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SBR工藝研究總結(jié)

簡介： 關(guān)于SBR工藝的書籍和文章很多。本文在這些資料的基礎(chǔ)上整理總結(jié)，對經(jīng)典SBR工藝的發(fā)展和應(yīng)用進行了綜述，歸納了經(jīng)典SBR工藝的特點；對于各種新型SBR工藝作以簡述。
關(guān)鍵字：污水處理 SBR工藝變型工藝優(yōu)點

序批式活性污泥法（SBR-Sequencing Batch Reactor）是早在1914年英國學(xué)者Ardern和Lockett發(fā)明活性污泥法之時，首先采用的水處理工藝。70年代初，美國Natre Dame大學(xué)的R.Irvine教授采用實驗室規(guī)模對SBR工藝進行了系統(tǒng)深入的研究,并于1980年在美國環(huán)保局(EPA)的資助下，在印地安那州的Culver城改建并投產(chǎn)了世界上第一個SBR法污水處理廠[1]。80年代前后，由于自動化、計算機等高新技術(shù)的迅速發(fā)展以及在污水處理領(lǐng)域的普及與應(yīng)用，此項技術(shù)獲得重大進展，使得間歇活性污泥法（也稱"間歇式活性污泥法"）的運行管理也逐漸實現(xiàn)了自動化。

　　澳大利亞的污水處理以SBR工藝所著稱。近十幾年來，建成SBR工藝污水處理廠600余座，其中在中型和大型污水處理廠的應(yīng)用也日益增多，并且開始興建日處理量21萬噸大型SBR工藝污水處理廠。由于處理工藝流程簡單，處理效果好的獨特優(yōu)點，逐漸引起世界污水處理界的廣泛關(guān)注。

　　我國也于80年代中期開始對SBR進行研究，迄今應(yīng)用已比較廣泛。目前，幾座城市污水處理廠采用SBR法工藝處理城市混合污水，其處理效果較好，如：昆明市日處理污水量最高可達30萬噸的第三污水處理廠，采用ICEAS技術(shù)（SBR法的發(fā)展工藝），自投產(chǎn)以來，運行正常，出水水質(zhì)穩(wěn)定，達到了設(shè)計標準；天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠所采用的DAT-IAT工藝是一種SBR法的變形工藝，該污水處理廠是中國目前最大的SBR法城市污水處理廠。正在興建的廣州市獵德污水處理廠二期工程采用SBR的新式變形工藝UNITANK工藝；廣州興豐垃圾衛(wèi)生填埋廠滲濾液處理回用系統(tǒng)采用經(jīng)典SBR工藝，并應(yīng)用了自動化控制技術(shù)。

　　1 工藝簡介

　　SBR工藝的過程是按時序來運行的，一個操作過程分五個階段：進水、曝氣、沉淀、潷水、閑置。由于SBR在運行過程中，各階段的運行時間、反應(yīng)器內(nèi)混合液體積的變化以及運行狀態(tài)都可以根據(jù)具體污水的性質(zhì)、出水水質(zhì)、出水質(zhì)量與運行功能要求等靈活變化。對于SBR反應(yīng)器來說，只是時序控制，無空間控制障礙，所以可以靈活控制。因此，SBR工藝發(fā)展速度極快，并衍生出許多新型SBR處理工藝。90年代比利時的SEGHERS公司又開發(fā)了UNITANK系統(tǒng)，把經(jīng)典SBR的時間推流與連續(xù)的空間推流結(jié)合了起來[2] SBR工藝主要有以下變形。

　　間歇式循環(huán)延時曝氣活性污泥法（ICEAS-Intermittent Cyclic Extended System）是在1968年由澳大利亞新威爾士大學(xué)與美國ABJ公司合作開發(fā)的[1]。1976年世界上第一座ICEAS工藝污水廠投產(chǎn)運行。ICEAS與傳統(tǒng)SBR相比，最大特點是：在反應(yīng)器進水端設(shè)一個預(yù)反應(yīng)區(qū)，整個處理過程連續(xù)進水，間歇排水,無明顯的反應(yīng)階段和閑置階段，因此處理費用比傳統(tǒng)SBR低。由于全過程連續(xù)進水，沉淀階段泥水分離差，限制了進水量。

