SBR 工艺处理污水的特点及发展
摘要: 分析了SBR 工艺运行机理和工艺特点, 对其优越性和局限性进行了评价, 并在此基础上介绍了其发展与改进。
关键词: SBR 工艺; 污水处理; 除磷脱氮
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。
3.1 ICEAS 工艺
ICEAS( Intermittent Cyclic Extended Aeratlon System) 工艺的全称为间歇循环延时曝气活性污泥工艺。它于20 世纪80 年代初在澳大利亚兴起, 是变形的SBR 工艺。
ICEAS 与传统的SBR 相比, 最大的特点是: 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( 沉淀期和排水期仍保持进水) 间歇排水, 没有明显的反应阶段和闲置阶段。这种系统在处理市政污水和工业废水方面比传统的SBR 系统费用更省、管理更方便。但是由于进水贯穿于整个运行周期的每个阶段, 沉淀期进水在主反应区底部造成水力紊动而影响泥水分离时间, 因而, 进水量受到了一定限制, 通常水力停留时间较长。
3.2 CASS( CAST, CASP) 工艺
CASS ( Cyclic Activated Sludge System) 或CAST ( - Technology) 或CASP( - Process) 工艺是一种循环式活性污泥法。该工艺的前身为ICEAS工艺, 由Goronszy 开发并在美国和加拿大获得专利。
与ICEAS 工艺相比, 预反应区容积较小, 是设计更加优化合理的生物反应器。该工艺将主反应区中部分剩余污泥回流至选择器中, 在运作方式上沉淀阶段不进水, 使排水的稳定性得到保障。CASS 工艺适用于含有较多工业废水的城市污水及要求脱氮除磷的处理。
3.3 IDEA 工艺
间歇排水延时曝气工艺( IDEA) 基本保持了CAST 艺的优点, 运行方式采用连续进水、间歇曝气、周期排水的形式。与CAST 相比, 预反应区( 生物选择器) 改为与SBR 主体构筑物分立的预混合池, 部分剩余污泥回流入预混合池, 且采用反应器中部进水。预混合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。
3.4 DAT- IAT 工艺
DAT- IAT 艺是利用单—SBR 池实现连续运行的新型工艺, 介于传统活性污泥法与典型的SBR 工艺之间, 既有传统活性污泥法的连续性和高效性, 又具有SBR 的灵活性, 适用于水质水量大的情况。DAT- IAT 工艺主体构筑物由需氧池( DAT) 和间歇曝气池( IAT) 组成, 一般情况下DAT 连续进水, 连续曝气, 其出水进入IAT, 在此可完成曝气、沉淀、浇水和排出剩余污泥工序, 是SBR 的又一变型。
3.5 UNITANK 工艺
典型的UNITANK 系统, 其主体为三格池结构, 三池之间为连通形式, 每池设有曝气系统, 既可采用鼓风曝气, 也可采用机械表面曝气, 并配有搅拌, 外侧两池设出水堰以及污泥排放装置, 两池交替作为曝气和沉淀池, 污水可进入三池中的任何一个。在一个周期内, 原水连续不断进入反应器, 通过时间和空间的控制, 形成好氧、厌氧或缺氧的状态。UNITANK 系统除保持原有的自控以外, 还具有池子结构简单、出水稳定、不需回流等特点, 而通过进水点的变化可达到回流和脱氮、除磷等目的。
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