環保水處理
簡介：序批式活性汙泥法（SBR-Sequencing Batch Reactor）是早在1914年就由英國學者Ardern和Locket發明了的水處理工藝。70年代初，美國Natre Dame 大學的R。Irvine 教授採用實驗室規模對SBR工藝進行了系統深入的研究，並於1980年在美國環保局（EPA）的資助下，在印第安那州的Culwer城改建並投產了世界上第一個SBR法汙水處理廠
在國內，彭永臻院士那篇著名的論文《SBR法的五大優點》可以說是我國開啟對於SBR工藝廣泛研究的訊號燈吧，這篇論文在我國對於SBR研究上的有著非常高的地位，被引用了很多次。
序批式活性汙泥法（SBR—Sequencing Batch Reactor）是早在1914年就由英國學者Ardern和Locket發明了的水處理工藝。70年代初，美國Natre Dame 大學的R。Irvine 教授採用實驗室規模對SBR工藝進行了系統深入的研究，並於1980年在美國環保局（EPA）的資助下，在印第安那州的Culwer城改建並投產了世界上第一個SBR法汙水處理廠。SBR工藝的過程是按時序來執行的，一個操作過程分五個階段：進水、反應、沉澱、潷水、閒置。
由於SBR在執行過程中，各階段的執行時間、反應器內混合液體積的變化以及執行狀態等都可以根據具體汙水的性質、出水水質、出水質量與執行功能要求等靈活變化。對於SBR反應器來說，只是時序控制，無空間控制障礙，所以可以靈活控制。因此，SBR工藝發展速度極快，並衍生出許多種新型SBR處理工藝。
間歇式迴圈延時曝氣活性汙泥法（ICEAS—Intermittent Cyclic Extended System）是在1968年由澳大利亞新威爾士大學與美國ABJ公司合作開發的。1976年世界上第一座ICEAS工藝汙水廠投產執行。ICEAS與傳統SBR相比，最大特點是：在反應器進水端設一個預反應區，整個處理過程連續進水，間歇排水，無明顯的反應階段和閒置階段，因此處理費用比傳統SBR低。由於全過程連續進水，沉澱階段泥水分離差，限制了進水量。
好氧間歇曝氣系統（DAT-IAT—Demand Aeration Tank-Intermittent Tank）是由天津市政工程設計研究院提出的一種SBR新工藝。主體構築物是由需氧池DAT池和間歇曝氣池IAT池組成，DAT池連續進水連續曝氣，其出水從中間牆進入IAT池，IAT池連續進水間歇排水。同時，IAT池汙泥迴流DAT池。它具有抗衝擊能力強的特點，並有除磷脫氮功能。
迴圈式活性汙泥法（CASS—Cyclic Activated Sludge System）是Gotonszy教授在ICEAS工藝的基礎上開發出來的，是SBR工藝的一種新形式。將ICEAS的預反應區用容積更小，設計更加合理最佳化的生物選擇器代替。通常CASS池分三個反應區：生物選擇器、缺氧區和好氧區，容積比一般為1：5：30。整個過程間歇執行，進水同時曝氣並汙泥迴流。該處理系統具有除氮脫磷功能。
UNITANK單元水池活性汙泥處理系統是比利時SEGHERS公司提出的，它是SBR工藝的又一種變形。它集合了SBR工藝和氧化溝工藝的特點，一體化設計使整個系統連續進水連續出水，而單個池子相對為間歇進水間歇排水。此係統可以靈活的進行時間和空間控制，適當的增大水力停留時間，可以實現汙水的脫氮除磷。
