SBR工艺研究总结
摘要：关于SBR工艺的书籍和文章很多。本文在这些资料的基础上整理，对经典SBR工艺的和应用进行了综述，归纳了经典SBR工艺的特点；对于各种新型SBR工艺作以简述。
关键词：污水处理 SBR工艺 变型工艺 优点
序批式活性污泥法（SBR-Sequencing Batch Reactor）是早在1914年英国学者Ardern和Lockett发明活性污泥法之时，首先采用的水处理工艺。70年代初，美国Natre Dame大学的R.Irvine教授采用实验室规模对SBR工艺进行了系统深入的研究,并于1980年在美国环保局(EPA)的资助下，在印地安那州的Culver城改建并投产了世界上第一个SBR法污水处理厂[1]。80年代前后，由于自动化、机等高新技术的迅速发展以及在污水处理领域的普及与应用，此项技术获得重大进展，使得间歇活性污泥法（也称"间歇式活性污泥法"）的运行管理也逐渐实现了自动化。
澳大利亚的污水处理以SBR工艺所著称。近十几年来，建成SBR工艺污水处理厂600余座，其中在中型和大型污水处理厂的应用也日益增多，并且开始兴建日处理量21万吨大型SBR工艺污水处理厂。由于处理工艺流程简单，处理效果好的独特优点，逐渐引起世界污水处理界的广泛关注。
我国也于80年代中期开始对SBR进行研究，迄今应用已比较广泛。目前，几座城市污水处理厂采用SBR法工艺处理城市混合污水，其处理效果较好，如：昆明市日处理污水量最高可达30万吨的第三污水处理厂，采用ICEAS技术（SBR法的发展工艺），自投产以来，运行正常，出水水质稳定，达到了设计标准；天津技术开发区污水处理厂所采用的DAT-IAT工艺是一种SBR法的变形工艺，该污水处理厂是目前最大的SBR法城市污水处理厂。正在兴建的广州市猎德污水处理厂二期工程采用SBR的新式变形工艺UNITANK工艺；广州兴丰垃圾卫生填埋厂渗滤液处理回用系统采用经典SBR工艺，并应用了自动化控制技术。
1 工艺简介
SBR工艺的过程是按时序来运行的，一个操作过程分五个阶段：进水、、沉淀、滗水、闲置。由于SBR在运行过程中，各阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化以及运行状态都可以根据具体污水的性质、出水水质、出水质量与运行功能要求等灵活变化。对于SBR反应器来说，只是时序控制，无空间控制障碍，所以可以灵活控制。因此，SBR工艺发展速度极快，并衍生出许多新型SBR处理工艺。90年代比利时的SEGHERS公司又开发了UNITANK系统，把经典SBR的时间推流与连续的空间推流结合了起来[2] SBR工艺主要有以下变形。
间歇式循环延时活性污泥法（ICEAS-Intermittent Cyclic Extended System）是在1968年由澳大利亚新威尔士大学与美国ABJ公司合作开发的[1]。1976年世界上第一座ICEAS工艺污水厂投产运行。ICEAS与传统SBR相比，最大特点是：在反应器进水端设一个预反应区，整个处理过程连续进水，间歇排水,无明显的反应阶段和闲置阶段，因此处理费用比传统SBR低。由于全过程连续进水，沉淀阶段泥水分离差，限制了进水量。
好氧间歇系统（DAT-IAT-Demand Aeration Tank-Intermittent Tank）是SBR工艺中，继ICEAS、CASS、IDEA法之后完善发展的又一种新方法[3]。主体构筑物是由需氧池DAT池和间歇池IAT池组成，DAT池连续进水连续，其出水从中间墙进入IAT池，IAT池连续进水间歇排水。同时，IAT池污泥回流DAT池。它具有抗冲击能力强的特点，并有除磷脱氮功能。
循环式活性污泥法(CASS-Cyclic Activated Sludge System或CAST,CASP工艺)是Goronszy教授在ICEAS工艺的基础上开发出来的,是SBR工艺的一种新形式。将ICEAS的预反应区用容积更小,设计更加合理优化的生物选择器代替。通常CASS池分三个反应区：生物选择器、缺氧区和好氧区，容积比一般为1：5：30。整个过程连续间歇运行，进水、沉淀、滗水、并污泥回流。该处理系统具有除氮脱磷功能。
