合液可以停留在RC阶段而不使用载体，然后RC污泥便会包含那些停留的活性污泥。

在SC阶段中，根据撇水的百分比，悬浮载体占池高达70％的容积而且可使用大气泡曝气器供气。在曝气顺序(SBR运行模式)中，此阶段用作除碳及分解不容易被生物降解的有机物。虽然硝化反应可能并不是主要的目标，但也没法避免。至于比较不容易被生物解的有机物如耐性有机物，HRT必须延长以及生物膜载体的百分比需要增加，以让更多缓慢生长的细菌附生在载体上，因为该细菌必须不依赖于运行泥龄。因此，SC污泥的生物膜将具有独特的成份。在沉淀及撇水运行过程中，SC阶段也可以作为二级沉淀池进行泥水分离以及循环MLSS到RC阶段。

SBR3的运行周期长短可以在少于两小时至数日之间。总HRT可以短于六小时。RC阶段可采用固定或可变容积运行，而SC阶段则需要以可变容积模式运行。生物选择器可以选择性地采用，以控制生化泡沫及污泥膨胀，特别是如果采用高浓度MLSS的话。剩余污泥的弃置可在沉淀期每一阶段分开或共同在SC阶段处理。

案例2：用于有机物-悬浮固体-氮的去除的二阶段及二污泥缺氧/好氧-缺氧/好氧工艺

其中一种可行的二阶段式二污泥SBR3系统已经展示在图2中。注意，一个可选的生物选择器(BS)已成为DN阶段的其中一部分。案例2中的SBR3工艺的循环阶段运行也展示在图8A及8B中。循环阶段运行首先从步骤8A1开始，经过步骤8A2、8B1及8B2，然后返回步骤8A1。在该过程中，三个池用作：

(1)第一DN阶段(在池218中进行)；

(2)第二N阶段(在池222中进行)。

为了方便生化反应过程的描述，以下描述只含有某些生化阶段而没有进一步参照图2、8A及8B所示的特定池。应当理解，这些反应过程发生在相应的池中。

这种结构包括一个DN阶段，其中包含的DN污泥由载体上的生物膜构成，以及一个N阶段，其中包含的N污泥由载体上的生物膜构成。在N阶段安装有一个可变容积式撇水器(以SBR模式运行)，其展示于图8A及8B中，其中可改动三个池的废水水位。

与案例1相似，DN阶段以连续或间歇方式接收进入的废水以及从N阶段循环的混合液。此DN阶段运行用来进行高效连续式缺氧或交替缺氧/好氧反硝化反应及去除有机物。DN污泥主要由可用作分解容易被生物降解的有机物的快速生长的反硝化菌构成。因为移动式载体比水稍重，所以维持在接近池底的位置，且它们占了池70％的容积及让生物体附着生长。利用间歇性搅动混和及曝气，移动式载体可以暂时悬浮于池中。

只要能提供合适的反应环境，任何形式的装置可以用作供气，例如，间歇性压力供气经由大气泡曝气器提供搅拌混和及曝气需求。

因为有高浓度微生物附着生长，超过90％的容易被生物降解的有机物可以在DN阶段中被除去。在DN阶段中的混合液可通过任何流动连接连续性地与N阶段中的混合液接触混和。在每个开口中均设有网筛，以防止任何载体从一个阶段流进另一个阶段。

N阶段中含有的悬浮载体根据撇水百分比而占池高达70％的容积及利用大气泡曝气器作供气之用。此阶段以交替式缺氧/好氧条件或环境(SBR运行模式)运行以及充当硝化及除碳修正及降解反应。对于那些不容易被生物降解的有机物，例如耐性有机物和/或废水中的抑制硝化反应的物质，HRT必须延长及含有生物膜的载体百分比必须增加，以让更多缓慢生长的细菌(分解耐性有机物)及缓慢生长的硝化菌附生于载体上而不受泥龄长短的影响。因此，含有生物膜的N污泥便会具有独特的成份。在选择的反应顺序中，N阶段还可作为二级沉淀池进行泥水分离及循环已硝化的混合液和MLSS到DN阶段。

SBR3运行循环时间可介于少于两小时至二十四小时。总HRT可短至六小时。DN阶段采用了可变容积运行，而N阶段的运行也是可变容积模式。在高MLSS浓度的情况下，一生物选择器可选择性地安装，以用来控制微生物泡沫及膨胀。剩余污泥可以在每个污泥阶段分开排走或从N阶段的沉降期一同排走。

