SBR工藝研究總結(jié)

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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(duì)經(jīng)典SBR工藝的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了綜述，歸納了經(jīng)典SBR工藝的特點(diǎn)；對(duì)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(diǎn)

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(shí)，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(shí)驗(yàn)室規(guī)模對(duì)SBR工藝進(jìn)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(gè)SBR法污水處理廠[1]。80年代前后，由于自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)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(xiàng)技術(shù)獲得重大進(jìn)展，使得間歇活性污泥法（也稱"間歇式活性污泥法"）的運(yùn)行管理也逐漸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)，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(duì)SBR進(jìn)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(dá)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(yùn)行正常，出水水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；天津經(jīng)濟(jì)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(dòng)化控制技術(shù)。

　　1 工藝簡介

　　SBR工藝的過程是按時(shí)序來運(yùn)行的，一個(gè)操作過程分五個(gè)階段：進(jìn)水、曝氣、沉淀、潷水、閑置。由于SBR在運(yùn)行過程中，各階段的運(yùn)行時(shí)間、反應(yīng)器內(nèi)混合液體積的變化以及運(yùn)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(yùn)行功能要求等靈活變化。對(duì)于SBR反應(yīng)器來說，只是時(shí)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(shí)的SEGHERS公司又開發(fā)了UNITANK系統(tǒng)，把經(jīng)典SBR的時(shí)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(shí)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(yùn)行。ICEAS與傳統(tǒng)SBR相比，最大特點(diǎn)是：在反應(yīng)器進(jìn)水端設(shè)一個(gè)預(yù)反應(yīng)區(qū)，整個(gè)處理過程連續(xù)進(jìn)水，間歇排水,無明顯的反應(yīng)階段和閑置階段，因此處理費(fèi)用比傳統(tǒng)SBR低。由于全過程連續(xù)進(jìn)水，沉淀階段泥水分離差，限制了進(jìn)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(jìn)水連續(xù)曝氣，其出水從中間墻進(jìn)入IAT池，IAT池連續(xù)進(jìn)水間歇排水。同時(shí)，IAT池污泥回流DAT池。它具有抗沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)，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(jì)更加合理優(yōu)化的生物選擇器代替。通常CASS池分三個(gè)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(gè)過程連續(xù)間歇運(yùn)行，進(jìn)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(shí)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(diǎn)，一體化設(shè)計(jì)使整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)水連續(xù)出水，而單個(gè)池子相對(duì)為間歇進(jìn)水間歇排水。此系統(tǒng)可以靈活的進(jìn)行時(shí)間和空間控制，適當(dāng)?shù)脑龃笏νＡ魰r(shí)間，可以實(shí)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(diǎn)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(yùn)行。脫氮除磷能力更強(qiáng)。

　　2 SBR工藝特點(diǎn)及分析

　　SBR工藝是通過時(shí)間上的交替來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)活性污泥法的整個(gè)運(yùn)行過程，它在流程上只有一個(gè)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(jìn)行水質(zhì)水量調(diào)節(jié)、微生物降解有機(jī)物和固、液分離等。經(jīng)典SBR反應(yīng)器的運(yùn)行過程為：進(jìn)水→曝氣→沉淀→潷水→待機(jī)。

　　2.1 優(yōu)點(diǎn)

　　通過分析可將SBR反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)歸納如表1。

表1 SBR工藝的優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

機(jī)理

沉淀性能好

理想沉淀理論

有機(jī)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(zhǔn)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(diǎn)

　　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。

　?、倭鲬B(tài)理論

　　由于SBR在時(shí)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。

　　②理想沉淀理論

　　其沉淀效果好是因?yàn)槌浞掷昧遂o態(tài)沉淀原理。經(jīng)典的SBR反應(yīng)器在沉淀過程中沒有進(jìn)水的擾動(dòng)，屬于理想沉淀狀態(tài)。

　?、弁屏鞣磻?yīng)器理論

　　假設(shè)在推流式和完全混合式反應(yīng)器中有機(jī)物降解服從一級(jí)反應(yīng)，那么在相同的污泥濃度下，兩種反應(yīng)器達(dá)到相同的去除率時(shí)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(shí)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(dá)到相同的去除率時(shí)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(zhǔn)則

　　1973年Chudoba等人提出了在活性污泥混合培養(yǎng)中的動(dòng)力學(xué)選擇性準(zhǔn)則[5，這個(gè)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(shí)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(shí)其生長速率高并占有優(yōu)勢，而基質(zhì)濃度高時(shí)則恰好相反。Chudoba認(rèn)為大多數(shù)絲狀菌的KS和μmax值比較低，而菌膠團(tuán)細(xì)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(jī)物濃度在推流式曝氣池的整個(gè)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(shí)間內(nèi)的優(yōu)勢生長并不會(huì)引起污泥膨脹。因此，SBR系統(tǒng)具有防止污泥膨脹的功能。

　?、晌⑸锃h(huán)境的多樣性

　　SBR反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物去除效果好，而對(duì)難降解有機(jī)物降解效果好是因?yàn)槠湓谏鷳B(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(jī)物的降解。

　　2.3傳統(tǒng)SBR工藝的缺點(diǎn)

