SBR工藝發(fā)展“簡史”

    SBR法即序批式活性污泥法。早在1914年,活性污泥法在產(chǎn)生之初就是采用間歇進水.排水的方式運行的,但由于其運行操作繁瑣，當時又缺乏自動控制設備和技術,它很快被連續(xù)式活性污泥法所取代，并幾乎被淘汰與遺忘。直到20世紀80年代以后，自動監(jiān)測與控制的硬件設備與軟件技術，特別是電子計算機的飛速發(fā)展,為SBR法的應用與發(fā)展注人了新的活力。目前,由于該工藝具有工藝流程簡單處理效率高運行方式靈活和不易發(fā)生污泥膨脹等優(yōu)點，已成為中小型污水處理廠的首選工藝,并在全世界廣泛應用。在我國,有30%~40%日處理5萬噸以下的污水處理廠都采用SBR法。近年來,隨著城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準的日趨嚴格,對于出水氮磷的排放提出了更高的要求。如何提高SBR工藝的脫氮除磷效率，并在此基礎上節(jié)能降耗,對于該工藝的應用與發(fā)展具有重要意義。

    水污染控制工程中污染物的去除，從根本上說,屬于化工中的分離過程，就是通過物理化學和生物方法,借助反應器實現(xiàn)污染物與水的分離，可分為物理單元，化學單元和生物單元。反應器理論是20世紀70年代,為了建立各種水處理方法間的聯(lián)系,提高水處理學科的理論水平而引人的。一般說來，水處理工藝中的一切池子都稱為反應器，如調(diào)節(jié)池沉淀池和曝氣池等。反應器按照操作方式的不同主要分為連續(xù)流反應器和序批式反應器。其中連續(xù)流反應器又稱為返混反應器,可分為連續(xù)全混反應器和平推流反應器。

一、污水處理反應器分類

1、連續(xù)全混反應器

    連續(xù)全混反應器由一個有進流和出流的容器組成,反應物連續(xù)流人反應器,混合物連續(xù)流出反應器,是一種開放式反應器。反應器通常在穩(wěn)態(tài)條件下運行,反應器內(nèi)物料充分混合,物質(zhì)含量在整個反應器內(nèi)均勻一致,排出物的成分與反應器中的成分相同,反應器內(nèi)的反應物濃度不隨時間變化,也不隨空間變化;通常情況下(但不一定全是) ,其進出流量平衡。理想狀態(tài)下,對只含單一流體的情況，假設流體相中的物料混合都非常迅速,從而各組分在整個容器中的濃度都是均勻的;對含有多種流體的容器假設混合完全,并且對每一種流體其混合都是瞬間完成的,因此流出反應器中的產(chǎn)物組分濃度等于該物料在整個反應器內(nèi)的濃度。

2.平推流反應器

    平推流反應器也稱活塞流反應器,連續(xù)穩(wěn)定流人反應器的流體,在垂直于流動方向的任一截面,各質(zhì)點的流速完全相同,平行向前流動。進人反應器的物料之間完全沒有混合,并且沿反應器軸向上物料之間也完全沒有混合，而徑向上物料之間混合均勻。這種流動形式近似于很少或沒有縱向分散的、長寬比很大的長形敞開池或封閉的管式反應器中的流動形式。穩(wěn)態(tài)操作時，反應器內(nèi)物料的參數(shù)，如濃度、溫度等,不隨時間發(fā)生變化，而沿長度方向發(fā)生變化，即反應器內(nèi)物系參數(shù)可隨位置而變。

3、序批式反應器

    反應物在封閉式反應器內(nèi)“--罐- -罐”地進行反應操作,反應完成卸料后,再進料進行下一批的生產(chǎn),也稱為分批操作或序批操作，一般用于小批量、多品種的均質(zhì)液相反應系統(tǒng)。序批反應器是在非穩(wěn)態(tài)條件下操作的,盡管容器中的成分隨反應時間而變化,但是反應器內(nèi)的成分在任一時刻都是均勻的,濃度溫度處處相等。在廢水處理中,序批操作過程就在反應過程中既無水流入，也無水流出(也就是,水流流入,進行反應,然后排出，如此重復循環(huán))。

