SBR的总结

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1.1  SBR工艺简介
SBR是序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的字母缩写。其最初是由英国学者Ardern和Lockett于1914年提出的，但是鉴于当时曝气器易堵塞，自动控制水平低，运行操作管理复杂等原因，很快就被连续式活性污泥法取代。直至20世纪70年代，随着各种新型曝气器、浮动式出水堰（滗水器）和自动控制监测的硬件设备和软件技术的开发，特别是计算机和工业自控技术的不断完善，对污水处理过程进行自动操作已成为可能，SBR工艺以它独特的优点受到广泛关注，并迅速得到发展和应用，现在世界上已有数百座SBR污水处理厂在成功运行。美国国家环境保护署（EPA）认为SBR工艺是一种低投资、低操作成本及维修费用、高效益的环境治理技术。
SBR属于活性污泥法的一种，其反应机制及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式有很大区别。它是以时间顺序来分割流程各单元，整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的。典型SBR集曝气、沉淀于一池，不需设置二沉池及污泥回流设备。在该系统中，反应池在一定时间间隔内充满污水，以间歇处理方式运行，处理后混合液进行沉淀，借助专用的排水设备排除上清液，沉淀的生物污泥则留于池内，用于再次与污水混合处理污水，这样依次反复运行，构成了序批式处理工艺。典型的SBR系统分为进水、反应、沉淀、排水与闲置五个阶段运行，见图1-1。





图1-1  SBR基本运行模式





SBR工艺具有以下几个主要的优点：
1.  处理构筑物很少，一个SBR反应器集曝气、沉淀于一体，省去了初沉池、二沉池和回流污泥泵房。因此，大大节约了处理构筑物的占地面积、构筑物间的连接管道及流体输送设备，一般可降低工程总投资的10%～20%。
2.  由于其间歇进水，时间长短、水量多少均可调节，因此对水量水质的变化具有较强的适应性，不需另设调节池。
3.  占地少，比传统活性污泥法少占地30％-50％，是目前各种污水处理工艺中占地最省的工艺之一。
4.  可脱氮除磷。通过调节曝气时间和间歇时间，使污水在反应池中处于交替好氧、缺氧和厌氧状态，为工艺脱氮除磷创造了条件。同时，这种环境条件的变化也可以有效抑制丝状菌的生长，减少污泥膨胀的影响。
5.  污水处理厂刚建成运行时，流量一般比设计值低，SBR可以根据水量水质的需要，增减运行池体的数量，这样可以避免不必要的能量消耗，这是其他工艺所不具备的。
SBR工艺的主要缺点有：
1.  反应池的进水、曝气、排水过程变化频繁，不能采用人工管理，因此对污水厂设备仪表的要求较高，并要求管理人员有一定的技术水平。
2.  水量较大时会暴露出容积利用率不高的问题。
1.2  SBR改良工艺介绍及对比
SBR运行方式灵活多变，适应性强，为满足不同的水质及实际工程的要求，可对工艺过程进行改进，随着基础研究方面的不断进展以及人们对活性污泥去除污染物质机理的逐渐了解，鉴于经典的SBR技术在实际工程应用的一定局限，为适应实际工程的需要，SBR技术逐渐衍生了各种新的形式。目前应用较多的改良工艺有：ICEAS，UNITANK，DAT-IAT，CAST（CASS）等。
1.2.1  ICEAS工艺原理
ICEAS全称为间歇式循环延时曝气活性污泥法（Intermittent Cycle Extended Aeration），其最大的特点就是在反应器的进水端增加了一个预反应区，运行方式为连续进水（沉淀期、排水期仍连续进水），间歇排水，无明显的反应阶段和闲置阶段。污水从预反应区以很低的流速进入主反应区，对主反应区的泥水分离不会产生明显影响。由于ICEAS设施简单、管理方便，尤其是处理市政污水和工业废水方面比经典的SBR系统费用更省，因此在国内外受到了广泛重视。自20世纪80年代初在澳大利亚兴起以来，目前已建成投产了300多座污水处理厂。
ICEAS的运行方式如图1-2所示：将SBR反应池沿长度方向分为两个部分，前部为预反应区，后部为主反应区。预反应区可起调节水流的作用，主反应区是曝气、沉淀的主体。ICEAS是连续进水工艺，不但在反应阶段进水，在沉淀和滗水阶段也进水。污水进入预反应区后，通过隔墙底部的连接口以平流流态进入主反应池，在主反应池中进行间歇曝气和沉淀滗水，成为连续进水、间歇出水的SBR反应池，使配水大大简化，运行也更加灵活。ICEAS工艺中各操作单元的作用为：
A、曝气阶段  由曝气系统向反应池内间歇供氧，此时有机物经微生物作用被生物氧化，同时污水中的氨氮经微生物硝化反硝化作用，达到脱氮的效果。
B、沉淀阶段  此时停止向反应池内供氧，活性污泥在静止状态下降，实现泥水分离。
C、滗水阶段  在污泥沉淀到一定深度后，滗水器系统开始工作，排出反应池内上清液。在滗水过程中，由于污泥沉降于池底，浓度较大，可根据需要启动污泥泵将剩余污泥排至污泥池中，以保持反应器内一定的活性污泥浓度。滗水结束后，又进入下一个新的周期，开始曝气，周而复始，完成对污水的处理。

