序批式活性污泥法原理与应用

序批式活性污泥法（SBR）原理与应用第一节SBR技术的发展活性污泥法是目前应用最为广泛的污水处理技术，据报道，目前美国约有9000余座活性污泥法污水处理厂，日处理能力9.08×107m3，我国已经活性建成的污水处理厂60%以上在建的污水处理厂几乎全部采用活性污泥法。但对一些分散排放污水的生活小区、星罗棋布的大小工厂来讲，传统的活性污泥流程未必是最为合理的选择，因为即使是一个小型活性污泥物水处理厂，也需要较大的占地面积和较大规模的设备设施投资，这对土地日益紧张的城区和经营商几乎是一个昂贵的投资，而且远离大型污水处理厂所带来的长距离污水输送成本也使得人们的理念很快转向那些投资较小、占地面积节约、自动化程度较高的小型污水处理设备。SBR（SequencingBatchReactor,简称SBR,间歇式活性污泥法,又称序批式活性污泥法）便成为一种很好的选择。SBRSBR是序列间歇式活性污泥法（SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess）是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。由于在运行中采用间接操作的形式，每一个反应池是一批批地处理废水，因此而得名。与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。在用地紧张、处理量大的城市具有很高的使用价值。SBR工艺早在1914年即已开发，70年代末期美国教授R.L.Irvine等人为解决连续污水处理法存在的一些问题首次提出，并于1979年发表了第一篇关于采用SBR工艺进行污水处理得论著。继后,日本、美国、澳大利亚等国的技术人员陆续进行了大量的研究。并发展出很多的衍生工艺如ICEAS、CASS等。1980年在美国国家环保局的资助下，印第安纳州Culver城投建了世界上第一个SBR工艺的污水处理厂。我国在80年代中期也开始了这方面的应用研究,我国第一座应用SBR工艺的污水处理设施（上海吴淞肉联厂)——上海市政工程设计院设计的SBR处理系统于1985年投入使用，设计处理水量2400t／d，运行效果良好。此后陆续在城市污水及工业废水领域得以推广应用，同时，在全国也掀起了研究SBR的热潮，近年来成为国内外学者研究的热点。SBR法已成为城市污水处理的主导工艺之一。近10年来我国已建成SBR污水处理厂近600座。随着国内的广泛应用，国内SBR专用设备的研究一也取得了长足的进步、开发出了一系列的滗水器及其他专用设备。SBR的发展过程总结20世纪70年代初Irvine教授开发了传统SBR；80年代初出现了连续进水的ICEAS工艺；Goranzy教授开发了CASS和CAST工艺；90年代比利时的SEGHERS公司开发了UNITANK工艺；我国于80年代中期开始对SBR进行研究。目前，SBR主要应用于以下几个领域：城市污水、工业污水（主要有石油、化工、食品、制药等工业污水处理）、有毒有害废水和营养元素的废水。在生活污水处理中也日趋广泛。由于它具有工艺流程简单、运行一方式灵活、脱氮除磷效果好、可控性好等优点，已经成为中小城镇污水和工业废水的首选处理工艺。目前，国内40%左右的中小城镇污水和20%左右的工业废水处理都采用SBR法。1反应器结构SBR是一种按时间序列间歇反应的活性污泥反应器，结构紧凑，占地面积很小，装置的自动化程度较高。SBR周期循环过程：即进水、反应、沉淀、排放和待机都是可控的。每个过程与特定的反应条件相联系（混合、静止、好氧、厌氧），这些反应条件促进污水物理和化学特性有选择的改变。SBR是传统活性污泥法的一种变形，它的反应机制以及污染物质的去除机制和传统活性污泥法基本相同，仅运行操作不一样。