    序批反應器操作方式靈活,設備投資省，同一設備可以生產(chǎn)不同品種,具有反應速率高,出水水質(zhì)穩(wěn)定,容易控制污泥膨脹等連續(xù)流反應器所無法比擬的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于中小規(guī)模污水處理廠。在污廢水的生物處理中,序批反應器還經(jīng)常被選用于未經(jīng)實踐檢驗的新工藝的研發(fā)、化學反應動力學研究以及各單因素試驗，如短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥等污水處理新工藝新技術都是基于序批反應器提出并實現(xiàn)的。

二、SBR法的基本原理和特點

1.SBR法的發(fā)展沿革

    在這100余年發(fā)展歷程中,污水處理的理論和技術有了巨大發(fā)展。 20世紀70年代前,污水處理的主要去除對象是降解有機污染物，去除BOD、COD和SS等;20世紀80年代以后,N丶P營養(yǎng)元素對環(huán)境的威脅越來越大，一些緩流河道、湖泊甚至海灣都出現(xiàn)了富營養(yǎng)化,同時隨著機械制造和電氣工程的進步,推動了水污染治理工藝技術的革新,在傳統(tǒng)污水處理技術的基礎上,發(fā)展了以A/O、A/A/O等為代表的脫氮除磷工藝,使二級生物處理技術進入了具有脫氮除磷功能的深度處理階段?，F(xiàn)在的城市污水處理廠的處理對象,既包括COD、BOD.SS,也包括N、P等植物性營養(yǎng)物質(zhì)。目前,污水生物處理技術正朝著快速、高效、低耗、多功能等方面發(fā)展。

2.SBR法的產(chǎn)生與發(fā)展

    最早的SBR法產(chǎn)生于1914年,至今已有100多年的歷史,大致分為三個時期。

1) SBR法的產(chǎn)生期

    活性污泥法誕生于美國和英格蘭，并在隨后的一百多年里一直作為污水處理的主流技術。 最初對于活性污泥法的研究采用的就是序批式序批運行反應器。1912年前后,在英格蘭的曼徹斯特,Fowler采用曝氣的方法利用池塘內(nèi)的“爛泥”處理反應池內(nèi)的污水,曝氣后的污水進行沉淀,沉淀池內(nèi)的生物體回流至曝氣池，獲得了非常清澈的出水。

    1914年,Fowler的兩個學生Ardern和Lockett,在一個序批式運行的城市污水處理系統(tǒng)中,為了獲得較高的污泥濃度,對在曝氣階段積累的腐殖質(zhì)或沉淀物，不進行排放。經(jīng)過一段時間的運行,獲得了現(xiàn)在被人們稱之為“活性污泥”的微生物絮體。他們的試驗過程描述如下:首先采用曼徹斯特城市的生活污水,在約2.4L的容器內(nèi)進行曝氣試驗,每個運行周期直至硝化完成后才停止曝氣。第一次試驗大約進行了5周左右的連續(xù)曝氣，硝化反應才完成,然后沉淀,排掉清澈的上清液,沉淀物完全保留在容器內(nèi)。重新加人原污水,并與容器內(nèi)上一周期留下來的沉淀物充分接觸，隨后進行曝氣直至硝化反應充分完成。此后，他們多次重復這種運行方式。試驗結果清楚表明:隨著容器內(nèi)沉淀物的增加,有機物完全氧化的時間逐漸減少。最后,24h內(nèi)便可完全氧化序批注人的原污水。Ardern 和Lockett將反應過程中形成的沉淀物命名為“活性污泥”。