　　好氧間歇曝氣系統(tǒng)（DAT-IAT-Demand Aeration Tank-Intermittent Tank）是SBR工藝中，繼ICEAS、CASS、IDEA法之后完善發(fā)展的又一種新方法[3]。主體構(gòu)筑物是由需氧池DAT池和間歇曝氣池IAT池組成，DAT池連續(xù)進水連續(xù)曝氣，其出水從中間墻進入IAT池，IAT池連續(xù)進水間歇排水。同時，IAT池污泥回流DAT池。它具有抗沖擊能力強的特點，并有除磷脫氮功能。

循環(huán)式活性污泥法(CASS-Cyclic Activated Sludge System或CAST,CASP工藝)是Goronszy教授在ICEAS工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的,是SBR工藝的一種新形式。將ICEAS的預(yù)反應(yīng)區(qū)用容積更小,設(shè)計更加合理優(yōu)化的生物選擇器代替。通常CASS池分三個反應(yīng)區(qū)：生物選擇器、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，容積比一般為1：5：30。整個過程連續(xù)間歇運行，進水、沉淀、潷水、曝氣并污泥回流。該處理系統(tǒng)具有除氮脫磷功能。

　　UNITANK單元水池活性污泥處理系統(tǒng)是比利時SEGHERS公司提出的，它是SBR工藝的又一種變形。它集合了SBR工藝和氧化溝工藝的特點，一體化設(shè)計使整個系統(tǒng)連續(xù)進水連續(xù)出水，而單個池子相對為間歇進水間歇排水。此系統(tǒng)可以靈活的進行時間和空間控制，適當(dāng)?shù)脑龃笏νＡ魰r間，可以實現(xiàn)污水的脫氮除磷。

　　改良式序列間歇反應(yīng)器（MSBR-Modified Sequencing Batch Reactor）是80年代初期根據(jù)SBR技術(shù)特點結(jié)合A2-O工藝，研究開發(fā)的一種更為理想的污水處理系統(tǒng)，目前最新的工藝是第三代工藝。MSBR工藝中涉及的部分專利技術(shù)目前屬于美國的Aqua-Aerobic System Inc.所有[4]。反應(yīng)器采用單池多方格方式，在恒定水位下連續(xù)運行。脫氮除磷能力更強。

　　2 SBR工藝特點及分析

　　SBR工藝是通過時間上的交替來實現(xiàn)傳統(tǒng)活性污泥法的整個運行過程，它在流程上只有一個基本單元，將調(diào)節(jié)池、曝氣池和二沉池的功能集于一池，進行水質(zhì)水量調(diào)節(jié)、微生物降解有機物和固、液分離等。經(jīng)典SBR反應(yīng)器的運行過程為：進水→曝氣→沉淀→潷水→待機。

　　2.1 優(yōu)點

　　通過分析可將SBR反應(yīng)器的優(yōu)點歸納如表1。

表1 SBR工藝的優(yōu)點

優(yōu)點

機理

沉淀性能好

理想沉淀理論

有機物去除效率高

理想推流狀態(tài)

提高難降解廢水的處理效率

生態(tài)環(huán)境多樣性

抑制絲狀菌膨脹

選擇性準則

可以除磷脫氮，不需要新增反應(yīng)器

生態(tài)環(huán)境多樣性

不需要二沉池和污泥回流，工藝簡單

結(jié)構(gòu)本身特點

　　2.2理論分析

　　SBR反應(yīng)池充分利用了生物反應(yīng)過程和單元操作過程的基本原理。

　　①流態(tài)理論

　　由于SBR在時間上的不可逆性，根本不存在返混現(xiàn)象，所以屬于理想推流式反應(yīng)器。

　?、诶硐氤恋砝碚?

　　其沉淀效果好是因為充分利用了靜態(tài)沉淀原理。經(jīng)典的SBR反應(yīng)器在沉淀過程中沒有進水的擾動，屬于理想沉淀狀態(tài)。

　　③推流反應(yīng)器理論

　　假設(shè)在推流式和完全混合式反應(yīng)器中有機物降解服從一級反應(yīng)，那么在相同的污泥濃度下，兩種反應(yīng)器達到相同的去除率時所需反應(yīng)器容積比為：

