摘要：SBR 法是序批式活性污泥法的简称，是一种按连续进水、间歇排水周期循环间歇曝气式活性污泥污水处理技术。其运行控制自动化，具有脱氮除磷等作用，是一种比较先进的技术。本文就此技术的概况、发展及其在我国的应用进行了探讨，以期能在我国得到较全面的推广应用。与传统活性污泥ＣＦＳ法相比较,具有许多优点的特性,探讨了此技术的概况、发展及在我国的应用。如果设计前能进行必要的工艺条件实验,合理选用设计参数,它必将作为一种先进技术,在我国得到广泛地应用。
关键词：活性污泥 污水处理 ＳＢＲ法 间歇曝气
SBR( Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process )是一种好氧微生物污水处理技术,是连续进水、间歇排水的周期循环间歇系统。该工艺集调节、初沉、、二沉、生物脱氮等过程于一池,按不同的时间顺序进行各种目的不同的操作,全部过程都在一个池体内周而复始地进行,工艺流程简洁,布局紧凑合理,是一种先进的污水处理系统。该技术适用于处理市政生活污水和中低浓度有机工业废水,能有效地去除废水中ＢＯＤ5和悬浮固体(ＳＳ),将废水中的氮化合物转成硝酸盐,进而转成氨气,使出水的氨氮(ＮＨ3-Ｎ)含量大大降低。与之相比较,传统的连续流水处理系统ＣＦＳ( Continuous Flow System )是在空间上设置不同的设施而在同一时间内进行各种操作。该工艺将调节、初沉、、二沉、生物脱氮等过程设于多个池内进行,限制了反应器的功能,扩大了使用空间和占地面积,使运行速度迟缓,空间和地面的有效利用率降低,不适应于大中城市工业废水、生活污水和其它多种复杂环境中各种废水处理的需要。
一.SBR污水处理技术概述
1.SBR污水处理技术
SBR法是20世纪初（1915年）产生的活性污泥充排式反应器 FDR(Fill and Draw Reactor）的一种改进。FDR法是间歇式污水处理方法，它的处理效果比连续系统ＣＦＳ( Continuous Flow System )有明显的优势，但出于进出水操作频繁，不易控制，逐渐被连续流法所取代。随着自动控制技术的迅速发展，液位、流量、时间、程序等控制器件的完善，SBR 法的运行控制实现了自动化，而且还具有脱氮除磷的功能，因此自70 年代以来又被许多国家重视。
SBR 法的运行包括五道工序形成一个周期。根据各工序目的的不同，可分为：进水、反应、沉淀、排水和闲置。它与连续流系统相比，最显著的特点是它将反应和沉淀分离两个工序放在同一反应器内进行，扩大了反应器的功能。它时间顺序运行的特点，使它的运行十分灵活，可以适应多种复杂操作的需要，还可一池多用。
SBR污水处理技术与传统污水处理技术是不相同的。SBR技术采用的是时间分割操作替代空间分割操作，非稳态生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代动态沉淀等。它在运行上实现了有序和间歇操作相结合。
2.SBR工艺的主要性能特点
2.1工艺简单,投资和运行费用低
原则上SBR的主体工艺设备,只有一个间歇反应器(SBR).它与普通活泥法工艺流程相比,不需设二沉池、污泥回流设备,一般情况下不必设调节池,多数情况下可省去初沉池.为获得同样的处理效率SBR法的反应池理论上明显小于连续池的体积,且池越多, SBR的总体积越小.尤其是利用SBR法处理小城镇污水,要比用普通活性污泥法节省基建投资30%多,并且还具有布置紧凑,节约占地面积的特点.据美国 Grundy Center污水处理厂评价,采用SBR法在二级处理中建设费用节省了19%,整个污水厂的费用节省了8%.
SBR由于不需要回流污泥而节省了能耗. SBR如采用限制方式运行,则在反应之初,池内溶解氧浓度梯度大,氧气利用率也较高;在缺氧条件段,微生物可以有效地从硝酸盐中获得氧,这也节省了充氧量.
2.2污泥活性强,污泥的质量浓度高
据报道, SBR系统中微生物的核糖核酸(ＲＮＡ)含量比连续流活性污泥系统高3～4倍,ＲＮＡ是微生物生长的基础,ＲＮＡ高预示SBR系统微生物具有较强的活性.而在反应器内维持较高的污泥质量浓度对处理高浓度难降解有毒有害工业废水有利.
