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SBR工艺发展“简史”!

北极星水处理网  来源:环保工程师    2019/6/10 8:59:12  我要投稿  

北极星水处理网讯:SBR法即序批式活性污泥法。早在1914年,活性污泥法在产生之初就是采用间歇进水.排水的方式运行的,但由于其运行操作繁琐,当时又缺乏自动控制设备和技术,它很快被连续式活性污泥法所取代,并几乎被淘汰与遗忘。直到20世纪80年代以后,自动监测与控制的硬件设备与软件技术,特别是电子计算机的飞速发展,为SBR法的应用与发展注人了新的活力。目前,由于该工艺具有工艺流程简单处理效率高运行方式灵活和不易发生污泥膨胀等优点,已成为中小型污水处理厂的首选工艺,并在全世界广泛应用。在我国,有30%~40%日处理5万吨以下的污水处理厂都采用SBR法。近年来,随着城镇污水处理厂排放标准的日趋严格,对于出水氮磷的排放提出了更高的要求。如何提高SBR工艺的脱氮除磷效率,并在此基础上节能降耗,对于该工艺的应用与发展具有重要意义。

水污染控制工程中污染物的去除,从根本上说,属于化工中的分离过程,就是通过物理化学和生物方法,借助反应器实现污染物与水的分离,可分为物理单元,化学单元和生物单元。反应器理论是20世纪70年代,为了建立各种水处理方法间的联系,提高水处理学科的理论水平而引人的。一般说来,水处理工艺中的一切池子都称为反应器,如调节池沉淀池和曝气池等。反应器按照操作方式的不同主要分为连续流反应器和序批式反应器。其中连续流反应器又称为返混反应器,可分为连续全混反应器和平推流反应器。

一、污水处理反应器分类

1、连续全混反应器

连续全混反应器由一个有进流和出流的容器组成,反应物连续流人反应器,混合物连续流出反应器,是一种开放式反应器。反应器通常在稳态条件下运行,反应器内物料充分混合,物质含量在整个反应器内均匀一致,排出物的成分与反应器中的成分相同,反应器内的反应物浓度不随时间变化,也不随空间变化;通常情况下(但不一定全是) ,其进出流量平衡。理想状态下,对只含单一流体的情况,假设流体相中的物料混合都非常迅速,从而各组分在整个容器中的浓度都是均匀的;对含有多种流体的容器假设混合完全,并且对每一种流体其混合都是瞬间完成的,因此流出反应器中的产物组分浓度等于该物料在整个反应器内的浓度。如图1所示。

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2.平推流反应器

平推流反应器也称活塞流反应器,连续稳定流人反应器的流体,在垂直于流动方向的任一截面,各质点的流速完全相同,平行向前流动。进人反应器的物料之间完全没有混合,并且沿反应器轴向上物料之间也完全没有混合,而径向上物料之间混合均匀。这种流动形式近似于很少或没有纵向分散的、长宽比很大的长形敞开池或封闭的管式反应器中的流动形式。稳态操作时,反应器内物料的参数,如浓度、温度等,不随时间发生变化,而沿长度方向发生变化,即反应器内物系参数可随位置而变。如图2所示。

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3、序批式反应器

反应物在封闭式反应器内“--罐- -罐”地进行反应操作,反应完成卸料后,再进料进行下一批的生产,也称为分批操作或序批操作,一般用于小批量、多品种的均质液相反应系统。序批反应器是在非稳态条件下操作的,尽管容器中的成分随反应时间而变化,但是反应器内的成分在任一时刻都是均匀的,浓度温度处处相等。在废水处理中,序批操作过程就在反应过程中既无水流入,也无水流出(也就是,水流流入,进行反应,然后排出,如此重复循环)。

