SBR在城市污水處理中的發展與應用
摘 要(yao): 研究了(le)SBR工藝類型及發展, 分析(xi)了(le)SBR的(de)(de)工藝優(you)缺點和(he)設計方法, 探討(tao)了(le)SBR在(zai)發展中的(de)(de)問題。
關鍵詞: 污(wu)水處理; SBR; 發展; 應用
1 SBR工(gong)藝類型及發展
序批(pi)式活性污泥法( SBR—Sequenting BatchReactor) 是(shi)早(zao)在(zai)(zai)(zai)1914 年(nian)就由英國(guo)(guo)學(xue)者Ardern 和Locket發明的水(shui)處(chu)理(li)工藝。70年(nian)代初, 美Natre2Dame大學(xue)的R1 Irvine教(jiao)授采用實驗室規模對SBR工藝進行了系統深入的研究, 并于1980年(nian)在(zai)(zai)(zai)美國(guo)(guo)環保局(EPA) 的資助(zhu)下, 在(zai)(zai)(zai)印第安那州(zhou)Culwer城改建并投產了世界(jie)上第一個SBR法污水(shui)處(chu)理(li)廠。
SBR工(gong)藝(yi)的(de)過(guo)程(cheng)是按時(shi)序來(lai)運(yun)(yun)行(xing)的(de), 一個操(cao)作過(guo)程(cheng)分(fen)5個階段(duan): 進(jin)水(shui)、反(fan)應、沉(chen)淀、潷水(shui)、閑(xian)置。SBR在運(yun)(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)中, 各階段(duan)的(de)運(yun)(yun)行(xing)時(shi)間、反(fan)應器(qi)內混(hun)合液(ye)體積的(de)變化以及運(yun)(yun)行(xing)狀態(tai)等都可以根據具體污水(shui)的(de)性質、出(chu)(chu)水(shui)水(shui)質、出(chu)(chu)水(shui)質量與運(yun)(yun)行(xing)功能要(yao)求等靈(ling)(ling)活變化。對于SBR 反(fan)應器(qi)來(lai)說, 只(zhi)是時(shi)序控制, 無空間控制障礙, 所以可以靈(ling)(ling)活控制。因此(ci), SBR工(gong)藝(yi)發(fa)展速度極快, 并衍生(sheng)出(chu)(chu)許多種新型SBR處理工(gong)藝(yi)。
間(jian)歇式(shi)循(xun)環延時(shi)曝(pu)氣活性(xing)性(xing)污泥法(fa)( 1CEAS—Intermittent Cyclic Extended System) 是(shi)在1968年(nian)由(you)澳大(da)利亞新威爾士大(da)學與(yu)美國ABJ 公(gong)司合作(zuo)開發(fa)的。1976年(nian)世界上(shang)第(di)一座ICEAS工藝污水(shui)(shui)(shui)(shui)廠投(tou)產運行(xing)。ICEAS與(yu)傳統SBR 相比, 最大(da)特點是(shi): 在反應器進(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)端(duan)設一個預(yu)反應區, 整個處理(li)(li)過程連(lian)續進(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui), 間(jian)歇排水(shui)(shui)(shui)(shui), 無(wu)明顯的反應階段和閑置階段,因此處理(li)(li)費用比傳統SBR低。由(you)于全過程連(lian)續進(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui), 沉淀階段泥水(shui)(shui)(shui)(shui)分離差, 限制了進(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)量。
好氧間歇(xie)曝氣系(xi)統(DAT - IAT—Demand Aer2ation Tank—Intermittent Tank) 是由(you)天津市政工程(cheng)設計研究院提出(chu)的(de)一種SBR新工藝。主(zhu)體構筑(zhu)物(wu)是由(you)需氧池(chi)DAT池(chi)和間歇(xie)曝氣池(chi)IAT 池(chi)組成,DAT池(chi)連續(xu)(xu)(xu)進(jin)水連續(xu)(xu)(xu)曝氣, 其出(chu)水從中間墻進(jin)入IAT池(chi), IAT池(chi)連續(xu)(xu)(xu)進(jin)水間歇(xie)排(pai)水。同(tong)時, IAT池(chi)污(wu)泥回流DAT池(chi)。它具有抗沖擊能力強的(de)特點,并(bing)有除磷脫氮功能。