改良式序列間歇反應器（MSBR—Modified Sequencing Batch Reactor）是C，Y。Yang等人根據SBR技術特點結合A2-O工藝，研究開發的一種更為理想的汙水處理系統。採用單池多方格方式，在恆定水位下連續執行。通常MSBR池分為主曝氣池、序批池1、序批池2、厭氧池A、厭氧池B、缺氧池、泥水分離池。
每個週期分為6個時段，每3個時段為一個半週期。一個半週期的執行狀況：汙水首先進入厭氧池A脫氮，再進入厭氧池B除磷，進入主曝氣池好氧處理，然後進入序批池，兩個序批池交替執行（缺氧—好氧/沉澱—出水）。脫氮除磷能力更強。
SBR工藝優點
1、理想的推流過程使生化反應推動力增大，效率提高，池內厭氧、好氧處於交替狀態，淨化效果好。
2、執行效果穩定，汙水在理想的靜止狀態下沉澱，需要時間短、效率高，出水水質好。
3、耐衝擊負荷，池內有滯留的處理水，對汙水有稀釋、緩衝作用，有效抵抗水量和有機汙物的衝擊。
4、工藝過程中的各工序可根據水質、水量進行調整，執行靈活。
5、處理裝置少，構造簡單，便於操作和維護管理。
6、反應池記憶體在DO、BOD5濃度梯度，有效控制活性汙泥膨脹。
7、SBR法系統本身也適合於組合式構造方法，利於廢水處理廠的擴建和改造。
8、脫氮除磷，適當控制執行方式，實現好氧、缺氧、厭氧狀態交替，具有良好的脫氮除磷效果。
9、工藝流程簡單、造價低。主體裝置只有一個序批式間歇反應器，無二沉池、汙泥迴流系統，調節池、初沉池也可省略，佈置緊湊、佔地面積省。
SBR系統的適用範圍
由於上述技術特點，SBR系統進一步拓寬了活性汙泥法的使用範圍。就近期的技術條件，SBR系統更適合以下情況：
1） 中小城鎮生活汙水和廠礦企業的工業廢水，尤其是間歇排放和流量變化較大的地方。
2） 需要較高出水水質的地方，如風景遊覽區、湖泊和港灣等，不但要去除有機物，還要求出水中除磷脫氮，防止河湖富營養化。
3） 水資源緊缺的地方。SBR系統可在生物處理後進行物化處理，不需要增加設施，便於水的回收利用。
4） 用地緊張的地方。
5） 對已建連續流汙水處理廠的改造等。
6） 非常適合處理小水量，間歇排放的工業廢水與分散點源汙染的治理。
SBR設計要點、主要引數
SBR設計要點
1、執行週期（T）的確定
SBR的執行週期由充水時間、反應時間、沉澱時間、排水排泥時間和閒置時間來確定。充水時間（tv）應有一個最優值。如上所述，充水時間應根據具體的水質及執行過程中所採用的曝氣方式來確定。當採用限量曝氣方式及進水中汙染物的濃度較高時，充水時間應適當取長一些；當採用非限量曝氣方式及進水中汙染物的濃度較低時，充水時間可適當取短一些。充水時間一般取1～4ｈ。反應時間（tR）是確定SBR 反應器容積的一個非常主要的工藝設計引數，其數值的確定同樣取決於執行過程中汙水的性質、反應器中汙泥的濃度及曝氣方式等因素。對於生活汙水類易處理廢水，反應時間可以取短一些，反之對含有難降解物質或有毒物質的廢水，反應時間可適當取長一些。一般在2～8h。沉澱排水時間（tS+D）一般按2～4h設計。閒置時間（tE）一般按2h設計。一個週期所需時間tC≥tR﹢tS﹢tD ，週期數 n﹦24／tC
2、反應池容積的計算
假設每個系列的汙水量為q，則在每個週期進入各反應池的汙水量為q/n·N。各反應池的容積為：
V：各反應池的容量
1/m：排出比
n：週期數（週期/d）
N：每一系列的反應池數量
q：每一系列的汙水進水量（設計最大日汙水量）（m3/d）
3、曝氣系統
