序批反應(yīng)器技術(shù)用于油田礦區(qū)污水處理

孫滿

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

半連續(xù)形式的污水處理系統(tǒng)于1914 年最早開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于工程實(shí)踐。由于當(dāng)時(shí)控制技術(shù)和設(shè)備制造水平的限制，該技術(shù)沒(méi)有推廣應(yīng)用。20 世紀(jì)70年代，在曝氣供氧系統(tǒng)以及控制技術(shù)取得顯著進(jìn)步的背景下，成功開(kāi)發(fā)出了序批式反應(yīng)器（Sequencing Bath Reactor-SBR）污水處理系統(tǒng)。隨著《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》的頒布實(shí)施，對(duì)污水的排放要求日益嚴(yán)格，為避免對(duì)自然環(huán)境造成污染，需對(duì)各類污水進(jìn)行有序的處理，SBR污水處理技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用到各類生活污水處理工程中。

1 SBR技術(shù)原理與特點(diǎn)

1.1 基本工藝配置

SBR 污水處理系統(tǒng)的基本工藝配置見(jiàn)圖1。其中包括預(yù)處理系統(tǒng)、污泥處置系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)、消毒處理系統(tǒng)。在深度處理系統(tǒng)中要根據(jù)具體的處理過(guò)程決定是否設(shè)置調(diào)節(jié)池。就SBR單元本身而言其運(yùn)行包括進(jìn)水、反應(yīng)、靜沉、排水、待機(jī)五個(gè)基本工序（圖2）。SBR單元的工作是間歇的，采用兩個(gè)以上SBR單元交替工作的方法就可以解決進(jìn)水的連續(xù)性問(wèn)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(shù)特點(diǎn)

相對(duì)其他污水處理技術(shù)而言SBR處理技術(shù)具有靈活性高、可拓展性好的特點(diǎn)。

因?yàn)镾BR單元是交替工作，每一個(gè)周期都會(huì)騰出一定空間，且可以根據(jù)原水的波動(dòng)情況對(duì)工序進(jìn)行調(diào)整[1]，因此在SBR 處理系統(tǒng)中無(wú)需設(shè)置初沉池、調(diào)節(jié)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(wèn)題。由此可見(jiàn)，SBR處理技術(shù)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(shí)現(xiàn)深度脫氮。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，幾乎每一個(gè)污水廠都面臨提標(biāo)和擴(kuò)容的問(wèn)題，因此無(wú)論何種處理工藝，系統(tǒng)的可拓展性都是重要考核指標(biāo)。在SBR系統(tǒng)中，可以通過(guò)增加SBR單元以及增設(shè)后續(xù)深度處理單元方法，解決擴(kuò)容和改造方面的問(wèn)題。因此，SBR處理系統(tǒng)具有很好的可拓展性。

1.3 存在的問(wèn)題

從20 世紀(jì)90 年代初至今，我國(guó)SBR 技術(shù)成功地應(yīng)用于各類污水的處理工程中，但是對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的認(rèn)識(shí)仍然存在很多問(wèn)題，相對(duì)于傳統(tǒng)連續(xù)流活性污泥法而言，SBR 技術(shù)依然處于發(fā)展和完善的階段?，F(xiàn)階段主要存在如下幾方面問(wèn)題：?jiǎn)我晃勰嘣趨捬鹾秃醚鯛顟B(tài)交替過(guò)程中微生物活性的變化規(guī)律不是很明確；對(duì)SBR處理的限制過(guò)程缺乏認(rèn)識(shí)，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中抓不住矛盾的主要方面；SBR處理系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員技術(shù)水平和協(xié)作精神要求非常高，而在具體工作中卻普遍存在運(yùn)行與設(shè)計(jì)嚴(yán)重脫節(jié)的問(wèn)題。

2 SBR系統(tǒng)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題

2.1 對(duì)部分污染物的去除

SBR單元功能包括：水量和水質(zhì)的調(diào)節(jié)、污染物的降解以及固液分離。從其降解過(guò)程微生物類群來(lái)看屬于單一污泥的降解過(guò)程，即利用同一混合微生物種群完成有機(jī)物氧化、硝化、反硝化和生物除磷。SBR單元的污染物的降解過(guò)程包括：好氧COD的降解過(guò)程、好氧氨氮的硝化過(guò)程、兼氧硝態(tài)氮的反硝化過(guò)程、厭氧磷釋放和好氧磷吸收過(guò)程以及活性污泥微生物的固液分離過(guò)程。一般而言，脫氮除磷是SBR處理系統(tǒng)的瓶頸，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(xué)輔助除磷。而氮的去除只有生物脫氮這一條途徑，可見(jiàn)反硝化過(guò)程是SBR單元的限制性過(guò)程。根據(jù)國(guó)家行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)HJ577—2010《序批式活性污泥法污水處理工程技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)，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(guò)程本身來(lái)看，反硝化過(guò)程最為復(fù)雜，因?yàn)榉聪趸^(guò)程要考慮兼氧環(huán)境的配置與實(shí)現(xiàn)、碳源的選擇、單一污泥系統(tǒng)中好氧硝化細(xì)菌到兼氧反硝化細(xì)菌代謝活動(dòng)的交替等方面問(wèn)題。

