大型城市污水處理廠除氮脫磷工藝之循環(huán)式活性污泥法(C-TECH)
摘 要：循環(huán)式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology，簡稱C-TECH工藝)是間隙式活性污泥法(SBR法)的一種變型。該工藝將可變?nèi)莘e活性污泥法過程和生物選擇器原理進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。在循環(huán)式活性污泥法(C-TECH)中, 每一操作循環(huán)包括進(jìn)水-曝氣階段、沉淀階段、撇水階段和閑置階段等幾個(gè)過程。在操作循環(huán)的曝氣階段(同時(shí)進(jìn)水)一步完成生物降解過程 (包括降解有機(jī)物、硝化/反硝化、生物除磷等過程)；在非曝氣階段完成泥水分離功能。排水裝置系移動(dòng)式撇水堰，籍此可將每一循環(huán)操作中所處理的廢水經(jīng)沉淀階段后排出系統(tǒng)。
1 前言
隨著污水處理除氮脫磷要求的不斷提高，污水處理工藝及其運(yùn)行日益復(fù)雜化，污水處理的投資及其運(yùn)行費(fèi)用也隨之越來越高，因此如何在滿足處理要求的前提下，簡化工藝流程，減少工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，是世界各國所面臨的一個(gè)共同課題。下面簡要介紹由Goronszy教授和奧地利SFC環(huán)境工程有限公司開發(fā)、推廣應(yīng)用的循環(huán)式活性污泥法工藝（簡稱C-TECH 工藝）。循環(huán)式活性污泥法工藝在其優(yōu)異的除氮脫磷性能基礎(chǔ)上，能大大地簡化工藝流程，減少工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，是目前國際上較為先進(jìn)的一種城市污水除磷脫氮工藝。
循環(huán)式活性污泥法（Cyclic Activated Sludge Technology,簡稱C-TECH工藝）為一間隙式反應(yīng)器，在此反應(yīng)器中活性污泥法過程按曝氣和非曝氣階段不斷重復(fù)進(jìn)行。該法將生物反應(yīng)過程和泥水分離過程結(jié)合在一個(gè)池子中進(jìn)行。C-TECH方法是一種"充水和排水"活性污泥法系統(tǒng)，廢水按一定的周期和階段得到處理，故C-TECH方法是SBR工藝的一種變型。C-TECH工藝在七十年代開始得到研究和應(yīng)用，隨著電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用和自動(dòng)化控制的日益普及，間隙運(yùn)行的C-TECH工藝由于其投資和運(yùn)行費(fèi)用低處理性能高超，尤其是其優(yōu)異的脫氮除磷功能而越來越得到重視，該工藝已廣泛應(yīng)用于城市污水和各種工業(yè)廢水的處理。
本文將簡要介紹循環(huán)式活性污泥法(C-TECH)的主要特性及其在大型城市污水處理廠除氮脫磷方面的應(yīng)用。
2 循環(huán)式活性污泥法工藝（C-TECH工藝）的基本組成及運(yùn)行方式
2.1 C-TECH工藝的組
循環(huán)式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology，簡稱C-TECH工藝)是間隙式活性污泥法(SBR法)的一種變型。該工藝將可變?nèi)莘e活性污泥法過程和生物選擇器原理進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。在循環(huán)式活性污泥法(C-TECH)中, 每一操作循環(huán)包括進(jìn)水-曝氣階段、沉淀階段、撇水階段和閑置階段等幾個(gè)過程。在操作循環(huán)的曝氣階段(同時(shí)進(jìn)水)一步完成生物降解過程 (包括降解有機(jī)物、硝化/反硝化、生物除磷等過程)；在非曝氣階段完成泥水分離功能。排水裝置系移動(dòng)式撇水堰，籍此可將每一循環(huán)操作中所處理的廢水經(jīng)沉淀階段后排出系統(tǒng)。