工艺流程由于反应器周期性运行所兼具的好氧、缺氧和厌氧等特征，污泥中各种特征微生物种类、含量丰富，反应器对很多来源的污水都具有很好的脱氮除磷效果，尤其对高浓度有机废水，处理效果更好。SBR工艺具有一系列连续流系统无法比拟的优点。•SBR法的产生及发展•SBR法的工作原理与操作•SBR法的理论分析及工艺特点•SBR工艺的工程应用•SBR法的变形工艺SBR污水生物处理技术第三节SBR法的工作原理与操作•什么是SBR？•SBR是序列间歇式活性污泥法（SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。SBR法的工作原理与操作空间上是按序排列、间歇的如下图（处理生活污水的三池SBR系统）1时间上是按次序列的、间歇的如右图（SBR一个周期操作过程）2SBR法的工作原理与操作SBR法的工作原理与操作SBR处理示意图进水曝气曝气/不曝气曝气静置/不曝气排水/排泥进水期反应期沉淀期排水排泥期闲置期污泥活化传统SBR的操作过程•限制性曝气：充水结束再曝气•非限制性曝气：边进水边曝气•半限制性曝气：充水后期曝气•进水期三种运行方式：传统SBR的操作过程SBR法的工作原理SBR法的工作原理•进水期•进水期是反应池接纳污水的过程。由于充水开始是上个周期的闲置期，所以此时反应器中剩有高浓度的活性污泥混合液，这也就相当于活性污泥法中污泥回流作用。•SBR工艺间歇进水，即在每个运行周期之初在一个较短时间内将污水投入反应器，待污水到达一定位置停止进水后进行下一步操作。因此，充水期的SBR池相当于一个变容反应器。混合液基质浓度随水量增加而加大。充水过程中逐步完成吸附、氧化作用。SBR充水过程，不仅水位提高，而且进行着重要的生化反应。充水期间可进行曝气、搅拌或静止。SBR法的工作原理•反应期•在反应阶段，活性污泥微生物周期性地处于高浓度、低浓度的基质环境中，反应器相应地形成厌氧—缺氧—好氧的交替过程。虽然SBR反应器内的混合液呈完全混合状态，但在时间序列上是一个理想的推流式反应器装置。SBR反应器的浓度阶梯是按时间序列变化的。能提高处理效率，抗冲击负荷，防止污泥膨胀。SBR法的工作原理•沉淀期•相当于传统活性污泥法中的二次沉淀池，停止曝气搅拌后，污泥絮体靠重力沉降和上清液分离。本身作为沉淀池，避免了泥水混合液流经管道，也避免了使刚刚形成絮体的活性污泥破碎。此外，SBR活性污泥是在静止时沉降而不是在一定流速下沉降的，所以受干扰小，沉降时间短，效率高。SBR法的工作原理•排水期•活性污泥大部分为下周期回流使用，过剩污泥进行排放，一般这部分污泥仅占总污泥的30%左右，污水排出，进入下道工序。SBR法的工作原理•闲置期•上清液排放后，反应器处于停滞状态，等待下一个操作周期。在此期间，应轻微或间断的曝气，避免污泥的腐化。经过闲置的活性污泥处于内源代谢阶段，当进入下个运行周期的流入工序时，活性污泥就可以发挥较强的吸附能力增强去除作用。闲置期的长短应根据污水的性质和处理要求而定。第三节SBR工艺的技术特征现行的研究认为Monod公式能较好地反映SBR中有机物的降解规律，以下以Monod公式为基础对DBR法的动力学进行分析。为了应用动力学模式和简化计算，有必要引入以下假设：（1）污水已经过良好的初次沉淀处理，进入曝气池的污水中，可生化基质是可溶性的；（2）在一个周期内，合成的微生物量与总的生物量相比可以忽略不计，即反应器中微生物总量近似不变；（3）一个运行周期开始前，反应器中底物浓度（即上一周期出水浓度）与原水浓度相比可以忽略不计；（4）在进水期，进水底物浓度积累占主导地位，Monod公式中KS＜＜S，反应期KS＞＞S；（5）以恒定的流量进水。SBR工艺废水的降解主要发生在进水期和反应期，联系这两个阶段的中间变量是进水期末或反应期初的底物浓度SF，这是一个关键的变量。第三节SBR工艺的技术特征1．