案例2：实验数据

根据实验建造了两个全自动PLC控制SBR中型反应器，包括在线废水抽样、监测及控制系统。SBR3包括含生物膜的载体，其结构展示在图3中。除了没有含生物膜的载体之外，“传统SBR”基本上与SBR3相同，因此传统SBR工艺用作直接对照。

二阶段式二污泥SBR3测试：两个阶段分别作硝化(N阶段)及反硝化反应(DN阶段)。在DN阶段中，DN污泥附生的可移动式载体在没有曝气的情况下维持沉降在池底(主要功用：反硝化反应)；在N阶段中，N污泥包含的生物膜附生在悬浮式载体上(主要功用：硝化反应)。活性污泥虽然存在于池中，但并没有特别属于任何一特定运行阶段。

试验初期的结构及运行方式

图3及表1分别展示了用于除氮的SBR3的初期结构及运行方式

表1：初期SBR3中型除氮试验装置的结构

注意：传统SBR中型装置中并没有载体(其他则与SBR3相同)

  主要功用           结构及运行方式载体容积％  反硝化    BS阶段50公升(L)不曝气，可变容积    无    DN阶段150公升(L)缺氧，可变容积    50％  硝化    N1阶段200公升(L)SBR循环同期    50％    N2阶段400公升(L)SBR循环同期    33％  不相关  (N/A)    总反应器容积800公升(L)  不相关  (N/A)    总HRT10小时(Hrs)    混合液循环率20％N2至BS及80％N2至DN总共160公升/小时(L/Hrs)    SBR循环    进水容积320(L)公升/循环    进水速率160(L/Hrs)公升/小时    循环时间4小时(Hrs)    进水-曝气2小时(Hrs)    沉淀/非曝气1小时(Hr)    撇水/非曝气1小时(Hr)

两个中型试验式SBR系统在香港的两个不同污水处理厂(污水处理厂1和污水处理厂2)中建立并以并行运行。污水处理厂1的污水含有大部分的工业废水，而污水处理厂2的污水则因含有冲厕用的海水而含有高浓度盐份。两种污水都需要较长的泥龄才能达到硝化反应。

载体及中型SBRs系统均培养从实际的STWs得来的活性污泥。采用在线收集污水，原污水从各自实际的STW经过除砂室处理后收集，然后流过滤网到达贮水池以允许连续收集污水。收集的剩余污水直接循环到除砂室。污水模拟各自实际的大型污水厂的平均日变流量流入SBRs系统。

如表2所示，中型试验装置以分期的实验阶段运行。对于阶段I(第一期)测试，已详列在表1和图3中的初期反应条件(或反应环境)应用在两个污水处理厂中，目的是完全稳定装置的运行。然后，在两个污水处理厂中，运行的泥龄会减短，以便观察系统的脱氮能力(阶段II或第二期)。

在污水处理厂1(Site #1)中，阶段II测试以继续不断改变主要的运行参数及改变载体数量的方式进行，以便观察系统的脱氮能力。连续或交替反应条件(好氧、间歇性或连续性污水输入以及固定或可变容积运行)也被测试。

在污水处理厂2(Site #2)中，并不是所有阶段II测试均会继续。反之，将改变系统的结构及运行方式，以进行配合阶段III(第三期)的除磷测试(将于案例3中详述)

用于初步测试的运行及结构改变

该改变项目于表2中列出，以用于在污水处理厂1和污水处理厂2中进行测试。

表2：用于案例2的示范的运行及结构改变

             污水处理厂1(Site #1) 阶段SBR改进-脱氮 泥龄  天  日期 I传统运行(即典型泥龄运行)  15  45 11/6/02    至 26/8/02 II(a)降低泥龄至低于硝化菌的临界泥龄  5  20 26/7/02    至 15/8/02 II(b)DN：加入间歇性曝氧(即交替缺氧/好氧)。没有改变传统SBR  5  15 15/8/02    至 30/8/02 II(c)所有池：全部改成连续进水DN：没有曝气  5  15 30/8/02    至 14/9/02 II(d)BS及DN：全部改成固定容积运行。撇水量由40％增加至53％所有池：间歇性进水  5  15 14/9/02    至 29/9/02 II(e)N1：变成固定容积及固定曝氧。将载体从N2(33％-25％)转移至N1(50％-66％)。每日的循环阶段运行由6个循环增加至9个  5  15 29/9/02    至 14/10/02 总共  125             污水处理厂2(Site #2) 阶段SBR改进-脱氮 泥龄  天  日期