序批反应器操作方式灵活,设备投资省,同一设备可以生产不同品种,具有反应速率高,出水水质稳定,容易控制污泥膨胀等连续流反应器所无法比拟的优点,已经广泛应用于中小规模污水处理厂。在污废水的生物处理中,序批反应器还经常被选用于未经实践检验的新工艺的研发、化学反应动力学研究以及各单因素试验,如短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥等污水处理新工艺新技术都是基于序批反应器提出并实现的。

二、SBR法的基本原理和特点

1.SBR法的发展沿革

污水生物处理技术发展概述

在这100余年发展历程中,污水处理的理论和技术有了巨大发展,如下图所示。 20世纪70年代前,污水处理的主要去除对象是降解有机污染物,去除BOD、COD和SS等;20世纪80年代以后,N丶P营养元素对环境的威胁越来越大,一些缓流河道、湖泊甚至海湾都出现了富营养化,同时随着机械制造和电气工程的进步,推动了水污染治理工艺技术的革新,在传统污水处理技术的基础上,发展了以A/O、A/A/O等为代表的脱氮除磷工艺,使二级生物处理技术进入了具有脱氮除磷功能的深度处理阶段。现在的城市污水处理厂的处理对象,既包括COD、BOD.SS,也包括N、P等植物性营养物质。目前,污水生物处理技术正朝着快速、高效、低耗、多功能等方面发展。

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2.SBR法的产生与发展

最早的SBR法产生于1914年,至今已有100多年的历史,大致分为三个时期,如图3所示。

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1) SBR法的产生期

活性污泥法诞生于美国和英格兰,并在随后的一百多年里一直作为污水处理的主流技术。 最初对于活性污泥法的研究采用的就是序批式序批运行反应器。1912年前后,在英格兰的曼彻斯特,Fowler采用曝气的方法利用池塘内的“烂泥”处理反应池内的污水,曝气后的污水进行沉淀,沉淀池内的生物体回流至曝气池,获得了非常清澈的出水。

1914年,Fowler的两个学生Ardern和Lockett,在一个序批式运行的城市污水处理系统中,为了获得较高的污泥浓度,对在曝气阶段积累的腐殖质或沉淀物,不进行排放。经过一段时间的运行,获得了现在被人们称之为“活性污泥”的微生物絮体。他们的试验过程描述如下:首先采用曼彻斯特城市的生活污水,在约2.4L的容器内进行曝气试验,每个运行周期直至硝化完成后才停止曝气。第一次试验大约进行了5周左右的连续曝气,硝化反应才完成,然后沉淀,排掉清澈的上清液,沉淀物完全保留在容器内。重新加人原污水,并与容器内上一周期留下来的沉淀物充分接触,随后进行曝气直至硝化反应充分完成。此后,他们多次重复这种运行方式。试验结果清楚表明:随着容器内沉淀物的增加,有机物完全氧化的时间逐渐减少。最后,24h内便可完全氧化序批注人的原污水。Ardern 和Lockett将反应过程中形成的沉淀物命名为“活性污泥”。

在活性污泥法的发展史上,Ardern和Lockett 的发现具有里程碑式的意义,其重要性可归结为六个方面,其中与序批式序批系统最为相关的有以下两方面:

①为维持反应器内活性污泥始终处于最高效率的“工作状态”,在任何时候系统内都不应使未被氧化的颗粒状污染物得到积累。

②如果仅通过适宜的曝气量来维持污泥的活性,那么就应该使反应器内的污水与活性污泥充分接触。

Ardern和Lockett采用充排式反应器处理曼彻斯特市的生活污水时,保持活性污泥与污水的充分接触,曝气6~9h,便可获得较好的出水水质。检测结果表明SBR工艺对生活污水中污染物的去除率与生物滤池相当,且SBR工艺的曝气时间长短主要取决于污水中的污染物浓度和所要求的污染物去除率。

1914~1920年,Ardern和Lockett的试验验结果在实际工程中被迅速、广泛的应用,在英格兰共建造了4个不同规模、不同曝气方式阶段进水的SBR污水处理系统。