圖 1 表示單池或多池C-TECH系統(tǒng)的各個(gè)循環(huán)操作過程，包括進(jìn)水曝氣階段、固液分離階段和撇水階段等步驟。當(dāng)撇水結(jié)束后撇水階段尚有多余的時(shí)間可供支配時(shí)，可設(shè)置進(jìn)水-閑置階段。從圖1也可看出C-TECH系統(tǒng)中生物選擇器和主反應(yīng)區(qū)之間的相互聯(lián)系。
2.1.1生物選擇器
在循環(huán)式活性污泥法工藝中設(shè)有生物選擇器,在此選擇器中,廢水中的溶解性有機(jī)物質(zhì)能通過酶反應(yīng)機(jī)理而迅速去除。選擇器可以恒定容積也可以可變?nèi)莘e運(yùn)行。污泥回流液中所含有的硝酸鹽可在此選擇器中得以反硝化。選擇器的最基本功能是防止產(chǎn)生污泥膨脹。
2.1.2主曝氣區(qū)
在循環(huán)式活性污泥法工藝的主曝氣區(qū)進(jìn)行曝氣供氧，主要完成降解有機(jī)物和同時(shí)硝化/反硝化（simultaneous nitrification/denitrification）過程。
循環(huán)式活性污泥法工藝操作循環(huán)過程
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2.1.3污泥回流/排除剩余污泥系統(tǒng)
在池子的未端設(shè)有潛水泵，污泥通過此潛水泵不斷地從主曝氣區(qū)抽送至選擇器中(污泥回流量約為進(jìn)水流量的20 %左右)。所設(shè)置的剩余污泥泵在沉淀階段結(jié)束后將工藝過程中產(chǎn)生的剩余污泥排出系統(tǒng)。 剩余污泥的濃度一般為10 g/l 左右。
2.1.4撇水裝置
在池子的未端設(shè)有由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可升降的撇水堰，以排出處理出水。 撇水裝置及其它操作過程如溶解氧和排泥等均實(shí)行中央自動(dòng)控制。
2.2工藝的運(yùn)行方式和運(yùn)行階段
在循環(huán)式活性污泥法系統(tǒng)中，一般至少設(shè)二個(gè)池子，以使系統(tǒng)能處理連續(xù)的進(jìn)水。為此，在第一個(gè)池子中進(jìn)行沉淀和撇水時(shí)，在第二個(gè)池子中同時(shí)進(jìn)行進(jìn)水和曝氣過程，反之亦然。為避免充入池子的進(jìn)水通過短流影響處理水質(zhì)量，在工藝執(zhí)行沉淀、撇水過程時(shí)，一般需中斷進(jìn)水。在設(shè)有四個(gè)池子的系統(tǒng)中，通過合理地選擇各個(gè)池子的循環(huán)過程，可以產(chǎn)生連續(xù)均勻的出水。
根據(jù)處理出水要求，系統(tǒng)可以多種不同的適合進(jìn)水實(shí)際情況的循環(huán)過程進(jìn)行運(yùn)行。另外，為進(jìn)行硝化和反硝化或除磷也可以選擇不同的循環(huán)操作。
循環(huán)式活性污泥法系統(tǒng)簡單地按曝氣和非曝氣階段進(jìn)行運(yùn)行，系統(tǒng)通過時(shí)間開關(guān)加以控制，每一循環(huán)的出水量是變化的。
根據(jù)生產(chǎn)性裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在旱流流量條件下，循環(huán)式活性污泥法系統(tǒng)以4小時(shí)循環(huán)周期能達(dá)到最佳的處理效果(2小時(shí)曝氣，2小時(shí)非曝氣)。在負(fù)荷較低時(shí)，可以調(diào)整循環(huán)中各個(gè)階段的時(shí)間分配以適應(yīng)此時(shí)的水力和有機(jī)負(fù)荷。如實(shí)際負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%，則在4小時(shí)循環(huán)周期中，可采用1小時(shí)曝氣，3小時(shí)關(guān)閉曝氣的方式運(yùn)行。 另外，還可考慮6小時(shí)和8小時(shí)循環(huán)周期。
