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SBR(Sequencing Batch Activated Sludge Reactor Technology)即序批式活性污泥處理系統,是20世紀70年代由美國Natre Dame大學的RIrvine博士將老式的充排系統改進并發展而成的。早期的污水處理池由于進出水切換復雜和控制設備方面的原因,限制了其發展。但隨著科學技術的不斷發展,計算機和自動控制技術的加入,使SBR在城市污水、工業廢水中的應用越來越廣泛,目前,SBR工藝已成為各國競相開展的熱門工藝。
1、工作原理及基本運行操作
SBR工藝處理污水,其核心處理設備是一個序批式間歇反應器(SBR反應器),SBR省去了許多處理構筑物,所有反應器都在一個SBR反應器中運行,通過時間控制來使SBR反應器實現各階段的操作目的,在流態上屬于完全混合式,實現了時間上的推流,有機污染物隨著時間的推移而降解。
SBR工藝整個運行周期由進水、反應、沉淀、出水和閑置5個基本工序組成,都在一個設有曝氣或攪拌的反應器內依次進行。在處理過程中,周而復始地循環這種操作周期,以實現污水處理目的。現將整個工藝的操作要點與功能闡述如下。
1.1進水工序
污水注入之前,反應器處于待機狀態,此時沉淀后的上清液已經排空,反應器內還儲存著高濃度的活性污泥混合液,此時反應器內的水位為最低。注入污水,注入完畢再進行反應,從這個意義上說,反應器又起到了調節池的作用,所以SBR法受負荷變動影響較小,對水質、水量變化的適應性較好。
1.2反應工序
當污水達到預定高度時,便開始反應操作,可以根據不同的處理目的來選擇相應的操作。例如控制曝氣時間可以實現BOD的去除、消化、磷的吸收等不同要求,控制曝氣或攪拌器強度來使反應器內維持厭氧或缺氧狀態,實現消化、反硝化過程。
1.3沉淀工序
本工序中SBR反應池相當于二沉池,停止曝氣和攪拌,使混合液處于靜止狀態,活性污泥進行重力沉淀和上清液分離。SBR反應器中的污泥沉淀是在完全靜止的狀態下完成的,受外界干擾小。此外,靜止沉淀還避免了連續出水容易帶走密度輕、活性好的污泥的問題。因此,SBR工藝沉降時間短、沉淀效率高,能使污泥保持較好的活性。沉淀時間依據污水類型以及處理要求具體設定,一般為1 h～2 h。
1.4出水工序
排出沉淀后的上清液,恢復到周期開始時的最低水位,剩下的一部分處理水,可以起到循環水和稀釋水的作用。沉淀的活性污泥大部分作為下個周期的回流污泥作用,剩余污泥則排放。
1.5閑置工序
SBR池處于空閑狀態,微生物通過內源呼吸復活性,溶解氧濃度下降,起到一定的反硝化作用而進行脫氮,為下一運行周期創造良好的初始條件。由于經過閑置期后的微生物處于一種饑餓狀態,活性污泥的表面積更大,因而在新的運行周期的進水階段,活性污泥便可發揮其較強的吸附能力對有機物進行初始吸附去除。另外,待機工序可使池內溶解氧進一步降低,為反硝化工序提供良好的工況。
2、SBR工藝性能特點
2.1 SBR工藝的優越性
(1)工藝流程簡單,運轉靈活,基建費用低。SBR工藝中主體設備就是一個SBR反應器,從上面的分析也可以看出,一個SBR池扮演了多個角色:調解混合池、反應池(厭氧、缺氧和好氧三種)、沉淀池和部分濃縮池。基本上所有的操作都在這樣一個反應器中完成,在不同的時間內進行泥水混合,有機物的氧化、消化、脫氮,磷的吸收與釋放以及泥水分離等。它不需要設二沉池和污泥回流設備,一般情況下也不用設調節池和初沉池。所以,采用SBR工藝的污水處理系統大大減少構筑物的數量,節約了基建費用,而且往往具有布置緊湊、節省占地的優點。
(2)處理效果良好,出水可靠。從反應動力學角度分析,SBR反應器有其獨具的優越性。根據活性污泥反應動力學模型,目前連續流生物處理反應器主要有完全混合和推流式兩種流態,在連續流的推流式反應器中,曝氣池的各斷面上只有橫向混合,不存在縱向的“返混”。基質濃度從進水處的最高逐漸降解至出水處的最次濃度,提供了最大的生化反應推動力。在運行的曝氣反應階段,反應器內的混合液雖然處于完全混合狀態,但其基質和微生物的濃度隨時間而逐漸降低,相當于一種時間意義上的推流狀態。所以SBR反應器實現了連續流中兩種反應器的特點。
(3)較好的除磷脫氮效果。除磷脫氮是一個相對復雜的過程,需要在處理過程中提供厭氧、缺氧、好氧各階段,以實現硝化反硝化脫氮和吸收釋放磷的目的。在SBR法中,在一個單一的反應器就可達到不同目的。因為在SBR法通過5個工序時間上的安排,較容易地實現厭氧、缺氧與好氧狀態交替出現,可以最大限度地滿足生物脫氮除磷理論上的環境條件。
(4)污泥沉降性能良好。活性污泥膨脹是活性污泥處理過程中常常發生的問題。污泥膨脹問題90%以上是絲狀菌污泥膨脹,由于絲狀菌過度繁殖,菌膠團的生長繁殖受到抑制,很多絲狀菌伸出污泥表面之外,使得絮狀體松散,沉淀性惡化。SBR法可以有效控制絲狀菌的過度繁殖,污泥SVI較低,是一種污泥沉降性能較為良好的工藝。
