SBR(Sequencing Batch Activated Sludge Reactor Technology)即序批式活性污泥处理系统,是20世纪70年代由美国Natre Dame大学的RIrvine博士将老式的充排系统改进并发展而成的。早期的污水处理池由于进出水切换复杂和控制设备方面的原因,限制了其发展。但随着科学技术的不断发展,计算机和自动控制技术的加入,使SBR在城市污水、工业废水中的应用越来越广泛,目前,SBR工艺已成为各国竞相开展的热门工艺。
1、工作原理及基本运行操作
SBR工艺处理污水,其核心处理设备是一个序批式间歇反应器(SBR反应器),SBR省去了许多处理构筑物,所有反应器都在一个SBR反应器中运行,通过时间控制来使SBR反应器实现各阶段的操作目的,在流态上属于完全混合式,实现了时间上的推流,有机污染物随着时间的推移而降解。
SBR工艺整个运行周期由进水、反应、沉淀、出水和闲置5个基本工序组成,都在一个设有曝气或搅拌的反应器内依次进行。在处理过程中,周而复始地循环这种操作周期,以实现污水处理目的。现将整个工艺的操作要点与功能阐述如下。
1.1进水工序
污水注入之前,反应器处于待机状态,此时沉淀后的上清液已经排空,反应器内还储存着高浓度的活性污泥混合液,此时反应器内的水位为最低。注入污水,注入完毕再进行反应,从这个意义上说,反应器又起到了调节池的作用,所以SBR法受负荷变动影响较小,对水质、水量变化的适应性较好。
1.2反应工序
当污水达到预定高度时,便开始反应操作,可以根据不同的处理目的来选择相应的操作。例如控制曝气时间可以实现BOD的去除、消化、磷的吸收等不同要求,控制曝气或搅拌器强度来使反应器内维持厌氧或缺氧状态,实现消化、反硝化过程。
1.3沉淀工序
本工序中SBR反应池相当于二沉池,停止曝气和搅拌,使混合液处于静止状态,活性污泥进行重力沉淀和上清液分离。SBR反应器中的污泥沉淀是在完全静止的状态下完成的,受外界干扰小。此外,静止沉淀还避免了连续出水容易带走密度轻、活性好的污泥的问题。因此,SBR工艺沉降时间短、沉淀效率高,能使污泥保持较好的活性。沉淀时间依据污水类型以及处理要求具体设定,一般为1 h～2 h。
1.4出水工序
排出沉淀后的上清液,恢复到周期开始时的最低水位,剩下的一部分处理水,可以起到循环水和稀释水的作用。沉淀的活性污泥大部分作为下个周期的回流污泥作用,剩余污泥则排放。
1.5闲置工序
SBR池处于空闲状态,微生物通过内源呼吸复活性,溶解氧浓度下降,起到一定的反硝化作用而进行脱氮,为下一运行周期创造良好的初始条件。由于经过闲置期后的微生物处于一种饥饿状态,活性污泥的表面积更大,因而在新的运行周期的进水阶段,活性污泥便可发挥其较强的吸附能力对有机物进行初始吸附去除。另外,待机工序可使池内溶解氧进一步降低,为反硝化工序提供良好的工况。
2、SBR工艺性能特点
2.1 SBR工艺的优越性
(1)工艺流程简单,运转灵活,基建费用低。SBR工艺中主体设备就是一个SBR反应器,从上面的分析也可以看出,一个SBR池扮演了多个角色:调解混合池、反应池(厌氧、缺氧和好氧三种)、沉淀池和部分浓缩池。基本上所有的操作都在这样一个反应器中完成,在不同的时间内进行泥水混合,有机物的氧化、消化、脱氮,磷的吸收与释放以及泥水分离等。它不需要设二沉池和污泥回流设备,一般情况下也不用设调节池和初沉池。所以,采用SBR工艺的污水处理系统大大减少构筑物的数量,节约了基建费用,而且往往具有布置紧凑、节省占地的优点。