UNITANK单元水池活性污泥处理系统是比利时SEGHERS公司提出的，它是SBR工艺的又一种变形。它集合了SBR工艺和氧化沟工艺的特点，一体化设计使整个系统连续进水连续出水，而单个池子相对为间歇进水间歇排水。此系统可以灵活的进行时间和空间控制，适当的增大水力停留时间，可以实现污水的脱氮除磷。
改良式序列间歇反应器（MSBR-Modified Sequencing Batch Reactor）是80年代初期根据SBR技术特点结合A2-O工艺，研究开发的一种更为理想的污水处理系统，目前最新的工艺是第三代工艺。MSBR工艺中涉及的部分专利技术目前属于美国的Aqua-Aerobic System Inc.所有[4]。反应器采用单池多方格方式，在恒定水位下连续运行。脱氮除磷能力更强。
2 SBR工艺特点及分析
SBR工艺是通过时间上的交替来实现传统活性污泥法的整个运行过程，它在流程上只有一个基本单元，将调节池、池和二沉池的功能集于一池，进行水质水量调节、微生物降解有机物和固、液分离等。经典SBR反应器的运行过程为：进水→→沉淀→滗水→待机。
2.1 优点
通过分析可将SBR反应器的优点归纳如表1。
表1 SBR工艺的优点
优点 | 机理 |
沉淀性能好 | 理想沉淀理论 |
有机物去除效率高 | 理想推流状态 |
提高难降解废水的处理效率 | 生态环境多样性 |
抑制丝状菌膨胀 | 选择性准则 |
可以除磷脱氮，不需要新增反应器 | 生态环境多样性 |
不需要二沉池和污泥回流，工艺简单 | 结构本身特点 |
2.2理论分析
SBR反应池充分利用了生物反应过程和单元操作过程的基本原理。
①流态理论
由于SBR在时间上的不可逆性，根本不存在返混现象，所以属于理想推流式反应器。
②理想沉淀理论
其沉淀效果好是因为充分利用了静态沉淀原理。经典的SBR反应器在沉淀过程中没有进水的扰动，属于理想沉淀状态。
③推流反应器理论
假设在推流式和完全混合式反应器中有机物降解服从一级反应，那么在相同的污泥浓度下，两种反应器达到相同的去除率时所需反应器容积比为：
V完全混合/V推流=[（1-（1/1-η））]/ ［ln(1-η)］ （1）
式中 η--去除率
从数学上可以证明当去除率趋于零时V完全混合/V推流等于1，其他情况下（V完全混合/V推流）>1，就是说达到相同的去除率时推流式反应器要比完全混合式反应器所需的体积小，表明推流式的处理效果要比完全混合式好。
④选择性准则
1973年Chudoba等人提出了在活性污泥混合培养中的动力学选择性准则[5，这个理论是基于不同种属的微生物在Monod方程中的参数（KS、μmax）不同，并且不同基质的生长速度常数也不同。Monod方程可以写成：
dX/Xdt=μ=μmax [S/(KS+S)] （2）
式中 ?X--生物体浓度
S--生长限制性基质浓度
KS--饱和或半速度常数
μ、μmax--分别为实际和最大比增长速率
按照Chudoba所提出的理论，具有低KS和μmax值的微生物在混合培养的池中，当基质浓度很低时其生长速率高并占有优势，而基质浓度高时则恰好相反。Chudoba认为大多数丝状菌的KS和μmax值比较低，而菌胶团细菌的KS和μmax值比较高，这也解释了完全混合池容易发生污泥膨胀的原因。有机物浓度在推流式池的整个池长上具有一定的浓度梯度，使得大部分情况下絮状菌的生长速率都大于丝状菌，只有在反应末期絮状菌的生长没有丝状菌快，但丝状菌短时间内的优势生长并不会引起污泥膨胀。因此，SBR系统具有防止污泥膨胀的功能。
⑸微生物环境的多样性
SBR反应器对有机物去除效果好，而对难降解有机物降解效果好是因为其在生态环境上具有多样性，具体讲可以形成厌氧、缺氧等多种生态条件，从而有利于有机物的降解。
2.3传统SBR工艺的缺点