    I传统运行(即典型泥龄运行)    15    30 21/11/02 至 21/12/02    II减低泥龄至硝化菌的临界泥龄    5    15 21/12/02 至5/1/03   总计    45

污水处理厂1的细节

阶段I-比较采用传统硝化-反硝化运行时二阶段二污泥SBR3工艺与传统SBR(即二阶段一污泥)的脱氮表现及能力。SBR反应器微调，以稳定温度介于26℃至30℃于至少两倍(2)泥龄时间(≥2*15天)，以达到理想的硝化反应(≤2mg/L出水NH₃-N)及反硝化反应(≤12mg/L出水NO₃-N)。而传统的泥龄则大约为15天。

阶段II-阶段II的可再细分为：

(a)测试潜在的最短泥龄及MLSS浓度，其中二阶段二污泥SBR3工艺及传统SBR工艺均在泥龄接近或低于临界泥龄(～5天)而其他运行参数则维持不变的情况下运行至少三倍(3)泥龄时间(≥3*5天)。硝化反应量表现为两种SBR系统评估，直至传统SBR系统与SBR3比较，传统SBR系统只能达到＜30％的硝化反应。临界泥龄是生物体于池内的停留时间，低于该临界泥龄，硝化菌会被冲出生物反应器，这是因为硝化菌的生长速度缓慢而未能维持他们的生长数。

(b)在(a)结束后，DN阶段的间歇性曝氧会在进水-曝气完结时进行测试。这就可为沉降于池底的载体提供间歇搅动混和，即当曝气时，载体只会暂时性悬浮，以促进生物膜良好及一致性生长和防止闭塞及废水与短路。反应条件更可由连续缺氧状态转变成交替缺氧/好氧状态。间歇曝氧只会维持一段短的时间及立即在进水完后进行，以免非必要的有机碳源流失于好氧环境中。反硝化反应的表现将在至少三倍(3)泥龄时间内评估。间歇性曝氧则将于(b)完结后停止。

(c)在(b)完结后，间歇性进水将转为连续式进水而系统的表现也会作出评估。直至经过至少三倍(3)泥龄时间，进水模式便转回间歇式。

(d)在(c)结束后，在至少三(3)倍泥龄时间中，DN阶段(包含BS)中的可变容积运行方式会转为固定容积式的运行，而系统的表现也会作出评估。HRT也将增加撇水容积由40％至53％(可变式容积：N1及N2)而得到维持。

(e)在(d)结束后，N1阶段的可变容积式运行便转成固定容积式运行，并连续曝气及连续悬浮载体至少三(3)倍泥龄时间。HRT则会因增加每日的循环由6个至9个而维持不变。具有硝化功能的生物膜的总好氧时间也会因利用N2阶段的载体将载体容积由50％增加至66％而N2阶段原有的载体容积则由33％减低至25％(因此总载体的容积维持不变)而得到增加。

污水处理厂2的细节

阶段I-比较利用传统硝化-反硝化反应的二阶段二污泥SBR3工艺与传统SBR工艺的脱氮表现及能力。SBR反应器均经过微调至温度界于26℃至30℃于至少二倍(2)泥龄(≥30天)，以获得理想的硝化-反硝化反应。

阶段II-为测试潜在的最低泥龄及MLSS浓度，二阶段式二污泥式的SBR3工艺及传统SBR工艺均在泥龄接近或低于临界泥龄(～5天)而其他运行参数则维持不变的情况下运行至少三倍(3)泥龄时间(≥15天)。硝化反应表现会对两种SBR系统评估，直至与SBR3相比，传统SBR系统达到＜30％SBR的硝化反应量。

