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水污染控制工程中污染物的去除，從根本上說,屬于化工中的分離過程，就是通過物理化學(xué)和生物方法,借助反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)污染物與水的分離，可分為物理單元，化學(xué)單元和生物單元。反應(yīng)器理論是20世紀(jì)70年代,為了建立各種水處理方法間的聯(lián)系,提高水處理學(xué)科的理論水平而引人的。一般說來，水處理工藝中的一切池子都稱為反應(yīng)器，如調(diào)節(jié)池沉淀池和曝氣池等。反應(yīng)器按照操作方式的不同主要分為連續(xù)流反應(yīng)器和序批式反應(yīng)器。其中連續(xù)流反應(yīng)器又稱為返混反應(yīng)器,可分為連續(xù)全混反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器。
一、污水處理反應(yīng)器分類
1、連續(xù)全混反應(yīng)器
連續(xù)全混反應(yīng)器由一個(gè)有進(jìn)流和出流的容器組成,反應(yīng)物連續(xù)流人反應(yīng)器,混合物連續(xù)流出反應(yīng)器,是一種開放式反應(yīng)器。反應(yīng)器通常在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行,反應(yīng)器內(nèi)物料充分混合,物質(zhì)含量在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)均勻一致,排出物的成分與反應(yīng)器中的成分相同,反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物濃度不隨時(shí)間變化,也不隨空間變化;通常情況下(但不一定全是) ,其進(jìn)出流量平衡。理想狀態(tài)下,對只含單一流體的情況，假設(shè)流體相中的物料混合都非常迅速,從而各組分在整個(gè)容器中的濃度都是均勻的;對含有多種流體的容器假設(shè)混合完全,并且對每一種流體其混合都是瞬間完成的,因此流出反應(yīng)器中的產(chǎn)物組分濃度等于該物料在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的濃度。
2.平推流反應(yīng)器
平推流反應(yīng)器也稱活塞流反應(yīng)器,連續(xù)穩(wěn)定流人反應(yīng)器的流體,在垂直于流動(dòng)方向的任一截面,各質(zhì)點(diǎn)的流速完全相同,平行向前流動(dòng)。進(jìn)人反應(yīng)器的物料之間完全沒有混合,并且沿反應(yīng)器軸向上物料之間也完全沒有混合，而徑向上物料之間混合均勻。這種流動(dòng)形式近似于很少或沒有縱向分散的、長寬比很大的長形敞開池或封閉的管式反應(yīng)器中的流動(dòng)形式。穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)，如濃度、溫度等,不隨時(shí)間發(fā)生變化，而沿長度方向發(fā)生變化，即反應(yīng)器內(nèi)物系參數(shù)可隨位置而變。
3、序批式反應(yīng)器
反應(yīng)物在封閉式反應(yīng)器內(nèi)“--罐- -罐”地進(jìn)行反應(yīng)操作,反應(yīng)完成卸料后,再進(jìn)料進(jìn)行下一批的生產(chǎn),也稱為分批操作或序批操作，一般用于小批量、多品種的均質(zhì)液相反應(yīng)系統(tǒng)。序批反應(yīng)器是在非穩(wěn)態(tài)條件下操作的,盡管容器中的成分隨反應(yīng)時(shí)間而變化,但是反應(yīng)器內(nèi)的成分在任一時(shí)刻都是均勻的,濃度溫度處處相等。在廢水處理中,序批操作過程就在反應(yīng)過程中既無水流入，也無水流出(也就是,水流流入,進(jìn)行反應(yīng),然后排出，如此重復(fù)循環(huán))。
序批反應(yīng)器操作方式靈活,設(shè)備投資省，同一設(shè)備可以生產(chǎn)不同品種,具有反應(yīng)速率高,出水水質(zhì)穩(wěn)定,容易控制污泥膨脹等連續(xù)流反應(yīng)器所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中小規(guī)模污水處理廠。在污廢水的生物處理中,序批反應(yīng)器還經(jīng)常被選用于未經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的新工藝的研發(fā)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究以及各單因素試驗(yàn)，如短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥等污水處理新工藝新技術(shù)都是基于序批反應(yīng)器提出并實(shí)現(xiàn)的。
二、SBR法的基本原理和特點(diǎn)
1.SBR法的發(fā)展沿革
污水生物處理技術(shù)發(fā)展概述