Ardern和Lockett通过对SBR系统的工艺参数、影响因素等进行的大量试验,基于大量的试验数据和对SBR系统的深人理解,建立了SBR系统的运行方案,如表1所示。

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1915年,在美国威斯康星州密尔沃基建成了世界上第一座SBR工艺的污水处理厂。该污水处理厂的工艺参数如下:周期时间为6h,其中进水60min,曝气反应210min,沉淀30min,排水60min。在1915~1916年,在美国的布鲁克林(纽约州),芝加哥(伊利诺伊州),克利夫兰(俄亥俄州)和休斯敦(得克萨斯州)等地进行了一系列的SBR系统处理城市污水的试验研究。在1915~1916年,美国建造了一大批采用SBR工艺的污水处理厂,并且该污水工艺的优势也非常明显。

1923年,O'Shaughnessy的研究发现,分别采用连续流系统和SBR系统处理相同的城市污水,在达到相同净化效率的时,前者所需的时间是后者的两倍。然而事实上,在1914~1920年,几乎所有采用SBR系统的污水厂全部被改造成了连续流污水处理系统。

Ardern(1927)针对这一现象进行了深人分析,认为以下三方面是导致这一现象的本质原因:

①排水阶段能量浪费较大(与进水流速相比,排水流速较大);

②由于活性污泥黏附于大气泡空气扩散器上,从而容易导致空气扩散器的堵塞;

③由于需要进行多个开关阀门的转换及空气扩散器的清洗,所以操作者需要始终保持较高的注意力。

Ardern提出了解决上述问题相应的办法,即采用多个反应池的SBR系统、改进曝气设备及采用自动控制系统等。尽管这些措施能够十分有效的解决上述问题,但是由于当时自动控制技术的落后,严重制约了SBR法在污水处理系统中的应用。

2) SBR法的复兴期

在美国直到20世纪40年代后期,在欧洲直到1959年,伴随着自动控制技术的日益成熟,SBR法才逐渐又被人们重新认识。在1951~1953年,Hoover等在美国东部地区宾夕法尼亚州实验室首次采用SBR系统处理牛奶工业废水。1959年,Pasveer将SBR工艺引入荷兰。上述两项应用均取得了较大的成功,对SBR法的发展起到了巨大的推动作用。 1965~1975年,衍生出多种变形工艺。

20世纪70年代中期,在澳大利亚新南威尔士,序批排水延迟曝气(inter-mitently decanted extended aeration,IDEA)系统对SBR工艺的广泛应用起到了非常重要的作用。IDEA系统的反应池是一个简单的、长方形的反应池。采用连续进水间歇曝气和序批排水的运行模式。该污水处理系统由于可获得较好的出水水质,并可高效去除废水中的BOD5,SS和氮化合物,因此被广泛应用于实际工程中。

此外,随着工业废水和城市污水中营养物(氮丶磷)排放标准的不断提高,IDEA系统及其改进工艺在污水脱氮除磷方面的优势更加明显,所以被越来越多的应用到实际工程中。

在20世纪90年代期间,为了满足废水中营养物去除(BNR)的需要,人们将IDEA系统进行了改进,在反应器的前端增加了厌氧选择区。这样,既可以有效的控制污泥膨胀,又为厌氧释磷创造了非常好的环境。与此同时,澳大利亚的邻国也对IDEA污水处理系统进行了深人研究和设计。可以说,这些国家和地区促进了IDEA系统的深人研究和广泛应用,更加有力的推动了新型SBR工艺的诞生。

为了考察IDEA系统对污水中营养物的去除性能,澳大利亚的研究人员以其内陆水和海水为研究对象,进行了大量的试验研究。结果表明:IDEA系统可以非常有效的去除污水中营养物,可满足非常严格的出水水质要求,一年中至少有一半时间内出水TN<5mg/L,TP<lmg/L。即使现在,新南威尔士州的一些污水处理厂仍然采用IDEA污水处理系统。在澳大利亚,虽然这种序批式污水处理技术的分布还具有一定的局限性,但在污水厂中的应用数量却呈现增长的趋势。这主要是因为在满足同样出水水质的条件下,IDEA系统的基建费用要低于连续流系统。