结果

图8C-8H展示了已稳定的SBR3在污水处理厂1和2中每5天期间各阶段的24-小时平均进水及出水水质；图8C展示了污水处理厂1的平均进水水质；图8D展示了污水处理厂1的SBR3的平均出水水质；图8E展示了传统SBR在污水处理厂1的平均出水水质。图8F展示了污水处理厂2的平均进水水质；图8G展示了SBR3在污水处理厂2中的装置的平均出水水质；图8H则展示了传统SBR在污水处理厂2中的平均出水水质。

图8I展示了SBR3系统于污水处理厂1中运行65天的每日出水氮浓度；图8J展示了SBR3系统于污水处理厂2中运行53天的每日出水氮浓度；图8K展示了SBR3系统于污水处理厂2于45天的每日出水亚摩尼亚及磷浓度；对于SBRs的任何运行阶段中止，只有完成运行循环的出水样本才会用作测试及记录。

SBR3及传统SBR-硝化-反硝化反应的表现

在每个污水处理厂的阶段I测试中，在污水处理厂2的两个SBR系统以及在污水处理厂1的SBR3系统中，于生物体稳定后都可达到完成硝化反应(出水NH₃-N＜1-2mg/L)及脱氮达～80％(出水NO₃-N＜10mg/L)。污水处理厂1的传统SBR系统的出水具有～4mg/L的较高浓度的亚摩尼亚。污水处理厂1的出水可溶性COD(SCOD)经常性偏高，这是由于进入污水处理厂1的废水大部分来自工业废水。即使两者都具有相似的进水TCOD：TKN比率～10至11，污水处理厂1的出水NH₃-N及NO₃-N均高于污水处理厂2。再者，因为SBR3系统容许较高的总生物体量位于生物膜载体上，所以在两个污水处理厂的SBR3中都有较好的硝化-反硝化反应表现。而且，从出水NH₃-N经常性高于目标2mg/L的水平，可见传统SBR系统于污水处理厂1的运行已接近最高容量。

硝化菌的最高比生长率是污水的其中一项重要特性，用以决定传统SBR工艺对水力及有机物处理容量即SBR池的大小。这些数值在污水处理厂1及2中的该阶段的最后分别为0.2及0.3/天。在污水处理厂1中，明显较低的硝化菌比生长率进一步说明工业废水的负面影响。但是，SBR3的硝化菌比传统SBRs具有明显较高的最高比生长率(＞30％)。

在测试中也发现污水只有低酸碱度缓冲能力。在进水-曝气程序结束后，好氧反应器的pH值经常性低于7，而甚至低至6.5的pH值也常有记录。低运行pH值6.5-7与理想的pH值7.8-8.2相比可降低高达50％的最高硝化反应速度。由3500mg/L至7000mg/L的氯化物浓度的大幅波动也会负面地影响硝化反应的速度。但是，这些影响将会被SBR3活性污泥工艺中引入生物膜有所改善。

在各自污水处理厂的阶段II(a)及阶段II中，减少运行泥龄少于临界泥龄(～5天)的10％，从而清楚地展示出污水处理厂1的SBR3系统比污水处理厂2的传统SBR具有更多的优点。传统SBR的出水NH₃-N浓度在该阶段的尾段突然上升(图8I及8J)，相比之下，SBR3只有轻微的上升(～1-2mgNH₃-N/L)但有较大的波动。SBR中的高MLSS浓度～3500mg/L(典型最高SBR运行水平)也大幅下至～1500-1700mg/L。此举可有助于沉降及撇水程序的效率。因为生物选择器产生的生长压力，有助于提升污泥的沉淀性(SVI值大多低于125mL/g)。在污水处理厂2中，尤其是在阶段II中发现出水含有较高的TSS浓度与较高总溶解物浓度。

如表2中列出，只有在污水处理厂1中的不同运行模式及组合才用作评估硝化-反硝化反应的表现。其包括间歇性对连续性进水、固定式对可变容积式运行、缺氧阶段及连续-缺氧对交替缺氧/好氧结构。这些测试未在污水处理厂2中重复测试。但是，用于脱氮除磷反应的不同运行模式及结构在污水处理厂2中被测试。这样的分配是因为污水处理厂1的污水并没有合适的特性如高浓度容易被生物降解COD及良好反硝化反应(出水NO₃-N＜5mg/L)。