　?、龠B續(xù)進(jìn)水時(shí)，對(duì)于單一SBR反應(yīng)器需要較大的調(diào)節(jié)池。

　?、趯?duì)于多個(gè)SBR反應(yīng)器，其進(jìn)水和排水的閥門自動(dòng)切換頻繁。

　?、蹮o法達(dá)到大型污水處理項(xiàng)目之連續(xù)進(jìn)水、出水的要求。

　?、茉O(shè)備的閑置率較高。

　?、菸鬯嵘^損失較大。

　?、奕绻枰筇幚?，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(jìn)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(jī)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(jìn)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(duì)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(diǎn)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(jìn)水、連續(xù)出水方案的改進(jìn)，使SBR工藝以應(yīng)用于大中心污水處理廠。

　　3 設(shè)計(jì)方法

　　3.1 負(fù)荷法

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

　　容積負(fù)荷法　　V=nQ0C0／Nv　　　　　　　 (3)

　　　　　　　　　Vmin=［SVI·MLSS／106］·V

　　污泥負(fù)荷法 　 Vmin=nQ0C0·SVI／Ns　　　 (4)

　　　　　　　　　V=Vmin+Q0

　　3.2 曝氣時(shí)間內(nèi)負(fù)荷法

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

　　容積負(fù)荷法 　V=nQ0C0tc／Nv·ta　　　　 (5)

　　污泥負(fù)荷法　 V=24QC0／nta·MLSS·NS　　　 (6)

　　3.3 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)法

　　由于SBR的運(yùn)行操作方式不同，其有效容積的計(jì)算也不盡相同。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理演算(過程略)，SBR反應(yīng)池容計(jì)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(shí)間，一般取1～4h。

　　tr--反應(yīng)時(shí)間，一般在2～8h。

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

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

　?、?對(duì)負(fù)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(xiàn)推薦Nv=0.1～1.3kgBOD5/(m3·d)等］，而未考慮水溫、進(jìn)水水質(zhì)、污泥齡、活性污泥量以及SBR池幾何尺寸等要素對(duì)負(fù)荷及池容的影響；

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

　?、?在計(jì)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(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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；

　　④ 曝氣時(shí)間內(nèi)負(fù)荷法與動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)法中試圖引入有效曝氣時(shí)間ta對(duì)SBR池容所產(chǎn)生的影響，但因其由動(dòng)力學(xué)原理演算而得，假定的邊界條件不完全適應(yīng)于實(shí)際各個(gè)階段的反應(yīng)過程，將有機(jī)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(duì)有機(jī)碳去除的影響，使得在同一負(fù)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(duì)污水的有效處理，而且進(jìn)行多方案比較時(shí)也不可能全面反映SBR法的工程量，會(huì)得出投資偏高或偏低的結(jié)果。

　　針對(duì)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(jì)方法

　　3.4 總污泥量綜合設(shè)計(jì)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(shí)和排水階段歷時(shí)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(jìn)水量求算貯水容積，兩者之和即為所求SBR池容。并由此驗(yàn)算曝氣時(shí)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(jì)算結(jié)果的合理性。其計(jì)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(gè)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(shí)最高水位和沉淀終了時(shí)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(jìn)水中懸浮固體濃度及BOD 5濃度，kg/m3

　　T--污水水溫，℃

　　由式(9)計(jì)算之Vmin系為同時(shí)滿足活性污泥沉降幾何面積以及既定沉淀歷時(shí)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(shí)際的污泥沉降距離應(yīng)考慮排水歷時(shí)內(nèi)的沉降作用，該作用距離稱之為保護(hù)高度Hb。同時(shí)，SBR池內(nèi)混合液從完全動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，之后才逐漸變?yōu)閴嚎s沉降直至排水歷時(shí)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：

　?。?50·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(shí)的MLSS，kg/m3

　　ts、td--分別為污泥沉淀歷時(shí)和排水歷時(shí)，h

　　式(19)中SVI、Hb、ts、td均可據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定，Ts、ΔV均為已知，Hmax可依據(jù)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓或曝氣機(jī)有效水深設(shè)置，A為可求，同時(shí)求得ΔH，使其在許可的排水變幅范圍內(nèi)保證允許的保護(hù)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(duì)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(jì)依據(jù)和方法以及成熟的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，另外，SBR自身的特點(diǎn)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；

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

　　③可同時(shí)除磷、脫氮的微生物機(jī)理的研究。

　　4.2 工程設(shè)計(jì)方面

　?、偃狈茖W(xué)、可靠的設(shè)計(jì)模式；

　?、谶\(yùn)行模式的選擇與設(shè)計(jì)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(fù)荷強(qiáng)及具有脫氮除磷能力等優(yōu)點(diǎn)，是目前正在深入研究的一項(xiàng)污水生物處理新技術(shù)。

　　SBR工藝應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵是要求自動(dòng)化程度較高，因而隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展及研究的不斷深入，預(yù)計(jì)不久的將來SBR及在其基礎(chǔ)上開發(fā)的ICEAS工藝和CASS等工藝在生產(chǎn)中的應(yīng)用將有所突破。

　　作者簡介：

　　顏成淋 男 助理工程師  2000年畢業(yè)于福建漳州大學(xué)水利水電建筑工程系給排水專業(yè)，，從事給排水設(shè)計(jì)及工藝管理工作。