序批式活性汙泥法中，曝氣裝置的能力應是在規定的曝氣時間內能供給的需氧量，在設計中，高負荷執行時每單位進水BOD為0。5～1。5kgO2/kgBOD，低負荷執行時為1。5～2。5kgO2/kgBOD。
在序批式活性汙泥法中，由於在同一反應池內進行活性汙泥的曝氣和沉澱，曝氣裝置必須是不易堵塞的，同時考慮反應池的攪拌效能。常用的曝氣系統有氣液混合噴射式、機械攪拌式、穿孔曝氣管、微孔曝氣器，一般選射流曝氣，因其在不曝氣時尚有混合作用，同時避免堵塞。
4、排水系統
⑴上清液排除出裝置應能在設定的排水時間內，活性汙泥不發生上浮的情況下排出上清液，排出方式有重力排出和水泵排出。
⑵為預防上清液排出裝置的故障，應設定事故用排水裝置。
⑶在上清液排出裝置中，應設有防浮渣流出的機構。
序批式活性汙泥的排出裝置在沉澱排水期，應排出與活性汙泥分離的上清液，並且具備以下的特徵：
1） 應能既不擾動沉澱的汙泥，又不會使汙泥上浮，按規定的流量排出上清液。（定量排水）
2） 為獲得分離後清澄的處理水，集水機構應儘量靠近水面，並可隨上清液排出後的水位變化而進行排水。（追隨水位的效能）
3） 排水及停止排水的動作應平穩進行，動作準確，持久可靠。（可靠性）
排水裝置的結構形式，根據升降的方式的不同，有浮子式、機械式和不作升降的固定式。
5、排泥裝置
設計汙泥幹固體量=設計汙水量×設計進水SS濃度×汙泥產率／1000 ，在高負荷執行（0。1～0。4 kg-BOD/kg-ss·d）時汙泥產量以每流入1 kgSS產生1 kg計算，在低負荷執行（0。03～0。1 kg-BOD/kg-ss·d）時以每流入1 kgSS產生0。75 kg計算。
在反應池中設定簡易的汙泥濃縮槽，能夠獲得2～3%的濃縮汙泥。由於序批式活性汙泥法不設初沉池，易流入較多的雜物，汙泥泵應採用不易堵塞的泵型。
SBR設計主要引數
序批式活性汙泥法的設計引數，必須考慮處理廠的地域特性和設計條件（用地面積、維護管理、處理水質指標等）適當的確定。
用於設施設計的設計引數應以下值為準：
專案引數
BOD-SS負荷（kg-BOD/kg-ss·d） 0。03～0。4
MLSS（mg/l） 1500～5000
排出比（1/m） 1/2～1/6
安全高度ε（cm）（活性汙泥介面以上的最小水深） 50以上
序批式活性汙泥法是一種根據有機負荷的不同而從低負荷（相當於氧化溝法）到高負荷（相當於標準活性汙泥法）的範圍內都可以執行的方法。序批式活性汙泥法的BOD-SS負荷，由於將曝氣時間作為反應時間來考慮，定義公式如下：
QS：汙水進水量（m3/d）
CS：進水的平均BOD5（mg/l）
CA：曝氣池內混合液平均MLSS濃度（mg/l）
V：曝氣池容積
e：曝氣時間比 e=n·TA/24
n：週期數 TA：一個週期的曝氣時間
序批式活性汙泥法的負荷條件是根據每個週期內，反應池容積對汙水進水量之比和每日的週期數來決定，此外，在序批式活性汙泥法中，因池內容易保持較好的MLSS濃度，所以透過MLSS濃度的變化，也可調節有機物負荷。進一步說，由於曝氣時間容易調節，故透過改變曝氣時間，也可調節有機物負荷。
在脫氮和脫硫為物件時，除了有機物負荷之外，還必須對排出比、週期數、每日曝氣時間等進行研究。
在用地面積受限制的設施中，適宜於高負荷執行，進水流量小負荷變化大的小規模設施中，最好是低負荷執行。因此，有效的方式是在投產初期按低負荷執行，而隨著水量的增加，也可按高負荷執行。