正如图8D及8E所示，在为期15天的测试中，不同的运行模式及结构并没有明显的脱氮表现的转变。

案例3：用于去除有机物-悬浮固体-除磷脱氮的三阶段及三污泥厌氧-缺氧-好氧工艺

其中一种可行的三阶段及三污泥式的SBR3系统结构在图4中展示。该结构包括一个P阶段，其可再分为两个分池444及446。P污泥包含的悬浮混合液生物体中含有可加强生物除磷(bio-P)的微生物。bio-P微生物得以生长是由于它们能自由流经生物反应器及混合液循环，因此曝露于循环式厌氧-好氧环境中，它们的生长依赖于引入P阶段厌氧环境。DN阶段与DN污泥及N阶段与N污泥均与案例2相似。一个可变容积式撇水设备设置在以SBR模式运行的N阶段中(图9A及9B)。该循环首先由步骤9A1开始，经步骤9A2、9B1及9B2，然后返回步骤9A1。在该过程中，三个池用作：

(1)第一P阶段：P1(与第一池444相同为非曝气式)及P2(与池第二池446相同都为非曝气和厌氧)

(2)第二DN阶段(与第三池448相同)

(3)第三N阶段(与第四池450相同)

为便于描述生化反应过程，以下描述只注明生化反应阶段而不再提及在图4，9A或AB中示出的指定池。应当理解，这些反应过程在相应池中进行。

P及DN阶段在该例子中均是可变容积的，但它们中的每一个也可以固定容积模式运行。

P阶段接收进入废水，该进入废水可在分池444及446之间分开，分池444也可接收来自DN阶段末端和/或N阶段末端的返回混合液。在分池444的第一P阶段是没有曝气的，反应条件可以是好氧、缺氧或厌氧条件，其基于主要从N阶段循环的氧化物种类水平而定。缺氧反应条件基于循环的硝化混合液中的硝酸盐。循环到P阶段的混合液量在曝气期间受到监测，以确保溶解氧及硝酸盐的氧循环不会影响bio-P去磷表现。如需要，bio-P会从N阶段的沉淀期循环到P污泥中，以加强bio-P去磷表现。如果P阶段受到曝氧的话，好氧条件应该采用。如果需要加强P的去磷表现，可以将混合液从DN阶段末端循环，以促进P阶段的厌氧条件。在第二P阶段分池446是不曝气的，并主要为厌氧环境。

在P阶段，快速生长的细菌占多，它们均能分解容易被生物降解的有机物(RBCOD)，而且bio-P微生物则会在厌氧环境下释放P(在缺氧或好氧环境下再摄取P)。虽然大部分P的摄取发生在DN及N阶段，但是其也可于P阶段发生。而在P阶段，可提供或不提供搅动混和。

在N阶段的沉淀及撇水程序中，沉淀的生物体可从富P的MLSS中除去(如弃置)，因此可以除去P。

DN及N阶段的运行模式与案例二相似，除了入水的RBCOD已被吸取作bio-P去除。

三阶段三污泥式的SBR3工艺循环运行时间可介于低至两小时至高达二十四小时。总HRT可以低于六小时。P及/或DN阶段可使用固定容积运行法而N阶段则使用可变容积式运行法。当MLSS浓度高的时侯，一个生物选择器可选择性地成为P阶段的其中一部分用来控制微生物泡沫及膨胀。在沉淀过程时，污泥弃置可于DN或N阶段独立处理或于N阶段集合处理。

案例3：实验数据

根据实验建造了两个全自动PLC控制SBR的中型反应器，包括在线废水抽样、监测及控制系统。如图5所示，SBR3包括含生物膜的载体。“传统SBR”除了不含生物膜载体之外基本上与SBR3相同，因此传统SBR工艺用作直接对照。

三阶段三污泥SBR3测试：除了加入第三阶段(P阶段)以用于除磷之外，其与二阶段二污泥SBR3相同，其中该第三P污泥由活性污泥构成，其悬浮以及流经所有池(主要作用：以循环式厌氧排磷以及好氧或缺氧取磷)。

测试初期的结构及运行方式

图5及表3分别展示了用于脱氮除磷的SBR3的初始结构及运行方式

表3：用于脱氮除磷反应的初始SBR3中型试验装置的结构

注意：传统SBR的中型装置并没有载体(其他则与SBR3相同)