在這100余年發(fā)展歷程中,污水處理的理論和技術(shù)有了巨大發(fā)展,如下圖所示。 20世紀(jì)70年代前,污水處理的主要去除對象是降解有機(jī)污染物，去除BOD、COD和SS等;20世紀(jì)80年代以后,N丶P營養(yǎng)元素對環(huán)境的威脅越來越大，一些緩流河道、湖泊甚至海灣都出現(xiàn)了富營養(yǎng)化,同時(shí)隨著機(jī)械制造和電氣工程的進(jìn)步,推動(dòng)了水污染治理工藝技術(shù)的革新,在傳統(tǒng)污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)上,發(fā)展了以A/O、A/A/O等為代表的脫氮除磷工藝,使二級生物處理技術(shù)進(jìn)入了具有脫氮除磷功能的深度處理階段。現(xiàn)在的城市污水處理廠的處理對象,既包括COD、BOD.SS,也包括N、P等植物性營養(yǎng)物質(zhì)。目前,污水生物處理技術(shù)正朝著快速、低耗、多功能等方面發(fā)展。
2.SBR法的產(chǎn)生與發(fā)展
較早的SBR法產(chǎn)生于1914年,至今已有100多年的歷史,大致分為三個(gè)時(shí)期。
1) SBR法的產(chǎn)生期
活性污泥法誕生于美國和英格蘭，并在隨后的一百多年里一直作為污水處理的主流技術(shù)。 初對于活性污泥法的研究采用的就是序批式序批運(yùn)行反應(yīng)器。1912年前后,在英格蘭的曼徹斯特,Fowler采用曝氣的方法利用池塘內(nèi)的“爛泥”處理反應(yīng)池內(nèi)的污水,曝氣后的污水進(jìn)行沉淀,沉淀池內(nèi)的生物體回流至曝氣池，獲得了非常清澈的出水。
1914年,Fowler的兩個(gè)學(xué)生Ardern和Lockett,在一個(gè)序批式運(yùn)行的城市污水處理系統(tǒng)中,為了獲得較高的污泥濃度,對在曝氣階段積累的腐殖質(zhì)或沉淀物，不進(jìn)行排放。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行,獲得了現(xiàn)在被人們稱之為“活性污泥”的微生物絮體。他們的試驗(yàn)過程描述如下:首先采用曼徹斯特城市的生活污水,在約2.4L的容器內(nèi)進(jìn)行曝氣試驗(yàn),每個(gè)運(yùn)行周期直至硝化完成后才停止曝氣。第一次試驗(yàn)大約進(jìn)行了5周左右的連續(xù)曝氣，硝化反應(yīng)才完成,然后沉淀,排掉清澈的上清液,沉淀物完全保留在容器內(nèi)。重新加人原污水,并與容器內(nèi)上一周期留下來的沉淀物充分接觸，隨后進(jìn)行曝氣直至硝化反應(yīng)充分完成。此后，他們多次重復(fù)這種運(yùn)行方式。試驗(yàn)結(jié)果清楚表明:隨著容器內(nèi)沉淀物的增加,有機(jī)物完全氧化的時(shí)間逐漸減少。后,24h內(nèi)便可完全氧化序批注人的原污水。Ardern 和Lockett將反應(yīng)過程中形成的沉淀物命名為“活性污泥”。
在活性污泥法的發(fā)展史上,Ardern和Lockett 的發(fā)現(xiàn)具有里程碑式的意義，其重要性可歸結(jié)為六個(gè)方面,其中與序批式序批系統(tǒng)相關(guān)的有以下兩方面:
①為維持反應(yīng)器內(nèi)活性污泥始終處于“工作狀態(tài)”,在任何時(shí)候系統(tǒng)內(nèi)都不應(yīng)使未被氧化的顆粒狀污染物得到積累。
②如果僅通過適宜的曝氣量來維持污泥的活性,那么就應(yīng)該使反應(yīng)器內(nèi)的污水與活性污泥充分接觸。
Ardern和Lockett采用充排式反應(yīng)器處理曼徹斯特市的生活污水時(shí)，保持活性污泥與污水的充分接觸，曝氣6～9h,便可獲得較好的出水水質(zhì)。檢測結(jié)果表明SBR工藝對生活污水中污染物的去除率與生物濾池相當(dāng),且SBR工藝的曝氣時(shí)間長短主要取決于污水中的污染物濃度和所要求的污染物去除率。
1914～1920年，Ardern和Lockett的試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際工程中被迅速、廣泛的應(yīng)用,在英格蘭共建造了4個(gè)不同規(guī)模、不同曝氣方式階段進(jìn)水的SBR污水處理系統(tǒng)。
Ardern和Lockett通過對SBR系統(tǒng)的工藝參數(shù)、影響因素等進(jìn)行的大量試驗(yàn),基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和對SBR系統(tǒng)的深人理解,建立了SBR系統(tǒng)的運(yùn)行方案。
1915年,在美國威斯康星州密爾沃基建成了世界上第一座SBR工藝的污水處理廠。該污水處理廠的工藝參數(shù)如下:周期時(shí)間為6h,其中進(jìn)水60min,曝氣反應(yīng)210min,沉淀30min,排水60min。在1915～1916年,在美國的布魯克林(紐約州),芝加哥(伊利諾伊州),克利夫蘭(俄亥俄州)和休斯敦(得克薩斯州)等地進(jìn)行了一系列的SBR系統(tǒng)處理城市污水的試驗(yàn)研究。在1915～1916年，美國建造了一大批采用SBR工藝的污水處理廠,并且該污水工藝的優(yōu)勢也非常明顯。
