摘 要: SBR 工藝是一種新型、 經濟、高效的廢水生物處理方法。 本文介紹了SBR 工藝的產生、 發展、 特點、主要設備及其變形工藝的原理和特性, 展望了SBR 工藝的發展趨勢。
關鍵詞: SBR; 脫氮除磷; 污水處理
1 水污染狀況
隨著城市居民生活水平的提高, 城市生活污水的污染問題日益嚴重。據有關部門統計, 2003 年全國工業和城鎮生活廢水排放總量為 460 億 t,其中工業廢水排放量 212.4 億 t, 城鎮生活污水排放量 247.6 億 t。 這些污水大部分沒有經過有效處理直接排入江河湖澤之中, 導致水環境受到不同程度的污染。 目前, 我國水系水質的總體情況是: I 類水質只占水系的 3.4%, II類水質占水系的 21.4%, III 類水質占水系的 13.3%, IV 類水質占水系的23.8%, V類水質占水系的 8.4%, 劣 V類水質占到了水系的 29.7%。
2 SBR 工藝概述
序批式活性污泥法 ( Sequencing Batch Reactor ) 簡稱 SBR, 是傳統活性污泥法的一種變形, 它的反應機制以及污染物質的去除處理機制和傳統活性污泥法基本相同。如果說連續推流式曝氣池是空間上的推流, 則SBR 在流態上雖屬完全混合式, 但在有機物的降解方面則是時間上的推流。早在 1914 年, 英國學者 Arden 和 Locker 就曾提出, SBR 工藝比連續式活性污泥法有更高的處理效率。但由于曝氣器及自控設備等原因, 不久便演變成連續式的傳統活性污泥法。
20 世紀 70 年代初, 美國 NatreDame 大學的教授Irving采用實驗室規模裝置對 SBR 工藝進行了系統研究, 并于 1980 年在美國國家環保局 ( USEPA) 的資助下, 在印第安納州的Culver 城改建并投產了世界上第一個 SBR 污水處理廠。此后, 日本、 德國、澳大利亞和法國等都對 SBR 處理工藝進行了應用研究。到 20 世紀80 年代后期, 隨著各種新型不堵塞曝氣器、 新型浮動式出水堰 ( 灌水器、潷水器) 和監測控制的硬件設備和軟件技術的出現和飛速發展, 特別是在計算機和生物量化技術的支持下, SBR 才真正顯示出其優勢。據報道,至 1996 年僅澳大利亞就有 600 多座 SBR 污水處理廠, 美國僅 AQUAAEROBIC SYSTEMS一家公司就設計了 350 多座 SBR 污水處理廠。我國于 20 世紀 80 年代中期開始對 SBR 進行研究和應用, 1985 年, 上海市政設計院為上海吳淞肉聯廠設計了我國第一座 SBR 污水處理站, 設計處理水量為 2 400 t/d, 目前, 上海、 廣州、 無錫、 揚州、 昆明等地已有多座 SBR處理設施投入使用。
SBR 最基本的特點是處理工序是間歇、 周期性的, 整個運行過程分成進水期、 反應期、 沉降期、 排水期和閑置期, 各個運行期在時間上按序排列, 稱為一個運行周期。
進水期: 進水期是反應器接納廢水的過程, 污水進入反應器的選擇區與回流污泥混合, 混合后的混合液進入主反應區, 進水開始曝氣反應。
反應期: 進水后期由程序控制開始曝氣, 即反應期, 這是達到有機物去除目的的主要工序。在此期間, 微生物一般要經歷從生長到死亡的全過程。在有機物去除的同時, 反應期還能發生氨氮的硝化反應和除磷菌對磷的過度攝取。
沉淀期:在完成有機物和氮磷去除的反應期后, 停止曝氣和攪拌, 活性污泥絮凝體進行重力沉降和固液分離。活性污泥固相形成污泥層, 層面不斷地向池底下降, 膠團凝聚而下沉, 清水則留在上面。 在曝氣完畢時污泥具有均勻濃度, 在沉淀開始時由于攪拌的殘留能量, 污泥內部產生凝聚現象,當此能量消失后, 污泥界面開始形成, 同時污泥形成一層棉絮狀的污泥層,開始整層下沉, 重的固體穿過沉積物到達池底。 下沉速度起初由慢而快, 但最后又因固體在池底的壓集變得堅實而減緩下來。 區域沉降速度由開始時的污泥濃度、 池深、 池的總面積和生物性固體的性質而定。
