SBR法处理难降解废水的技术
间歇式活性污泥法(SBR) 又称序批式活性污泥法, 是一种不同于传统活性污泥法的废水处理工艺。1914年英国的Arden 和Lokett 首创活性污泥法时采用的就是间歇法。受当时技术条件的限制, 曝气池水流不断切换, 操作起来较为烦琐,而且沉淀时绝对静止, 曝气设备易被堵塞。在连续式活性污泥法出现之后, 很快将其取代, 占据了主导地位。20 世纪70 年代以来, 为解决连续污水处理法存在的问题, 由R. L.Irvine发起, 日本、澳大利亚等国学者对SBR 进行了重新评价和研究。特别是近年来由于计算机控制技术的发展, 通过溶解氧测定仪、氧化还原电位计等仪表对工艺运行进行过程控制的技术出现, 使得初期的SBR 反应器间歇运行的复杂操作问题得以解决。20世纪80 年代以后, SBR 法引起越来越多国家的重视,并陆续得到开发应用。
1 SBR 工艺流程和优点
SBR 工艺的核心是SBR 反应池, 它是按一定时间顺序间歇操作运行的生物反应器。所谓“序批间歇式”有两种含义: 一是运行操作在空间上是按序列的方式进行的, 为匹配多数情况下废水的连续排放规律, 必须2 个或多个SBR 池并联, 按次序间歇运行;二是每个SBR 的操作在时间上也是按次序排列的。一个运行周期按次序分为五个阶段: 进水、反应、沉淀、排水和闲置阶段。典型的SBR 系统包括一座或几座反应池以及初沉池等预处理设施。反应池兼有调节池和沉淀池的功能。当反应池进水结束后, 开始曝气反应, 待有机物浓度达到排放标准后, 停止曝气, 使混合液在反应器中处于静止状态进行固液分离, 经过一段时间后排除上清液, 沉淀污泥进入闲置阶段, 反应器又处于准备进行下一周期运行的待机状态。在进水阶段,又可根据是否曝气分为限制曝气、非限制曝气和半限制曝气三种。限制曝气是指在进水时不曝气, 并尽量缩短进水时间, 这种限制曝气方式适合于处理无毒性的污水。非限制曝气是在进水的同时曝气, 在进水期便可降解一部分基质, 避免反应初期基质在混合液中过度的累积, 对反应过程造成抑制。这种非限制曝气方式适合于处理有毒且基质浓度较高的污水。半限制曝气是在进水的后半期进行曝气, 是介于限制曝气和非限制曝气之间的一种运行方式。
SBR 工艺之所以能够日益受到重视, 并广泛应用, 是由于其运行方式的特殊性, 使其具有以下连续流系统无法比拟的优点。
( 1) 工艺流程简单、基建与运行费用低。SBR 系统的主体工艺设备是一座间歇式曝气池, 与传统的连续流系统相比, 无须二沉池和污泥回流设备, 一般也不需调节池。许多情况下, 还可省去初沉池。这样SBR 系统的基建费用往往较低。根据L. Ketchum 等的统计结果, 采用SBR 法处理小城镇污水比用传统连续流活性污泥法节省基建投资30%以上。SBR法无须污泥回流设备, 节省设备费和常规运行费用。稳定运行期, 废水处理费用与原A/O—A/O 工艺相比可降低15%～20%。
( 2) 生化反应推动力大、速率快、效率高。SBR法反应器中底物浓度在时间上是理想推流过程, 底物浓度梯度大, 生化反应推动力大, 克服了连续流完全混合式曝气池中底物浓度低, 反应推动力小和推流式曝气池中水流反混严重, 实际上接近完全混合流态的缺点。R. L. Irvine 等的研究还表明: SBR 法中作为微生物活性最重要指标的RNA 含量是传统活性污泥法中的3~4 倍。
( 3) 耐冲击负荷能力较强。SBR 法虽然对于时间来说是理想推流过程, 但就反应器中的混合状态来说, 仍属于典型的完全混合式, 也具有完全混合曝气所具有的优点。一个SBR 反应池在充水时相当于一个均化池, 在不降低出水水质的情况下, 可以承受高峰流量和有机物浓度上的冲击负荷。此外, SBR可在反应器内保持较高的污泥浓度, 这也在一定程度上提高了它的耐冲击负荷能力。
( 4) 有效防止污泥膨胀。SBR 具有选择器效应,反应初期底物浓度较高, 有利于絮体细菌增殖并占优势, 可抑制专性好氧丝状菌的过分增殖。此外,SBR 法中好氧、缺氧状态交替进行, 也可抑制丝状菌生长。