2.2 配置反硝化工藝

從本質(zhì)上而言，在SBR單元中通過(guò)進(jìn)水?dāng)嚢韫ば驅(qū)崿F(xiàn)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(yùn)行成本。利用原水溶解氧含量低，可以快速形成兼氧環(huán)境。但是，前置反硝化也存在對(duì)硝態(tài)氮（NOx-N）降解不徹底的問(wèn)題。因?yàn)槊總€(gè)周期經(jīng)過(guò)硝化過(guò)程后會(huì)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(guò)程中存在其他微生物對(duì)易降解COD 的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，如果好氧硝化工序控制不當(dāng)，活性污泥吸附也會(huì)參與到易降解COD 的競(jìng)爭(zhēng)中來(lái)，會(huì)進(jìn)一步降低前置反硝化的效率。

為了解決脫氮的問(wèn)題，提出應(yīng)用CASS 以及CAST 處理系統(tǒng)。CASS 和CAST 處理系統(tǒng)是在SBR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，即在SBR池內(nèi)進(jìn)水端設(shè)置有生物選擇器，其初衷是防止污泥膨脹。

有技術(shù)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)。有數(shù)據(jù)顯示采用這種工序配置，進(jìn)水總氮的去除率可以達(dá)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(guó)很多地區(qū)的污水廠都存在碳氮比不足的問(wèn)題（即碳氮比低于2.86），因此，無(wú)論采用何種工序配置的SBR都需要補(bǔ)充一定量的碳源。很多物質(zhì)都可以作為反硝化過(guò)程的外碳源，如甲醇、乙醇、乙酸鈉、工業(yè)葡萄糖、乙二醇以及某些工業(yè)廢水等。但是反硝化菌對(duì)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(shí)反硝化速率為0.603 mg NOXN· (mg MLVSS·d)-1，以生活污水為碳源時(shí)反硝化速率為0.010 mg NOX-N· (mg MLVSS·d)-1。碳源的選擇對(duì)SBR脫氮過(guò)程十分重要，在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)以及運(yùn)行過(guò)程中必須充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。此外，在描述原水性質(zhì)過(guò)程中廣泛使用的“碳氮比”這個(gè)概念僅僅對(duì)前置反硝化過(guò)程有意義，對(duì)于深度脫氮的后置反硝化配置方式SBR而言沒(méi)有意義。

2.4 水力停留時(shí)間

SBR處理系統(tǒng)屬于單一污泥系統(tǒng)，在每一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期都存在污泥的好氧硝化過(guò)程到兼氧反硝化過(guò)程的交替，這種交替并不是即時(shí)性的，活性污泥從有氧代謝過(guò)度到兼氧代謝需要一段時(shí)間[10]，在確定反硝化工序以及各工序水力停留時(shí)間時(shí)要充分考慮這一點(diǎn)。

2.5 溶解氧控制

在SBR系統(tǒng)中通常采用恒定的供氧模式，但是碳水化合物降解（異養(yǎng)微生物代謝過(guò)程）和氨氮硝化（自養(yǎng)微生物代謝過(guò)程）過(guò)程是分先后兩個(gè)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(jìn)程，在后續(xù)兼氧反硝化過(guò)程溶解氧必須要控制在0.3 mg/L 以下。SBR 運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)溶解氧的變化情況[11]見(jiàn)圖3。由圖3 可知，從有氧環(huán)境過(guò)渡到兼氧環(huán)境需要一定的時(shí)間，此外，活性污泥微生物從好氧硝化過(guò)渡到兼氧反硝化的代謝過(guò)程也需要一定的時(shí)間[11]。因此，合理控制溶解氧的濃度是SBR 處理系統(tǒng)能否取得滿意處理效果的關(guān)鍵因素之一。

圖3 運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)混合液溶解氧的變化規(guī)律Fig.3 .Changing law of dissolved oxygen in mixed liquid in a operating cycle

2.6 保溫措施

我國(guó)雖然幅員遼闊，但是無(wú)論在南方或北方低溫對(duì)污水脫氮過(guò)程都有影響。很多小型污水廠到了冬季會(huì)受到低溫的影響。有數(shù)據(jù)表明：當(dāng)水溫低于10 ℃時(shí)硝化和反硝化過(guò)程將處于停滯狀態(tài)。小型污水廠冬季運(yùn)行除了適當(dāng)提高污泥齡之外，應(yīng)當(dāng)通過(guò)以下幾個(gè)方面措施降低因低溫的影響：對(duì)預(yù)處理單元和SBR做好保溫處理，小型處理設(shè)施可以考慮建于室內(nèi)或者對(duì)部分處理設(shè)施加蓋保溫等；低溫環(huán)境下可以適當(dāng)降低曝氣強(qiáng)度，避免水溫降低；臨時(shí)性采用低溫條件下易被反硝化細(xì)菌利用的碳源。目前，在我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范中還沒(méi)有考慮到低溫影響方面的問(wèn)題。

3 結(jié)論

在SBR 處理系統(tǒng)中反硝化過(guò)程是限制性過(guò)程?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置進(jìn)水?dāng)嚢枨爸梅聪趸ば蚝蜕疃确聪趸摰ば蛱岣叻聪趸摰省Ｔ诰唧w的設(shè)計(jì)過(guò)程中要從合理選擇使用碳源、科學(xué)確定深度脫氮工序的時(shí)間、準(zhǔn)確控制硝化階段溶解氧濃度、采用合理的保溫防護(hù)措施等方面入手解決SBR脫氮效率低的問(wèn)題。