    在活性污泥法的發(fā)展史上,Ardern和Lockett 的發(fā)現(xiàn)具有里程碑式的意義，其重要性可歸結為六個方面,其中與序批式序批系統(tǒng)最為相關的有以下兩方面:

    ①為維持反應器內(nèi)活性污泥始終處于最高效率的“工作狀態(tài)”,在任何時候系統(tǒng)內(nèi)都不應使未被氧化的顆粒狀污染物得到積累。

    ②如果僅通過適宜的曝氣量來維持污泥的活性,那么就應該使反應器內(nèi)的污水與活性污泥充分接觸。

    Ardern和Lockett采用充排式反應器處理曼徹斯特市的生活污水時，保持活性污泥與污水的充分接觸，曝氣6～9h,便可獲得較好的出水水質(zhì)。檢測結果表明SBR工藝對生活污水中污染物的去除率與生物濾池相當,且SBR工藝的曝氣時間長短主要取決于污水中的污染物濃度和所要求的污染物去除率。

    1914～1920年，Ardern和Lockett的試驗驗結果在實際工程中被迅速、廣泛的應用,在英格蘭共建造了4個不同規(guī)模、不同曝氣方式階段進水的SBR污水處理系統(tǒng)。

    Ardern和Lockett通過對SBR系統(tǒng)的工藝參數(shù)、影響因素等進行的大量試驗,基于大量的試驗數(shù)據(jù)和對SBR系統(tǒng)的深人理解,建立了SBR系統(tǒng)的運行方案。

    1915年,在美國威斯康星州密爾沃基建成了世界上第一座SBR工藝的污水處理廠。該污水處理廠的工藝參數(shù)如下:周期時間為6h,其中進水60min,曝氣反應210min,沉淀30min,排水60min。在1915～1916年,在美國的布魯克林(紐約州),芝加哥(伊利諾伊州),克利夫蘭(俄亥    俄州)和休斯敦(得克薩斯州)等地進行了一系列的SBR系統(tǒng)處理城市污水的試驗研究。在1915～1916年，美國建造了一大批采用SBR工藝的污水處理廠,并且該污水工藝的優(yōu)勢也非常明顯。

    1923年,O'Shaughnessy的研究發(fā)現(xiàn)，分別采用連續(xù)流系統(tǒng)和SBR系統(tǒng)處理相同的城市污水,在達到相同凈化效率的時,前者所需的時間是后者的兩倍。然而事實上,在1914～1920年,幾乎所有采用SBR系統(tǒng)的污水廠全部被改造成了連續(xù)流污水處理系統(tǒng)。

    Ardern(1927)針對這一現(xiàn)象進行了深人分析,認為以下三方面是導致這一現(xiàn)象的本質(zhì)原因:

①排水階段能量浪費較大(與進水流速相比，排水流速較大);

②由于活性污泥黏附于大氣泡空氣擴散器上,從而容易導致空氣擴散器的堵塞;

③由于需要進行多個開關閥門的轉(zhuǎn)換及空氣擴散器的清洗,所以操作者需要始終保持較高的注意力。

    Ardern提出了解決上述問題相應的辦法,即采用多個反應池的SBR系統(tǒng)、改進曝氣設備及采用自動控制系統(tǒng)等。盡管這些措施能夠十分有效的解決上述問題,但是由于當時自動控制技術的落后,嚴重制約了SBR法在污水處理系統(tǒng)中的應用。

2) SBR法的復興期

    在美國直到20世紀40年代后期,在歐洲直到1959年,伴隨著自動控制技術的日益成熟,SBR法才逐漸又被人們重新認識。在1951～1953年,Hoover等在美國東部地區(qū)賓夕法尼亞州實驗室首次采用SBR系統(tǒng)處理牛奶工業(yè)廢水。1959年,Pasveer將SBR工藝引入荷蘭。上述兩項應用均取得了較大的成功,對SBR法的發(fā)展起到了巨大的推動作用。 1965～1975年,衍生出多種變形工藝。

