SBR在城市污水处理中的发展与应用
摘 要: 研究了SBR工艺类型及发展, 分析了SBR的工艺优缺点和设计方法, 探讨了SBR在发展中的问题。
关键词: 污水处理; SBR; 发展; 应用
1 SBR工艺类型及发展
序批式活性污泥法( SBR—Sequenting BatchReactor) 是早在1914 年就由英国学者Ardern 和Locket发明的水处理工艺。70年代初, 美Natre2Dame大学的R1 Irvine教授采用实验室规模对SBR工艺进行了系统深入的研究, 并于1980年在美国环保局(EPA) 的资助下, 在印第安那州Culwer城改建并投产了世界上第一个SBR法污水处理厂。
SBR工艺的过程是按时序来运行的, 一个操作过程分5个阶段: 进水、反应、沉淀、滗水、闲置。SBR在运行过程中, 各阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化以及运行状态等都可以根据具体污水的性质、出水水质、出水质量与运行功能要求等灵活变化。对于SBR 反应器来说, 只是时序控制, 无空间控制障碍, 所以可以灵活控制。因此, SBR工艺发展速度极快, 并衍生出许多种新型SBR处理工艺。
间歇式循环延时曝气活性性污泥法( 1CEAS—Intermittent Cyclic Extended System) 是在1968年由澳大利亚新威尔士大学与美国ABJ 公司合作开发的。1976年世界上第一座ICEAS工艺污水厂投产运行。ICEAS与传统SBR 相比, 最大特点是: 在反应器进水端设一个预反应区, 整个处理过程连续进水, 间歇排水, 无明显的反应阶段和闲置阶段,因此处理费用比传统SBR低。由于全过程连续进水, 沉淀阶段泥水分离差, 限制了进水量。
好氧间歇曝气系统(DAT - IAT—Demand Aer2ation Tank—Intermittent Tank) 是由天津市政工程设计研究院提出的一种SBR新工艺。主体构筑物是由需氧池DAT池和间歇曝气池IAT 池组成,DAT池连续进水连续曝气, 其出水从中间墙进入IAT池, IAT池连续进水间歇排水。同时, IAT池污泥回流DAT池。它具有抗冲击能力强的特点,并有除磷脱氮功能。
循环式活性污泥法(CASS—Cyclic ActivatedSludge System) 是Gotonszy教授在ICEAS工艺的基础上开发出来的, 是SBR 工艺的一种新形式。将ICEAS的预反应区用容积更小, 设计更加合理优化的生物选择器代替。通常CASS池分3 个反应区: 生物选择器、缺氧区和好氧区, 容积比一般为1∶5∶30。整个过程间歇运行, 进水同时曝气并污泥回流。该处理系统具有除氮脱磷功能。UN ITANK单元水池活性污泥处理系统是比利时SEGHERS公司提出的, 它是SBR工艺的又一种变形。它集合了SBR 工艺和氧化沟工艺的特点,一体化设计使整个系统连续进水连续出水, 而单个池子相对为间歇进水间歇排水。此系统可以灵活地进行时间和空间控制, 适当增大水力停留时间, 可以实现污水的脱氮除磷。
改良式序列间歇反应器(MSBR—Modified Se2quencing Batch Reactor) 是C, Y1Yang 等人根据SBR技术特点结合A2—0 工艺, 研究开发的一种更为理想的污水处理系统。采用单池多方格方式,在恒定水位下连续运行。通常MSBR池分为主曝气池、序批池1、序批池2、厌氧池A、厌氧池B、缺氧池、泥水分离池。每个周期分为6个时段, 每3个时段为1 个半周期。1 个半周期的运行状况: 污水首先进入厌氧池A脱氮, 再进入厌氧池B除磷, 进入主曝气池好氧处理, 然后进入序批池, 两个序批池交替运行(缺氧—好氧/沉淀—出水) 。脱氮除磷能力更强。
2 SBR工艺优点
21 SBR反应器的优点
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22 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。
221 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。
222 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。
223 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) ] / [1n ( 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。
224 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———分别为实际和最大比增长速率
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。
225 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。
23 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。
24 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。
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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UN ITANK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。