                                                                                                     




图1-2  ICEAS的运行方式

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1.2.2  UNITANK工艺原理
UNITANK工艺是20世纪80年代末由比利时的SEGHERS公司开发的，又称交替生物池。其主要特征是反应沉淀一体化和周期运行，属于SBR工艺的一种。但它与其他SBR工艺又有一些区别：采用固定堰出水，不用滗水器；三池系统，进出水方向周期交替，运行控制复杂；沉淀池类似传统工艺的二沉池，与其他SBR工艺的静态沉淀或半静态沉淀不同；连续排水。而非间歇排水。事实上，UNITANK的工艺思想、池子布置和运行方式更象三沟式氧化沟，如图1-3所示。





图1-3  UNITANK工艺流程图



UNITANK工艺一般由一矩形池子组成，内分三格，三格在水力上是连通的。池子外侧二格即第一格和第三格交替作为曝气池和沉淀池，第二格始终作为曝气池。在每一格池子中设置曝气装置，可以为表面曝气设备，也可以是鼓风曝气系统。在第一格和第三格中另需设置周边出水堰（所需堰长如同传统二沉池）。
   从工艺机理方面分析，该工艺实际上是一个无污泥回流的连续流活性污泥法系统，污水从池子第一格朝第三格方向流动时，将把大量污泥带入到第三格中。在污水处理的主体部分即第一格和第二格中的污泥量逐渐减少，活性污泥浓度降低意味着整个系统不能充分地利用池子中的活性污泥（系统中至少约有1/3以上污泥不能有效利用），这对系统的处理能力影响很大；与此同时，大量活性污泥将被水流挟带至第三格中，将直接导致沉淀池中污泥泥面的上升，有可能使出水水质变差。当出现峰值流量时，这种缺陷更为突出。此外，由于UNITANK工艺中，当第一格或第三格作为沉淀池功能时，其池子构造并不专门为二沉池功能所设计，故系统并不在一个最佳的水力条件下进行泥水分离。而且污泥泥面在池子底部的分布是不均匀的，靠入流侧的污泥泥面将显著地提高，污泥颗粒容易随出水流出系统。因此，边池一般需额外设置斜板（管），这给运行管理带来麻烦。
在设备方面，UNITANK虽通过固定堰槽出水，但在曝气阶段堰槽内存有混合液，排水前必须先进行冲洗，增加了相应设备；另外，该工艺管道系统布置较为复杂，且需要大量的电动进水阀门、电动空气阀门（当采用鼓风曝气时）以及剩余污泥阀门；该系统完全依赖于自动控制运行，对管理维护的要求较高；和三沟式氧化沟类似，也存在着设备闲置问题，一次性设备投资有所增加。
总体说来，UNITANK是成功的，特别是占地少这一突出优点，尤其适于在土地紧张的地区应用。据SEGHERS公司介绍，在不到10年时间里，全世界已建成250座此类工艺的污水处理厂，处理量约合300万m3/d。
1.2.3  DAT-IAT工艺原理
DAT-IAT（Demand Aeration Tank-Intermittent Aeration Tank）工艺是澳大利亚的专利技术，上世纪90年代首次引入我国，建设了第一座DAT-IAT工艺污水处理厂——天津市开发区污水处理厂。这是一种连续进水的SBR工艺，它由需氧曝气池（DAT）和间歇曝气池（IAT）串连组成。其平面布置见图1-4。