    20世紀70年代中期,在澳大利亞新南威爾士，序批排水延遲曝氣(inter-mitently decanted extended aeration,IDEA)系統(tǒng)對SBR工藝的廣泛應用起到了非常重要的作用。IDEA系統(tǒng)的反應池是一個簡單的、長方形的反應池。采用連續(xù)進水間歇曝氣和序批排水的運行模式。該污水處理系統(tǒng)由于可獲得較好的出水水質(zhì),并可高效去除廢水中的BOD5,SS和氮化合物,因此被廣泛應用于實際工程中。

    此外，隨著工業(yè)廢水和城市污水中營養(yǎng)物(氮丶磷)排放標準的不斷提高,IDEA系統(tǒng)及其改進工藝在污水脫氮除磷方面的優(yōu)勢更加明顯,所以被越來越多的應用到實際工程中。

    在20世紀90年代期間,為了滿足廢水中營養(yǎng)物去除(BNR)的需要,人們將IDEA系統(tǒng)進行了改進,在反應器的前端增加了厭氧選擇區(qū)。這樣,既可以有效的控制污泥膨脹，又為厭氧釋磷創(chuàng)造了非常好的環(huán)境。與此同時，澳大利亞的鄰國也對IDEA污水處理系統(tǒng)進行了深人研究和設計?？梢哉f,這些國家和地區(qū)促進了IDEA系統(tǒng)的深人研究和廣泛應用,更加有力的推動了新型SBR工藝的誕生。

    為了考察IDEA系統(tǒng)對污水中營養(yǎng)物的去除性能，澳大利亞的研究人員以其內(nèi)陸水和海水為研究對象,進行了大量的試驗研究。結果表明:IDEA系統(tǒng)可以非常有效的去除污水中營養(yǎng)物，可滿足非常嚴格的出水水質(zhì)要求，一年中至少有一半時間內(nèi)出水TN<5mg/L,TP<lmg/L。即使現(xiàn)在,新南威爾士州的一些污水處理廠仍然采用IDEA污水處理系統(tǒng)。在澳大利亞,雖然這種序批式污水處理技術的分布還具有一定的局限性,但在污水廠中的應用數(shù)量卻呈現(xiàn)增長的趨勢。這主要是因為在滿足同樣出水水質(zhì)的條件下,IDEA系統(tǒng)的基建費用要低于連續(xù)流系統(tǒng)。

    20世紀60年代,Irvine和他的合作者們通過對SBR系統(tǒng)不斷地研究,進-步推進了序批式活性污泥處理技術的發(fā)展。此外，具有重要歷史意義的是,在1971年,Irvine和Davis第一次將Irvine(1969)設計的單池序批式反應池應用于美國得克薩斯州的科珀斯克里斯蒂工業(yè)廢水處理廠,并首次將該工藝命名為SBR工藝。在以后整個20世紀70年代,Irvine在他發(fā)表的有關廢水中有機物、氮等污染物去除和控制污泥膨脹等內(nèi)容的相關文獻中，一直采用“SBR”這個專業(yè)術語。

    1979年,在實驗室研究的基礎上,Dennis和Irvine首次報道了如何通過控制進水時間與反應時間的比值來創(chuàng)造利于絮狀生物體快速生長的環(huán)境。在污水處理領域,這是一個非常重要的發(fā)現(xiàn),有力證明了靜態(tài)進水(不攪拌、不曝氣)能夠創(chuàng)造一個適于微生物生存的“富營養(yǎng)”環(huán)境,并且能夠有效的控制污泥膨脹。