循環式(shi)(shi)活性(xing)污(wu)泥(ni)法(fa)(CASS—Cyclic ActivatedSludge System) 是(shi)(shi)Gotonszy教授在ICEAS工(gong)藝(yi)的(de)(de)基(ji)礎上開(kai)發出(chu)來的(de)(de), 是(shi)(shi)SBR 工(gong)藝(yi)的(de)(de)一(yi)(yi)種新形式(shi)(shi)。將ICEAS的(de)(de)預反應區(qu)用(yong)容積(ji)(ji)更(geng)小, 設計更(geng)加合理優化的(de)(de)生(sheng)物選擇器代替。通常CASS池(chi)分(fen)3 個反應區(qu): 生(sheng)物選擇器、缺氧(yang)區(qu)和好氧(yang)區(qu), 容積(ji)(ji)比(bi)一(yi)(yi)般為1∶5∶30。整(zheng)個過(guo)程間歇(xie)運行(xing), 進(jin)水(shui)(shui)同時曝氣并(bing)污(wu)泥(ni)回流。該處(chu)理系統(tong)(tong)具有除(chu)氮(dan)脫磷(lin)功(gong)能。UN ITANK單元(yuan)水(shui)(shui)池(chi)活性(xing)污(wu)泥(ni)處(chu)理系統(tong)(tong)是(shi)(shi)比(bi)利(li)時SEGHERS公(gong)司提出(chu)的(de)(de), 它是(shi)(shi)SBR工(gong)藝(yi)的(de)(de)又(you)一(yi)(yi)種變形。它集(ji)合了SBR 工(gong)藝(yi)和氧(yang)化溝工(gong)藝(yi)的(de)(de)特(te)點,一(yi)(yi)體化設計使整(zheng)個系統(tong)(tong)連續(xu)進(jin)水(shui)(shui)連續(xu)出(chu)水(shui)(shui), 而單個池(chi)子(zi)相對為間歇(xie)進(jin)水(shui)(shui)間歇(xie)排水(shui)(shui)。此系統(tong)(tong)可(ke)以(yi)靈(ling)活地進(jin)行(xing)時間和空間控制, 適當增大水(shui)(shui)力停留時間, 可(ke)以(yi)實現(xian)污(wu)水(shui)(shui)的(de)(de)脫氮(dan)除(chu)磷(lin)。
改良式序(xu)(xu)列間歇(xie)反應器(MSBR—Modified Se2quencing Batch Reactor) 是(shi)C, Y1Yang 等(deng)人根據SBR技術特點結(jie)合(he)A2—0 工藝, 研(yan)究開發的一種更(geng)為理想的污(wu)(wu)水處(chu)理系統。采用單池(chi)(chi)多方格方式,在恒定水位下連(lian)續運(yun)行。通常MSBR池(chi)(chi)分為主曝氣池(chi)(chi)、序(xu)(xu)批(pi)池(chi)(chi)1、序(xu)(xu)批(pi)池(chi)(chi)2、厭(yan)氧(yang)池(chi)(chi)A、厭(yan)氧(yang)池(chi)(chi)B、缺氧(yang)池(chi)(chi)、泥水分離池(chi)(chi)。每(mei)個周期(qi)(qi)分為6個時(shi)段, 每(mei)3個時(shi)段為1 個半周期(qi)(qi)。1 個半周期(qi)(qi)的運(yun)行狀況(kuang): 污(wu)(wu)水首先進入(ru)(ru)厭(yan)氧(yang)池(chi)(chi)A脫氮(dan), 再(zai)進入(ru)(ru)厭(yan)氧(yang)池(chi)(chi)B除磷, 進入(ru)(ru)主曝氣池(chi)(chi)好(hao)氧(yang)處(chu)理, 然后(hou)進入(ru)(ru)序(xu)(xu)批(pi)池(chi)(chi), 兩個序(xu)(xu)批(pi)池(chi)(chi)交替(ti)運(yun)行(缺氧(yang)—好(hao)氧(yang)/沉淀—出(chu)水) 。脫氮(dan)除磷能(neng)力(li)更(geng)強。
2 SBR工藝優點
21 SBR反應器的優點
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22 理論分析
SBR反應器充分利用了生(sheng)物反應過程和單元操(cao)作過程的(de)基本原理。
221 流態理論
由于SBR在(zai)時間上的(de)不可逆性, 根本不存在(zai)返混(hun)現象, 所以屬于理想(xiang)推(tui)流式(shi)反(fan)應器。
222 理想沉淀理論
其沉(chen)淀(dian)效果好是因為(wei)充分利用了靜態(tai)沉(chen)淀(dian)原理。經典的(de)SBR反應器在沉(chen)淀(dian)過程中沒有進水的(de)擾(rao)動, 屬(shu)于理想沉(chen)淀(dian)狀態(tai)。
223 推(tui)流反應器理論
