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SBR工藝發(fā)展“簡(jiǎn)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(jìn)水.排水的方式運(yùn)行的,但由于其運(yùn)行操作繁瑣，當(dāng)時(shí)又缺乏自動(dòng)控制設(shè)備和技術(shù),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(jì)80年代以后，自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制的硬件設(shè)備與軟件技術(shù)，特別是電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展,為SBR法的應(yīng)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(jiǎn)單處理效率高運(yùn)行方式靈活和不易發(fā)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，已成為中小型污水處理廠的首選工藝,并在全世界廣泛應(yīng)用。在我國(guó),有30%~40%日處理5萬(wàn)噸以下的污水處理廠都采用SBR法。近年來(lái),隨著城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格,對(duì)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(chǔ)上節(jié)能降耗,對(duì)于該工藝的應(yīng)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(shuō),屬于化工中的分離過(guò)程，就是通過(guò)物理化學(xué)和生物方法,借助反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)污染物與水的分離，可分為物理單元，化學(xué)單元和生物單元。反應(yīng)器理論是20世紀(jì)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(xué)科的理論水平而引人的。一般說(shuō)來(lái)，水處理工藝中的一切池子都稱為反應(yīng)器，如調(diào)節(jié)池沉淀池和曝氣池等。反應(yīng)器按照操作方式的不同主要分為連續(xù)流反應(yīng)器和序批式反應(yīng)器。其中連續(xù)流反應(yīng)器又稱為返混反應(yīng)器,可分為連續(xù)全混反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器。

一、污水處理反應(yīng)器分類

1、連續(xù)全混反應(yīng)器

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

2.平推流反應(yīng)器

    平推流反應(yīng)器也稱活塞流反應(yīng)器,連續(xù)穩(wěn)定流人反應(yīng)器的流體,在垂直于流動(dòng)方向的任一截面,各質(zhì)點(diǎn)的流速完全相同,平行向前流動(dòng)。進(jìn)人反應(yīng)器的物料之間完全沒有混合,并且沿反應(yīng)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(dòng)形式近似于很少或沒有縱向分散的、長(zhǎng)寬比很大的長(zhǎng)形敞開池或封閉的管式反應(yīng)器中的流動(dòng)形式。穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)，如濃度、溫度等,不隨時(shí)間發(fā)生變化，而沿長(zhǎng)度方向發(fā)生變化，即反應(yīng)器內(nèi)物系參數(shù)可隨位置而變。

3、序批式反應(yīng)器

    反應(yīng)物在封閉式反應(yīng)器內(nèi)“--罐- -罐”地進(jìn)行反應(yīng)操作,反應(yīng)完成卸料后,再進(jìn)料進(jìn)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(yīng)系統(tǒng)。序批反應(yīng)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(yīng)時(shí)間而變化,但是反應(yīng)器內(nèi)的成分在任一時(shí)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(guò)程就在反應(yīng)過(guò)程中既無(wú)水流入，也無(wú)水流出(也就是,水流流入,進(jìn)行反應(yīng),然后排出，如此重復(fù)循環(huán))。

    序批反應(yīng)器操作方式靈活,設(shè)備投資省，同一設(shè)備可以生產(chǎn)不同品種,具有反應(yīng)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(yīng)器所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)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(yīng)器還經(jīng)常被選用于未經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的新工藝的研發(fā)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究以及各單因素試驗(yàn)，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(shù)都是基于序批反應(yīng)器提出并實(shí)現(xiàn)的。

二、SBR法的基本原理和特點(diǎn)

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(shù)有了巨大發(fā)展。 20世紀(jì)70年代前,污水處理的主要去除對(duì)象是降解有機(jī)污染物，去除BOD、COD和SS等;20世紀(jì)80年代以后,N丶P營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)環(huán)境的威脅越來(lái)越大，一些緩流河道、湖泊甚至海灣都出現(xiàn)了富營(yíng)養(yǎng)化,同時(shí)隨著機(jī)械制造和電氣工程的進(jìn)步,推動(dòng)了水污染治理工藝技術(shù)的革新,在傳統(tǒng)污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)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(jí)生物處理技術(shù)進(jìn)入了具有脫氮除磷功能的深度處理階段。現(xiàn)在的城市污水處理廠的處理對(duì)象,既包括COD、BOD.SS,也包括N、P等植物性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。目前,污水生物處理技術(shù)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(gè)時(shí)期。