(2)处理效果良好,出水可靠。从反应动力学角度分析,SBR反应器有其独具的优越性。根据活性污泥反应动力学模型,目前连续流生物处理反应器主要有完全混合和推流式两种流态,在连续流的推流式反应器中,曝气池的各断面上只有横向混合,不存在纵向的“返混”。基质浓度从进水处的最高逐渐降解至出水处的最次浓度,提供了最大的生化反应推动力。在运行的曝气反应阶段,反应器内的混合液虽然处于完全混合状态,但其基质和微生物的浓度随时间而逐渐降低,相当于一种时间意义上的推流状态。所以SBR反应器实现了连续流中两种反应器的特点。
(3)较好的除磷脱氮效果。除磷脱氮是一个相对复杂的过程,需要在处理过程中提供厌氧、缺氧、好氧各阶段,以实现硝化反硝化脱氮和吸收释放磷的目的。在SBR法中,在一个单一的反应器就可达到不同目的。因为在SBR法通过5个工序时间上的安排,较容易地实现厌氧、缺氧与好氧状态交替出现,可以最大限度地满足生物脱氮除磷理论上的环境条件。
(4)污泥沉降性能良好。活性污泥膨胀是活性污泥处理过程中常常发生的问题。污泥膨胀问题90%以上是丝状菌污泥膨胀,由于丝状菌过度繁殖,菌胶团的生长繁殖受到抑制,很多丝状菌伸出污泥表面之外,使得絮状体松散,沉淀性恶化。SBR法可以有效控制丝状菌的过度繁殖,污泥SVI较低,是一种污泥沉降性能较为良好的工艺。
(5)对水质水量比变化的适应性强。处理效果会受到水质水量的影响,主要是因为它会改变处理环境,而微生物对其生存环境条件的要求往往比较严格。所以,从理论上分析,完全混合式反应器比推流式反应器有更强的耐冲击负荷的能力。SBR工艺虽然对于时间来说是理想的推流式处理过程,但反应器构造上保持了典型的完全混合式的特性。因此能承受较大的水质水量的波动,具有较强的耐冲击负荷的能力。
2.2 SBR工艺的局限性
(1)反应器容积利用率低。由于SBR反应器水位不恒定,反应器有效容积需要按照最高水位来设计,大多数时间,反应器内水位均达不到此值,所以反应器容积利用率低。
(2)水头损失大。由于SBR池内水位不恒定,如果通过重力流入后续构筑物,则造成后续构筑物与SBR池的位差较大,特殊情况下还需要用泵进行二次提升。
(3)不连续的出水,要求后续构筑物容积较大,有足够的接受能力。而且不连续出水,使得SBR工艺串联其他连续处理工艺时较为困难。
(4)峰值需氧量高。SBR工艺处于时间上的推流,因此也具有推流工艺这一缺点。开始时污染物浓度较高,需氧量也较高,按照此值来确定曝气量,但随后污染物浓度随时间下降,需氧量也随之下降,因此整个系统氧的利用率低。
(5)设备利用率低。当几个SBR反应器并联运行时,每个反应器在不同的时间内分别充当进水调节池,曝气池或是沉淀池,但每个反应器内均需设有一套曝气系统、滗水系统等相应设备,而各池是交替运行的,因此,设备的利用率低。
(6)不适合用于大型污水处理厂。采用SBR工艺的污水处理厂规模一般在20 000 t以下,规模大于100 000 t的污水处理厂几乎没有采用SBR工艺的。
3、SBR工艺的发展
传统或经典的SBR工艺形式在工程中存在一定的局限性。譬如,若进水流量大,则需调节反应系统,从而增大投资;而对出水水质有特殊要求,如脱除磷等则还需对工艺进行适当改进。因而在工程应用实践中,SBR传统工艺逐渐产生了各种新的变型,以下分别介绍几种主要的形式。