①连续进水时，对于单一SBR反应器需要较大的调节池。
②对于多个SBR反应器，其进水和排水的阀门自动切换频繁。
③无法达到大型污水处理项目之连续进水、出水的要求。
④设备的闲置率较高。
⑤污水提升水头损失较大。
⑥如果需要后处理，则需要较大容积的调节池。
2.4 SBR的适用范围
SBR系统进一步拓宽了活性污泥的使用范围。就近期的技术条件，SBR系统更适合以下情况：
1）中小城镇生活污水和厂矿的废水，尤其是间歇排放和流量变化较大的地方。
2）需要较高出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和港湾等，不但要去除有机物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖富营养化。
3）水资源紧缺的地方。SBR系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设施，便于水的回收利用。
4）用地紧张的地方。
5）对已建连续流污水处理厂的改造等。
6）非常适合处理小水量，间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理。
近期来随着SBR工艺的发展，特别是连续进水、连续出水方案的改进，使SBR工艺以应用于大中心污水处理厂。
3 设计方法
3.1 负荷法
该法与连续式池容积的设计相仿。已知SBR反应池的容积负荷NV或污泥负荷NS、进水量Q0及进水中BOD5浓度C0，即可由下式迅速求得SBR池容：
容积负荷法 V=nQ0C0／Nv (3)
Vmin=［SVI·MLSS／106］·V
污泥负荷法 Vmin=nQ0C0·SVI／Ns (4)
V=Vmin+Q0
3.2 时间内负荷法
鉴于SBR法属间歇，一个周期内有效时间为ta，则一日内总时间为nta，以此建立如下式：
容积负荷法 V=nQ0C0tc／Nv·ta (5)
污泥负荷法 V=24QC0／nta·MLSS·NS (6)
3.3 动力学设计法
由于SBR的运行操作方式不同，其有效容积的计算也不尽相同。根据动力学原理演算(过程略)，SBR反应池容计算公式可分为下列三种情况：
限制 V=NQ(C０-Ce)tf／[MLSS·Ns·ta] (7)
非限制 V=nQ(C０-Ce)tf／[MLSS·Ns(ta+tf)] (8)
半限制 V=nQ(C0-Ce)／[LSS·Ns(ta+tf-t0)] (9)
式中： tf--充水时间，一般取1～4h。
tr--反应时间，一般在2～8h。
C０、Ce--分别为进水和反应结束时的污染物浓度。
但在实际应用中发现上述方法存有以下问题：
① 对负荷参数的选用依据不足，提供选用参数的范围过大［例如推荐Nv=0.1～1.3kgBOD5/(m3·d)等］，而未考虑水温、进水水质、污泥龄、活性污泥量以及SBR池几何尺寸等要素对负荷及池容的影响；
② 负荷法将连续式池容计算方法移用于具有二沉池功能的SBR池容计算，存有理论上的差异，使所得结果偏小；
③ 在计算公式中均出现了SVI、MLSS、Nv、Ns等敏感的变化参数，难于全部同时根据经验假定，忽略了底物的明显影响，并将导致各参数间不一致甚至矛盾的现象；
④ 时间内负荷法与动力学设计法中试图引入有效时间ta对SBR池容所产生的影响，但因其由动力学原理演算而得，假定的边界条件不完全适应于实际各个阶段的反应过程，将有机碳的去除仅限制在好氧阶段的作用，而忽略了其他非阶段对有机碳去除的影响，使得在同一负荷条件下所得SBR池容惊人地偏大。
上述问题的存在不仅不利于SBR法对污水的有效处理，而且进行多方案比较时也不可能全面反映SBR法的工程量，会得出投资偏高或偏低的结果。
针对以上问题，提出了一套以总污泥量为主要参数的SBR池容综合设计方法
3.4 总污泥量综合设计法
