序批反應器技術用于油田礦區污水處理

孫滿

大慶油田設計院有限公司

半連續形式的污水處理系統于1914 年最早開發并應用于工程實踐。由于當時控制技術和設備制造水平的限制，該技術沒有推廣應用。20 世紀70年代，在曝氣供氧系統以及控制技術取得顯著進步的背景下，成功開發出了序批式反應器（Sequencing Bath Reactor-SBR）污水處理系統。隨著《中華人民共和國環境保護法》的頒布實施，對污水的排放要求日益嚴格，為避免對自然環境造成污染，需對各類污水進行有序的處理，SBR污水處理技術可以廣泛地應用到各類生活污水處理工程中。

1 SBR技術原理與特點

1.1 基本工藝配置

SBR 污水處理系統的基本工藝配置見圖1。其中包括預處理系統、污泥處置系統、深度處理系統、消毒處理系統。在深度處理系統中要根據具體的處理過程決定是否設置調節池。就SBR單元本身而言其運行包括進水、反應、靜沉、排水、待機五個基本工序（圖2）。SBR單元的工作是間歇的，采用兩個以上SBR單元交替工作的方法就可以解決進水的連續性問題。

圖1 SBR污水處理基本工藝配置Fig.1 Basic process configuration of SBR for sewage treatment

圖2 SBR單元的基本工序Fig.2 Basic operating sequence of SBR

1.2 技術特點

相對其他污水處理技術而言SBR處理技術具有靈活性高、可拓展性好的特點。

因為SBR單元是交替工作，每一個周期都會騰出一定空間，且可以根據原水的波動情況對工序進行調整[1]，因此在SBR 處理系統中無需設置初沉池、調節池。另外，SBR 本身具有固液分離功能，解決了二沉池選型困難的問題。由此可見，SBR處理技術具有靈活性，非常適用于小型污水處理工程，在工序中可增加兼氧反硝化工序以實現深度脫氮。

隨著經濟發展和社會的進步，幾乎每一個污水廠都面臨提標和擴容的問題，因此無論何種處理工藝，系統的可拓展性都是重要考核指標。在SBR系統中，可以通過增加SBR單元以及增設后續深度處理單元方法，解決擴容和改造方面的問題。因此，SBR處理系統具有很好的可拓展性。

1.3 存在的問題

從20 世紀90 年代初至今，我國SBR 技術成功地應用于各類污水的處理工程中，但是對這項技術的認識仍然存在很多問題，相對于傳統連續流活性污泥法而言，SBR 技術依然處于發展和完善的階段?，F階段主要存在如下幾方面問題：單一污泥在厭氧和好氧狀態交替過程中微生物活性的變化規律不是很明確；對SBR處理的限制過程缺乏認識，在設計和運行過程中抓不住矛盾的主要方面；SBR處理系統對設計和運行人員技術水平和協作精神要求非常高，而在具體工作中卻普遍存在運行與設計嚴重脫節的問題。

2 SBR系統設計需重點關注的問題

2.1 對部分污染物的去除

SBR單元功能包括：水量和水質的調節、污染物的降解以及固液分離。從其降解過程微生物類群來看屬于單一污泥的降解過程，即利用同一混合微生物種群完成有機物氧化、硝化、反硝化和生物除磷。SBR單元的污染物的降解過程包括：好氧COD的降解過程、好氧氨氮的硝化過程、兼氧硝態氮的反硝化過程、厭氧磷釋放和好氧磷吸收過程以及活性污泥微生物的固液分離過程。一般而言，脫氮除磷是SBR處理系統的瓶頸，從經濟技術可行性的角度而言，磷的去除有兩種途徑，即生物除磷和化學輔助除磷。而氮的去除只有生物脫氮這一條途徑，可見反硝化過程是SBR單元的限制性過程。根據國家行業設計標準HJ577—2010《序批式活性污泥法污水處理工程技術規范》相關規定設計，SBR生物脫氮的氨氮的去除率在85%～95%之間，而總氮去除率卻在60%～85%之間。

另外，從各種污染物降解過程本身來看，反硝化過程最為復雜，因為反硝化過程要考慮兼氧環境的配置與實現、碳源的選擇、單一污泥系統中好氧硝化細菌到兼氧反硝化細菌代謝活動的交替等方面問題。

2.2 配置反硝化工藝

從本質上而言，在SBR單元中通過進水攪拌工序實現反硝化就是一種前置反硝化配置形式。這種配置形式的初衷是利用廢水中易降解COD 作為碳源，降低運行成本。利用原水溶解氧含量低，可以快速形成兼氧環境。但是，前置反硝化也存在對硝態氮（NOx-N）降解不徹底的問題。因為每個周期經過硝化過程后會有部分含有NOx-N 的清液排出，以便為原水的引入騰出空間。

