SBR工艺的发展类型及其应用特性

SBR工艺的发展类型及其应用特性王凯军，宋英豪(　北京市环境保护科学研究院，北京100037)摘要：对各种类型SBR工艺的发展和应用进行了综述，分析了其发展演变情况，归纳了经典及新型SBR工艺的特点。关键词：污水处理；SBR工艺；ICEAS工艺；CASS工艺；UNITANK工艺序批式活性污泥法(SBR)是由美国Irvine在20世纪70年代初开发的，80年代初出现了连续进水的ICEAS工艺，随之Goranzy教授开发了CASS和CAST工艺，90年代比利时的SEGHERS公司又开发了UNITANK系统，把经典SBR的时间推流与连续系统的空间推流结合了起来。我国也于80年代中期开始对SBR进行研究，目前应用已比较广泛。1工艺特点及分析SBR工艺是通过在时间上的交替来实现传统活性污泥法的整个运行过程，它在流程上只有一个基本单元，将调节池、曝气池和二沉池的功能集于一池，进行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等。经典SBR反应器的运行过程为：进水→曝气→沉淀→滗水→待机。1.1优点通过分析可将SBR反应器的优点归纳如表1。表1SBR工艺的优点优点机理沉淀性能好理想沉淀理论有机物去除效率高理想推流状态提高难降解废水的处理效率生态环境多样性抑制丝状菌膨胀选择性准则可以除磷脱氮，不需要新增反应器生态环境多样性不需二沉池和污泥回流，工艺简单结构本身特点1.2理论分析SBR反应器充分利用了生物反应过程和单元操作过程的基本原理。①流态理论由于SBR在时间上的不可逆性，根本不存在返混现象，所以属于理想推流式反应器。②理想沉淀理论　其沉淀效果好是因为充分利用了静态沉淀原理。经典的SBR反应器在沉淀过程中没有进水的扰动，属于理想沉淀状态。　③推流反应器理论　假设在推流式和完全混合式反应器中有机物降解服从一级反应，那么在相同的污泥浓度下，两种反应器达到相同的去除率时所需反应器容积比则为：　V完全混合／V推流=［(1-(1／1-η)］／［ln(1-η)］(1)　式中η——去除率　从数学上可证明当去除率趋于零时V完全混合/V推流等于1，其他情况下(V完全混合/V推流)＞1，就是说达到相同的中国城镇水网去除率时推流式反应器要比完全混合式反应器所需要的体积小，表明推流式的处理效果要比完全混合式好。　④选择性准则1973年Chudoba等人提出了在活性污泥混合培养中的动力学选择性准则，这个理论是基于不同种属的微生物在Monod方程中的参数(KS、μmax)不同，并且不同基质的生长速度常数也不同。Monod方程可以写成：　dX/Xdt=μ=μmax[S/(KS+S)](2)　式中X　——生物体浓度S——生长限制性基质浓度　Ks——饱和或半速度常数　μ、μmax——分别为实际和昀大比增长速率按照Chudoba所提出的理论，具有低KS和μmax值的微生物在混合培养的曝气池中，当基质浓度很低时其生长速率高并占有优势，而基质浓度高时则恰好相反。Chudoba认为大多数丝状菌的KS和μmax值比较低，而菌胶团细菌的KS和μmax值比较高，这也解释了完全混合曝气池容易发生污泥膨胀的原因。有机物浓度在推流式曝气池的整个池长上具有一定的浓度梯度，使得大部分情况下絮状菌的生长速率都大于丝状菌，只有在反应末期絮状菌的生长没有丝状菌快，但丝状菌短时间内的优势生长并不会引起污泥膨胀。因此，SBR系统具有防止污泥膨胀的功能。⑤微生物环境的多样性　SBR反应器对有机物去除效果较好，而对难降解有机物降解效果好是因其在生态环境上具有多样性，具体讲可以形成厌氧、缺氧和好氧等多种生态条件，从而有利于有机物的降解。　1.3缺点①连续进水时，对于单一SBR反应器需要较大的调节池。②对于多个SBR反应器，其进水和排水的阀门自动切换频繁。　③无法达到大型污水处理项目之连续进水、出水的要求。　④设备的闲置率较高。　⑤污水提升水头损失较大。　⑥如果需要后处理，则需要较大容积的调节池。2新型SBR工艺及其特点由于SBR工艺在时间和空间上的特点形成了其运行操作上的灵活性，故相继开发了ICEAS、CASS、UNITANK等新型工艺。　2.1工艺类型①ICEAS工艺ICEAS工艺的基本单元是两个矩形池为一组的反应器。每个池子分为预反应区和主反应区两部分，预反应区一般处于缺氧状态，主反应区是曝气反应的主体。　ICEAS的优点是采用连续进水系统，减少了运行操作的复杂性，故适用于较大规模的污水处理，但其在工艺改进的同时也丧失了表1列出的5种优点，仅仅保留了SBR反应器的结构特征。与经典SBR工艺相比，ICEAS工艺具以下特点：a.沉淀特性不同ICEAS的沉淀会受到进水扰动，破坏了其成为理想沉淀的条件。为了减少进水带来的扰动，一般将池子设计成长方形，使出水近似于平流沉淀池。　b.