每一循環(huán)具體可劃分為下列階段:
(1) 充水 / 曝氣
(2) 沉淀
(3) 撇水
(4) 閑置(隨具體運(yùn)行情況而定)
運(yùn)行階段1：曝氣階段
在曝氣階段，池子同時(shí)進(jìn)水，在進(jìn)水負(fù)荷較低時(shí)可適當(dāng)縮短曝氣時(shí)間，也可采用6小時(shí)循環(huán)系統(tǒng)，其中1小時(shí)沉淀，1小時(shí)撇水, 這種根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷來調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)所表現(xiàn)的靈活性是其他連續(xù)流系統(tǒng)所無法相比的。
運(yùn)行階段2：沉淀階段
在此階段,系統(tǒng)停止曝氣和進(jìn)水，此時(shí)進(jìn)水可直接轉(zhuǎn)換到另一個(gè)池子。由于在沉淀階段無水力干擾因素存在，因而可以在池子中形成有利于沉淀的條件。污泥絮體在池子中沉淀下來，并形成污泥層，污泥層不斷下沉，在其上方形成上清液。在曝氣階段,池子中污泥呈均勻分布狀態(tài)，曝氣停止后，在池子中泥水混合液尚有部分殘余混合能量，因此在沉淀階段開始時(shí)，污泥顆粒利用這部分殘余能量進(jìn)行絮凝過程。在此混合能量消耗完后，污泥形成一邊界層，并以成層沉淀的方式進(jìn)行沉淀。在沉淀開始時(shí)，污泥沉速較慢，之后逐漸增加，在污泥進(jìn)入池底壓縮區(qū)時(shí)，沉速又逐漸減慢。
污泥的沉降速度主要取決于沉降開始時(shí)的污泥濃度，池子深度，池子表面積以及污泥的沉降性能。沉淀后污泥濃度可達(dá)10 g/l 左右。
運(yùn)行階段3：撇水階段
在撇水階段移動(dòng)撇水堰沿給定軌道以較高的速度降到水面，在與水面接觸后，撇水裝置的下降速度即轉(zhuǎn)換到正常下降速度，當(dāng)撇水裝置下降到最低水位后，再返回到初始狀態(tài)。撇水堰渠的前部設(shè)有擋板， 可以避免將水面可能存在的浮渣(泥)隨出水一起排出。
運(yùn)行階段4：閑置階段
在實(shí)際操作中，撇水所需的時(shí)間往往小于理論設(shè)計(jì)最大時(shí)間，故撇水完成后剩余的時(shí)間即可作為閑置階段，此階段可以進(jìn)行充水(不曝氣)或其它反應(yīng)過程。在撇水器返回初始狀態(tài)三分鐘后，即開始作為閑置階段。
3 工藝基本原理
3.1生物選擇器
與傳統(tǒng)意義的SBR反應(yīng)器不同，C-TECH工藝在進(jìn)水階段中不設(shè)單純的充水過程或厭氧進(jìn)水和缺氧進(jìn)水混合過程。另外，C-TECH工藝不同于SBR法的一個(gè)重要特性在于在反應(yīng)器的進(jìn)水處設(shè)置一生物選擇器。生物選擇器是一容積較小的污水污泥接觸區(qū)，在此接觸區(qū)內(nèi)，進(jìn)入反應(yīng)器的污水和從主反應(yīng)區(qū)內(nèi)回流的活性污泥相互混合接觸。生物選擇器的設(shè)置嚴(yán)格遵循活性污泥種群組成動(dòng)力學(xué)的有關(guān)規(guī)律，創(chuàng)造合適的微生物生長條件并選擇出絮凝性細(xì)菌。生物選擇器的機(jī)理和作用在七十年代和八十年代分別由Chudoba和Wanner進(jìn)行了深入的研究。大量研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)合理的生物選擇器可有效地抑制絲狀性細(xì)菌的大量繁殖，克服污泥膨脹，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