不同負荷條件下的特徵
有機物負荷條件（進水條件） 高負荷執行 低負荷執行
間歇進水間歇進水、連續
執行條件BOD-SS負荷（kg-BOD/kg-ss·d）0。1～0。4 0。03～0。1
週期數大（3～4） 小（2～3）
排出比大小
處理特性有機物去除 處理水BOD
脫氮較低高
脫磷高較低
汙泥產量多少
維護管理抗負荷變化效能比低負荷差 對負荷變化的適應性強，執行的靈活性強
用地面積反應池容積小，省地 反應池容積較大
適用範圍能有效地處理中等規模以上的汙水，適用於處理規模約為2000m3/d以上的設施 適用於小型汙水處理廠，處理規模約為2000m3/d以下，適用於不需要脫氮的設施。
SBR設計需特別注意的問題
（一）主要設施與裝置
1、設施的組成
本法原則上不設初次沉澱池，本法應用於小型汙水處理廠的主要原因是設施較簡單和維護管理較為集中。為適應流量的變化，反應池的容積應留有餘量或採用設定執行週期等方法。但是，對於遊覽地等流量變化很大的場合，應根據維護管理和經濟條件，研究流量調節池的設定。
2、反應池
反應池的形式為完全混合型，反應池十分緊湊，佔地很少。形狀以矩形為準，池寬與池長之比大約為1：1～1：2，水深4～6米。
反應池水深過深，基於以下理由是不經濟的：①如果反應池的水深大，排出水的深度相應增大，則固液分離所需的沉澱時間就會增加。②專用的上清液排出裝置受到結構上的限制，上清液排出水的深度不能過深。
反應池水深過淺，基於以下理由是不希望的：①在排水期間，由於受到活性汙泥介面以上的最小水深限制，上清液排出的深度不能過深。②與其他相同BOD—SS負荷的處理方式相比，其優點是用地面積較少。
反應池的數量，考慮清洗和檢修等情況，原則上設2個以上。在規模較小或投產初期汙水量較小時，也可建一個池。
3、排水裝置
排水系統是SBR處理工藝設計的重要內容，也是其設計中最具特色和關係到系統執行成敗的關鍵部分。目前，國內外報道的SBR排水裝置大致可歸納為以下幾種：⑴潛水泵單點或多點排水。這種方式電耗大且容易吸出沉澱汙泥；⑵池端（側）多點固定閥門排水，由上自下開啟閥門。缺點操作不方便，排水容易帶泥；⑶專用裝置潷水器。潷水器是是一種能隨水位變化而調節的出水堰，排水口淹沒在水面下一定深度，可防止浮渣進入。理想的排水裝置應滿足以下幾個條件：①單位時間內出水量大，流速小，不會使沉澱汙泥重新翻起；②集水口隨水位下降，排水期間始終保持反應當中的靜止沉澱狀態；③排水裝置堅固耐用且排水量可無級調控，自動化程度高。
在設定一個週期的排水時間時，必須注意以下專案：
①上清液排出裝置的溢流負荷——確定需要的裝置數量；
②活性汙泥介面上的最小水深——主要是為了防止汙泥上浮，由上清液排出裝置和溢流負荷確定，效能方面，水深要儘可能小；
③隨著上清液排出裝置的溢流負荷的增加，單位時間的處理水排出量增大，可縮短排水時間，相應的後續處理構築物容量須擴大；
④ 在排水期，沉澱的活性汙泥上浮是發生在排水即將結束的時候，從沉澱工序的中期就開始排水符合SBR法的執行原理。
SBR工藝的需氧與供氧