理想推流性能和污泥膨胀的控制由于连续进水，ICEAS丧失了经典SBR的理想推流和对难降解物质去除率高的优点，而且不能控制污泥膨胀的发生，所以需要设置选择区。　因连续进水而适用于较大型污水处理厂连续进水不用进水阀门之间切换，控制简单，从而可应用于较大型的污水厂。②CASS工艺CASS工艺是在ICEAS工艺的基础上开发出来的。通常CASS分为三个反应区：生物选择器、缺氧区、好氧区(见图1)。生物选择器是设置在CASS前端的小容积区，通常在厌氧或兼氧条件下运行，其基本功能是防止产生污泥膨胀，同时还具有促进磷的进一步释放和强化反硝化的作用，另外在这个区内的难降解大分子物质易发生水解作用，这对提高有机物的去除率具有一定的促进作用。主反应区则是去除有机底物的主场所，运行过程中通常将主反应区的曝气强度加以控制以使反应区内主体溶液处于好氧状态，完成降解有机物的过程。　在池末端设有潜水泵，污泥通过潜水泵不断从主曝气区抽送至生物选择器中。CASS生物选择器及缺氧区的设置和污泥回流的措施保证了活性污泥不断地在选择器中经历一个高絮体负荷(S0/X0)阶段，从而有利于系统中絮凝性细菌的生长，进一步有效地抑制丝状菌的生长和繁殖。CASS工艺在沉淀阶段不进水以保证污泥沉降无水力干扰，可以进一步保证系统有良好的分离作用。CASS工艺与ICEAS工艺相类似，但是通过设置选择器、预反应区和污泥回流等措施可以起到控制污泥膨胀、增大有机物的去除率和除磷脱氮的作用，同时通过多个反应器的组合创造了静止沉淀的条件。　③UNITANK工艺　UNITANK的通用形式是采用三个池子的标准系统，这三个池子通过共壁上的开孔实现水力连接，无需用泵输送(见图2)。　每个池中都装有曝气系统(可以是表曝也可以是鼓风曝气)，同时外面的两个池子都装有溢流堰用于排水，既可以用作反应区也可以用作沉淀池。每个池子都可以进水，剩余污泥也是从边缘两个作沉淀池的池子排出。与传统活性污泥法一样，UNITANK系统是连续运行的，但是其单个池子是按一定周期运行的。　UNITANK系统可在恒定水位下连续运行，此时从整个系统来看它已经不属于SBR了，与交替运转的中国城镇水网三沟式氧化沟非常相似，更接近于传统的活性污泥法，这是该工艺昀为显著的一个特点；UNITANK也可在恒水位下交替运行，出水采用固定堰而不是滗水器，在任一时刻总有一个池子作为沉淀池，这个沉淀池相当于平流式沉淀池，所以在设计上需要满足平流沉淀池的功能，这是UNITANK的第二个特点；标准的UNITANK系统是由三个正方形池所组成，弥补了单个反应器完全混合的不足，这是其第三个特点。　④其他SBR工艺UNITANK昀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，为此提出LUCAS工艺。　LUCAS工艺昀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3)，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。还有一些其他类型的SBR工艺，如MSBR、DAT—IAT、IDEA、膜法SBR等。2.2工艺比较大部分新型SBR仍然拥有经典SBR的主要特点，并且还形成了一些独特的优点(见表2)。表2不同类型SBR工艺的特点特点经典SBRICEASCASSUNITANK沉淀性能好，处于理想沉淀状态是不不不抑制污泥膨胀(选择性准则)强弱(设选择池改善)弱(设预反应段改善)弱处理难降解废水效率高(生态多样性)强弱弱(设预反应段改善)非常弱除磷脱氮性能(厌氧、缺氧和好氧等多种状态)除N、P除N除N、P理想推流状态，有机物去除率高是不不不不需二沉池和污泥回流，工艺简单是是仅需回流是中国城镇水网连续进水不是是是连续出水不不不是注：UNITANK的布置比较紧凑，但是流程比其他的SBR要复杂。由表2可见在新型SBR中经典SBR的优点在一定程度上被弱化，同时由于改进的SBR吸收了传统活性污泥的特点，出现了连续进水、连续出水和带回流污泥的SBR反应器以及UNITANK新型综合性工艺。不同类型的SBR反应器的优点是不同的，因此在进行工艺选择和设计计算时应当注意。　　参考文献：［1］李道棠,赵敏钧.间歇式活性污泥法技术特点及应用［J］.上海交通大学学报,1996，30(9)：13-15.［2］GoronszyMC,朱明权,WutscherK.循环式活性污泥法在工业废水中的应用［J］.中国给水排水,1996，12(6)：4-9.［3］张大群,王秀朵.SBR工艺新DAT—IAT法及新型滗水器［J］.中国给水排水,1996，12(1)：26-28.［4］吴卫国，PeterLTimpany.连续进水、恒水位的改进型SBR系统［J］.中国给水排水，2001，17(7)：1-5.中国城镇水网