根据生物除磷脱氮对环境条件的要求，构想采用序批式活性污泥反应器（Sequencing Batch Reactor，SBR）与序批复合式生物膜反应器（Sequencing Batch Hybrid Biofilm Reactor，SBHBR）串联工艺并结合活性污泥外循环技术，来优化除磷脱氮，其工艺流程如图1 所示。SBR级，是生物悬浮生长系统，采用高负荷低泥龄运行，以除磷为主要目的，构成系统的除磷级；SBHBR 级，反应器内填加悬浮填料，是生物悬浮与附着复合生长系统，通过控制运行条件亚硝酸型硝化反硝化脱氮，兼顾同时硝化反硝化的方式脱氮，是系统的脱氮级；活性污泥外循环系统由厌氧释磷池、化学除磷池及相应的循环管线构成，采用活性污泥外循环技术可缓解城市污水中碳源不足的矛盾，强化SBR级的除磷效果。
1、 系统的操作过程
如图1所示，整个系统一个周期的操作过程叙述如下。SBR级（除磷级）：严格限量曝气方式充水→厌氧搅拌（释磷）→曝气（摄磷、降解COD）→沉淀排泥→排水。对于城市污水（有机物浓度一般较低），充水时间可尽量短，以增大反应器内基质的浓度梯度，并在充水的同时进行搅拌，起到混合、稀释并使聚磷菌充分利用污水中的易降解有机物进行释磷；在曝气阶段，要注意合理调控曝气时间和泥龄，使系统在曝气过程中既达到充分摄磷、降解有机物，同时又要尽量避免硝化作用发生；为防止沉淀阶段发生磷的提前释放问题，可在沉淀开始后不长时间相继开始排泥，排出的富磷活性污泥（数量大于系统产生的剩余活性污泥量）直接送入厌氧释磷池；最后将除磷后的含氮上清液作为下一级（SBHBR）的进水排出SBR反应器。
活性污泥外循环系统：在每一运行周期从SBR系统排出的富磷活性污泥进入厌氧释磷池的同时，投加适量原水进行搅拌释磷，然后经泥水分离，将释磷后污泥的一部分在SBR的好氧阶段回流至SBR 反应器，以强化SBR 的除磷能力；另一部分释磷后的污泥（相当于SBR级的剩余活性污泥部分）在SBHBR级的反硝化阶段随反硝化碳源一起送入SBHBR反应器，以补充该级的反硝化碳源；释磷池中的富磷上清液送化学除磷池进行化学除磷，除磷后，上清液随SBHBR的进水一起送入SBHBR反应器，化学污泥排出系统。
SBHBR 级（脱氮级）：限量曝气方式充水→曝气（硝化）投加原水缺氧搅拌（反硝化）→后曝气→沉淀、排水、排泥。充水时间可尽量短并伴随搅拌，使反硝化菌能够充分利用进水中剩余的有机物对反应器内剩余的硝态、亚硝态氮进行反硝化脱氮；在曝气阶段，通过合理地控制曝气量，把硝化反应控制在亚硝化阶段；在缺氧搅拌阶段引入适量原水和相当于SBR级的剩余活性污泥部分的来自于厌氧释磷池的释磷污泥作为碳源进行反硝化脱氮；反硝化之后，再进行短时间曝气，以吹脱附着在污泥上的氮气、进一步去除水中剩余的有机物和将水中可能剩余的亚硝态氮氧化至硝态氮（减小出水的毒性）；最后通过沉淀、排水、排泥过程完成整个工艺一个周期的运行操作。
2、新工艺的可行性
根据聚磷菌与硝化菌世代时间存在的差异性，通过合理控制曝气时间及泥龄，将聚磷菌与硝化菌分别控制在两级反应器中优势生长是可行的。由于亚硝酸菌对DO的亲和力较硝酸菌强，通过合理控制SBHBR级的DO，可以达到抑制硝酸菌活性和淘汰硝酸菌的目的，从而可将硝化作用控制在亚硝化阶段；SBHBR级生物的复合生长和系统内较低的DO水平，有利于系统内出现缺氧/厌氧宏观环境和微环境，为同时硝化反硝化创造了条件；将部分富磷污泥在SBR系统外经厌氧释磷并储碳后，再送回SBR系统好氧吸磷，不仅强化了SBR级除磷效果，同时也可使SBHBR级得到相对较多的剩余碳源，这对SBHBR级同时硝化反硝化有利；SBR级去除了大部分进水中的有机物，消除了原水中较高的有机物浓度对硝化反应的抑制影响；以原水作和释磷并储碳后的污泥为反硝化碳源，可使系统具有较高的反硝化速率；RSBHBR级生物的复合式生长，可较有效地避免在较低DO条件下污泥的膨胀现象。所以该SBR-SBHBR工艺将磷、氮分别控制在两级反应器中高效去除并同时脱碳，在理论和实践上都是可行的。