排水期: 在排水期, 開啟潷水器排水, 洋水堰槽開始勻變速下降, 排除污泥沉降后的上清液, 水位恢復到設計水位, 回流污泥使用, 剩余污泥由排泥泵排出, 水池內剩余的污水起到循環和稀釋作用。
閑置期: 排水之后與下周期開始進水之前的時間為待機期或閑置期。由于實際操作時排水所花的時間總比設計時間短, 因此多出來的時間是整個運行周期的機動時間, 其目的在于靈活調節各階段的運行時間。
3 SBR 脫氮除磷機理
SBR 處理工藝一般分為 4 個階段: 進水、 反應、 沉淀、 排水和閑置, 其實質就是厭氧—好氧—缺氧的處理過程。從微生物角度看, SBR 法最大的特點是微生物處于富營養、 貧營養、 好氧、 缺氧周期性交替變化的環境中, 因而能夠很自然地滿足生物脫氮除磷的環境條件。
3.1 硝化和反硝化作用機理
污水中的有機氮在有氧或無氧的條件下, 通過異氧菌的氨化作用,首先轉化為 NH4+- N, 再進一步轉化為 NO3-- N, 此即生物硝化過程。在硝化反應中, NH3+- N 氧化為 NO2-- N 時所產生的能量大約為 NO2-- N 氧化為 NO3-- N時所產生能量的 4～ 5 倍, 所以在穩定狀態下, 生物處理系統中不會產生亞硝酸鹽的積累, 硝化反應的速度限制步驟為亞硝酸菌屬將NH3+- N轉化為 NO2-- N的過程。經硝化反應, 污水中的氮由 NH3+- N 轉化為 NO3-- N, 在缺氧的條件下, 反硝化菌可將污水中的 NO2-- N, NO3-- N 還原為氣態氮。此反應稱為反硝化反應。反硝化菌為兼性異氧菌, 在無分子態氧存在的情況下,反硝化菌以污水中含碳有機物作為反硝化過程的電子供體, 以硝酸鹽和亞硝酸鹽中的 N- 5和 N- 3作為能量代謝中的電子受體, O2 作為受氫體, 生成 H2O和 OH-。所以, 反硝化過程最終在將污水中 NO2-- N, NO3--N還原為氣態氮的同時, 使得污水中的有機物作為能源而得以氧化穩定。通過硝化、 反硝化作用, 污水中的 NH3- N最終以氣態形式從污水中被去除。
3.2 除磷作用機理
污水中的磷有很多存在形式, 但主要為正磷酸鹽、 聚磷酸鹽和有機磷。污水在輸送和預處理的過程中, 大部分聚磷酸鹽和有機磷被水解或礦化成了正磷酸鹽。污水中剩余的有機磷和聚磷酸鹽在進入生物處理系統后, 也將被礦化或水解成正磷酸鹽, 然后被聚磷菌攝取以聚合物形式貯藏于菌體內形成高磷污泥, 通過定期除泥而去除磷, 從而達到除磷的目的。
由于硝化菌、反硝化菌和聚磷菌所要求的生活環境條件各不相同,所以必須嚴格按照微生物的習性及所要求的處理程度、控制操作條件,合理確定運行周期及各工序時間的長短,才能為各種微生物提供良好的生存環境, 從而保證最佳處理效果。
4 SBR 與傳統活性污泥法的比較
與傳統活性污泥法相比, SBR 工藝在裝置構成、 經濟性、 反應效率等方面有顯著的優點, 見表 1、 表 2。
5 結語
SBR 工藝是一種理想的處理工藝, 它具有工藝流程簡單、 處理效果穩定、 占地面積小、 耐沖擊負荷力強和具有除磷、 脫氮能力等優點。但由于 SBR 工藝的間歇周期運行,反應器中 DO、 有機物濃度隨時間不斷變化, 處于這種周期性變化環境中的微生物對有機物的降解機理、 反應動力學以及工程應用中的設計、 控制等更加復雜。在實際應用中需要解決的問題有: 設計之中, 大多數設計參數為半經驗參數, 沒有像傳統活性污泥法那樣的設計標準。 但是, 由于 SBR 法本身所具有的優點, 它將在有毒或難降解有機廢水, 特別是中小型石化、 造紙、 印染、 煉油、 制藥等企業污水處理中具有極為廣闊的應用前景。
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