( 5) 沉淀效果好。沉淀过程中没有进出水水流的干扰, 可避免短流和异重流的出现, 是理想的静止沉淀, 固液分离效果好, 具有污泥浓度高、沉淀时间短、出水悬浮物浓度低等优点。
( 6) 操作灵活, 易维护。SBR 法不仅工艺流程简单, 而且根据水质、水量的变化, 通过各种控制手段,以各种方式灵活运行, 如改变进水方式、调整运行顺序、改变曝气强度及周期内各阶段分配比等来实现不同的功能。由于SBR 无污泥回流系统, 无需二沉池, 比其他生化处理系统更易于维护。
2 SBR 在难降解有机物废水处理中的应用
目前SBR 处理难降解有机物的对象几乎涵盖了其他生物法所处理的对象, 例如缫丝生产废水、聚酰胺生产废水、炼油化工废水、鱼油精炼废水、乐果生产废水、啤酒废水、白酒废水、乳品加工废水、印染废水、制革废水、青霉素废水、阿胶制药废水、屠宰废水等。通过各污水厂的运行情况来看, SBR 处理排放量大、浓度高的有机废水、有毒废水、高色度印染废水等难降解废水都有很好的去除效果, 都能达到行业的排放标准, 且运行效果稳定。从运行成本来看,废水的处理费用不高, 具有显著的经济效益。
3 SBR 新工艺的研究与开发
近几年来, 人们围绕SBR 法展开了大量的研究工作, 并在工业废水处理中得到成功应用。这些新工艺的创新点是: 一方面在反应器中添加介质, 控制微生物群落的组成、浓度和活性, 提高微生物对难降解废水的处理能力; 另一方面将SBR 与其他工艺相结合, 研发了以SBR 为主的新工艺。
( 1) PAC( 粉末活性炭) +SBR。在SBR 反应器中添加活性炭, 通过其在进水段的吸附作用, 使混合液中有毒难降解污染物浓度减少, 减轻对生物的抑制作用, 同时缓冲了水中有机负荷的冲击。由于活性炭的吸附作用, 使得污泥系统中始终保持一定量的有机质, 为微生物提供了丰富的营养。活性炭比表面积非常大, 可为生物的生长提供很大的空间, 微生物会附着在其表面, 形成饱满而密实的菌胶团, 长出厚厚的生物膜, 炭表面的有机物和微生物之间不断调节,相互适应, 形成了一种稳定的生化处理系统。在反应过程中, 活性炭会对环境中的溶解氧(DO) 起调节作用, 当环境中DO 浓度较高时, 因为活性炭对DO 的吸附, 缩小了环境与菌胶团之间的DO 差距; 当环境中DO 浓度较低时, 活性炭吸附的DO 会释放, 污泥仍能保持较高的耗氧速度。活性炭表面的高浓度基质、高溶解氧和微生物三者构成的共存体系, 为生化反应创造了优越条件, 取得了比单纯SBR 法效率高的处理效果。冯晓西等用铁炭微电解— 亚铁还原氧化法对含有以间二硝基苯、间硝基苯胺等物质为主的工艺废水进行预处理后, 再按一定的比例与轻污染废水混合, 经兼氧生化、PAC— SBR 处理后, 可使废水CODCr 去除率达到92%, BOD5 去除率达到98%, 硝基苯类去除率达到97%, 苯胺类去除率达到98% , 挥发酚去除率达到99.6%, 色度可从5.8×10^4～1.0×105 倍减少至8 倍。
( 2) 添加其他填料的SBR。吴生等采用“膨润土吸附— 泡沫分离— SBR 生物处理工艺”处理日化行业洗发精废水, 其主要成分有: 烷基聚氧乙烯硫酸盐、液K、BS- 12 等各类表面活性剂、保湿剂、增洁剂和色素AES 等, 取得了较明显的效果, 其CODCr去除率接近或超过80%, 并且膨润土具有价格便宜,泥渣易于脱水的特点〔19〕。王大军等在SBR 反应器内加入弹性填料, 通过对沈阳市几个乳品厂采集的污水进行实验研究, 取得了最佳工艺参数, 并应用于实际污水工程中验证, CODCr 去除率达30%～50%。