图1-4  DAT-IAT反应池平面布置图





DAT和IAT容积相同，由两道导流墙隔开，污水连续进入DAT，经过导流墙底部小孔以层流速度进入IAT，DAT连续曝气反应，IAT则按3h周期运行，1h曝气、1h沉淀、1h滗水。这种周期安排是该工艺独有的特点，一般的SBR工艺为了保证出水水质，通常采用4h-6h为一个反应周期。这是因为在DAT-IAT工艺中，沉淀和滗水只是在IAT池，全池曝气时间平均仍能达到2h，不少于其他SBR工艺。
DAT-IAT工艺采用连续进水，一个池也可以正常运行，这对分期建设或早期水量较少的小型污水处理厂很有利；连续进水也简化了配水设施和管理，扩建时不受配水限制，比间歇工艺灵活；由于反应周期缩短，使工艺的设备工作时间增多，闲置时间减少，相应的缩小了反应池容并提高了设备利用率；此外，由于其连续曝气＋间歇曝气的特点，DAT-IAT的曝气容积比在SBR中是最高的，可达66.7％。但是由于没有充足的缺氧、厌氧环境，DAT-IAT工艺的脱氮除磷能力较差，而且回流污泥量很大，能耗显著增高，因此更适用于不要求脱氮除磷的大、中型污水处理厂。