　　V完全混合/V推流=[（1-（1/1-η））]/ ［ln(1-η)］（1）

　　式中 η--去除率

　　從數(shù)學(xué)上可以證明當(dāng)去除率趨于零時V完全混合/V推流等于1，其他情況下（V完全混合/V推流）>1，就是說達到相同的去除率時推流式反應(yīng)器要比完全混合式反應(yīng)器所需的體積小，表明推流式的處理效果要比完全混合式好。

　?、苓x擇性準則

　　1973年Chudoba等人提出了在活性污泥混合培養(yǎng)中的動力學(xué)選擇性準則[5，這個理論是基于不同種屬的微生物在Monod方程中的參數(shù)（KS、μmax）不同，并且不同基質(zhì)的生長速度常數(shù)也不同。Monod方程可以寫成：

　　dX/Xdt=μ=μmax [S/(KS+S)] （2）

　　式中 ?X--生物體濃度

　　 S--生長限制性基質(zhì)濃度

　　 KS--飽和或半速度常數(shù)

　　 μ、μmax--分別為實際和最大比增長速率

　　按照Chudoba所提出的理論，具有低KS和μmax值的微生物在混合培養(yǎng)的曝氣池中，當(dāng)基質(zhì)濃度很低時其生長速率高并占有優(yōu)勢，而基質(zhì)濃度高時則恰好相反。Chudoba認為大多數(shù)絲狀菌的KS和μmax值比較低，而菌膠團細菌的KS和μmax值比較高，這也解釋了完全混合曝氣池容易發(fā)生污泥膨脹的原因。有機物濃度在推流式曝氣池的整個池長上具有一定的濃度梯度，使得大部分情況下絮狀菌的生長速率都大于絲狀菌，只有在反應(yīng)末期絮狀菌的生長沒有絲狀菌快，但絲狀菌短時間內(nèi)的優(yōu)勢生長并不會引起污泥膨脹。因此，SBR系統(tǒng)具有防止污泥膨脹的功能。

　　⑸微生物環(huán)境的多樣性

　　SBR反應(yīng)器對有機物去除效果好，而對難降解有機物降解效果好是因為其在生態(tài)環(huán)境上具有多樣性，具體講可以形成厭氧、缺氧等多種生態(tài)條件，從而有利于有機物的降解。

　　2.3傳統(tǒng)SBR工藝的缺點

　?、龠B續(xù)進水時，對于單一SBR反應(yīng)器需要較大的調(diào)節(jié)池。

　　②對于多個SBR反應(yīng)器，其進水和排水的閥門自動切換頻繁。

　?、蹮o法達到大型污水處理項目之連續(xù)進水、出水的要求。

　?、茉O(shè)備的閑置率較高。

　?、菸鬯嵘^損失較大。

　　⑥如果需要后處理，則需要較大容積的調(diào)節(jié)池。

　　2.4 SBR的適用范圍

　　SBR系統(tǒng)進一步拓寬了活性污泥的使用范圍。就近期的技術(shù)條件，SBR系統(tǒng)更適合以下情況：

　　1）中小城鎮(zhèn)生活污水和廠礦企業(yè)的工業(yè)廢水，尤其是間歇排放和流量變化較大的地方。

　　2）需要較高出水水質(zhì)的地方，如風(fēng)景游覽區(qū)、湖泊和港灣等，不但要去除有機物，還要求出水中除磷脫氮，防止河湖富營養(yǎng)化。

　　3）水資源緊缺的地方。SBR系統(tǒng)可在生物處理后進行物化處理，不需要增加設(shè)施，便于水的回收利用。

　　4）用地緊張的地方。

　　5）對已建連續(xù)流污水處理廠的改造等。

　　6）非常適合處理小水量，間歇排放的工業(yè)廢水與分散點源污染的治理。

　　近期來隨著SBR工藝的發(fā)展，特別是連續(xù)進水、連續(xù)出水方案的改進，使SBR工藝以應(yīng)用于大中心污水處理廠。

　　3 設(shè)計方法

　　3.1 負荷法

　　該法與連續(xù)式曝氣池容積的設(shè)計相仿。已知SBR反應(yīng)池的容積負荷NV或污泥負荷NS、進水量Q0及進水中BOD5濃度C0，即可由下式迅速求得SBR池容：

　　容積負荷法　　V=nQ0C0／Nv　　　　　　　 (3)