1923年,O'Shaughnessy的研究發(fā)現(xiàn)，分別采用連續(xù)流系統(tǒng)和SBR系統(tǒng)處理相同的城市污水,在達(dá)到相同凈化效率的時(shí),前者所需的時(shí)間是后者的兩倍。然而事實(shí)上,在1914～1920年,幾乎所有采用SBR系統(tǒng)的污水廠全部被改造成了連續(xù)流污水處理系統(tǒng)。
Ardern(1927)針對這一現(xiàn)象進(jìn)行了深人分析,認(rèn)為以下三方面是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的本質(zhì)原因:
①排水階段能量浪費(fèi)較大(與進(jìn)水流速相比，排水流速較大);
?、谟捎诨钚晕勰囵じ接诖髿馀菘諝鈹U(kuò)散器上,從而容易導(dǎo)致空氣擴(kuò)散器的堵塞;
③由于需要進(jìn)行多個(gè)開關(guān)閥門的轉(zhuǎn)換及空氣擴(kuò)散器的清洗,所以操作者需要始終保持較高的注意力。
Ardern提出了解決上述問題相應(yīng)的辦法,即采用多個(gè)反應(yīng)池的SBR系統(tǒng)、改進(jìn)曝氣設(shè)備及采用自動(dòng)控制系統(tǒng)等。盡管這些措施能夠十分有效的解決上述問題,但是由于當(dāng)時(shí)自動(dòng)控制技術(shù)的落后,嚴(yán)重制約了SBR法在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2) SBR法的復(fù)興期
在美國直到20世紀(jì)40年代后期,在歐洲直到1959年,伴隨著自動(dòng)控制技術(shù)的日益成熟,SBR法才逐漸又被人們重新認(rèn)識(shí)。在1951～1953年,Hoover等在美國東部地區(qū)賓夕法尼亞州實(shí)驗(yàn)室采用SBR系統(tǒng)處理牛奶工業(yè)廢水。1959年,Pasveer將SBR工藝引入荷蘭。上述兩項(xiàng)應(yīng)用均取得了較大的成功,對SBR法的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。 1965～1975年,衍生出多種變形工藝。
20世紀(jì)70年代中期,在澳大利亞新南威爾士，序批排水延遲曝氣(inter-mitently decanted extended aeration,IDEA)系統(tǒng)對SBR工藝的廣泛應(yīng)用起到了非常重要的作用。IDEA系統(tǒng)的反應(yīng)池是一個(gè)簡單的、長方形的反應(yīng)池。采用連續(xù)進(jìn)水間歇曝氣和序批排水的運(yùn)行模式。該污水處理系統(tǒng)由于可獲得較好的出水水質(zhì),并可去除廢水中的BOD5,SS和氮化合物,因此被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。
此外，隨著工業(yè)廢水和城市污水中營養(yǎng)物(氮丶磷)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,IDEA系統(tǒng)及其改進(jìn)工藝在污水脫氮除磷方面的優(yōu)勢更加明顯,所以被越來越多的應(yīng)用到實(shí)際工程中。
在20世紀(jì)90年代期間,為了滿足廢水中營養(yǎng)物去除(BNR)的需要,人們將IDEA系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),在反應(yīng)器的前端增加了厭氧選擇區(qū)。這樣,既可以有效的控制污泥膨脹，又為厭氧釋磷創(chuàng)造了非常好的環(huán)境。與此同時(shí)，澳大利亞的鄰國也對IDEA污水處理系統(tǒng)進(jìn)行了深人研究和設(shè)計(jì)?？梢哉f,這些國家和地區(qū)促進(jìn)了IDEA系統(tǒng)的深人研究和廣泛應(yīng)用,更加有力的推動(dòng)了新型SBR工藝的誕生。
為了考察IDEA系統(tǒng)對污水中營養(yǎng)物的去除性能，澳大利亞的研究人員以其內(nèi)陸水和海水為研究對象,進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:IDEA系統(tǒng)可以非常有效的去除污水中營養(yǎng)物，可滿足非常嚴(yán)格的出水水質(zhì)要求，一年中至少有一半時(shí)間內(nèi)出水TN<5mg/L,TP
20世紀(jì)60年代,Irvine和他的合作者們通過對SBR系統(tǒng)不斷地研究,進(jìn)-步推進(jìn)了序批式活性污泥處理技術(shù)的發(fā)展。此外，具有重要?dú)v史意義的是,在1971年,Irvine和Davis第一次將Irvine(1969)設(shè)計(jì)的單池序批式反應(yīng)池應(yīng)用于美國得克薩斯州的科珀斯克里斯蒂工業(yè)廢水處理廠,并將該工藝命名為SBR工藝。在以后整個(gè)20世紀(jì)70年代,Irvine在他發(fā)表的有關(guān)廢水中有機(jī)物、氮等污染物去除和控制污泥膨脹等內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)中，一直采用“SBR”這個(gè)專業(yè)術(shù)語。