   主要功用    结构及运行方式  载体容积％    磷释放    P1阶段  25公升(L)  非曝气，可变容  积    没有    P2阶段  25公升(L)  厌氧，可变容积    没有    反硝化    DN1阶段  75公升(L)  缺氧，可变容积    50％    DN2阶段  75公升(L)  缺氧，可变容积    50％

硝化    N1阶段  200公升(L)  SBR循环    50％    N2阶段  400公升(L)  SBR循环    33％不相关(N/A)    总反应器容积  800公升(L)  不相关(N/A)    总HRT  10小时(Hrs)    混合液循环率  20％N2至P1及  80％N2至DN1  (160公升/小时)    SBR循环：    入水容积  320公升(L)/循  环    入水速率  160公升/小时  (L/Hrs)    循环时间  4小时(Hrs)    入水-曝气  2小时(Hrs)    沉淀/非曝气  1小时(Hr)    撇水/非曝气  1小时(Hr)

两个中型试验式SBR系统在香港污水处理厂(污水处理厂2)中建立以及并行运行。初始阶段III的反应条件已在表3中详列出来。阶段III的测试继续改变主要的运行参数及改变混合液循环的位置，以便观察脱氮除磷的共同能力。

初步测试的运行及结构变化

污水处理厂2中测试的变化项目在表4中列出。

表4：用于案例3的示范运行及结构改变

污水处理厂2SBR改进-脱氮除磷  泥龄    日    日期维持泥龄低于硝化菌临界泥龄(与阶段II相同)    5    20 5/1/03至25/1/03改变P1阶段的混合液循环路线，因此混合液从DN2阶段末端改为N2阶段末端。传统SBR则无须改变。    5    10 25/1/03至4/2/03DN1及DN2：加入间歇曝气(即交替缺氧/好氧)。将P1阶段的混合液循环到(a)即N2阶段。传统SBR则无须更改    5    5 4/2/03至8/2/03P1及P2阶段：改为固定容积的运行方式。撇水量由40％增加至43％。DN1及DN2：没有曝气    5    5 8/2/03至16/2/03所有池：改为连续进水模式P1及P2阶段：同(a)，可变容积的运行方式    5    8 16/2/03      至 24/2/03  总计    48

污水处理厂2的细节

阶段III-阶段III的分析包括：

(a)比较三阶段三污泥SBR3与传统SBR(即三阶段一污泥)的硝化、反硝化及除磷反应表现及处理量。进水分别进入P1阶段(20％)以及P2阶段(80％)。测试为期至少三倍(3)泥龄(≥15天)。

(b)在(a)结束时，循环到P1阶段的混合污泥将从N2阶段末端结束改为DN2阶段末端结束，以研究对除磷的影响。P1及DN1阶段分别接收20％及80％的总N2阶段的循环混合液的量。如果P1阶段混和N2阶段的混合液也不足以去除所有NO₃-N，这可以促进厌氧环境及改善除磷功效。经过至少二倍(2)泥龄时间，两个SBR系统返回到(a)。

(c)在(b)结束后，DN1及DN2阶段将在进水-曝气阶段完结时进行间歇性曝气测试。提供沉降于池底的载体的间歇搅动混和(即当曝气时，载体只会暂时性悬浮)，以促进生物膜良好及一致性生长以及减少闭塞。反应条件可由连续缺氧状态转变成交替缺氧/好氧状态。间歇曝氧只会维持很短的时间以及在进水后进行，以免非必要的有机碳源流失于好氧环境中。反硝化及除磷反应的表现将被评估。经过一段(1)泥龄时间，即比三段(3)HRTs长，间歇性曝氧便会停止，即返回到(a)。

(d)在(c)结束后，P1及P2阶段中的可变容积运行方式转为固定容积运行方式，而系统的表现也被出评估。HRT也会利用增加撇水容积由40％至43％的方法保持。经过一段(1)泥龄时间，运行模式便会回到可变容积式，即回到(a)。

(e)在(d)结束后，间歇式进水模式将改为连续式进水模式于一倍半泥龄。

结果

图8F，8G及8H展示了在阶段III中，在污水处理厂2中运行5天期间的24-小时平均进水及出水水质；图8F展示了污水处理厂2的平均进水水质；图8G展示了SBR3系统的平均出水水质；图8H展示了传统SBR的平均出水水质。