1) SBR法的產(chǎn)生期

    活性污泥法誕生于美國(guó)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(shù)。 最初對(duì)于活性污泥法的研究采用的就是序批式序批運(yùn)行反應(yīng)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(yīng)池內(nèi)的污水,曝氣后的污水進(jìn)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(gè)學(xué)生Ardern和Lockett,在一個(gè)序批式運(yùn)行的城市污水處理系統(tǒng)中,為了獲得較高的污泥濃度,對(duì)在曝氣階段積累的腐殖質(zhì)或沉淀物，不進(jìn)行排放。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)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(yàn)過(guò)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(jìn)行曝氣試驗(yàn),每個(gè)運(yùn)行周期直至硝化完成后才停止曝氣。第一次試驗(yàn)大約進(jìn)行了5周左右的連續(xù)曝氣，硝化反應(yīng)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(lái)的沉淀物充分接觸，隨后進(jìn)行曝氣直至硝化反應(yīng)充分完成。此后，他們多次重復(fù)這種運(yùn)行方式。試驗(yàn)結(jié)果清楚表明:隨著容器內(nèi)沉淀物的增加,有機(jī)物完全氧化的時(shí)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(yīng)過(guò)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(jié)為六個(gè)方面,其中與序批式序批系統(tǒng)最為相關(guān)的有以下兩方面:

    ①為維持反應(yīng)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(shí)候系統(tǒng)內(nèi)都不應(yīng)使未被氧化的顆粒狀污染物得到積累。

    ②如果僅通過(guò)適宜的曝氣量來(lái)維持污泥的活性,那么就應(yīng)該使反應(yīng)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(yīng)器處理曼徹斯特市的生活污水時(shí)，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(cè)結(jié)果表明SBR工藝對(duì)生活污水中污染物的去除率與生物濾池相當(dāng),且SBR工藝的曝氣時(shí)間長(zhǎng)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(yàn)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際工程中被迅速、廣泛的應(yīng)用,在英格蘭共建造了4個(gè)不同規(guī)模、不同曝氣方式階段進(jìn)水的SBR污水處理系統(tǒng)。

    Ardern和Lockett通過(guò)對(duì)SBR系統(tǒng)的工藝參數(shù)、影響因素等進(jìn)行的大量試驗(yàn),基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)SBR系統(tǒng)的深人理解,建立了SBR系統(tǒng)的運(yùn)行方案。

    1915年,在美國(guó)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(shí)間為6h,其中進(jìn)水60min,曝氣反應(yīng)210min,沉淀30min,排水60min。在1915～1916年,在美國(guó)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(jìn)行了一系列的SBR系統(tǒng)處理城市污水的試驗(yàn)研究。在1915～1916年，美國(guó)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(shì)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(dá)到相同凈化效率的時(shí),前者所需的時(shí)間是后者的兩倍。然而事實(shí)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(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了深人分析,認(rèn)為以下三方面是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的本質(zhì)原因:

①排水階段能量浪費(fèi)較大(與進(jìn)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(kuò)散器上,從而容易導(dǎo)致空氣擴(kuò)散器的堵塞;

③由于需要進(jìn)行多個(gè)開關(guān)閥門的轉(zhuǎn)換及空氣擴(kuò)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(wèn)題相應(yīng)的辦法,即采用多個(gè)反應(yīng)池的SBR系統(tǒng)、改進(jìn)曝氣設(shè)備及采用自動(dòng)控制系統(tǒng)等。盡管這些措施能夠十分有效的解決上述問(wèn)題,但是由于當(dāng)時(shí)自動(dòng)控制技術(shù)的落后,嚴(yán)重制約了SBR法在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2) SBR法的復(fù)興期

    在美國(guó)直到20世紀(jì)40年代后期,在歐洲直到1959年,伴隨著自動(dòng)控制技術(shù)的日益成熟,SBR法才逐漸又被人們重新認(rèn)識(shí)。在1951～1953年,Hoover等在美國(guó)東部地區(qū)賓夕法尼亞州實(shí)驗(yàn)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(xiàng)應(yīng)用均取得了較大的成功,對(duì)SBR法的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。 1965～1975年,衍生出多種變形工藝。

    20世紀(jì)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(duì)SBR工藝的廣泛應(yīng)用起到了非常重要的作用。IDEA系統(tǒng)的反應(yīng)池是一個(gè)簡(jiǎn)單的、長(zhǎng)方形的反應(yīng)池。采用連續(xù)進(jìn)水間歇曝氣和序批排水的運(yùn)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(yīng)用于實(shí)際工程中。

    此外，隨著工業(yè)廢水和城市污水中營(yíng)養(yǎng)物(氮丶磷)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,IDEA系統(tǒng)及其改進(jìn)工藝在污水脫氮除磷方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯,所以被越來(lái)越多的應(yīng)用到實(shí)際工程中。

    在20世紀(jì)90年代期間,為了滿足廢水中營(yíng)養(yǎng)物去除(BNR)的需要,人們將IDEA系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),在反應(yīng)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(shí)，澳大利亞的鄰國(guó)也對(duì)IDEA污水處理系統(tǒng)進(jìn)行了深人研究和設(shè)計(jì)。可以說(shuō),這些國(guó)家和地區(qū)促進(jìn)了IDEA系統(tǒng)的深人研究和廣泛應(yīng)用,更加有力的推動(dòng)了新型SBR工藝的誕生。