1979年,在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上,Dennis和Irvine報(bào)道了如何通過控制進(jìn)水時(shí)間與反應(yīng)時(shí)間的比值來創(chuàng)造利于絮狀生物體快速生長的環(huán)境。在污水處理領(lǐng)域,這是一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn),有力證明了靜態(tài)進(jìn)水(不攪拌、不曝氣)能夠創(chuàng)造一個(gè)適于微生物生存的“富營養(yǎng)”環(huán)境,并且能夠有效的控制污泥膨脹。
在整個(gè)20世紀(jì)70年代期間,Irvine在實(shí)驗(yàn)室研究方面獲得了大量關(guān)于SBR工藝的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)Irvine等的報(bào)道,1980年5月,他們在美國印第安納州Culver污水處理廠,成功地將連續(xù)流系統(tǒng)改造成了SBR系統(tǒng)。美國環(huán)保局對卡爾弗污水處理廠SBR 工藝的性能進(jìn)行了測試,結(jié)果表明:相對于連續(xù)流污水處理系統(tǒng),SBR工藝具有相對較短的水力停留時(shí)間(少于14h)和較大的有機(jī)物負(fù)荷[大于0.1kgBOD/(kgVSS·d)]。而在此之前，人們普遍認(rèn)為SBR系統(tǒng)的水力停留時(shí)間應(yīng)在48h左右,有機(jī)負(fù)荷與延遲曝氣活性污泥系統(tǒng)相接近。
從20世紀(jì)70年代以后,污水處理領(lǐng)域衍生了許多序批性、周期運(yùn)行的污水處理工藝 ,SBR法在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。1985 年我國第一座SBR法污水處理廠在上海吳淞肉聯(lián)廠落成。
3)SBR法的發(fā)展期
近二十多年來,隨著對SBR法生物反應(yīng)和凈化機(jī)理的廣泛深入研究,以及該法在生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)上的不斷改進(jìn)和完善,SBR工藝得到了迅速發(fā)展,相繼出現(xiàn)了多種工藝方法,應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大,處理效果不斷提高,工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理日益科學(xué)。1990年日本出版了第一本SBR法的設(shè)計(jì)指南,2007年世界上的SBR法污水處理廠在馬來西亞落成,日處理量200萬噸。目前SBR工藝在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,在我國5萬噸/d以下的城鎮(zhèn)污水處理廠中有30%～40%采用了SBR工藝。
SBR法能重新成為城市污水、工業(yè)有機(jī)廢水的有效處理方法,除了污水處理技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律外,還具有一些客觀的需求背景。
?、僦行⌒突头稚⒒诔蔀楫?dāng)前城市污廢水處理廠的發(fā)展趨勢。幾十年前朝著大型化、超大型化發(fā)展，當(dāng)時(shí)許多處理能力達(dá)50X104 m3 /d、100X 104m3/d、200X104m3/d乃至500X104m3/d級別的城市廢水處理廠到處拔地而起，基建費(fèi)用的投人極為驚人,運(yùn)行管理十分復(fù)雜,凈化水的出路也受到極大限制。 現(xiàn)在隨著人們對生態(tài)環(huán)境的要求,住宅區(qū)趨向分散化、農(nóng)村化發(fā)展。在這種背景下,城市廢水處理廠的發(fā)展也趨向于小型(中小型)化及分散化，由此提出了對相應(yīng)適宜的工藝技術(shù)的需求。廢水處理廠的中小型化、分散化反映了高新技術(shù)的發(fā)展,反映了人們掌握高新技術(shù)能力的提高與技術(shù)的普及化。這種在新條件下回歸初始,正如SBR法的再生一-樣,體現(xiàn)了事物發(fā)展的規(guī)律。中小型化和分散化廢水處理廠凈化出水易于就地分散回用與處置,基建投資易于籌措,運(yùn)行管理簡易可行。SBR法應(yīng)運(yùn)而再生,反映了這種客觀需要。
?、谶^去水污染控制重點(diǎn)在于有機(jī)污染物的去除,而如今為了防止湖泊、河口、海灣等緩流水體富營養(yǎng)化,對出水水質(zhì)中如氮、磷等的標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格,控制要求越來越高。在此情況下,開發(fā)出既能去除BOD、COD,又能除磷脫氮的工藝技術(shù)備受關(guān)注,SBR法在改進(jìn)后能夠滿足這方面的要求,SBR法技術(shù)可靠,出水水質(zhì)良好。