　　　　　　　　　Vmin=［SVI·MLSS／106］·V

　　污泥負荷法　 Vmin=nQ0C0·SVI／Ns　　　 (4)

　　　　　　　　　V=Vmin+Q0

　　3.2 曝氣時間內(nèi)負荷法

　　鑒于SBR法屬間歇曝氣，一個周期內(nèi)有效曝氣時間為ta，則一日內(nèi)總曝氣時間為nta，以此建立如下計算式：

　　容積負荷法　V=nQ0C0tc／Nv·ta　　　　 (5)

　　污泥負荷法　 V=24QC0／nta·MLSS·NS　　　 (6)

　　3.3 動力學(xué)設(shè)計法

　　由于SBR的運行操作方式不同，其有效容積的計算也不盡相同。根據(jù)動力學(xué)原理演算(過程略)，SBR反應(yīng)池容計算公式可分為下列三種情況：

　　限制曝氣　 V=NQ(C０-Ce)tf／[MLSS·Ns·ta]　　　　 (7)

　　非限制曝氣　V=nQ(C０-Ce)tf／[MLSS·Ns(ta+tf)]　　　 (8)

　　半限制曝氣　V=nQ(C0-Ce)／[LSS·Ns(ta+tf-t0)]　　 (9)

　　式中： tf--充水時間，一般取1～4h。

　　tr--反應(yīng)時間，一般在2～8h。

　　C０、Ce--分別為進水和反應(yīng)結(jié)束時的污染物濃度。

　　但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)上述方法存有以下問題：

　?、?對負荷參數(shù)的選用依據(jù)不足，提供選用參數(shù)的范圍過大［例如文獻推薦Nv=0.1～1.3kgBOD5/(m3·d)等］，而未考慮水溫、進水水質(zhì)、污泥齡、活性污泥量以及SBR池幾何尺寸等要素對負荷及池容的影響；

　　② 負荷法將連續(xù)式曝氣池容計算方法移用于具有二沉池功能的SBR池容計算，存有理論上的差異，使所得結(jié)果偏小；

　?、?在計算公式中均出現(xiàn)了SVI、MLSS、Nv、Ns等敏感的變化參數(shù)，難于全部同時根據(jù)經(jīng)驗假定，忽略了底物的明顯影響，并將導(dǎo)致各參數(shù)間不一致甚至矛盾的現(xiàn)象；

　?、?曝氣時間內(nèi)負荷法與動力學(xué)設(shè)計法中試圖引入有效曝氣時間ta對SBR池容所產(chǎn)生的影響，但因其由動力學(xué)原理演算而得，假定的邊界條件不完全適應(yīng)于實際各個階段的反應(yīng)過程，將有機碳的去除僅限制在好氧階段的曝氣作用，而忽略了其他非曝氣階段對有機碳去除的影響，使得在同一負荷條件下所得SBR池容驚人地偏大。

　　上述問題的存在不僅不利于SBR法對污水的有效處理，而且進行多方案比較時也不可能全面反映SBR法的工程量，會得出投資偏高或偏低的結(jié)果。

　　針對以上問題，提出了一套以總污泥量為主要參數(shù)的SBR池容綜合設(shè)計方法

　　3.4 總污泥量綜合設(shè)計法

　　該法是以提供SBR反應(yīng)池一定的活性污泥量為前提，并滿足適合的SVI條件，保證在沉降階段歷時和排水階段歷時內(nèi)的沉降距離和沉淀面積，據(jù)此推算出最低水深下的最小污泥沉降所需的體積，然后根據(jù)最大周期進水量求算貯水容積，兩者之和即為所求SBR池容。并由此驗算曝氣時間內(nèi)的活性污泥濃度及最低水深下的污泥濃度，以判別計算結(jié)果的合理性。其計算公式為：

　　　TS=naQ0(C0-Cr)tT·S　　　　　 (10)

　　　Vmin=AHmin≥TS·SVI·10-3　　 (11)

　　　Hmin=Hmax-ΔH 　　　　　 (12)

　　　V=Vmin+ΔV 　　　　　　　　 (13)

　　式中?TS--單個SBR池內(nèi)干污泥總量，kg

　　　tT·S--總污泥齡，d

　　　A--SBR池幾何平面積，m2

　　　Hmax、Hmin--分別為曝氣時最高水位和沉淀終了時最低水位，m

　　　ΔH--最高水位與最低水位差，m

　　　Cr--出水BOD5濃度與出水懸浮物濃度中溶解性BOD5濃度之差。其值為：

　　　Cr=Ce-Z·Cse·1.42(1-ek1t)　　　　 (14)