活性污泥的絮體負(fù)荷So/Xo(即基質(zhì)濃度So和活性微生物濃度Xo的比值)對(duì)系統(tǒng)中活性污泥的種群組成有較大的影響，較高的污泥絮體負(fù)荷將有助于絮凝性細(xì)菌的生長和繁殖。傳統(tǒng)SBR工藝中，為防止可能發(fā)生的污泥膨脹，往往在循環(huán)過程中，通過快速進(jìn)水的方式使系統(tǒng)在某一時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生較高的污泥絮體負(fù)荷。因此傳統(tǒng)SBR工藝中反應(yīng)池的進(jìn)水模式和方案對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行有很大的影響。在C-TECH工藝中，由于在池子首部設(shè)置有生物選擇器，使得活性污泥不斷地在選擇器中經(jīng)歷一高絮體負(fù)荷階段，從而有利于系統(tǒng)中絮凝性細(xì)菌的生長。此外，在選擇器中較高的污泥絮體負(fù)荷可以提高污泥活性，使其能快速地去除廢水中的溶解性易降解基質(zhì)。一般地,由于溶解性易降解基質(zhì)較有利于絲狀性細(xì)菌的生長，因此在選擇器中迅速地去除這部分基質(zhì)，可進(jìn)一步有效地抑制絲狀性細(xì)菌的生長和繁殖。由于C-TECH工藝的這些特性，可使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行不取決于污水處理廠的進(jìn)水情況，可以在任意進(jìn)水速率并且池子在完全混合的條件下運(yùn)行而不會(huì)發(fā)生污泥膨脹。
3.2同步硝化反硝化和生物除磷
C-TECH工藝中的池子構(gòu)造和操作方式可允許在一個(gè)循環(huán)中同時(shí)完成硝化和反硝化過程。C-TECH系統(tǒng)的一個(gè)重要特性是在工藝過程中不設(shè)缺氧混合階段的條件下，高效地進(jìn)行硝化和反硝化，從而達(dá)到深度去除氮的目的(見表3)。在C-TECH工藝中，硝化和反硝化在曝氣階段同時(shí)進(jìn)行(co-currently or simultaneously)。運(yùn)行時(shí)控制供氧強(qiáng)度以及曝氣池中溶解氧濃度,使絮體的外周能保證有一個(gè)好氧環(huán)境進(jìn)行硝化，由于溶解氧濃度得到控制，氧在污泥絮體內(nèi)部的滲透?jìng)鬟f作用受到限制，而較高的硝酸鹽濃度(梯度)則能較好地滲透到絮體的內(nèi)部，因此在絮體內(nèi)部能有效地進(jìn)行反硝化過程。另外，在曝氣停止后的非曝氣階段中，沉淀污泥床中也存在有一定的反硝化作用。通過污泥回流，將部分硝酸鹽氮帶入設(shè)在池首的生物選擇器中，因此在選擇器中也有部分反硝化功能。
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C-TECH系統(tǒng)中通過曝氣和非曝氣階段使活性污泥不斷地經(jīng)過好氧和厭氧的循環(huán)，這些反應(yīng)條件將有利于聚磷細(xì)菌在系統(tǒng)中的生長和累積。因此C-TECH系統(tǒng)具有生物除磷的功能。生物除磷的效果很大程度上取決于進(jìn)水中所含有的易降解基質(zhì)的含量。在C-TECH工藝的選擇器中活性污泥通過快速酶去除機(jī)理吸附和吸收大量易降解的溶解性基質(zhì), 這些吸附和吸收的易降解基質(zhì)可用于后續(xù)的生物除磷過程，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的生物除磷功能起著非常重要的作用。根據(jù)Goronszy 等人的研究，當(dāng)微生物體內(nèi)吸附和吸收大量易降解物質(zhì)而且處在氧化還原電位為+100 mV至 -150 mV 的交替變化的環(huán)境中時(shí)，系統(tǒng)可具有良好的生物除磷功能。
圖2及圖3所示為典型C-TECH污水廠在進(jìn)水曝氣階段氨氮濃度硝酸鹽氮濃度以及溶解氧濃度的典型變化曲線。
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3.3工藝控制方式
C-TECH工藝中的池子流態(tài)呈完全混合式,通過溶解氧探頭測(cè)定池子中曝氣階段開始時(shí)和曝氣階段結(jié)束時(shí)的溶解氧變化情況，從而可在生產(chǎn)性裝置上直接測(cè)得活性污泥的呼吸速率,所測(cè)得的污泥呼吸速率將直接作為調(diào)節(jié)曝氣階段曝氣強(qiáng)度和排除剩余污泥量的控制參數(shù)。由于這種控制方式能使池子中的溶解氧濃度與工藝要求相一致，故能最大程度地減少曝氣所需的能耗。