單一污泥反硝化過程中存在其他微生物對易降解COD 的競爭問題，如果好氧硝化工序控制不當，活性污泥吸附也會參與到易降解COD 的競爭中來，會進一步降低前置反硝化的效率。

為了解決脫氮的問題，提出應用CASS 以及CAST 處理系統。CASS 和CAST 處理系統是在SBR的基礎上發展起來的，即在SBR池內進水端設置有生物選擇器，其初衷是防止污泥膨脹。

有技術人員提出了SBR工序變革的方案，即增加兼氧反硝化工序以實現深度脫氮，這種工序配置類似Bardenpho 深度脫氮（后置反硝化）處理系統。有數據顯示采用這種工序配置，進水總氮的去除率可以達到96%，其中反硝化工序占比為66%，合成代謝污泥占比為30%[1-2]。出水總氮5～8 mg/L，出水總磷1～2 mg/L[1，3-6]。

2.3 碳源的選擇

我國很多地區的污水廠都存在碳氮比不足的問題（即碳氮比低于2.86），因此，無論采用何種工序配置的SBR都需要補充一定量的碳源。很多物質都可以作為反硝化過程的外碳源，如甲醇、乙醇、乙酸鈉、工業葡萄糖、乙二醇以及某些工業廢水等。但是反硝化菌對不同碳源的親和力有較大差別，因此相同條件下的反硝化速率相差很大[7-9]。以乙酸為碳源時反硝化速率為0.603 mg NOXN· (mg MLVSS·d)-1，以生活污水為碳源時反硝化速率為0.010 mg NOX-N· (mg MLVSS·d)-1。碳源的選擇對SBR脫氮過程十分重要，在反應器的設計以及運行過程中必須充分認識到這一點。此外，在描述原水性質過程中廣泛使用的“碳氮比”這個概念僅僅對前置反硝化過程有意義，對于深度脫氮的后置反硝化配置方式SBR而言沒有意義。

2.4 水力停留時間

SBR處理系統屬于單一污泥系統，在每一個運轉周期都存在污泥的好氧硝化過程到兼氧反硝化過程的交替，這種交替并不是即時性的，活性污泥從有氧代謝過度到兼氧代謝需要一段時間[10]，在確定反硝化工序以及各工序水力停留時間時要充分考慮這一點。

2.5 溶解氧控制

在SBR系統中通常采用恒定的供氧模式，但是碳水化合物降解（異養微生物代謝過程）和氨氮硝化（自養微生物代謝過程）過程是分先后兩個階段完成的。從氨氮硝化的角度看高溶解氧濃度有利于氨氮的硝化進程，在后續兼氧反硝化過程溶解氧必須要控制在0.3 mg/L 以下。SBR 運轉周期內溶解氧的變化情況[11]見圖3。由圖3 可知，從有氧環境過渡到兼氧環境需要一定的時間，此外，活性污泥微生物從好氧硝化過渡到兼氧反硝化的代謝過程也需要一定的時間[11]。因此，合理控制溶解氧的濃度是SBR 處理系統能否取得滿意處理效果的關鍵因素之一。

圖3 運轉周期內混合液溶解氧的變化規律Fig.3 .Changing law of dissolved oxygen in mixed liquid in a operating cycle

2.6 保溫措施

我國雖然幅員遼闊，但是無論在南方或北方低溫對污水脫氮過程都有影響。很多小型污水廠到了冬季會受到低溫的影響。有數據表明：當水溫低于10 ℃時硝化和反硝化過程將處于停滯狀態。小型污水廠冬季運行除了適當提高污泥齡之外，應當通過以下幾個方面措施降低因低溫的影響：對預處理單元和SBR做好保溫處理，小型處理設施可以考慮建于室內或者對部分處理設施加蓋保溫等；低溫環境下可以適當降低曝氣強度，避免水溫降低；臨時性采用低溫條件下易被反硝化細菌利用的碳源。目前，在我國的設計規范中還沒有考慮到低溫影響方面的問題。

3 結論

在SBR 處理系統中反硝化過程是限制性過程?？梢酝ㄟ^設置進水攪拌前置反硝化工序和深度反硝化脫氮工序提高反硝化脫氮效率。在具體的設計過程中要從合理選擇使用碳源、科學確定深度脫氮工序的時間、準確控制硝化階段溶解氧濃度、采用合理的保溫防護措施等方面入手解決SBR脫氮效率低的問題。