2.3对水量、水质变化的适应性强,有机物去除率高
SBR系统是一种封闭系统,反应器中基质和微生物浓度是随时间变化的,在废水和生物污泥接触混合及反应过程中,废水中基质的去除应由反应时间来决定,因此SBR对于时间来说类似理想的推流式反应器,而在反应过程中任一时刻其基质处于完全混合状态,故也兼有完全混合式反应器的特点.完全混合式池耐冲击负荷且处理有毒或高浓度有机废水的能力强,而推流式池具有生化反应推动力大的优点.间歇式进水和排水有调节缓和冲击负荷的作用,使SBR系统运行稳定.一些废水间歇排放且流量很小,或者水质波动极大,此时采用SBR法易取得良好的效果.还有少数特殊废水,其中含有只能通过“共代谢”途径才能降解的有机物,而SBR由于运行的序列性而能为“共代谢”提供条件,保证废水得以有效处理SBR有机物去除率高的主要原因是由于SBR系统对生长率高、适应性强的微生物生长有利,在SBR系统运行周期内微生物生存环境变化剧烈,它包括氧利用范围从厌氧经缺氧到高溶解氧状态,基质利用从饥饿到充足,合乎需要的微生物优先生长.
2.4静止沉淀效果好
SBR的沉淀是在理想静沉条件下进行的,没有进出水流的干扰,可以避免短流和异重流的出现,是一种理想的静态沉淀,因此固液分离效果好,容易获得澄清的出水.剩余污泥含水率低,浓缩污泥含固率可达到2.5%～3%,这为后续污泥的处置提供了良好的条件.
2.5不易出现污泥膨胀
限制的SBR在反应阶段是时间上理想的推流状态,即底物的质量浓度梯度大,并且缺氧或厌氧与好氧状态交替出现,利于菌胶团细菌的增殖,抑制专性好氧丝状菌的过量繁殖,因此,限制的SBR最不容易出现污泥膨胀.
2.6脱氮除磷效果好
生物脱氮过程是由好氧生物硝化和厌氧或缺氧反硝化两个生物化学过程组成.硝化过程是在有氧条件下,由亚硝化菌先将氨氮转化为亚硝酸盐氮,再由硝化菌进一步氧化为硝酸盐.亚硝化菌和硝化菌是自养菌,硝化过程需要有较高质量浓度的溶解氧和较低质量浓度的有机物. SBR在反应后期,反应器内溶解氧质量浓度较高,而基质质量浓度已大幅度下降,废水中的氨氮在有机物去除的基础上完成硝化过程.反硝化过程是由兼性菌或厌氧菌完成,硝酸盐作为电子受体,各种碳水化合物作为电子供体进行无氧呼吸,在有机物被氧化分解的基础上将硝酸盐氮还原成氮气逸出. SBR工艺的时间序列性和运行条件上的较大灵活性为其脱氮除磷提供了得天独厚的条件,即SBR工艺在时间序列上提供了缺氧(ＤＯ=0,ＮＯｘ>0)、厌氧(ＤＯ=0,ＮＯｘ>0)和好氧(ＤＯ>0)的环境条件,使缺氧条件下实现反硝化,厌氧条件下实现磷的释放和好氧条件下的硝化及磷的过度摄取,从而有效地脱氮除磷. SBR的除氮、除磷效果见表1
3 .SBR系统的适用范围
SBR活性污水处理系统法与传统的ＣＦＳ活性污泥水处理系统相比较,在应用领域方面也有其显著的不同和优势,主要表现在以下几个方面:
(1) 中小城镇生活污水和厂矿企业工业废水,尤其是间歇排放和流量变化较大的地方,适合应用SBR法。
(2) 需要较高出水水质的地方。如风景游览区、湖泊和港湾等。使用SBR法,不但可以去除有机物,还使出水脱氮除磷,防止河湖富营养化。
(3) 水资源紧缺的地方。此系统可在生物处理后进行物化处理,不需要增加设施,便于水的回收利用。
(4) 用地紧张的地方,宜使用此法。
(5) 已建连续流污水处理厂的改造,适合应用此法。
(6) 非常适合处理小水量,间歇排放的工业废水与分散点源污染废水的治理。
4. SBR法的设计要点
采用此工艺进行污水处理的单位,在进行工艺设计时,应充分考虑以下几个设计要点:
(1) 运行周期的确定: SBR的运行周期由充水、反应、沉淀、排水排泥和闲置五段时间组成,应根据实际情况予以考虑。
(2) 反应池容积的计算:要全面考虑周期数(周期/ｄ)、每一系列的反应池数、每一系列的污水进水量(设计最大日污水量,m3/d)等因素。
