工艺技术详解：序批式活性污泥法[SBR]工艺之原理分类及特点篇

查看全部 · 发表于 2021-5-24 16:49:25

序批式活性污泥法(sequencing batch activated process) 是活性污泥法的一种,又被命名为序列式序批反应器法，在序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)中完成污废水中污染物的去除。

01

SBR法的基本运行模式及其原理

SBR法的运行工况是以序批操作为主要特征的。所谓序批式有两种含义：

一是运行操作在空间上按序批方式运行。由于多数情况下污水都是连续排放的且流量波动很大，这时，SBR处理系统至少需要两个反应器交替运行，污水按序列连续进入不同反应器，它们运行时的相对关系是有次序的，也是序批的；

二是对于每一个SBR来说，运行操作在时间上也是按次序排列的、序批的，一个完整的典型的运行周期分5个阶段，依次为进水、反应、沉淀、排水和闲置，所有的操作都在一个反应器中完成。

（1）进水阶段

运行周期从废水进入反应器开始。进水时间由设计人员确定，取决于多种因素包括设备特点和处理目标等。进水阶段的主要作用在于确定反应器的水力特征。如果进水阶段时间短，其特征就像是瞬时工艺负荷，系统类似于多级串联构型的连续流处理工艺，所有微生物短时间内接触高浓度的有机物及其他组分，随后各组分的浓度随着时间逐渐降低；如果进水阶段时间长，瞬时负荷就小，系统性能类似于完全混合式连续流处理工艺，微生物接触到的是浓度比较低且相对稳定的废水。

（2）反应阶段

进水阶段之后是反应阶段，微生物主要在这一阶段与废水各组分进行反应。实际上，这些反应(即微生物的生长和基质的利用过程)在进水阶段也在进行，随着污水流入，微生物对污染物的利用也即开始。所以进水阶段应该被看作“进水+反应”阶段，反应在进水阶段结束后继续进行。完成一定程度的处理目标需要一定的反应过程。如果进水阶段短，单独的反应阶段就长；反之，如果进水阶段长，要求相应的单独反应阶段就短，甚至没有。由于这两个阶段对系统性能影响不同，所以需要单独解释。

在进水阶段和反应阶段所建立的环境条件决定着发生反应的性质。例如，如果进水阶段和反应阶段都是好氧的，则只能发生碳氧化和硝化反应。此时SBR的性能介于传统活性污泥法和完全混合活性污泥法之间，取决于进水阶段的长短。如果只进行混合而不曝气，在硝态氮存在的条件下就会发生反硝化反应。如果反应阶段发生硝化，产生硝酸盐，并且在周期结束时仍留在反应器中，那么在进水阶段和反应阶段初期增加一个只混合而不曝气的间隙，就可以使SBR法类似于连续流A/O系统。如果在反应阶段后期增加一个只混合而不曝气的间隙，SBR法就变得与Berdenpho工艺类似。另一方面，如果SBR法在比较短的SRT下运行，没有硝酸盐产生，在进水阶段和反应阶段只搅拌而不曝气，就可以筛选出聚磷菌，SBR法就变得与phoredox或An/O连续系统类似。这几个例子清楚地表明，SBR法可以通过调整设计和运行方式来模拟多种不同的连续处理工艺。

（3）沉淀阶段

反应阶段完成之后，停止混合和曝气，使生物污泥沉淀，完成泥水分离。与连续处理工艺相同，沉淀有两个作用：澄清出水达到排放要求和保留微生物以控制SRT。剩余污泥可以在沉淀阶段结束时排除，类似于传统的连续处理工艺；或者剩余污泥可以在反应阶段结束时排出，类似于Garrett工艺。

（4）排水阶段

不管剩余污泥在什么阶段排出，经过有效沉淀后的上清液作为出水在排放阶段被排出，留在反应器中的混合液用于下一个循环。如果为了向进水阶段的反硝化提供硝酸盐而保留了相对于进水大得多的液体和微生物，那么所保留的这部分就类似于连续流处理中的污泥回流和内循环工艺。