?、壑行⌒蛷U水處理廠操作靈活方便,具有去除BOD、COD丶N、P等綜合功能，占地面積小，而SBR法符合此類要求。
?、茈娮佑?jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,SBR反應(yīng)池的進(jìn)水、曝氣以及排水等的自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步,相應(yīng)軟件技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用,都使SBR法日趨完善和成熟。
⑤DO計(jì)、pH計(jì)丶ORP計(jì)、水位計(jì)、電——氣動(dòng)閥門等過程監(jiān)控所需的儀器儀表日益完善，且在經(jīng)濟(jì)上可以承受,SBR法在這些儀器儀表裝備下如虎添翼,技術(shù)上日益精細(xì)可靠。
3、SBR法的基本原理與操作流程
1、SBR法的基本運(yùn)行模式及其原理
序批式活性污泥法(sequencing batch activated process) 是活性污泥法的一種,又被命名為序列式序批反應(yīng)器法，在序批式反應(yīng)器(sequencing batch reactor,SBR)中完成污廢水中污染物的去除。
SBR法的運(yùn)行工況是以序批操作為主要特征的。所謂序批式有兩種含義:
一是運(yùn)行操作在空間上按序批方式運(yùn)行。由于多數(shù)情況下污水都是連續(xù)排放的且流量波動(dòng)很大,這時(shí),SBR處理系統(tǒng)至少需要兩個(gè)反應(yīng)器交替運(yùn)行,污水按序列連續(xù)進(jìn)入不同反應(yīng)器，它們運(yùn)行時(shí)的相對關(guān)系是有次序的，也是序批的;
二是對于每一個(gè)SBR來說,運(yùn)行操作在時(shí)間上也是按次序排列的、序批的,SBR藝一個(gè)完整的典型的運(yùn)行周期分5個(gè)階段,依次為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置,所有的操作都在一個(gè)反應(yīng)器中完成。
1)進(jìn)水階段
運(yùn)行周期從廢水進(jìn)入反應(yīng)器開始。進(jìn)水時(shí)間由設(shè)計(jì)人員確定,取決于多種因素包括設(shè)備特點(diǎn)和處理目標(biāo)等。進(jìn)水階段的主要作用在于確定反應(yīng)器的水力特征。如果進(jìn)水階段時(shí)間短,其特征就像是瞬時(shí)工藝負(fù)荷,系統(tǒng)類似于多級串聯(lián)構(gòu)型的連續(xù)流處理工藝,所有微生物短時(shí)間內(nèi)接觸高濃度的有機(jī)物及其他組分,隨后各組分的濃度隨著時(shí)間逐漸降低;如果進(jìn)水階段時(shí)間長，瞬時(shí)負(fù)荷就小，系統(tǒng)性能類似于完全混合式連續(xù)流處理工藝,微生物接觸到的是濃度比較低且相對穩(wěn)定的廢水。
2)反應(yīng)階段
進(jìn)水階段之后是反應(yīng)階段,微生物主要在這一階段與廢水各組分進(jìn)行反應(yīng)。實(shí)際上,這些反應(yīng)(即微生物的生長和基質(zhì)的利用過程)在進(jìn)水階段也在進(jìn)行,隨著污水流人,微生物對污染物的利用也即開始。所以進(jìn)水階段應(yīng)該被看作“進(jìn)水+反應(yīng)”階段,反應(yīng)在進(jìn)水階段結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行。完成一一定程度的處理目標(biāo)需要一定的反應(yīng)過程。如果進(jìn)水階段短，單獨(dú)的反應(yīng)階段就長;反之,如果進(jìn)水階段長,要求相應(yīng)的單獨(dú)反應(yīng)階段就短,甚至沒有。由于這兩個(gè)階段對系統(tǒng)性能影響不同,所以需要單獨(dú)解釋。
在進(jìn)水階段和反應(yīng)階段所建立的環(huán)境條件決定著發(fā)生反應(yīng)的性質(zhì)。例如,如果進(jìn)水階段和反應(yīng)階段都是好氧的,則只能發(fā)生碳氧化和硝化反應(yīng)。此時(shí)SBR的性能介于傳統(tǒng)活性污泥法和完全混合活性污泥法之間,取決于進(jìn)水階段的長短。如果只進(jìn)行混合而不曝氣,在硝態(tài)氮存在的條件下就會(huì)發(fā)生反硝化反應(yīng)。如果反應(yīng)階段發(fā)生硝化,產(chǎn)生硝酸鹽,并且在周期結(jié)束時(shí)仍留在反應(yīng)器中,那么在進(jìn)水階段和反應(yīng)階段初期增加一個(gè)只混合而不曝氣的間隙,就可以使SBR法類似于連續(xù)流A/O系統(tǒng)。如果在反應(yīng)階段后期增加一個(gè)只混合而不曝氣的間隙，SBR法就變得與Berdenpho工藝類似。另一方面,如果SBR法在比較短的SRT下運(yùn)行,沒有硝酸鹽產(chǎn)生,在進(jìn)水階段和反應(yīng)階段只攪拌而不曝氣，就可以篩選出聚磷菌，SBR法就變得與phoredox或An/O連續(xù)系統(tǒng)類似。這幾個(gè)例子清楚地表明,SBR法可以通過調(diào)整設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式來模擬多種不同的連續(xù)處理工藝。