(3) 系统:装置的能力是指在规定的时间内能供给的需氧量。装置必须是不易堵塞,同时考虑反应池的搅拌性能等。
(4) 排水系统:上清液排出装置应能在设定的排水时间内,活性污泥不发生上浮的情况下排出上清液,同时设置事故用排水和防浮渣流出装置。
(5) 排泥设备:此法不设初沉池,易流入较多的杂物,污泥泵应采用不易堵塞的泵型。
5.SBR的工艺步骤
SBR反应池内设一隔墙,将反应池分成预反应区(ＤＡＴ)和主反应区(ＩＡＴ),墙的底部有孔相通。每一个周期的进水、反应、沉淀、滗水和闲置五道工序都在同一池内周而复始地进行。
(1)进水
经过粗滤后的污水连续不断地进入反应池的预反应区ＤＡＴ,其中大部分可溶性ＢＯＤ5很快地被该区内的微生物吸附,既可防止污泥膨胀,又对进水水质起到很好的缓冲作用。污水在连续进入的同时连续后,通过两区之间导流设施进入ＩＡＴ。由于进水时(除滗水阶段外)不排水,因此不像连续流ＣＦＳ法那样易受负荷变化的冲击。即使水质水量变化较大,也不会对SBR工艺处理的出水水质产生多大的影响。
(2)反应
反应工艺分两步进行。首先发生在ＤＡＴ区,之后经ＤＡＴ初步生物处理的污水连续进入ＩＡＴ区。此反应阶段与ＣＦＳ法完全混合式池中的反应不同,它实际上是一个推流式反应。水中ＢＯＤ5被氧化分解,同时发生硝化反应。微生物生长动力学的研究表明,在废水生物处理装置的设计中,控制微生物环境条件是十分重要的。在一定的环境条件下,控制微生物生长速率就能使有机污染物得到有效的降解。由于在间歇培养中,细菌增长量与其细胞质量成正比,因此,在反应池中,一级反应速率与反应池内基质浓度成正比。ＣＦＳ连续流完全混合式反应池内的基质与其出水所含基质浓度相同,而SBR池内的基质浓度高于出水,这样它就比完全混合式有较高的去除效率和较高的降解速度。另一方面,研究表明,污泥膨胀是由活性污泥中大量丝状菌繁殖造成的,组成活性污泥的菌胶团和丝状菌,在不同污水浓度下有着不同的比生长速度。在高浓度ＢＯＤ5时,菌胶团的比生长速度高于丝状菌,当混合液ＢＯＤ5浓度较低时,丝状菌有高于菌胶团的比生长速度,如果养分供给充足,可以造成大量繁殖。由于SBR反应池中,污水浓度随时间变化,进水浓度很高,菌胶团很快吸附并贮存水中的大部分可溶性有机物,在时间上形成一个理想的推流式,使出水浓度很低,这时,虽然丝状菌有较高的比生长速度,但营养成分几乎已被菌胶团耗尽,已不可能有很大的增值,从而克服了ＣＦＳ法活性污泥的膨胀问题。
(3)沉淀
沉淀工序仅发生在ＩＡＴ。当ＩＡＴ停止以后,剩余的ＢＯＤ5被活性污泥带到反应池底部,并利用溶解在水中的氧进一步进行低负荷的氧化。反应逐步由好氧转入缺氧,进而成厌氧状态,脱氮开始。在此阶段污泥沉淀,水质变清。沉淀过程由于只有进水而无出水,属半静态沉淀,不像ＣＦＳ法的连续流式动态沉淀,因而有较高的沉淀效率。
(4)滗水
排水工序只发生在ＩＡＴ。池水位达到最高,并经过沉淀后,污泥沉于底部,上部水质变清,系统处于厌氧状态,活性污泥在此进行内源呼吸,反硝化细菌利用内源碳进行反硝化脱氮。经处理后澄清的水,由SBR工艺的关键设备滗水器自动缓慢排出池外。当池水位达到处理周期开始时的最低水位时,停止滗水。反应池底部的活性污泥大部分作为下个处理周期的回流污泥使用(实际上不需泵输回流),过剩的污泥定期引出排放。每一周期滗水结束后,反应池中还剩下一部分水,可起缓冲和稀释作用。虽然在系统进入沉淀、滗水阶段时,待处理的废水仍连续不断进入,只要设计反应池时对池内挡板位置及开孔率作出精心安排,待处理水经布水器进入预反应池后,以极小的流速运动,其一般推进速度为0.03～0.05m/min,即使有一小部分水在滗水阶段进入主反应池,也会受到污水沉降层的阻挡,因而将原反应池内过渡区的水推入排水区,不会造成短路。
(5)闲置