SBR工藝有機物的降解規律與推流式曝氣池類似，推流式曝氣池是空間（長度）上的推流，而SBR反應池是時間意義上的推流。由於SBR工藝有機物濃度是逐漸變化的，在反應初期，池內有機物濃度較高，如果供氧速率小於耗氧速率，則混合液中的溶解氧為零，對單一的微生物而言，氧氣的得到可能是間斷的，供氧速率決定了有機物的降解速率。隨著好氧程序的深入，有機物濃度降低，供氧速率開始大於耗氧速率，溶解氧開始出現，微生物開始可以得到充足的氧氣供應，有機物濃度的高低成為影響有機物降解速率的一個重要因素。從耗氧與供氧的關係來看，在反應初期SBR反應池保持充足的供氧，可以提高有機物的降解速度，隨著溶解氧的出現，逐漸減少供氧量，可以節約執行費用，縮短反應時間。SBR反應池透過曝氣系統的設計，採用漸減曝氣更經濟、合理一些。
SBR工藝排出比（1/m）的選擇
SBR工藝排出比（1/m）的大小決定了SBR工藝反應初期有機物濃度的高低。排出比小，初始有機物濃度低，反之則高。根據微生物降解有機物的規律，當有機物濃度高時，有機物降解速率大，曝氣時間可以減少。但是，當有機物濃度高時，耗氧速率也大，供氧與耗氧的矛盾可能更大。此外，不同的廢水活性汙泥的沉降效能也不同。汙泥沉降效能好，沉澱後上清液就多，宜選用較小的排出比，反之則宜採用較大的排出比。排出比的選擇還與設計選用的汙泥負荷率、混合液汙泥濃度等有關。
SBR反應池混合液汙泥濃度
根據活性汙泥法的基本原理，混合液汙泥濃度的大小決定了生化反應器容積的大小。SBR工藝也同樣如此，當混合液汙泥濃度高時，所需曝氣反應時間就短，SBR反應池池容就小，反之SBR反應池池容則大。但是，當混合液汙泥濃度高時，生化反應初期耗氧速率增大，供氧與耗氧的矛盾更大。此外，池內混合液汙泥濃度的大小還決定了沉澱時間。汙泥濃度高需要的沉澱時間長，反之則短。當汙泥的沉降效能好，排出比小，有機物濃度低，供氧速率高，可以選用較大的數值，反之則宜選用較小的數值。SBR工藝混合液汙泥濃度的選擇應綜合多方面的因素來考慮。
關於汙泥負荷率的選擇
汙泥負荷率是影響曝氣反應時間的主要引數，汙泥負荷率的大小關係到SBR反應池最終出水有機物濃度的高低。當要求的出水有機物濃度低時，汙泥負荷率宜選用低值；當廢水易於生物降解時，汙泥負荷率隨著增大。汙泥負荷率的選擇應根據廢水的可生化性以及要求的出水水質來確定。
SBR工藝與調節、水解酸化工藝的結合
SBR工藝採用間歇進水、間歇排水，SBR反應池有一定的調節功能，可以在一定程度上起到均衡水質、水量的作用。透過供氣系統、攪拌系統的設計，自動控制方式的設計，閒置期時間的選擇，可以將SBR工藝與調節、水解酸化工藝結合起來，使三者合建在一起，從而節約投資與執行管理費用。
在進水期採用水下攪拌器進行攪拌，進水電動閥的關閉採用液位控制，根據水解酸化需要的時間確定開始曝氣時刻，將調節、水解酸化工藝與SBR工藝有機的結合在一起。反應池進水開始作為閒置期的結束則可以使整個系統能正常執行。具體操作方式如下所述：
進水開始既為閒置結束，透過上一組SBR池進水結束時間來控制；
進水結束透過液位控制，整個進水時間可能是變化的。
水解酸化時間由進水開始至曝氣反應開始，包括進水期，這段時間可以根據水量的變化情況與需要的水解酸化時間來確定，不小於在最小流量下充滿SBR反應池所需的時間。
曝氣反應開始既為水解酸化攪拌結束，曝氣反應時間可根據計算得出。
沉澱時間根據汙泥沉降效能及混合液汙泥濃度決定，它的開始即為曝氣反應的結束。
排水時間由潷水器的效能決定，潷水結束可以透過液位控制。
閒置期的時間選擇是調節、水解酸化及SBR工藝結合好壞的關鍵。閒置時間的長短應根據廢水的變化情況來確定，實際執行中，閒置時間經常變動。透過閒置期間的調整，將SBR反應池的進水合理安排，使整個系統能正常運轉，避免整個執行過程的紊亂。