    在整個20世紀70年代期間,Irvine在實驗室研究方面獲得了大量關于SBR工藝的經(jīng)驗。根據(jù)Irvine等的報道,1980年5月,他們在美國印第安納州Culver污水處理廠,成功地將連續(xù)流系統(tǒng)改造成了SBR系統(tǒng)。美國環(huán)保局對卡爾弗污水處理廠SBR 工藝的性能進行了測試,結果表明:相對于連續(xù)流污水處理系統(tǒng),SBR工藝具有相對較短的水力停留時間(少于14h)和較大的有機物負荷[大于0.1kgBOD/(kgVSS·d)]。而在此之前，人們普遍認為SBR系統(tǒng)的水力停留時間應在48h左右,有機負荷與延遲曝氣活性污泥系統(tǒng)相接近。

    從20世紀70年代以后,污水處理領域衍生了許多序批性、周期運行的污水處理工藝 ,SBR法在國內(nèi)外得到廣泛應用。1985 年我國第一座SBR法污水處理廠在上海吳淞肉聯(lián)廠落成。

3)SBR法的發(fā)展期

    近二十多年來,隨著對SBR法生物反應和凈化機理的廣泛深入研究,以及該法在生產(chǎn)應用技術上的不斷改進和完善,SBR工藝得到了迅速發(fā)展,相繼出現(xiàn)了多種工藝方法,應用范圍逐漸擴大,處理效果不斷提高,工藝設計和運行管理日益科學。1990年日本出版了第一本SBR法的設計指南,2007年世界上最大的SBR法污水處理廠在馬來西亞落成,日處理量200萬噸。目前SBR工藝在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用,在我國5萬噸/d以下的城鎮(zhèn)污水處理廠中有30%～40%采用了SBR工藝。

    SBR法能重新成為城市污水、工業(yè)有機廢水的有效處理方法,除了污水處理技術發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律外,還具有一些客觀的需求背景。

①中小型化和分散化正在成為當前城市污廢水處理廠的發(fā)展趨勢。幾十年前朝著大型化、超大型化發(fā)展，當時許多處理能力達50X104 m3 /d、100X 104m3/d、200X104m3/d乃至500X104m3/d級別的城市廢水處理廠到處拔地而起，基建費用的投人極為驚人,運行管理十分復雜,凈化水的出路也受到極大限制。 現(xiàn)在隨著人們對生態(tài)環(huán)境的要求,住宅區(qū)趨向分散化、農(nóng)村化發(fā)展。在這種背景下,城市廢水處理廠的發(fā)展也趨向于小型(中小型)化及分散化，由此提出了對相應適宜的工藝技術的需求。廢水處理廠的中小型化、分散化反映了高新技術的發(fā)展,反映了人們掌握高新技術能力的提高與技術的普及化。這種在新條件下回歸初始,正如SBR法的再生一-樣,體現(xiàn)了事物發(fā)展的規(guī)律。中小型化和分散化廢水處理廠凈化出水易于就地分散回用與處置,基建投資易于籌措,運行管理簡易可行。SBR法應運而再生,反映了這種客觀需要。

②過去水污染控制重點在于有機污染物的去除,而如今為了防止湖泊、河口、海灣等緩流水體富營養(yǎng)化,對出水水質(zhì)中如氮、磷等的標準越來越嚴格,控制要求越來越高。在此情況下,開發(fā)出既能高效去除BOD、COD,又能高效除磷脫氮的工藝技術備受關注,SBR法在改進后能夠滿足這方面的要求,SBR法技術可靠,出水水質(zhì)良好。

③中小型廢水處理廠操作靈活方便,具有去除BOD、COD丶N、P等綜合功能，占地面積小，而SBR法符合此類要求。

④電子計算機的廣泛應用,SBR反應池的進水、曝氣以及排水等的自動控制技術的進步,相應軟件技術的開發(fā)應用,都使SBR法日趨完善和成熟。

⑤DO計、pH計丶ORP計、水位計、電——氣動閥門等過程監(jiān)控所需的儀器儀表日益完善，且在經(jīng)濟上可以承受,SBR法在這些儀器儀表裝備下如虎添翼,技術上日益精細可靠。