SBR工艺设计探讨

出　　自：北京市市政工程设计研究总院建院四十五周年论文集
陈建生
【摘要】 序批式活性污泥法日益受到重视。本文在其工艺的特点、机理、设计方法等方面进行了简要的探讨。
【关键词】 SBR 机理 设计
1 前言
SBR法是通过时间上的安排，在一个池子内完成了进水、反应、沉淀和排水等一系列工艺过程，构成了一个周期。这种工艺近年来在我国已广泛应用。但是，这种工艺组合方式多变，加之应用时间较短，尚未总结出一套完整的设计、控制方法，因此制约着SBR法的进一步推广和应用。本文拟在前人研究的基础上，结合本人在工程设计中的体会，对SBR法的工艺设计方法谈谈个人的见解。
2 SBR法的特点
序批式活性污泥法是污水生化处理方法中的一种间歇运行的处理工艺。它具有以下特点：
·工艺简单，占地面积小、设备少、节省投资。由于只有一个反应器，不需二沉池、回流污泥及其设备，一般情况不设调节池。
·理想的推流过程使生化反应推力大、处理效率高。
·运行方式灵活，由于反应在同一个反应器内进行，可以从时间上安排曝气、缺氧和厌氧等不同状态下工作，实现除磷脱氮的目的。
·污泥活性高，沉降性能好。
·耐冲击负荷，处理能力强。
3 工作机理
3.1 生化处理过程
污水分批注入反应池，然后按顺序进行反应、沉淀，处理水（上清液）分批排出，完成一个处理过程。
进水初期，由于没有向系统供气，混合液中游离氧和残留在池内的游离氧首先被消耗，系统由缺氧状态转为厌氧状态。曝气初期，系统供氧不足，加之在静沉、排水、闲置阶段并未供氧，系统处于缺氧阶段。在曝气反应阶段，大量的氧气注入反应池（维持溶解氧在2～4mg／l之间），系统处于好氧阶段。
以上三个阶段间歇交替运行，按时间编程自动控制的周期循环往复，始终保持污泥的活性，充分利用活性污泥对有机物质高效吸附、降解等特点，确保处理后的水质达到最佳效果。

3.2 生化处理机理
SBR生化反应过程经历厌氧和好氧阶段，SBR反应池在非稳定条件下运行，池内生物相复杂，微生物种类繁多，有机物去除率很高。特别是在运行初期，反应池内氧浓度低，一些兼氧性细菌通过厌氧消化和不完全氧化，使污水中部分难以降解的物质转化为易降解物质。
SBR具有较好的脱氮功能。进水初期，池内残留的游离氧首先消耗，反硝化菌以污水中的有机碳作为供体，把池内残留的NO－N还原成氮气或供自身合成反应需要的有机氮。另一方面，由于进水期活性污泥对高浓度基质的吸附，并以聚物形式贮存起来，当反应液中有机物质去除达到部分硝化后，减少或停止向系统供氧，絮凝体形成菌胶团则可将进水期吸附贮存的碳源释放出来，使兼性反硝化菌进行反硝化脱氮。在SBR静沉、排水期间，微生物处于内源呼吸状态，反硝化菌以内源碳作为供体进行反硝化脱氮。
生物除磷的反应过程同样是在厌氧、好氧条件下进行的，积磷菌处于厌氧状态，将好氧阶段积聚的磷，一部分转化为细菌自身的合成能量，一部分在产酸菌的作用下转化为磷酸盐。在好氧阶段，积磷菌大量的吸收污水的磷，使污水中的磷转化到污泥中，通过排泥达到除磷的目的。
4 工艺设计方法
SBR法是在单一的反应池内进行活性污泥处理工艺，并使污水处理的单元操作以时间的形式连续地进行处理的方法。
工序组成有：
进水→曝气→沉淀→排水
4.1 各工序所需时间的计算
SBR法的一个运行周期所需的时间就是上述工序所需时间的总和。
各工序所需的时间必须满足下列条件：
T≥TA＋Ts＋TD
TF＝T／N
Ts＋TD≤T－TF式中：T－一个周期的所需时间
TF－进水时间
TA－曝气时间
Ts－沉淀时间
TD－排水时间
N－每一个系列的反应池数量
4.1.1 进水时间TF
根据每一系列的反应池数、总进水量、最大变化系数和反应池的有效容积等因素确定。
4.1.2 曝气时间TA
根据MLSS浓度、BOD－SS负荷、排出比、进水BOD浓度来确定。