3)沉淀階段
反應(yīng)階段完成之后,停止混合和曝氣,使生物污泥沉淀,完成泥水分離。與連續(xù)處理工藝相同,沉淀有兩個(gè)作用:澄清出水達(dá)到排放要求和保留微生物以控制SRT。剩余污泥可以在沉淀階段結(jié)束時(shí)排除,類似于傳統(tǒng)的連續(xù)處理工藝;或者剩余污泥可以在反應(yīng)階段結(jié)束時(shí)排出,類似于Garrett工藝。
4)排水階段
不管剩余污泥在什么階段排出，經(jīng)過有效沉淀后的上清液作為出水在排放階段被排出,留在反應(yīng)器中的混合液用于下一個(gè)循環(huán)。如果為了向進(jìn)水階段的反硝化提供硝酸鹽而保留了相對于進(jìn)水大得多的液體和微生物,那么所保留的這部分就類似于連續(xù)流處理中的污泥回流和內(nèi)循環(huán)工藝。
5)閑置階段
閑置階段主要是提高毎個(gè)運(yùn)行周期的靈活性。閑置階段對于多池SBR系統(tǒng)尤其重要,它可以協(xié)同迸行幾個(gè)操作以達(dá)到恰當(dāng)?shù)奶幚硇Ч?。閑置階段是否迸行混合和曝氣取決于整個(gè)工藝的目的。閑置階段的長短可以根據(jù)系統(tǒng)的需要而変化。閑置階段之后就是新的進(jìn)水階段,新一輪循環(huán)就啟動(dòng)了。
在一個(gè)逅行周期中,各個(gè)階段的送行時(shí)間、反應(yīng)器內(nèi)混合液體枳的変化以及送行狀態(tài)等都可以根據(jù)具體污水性質(zhì)、出水質(zhì)量與送行功能要求等靈活掌握。 比如在進(jìn)水階段,可按只進(jìn)水不曝氣(攪拌或不攪拌)方式送行,也可按邊進(jìn)水水邊曝氣方式運(yùn)行,前者稱限制性曝氣,后者稱非限制性曝氣。在反應(yīng)階段,可以始終曝氣;為了生物脫氮也可曝氣不攪拌,或者曝氣攪拌交替進(jìn)行;其剩余污泥量可以在閑置階段排放,也可在排水階段或反應(yīng)階段后期排放?？梢?対于某——單一SBR來說,不存在空間上控制的障礙;在時(shí)間上,SBR也可靈活的凋整程序控制器,控制系和風(fēng)機(jī)的開關(guān),迸行有效的變換,達(dá)到多種功能。這種靈活性是序批式反立器有別于連續(xù)流反立器的獨(dú)特猶點(diǎn)。
4.SBR法的分類
SBR法主要有4種分類方：
1)按進(jìn)水方式分
按進(jìn)水方式可分為序批進(jìn)水式和連續(xù)進(jìn)水式。
序批進(jìn)水方式,由于沉淀階段和排水階段不進(jìn)水，所以較易保證出水的水質(zhì)，但需幾個(gè)反應(yīng)池組合起來運(yùn)行，以處理連續(xù)流入污水處理廠的污廢水。連續(xù)進(jìn)水方式,雖可采用一個(gè)反應(yīng)池連續(xù)地處理廢水,但由于在沉淀階段和排水階段污水的流入，會(huì)引起活性污泥上浮或與處理水相混合,所以可能使處理水質(zhì)變差。如果在沉淀階段和排水階段減少進(jìn)水水量,可減少其影響。
完全混合序批反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物濃度、MLSS濃度以及溶解氧濃度較為均勻。循環(huán)式水渠型反應(yīng)器溶解氧隨混合液的流向變化而變化,但有機(jī)物濃度、MI SS濃度在各點(diǎn)大致也是均勻的。
2)按反應(yīng)器的形式分
按反應(yīng)器的形式可分為完全混合序批反應(yīng)器與循環(huán)式水渠型反應(yīng)器。
3)按污泥負(fù)荷分
按污泥負(fù)荷SBR可分為高負(fù)荷和低負(fù)荷兩種。高負(fù)荷方式與普通活性污泥法相當(dāng),低負(fù)荷與氧化溝或延時(shí)曝氣相當(dāng)。高負(fù)荷一般為0.1～0.4kgBOD/(kgSS·d),低負(fù)荷為0.03～0.05kgBOD/(kgSS·d)。
4)按進(jìn)水階段是否曝氣分
按進(jìn)水階段曝氣與否可分為限制曝氣、非限制曝氣和半限制曝氣。
限制曝氣:進(jìn)水階段不曝氣,多用于處理易降解有機(jī)污水，如生活污水，限制曝氣的反應(yīng)時(shí)間較短;
非限制曝氣:進(jìn)水同時(shí)進(jìn)行曝氣,多用于處理較難降解的有機(jī)廢水,非限制曝氣的反應(yīng)時(shí)間較長;
半限制曝氣:進(jìn)水一定時(shí)間后開始曝氣,多用于處理城市污水。
5.SBR法的特點(diǎn)
1.SBR法的優(yōu)點(diǎn)：
1)工藝簡單，節(jié)省費(fèi)用
原則上SBR法的主體工藝設(shè)備，只有一個(gè)間歇反應(yīng)器(SBR)。它與普通活性污泥法工藝流程相比，不需要二次沉淀池、回流污泥及其設(shè)備，一般情況下不必設(shè)調(diào)節(jié)池，多數(shù)情況下可省去初次沉淀的。1985年Arora等人對加拿大、美國和澳大利亞等國的8個(gè)SBR法污水處理廠調(diào)查，其中只有一個(gè)處理廠設(shè)置調(diào)節(jié)池，另兩個(gè)處理廠設(shè)初次沉淀池。縱觀污水人工生物處理各種工藝方法，象SBR法這樣簡易的工藝。ketchum等人的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:采用SBR法處理小城鎮(zhèn)污水，要比用普通活性污泥法節(jié)省基建投資30%多。此外，采用如此簡潔的SBR法工藝的污水處理系統(tǒng)還有布置緊湊、節(jié)省占地面積的優(yōu)點(diǎn)。