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1.2.4  CAST（CASS）工艺原理
CAST工艺（Cyclic Activated Sludge Technology）即循环式活性污泥法是SBR工艺的另一种变型。与传统意义的SBR反应器不同，CAST工艺的重要特性在于反应器的进水处设置一生物选择器，它是一容积较小的污水污泥接触区，进入反应器的污水和从主反应区内回流的活性污泥（回流量约为日平均流量的20%）在此相互混合接触。生物选择器的设置严格遵循活性污泥种群组成动力学的有关规律，创造合适的微生物生长条件并选择出絮凝性细菌，其机理和作用在七十和八十年代分别由Chudoba和Wanner进行了深入的研究。大量研究结果表明，设计合理的生物选择器可有效地抑制丝状性细菌的大量繁殖，克服污泥膨胀，提高系统的稳定性。工艺主反应区是进行生物降解和泥水分离的主要区域，在曝气过程中完成有机物的降解、同步硝化反硝化以及生物除磷，最后泥水分离的上清液通过主反应区末端的滗水装置排出池外。CAST工艺中的池子构造和操作方式可允许在一个循环中同时完成硝化和反硝化过程。在设计生物选择器时，必须确保在高污泥絮体负荷条件下有利于磷释放的环境；能保证通过酶反应机理快速去除废水中的溶解性物质;在污泥回流液中存在的少量硝酸盐氮(约为NO3-N=2mg/L)可得到反硝化，反硝化量约为整个系统反硝化容量的20%左右。典型CAST工艺同SBR一样分为充水、反应、沉淀、排水与闲置5个阶段，其运行方式如图1-5所示。
对于某一给定规模的污水厂，可先确定其合理的基本模块（池子）的面积，然后重复布置此基本模块，直至达到所要求的处理规模。CAST工艺规模放大的基本原理在于其模块布置的形式，可以认为由多个模块组成的系统，其出水水质应与基本模块的出水水质相同，这一点在实践上也已得到证明。迄今为止，操作循环为4h的CAST系统已成功地应用于日处理从500人口当量（120 m3/d）至40万人口当量（21万m3/d）规模的污水处理厂。对于大型污水处理厂，CAST系统大多采用模块结构的分组布置方式，由于其占地面积省、扩建方便已为人们广泛接受，并在实践中得到较多的应用，美国和澳大利亚的经验业已证明。
1.2.5  其他SBR工艺简介
除了以上介绍的技术，SBR还衍生出了一些改进型，比如MSBR、LUCAS等
1.  MSBR工艺是集约化程度较高的一体化SBR处理工艺，其专利技术属于美国Auqa -AerobicInc.，实质是由A2/O工艺与SBR系统串联而成，可以连续进水，连续出水，将运行过程分为不同的时间段，在同一周期的不同时间段内，一些单元采用不同的运转方式，以便完成不同的处理目的。由于MSBR系统是从连续运行的单元进水，不是从SBR的单元进水，将大量的有机质从SBR池转移到连续运行的主曝气池中，改善了设备的利用率，而且从连续运行的厌氧池进水并经过缺氧池、好氧池，改善了系统整体的处理效果，同时可以有效的抵抗冲击负荷，采用空气堰控制出水，有效的控制了出水悬浮物。该工艺目前主要在南美和北美应用，韩国建造了亚洲第一座采用该工艺的污水厂，上海市为了合流污水厂的建立，也对MSBR工艺进行了小试及中试研究。
2.  LUCAS工艺是UNITANK的改进型，UNITANK最突出的问题是由于中池和边池的位置不同而使边池总有一段时间兼作沉淀池，而中池总是作为曝气池，从而造成边池污泥浓度远远高于中池。LUCAS工艺最为显著的特点是四个反应器（也可采用两个或三个反应器）的作用完全对等，采用轮换的方式分别作为曝气池和沉淀池（见图1-6），所以可避免中池污泥浓度过低而边池污泥浓度过高所造成的设备利用率降低等一系列问题。另外，采用四个池子串联运行使反应器的流态接近推流式曝气池。LUCAS工艺既保留了UNITANK工艺的优点又克服了其缺点，是新一代反应器。

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3.  IDEA工艺是CAST工艺的改进型。与CAST相比，预反应池（生物选择器）改为与SBR主体处理构筑物相独立，部分剩余污泥回流入该反应池，且采用反应池中部进水。预反应池的设立可以使污水在高絮体负荷下有较长的停留时间，保证高絮凝性细菌的选择。
1.3  SBR工艺的发展趋势
随着技术的不断进步，改进SBR的新技术不断涌现，反应器的一些缺点得到了克服，其发展趋势主要集中在以下几个方面：
1.  进出水方式的改进。由于SBR反应器的间歇进水和间歇出水，与污水厂的连续进水不相适应，由此提出的改进工艺比如ICEAS、DAT-IAT和UNITANK等均为连续进水，而且从系统角度看，UNITANK已改变为连续进水、连续出水的恒水位运行方式。
2.  强化脱氮除磷效果。由于氮磷排放标准日趋严格，传统SBR已经不能满足要求，因此强化SBR反应器的脱氮除磷能力越发受到重视。一般做法为，在主反应区前端增加缺氧或厌氧的选择器，并将主反应区的污泥回流；或者将曝气方式由连续曝气改为间歇曝气，这方面的代表工艺主要有CASS等。
3.  池容利用率的提高。
SBR共有的缺点是池容利用率低，设备闲置率高，这导致了投资和运行费用的增加，一定程度上限制了SBR的应用。通常，提高不参与沉淀的曝气池池容，减少沉淀池容都会大大提高容积利用率，此类代表工艺有UNITANK和DAT-IAT等。
4.  自动控制系统的智能化、集成化。SBR反应器的智能化和集成化发展主要体现在两个方面：一是先进的智能控制方法在SBR反应器自动控制系统的应用，二是先进的工艺控制方法在SBR反应器自动控制系统中的实现。复杂流态的UNITANK、MSBR和LUCAS工艺的发展都依赖于自动控制方法的完善、进步