（5）闲置阶段

闲置阶段主要是提高毎个运行周期的灵活性。闲置阶段对于多池SBR系统尤其重要，它可以协同进行几个操作以达到最佳处理效果。闲置阶段是否迸行混合和曝气取决于整个工艺的目的。闲置阶段的长短可以根据系統的需要而变化。闲置阶段之后就是新的进水阶段,新一轮循环就启动了。

在一个运行周期中，各个阶段的送行时间、反应器内混合液体枳的変化以及送行状态等都可以根据具体污水性质、出水质量与送行功能要求等灵活掌握。比如在进水阶段，可按只进水不曝气(搅拌或不搅拌)方式送行，也可按边进水水边曝气方式运行，前者称限制性曝气，后者称非限制性曝气。在反应阶段，可以始終曝气；为了生物脱氮也可曝气不搅拌，或者曝气搅拌交替进行；其剩余污泥量可以在闲置阶段排放，也可在排水阶段或反应阶段后期排放。可见，対于某——单一SBR来说，不存在空间上控制的障碍；在时间上，SBR也可灵活的凋整程序控制器，控制系和风机的开关，迸行有效的变换，达到多种功能。这种灵活性是序批式反立器有別于连续流反立器的独特优点。

02

SBR法的分类

SBR法主要有4种分类方：

1)按进水方式分

按进水方式可分为序批进水式和连续进水式。

序批进水方式，由于沉淀阶段和排水阶段不进水，所以较易保证出水的水质，但需几个反应池组合起来运行，以处理连续流入污水处理厂的污废水。连续进水方式，虽可采用一个反应池连续地处理废水，但由于在沉淀阶段和排水阶段污水的流入，会引起活性污泥上浮或与处理水相混合，所以可能使处理水质变差。如果在沉淀阶段和排水阶段减少进水水量，可减少其影响。

完全混合序批反应器内有机物浓度、MLSS浓度以及溶解氧浓度较为均匀。循环式水渠型反应器溶解氧随混合液的流向变化而变化，但有机物浓度、MISS浓度在各点大致也是均匀的。

2)按反应器的形式分

按反应器的形式可分为完全混合序批反应器与循环式水渠型反应器。

3)按污泥负荷分

按污泥负荷SBR可分为高负荷和低负荷两种。高负荷方式与普通活性污泥法相当，低负荷与氧化沟或延时曝气相当。高负荷一般为0.1～0.4kgBOD/(kgSS·d)，低负荷为0.03～0.05kgBOD/(kgSS·d)。

4)按进水阶段是否曝气

按进水阶段曝气与否可分为限制曝气、非限制曝气和半限制曝气。

限制曝气：进水阶段不曝气，多用于处理易降解有机污水，如生活污水，限制曝气的反应时间较短；

非限制曝气：进水同时进行曝气，多用于处理较难降解的有机废水，非限制曝气的反应时间较长；

半限制曝气：进水一定时间后开始曝气，多用于处理城市污水。

03

SBR法的特点

1）SBR法的优点：

（1）工艺简单，节省费用

原则上SBR法的主体工艺设备，只有一个间歇反应器(SBR)。它与普通活性污泥法工艺流程相比，不需要二次沉淀池、回流污泥及其设备，一般情况下不必设调节池，多数情况下可省去初次沉淀的。1985年对加拿大、美国和澳大利亚等国的8个SBR法污水处理厂调查，其中只有一个处理厂设置调节池，另两个处理厂设初次沉淀池。纵观污水人工生物处理各种工艺方法，像SBR法这样简易的工艺绝无仅有。采用SBR法处理小城镇污水，要比用普通活性污泥法节省基建投资30%多。此外。采用如此简洁的SBR法工艺的污水处理系统还有布置紧凑、节省占地面积的优点。

（2）理想的推流过程使生化反应推力大效率高

这是SBR法最大的优点之一。SBR法反应器中的底物和微生物浓度是变化的，而且不连续，因此，它的运行是典型的非稳定状态。而在其连续曝气的反应阶段，也属非稳定状态，但其底物(与有机物或BOD等价)和微生物(MLSS表示)浓度的变化是连续的。这期间，虽然反应器内的混合液呈完全混合状态，但是其底物与微生物浓度的变化在时间上是一个推流(plug flow)过程，并且呈现出理想的推流状态。