4 C-TECH工藝除磷脫氮應(yīng)用實(shí)例
自七十年代以來，對(duì)循環(huán)式活性污泥法的機(jī)理及其應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)工作，工藝技術(shù)和設(shè)備不斷地得到完善，目前，循環(huán)式活性污泥法工藝在美國、澳大利亞、歐洲、亞洲等國的很多污水處理廠尤其在深度脫氮除磷方面得到大量應(yīng)用。
迄今為止，操作循環(huán)為4小時(shí)的C-TECH系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于日處理從500人口當(dāng)量(120m3/d)至400000人口當(dāng)量(210000m3/d) 規(guī)模的污水處理廠。
目前已經(jīng)投入運(yùn)行的最大的可變?nèi)莘e活性污泥法污水廠(采用C-TECH工藝)為澳大利亞的Quakers Hill污水處理廠，該廠擬進(jìn)行分期建設(shè)，全部建成后，共有五組C-TECH池子。設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊布置方法，根據(jù)進(jìn)水水量情況逐步建成。目前已有二組C-TECH池子投入運(yùn)行，每組池子長度為131 m， 寬度為76 m，池子表面積達(dá)9956m2。每組C-TECH池子的進(jìn)水端設(shè)有生物選擇器，位于池子中部污泥回流泵(靠池壁設(shè)置)將主反應(yīng)區(qū)的活性污泥回流至生物選擇器并與污水混合接觸，選擇器的平均水力停留時(shí)間為1.0小時(shí)(包括回流量)。選擇器的運(yùn)行可分為曝氣和不曝氣二種方式。處理出水通過5個(gè)同步運(yùn)行的撇水裝置排出系統(tǒng)，各個(gè)撇水器的撇水速率保持相等。每一操作循環(huán)為4小時(shí)，其中曝氣時(shí)間為2小時(shí)。撇水速率為13毫米/分鐘。每一組C-TECH池子的處理能力為100000人口當(dāng)量。采用管式橡膠膜曝氣裝置進(jìn)行曝氣和混合。該廠已運(yùn)行五年，其運(yùn)行結(jié)果見表4。從該表可看出，C-TECH工藝具有非常高超的除磷脫氮效果。
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澳大利亞Black Rock污水處理廠也是一個(gè)采用C-TECH工藝的污水處理廠,共設(shè)四個(gè)C-TECH池子, 每個(gè)池子長為120米, 寬為60米, 池子表面積為7200平方米,池子設(shè)計(jì)最大水深為5米.該廠最大日處理能力可達(dá)210000 m3/d. 進(jìn)水BOD5為370 mg/l, SS為360 mg/l,TKN為63 mg/l, TP為8.6 mg/l.安裝在池子底部的圓盤式橡膠膜曝氣系統(tǒng)提供曝氣和混合。在C-TECH池子中也結(jié)合有生物選擇器.每個(gè)池子設(shè)置八臺(tái)同步運(yùn)行可同時(shí)升降的長度各為10米的撇水裝置. 在設(shè)計(jì)該廠時(shí)進(jìn)行了為期一年的中試試驗(yàn)。
聯(lián)邦德國波茨坦(Potsdam)污水處理廠設(shè)計(jì)平均日處理量為21082 m3/d，最大設(shè)計(jì)小時(shí)流量為2490 m3/h。 在旱流流量條件下循環(huán)周期為4小時(shí)，在雨天流量下為3小時(shí)。系統(tǒng)共設(shè)4個(gè)C-TECH單元，內(nèi)置于2個(gè)圓形池子中，每個(gè)池子的直徑為52m，最大設(shè)計(jì)水深為5.5m。由于該廠進(jìn)水泵提升能力過大，對(duì)后續(xù)生物處理段造成很大的沖擊，其進(jìn)水氮的負(fù)荷波動(dòng)高達(dá)4倍以上，見圖4。