2)理想的推流過程使生化反應(yīng)推力大效率高
這是SBR法的優(yōu)點(diǎn)之一。SBR法反應(yīng)器中的底物和微生物濃度是變化的，而且不連續(xù)，因此，它的運(yùn)行是典型的非穩(wěn)定狀態(tài)。而在其連續(xù)曝氣的反應(yīng)階段，也屬非穩(wěn)定狀態(tài)，但其底物(與有機(jī)物或BOD等價(jià))和微生物(MLSS 表示)濃度的變化是連續(xù)的。這期間，雖然反應(yīng)器內(nèi)的混合液呈完全混合狀態(tài)，但是其底物與微生物濃度的變化在時(shí)間上是一個(gè)推流(plug flow)過程，并且呈現(xiàn)出理想的推流狀態(tài)。
在連續(xù)流反應(yīng)器中，有完全混合式與推流式兩種的流態(tài)。在連續(xù)流完全混合式曝氣池中的底物濃度等于出水底物濃度，底物流入曝氣池的速度即為底物降解速率。根據(jù)生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，由于曝氣池中的底物濃度很低，其生化反應(yīng)推動(dòng)力也很小，反應(yīng)速率與去除有機(jī)物效率都低。在理想的推流式曝氣池中，污水與回流污泥形成的混合液從池首端進(jìn)入，呈推流狀態(tài)沿曝氣池流動(dòng)，至池末端流出，此間在曝氣池的各斷面上只有橫向混合，不存在縱向的“返混”。作為生化反應(yīng)推動(dòng)力的底物濃度，從進(jìn)水的高逐慚降解至出水時(shí)的低濃度，整個(gè)反應(yīng)過程底物濃度沒被稀釋，盡可能地保持了推動(dòng)力。
完全混合式曝氣池所需要的水力停留時(shí)間Tc 或有效容積Vc 一般要比間歇反應(yīng)器相應(yīng)的Tc 和Vc 大3倍。Ngwwn-Jern指出:如果為了去除生活污水中的有機(jī)物，用3BR法曝氣15min就夠了。
3)運(yùn)行方式靈活，脫氮除磷效果好
SBR法為了不同的凈化目的，可以通過不同的控制手段，靈活地運(yùn)行。由于在時(shí)間上的靈活控制，為其實(shí)現(xiàn)脫氮除磷提供了極有利的條件。它不僅很容易實(shí)現(xiàn)好氧、缺氧與厭氧狀態(tài)交替的環(huán)境條件，而且很容易在好氧條件下增大曝氣量、反應(yīng)時(shí)間與污泥齡，來強(qiáng)化硝化反應(yīng)與脫磷菌過量攝取磷過程的順利完成；也可以在缺氧條件下方便地投加原污水(或甲醇等)或提高污泥濃度等方式，提供有機(jī)碳源作為電子供體使反硝化過程更快地完成；還可以在進(jìn)水階段通過攪拌維持厭氧狀態(tài)，促進(jìn)脫磷菌充分地釋放磷。
應(yīng)指出，上述復(fù)雜的脫氮除磷過程只有在A-A/O工藝中才能完成，而SBR法的單一反應(yīng)器一個(gè)運(yùn)行周期即可完成。具體操作過程、運(yùn)行狀態(tài)與功能如下；進(jìn)水階段，攪拌(厭氧狀態(tài)釋放磷)→反應(yīng)階段，曝氣(好氧狀態(tài)降解有機(jī)物、硝化與攝取磷)、排泥(除磷)、攪拌與投加少量有機(jī)碳源(缺氧狀態(tài)反硝化脫氮)、再曝氣(好氧狀態(tài)去除剩余的有機(jī)物)→排水階段→閑置階段，然后進(jìn)水再進(jìn)入另一個(gè)運(yùn)行周期。并曾做過進(jìn)水與反應(yīng)階段用曝氣與攪拌交替進(jìn)行的運(yùn)行方式脫氮的試驗(yàn)研究，其脫氮效率更高。
如果原污水中的P:BOD值太高，用普通厭氧/好氧法難于提高除磷率時(shí)，可以根據(jù)Phostrip法除磷的原理在SBR法中實(shí)現(xiàn)，只增加一個(gè)混凝沉淀池即可?？梢姡琒BR法很容易滿足脫氮除磷的工藝要求，在時(shí)間上控制的靈活性又能大大提高脫氮除磷的效果。
4)防止污泥膨脹的工藝
污泥膨脹多為絲狀性膨脹，在活性污泥法中間歇式不易發(fā)生膨脹，完全混合式容易引起膨脹。按照發(fā)生膨脹難易程度的排列順序是:間歇式、傳統(tǒng)推流式、階段曝氣式和完全混合式，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其降解有機(jī)物(對易降解污水)速率或效率的高低，也遵循這個(gè)排列順序。SBR 法能有效地控制絲狀菌的過量繁殖，可從四個(gè)方面說明。
a.底物濃度梯度大(也是F/M梯度)，是控制膨脹的重要因素。完全混合式基本沒有梯度，非常易膨脹；推流式曝氣池的梯度較大，不易膨脹；而SBR法反應(yīng)階段在時(shí)間上的理想推流狀態(tài)，使F/M梯度也達(dá)到理想的大，因此，它比普通推流式還不易膨脹。研究進(jìn)一步證實(shí)，縮短SBR法的進(jìn)水時(shí)間，反應(yīng)前底物濃度更高，其后的梯度更大，SVI值更低，更不易膨脹。