在连续流反应器中，有完全混合式与推流式两种极端的流态。在连续流完全混合式曝气池中的底物浓度等于出水底物浓度，底物流入曝气池的速度即为底物降解速率。根据生化反应动力学，由于曝气池中的底物浓度很低，其生化反应推动力也很小，反应速率与去除有机物效率都低。在理想的推流式曝气池中，污水与回流污泥形成的混合液从池首端进入，呈推流状态沿曝气池流动，至池末端流出，此间在曝气池的各断面上只有横向混合，不存在纵向的“返混”。作为生化反应推动力的底物浓度，从进水的最高逐渐降解至出水时的最低浓度，整个反应过程底物浓度没被稀释，尽可能地保持了最大的推动力。

完全混合式曝气池所需要的水力停留时间Tc 或有效容积Vc 一般要比间歇反应器相应的Tc 和Vc 大3倍。如果为了去除生活污水中的有机物，用SBR法曝气15min就够了。

（3）运行方式灵活，脱氮除磷效果好

SBR法为了不同的净化目的，可以通过不同的控制手段，灵活地运行。由于在时间上的灵活控制，为其实现脱氮除磷提供了极有利的条件。它不仅很容易实现好氧、缺氧与厌氧状态交替的环境条件，而且很容易在好氧条件下增大曝气量、反应时间与污泥龄，来强化硝化反应与脱磷菌过量摄取磷过程的顺利完成；也可以在缺氧条件下方便地投加原污水(或甲醇等)或提高污泥浓度等方式，提供有机碳源作为电子供体使反硝化过程更快地完成；还可以在进水阶段通过搅拌维持厌氧状态，促进脱磷菌充分地释放磷。

应指出，上述复杂的脱氮除磷过程只有在A-A/O工艺中才能完成，而SBR法的单一反应器一个运行周期即可完成。具体操作过程、运行状态与功能如下；进水阶段，搅拌(厌氧状态释放磷)→反应阶段，曝气(好氧状态降解有机物、硝化与摄取磷)、排泥(除磷)、搅拌与投加少量有机碳源(缺氧状态反硝化脱氮)、再曝气(好氧状态去除剩余的有机物)→排水阶段→闲置阶段，然后进水再进入另一个运行周期。并曾做过进水与反应阶段用曝气与搅拌交替进行的运行方式脱氮的试验研究，其脱氮效率更高。

如果原污水中的P:BOD值太高，用普通厌氧/好氧法难于提高除磷率时，可以根据Phostrip法除磷的原理在SBR法中实现，只增加一个混凝沉淀池即可。可见，SBR法很容易满足脱氮除磷的工艺要求，在时间上控制的灵活性又能大大提高脱氮除磷的效果。

（4）防止污泥膨胀的最好工艺

污泥膨胀多为丝状性膨胀，在活性污泥法中间歇式最不易发生膨胀，完全混合式最容易引起膨胀。按照发生膨胀难易程度的排列顺序是：间歇式、传统推流式、阶段曝气式和完全混合式，同时发现其降解有机物(对易降解污水)速率或效率的高低，也遵循这个排列顺序。SBR法能有效地控制丝状菌的过量繁殖，可从四个方面说明。

a.底物浓度梯度大(也是F/M梯度)，是控制膨胀的重要因素。完全混合式基本没有梯度，非常易膨胀；推流式曝气池的梯度较大，不易膨胀；而SBR法反应阶段在时间上的理想推流状态，使F/M梯度也达到理想的最大，因此，它比普通推流式还不易膨胀。研究进一步证实，缩短SBR法的进水时间，反应前底物浓度更高，其后的梯度更大，SVI值更低，更不易膨胀。