20世纪60年代,Irvine和他的合作者们通过对SBR系统不断地研究,进-步推进了序批式活性污泥处理技术的发展。此外,具有重要历史意义的是,在1971年,Irvine和Davis第一次将Irvine(1969)设计的单池序批式反应池应用于美国得克萨斯州的科珀斯克里斯蒂工业废水处理厂,并首次将该工艺命名为SBR工艺。在以后整个20世纪70年代,Irvine在他发表的有关废水中有机物、氮等污染物去除和控制污泥膨胀等内容的相关文献中,一直采用“SBR”这个专业术语。

1979年,在实验室研究的基础上,Dennis和Irvine首次报道了如何通过控制进水时间与反应时间的比值来创造利于絮状生物体快速生长的环境。在污水处理领域,这是一个非常重要的发现,有力证明了静态进水(不搅拌、不曝气)能够创造一个适于微生物生存的“富营养”环境,并且能够有效的控制污泥膨胀。

在整个20世纪70年代期间,Irvine在实验室研究方面获得了大量关于SBR工艺的经验。根据Irvine等的报道,1980年5月,他们在美国印第安纳州Culver污水处理厂,成功地将连续流系统改造成了SBR系统。美国环保局对卡尔弗污水处理厂SBR 工艺的性能进行了测试,结果表明:相对于连续流污水处理系统,SBR工艺具有相对较短的水力停留时间(少于14h)和较大的有机物负荷[大于0.1kgBOD/(kgVSS·d)]。而在此之前,人们普遍认为SBR系统的水力停留时间应在48h左右,有机负荷与延迟曝气活性污泥系统相接近。

从20世纪70年代以后,污水处理领域衍生了许多序批性、周期运行的污水处理工艺 ,SBR法在国内外得到广泛应用。1985 年我国第一座SBR法污水处理厂在上海吴淞肉联厂落成。

3)SBR法的发展期

近二十多年来,随着对SBR法生物反应和净化机理的广泛深入研究,以及该法在生产应用技术上的不断改进和完善,SBR工艺得到了迅速发展,相继出现了多种工艺方法,应用范围逐渐扩大,处理效果不断提高,工艺设计和运行管理日益科学。1990年日本出版了第一本SBR法的设计指南,2007年世界上最大的SBR法污水处理厂在马来西亚落成,日处理量200万吨。目前SBR工艺在全世界范围内得到了广泛应用,在我国5万吨/d以下的城镇污水处理厂中有30%~40%采用了SBR工艺。

SBR法能重新成为城市污水、工业有机废水的有效处理方法,除了污水处理技术发展的内在规律外,还具有一些客观的需求背景。

①中小型化和分散化正在成为当前城市污废水处理厂的发展趋势。几十年前朝着大型化、超大型化发展,当时许多处理能力达50X104 m3 /d、100X 104m3/d、200X104m3/d乃至500X104m3/d级别的城市废水处理厂到处拔地而起,基建费用的投人极为惊人,运行管理十分复杂,净化水的出路也受到极大限制。 现在随着人们对生态环境的要求,住宅区趋向分散化、农村化发展。在这种背景下,城市废水处理厂的发展也趋向于小型(中小型)化及分散化,由此提出了对相应适宜的工艺技术的需求。废水处理厂的中小型化、分散化反映了高新技术的发展,反映了人们掌握高新技术能力的提高与技术的普及化。这种在新条件下回归初始,正如SBR法的再生一-样,体现了事物发展的规律。中小型化和分散化废水处理厂净化出水易于就地分散回用与处置,基建投资易于筹措,运行管理简易可行。SBR法应运而再生,反映了这种客观需要。

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