b.缺氧好氧狀態(tài)并存。絕大多數(shù)絲狀菌，如球衣菌屬等都是專性好氧菌，而活性污泥中的細(xì)菌有半數(shù)以上是兼性菌。與普通活性污泥法不同的是，SBR法中進(jìn)水與反應(yīng)階段的缺氧(或厭氧)與好氧狀態(tài)的交替，能抑制專性好氧絲狀菌的過量繁殖，而對多數(shù)微生物不會(huì)產(chǎn)生不利影響。正因?yàn)槿绱?，SBR法中限制曝氣比非限制曝氣更不易膨脹。
c.反應(yīng)器中底物濃度較大。絲狀菌比絮凝菌膠團(tuán)的比表面積大，攝取低濃度底物的能力強(qiáng)，所以在低底物濃度的環(huán)境中(如完全混合式曝氣池)往往占優(yōu)勢。在SBR 法的整個(gè)反應(yīng)階段，不僅底物濃度較高、梯度也大，只有在反應(yīng)進(jìn)入沉淀階段前夕，其底物濃度才與完全混合式曝氣池的相同。因此，所以說SBR法沒有利于絲狀菌競爭的環(huán)境。
d. 泥齡短、比增長速率大。一般絲狀菌的比增長速率比其它細(xì)菌小，在穩(wěn)定狀態(tài)下，污泥齡的倒數(shù)數(shù)值等于污泥比增長速率，故污泥齡長的完全混合法易于繁殖絲狀菌。由于SBR法具有理想推流狀態(tài)與快速降解有機(jī)物的特點(diǎn)，使它在污泥齡短的條件下就能滿足出水質(zhì)量要求，而污泥齡短又使剩余污泥的排放速率大于絲狀菌的增長速率，絲狀菌無法大量繁殖。
5)耐沖擊負(fù)荷、處理能力強(qiáng)
完全混合式曝氣池比推流式曝氣池的耐沖擊負(fù)荷以及處理有毒或高濃度有機(jī)廢水的能力強(qiáng)。SBR法雖然對于時(shí)間來說是一個(gè)理想的推流過程，但是就反應(yīng)器本身的混合狀態(tài)仍屬典型的完全混合式，因此具有耐沖擊負(fù)荷和反應(yīng)推動(dòng)力大的優(yōu)點(diǎn)。而且由于SBR法在沉淀階段屬于靜止沉淀，加之污泥沉降性能好與不需要污泥回流，進(jìn)而使反應(yīng)器中維持較高的MLSS 濃度。在同樣條件下，較高的MLSS濃度能降低F/M值，顯然具有更強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷和處理有毒或高濃度有機(jī)廢水的能力。若采用邊進(jìn)水、邊曝氣的非限制曝氣運(yùn)行方式，更能大幅度增加5BR法承受廢水的毒性和高有機(jī)物濃度。
6)其他優(yōu)點(diǎn)
上面談到的五大優(yōu)點(diǎn)是SBR法特征的核心，它粗線條地描繪了SBR法的優(yōu)越性,也表現(xiàn)了其強(qiáng)大的生命力與廣闊的應(yīng)用前景。除此之外,SBR法還具有以下不容忽視的優(yōu)點(diǎn)。
?、僭诔恋黼A段,反應(yīng)器內(nèi)無水流的千擾屬于理想靜態(tài)沉淀，無異重流或短流現(xiàn)象,污泥也不會(huì)被沖走，所以泥水分離效果好,出水懸浮物相對少,污泥濃縮得好,也可縮短沉淀時(shí)間。
?、谟捎赟BR法序批運(yùn)行的特點(diǎn)，它特別適合于廢水流量變化大甚至序批排放的工業(yè)廢水處理，在流量很小或無廢水排人時(shí),可延長進(jìn)水時(shí)間或閑置時(shí)間,節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。
③具有較高的氧轉(zhuǎn)移推動(dòng)力。在進(jìn)水和反應(yīng)初期,反應(yīng)器內(nèi)溶解氧(DO)濃度很低。根據(jù)活性污泥法動(dòng)力學(xué),在DO濃度很低的條件下，利用游離氧作為終電子受體的污泥產(chǎn)率較低。此外在缺氧時(shí)反硝化以NO作為電子受體進(jìn)行無氧呼吸時(shí)其污泥產(chǎn)率更低。 這就減少剩余污泥量及其處理費(fèi)用。還有DO濃度低時(shí)，反應(yīng)階段氧的濃度梯度大、氧轉(zhuǎn)移效率高。
?、躭vine 等的研究還表明SBR法中微生物的RNA含量是傳統(tǒng)活性污泥法中的3～4倍,因RNA含量是評價(jià)微生物活性重要的指標(biāo),所以這也是SBR法降解有機(jī)物效率高的一個(gè)重要原因。
⑤可控性好, SBR法可以根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和水量,靈活地改變曝氣時(shí)間以至于一個(gè)運(yùn)行周期所需要的時(shí)間,保證處理效果和效率，也可降低反應(yīng)器內(nèi)的有效水深,節(jié)省曝氣費(fèi)用。此外,SBR系統(tǒng)本身也適合于組件式的構(gòu)造方式,，有利于廢水處理廠的擴(kuò)建與改建。
2.SBR法存在的問題
1)SBR反應(yīng)器容積利用率比較低；
2)控制設(shè)備較復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)要求高；
3)變水位運(yùn)行,水頭損失大,與后續(xù)處理工段難協(xié)調(diào)
4)不宜大規(guī)?；?br />
5)缺乏適合SBR特點(diǎn)的實(shí)用設(shè)計(jì)方法丶規(guī)范點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)。
原標(biāo)題:SBR工藝發(fā)展“簡史”！
