SBR法處理生活污水專利技術(shù)綜述

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，生活污水的排放量劇增，成為水污染的重要來(lái)源之一。本文對(duì)SBR法處理生活污水進(jìn)行了全面梳理， 從全球和國(guó)內(nèi)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人排名、SBR法處理生活污水技術(shù)分布三個(gè)角度對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行歸納，并對(duì)主要申請(qǐng)人北京工業(yè)大學(xué)的專利申請(qǐng)現(xiàn)狀進(jìn)行重點(diǎn)分析。

關(guān)鍵詞：SBR法;生活污水;專利申請(qǐng)

生活污水的成分不僅包括糖類、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、碳水化合物和洗滌劑等，還包括多種微生物，氮、磷、硫含量較高，水體污染嚴(yán)重時(shí)易導(dǎo)致溶解氧耗盡，水質(zhì)惡化時(shí)發(fā)黑變臭，直接威脅人們的身體健康。因此，生活污水的有效處理日益受到人們的關(guān)注。

目前，活性污泥法是生活污水處理最廣泛采用的方法，該方法通過(guò)微生物能有效去除生活污水中的有害物質(zhì)，使出水能夠達(dá)到水質(zhì)要求的排放標(biāo)準(zhǔn)，但傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝普遍存在污泥膨脹和活性污泥濃度難以提高等缺陷。

間歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Process，簡(jiǎn)稱SBR法）是一種按間歇曝氣方式來(lái)運(yùn)行的活性污泥水處理技術(shù)，也稱序批式活性污泥法，最早是由美國(guó)的Natre Dame大學(xué)的R. Irine教授等人于20世紀(jì)70年代初提出的一種污水處理工藝，并于1980年在美國(guó)印第安納州首次投入到污水處理廠的實(shí)際運(yùn)營(yíng)，此后SBR工藝在各國(guó)市政污水處理體系中得到廣泛運(yùn)用和發(fā)展，具有良好的市場(chǎng)前景[1-2]。

SBR工藝的特點(diǎn)是反應(yīng)池集均化、沉淀、生物降解、二沉等功能于一體，無(wú)污泥回流系統(tǒng)，按照進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置五個(gè)階段依次運(yùn)行，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）處理設(shè)備少，省去了二沉池、污泥回流系統(tǒng)、調(diào)節(jié)池等，因而成本低，操作和管理維護(hù)方便;（2）SBR系統(tǒng)可完成厭氧、缺氧及好氧環(huán)境的交替進(jìn)行，使得系統(tǒng)取得良好的脫氮除磷效果，凈化效率高;（3）由于溶解氧濃度（DO）存在梯度，可抑制污泥膨脹現(xiàn)象的產(chǎn)生;（4）由于泥水分離過(guò)程是理想的靜止沉降作用，沉淀效果好;（5）耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，反應(yīng)池內(nèi)滯留的上清液能夠有效稀釋和緩沖進(jìn)水[3]。

一、專利申請(qǐng)現(xiàn)狀

為了全面分析SBR法處理生活污水領(lǐng)域的專利數(shù)據(jù)，筆者在CNABS、VEN數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索，截止2021年5月10日，SBR法處理生活污水領(lǐng)域的全球相關(guān)專利申請(qǐng)共有533項(xiàng)。CNABS庫(kù)以分類號(hào)“CO2F”結(jié)合關(guān)鍵詞“SBR、間歇、序批、活性污泥、生活”檢索共有470篇中文專利文獻(xiàn)，VEN庫(kù)以分類號(hào)“C02F”結(jié)合關(guān)鍵詞“SBR、sequenc+、batch、sanitary、demestic、municipal、sewage”檢索共有63篇外文專利文獻(xiàn)。基于獲得的檢索數(shù)據(jù)，從全球和國(guó)內(nèi)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人排名、SBR法處理生活污水技術(shù)分布三個(gè)角度對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行歸納，以分析SBR法處理生活污水的專利申請(qǐng)現(xiàn)狀。

1、專利申請(qǐng)趨勢(shì)

圖1顯示了SBR法處理生活污水全球和中國(guó)申請(qǐng)趨勢(shì)。從圖1中可以看出，SBR法處理生活污水的全球?qū)＠暾?qǐng)最早起始于1981年，國(guó)外的該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展較早，美國(guó)是全球第一個(gè)提出并投入到實(shí)際運(yùn)營(yíng)的國(guó)家，其后的二十年申請(qǐng)量較少，從2000年開(kāi)始，專利申請(qǐng)量開(kāi)始平穩(wěn)增長(zhǎng)，尤其是從2006年開(kāi)始呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

中國(guó)的SBR法處理生活污水技術(shù)起步較晚，首次申請(qǐng)專利在1996年，但是近幾年發(fā)展勢(shì)頭較猛，2008年之后開(kāi)始發(fā)力，近十年的申請(qǐng)量保持在高位，年均超過(guò)30件。從圖中可以看出，SBR法處理生活污水專利申請(qǐng)大部分集中在中國(guó)，專利申請(qǐng)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，全球創(chuàng)新主體，尤其是中國(guó)創(chuàng)新主體，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注度明顯提升。