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盡管氮的負(fù)荷波動(dòng)較大，但C-TECH系統(tǒng)高超的同時(shí)硝化反硝化效果仍能保證出水的氨氮和硝酸鹽氮濃度維持在很低的出水濃度。進(jìn)、出水氨氮濃度如圖5和圖6所示。出水硝酸鹽氮濃度一般在5mg/L以下。
捷克Znojmo污水處理廠 設(shè)計(jì)平均日處理量為19000 m3/d，最大設(shè)計(jì)小時(shí)流量為1800 m3/h。 在旱流流量條件下循環(huán)周期為4小時(shí)，在雨天流量下為2.4小時(shí)。系統(tǒng)共設(shè)4個(gè)C-TECH單元，每個(gè)池子的長為74m，寬為15.5m，最大設(shè)計(jì)水深為5.0m。該廠進(jìn)水總氮濃度在50mg/L左右，通過C-TECH工藝中高超的同步硝化/反硝化過程，其出水總氮濃度維持在5mg/L左右，見圖7。通過選擇器對(duì)絮凝性細(xì)菌的的選擇作用，系統(tǒng)的污泥沉降指數(shù)可降至50ml/g左右，見圖8。
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6 C-TECH工藝與傳統(tǒng)活性污泥法的比較
與傳統(tǒng)活性污泥法比較，C-TECH工藝最重要的特征是不設(shè)獨(dú)立的二沉池和刮泥系統(tǒng)(一般也不設(shè)初沉池)。在C-TECH方法中，活性污泥始終保持在一個(gè)池子中完成生物反應(yīng)和泥水分離過程。因此無需設(shè)置如傳統(tǒng)活性污泥法中將污泥從二沉池輸送至曝氣池的回流裝置(回流比一般為100%)，也無需設(shè)置如前置反硝化系統(tǒng)中的內(nèi)回流系統(tǒng)(內(nèi)回流比可達(dá)300%左右)。C-TECH系統(tǒng)中為生物選擇器而設(shè)置的回流系統(tǒng)其回流比一般僅為20%的日平均流量。因而C-TECH系統(tǒng)可節(jié)省大量的土建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用(省掉二沉池、刮泥橋、回流污泥系統(tǒng)、用于硝化/反硝化的內(nèi)回流系統(tǒng)、攪拌裝置、曝氣池和二沉池之間的各種管道連接等)。當(dāng)由于進(jìn)水水質(zhì)和水量發(fā)生變化而影響污泥性質(zhì)(如絮凝效果等)和處理效果時(shí)，可簡單地調(diào)節(jié)變化C-TECH系統(tǒng)中進(jìn)水和曝氣循環(huán)過程，而使系統(tǒng)重新恢復(fù)正常運(yùn)行。開發(fā)C-TECH工藝的主要目標(biāo)是盡可能降低基建和運(yùn)行費(fèi)用，簡化操作過程，提高系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行的靈活性。
7 C-TECH方法的主要優(yōu)點(diǎn)
（1）工藝流程非常簡單, 土建和設(shè)備投資低 (無初沉池和二沉池以及規(guī)模較大的回流污泥泵站，無需攪拌裝置)；
（2）能很好地緩沖進(jìn)水水質(zhì)水量的波動(dòng)，運(yùn)行靈活；
（3）在進(jìn)行生物除磷脫氮操作時(shí)，整個(gè)工藝的運(yùn)行得到良好的控制，處理出水水質(zhì)尤其是除磷脫氮的效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥法；
（4）運(yùn)行簡單，無需進(jìn)行大量的污泥回流和內(nèi)回流；
（5）無污泥膨脹, 沉淀過程在靜止環(huán)境中進(jìn)行，無漂泥現(xiàn)象，故工藝過程穩(wěn)定；
（6）自動(dòng)化程度高，人員費(fèi)用省；
（7）采用組合式模塊結(jié)構(gòu)，布置緊湊，占地面積少，分期建設(shè)和擴(kuò)建方便
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