在ＩＡＴ沉淀后到下个周期开始期间,可视污水的性质设置闲置期,在该时段内可根据需要进行搅拌或。在厌氧条件下搅拌比好氧条件下的要省能量,同时对保持污泥的活性也是有利的。在以脱磷为目的的装置中,剩余污泥的排放一般是在闲置工序之初和沉淀工序的最后进行。
二.SBR法的发展变化
1.1国外简况
1914年,英国Alden与Lockett等人发明了活性污泥法间歇运行污水处理技术。但由于和自控设备的问题,运行管理极不方便,后来改为连续流活性污泥法工艺。在20世纪80年代前后期,由于自动化、计算机等高新技术的迅速发展以及在污水处理领域的普及与应用(电动阀、气动阀、溶解氧传感器、水位传感器等),使得间歇活性污泥法污水处理技术获得重大进展,实现了运行管理的自动化。1979年,美国R.L.Irvine等人根据试验结果首先提出SBR工艺,系连续进水,间歇排水。同年Goronsay在以往工艺基础上提出了间歇式循环延时系统。1984年又研究出利用不同负荷条件下微生物的生长速率和污水生物除磷脱氮工艺。ＤＡＴ-ＩＡＴ是SBR工艺中,继ＩＣＥＡＳ、ＣＡＳＳ、ＩＤＥＡ法之后完善发展的又一种新方法。
澳大利亚以SBR工艺所著称。近十几年来,建成SBR工艺污水处理厂600余座,其中在中型和大型污水处理厂的应用也日益增多,并且开始兴建日处理量21万吨大型SBR工艺污水处理厂。由于处理工艺流程简单,处理效果好的独特优点,逐渐引起世界污水处理界的广泛关注。
1.2 国内简况
(1) SBR法研究的起步
我国自九十年代中期开始,国家建设部部属市政设计研究院和上海、北京、天津等市政设计研究院,开始了SBR工艺技术的研究和应用,但大部分处于试验研究和小型污水处理厂的应用阶段。目前,只有几座城市污水处理厂采用SBR法工艺处理城市混合污水,其处理效果较好,如:昆明市日处理污水量15万吨的第三污水处理厂,其工艺为SBR法ＩＣＥＡＳ技术,自投产以来,运行正常,出水水质稳定,达到了设计标准。天津经济技术开发区污水处理厂所采用的ＤＡＴ-ＩＡＴ是一种SBR法的变形工艺,是中国目前最大的SBR法城市污水处理厂。该工艺方案是由天津市政工程设计研究院和开发区、以及国内有关污水处理专家共同完成的,经过对国内外污水厂的考察并充分论证,认为SBR法ＤＡＴ-ＩＡＴ工艺能够克服天津开发区工业废水比重大、水质水量变化幅度大的水质特征,其处理后的水质能够满足国家的排放标准。
(2) SBR法的自动化控制
天津经济技术开发区污水处理厂采用国际上比较先进的SBR工艺中的ＤＡＴ-ＩＡＴ法,日处理污水10万吨,整个污水处理实行集中控制,分散管理的方式。它把管理层和控制层分开,降低误操作对整个工艺的影响,增加了系统运行的可靠性。该项技术为澳大利亚专利技术,中国首次引进使用。通过对全过程的监控,实现了整个工厂的全自动化运行,大大提高了生产的稳定性和连续性,减少了由于人为的因素而带来的干扰,减轻了劳动强度。随着计算机和网络的飞速发展,自动控制技术也正在迅猛发展。
三.结语
SBR工艺具有普通连续流活性污泥法所不具备的优势,可以说SBR拓展了普通活性污泥法的处理能力.目前, SBR反应器已广泛应用于各种含难降解有机物废水处理的试验研究,并取得较好的处理效果,众多研究结果表明SBR对连续式不能降解的有机物也表现出良好的降解效果.针对难降解有机物处理新型SBR反应器和运行工序的开发和应用,使得SBR在难降解有机物处理中得以广泛应用.由于SBR运行灵活,抗冲击负荷能力强,因此特别适用于排放量小,有机物浓度高且不易降解,废液排放间歇的中小型企业.目前,我国正在大力发展装置化环保设备,为众多的中小型石油化工、造纸、印染、炼油、制药等企业提供操作方便和使用灵活的废水处理工艺设备成为一项迫在眉睫的任务,预计能适应这一要求的SBR工艺在这方面将有较大的发展潜力和良好的推广应用前景.
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