　　式中?Cse--出水中懸浮物濃度，kg/m3

　　　k1--耗氧速率，d-1

　　　t--BOD實驗時間，d

　　　Z--活性污泥中異養(yǎng)菌所占比例，其值為：

　　　Z=B-（B2-8.33Ｎs·1.072(15-T)）0.5 　　 (15)

　　　B=0.555+4.167(1+TS0/BOD5)Ns·1.072(15-T) 　 (16)

　　　Ns=1/a·tT·S 　　　　 (17)

　　式中?a--產(chǎn)泥系數(shù)，即單位BOD5所產(chǎn)生的剩余污泥量，kgMLSS/kgBOD5，其值為：

　　a=0.6(TS0/BOD5+1)-0.6×0.072×1.072(T-15)1/［tT·S+0.08×1.072(T-15)］?　　(18)

　　式中TS、BOD5--分別為進水中懸浮固體濃度及BOD 5濃度，kg/m3

　　T--污水水溫，℃

　　由式(9)計算之Vmin系為同時滿足活性污泥沉降幾何面積以及既定沉淀歷時條件下的沉降距離，此值將大于現(xiàn)行方法中所推算的Vmin。

　　必須指出的是，實際的污泥沉降距離應(yīng)考慮排水歷時內(nèi)的沉降作用，該作用距離稱之為保護高度Hb。同時，SBR池內(nèi)混合液從完全動態(tài)混合變?yōu)殪o止沉淀的初始5～10min內(nèi)污泥仍處于紊動狀態(tài)，之后才逐漸變?yōu)閴嚎s沉降直至排水歷時結(jié)束。它們之間的關(guān)系可由下式表示：

　　vs(ts+td-10/60)=ΔH+Hb　　　　 (19)

　　vs=650/MLSSmax·SVI 　　　　　 (20)

　　由式(18)代入式(17)并作相應(yīng)變換改寫為：

　　［650·A·Hmax／TS·SVI］(ts+td-10/60)=ΔＶ/Ａ+Hb　　　　　 (21)

　　式中 vs--污泥沉降速度，m/h

　　MLSSmax--當(dāng)水深為Hmax時的MLSS，kg/m3

　　ts、td--分別為污泥沉淀歷時和排水歷時，h

　　式(19)中SVI、Hb、ts、td均可據(jù)經(jīng)驗假定，Ts、ΔV均為已知，Hmax可依據(jù)鼓風(fēng)機風(fēng)壓或曝氣機有效水深設(shè)置，A為可求，同時求得ΔH，使其在許可的排水變幅范圍內(nèi)保證允許的保護高度。因而，由式(10)、(11)可分別求得Hmin、Vmin和反應(yīng)池容。

　　4 SBR在發(fā)展中的問題

　　相對于傳統(tǒng)連續(xù)流活性污泥法，SBR工藝是一種尚處于發(fā)展、完善階段的技術(shù)，許多研究工作剛剛起步，缺乏科學(xué)的設(shè)計依據(jù)和方法以及成熟的運行管理經(jīng)驗，另外，SBR自身的特點更加深了解決問題的難度。

　　SBR在現(xiàn)階段的發(fā)展過程中，主要存在以下方面的問題：

　　4.1 基礎(chǔ)研究方面

　　①關(guān)于污水在非穩(wěn)定狀態(tài)下活性污泥微生物代謝理論的研究；

　　②關(guān)于厭氧、好氧狀態(tài)的反復(fù)交替對微生物活性和種群分布的影響；

　?、劭赏瑫r除磷、脫氮的微生物機理的研究。

　　4.2 工程設(shè)計方面

　?、偃狈茖W(xué)、可靠的設(shè)計模式；

　　②運行模式的選擇與設(shè)計方法脫節(jié)。

　　5 結(jié)束語

　　SBR藝是一種理想的間歇式活性污泥處理工藝，它具有工藝流程簡單、處理效果穩(wěn)定、占地面積小、耐沖擊負荷強及具有脫氮除磷能力等優(yōu)點，是目前正在深入研究的一項污水生物處理新技術(shù)。