假設在(zai)推流式和完全混合式反(fan)應(ying)(ying)器(qi)中有機(ji)物降(jiang)解服從一級反(fan)應(ying)(ying), 那(nei)么(me)在(zai)相同的污(wu)泥(ni)濃度下, 兩(liang)種反(fan)應(ying)(ying)器(qi)達到相同的去(qu)除率(lv)時所需反(fan)應(ying)(ying)器(qi)容積(ji)比則為:
V完全混合/V推流= [ (1 - (1 /1—η) ] / [1n ( 1-η) ] (1)
式(shi)中η———去除率
從數學(xue)上可(ke)證(zheng)明(ming)當去除(chu)率趨于零時V完(wan)全(quan)混(hun)合(he)(he)(he)/V推流等于1, 其他情況下(V完(wan)全(quan)混(hun)合(he)(he)(he)/V推流) > 1, 就(jiu)是說(shuo)達到相(xiang)同的去除(chu)率時推流式(shi)反(fan)(fan)應器要比完(wan)全(quan)混(hun)合(he)(he)(he)式(shi)反(fan)(fan)應器所需要的體積(ji)小, 表明(ming)推流式(shi)的處(chu)理效果要比完(wan)全(quan)混(hun)合(he)(he)(he)式(shi)好。
224 選擇性準則
1973年(nian)Chudoba等人提(ti)出了在(zai)活性污泥混合(he)培養(yang)中的動力學選擇性準則, 這個理論是基(ji)于不(bu)同(tong)(tong)種(zhong)屬的微生物在(zai)Monod 方(fang)(fang)程中的參數( KS、μmax) 不(bu)同(tong)(tong), 并(bing)且(qie)不(bu)同(tong)(tong)基(ji)質的生長速度(du)常(chang)數也(ye)不(bu)同(tong)(tong)。Monod方(fang)(fang)程可以寫成:
dX /Xdt =μ=μmax [ S / ( KS + S ) ] (2)
式中: X———生物體濃度
S———生長限制性基質濃度
Ks———飽和或半速度常數
μ、μmax———分(fen)別為實(shi)際和最大比(bi)增長(chang)速率
按照(zhao)Chudoba 所(suo)提(ti)出的(de)(de)(de)理論, 具有(you)(you)(you)低KS和(he)μmax值(zhi)的(de)(de)(de)微生(sheng)(sheng)(sheng)物在(zai)(zai)混(hun)(hun)合培養的(de)(de)(de)曝(pu)氣池(chi)(chi)中, 當(dang)基質濃(nong)度(du)很(hen)低時(shi)其(qi)生(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)速率高并占有(you)(you)(you)優勢, 而基質濃(nong)度(du)高時(shi)則(ze)恰好相反(fan)。Chudoba 認為大多(duo)數絲狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)菌的(de)(de)(de)KS和(he)μmax 值(zhi)比較低, 而菌膠(jiao)團細菌的(de)(de)(de)KS 和(he)μmax值(zhi)比較高, 這也解釋了完(wan)全混(hun)(hun)合曝(pu)氣池(chi)(chi)容易發生(sheng)(sheng)(sheng)污泥(ni)膨脹的(de)(de)(de)原(yuan)因。有(you)(you)(you)機物濃(nong)度(du)在(zai)(zai)推流式曝(pu)氣池(chi)(chi)的(de)(de)(de)整個池(chi)(chi)長(chang)(chang)上具有(you)(you)(you)一定的(de)(de)(de)濃(nong)度(du)梯度(du), 使(shi)得大部分情況下絮(xu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)菌的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)速率都大于絲狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)菌, 只(zhi)有(you)(you)(you)在(zai)(zai)反(fan)應末期(qi)絮(xu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)菌的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)沒有(you)(you)(you)絲狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)菌快, 但絲狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)菌短(duan)時(shi)間(jian)內的(de)(de)(de)優勢生(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)并不會引(yin)起污泥(ni)膨脹。因此, SBR系統(tong)具有(you)(you)(you)防止污泥(ni)膨脹的(de)(de)(de)功(gong)能。