2、主要申請(qǐng)人排名

從SBR法處理生活污水專利申請(qǐng)的主要申請(qǐng)人排名，可以看出該領(lǐng)域的主要?jiǎng)?chuàng)新主體。圖2顯示了全球?qū)＠暾?qǐng)人排名，從圖中可以看出，全球排名前十位均是來(lái)自中國(guó)，以高校和科研院所為主，北京工業(yè)大學(xué)以151件專利申請(qǐng)位列第一，申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先，占中國(guó)總申請(qǐng)量的32%，第二、第三位分別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（11件）、同濟(jì)大學(xué)（9件），排名前十的公司為江蘇南極機(jī)械有限責(zé)任公司（5件）、北京安國(guó)水道自控工程技術(shù)有限公司（4件）。外國(guó)申請(qǐng)量集中度相對(duì)不高，主要是公司申請(qǐng)，其技術(shù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用的效率較高。

3、技術(shù)分布情況

為了展現(xiàn)SBR法處理生活污水領(lǐng)域的專利技術(shù)分布情況，從反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、介質(zhì)材料、工藝組合改進(jìn)、工藝參數(shù)優(yōu)化四個(gè)角度來(lái)進(jìn)行分析技術(shù)方案。從圖3中可以看出，工藝組合（178件）和工藝參數(shù)優(yōu)化（158件）是研究的熱點(diǎn)，在SBR法處理生活污水的原理較為完善的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新主體更多是通過(guò)工藝的改進(jìn)來(lái)提高生活污水的水處理效率，水處理的處理方式選擇較多，通過(guò)工藝組合的不斷改進(jìn)以使水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放;反應(yīng)器結(jié)構(gòu)（114件）和介質(zhì)材料（74件）的研究相對(duì)較少，主要是圍繞SBR反應(yīng)池的主體結(jié)構(gòu)和活性污泥的填料載體進(jìn)行研究。

二、主要申請(qǐng)人分析

本文主要對(duì)北京工業(yè)大學(xué)在SBR法處理生活污水領(lǐng)域的專利申請(qǐng)情況進(jìn)行分析。

從圖4的專利申請(qǐng)趨勢(shì)可以看出，北京工業(yè)大學(xué)于2008年提交了第一項(xiàng)SBR法處理生活污水專利申請(qǐng)，2012年的專利申請(qǐng)量從2011年的2件快速增長(zhǎng)到15件，其后幾年申請(qǐng)量一直保持在高位，可見(jiàn)，北京工業(yè)大學(xué)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注度很高。

從目前查找的法律狀態(tài)可以看出，北京工業(yè)大學(xué)的在SBR法處理生活污水共申請(qǐng)151項(xiàng)專利，其在已審的專利法律狀態(tài)來(lái)看，北京工業(yè)大學(xué)的授權(quán)率高達(dá)91%，而中國(guó)的整體授權(quán)率為56.3%，可見(jiàn)，北京工業(yè)大學(xué)的授權(quán)率遠(yuǎn)高于該領(lǐng)域整體的授權(quán)率。

工藝參數(shù)優(yōu)化主要涉及到短程硝化及厭氧氨氧化過(guò)程中的各種參數(shù)控制，如控制低溶解氧（DO=0.30mg/L）條件，接種具有一定亞硝化效果的污泥，能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞硝化的啟動(dòng)，接種全程硝化污泥，采用高-低梯度限氧培養(yǎng)的模式，先在DO=0.70～0.80mg/L下馴化污泥10天，然后再控制低溶解氧（0.30～0.40mg/L）的條件反應(yīng)器出水即可出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累（公開(kāi)號(hào)：CN212374995U）;首先接種污水廠硝化污泥，利用高氨氮、高pH形成較高的游離氨，使亞硝化工藝穩(wěn)定運(yùn)行，然后進(jìn)水改用城市生活污水，并人工加入氨態(tài)氮，不斷增加氣體上升流速增加氣體剪切力，逐步縮短沉淀時(shí)間，并調(diào)節(jié)曝氣量保證一定的總氮損失、氨氧化率和亞硝化率實(shí)現(xiàn)絮狀污泥顆粒化（公開(kāi)號(hào)：CN104986923A）;城市污水自養(yǎng)/異養(yǎng)深度脫氮過(guò)程主要是采用低氧曝氣，部分短程硝化節(jié)省曝氣量，并且利用原水碳源進(jìn)行深度脫氮，出水總氮濃度低（公開(kāi)號(hào)：CN105692902A）。