该法是以提供SBR反应池一定的活性污泥量为前提，并满足适合的SVI条件，保证在沉降阶段历时和排水阶段历时内的沉降距离和沉淀面积，据此推算出最低水深下的最小污泥沉降所需的体积，然后根据最大周期进水量求算贮水容积，两者之和即为所求SBR池容。并由此验算时间内的活性污泥浓度及最低水深下的污泥浓度，以判别计算结果的合理性。其计算公式为：
TS=naQ0(C0-Cr)tT·S (10)
Vmin=AHmin≥TS·SVI·10-3 (11)
Hmin=Hmax-ΔH (12)
V=Vmin+ΔV (13)
式中?TS--单个SBR池内干污泥总量，kg
tT·S--总污泥龄，d
A--SBR池几何平面积，m2
Hmax、Hmin--分别为时最高水位和沉淀终了时最低水位，m
ΔH--最高水位与最低水位差，m
Cr--出水BOD5浓度与出水悬浮物浓度中溶解性BOD5浓度之差。其值为：
Cr=Ce-Z·Cse·1.42(1-ek1t) (14)
式中?Cse--出水中悬浮物浓度，kg/m3
k1--耗氧速率，d-1
t--BOD实验时间，d
Z--活性污泥中异养菌所占比例，其值为：
Z=B-（B2-8.33Ｎs·1.072(15-T)）0.5 (15)
B=0.555+4.167(1+TS0/BOD5)Ns·1.072(15-T) (16)
Ns=1/a·tT·S (17)
式中?a--产泥系数，即单位BOD5所产生的剩余污泥量，kgMLSS/kgBOD5，其值为：
a=0.6(TS0/BOD5+1)-0.6×0.072×1.072(T-15)1/［tT·S+0.08×1.072(T-15)］? (18)
式中TS、BOD5--分别为进水中悬浮固体浓度及BOD 5浓度，kg/m3
T--污水水温，℃
由式(9)计算之Vmin系为同时满足活性污泥沉降几何面积以及既定沉淀历时条件下的沉降距离，此值将大于现行方法中所推算的Vmin。
必须指出的是，实际的污泥沉降距离应考虑排水历时内的沉降作用，该作用距离称之为保护高度Hb。同时，SBR池内混合液从完全动态混合变为静止沉淀的初始5～10min内污泥 仍处于紊动状态，之后才逐渐变为压缩沉降直至排水历时结束。它们之间的关系可由下式表示：
vs(ts+td-10/60)=ΔH+Hb (19)
vs=650/MLSSmax·SVI (20)
由式(18)代入式(17)并作相应变换改写为：
［650·A·Hmax／TS·SVI］(ts+td-10/60)=ΔＶ/Ａ+Hb (21)
式中 vs--污泥沉降速度，m/h
MLSSmax--当水深为Hmax时的MLSS，kg/m3
ts、td--分别为污泥沉淀历时和排水历时，h
式(19)中SVI、Hb、ts、td均可据经验假定，Ts、ΔV均为已知，Hmax可依据鼓风机风压或机有效水深设置，A为可求，同时求得ΔH，使其在许可的排水变幅范围内保证允许的保护高度。因而，由式(10)、(11)可分别求得Hmin、Vmin和反应池容。
4 SBR在中的问题
相对于传统连续流活性污泥法，SBR工艺是一种尚处于发展、完善阶段的技术，许多研究工作刚刚起步，缺乏的设计依据和方法以及成熟的运行管理经验，另外，SBR自身的特点更加深了解决问题的难度。
SBR在现阶段的发展过程中，主要存在以下方面的问题：
4.1 基础研究方面
①关于污水在非稳定状态下活性污泥微生物代谢理论的研究；
②关于厌氧、好氧状态的反复交替对微生物活性和种群分布的影响；
③可同时除磷、脱氮的微生物机理的研究。
4.2 工程设计方面
①缺乏科学、可靠的设计模式；
②运行模式的选择与设计方法脱节。
5 结束语
SBR艺是一种理想的间歇式活性污泥处理工艺，它具有工艺流程简单、处理效果稳定、占地面积小、耐冲击负荷强及具有脱氮除磷能力等优点，是目前正在深入研究的一项污水生物处理新技术。
SBR工艺应用的一个关键是要求自动化程度较高，因而随着我国建设的不断发展及研究的不断深入，预计不久的将来SBR及在其基础上开发的ICEAS工艺和CASS等工艺在生产中的应用将有所突破。