3、新工艺的特点
上述两级串联工艺借鉴了AB工艺的基本思想，通过合理的操作过程，将除磷与脱氮这两个相互矛盾的生物处理过程分别控制在两个序批式反应器中进行，使系统既具有SBR法的灵活性，又具有AB法的高效性。该系统与常规除磷脱氮系统相比较具有以下特点。
3.1 SBR和SBHBR可以根据需要合理确定各自的运行泥龄，解决了常规工艺中生物除磷与脱氮之间的泥龄之争。
3.2 进水中的碳源主要用于满足释磷的需要，反硝化采用外加原水和外循化污泥作为碳源，使进水中的碳源得到了合理的分配，解决了释磷与脱氮之间的碳源竞争问题。
3.3 可以根据需要，灵活地控制SBR级的曝气时间及泥龄，实现最大限度地减少硝化菌在反应器中的生长数量，较好地避免了在该级中发生硝化作用，从而可消除厌氧区的硝酸盐成分对厌氧释磷的不利影响。
3.4 进水中的大部分有机物和有毒有害物质（当进水中含有抑制硝化菌的有毒有害物质时）可以在SBR级除磷的同时被降解或吸附，防止了高有机负荷对SBHBR单元硝化反应的冲击和缓解了有毒有害物质对硝化过程的抑制作用[18]；同时，SBHBR级中生物的复合式生长和较低的有机物浓度，有利于硝化菌的优势生长、增加污泥中硝化菌的比例、提高硝化反应速率。
3.5 在除磷级采用了活性污泥外循环技术，使系统具有Phstrip工艺的特点，对进水的BOD5/TP值没有特殊的限制，除磷的效果及稳定性优于常规的生物除磷工艺。该工艺不仅解决了由于进水碳源不足对除磷效率的影响，也有效地解决了常规生物除磷系统处理大量富磷污泥的难题。
3.6 进水中的大部分有机物是在高负荷运行条件下经SBR级去除的，SBHBR 级具有很高的硝化速率，并控制SBHBR内的硝化反应进程至亚硝化结束阶段，这可有效地减少两级反应器总的曝气量，缩短总的反应时间，从而可有效地减少系统的运行费用和节省反应器的占地面积和基建费用。
3.7 由于系统的最终出水是经非生物除磷系统（SBHSR级）排出的，不存在混合液中富磷悬浮颗粒和富磷污泥释磷的影响，而且SBHSR系统中微生物的正常代谢对P的需求，还可以进一步降低SBR 级出水中P 的含量。因此，该工艺系统可以容易并且稳定地实现，最终出水中TP达到《国家城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》中的一级a标准（TP(0.5mg/L）。
3.8 磷是以稳定的化学污泥的形式排出处理系统的，不存在富磷生物污泥容易引起二次磷污染的问题。同时，化学污泥是在高浓度溶解磷的厌氧释磷池中通过投加化学药剂生成的，这不仅可充分利用浓度效应加快化学沉淀反应过程和提高药剂的利用率，并且也可获得较纯的化学污泥，以有利于磷资源的回收。
4 结语
在分析常规生物除磷脱氮工艺缺欠的基础上，提出了SBR-SBHBR工艺结合活性污泥外循环技术的生物除磷脱氮运行模式，旨在将磷与氮这两个相互矛盾的生物处理过程分别控制在两级反应器中高效去除。通过合理地控制操作过程，采用该工艺可望解决常规生物除磷脱氮工艺中的泥龄问题、生物释磷与反硝化之间的碳源竞争问题和厌氧区的硝酸盐问题等，使功能不同的微生物在各自有利的条件下生长，从而提高系统除磷脱氮的效果和稳定性；该工艺也可望能有效地解决常规生物除磷系统处理大量富磷污泥的难题。（作者：任庆凯，长春工程学院水利与环境学院）