225 微生(sheng)物環境的多樣性
SBR反(fan)應器對有(you)機物去(qu)除效(xiao)果較好, 而對難(nan)降解(jie)有(you)機物降解(jie)效(xiao)果好是因其在生態環境上(shang)具(ju)有(you)多(duo)樣性(xing), 具(ju)體講可以形成(cheng)厭(yan)氧、缺氧和(he)好氧等(deng)多(duo)種生態條件, 從而有(you)利于有(you)機物的降解(jie)。
23 缺點
(1) 連續(xu)進水時, 對于單一(yi)SBR反應器需(xu)要較(jiao)大的調節池(chi);
(2) 對于多(duo)個SBR反應器, 其進水(shui)和排水(shui)的閥(fa)門自動切換頻繁(fan);
(3) 無法達到大型污水處理(li)項目之連續進水、出(chu)水的要求;
(4) 設備的閑置(zhi)率較高;
(5) 污水(shui)提升水(shui)頭損失較大;
(6) 如果需(xu)要后處理, 則(ze)需(xu)要較大(da)容積(ji)的(de)調節池(chi)。
24 工藝比較
大部分新型SBR仍然擁有經(jing)典SBR的主要特點, 并且還形成(cheng)了一些獨(du)特的優點, 見(jian)表2。
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由表2可見在(zai)新(xin)型(xing)SBR中(zhong)經典SBR的(de)(de)優點(dian)(dian)在(zai)一定程度上被弱(ruo)化, 同(tong)(tong)時由于改(gai)進(jin)的(de)(de)SBR 吸收(shou)了傳(chuan)統活性污(wu)泥的(de)(de)特(te)點(dian)(dian), 出現了連續進(jin)水、連續出水和帶(dai)回(hui)流污(wu)泥的(de)(de)SBR反應(ying)器以及UN ITANK新(xin)型(xing)綜合性工藝。不(bu)同(tong)(tong)類型(xing)的(de)(de)SBR反應(ying)器的(de)(de)優點(dian)(dian)是不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de), 因此在(zai)進(jin)行工藝選擇和設計(ji)計(ji)算時應(ying)當注意(yi)。
3 設計方法
31 負荷法
該法與連續式曝氣池容的設計相仿。已知SBR反應池的容積負荷或污泥負荷、進水量及進水中BOD5 濃度, 即可求得SBR池容。
容積負荷法 V = nQO CO /N v (3)
Vmin = [SV I·MLSS /106 ] ·V
污泥負荷法 Vmin = nQO CO ·SV I /N s (4)
; V =Vm in +QO
32 曝氣時(shi)間內負荷法(fa)
鑒于SBR法屬間歇曝氣(qi), 一個周期內有效曝氣(qi)時(shi)間為ta, 則1d內總曝氣(qi)時(shi)間為nta, 以此建立計算(suan)式:
容積負荷法 V = nQO CO tc /N v·ta (5)
污(wu)泥(ni)負荷(he)法(fa) V = 24QCO / nta ·MLSS ·;NS (6)
33 動力學設計法
由于(yu)SBR的(de)運行操作方(fang)式不同(tong), 其有(you)效容(rong)積的(de)計(ji)算(suan)(suan)也不盡相同(tong)。根(gen)據(ju)動力學原理演算(suan)(suan)(過程略(lve)) , SBR反應池容(rong)計(ji)算(suan)(suan)公式可分(fen)為(wei)3種情況:
限制曝(pu)氣 V =NQ (CO - Ce) tf / IMLSS ·N s·ta〗(7)
非限制曝氣 V = nQ (CO - Ce) tf / [MLSS ·N s ( ta + tf) ] (8)
半限制曝氣 V = nQ (CO - Ce) tf / [Lss·N s( ta + tf - t0) ] (9)
34 總(zong)污泥量綜合(he)設計法
該法是(shi)以提供SBR 反應池(chi)一定的(de)(de)(de)(de)活性(xing)(xing)污(wu)泥(ni)(ni)量為前(qian)提, 并(bing)滿足適合的(de)(de)(de)(de)SV I條件, 保證在沉(chen)降階段(duan)歷(li)時(shi)和排水(shui)階段(duan)歷(li)時(shi)內(nei)的(de)(de)(de)(de)沉(chen)降距(ju)離(li)和沉(chen)淀面(mian)積, 據(ju)此(ci)推算(suan)出最(zui)低(di)水(shui)深下的(de)(de)(de)(de)最(zui)小污(wu)泥(ni)(ni)沉(chen)降所(suo)需(xu)的(de)(de)(de)(de)體積,然(ran)后(hou)根據(ju)最(zui)大周期進水(shui)量求(qiu)算(suan)貯水(shui)容積, 兩(liang)者之(zhi)和即為所(suo)求(qiu)SBR池(chi)容。并(bing)由此(ci)驗算(suan)曝氣時(shi)間內(nei)的(de)(de)(de)(de)活性(xing)(xing)污(wu)泥(ni)(ni)濃(nong)度及最(zui)低(di)水(shui)深下的(de)(de)(de)(de)污(wu)泥(ni)(ni)濃(nong)度, 以判別計(ji)算(suan)結(jie)果的(de)(de)(de)(de)合理性(xing)(xing)。其計(ji)算(suan)公(gong)式為:
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—單個SBR池內干污泥總量, kgtT·S—總污泥齡, d
A—SBR池幾何平面積, m2
Hmax、Hmin—分別為曝氣時最高水位和沉淀終了時最低水位, m
△H—最高水位與最低水位差, m
Cr—出水BOD5 濃(nong)(nong)度與出水懸浮物濃(nong)(nong)度中溶解(jie)性BOD5 濃(nong)(nong)度之差。其值為:Cr =Ce - Z ·Cse ·1142 (1 - ek t1 ) (14)
式中Cse———出水中懸浮物濃度, kg/m3
k1———耗氧速率, d- 1
t———BOD實驗時間, d
Z———活性污泥中異養菌所占比例, 其值為:
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—產泥系數, 即單位BOD5 所產生的剩余污泥量, kgMLSS/kgBOD5 ,
其值為:a = 016 ( TSO /BOD5 + 1 ) - 016 ×01072 ×11072( T - 15) 1 / [ tT·S + 0108 ×11072( T - 15) ] (18)
式中TS、BOD5 —分別為進水中懸浮固體濃度及BOD5 濃度, kg/m3
T—污水水溫(wen), ℃
由(you)式(11) 計算之Vmin系為(wei)同時滿足活性污泥(ni)沉降幾何(he)面積以及既定沉淀歷(li)時條件下的(de)(de)沉降距離(li), 此(ci)值將大于現行方(fang)法中所推算的(de)(de)Vmin。必須(xu)指出的(de)(de)是(shi), 實際的(de)(de)污泥(ni)沉降距離(li)應考慮排水歷(li)時內(nei)的(de)(de)沉降作(zuo)用, 該作(zuo)用距離(li)稱(cheng)之為(wei)保護(hu)高度Hb。同時, SBR池(chi)內(nei)混(hun)(hun)合液從完(wan)全動態混(hun)(hun)合變為(wei)靜止沉淀的(de)(de)初始(shi)5～10min內(nei), 污泥(ni)仍處于紊動狀態, 之后才逐漸(jian)變為(wei)壓縮沉降直至排水歷(li)時結束。它們之間(jian)的(de)(de)關系可(ke)由(you)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) 并作相應變換改寫為:
[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—當水深為Hmax 時的MLSS,kg/m3
ts、td—污泥沉淀歷(li)(li)時(shi)和排水歷(li)(li)時(shi), h
式(shi)( 21 ) 中(zhong)SV I、Hb、ts、td 均可(ke)據(ju)(ju)經驗假定, Ts、△V均為已(yi)知(zhi), Hmax可(ke)依據(ju)(ju)鼓風機風壓或曝氣機有效水深設置, A 為可(ke)求(qiu), 同時求(qiu)得△H, 使其在(zai)許(xu)可(ke)的排水變(bian)幅范圍內保證(zheng)允許(xu)的保護高(gao)度。因而, 由式(shi)( 12 ) 、( 13 ) 可(ke)分別求(qiu)得Hmin、Vmin和反應池容。
4 SBR在發(fa)展(zhan)中的問題(ti)
相對于傳(chuan)統(tong)連續流活性污泥(ni)法(fa), SBR工藝是(shi)一種尚處于發展、完善階段的(de)(de)技術(shu), 許(xu)多研究工作剛(gang)剛(gang)起步, 缺乏(fa)科(ke)學的(de)(de)設(she)計依據和方(fang)法(fa)以及成熟的(de)(de)運(yun)行(xing)管理經驗, 另外(wai), SBR自身(shen)的(de)(de)特點更加深了解決(jue)問題的(de)(de)難度。
41 基礎研究方面
(1) 關于污水在非穩定狀態下活性污泥微生物代謝理論的研究;
(2) 關于厭氧、好氧狀態的反復交替對微生物活性和種群分布的影響;
(3) 可同時除磷(lin)、脫(tuo)氮的(de)微生物機理的(de)研究。
42 設計方面
(1) 缺乏科學、可靠的設計模式;
(2) 運(yun)行模式的選擇與設計方(fang)法脫節。
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