SBR除錯程式及注意事項
（一）活性汙泥的培養馴化
SBR反應池去除有機物的機理與普通活性汙泥法基本相同，主要大量繁殖的微生物群體降解汙水中的有機物。
活性汙泥處理系統在正式投產之前的首要工作是培養和馴化活性汙泥。活性汙泥的培養馴化可歸納為非同步培馴法、同步培馴法和接種培馴法，非同步法為先培養後馴化，同步法則培養和馴化同時進行或交替進行，接種法系利用其他汙水處理廠的剩餘汙泥，再進行適當的培馴。
培養活性汙泥需要有菌種和菌種所需要的營養物。對於城市汙水，其中的菌種和營養都具備，可以直接進行培養。對於工業廢水，由於其中缺乏專性菌種和足夠的營養，因此在投產時除用一般的菌種和所需要營養培養足夠的活性汙泥外，還應對所培養的活性汙泥進行馴化，使活性汙泥微生物群體逐漸形成具有代謝特定工業廢水的酶系統，具有某種專性。
（二）試執行
活性汙泥培養馴化成熟後，就開始試執行。試執行的目的使確定最佳的執行條件。
在活性汙泥系統的執行中，影響因素很多，混合液汙泥濃度、空氣量、汙水量、汙水的營養情況等。活性汙泥法要求在曝氣池內保持適宜的營養物與微生物的比值，供給所需要的氧，使微生物很好的和有機物相接觸，全體均勻的保持適當的接觸時間。
對SBR處理工藝而言，執行週期的確定還與沉澱、排水排泥時間及閒置時間有關，還和處理工藝中所設計的SBR反應器數量有關。執行週期的確定除了要保證處理過程中執行的穩定性和處理效果外，還要保證每個池充水的順序連續性，即合理的執行週期應滿足執行過程中避免兩個或兩個以上的池子同時進水或第一個池子和最後一個池子進水脫節的現象。同時透過改變曝氣時間和排水時間，對汙水進行不同的反應測試，確定最佳的執行模式，達到最佳的出水水質、最經濟的執行方式。
（三）汙泥沉降效能的控制
活性汙泥的良好沉降效能是保證活性汙泥處理系統正常執行的前提條件之一。如果汙泥的沉降效能不好，在SBR的反應期結束後，汙泥難以沉澱，汙泥的壓密性差，上層清液的排除就受到限制，水泥比下降，導致每個執行週期處理汙水量下降。如果汙泥的絮凝效能差，則出水中的懸浮固體（SS）含量將升高，COD上升，導致處理出水水質的下降。
導致汙泥沉降效能惡化的原因是多方面的，但都表現在汙泥容積指數（SVI）的升高。SBR工藝中由於反覆出現高濃度基質，在菌膠團菌和絲狀菌共存的生態環境中，絲狀菌一般是不容易繁殖的，因而發生汙泥絲狀菌膨脹的可能性是非常低的。SBR較容易出現高粘性膨脹問題。這可能是由於SBR法是一個瞬態過程，混合液內基質逐步降解，液相中基質濃度下降了，但並不完全說明基質已被氧化去除，加之許多汙水的汙染物容易被活性汙泥吸附和吸收，在很短的時間內，混合液中的基質濃度可降至很低的水平，從汙水處理的角度看，已經達到了處理效果，但這僅僅是一種相的轉移，混合液中基質的濃度的降低僅是一種表面現象。可以認為，在汙水處理過程中，菌膠團之所以形成和有所增長，就要求系統中有一定數量的有機基質的積累，在胞外形成多糖聚合物（否則菌膠團不增長甚至出現細菌分散生長現象，出水渾濁）。在實際操作過程中往往會因充水時間或曝氣方式選擇的不適當或操作不當而使基質的積累過量，致使發生汙泥的高粘性膨脹。
汙染物在混合液內的積累是逐步的，在一個週期內一般難以馬上表現出來，需透過觀察各執行週期間的汙泥沉降效能的變化才能體現出來。為使汙泥具有良好的沉降效能，應注意每個執行週期內汙泥的SVI變化趨勢，及時調整執行方式以確保良好的處理效果。