3 设计方法
31 负荷法
该法与连续式曝气池容的设计相仿。已知SBR反应池的容积负荷或污泥负荷、进水量及进水中BOD5 浓度, 即可求得SBR池容。
容积负荷法 V = nQO CO /N v (3)
Vmin = [SV I·MLSS /106 ] ·V
污泥负荷法 Vmin = nQO CO ·SV I /N s (4)
V =Vm in +QO
32 曝气时间内负荷法
鉴于SBR法属间歇曝气, 一个周期内有效曝气时间为ta, 则1d内总曝气时间为nta, 以此建立计算式:
容积负荷法 V = nQO CO tc /N v·ta (5)
污泥负荷法 V = 24QCO / nta ·MLSS ·NS (6)
33 动力学设计法
由于SBR的运行操作方式不同, 其有效容积的计算也不尽相同。根据动力学原理演算(过程略) , SBR反应池容计算公式可分为3种情况:
限制曝气 V =NQ (CO - Ce) tf / IMLSS ·N s·ta〗(7)
非限制曝气 V = nQ (CO - Ce) tf / [MLSS ·N s ( ta + tf) ] (8)
半限制曝气 V = nQ (CO - Ce) tf / [Lss·N s( ta + tf - t0) ] (9)
34 总污泥量综合设计法
该法是以提供SBR 反应池一定的活性污泥量为前提, 并满足适合的SV I条件, 保证在沉降阶段历时和排水阶段历时内的沉降距离和沉淀面积, 据此推算出最低水深下的最小污泥沉降所需的体积,然后根据最大周期进水量求算贮水容积, 两者之和即为所求SBR池容。并由此验算曝气时间内的活性污泥浓度及最低水深下的污泥浓度, 以判别计算结果的合理性。其计算公式为:
TS = naQO (CO - Cr) tT·s (10)
Vmin =AHmin≥TS ·SV I·10- 3 (11)
Hmin =Hmax - △H (12)
V =Vmin + △V (13)
式中TS—单个SBR池内干污泥总量, kgtT·S—总污泥龄, d
A—SBR池几何平面积, m2
Hmax、Hmin—分别为曝气时最高水位和沉淀终了时最低水位, m
△H—最高水位与最低水位差, m
Cr—出水BOD5 浓度与出水悬浮物浓度中溶解性BOD5 浓度之差。其值为:Cr =Ce - Z ·Cse ·1142 (1 - ek t1 ) (14)
式中Cse———出水中悬浮物浓度, kg/m3
k1———耗氧速率, d- 1
t———BOD实验时间, d
Z———活性污泥中异养菌所占比例, 其值为:
Z =B - (B2 - 8133N s·11072(15 - T) ) 015 (15)
B = 01555 + 41167 ( 1 + TSO /BOD5 ) N s ·11072(15 - T) (16)
N s = 1 / a·tT·S (17)
式中a—产泥系数, 即单位BOD5 所产生的剩余污泥量, kgMLSS/kgBOD5 ,
其值为:a = 016 ( TSO /BOD5 + 1 ) - 016 ×01072 ×11072( T - 15) 1 / [ tT·S + 0108 ×11072( T - 15) ] (18)
式中TS、BOD5 —分别为进水中悬浮固体浓度及BOD5 浓度, kg/m3
T—污水水温, ℃
由式(11) 计算之Vmin系为同时满足活性污泥沉降几何面积以及既定沉淀历时条件下的沉降距离, 此值将大于现行方法中所推算的Vmin。必须指出的是, 实际的污泥沉降距离应考虑排水历时内的沉降作用, 该作用距离称之为保护高度Hb。同时, SBR池内混合液从完全动态混合变为静止沉淀的初始5～10min内, 污泥仍处于紊动状态, 之后才逐渐变为压缩沉降直至排水历时结束。它们之间的关系可由下式表示:
VS ( ts + td - 10 /60) = △H +Hb (19)
VS = 650 /MLSSm ax ·SV I (20)
由式( 20) 代入式( 19) 并作相应变换改写为:
[650·A ·Hm ax / TS ·SV I ] ( ts + td - 10 /60)= △V /A +Hb (21)
式中Vs—污泥沉降速度, m /h,
MLSSmax—当水深为Hmax 时的MLSS,kg/m3
ts、td—污泥沉淀历时和排水历时, h
式( 21 ) 中SV I、Hb、ts、td 均可据经验假定, Ts、△V均为已知, Hmax可依据鼓风机风压或曝气机有效水深设置, A 为可求, 同时求得△H, 使其在许可的排水变幅范围内保证允许的保护高度。因而, 由式( 12 ) 、( 13 ) 可分别求得Hmin、Vmin和反应池容。
4 SBR在发展中的问题
相对于传统连续流活性污泥法, SBR工艺是一种尚处于发展、完善阶段的技术, 许多研究工作刚刚起步, 缺乏科学的设计依据和方法以及成熟的运行管理经验, 另外, SBR自身的特点更加深了解决问题的难度。
41 基础研究方面
(1) 关于污水在非稳定状态下活性污泥微生物代谢理论的研究;
(2) 关于厌氧、好氧状态的反复交替对微生物活性和种群分布的影响;
(3) 可同时除磷、脱氮的微生物机理的研究。
42 设计方面
(1) 缺乏科学、可靠的设计模式;
(2) 运行模式的选择与设计方法脱节。
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