摘　要: 研究了SBR工藝類型及發(fā)展, 分析了SBR的工藝優(yōu)缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法, 探討了SBR在發(fā)展中的問題。

關(guān)鍵詞: 污水處理; SBR; 發(fā)展; 應(yīng)用

1　SBR工藝類型及發(fā)展

序批式活性污泥法( SBR—Sequenting BatchReactor) 是早在1914 年就由英國學(xué)者Ardern 和Locket發(fā)明的水處理工藝。70年代初, 美Natre2Dame大學(xué)的R1 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, 在印第安那州Culwer城改建并投產(chǎn)了世界上第一個(gè)SBR法污水處理廠。

SBR工藝的過程是按時(shí)序來運(yùn)行的, 一個(gè)操作過程分5個(gè)階段: 進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、潷水、閑置。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)等都可以根據(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, 并衍生出許多種新型SBR處理工藝。

間歇式循環(huán)延時(shí)曝氣活性性污泥法( 1CEAS—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。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 Aer2ation Tank—Intermittent Tank) 是由天津市政工程設(shè)計(jì)研究院提出的一種SBR新工藝。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 ActivatedSludge System) 是Gotonszy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3 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)過程間歇運(yùn)行, 進(jìn)水同時(shí)曝氣并污泥回流。該處理系統(tǒng)具有除氮脫磷功能。UN ITANK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)可以靈活地進(jìn)行時(shí)間和空間控制, 適當(dāng)增大水力停留時(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 Se2quencing Batch Reactor) 是C, Y1Yang 等人根據(jù)SBR技術(shù)特點(diǎn)結(jié)合A2—0 工藝, 研究開發(fā)的一種更為理想的污水處理系統(tǒng)。采用單池多方格方式,在恒定水位下連續(xù)運(yùn)行。通常MSBR池分為主曝氣池、序批池1、序批池2、厭氧池A、厭氧池B、缺氧池、泥水分離池。每個(gè)周期分為6個(gè)時(shí)段, 每3個(gè)時(shí)段為1 個(gè)半周期。1 個(gè)半周期的運(yùn)行狀況: 污水首先進(jìn)入?yún)捬醭谹脫氮, 再進(jìn)入?yún)捬醭谺除磷, 進(jìn)入主曝氣池好氧處理, 然后進(jìn)入序批池, 兩個(gè)序批池交替運(yùn)行(缺氧—好氧/沉淀—出水) 。脫氮除磷能力更強(qiáng)。

2　SBR工藝優(yōu)點(diǎn)

21　SBR反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)

22　理論分析

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

221　流態(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。

222　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)。

223　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(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)器容積比則為:

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

式中η———去除率

從數(shù)學(xué)上可證明當(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)器所需要的體積小, 表明推流式的處理效果要比完全混合式好。

224　選擇性準(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, 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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)速率高并占有優(yōu)勢(shì), 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(zhǎng)上具有一定的濃度梯度, 使得大部分情況下絮狀菌的生長(zhǎng)速率都大于絲狀菌, 只有在反應(yīng)末期絮狀菌的生長(zhǎng)沒有絲狀菌快, 但絲狀菌短時(shí)間內(nèi)的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)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。

225　微生物環(huán)境的多樣性

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

23　缺點(diǎn)

(1) 連續(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;

(2) 對(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;

(3) 無法達(dá)到大型污水處理項(xiàng)目之連續(xù)進(jìn)水、出水的要求;

(4) 設(shè)備的閑置率較高;

(5) 污水提升水頭損失較大;

(6) 如果需要后處理, 則需要較大容積的調(diào)節(jié)池。

24　工藝比較

大部分新型SBR仍然擁有經(jīng)典SBR的主要特點(diǎn), 并且還形成了一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 見表2。

由表2可見在新型SBR中經(jīng)典SBR的優(yōu)點(diǎn)在一定程度上被弱化, 同時(shí)由于改進(jìn)的SBR 吸收了傳統(tǒng)活性污泥的特點(diǎn), 出現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水和帶回流污泥的SBR反應(yīng)器以及UN ITANK新型綜合性工藝。不同類型的SBR反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是不同的, 因此在進(jìn)行工藝選擇和設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)注意。

3　設(shè)計(jì)方法

31　負(fù)荷法

該法與連續(xù)式曝氣池容的設(shè)計(jì)相仿。已知SBR反應(yīng)池的容積負(fù)荷或污泥負(fù)荷、進(jìn)水量及進(jìn)水中BOD5 濃度, 即可求得SBR池容。
 
容積負(fù)荷法　V = nQO CO /N v (3)
            Vmin = [SV I·MLSS /106 ] ·V
 
污泥負(fù)荷法　Vmin = nQO CO ·SV I /N s (4)
            V =Vm in +QO

32　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1d內(nèi)總曝氣時(shí)間為nta, 以此建立計(jì)算式:

容積負(fù)荷法　V = nQO CO tc /N v·ta (5)

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

33　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3種情況:

限制曝氣　V =NQ (CO - Ce) tf / IMLSS ·N s·ta〗(7)

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

半限制曝氣　V = nQ (CO - Ce) tf / [Lss·N s( ta + tf - t0) ] (9)

34　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SV I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 = naQO (CO - Cr) tT·s (10)

Vmin =AHmin≥TS ·SV I·10- 3 (11)

Hmin =Hmax - △H (12)

V =Vmin + △V (13)

式中TS—單個(gè)SBR池內(nèi)干污泥總量, kgtT·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
     △H—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 ·1142 (1 - ek t1 ) (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 - 8133N s·11072(15 - T) ) 015 (15)
B = 01555 + 41167 ( 1 + TSO /BOD5 ) N s ·11072(15 - T) (16)
N s = 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 = 016 ( TSO /BOD5 + 1 ) - 016 ×01072 ×11072( T - 15) 1 / [ tT·S + 0108 ×11072( T - 15) ] (18)
式中TS、BOD5 —分別為進(jìn)水中懸浮固體濃度及BOD5 濃度, kg/m3
        T—污水水溫, ℃

由式(11) 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) = △H +Hb (19)

VS = 650 /MLSSm ax ·SV I (20)

由式( 20) 代入式( 19) 并作相應(yīng)變換改寫為:
[650·A ·Hm ax / TS ·SV I ] ( ts + td - 10 /60)= △V /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—污泥沉淀歷時(shí)和排水歷時(shí), h

式( 21 ) 中SV I、Hb、ts、td 均可據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定, Ts、△V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△H, 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( 12 ) 、( 13 ) 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。

41　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(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。

42　設(shè)計(jì)方面

(1) 缺乏科學(xué)、可靠的設(shè)計(jì)模式;
(2) 運(yùn)行模式的選擇與設(shè)計(jì)方法脫節(jié)。

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