因为： BOD－SS负荷＝Qs×Cs／e×CA×V（kgBOD／kgSS.d）
式中：Qs－污水进水量（m3／d）
Cs－进水平均BOD（mg／l）
CA－反应池内平均MLSS浓度（mg／l）
V－反应池容积（m3）
e－曝气时间比
e＝n＊TA／24
n－周期数
TA－1个周期的曝气时间
由于
Qs＝V×1／m×n
1／m－排出比
则 BOD－SS负荷（LS）＝n×Cs／e×m×CA（kgBOD／kgSS.d）
将e＝n＊TA／24代人
TA＝24×Cs／Ls×m×CA
4.1.3 沉淀时间Ts
根据活性污泥界面的沉降速度、排出比确定。
活性污泥界面的沉降速度和MLSS浓度有关。由经验公式得出：
当MLSS≤3000mg／l时
Vmax＝7.4×104×t×CA1.7
当MLSS＞3000mg／l时
Vmax＝4.6×104×CA1.26
式中　Vmax－活性污泥界面的沉降速度（m／h）
t－水温℃
CA－开始沉降时的MLSS浓度（mg／l）
沉淀时间Ts＝H×（1／m）＋ε／Vmax
式中：H－反应池水深（m）
1／m－排出比
ε－活性污泥界面上的最小水深（m）
Vmax－活性污泥界面的初期沉降速度（m／h）
TA与污泥的沉降性能及反应池的表面积有关，由于SBR系统污泥沉降性能良好（根据运行经验SVI一般在100mg／l左右），且为静止沉淀，沉淀时间一般为1－2小时。
4.1.4 排水时间TD
每一周期的排水时间可根据上清液排水装置的溢流负荷、排出比确定。通过增加排水装置的台数或扩大溢流负荷来缩短。反之，减少排水装置的台数，需将排水时间延长。
排水时间可用下式计算：
TD＝Q·TF／qD式中：qD为滗水器的排水速度排水时间不宜太短，否则会扰动泥层，降低出水质量。
4.1.5 排泥时间Tw
排泥时间Tw根据每周期要排放的剩余污泥量及排泥设备的速度。
排水时间可用下式计算：
Tw＝Qw／qw
式中：Qw－每周期要排放的剩余污泥量
qw－排泥设备的排放速度
4.2 反应池的设计
SBR工艺的反应池形式有圆形和矩形。
反应池的设计参数主要有：BOD－SS负荷；反应池内的污泥浓度MLSS；排出比等。
反应池容积 V＝m·q／n×N
式中：V－各反应池的容量
1／m－排出比
n－周期数
N－每一系列反应池数量
q－每一系列污水进水量
周期数可由公式算出：
n＝24／（TA＋Ts十TD）
4.3 需氧量计算
在SBR工艺中，每一周期的需氧量可由下式求得：
OD＝0.54×Lr＋0.0033×CA×TA＋4.57×No－2.86ND
式中：OD－需氧量
Lr－BOD去除量
CA－反应池内的生物量
TA－曝气时间
No－硝化量
ND－脱氮量
根据上式，虽可求出需氧量，但在设计中，一般采用：
当高负荷运行时，需氧量为0.5－1.5kgO2／kgBOD
当低负荷运行时，需氧量为1.5－2.5kgO2／kgBOD
4.4 曝气设备
曝气设备虽然有多种多样，但在SBR法中，由于在同一反应池进行曝气、沉淀，所以要求曝气装置具备不易堵塞，既能供氧又对混合液进行充分搅拌的性能。
4.4.1 微孔曝气器
从混合状态分析，微孔曝气器分散的气泡直径小，主要是垂直方向上起混合作用，因此对周围混合液的混合搅拌强度低，不能有效地利用反应池内的活性污泥降解有机物。
4.4.2 中粗气泡曝气器
中粗气泡曝气器克服了微孔曝气器的缺点，并在混合能力上有所提高，其氧转移效率在6％－12％，是目前应用较多的曝气器。
4.4.3 自吸式射流曝气器
自吸式射流曝气器对于小型工程，安装方便，运行灵活，且因设备可直接设于池内，省去了鼓风、管道和曝气设备的投资。
4.4.4 喷射式混合搅拌曝气器
喷射式混合搅拌曝气系统能灵活的实现A／O、A2／O等工艺操作，实现去除有机物的同时除磷脱氮。