介質(zhì)材料包括污水源頭添加劑、菌種添加劑等，如通過(guò)將剩余污泥發(fā)酵物和生活污水混合處理，能夠解決生活污水不能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)短程硝化的問(wèn)題（公開(kāi)號(hào)：CN101786763A）;利用原水和苯酚化合物作為碳源，高濃度苯酚對(duì)系統(tǒng)污泥組成結(jié)構(gòu)影響較大，末期亞硝積累率達(dá)91%，并穩(wěn)定維持在90%以上，適合酚類化合物含量較大的城市生活污水（公開(kāi)號(hào)：CN101054250A）;一體化自養(yǎng)脫氮同步強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)設(shè)有三種菌：亞硝化細(xì)菌，聚磷菌以及附著在海綿填料上的厭氧氨氧化菌（公開(kāi)號(hào)：CN101973674A）;適量投加羥胺可提高氨氧化菌（AOB）的細(xì)胞產(chǎn)率，并抑制NOB的活性，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化（公開(kāi)號(hào)：CN110028158A）。

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，如在AOA-SBR中實(shí)現(xiàn)異養(yǎng)與自養(yǎng)耦合深度脫氮同步污泥減量的裝置，城市污水與污泥發(fā)酵混合物同時(shí)進(jìn)入AOA?SBR反應(yīng)器，在厭氧段生活污水和污泥發(fā)酵物里的有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為PHA儲(chǔ)存在體內(nèi)，在好氧段通過(guò)短程硝化作用將氨氮部分轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，在缺氧段剩余氨氮和亞硝態(tài)氮發(fā)生厭氧氨氧化作用，同時(shí)反硝化菌將剩余的亞硝態(tài)氮以及厭氧氨氧化作用產(chǎn)生的硝態(tài)氮還原為氮?dú)猓瓿缮疃让摰ü_(kāi)號(hào)：CN101628772A）;處理生活污水的自流內(nèi)循環(huán)好氧顆粒污泥連續(xù)流反應(yīng)器通過(guò)不同功能區(qū)的攪拌和曝氣提供了足夠的剪切作用，可有效的提高細(xì)胞的疏水性并促進(jìn)EPS的分泌，可在長(zhǎng)期運(yùn)行的連續(xù)流模式中實(shí)現(xiàn)非常良好的同步脫氮除磷功能（公開(kāi)號(hào)：CN105481200A）;低碳城市污水實(shí)現(xiàn)部分亞硝化的裝置主要通過(guò)推流式部分亞硝化反應(yīng)器分為四個(gè)格室，第1、2、4格室為好氧區(qū)、第3格室為缺氧區(qū)，通過(guò)SBR方式來(lái)達(dá)到控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)的良好效果（公開(kāi)號(hào)：CN106966557A）。

工藝組合主要涉及到SBR的多級(jí)串聯(lián)，如兩段序批式反應(yīng)器通過(guò)生物強(qiáng)化除磷耦合部分短程硝化反應(yīng)器（EBPR?PN?SBR）與厭氧氨氧化耦合污泥發(fā)酵與反硝化反應(yīng)器（ASFD?SBR）的配合，實(shí)現(xiàn)低碳氮比（C/N）城市生活污水的脫氮除磷和污泥的再利用（公開(kāi)號(hào)：CN101100333A）;反硝化除磷反應(yīng)器SBR與厭氧氨氧化SBR反應(yīng)器串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、高效的同步脫氮除磷效果（公開(kāi)號(hào)：CN110040852A）;設(shè)有兩個(gè)A2/O-SBR反應(yīng)器、N-SBR反應(yīng)器，通過(guò)PLC系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)控制，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，自動(dòng)化程度高，可控性好，可實(shí)現(xiàn)低C/N生活污水的深度脫氮除磷（公開(kāi)號(hào)：CN201762210U）;包括順序串聯(lián)的原水水箱、除有機(jī)物SBR反應(yīng)器、第一調(diào)節(jié)水箱、半短程硝化SBR反應(yīng)器、第二調(diào)節(jié)水箱和自養(yǎng)脫氮UASB反應(yīng)器，避免了異養(yǎng)菌的快速繁殖對(duì)自養(yǎng)脫氮菌群的影響，硝化系統(tǒng)采用半段短程硝化，使其更易穩(wěn)定維持短程，保證硝化系統(tǒng)的亞硝化率，為系統(tǒng)脫氮穩(wěn)定性提供保障（公開(kāi)號(hào)：CN211644993U）。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉永淞. SBR法設(shè)計(jì)方法探討[J].中國(guó)給水排水，1992，8（5）：36-39.

[2] 金兆豐，余志榮. 污水處理組合工藝及工程實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

[3] 趙群英，王俞舒. 間歇式活性污泥法（SBR法）在生活污水處理中的應(yīng)用[J].凈水技術(shù)，2011，（6）：36-38.

作者簡(jiǎn)介：

尹光斌，1986年10月，男，安徽池州人，助理研究員，碩士，主要從事水處理領(lǐng)域發(fā)明專利的實(shí)質(zhì)審查，江蘇蘇州市。