b.缺氧好氧状态并存。绝大多数丝状菌，如球衣菌属等都是好氧菌，而活性污泥中的细菌有半数以上是兼性菌。与普通活性污泥法不同的是，SBR法中进水与反应阶段的缺氧(或厌氧)与好氧状态的交替，能抑制好氧丝状菌的过量繁殖，而对多数微生物不会产生不利影响。正因为如此，SBR法中限制曝气比非限制曝气更不易膨胀。

c.反应器中底物浓度较大。丝状菌比絮凝菌胶团的比表面积大，摄取低浓度底物的能力强，所以在低底物浓度的环境中(如完全混合式曝气池)往往占优势。在SBR 法的整个反应阶段，不仅底物浓度较高、梯度也大，只有在反应进入沉淀阶段前夕，其底物浓度才与完全混合式曝气池的相同。因此，所以说SBR法没有利于丝状菌竞争的环境。

d.泥龄短、比增长速率大。一般丝状菌的比增长速率比其它细菌小，在稳定状态下，污泥龄的倒数数值等于污泥比增长速率，故污泥龄长的完全混合法易于繁殖丝状菌。由于SBR法具有理想推流状态与快速降解有机物的特点，使它在污泥龄短的条件下就能满足出水质量要求，而污泥龄短又使剩余污泥的排放速率大于丝状菌的增长速率，丝状菌无法大量繁殖。

（5）耐冲击负荷、处理能力强

完全混合式曝气池比推流式曝气池的耐冲击负荷以及处理有毒或高浓度有机废水的能力强。SBR法虽然对于时间来说是一个理想的推流过程，但是就反应器本身的混合状态仍属典型的完全混合式，因此具有耐冲击负荷和反应推动力大的优点。而且由于SBR法在沉淀阶段属于静止沉淀，加之污泥沉降性能好与不需要污泥回流，进而使反应器中维持较高的MLSS 浓度。在同样条件下，较高的MLSS浓度能降低F/M值，显然具有更强的耐冲击负荷和处理有毒或高浓度有机废水的能力。若采用边进水、边曝气的非限制曝气运行方式，更能大幅度增加SBR法承受废水的毒性和高有机物浓度。

（6）其他优点

上面谈到的五大优点是SBR法特征的核心，它粗线条地描绘了SBR法的优越性，也表现了其强大的生命力与广阔的应用前景。除此之外，SBR法还具有以下不容忽视的优点。

①在沉淀阶段,反应器内无水流的干扰属于理想静态沉淀，无异重流或短流现象,污泥也不会被冲走，所以泥水分离效果好，出水悬浮物相对少，污泥浓缩得好，也可缩短沉淀时间。

②由于SBR法序批运行的特点，它特别适合于废水流量变化大甚至序批排放的工业废水处理，在流量很小或无废水排入时，可延长进水时间或闲置时间，节省运行费用。

③具有较高的氧转移推动力。在进水和反应初期，反应器内溶解氧(DO)浓度很低。根据活性污泥法动力学，在DO浓度很低的条件下，利用游离氧作为最终电子受体的污泥产率较低。此外在缺氧时反硝化以NO作为电子受体进行无氧呼吸时其污泥产率更低。这就减少剩余污泥量及其处理费用。还有DO浓度低时，反应阶段氧的浓度梯度大、氧转移效率高。

④研究表明SBR法中微生物的RNA含量是传统活性污泥法中的3～4倍，因RNA含量是评价微生物活性最重要的指标，所以这也是SBR法降解有机物效率高的一个重要原因。

⑤可控性好, SBR法可以根据进水水质和水量，灵活地改变曝气时间以至于一个运行周期所需要的时间，保证处理效果和效率，也可降低反应器内的有效水深，节省曝气费用。此外，SBR系统本身也适合于组件式的构造方式，有利于废水处理厂的扩建与改建。

2）SBR法存在的问题

（1）SBR反应器容积利用率比较低；

（2）控制设备较复杂，运行维护要求高；

（3）变水位运行,水头损失大,与后续处理工段难协调；

（4）不宜大规模化；

（5）缺乏适合SBR特点的实用设计方法丶规范点经验和认识。