4.5 滗水器
由于SBR工艺是周期排水，且排水时池中水位是不断变化的，为了保证排水时不扰动池中各层清水，且排出的总是上层，同时为了防止水面上的浮渣溢出，排水堰口始终处于淹没流状态。因此，SBR工艺要求使用滗水器（浮动式排水堰）。
4.6 控制系统
SBR工艺中按照时间程序，需定时进行开关操作，这些操作均为时间程序控制，无控制回路，非常易于实现自控。
5 工程设计示例
某制药厂采用SBR处理系统对全厂生产废水和生活污水进行处理。
5.1 设计参数

① 进水水质：进水流量：Q＝2500m3／d
BOD 650mg／l
COD 800mg／l
SS 120mg／l
② 出水水质：BOD≤60mg／l
COD≤100mg／l
SS≤20mg／l
③ 处理工艺流程：
5.2 工艺计算
5.2.1 格栅（计算略）
5.2.2 调节池
用于调节水质、水量。采用水下搅拌器搅拌，防止污泥沉淀。
水力停留时间：6小时
外形尺寸：15×10×5m
有效水深：4.2m
5.2.3 SBR反应池
设计条件：
反应池池数 N＝2
反应池有效水深 H＝6.0m
安全高度ε＝0.5m
排出比1／m＝1／3
MLSS浓度 CA＝4000mg／l
BOD－SS负荷 Ls＝0.25kgBOD／kgSS·d
①曝气时间TA：
TA＝24·Cs／Ls·m·CA
＝24·650／0.25·3·4000
＝5.2h
②沉淀时间Ts：
Ts＝H·（1／m）＋ε／Vmax
当MLSS＜3000mg／1时
Vmax＝7.4×104×t×CA1.7
当MLSS＞3000mg／1时
Vmax＝4.6×104×t×CA-1.26
则　Ts＝H·（1／m）＋ε／4.6×104×t×CA-1.26
＝5·（1／3）＋0.5／4.6×104×t×4000-1.26
＝1.7h
③排水时间TD：
选滗水器的排水速度450m3／h
则排水时间TD＝1.1小时
④一周期所需要的时间T：
T≥TA＋Ts＋TD＝5.2＋1.7＋1.1＝8.0h
周期数n＝24／（TA＋Ts＋TD） ＝24／8 ＝3
进水时间TF＝T／N ＝8／2＝4h
⑤反应池容积：
反应池容积V＝m·q／n×N ＝3×2500／3×2 ＝625m3／池
⑥需氧量：
由于当低负荷运行时，需氧量为1.5－2.5kgO2／kgBOD
此处，以2.0kgO2／kgBOD计算
则 OD＝2500×650×10↑（－3）×2.0 ＝3250kgO2／d
当周期数n＝3、反应池数量N＝2
则每一周期需氧量为：OD＝3250／3＊2＝541.7kgO2／周期·池
曝气时间前面计算为5.2小时，
OD＝541.7／5.2＝104.2kgO2／h
⑦标准需氧量
根据需氧量、污水温度以及大气压的换算可求出标准需氧量SOR。
当混合液水温200C，混合液的DO浓度为2mg／l，反应池水深为6m时：
SOR＝142.2kgO2／h（计算过程略）
⑧其它
曝气设备、滗水装置、污泥脱水设备等计算略
5.3 技术经济分析
土建费：65.09万元
设备费：75.85万元
其它费用：41.66万元（安装、调试、管理、设计等费用）
工程总投资：182.6万元
单方工程造价：730.4元／m3
6 结束语
SBR工艺，由于有工艺简单、设备少、造价低、运行管理方便等优点，近年来国内一些中小型污水处理厂已经采用或正在采用。系统进一步拓宽了活性物泥法的使用范围，特别是在小规模生活污水处理厂、用地紧张的地方或对已建连续流污水处理厂的改造等方面有着广泛的应用前景。
参考文献
［1］王彩霞主编，序批式活性污泥法，《城市污水处理新技术》
［2］曝气、沉淀一体化活性污泥工艺设计方法和问题讨论，《给水排水》，1999.3
［3］序批式活性污泥法设计指南，日本下水道事业团主编，1990