( 3) 两段SBR。借鉴AB 工艺的基本思想, 由两套SBR 串联构成, 在每个SBR 反应器内培养出适合于降解不同有机物的专性菌, 从而使废水中的不同种类的有机物在各自相适应的生化条件下得到充分降解。彭永臻等利用两段SBR 处理化工废水, 在两个反应器中分别培养出适宜降解乙酸和芳香族有机物的活性污泥, 成功地克服了葡萄糖效应, 大大提高了SBR 法的处理效率。而且两段SBR 还省去了AB 法所需要的两段污泥回流, 集普通SBR 法和AB法两者的优点于一体。因此, 两段SBR 法在处理水质较复杂尤其是底物降解的难易程度相差较大的工业废水时, 有更广阔的应用前景。C. S. Ra 等采用两段SBR 工艺( TSSBR) 处理屠宰废水, 达到脱氮除磷的目的。方士采用两段SBR 工艺处理高氨氮味精废水, 取得了较好的处理效果。
( 4) 多段SBR。为能彻底降解难降解有机物, 提高难降解有机物的降解速率, 一些学者提出多段SBR 系统, 包括多段厌氧SBR、多段好氧SBR 及厌氧SBR+好氧SBR 的组合。目的是使每段SBR 均能保持各自独特的优势微生物, 提高难降解有机物的降解速率。熊正为等采用厌氧酸化— SBR 法处理甲醛废水。在反应期厌氧段, 采用中高温生物催化酸化, 对季戊四醇、甲醛废水进行初级降解( 将复杂分子转化为简单分子) ; 在反应好氧段, 进一步降解上一阶段的水解产物, 运行结果表明:MLSS 的BOD5负荷0.04 ～0.08 kg/( kg·d) 、甲醛负荷0.011 ～0.022kg/(kg·d) , 当反应期厌氧段为20 h, 好氧段为11 h 时,甲醛去除率可以达到98%, CODCr 去除率>90%。李秀金等把SBR 连接在一起构成ASBR/SBR 组合反应器系统, 用于牛场高浓度有机污水的处理。ASBR作为预处理反应器主要用于去除有机物, SBR 用于生物脱氮处理。通过试验确定ASBR 的最佳有机负荷率( 以CODCr 计) 为3 g/( L·d) , 在此负荷率下处理后的污水在SBR 中进一步处理。通过对硝化和反硝化分别与同时进行时ASBR/SBR 系统的污水处理性能进行了试验研究, 发现: 当硝化在反应器中进行, 反硝化在自然条件下的出水混合液和上清液中进行时, 混合液中NOx - N 在3 周之内即被全部转化, 上清液中反硝化反应相对较慢; 要通过同时的硝化与反硝化高效地去除污水中的氨氮, 则需要添加适量碳源, 并实行分段进水。
( 5) SBR 与其他工艺的组合。许多废水中往往含有种类繁多的有机污染物, 其中不少难于降解或对微生物有抑制作用, 单纯用一种处理方法, 基本不能把有机物降解掉, 所以出现了多种物化和生化处理方法的组合工艺。付永胜等根据印染废水的特性, 提出了水解酸化—UASB—SBR 组合工艺的处理方法。该法的实际应用表明, 废水CODCr 可由2 500～4 500mg/L 降至80 ～150 mg/L, BOD5 可由600 ～1 000mg/L 降至30～40 mg/L, 色度可由100～600 倍降至50～60 倍〔26〕。范洪波等采用水解酸化SBR 法混凝沉淀复合工艺对城市垃圾渗滤液进行处理, 确定了水解酸化、SBR 法和混凝的最佳运行参数。研究结果表明, 当进水CODCr 1 720 mg/L、氨氮127.6 mg/L时, 通过该系统处理后, 出水CODCr 148.4 mg/L、氨氮12.2 mg/L, CODCr 总去除率达到91.2%, 氨氮去除率达90.4%, 达到较好的去除有机物和脱氮效果〔27〕。除了以上用SBR 法处理各种工业废水的实验研究的成果外, 在国内也有用类似新工艺处理某些工业废水的工程实例。如造纸中段水、米粉厂废水、土霉素生产废水、光敏剂化工废水、屠宰加工废水、印染废水、染料废水,。
4 结语
运用SBR 反应器处理各种难降解有机废水的实验研究已经非常广泛, 随着研究的不断深入和在工程实例中的应用, 一些创新的实验成果会不断涌现, 有关SBR 的新工艺也会不断开发和应用, 将会在中小企业的石油化工、炼油、印染、制药、屠宰、酿酒等企业中发挥巨大作用。目前, 我国对工业废水处理越来越重视, 相信SBR 法是一种很有推广价值和发展潜力的污水处理方法。
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