(5)對水質水量比變化的適應性強。處理效果會受到水質水量的影響,主要是因為它會改變處理環境,而微生物對其生存環境條件的要求往往比較嚴格。所以,從理論上分析,完全混合式反應器比推流式反應器有更強的耐沖擊負荷的能力。SBR工藝雖然對于時間來說是理想的推流式處理過程,但反應器構造上保持了典型的完全混合式的特性。因此能承受較大的水質水量的波動,具有較強的耐沖擊負荷的能力。
2.2 SBR工藝的局限性
(1)反應器容積利用率低。由于SBR反應器水位不恒定,反應器有效容積需要按照最高水位來設計,大多數時間,反應器內水位均達不到此值,所以反應器容積利用率低。
(2)水頭損失大。由于SBR池內水位不恒定,如果通過重力流入后續構筑物,則造成后續構筑物與SBR池的位差較大,特殊情況下還需要用泵進行二次提升。
(3)不連續的出水,要求后續構筑物容積較大,有足夠的接受能力。而且不連續出水,使得SBR工藝串聯其他連續處理工藝時較為困難。
(4)峰值需氧量高。SBR工藝處于時間上的推流,因此也具有推流工藝這一缺點。開始時污染物濃度較高,需氧量也較高,按照此值來確定曝氣量,但隨后污染物濃度隨時間下降,需氧量也隨之下降,因此整個系統氧的利用率低。
(5)設備利用率低。當幾個SBR反應器并聯運行時,每個反應器在不同的時間內分別充當進水調節池,曝氣池或是沉淀池,但每個反應器內均需設有一套曝氣系統、潷水系統等相應設備,而各池是交替運行的,因此,設備的利用率低。
(6)不適合用于大型污水處理廠。采用SBR工藝的污水處理廠規模一般在20 000 t以下,規模大于100 000 t的污水處理廠幾乎沒有采用SBR工藝的。
3、SBR工藝的發展
傳統或經典的SBR工藝形式在工程中存在一定的局限性。譬如,若進水流量大,則需調節反應系統,從而增大投資;而對出水水質有特殊要求,如脫除磷等則還需對工藝進行適當改進。因而在工程應用實踐中,SBR傳統工藝逐漸產生了各種新的變型,以下分別介紹幾種主要的形式。
3.1 ICEAS工藝
ICEAS(Intermittent Cyclic Extended Aeratlon System)工藝的全稱為間歇循環延時曝氣活性污泥工藝。它于20世紀80年代初在澳大利亞興起,是變形的SBR工藝。
ICEAS與傳統的SBR相比,最大的特點是:在反應器的進水端增加了一個預反應區,運行方式為連續進水(沉淀期和排水期仍保持進水)間歇排水,沒有明顯的反應階段和閑置階段。這種系統在處理市政污水和工業廢水方面比傳統的SBR系統費用更省、管理更方便。但是由于進水貫穿于整個運行周期的每個階段,沉淀期進水在主反應區底部造成水力紊動而影響泥水分離時間,因而,進水量受到了一定限制,通常水力停留時間較長。
3.2 CASS(CAST,CASP)工藝
CASS(Cyclic Activated Sludge System)或CAST(-Technology)或CASP(-Process)工藝是一種循環式活性污泥法。該工藝的前身為ICEAS工藝,由Goronszy開發并在美國和加拿大獲得專利。
與ICEAS工藝相比,預反應區容積較小,是設計更加優化合理的生物反應器。該工藝將主反應區中部分剩余污泥回流至選擇器中,在運作方式上沉淀階段不進水,使排水的穩定性得到保障。CASS工藝適用于含有較多工業廢水的城市污水及要求脫氮除磷的處理。
3.3 IDEA工藝
間歇排水延時曝氣工藝(IDEA)基本保持了CAST藝的優點,運行方式采用連續進水、間歇曝氣、周期排水的形式。與CAST相比,預反應區(生物選擇器)改為與SBR主體構筑物分立的預混合池,部分剩余污泥回流入預混合池,且采用反應器中部進水。預混合池的設立可以使污水在高絮體負荷下有較長的停留時間,保證高絮凝性細菌的選擇。
3.4 DAT-IAT工藝
DAT-IAT藝是利用單—SBR池實現連續運行的新型工藝,介于傳統活性污泥法與典型的SBR工藝之間,既有傳統活性污泥法的連續性和高效性,又具有SBR的靈活性,適用于水質水量大的情況。DAT-IAT工藝主體構筑物由需氧池(DAT)和間歇曝氣池(IAT)組成,一般情況下DAT連續進水,連續曝氣,其出水進入IAT,在此可完成曝氣、沉淀、澆水和排出剩余污泥工序,是SBR的又一變型。
3.5 UNITANK工藝
典型的UNITANK系統,其主體為三格池結構,三池之間為連通形式,每池設有曝氣系統,既可采用鼓風曝氣,也可采用機械表面曝氣,并配有攪拌,外側兩池設出水堰以及污泥排放裝置,兩池交替作為曝氣和沉淀池,污水可進入三池中的任何一個。在一個周期內,原水連續不斷進入反應器,通過時間和空間的控制,形成好氧、厭氧或缺氧的狀態。UNITANK系統除保持原有的自控以外,還具有池子結構簡單、出水穩定、不需回流等特點,而通過進水點的變化可達到回流和脫氮、除磷等目的。
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