    為了考察IDEA系統(tǒng)對(duì)污水中營(yíng)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(duì)象,進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:IDEA系統(tǒng)可以非常有效的去除污水中營(yíng)養(yǎng)物，可滿足非常嚴(yán)格的出水水質(zhì)要求，一年中至少有一半時(shí)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(shù)的分布還具有一定的局限性,但在污水廠中的應(yīng)用數(shù)量卻呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵跐M足同樣出水水質(zhì)的條件下,IDEA系統(tǒng)的基建費(fèi)用要低于連續(xù)流系統(tǒng)。

    20世紀(jì)60年代,Irvine和他的合作者們通過(guò)對(duì)SBR系統(tǒng)不斷地研究,進(jìn)-步推進(jìn)了序批式活性污泥處理技術(shù)的發(fā)展。此外，具有重要?dú)v史意義的是,在1971年,Irvine和Davis第一次將Irvine(1969)設(shè)計(jì)的單池序批式反應(yīng)池應(yīng)用于美國(guó)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(gè)20世紀(jì)70年代,Irvine在他發(fā)表的有關(guān)廢水中有機(jī)物、氮等污染物去除和控制污泥膨脹等內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)中，一直采用“SBR”這個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)。

    1979年,在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上,Dennis和Irvine首次報(bào)道了如何通過(guò)控制進(jìn)水時(shí)間與反應(yīng)時(shí)間的比值來(lái)創(chuàng)造利于絮狀生物體快速生長(zhǎng)的環(huán)境。在污水處理領(lǐng)域,這是一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn),有力證明了靜態(tài)進(jìn)水(不攪拌、不曝氣)能夠創(chuàng)造一個(gè)適于微生物生存的“富營(yíng)養(yǎng)”環(huán)境,并且能夠有效的控制污泥膨脹。

    在整個(gè)20世紀(jì)70年代期間,Irvine在實(shí)驗(yàn)室研究方面獲得了大量關(guān)于SBR工藝的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)Irvine等的報(bào)道,1980年5月,他們?cè)诿绹?guó)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(guó)環(huán)保局對(duì)卡爾弗污水處理廠SBR 工藝的性能進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明:相對(duì)于連續(xù)流污水處理系統(tǒng),SBR工藝具有相對(duì)較短的水力停留時(shí)間(少于14h)和較大的有機(jī)物負(fù)荷[大于0.1kgBOD/(kgVSS·d)]。而在此之前，人們普遍認(rèn)為SBR系統(tǒng)的水力停留時(shí)間應(yīng)在48h左右,有機(jī)負(fù)荷與延遲曝氣活性污泥系統(tǒng)相接近。

    從20世紀(jì)70年代以后,污水處理領(lǐng)域衍生了許多序批性、周期運(yùn)行的污水處理工藝 ,SBR法在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。1985 年我國(guó)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(lái),隨著對(duì)SBR法生物反應(yīng)和凈化機(jī)理的廣泛深入研究,以及該法在生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)上的不斷改進(jìn)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(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大,處理效果不斷提高,工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理日益科學(xué)。1990年日本出版了第一本SBR法的設(shè)計(jì)指南,2007年世界上最大的SBR法污水處理廠在馬來(lái)西亞落成,日處理量200萬(wàn)噸。目前SBR工藝在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,在我國(guó)5萬(wàn)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(jī)廢水的有效處理方法,除了污水處理技術(shù)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(dāng)前城市污廢水處理廠的發(fā)展趨勢(shì)。幾十年前朝著大型化、超大型化發(fā)展，當(dāng)時(shí)許多處理能力達(dá)50X104 m3 /d、100X 104m3/d、200X104m3/d乃至500X104m3/d級(jí)別的城市廢水處理廠到處拔地而起，基建費(fèi)用的投人極為驚人,運(yùn)行管理十分復(fù)雜,凈化水的出路也受到極大限制。 現(xiàn)在隨著人們對(duì)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(duì)相應(yīng)適宜的工藝技術(shù)的需求。廢水處理廠的中小型化、分散化反映了高新技術(shù)的發(fā)展,反映了人們掌握高新技術(shù)能力的提高與技術(shù)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(yùn)行管理簡(jiǎn)易可行。SBR法應(yīng)運(yùn)而再生,反映了這種客觀需要。

②過(guò)去水污染控制重點(diǎn)在于有機(jī)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(yíng)養(yǎng)化,對(duì)出水水質(zhì)中如氮、磷等的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格,控制要求越來(lái)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(shù)備受關(guān)注,SBR法在改進(jìn)后能夠滿足這方面的要求,SBR法技術(shù)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(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,SBR反應(yīng)池的進(jìn)水、曝氣以及排水等的自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步,相應(yīng)軟件技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用,都使SBR法日趨完善和成熟。

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