进水期由Monod公式可知：（3-1）式中——底物去除速度；X——反应器中混合液活性污泥浓度；t——时间；S——反应器中底物浓度；K——反应速率常数；Ks——半速度常数。根据基质物料平衡可得：（3-2）式中Q——进水流量；SO——进水底物浓度。SKKXSdtdsSSKKXSVQSdtVSdSO)(第三节SBR工艺的技术特征式中Q——进水流量；SO——进水底物浓度。由假设可知，生物总量XV=定值，即（3-3）式中XV——混合液体积最大时污泥浓度以MLVSS计；VO——混合液最大体积或反应器有效容积；由假设，进水期KS＜＜S，式（3-2）可化为：（3-4）刚开始进水时（t=0），由假设（3）得：（3-5）式中VF——充水期结束时进水的体积；Se——出水底物浓度。当进水结束时（t=tF），（3-6）式中SF——进水期结束或反应期开始时底物浓度。OVVXXV)()(dOVOOVXKQSKXVQSdtVS0)(eFOSVVVSFOSVVS第三节SBR工艺的技术特征将上述两个边界条件代入议程式（3-4），积分可得：（3-7）由流量Q=VF/tF，定义充水比λ=VF/VO，则式（3-7）变为（3-8）引入“进水期污泥负荷”的概念，它的含义为“进水期单位活性污泥生物量在单位时间内所承受的有机物数量”，用公式表示即为：（3-9）则式可表示为：（3-10）2．反应期在反应期，进水Q=0，V恒为VO，则Monod模式可以表示为：（3-11）令k=K/(Ks+S)≈K/Ks=常数。用反应期始、末浓度表示式（3-11）可近似为：（3-12）OFOVOFVtVKXQSS/)(FVOFtKXSSVFOOVFOFFXtSVXtSVLFOFLKSS/)(/OOVSXsKXSdtdSVOVReFSkXtSS第三节SBR工艺的技术特征式中tR——反应期时间由于Se为——数值很小的目标值，不妨设Se＜＜SF，且Se为一定值，则式可近似表达为：（3-13）引入“反应期污泥负荷”的概念，它的含义是“反应期单位活性污泥微生物量在单位时间内所承受的有机物数量”，用公式表示即为：（3-14）式（3-14）的意义是，对于不同的运行条件，如果处理要求一样，那么选择的反应期污泥负荷是一样的。定值eVRFkSXtS定值eVRFOVROFRkSXtSVXtVSLSBR法的理论分析及工艺特点SBR法的理论分析（1）流态理论由于SBR时间的不可逆性，根本不存在反混现象，所以SBR在时间上属于理想推流式反应器。（2）理想沉淀理论经典的SBR反应器在沉淀过程没有进水的扰动，属于理性沉淀流。（3）推流反应器理论假设在推流和完全混合式反应器中，有机物降解服从一级反应，推流式反应器与完全混合反应器在相同的污泥浓度下，达到相同的去除效率下所需反应器容积比，有下式成立：其中η为去除率。从数学上可以证明当去除率趋近于零时等于1，其他情况下始终大于1，就是说达到相同的去除率推流式反应器要比完全混合式反应器所需要的反应器体积小，推流式的处理效果要比完全混合式的好。1ln)11(1VV推流完全混合推流完全混合VV（4）选择性准则这个理论是基于不同种属的微生物的Monod方程中参数Ks和∪max是不同的并对于不同基质，其生长速度常数也是不同的。Monod方程可以写成下列形式式中X－生物体浓度，mg/L;S－生长限制性基质浓度，mg/L;∪，∪max－实际和最大生长速率，t-1;Ks－饱和或半速率常数，mg/L;SKSXdtdXsmax按此理论，具有低的Ks和∪max值的微生物，在混合培养的曝气池中，当基质浓度很低时，将具有高的生长速率，并占有优势。而在高基质浓度下，则恰好相反。大多数丝状菌的Ks和∪max值较低，而菌胶团结菌Ks和∪max值较高。（5）微生物环境的多样性，提供多样性的生态环境SBR反应器对有机物去除小果好；对难降解有机物降解性能好，使其在生态环境上提供了多样性的条件。具体