图8J展示了SBR3系统在污水处理厂2中运行25天的每日出水氮浓度；图8K展示了SBR3系统在污水处理厂2中运行48天的每日出水亚摩尼亚及磷浓度。对于SBRs的任何运行中断，只有完成运行循环的出水样本才会用作测试及记录。

SBR3及传统SBR-硝化-反硝化-除磷表现

在污水处理厂2中，当硝化反应高度受制于传统SBR时，在阶段II的最后便发现出水的磷浓度逐渐下降。因而，决定以不同的运行模式及结构(表4)测试SBR3的脱氮除磷效果。

用作除磷的SBR3的结构改进包括加入一厌氧阶段(新增阶段)以及另加一由缺氧阶段末端至第一厌氧阶段的混合液循环。于是除磷功效便在两倍的泥龄时间(～2*5天)内快速建立。但是，出水的磷浓度仍然未能达到低于1mg/L的要求，除非加入高达50mg/L的容易被生物降解的COD，如醋酸盐(图8K)。这里可清楚地看出污水中容易被生物降解的COD的不足，这从含海水成份的污水中高浓度的SO^4-可以预计到。

将循环到P1分池的混合液的循环从好氧阶段末端改为到缺氧阶段末端并没有对脱氮除磷有任何帮助。其它运行模式包括间歇性对连续性进水、P阶段固定对可变容积式运行以及在缺氧反应阶段进行间歇式曝氧，均对脱氮除磷反应没有明显的优点或缺点。

如前所述，阶段形成装置可以是任何设备或内置或外置设计，其允许所需的反应条件的形成，以获得适当的生化参数或生物反应器的作用。除了搅动器、曝气器、加热器、冷却器、滴流器或泵等设备外，其它可由系统设计达到的反应条件包括如两个或以上池的相对位置，以利用重力使废水从一个池经一条或以上的管道流进另一池等。池也可垂直分隔。在另一实施例中，第一池与第二池可垂直分隔开一段距离，且阶段形成装置包括在第一池及第二池之间使流体互连的通道。进入系统的污水可以是任何种类，包括高浓度有机化合物以及不排除100％有机物。再者，第一及第二污泥用作强调生物体的独特性，但并不排除其它没有在本文提及的生物活动。取决于系统的要求，带有污泥的载体可以是可移动的，当没有额外的搅拌混和时便沉降于池底(因此是间歇式悬浮)，或者可以完全固定。流动通道可以加衬，例如可铺上碎石以使流经的废水在进入第二池前产生水花或水滴，从而增加用于吸收氧气的表面面积。于是，根据使用者要求，第二池便可用于好氧脱氮和/或除磷。其它阶段形成装置，如加热器或滴流器也可结合使用，以进一步控制处理阶段反应条件。再者，本文提及的阶段布置并不代表序列顺序，使用顺序排列是用于简单区分一个阶段与另一阶段。进水及出水的装置并不限制在第一池内，其可根据需求在第一池、第二池或第三池内进行。

案例4：用于有机物-悬浮固体的除去的三阶段三污泥厌氧-厌氧-厌氧工艺

其中一种可行的三阶段三污泥SBR3系统结构在图6中示出。案例4的SBR3工艺的循环顺序也展示在图10A及10B中。该循环首先从步骤10A1开始，经过步骤10A2、10B1及10B2，然后返回步骤10A1。

在该工艺中，三个池用作：

(1)第一HP阶段(在第一池601中进行)；及

(2)第二AC阶段(在第二池602中进行)

(3)第三MP阶段(在第三池603中进行)

为方便生化反应阶段的描述，以下描述只注明生化处理阶段而不再提及在图6，10A或10B中所示的特定池。应当理解，这些反应过程发生在相应池中。

这种结构包括一HP阶段，其含有由附生于可移动式载体上的生物膜构成的HP污泥；一AC阶段，其含有由位于固定或可移动载体上的生物膜构成的AC污泥；以及一MP阶段，其含有由位于固定或可移动载体上的生物膜构成的MP污泥。如图10所示，一可变容积排/撇水器安装在以SBR模式运行的MP阶段中。注意，虽然HP及AC阶段具有恒定的容量，但是其中一个也可以可变容积模式设计和运行。

HP阶段接收连续或间歇式进来的废水，而且可接收从AC及/或MP阶段循环的混合液(ML)，以用来更好地控制反应条件。HP阶段主要为工业废水(含高固体浓度)而运行，利用胞外酶为颗粒有机物以水解成为可溶性有机分子如糖、脂肪酸及胺基酸。HP污泥中大部分为生长缓摱的细菌，它们能水解颗粒有机物为容易被生物降解的有机物。配合高温运行(50至60℃)，高浓度的HP污泥可加快水解由10-20天至2-5天。颗粒有机物以及移动式载体因比水重而沉降在池底。载体供微生物附生并占据高达池容积的70％。可移动载体可利用间歇搅拌混和暂时性悬浮，以释放可溶性有机物于混合液中，但同时也降低载体与可溶性有机物的接触。

HP阶段的混合液间歇性地(即在沉淀及撇水过程中)利用连接装置如溢流、管道、泵等与AC阶段的混合液混和。每个池的开口处都有网筛，以防止生物膜载体从一个池流进另一个池。

AC阶段中的悬浮载体占整个池容积的70％。载体根据不同情况可以间歇性或连续性搅拌混和。在该阶段，池可接收从MP阶段连续或间歇式循环的混合液，以更好地控制反应条件(或反应环境)，同时作为产酸步骤将丁酸及丙酸转化为醋酸。因此，AC阶段的生物膜便具有独特的成份。在AC阶段的载体也可减低泥水分离的要求，从而不需要有沉淀程序，而利用任何流体连接装置如溢流、底流、管道，泵等，AC阶段的混合液也可以连续地与MP阶段的混合液混和。在每个池的开口处都有网筛，以防止载体从一个池流进另一个池。

同样地，MP阶段中的悬浮载体根据撇水百分比可占整个池容积的70％。载体根据不同情况可以间歇性或连续性搅拌混和。该阶段主要可作为一甲烷产生步骤。搅拌混和可依靠机械性搅拌和混合液中产生的生物气体提供。产生的生物气体被收集以进一步处理。MP阶段也可作为一二级沉淀池进行泥水分离(SBR运行模式)。在沉淀过程中当机械搅拌停止运行时，载体及厌氧活性污泥会沉降于池底。混合液中的醋酸与MP污泥的接触被最小化。导致的减少的生物气体产生使在排空出水前载体及厌氧污泥都能更佳地沉降到池底。

SBR3的运行周期时间可以少于两小时至二十四小时。总HRT可以低于六小时。HP及AC阶段可采用固定或可变容积运行，而MP阶段则使用可变容积模式运行。在沉淀过程时，污泥弃置可于每个阶段独立处理或于MP阶段集合处理。

虽然本发明已在以上利用个案研究及具体实施例进行了详细说明，但这些只是例子而已，并不限制本发明的范围。本发明的范围将在后附的权利要求中规范。从以上案例提供的教导中可清楚地知道本发明可以具有无数变化及组合。例如，载体在所示的实施例中是可移动式的。但是，很明显，载体也可以是固定的，但其他阶段形成装置用于产生合适的环境，以供所需的污泥生长在所需的生物反应阶段中。载体的种类及数量均是可变化的。至于搅动混和，可使用不同的方法和装置进行连续或间歇式供氧，以产生用于所需污泥生长的所需条件，从而实施所需的生物反应阶段。对于厌氧条件，搅拌器(即使在池中提供)也可以完全停止运行，从而使载体可完全沉降于池底，以将接触到氧气的机会减至最低。虽然在给出的示例中，通常一个池只进行一个阶段的反应，但是在不同的条件下，一个以上阶段可在同一池中进行。对于那些使用可变容积模式的阶段，也可使用固定容积的运行模式，反之亦然。虽然在说明书以及权利要求中例举出生物体在不同的生物反应阶段附生在载体上，但是并不排除生物体在活性污泥中以悬浮形式存在。以上例子也清楚地表明活性污泥也会在不同的阶段中分担不同阶段中的生物反应。再者，虽然在某些例子中提及到运行的温度范围，但是温度也取决于其它运行条件，而且也可以以在此提供的教导由该领域的普通技术人员决定而无需再进行实验。

不同种类的阶段形成装置如搅动器、曝气器、制气器、加热器、冷却器和泵也在上述例子以及权利要求中提及，但是很明显，这些例子只是举例说明而已，其它类似装置均落入权利要求的范围内，包括使用建筑上的排列以利用物理力如重力的优势。