间歇式活性污泥法及其在高含盐废水处理中应用的研究进展

1、间歇式活性污泥法及其在高含盐废水处理中应用的研究进展            【关键词】  间歇式活性污泥法；含盐污水；盐抑制动力学； 盐度冲击； 脱氮除磷    水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是经济社会可持续发展和维持生态平衡、保持环境优美的重要基础。据2006年3月22日在墨西哥城第四届水资源论坛上公布的世界水资源开发报告称，全球用水量在20世纪增加了6倍，增长速度是人口增速的2倍，有11亿人缺水，26亿人无法

2、保证用水卫生；到2030年全球工农业及城市用水供需矛盾更趋紧张，水资源安全问题日趋恶化1。目前，沿海城市以选择海水代用作为缓解日趋严重的水资源危机的出路，其中以海水冲厕应用最广，用水量最大2。但海水代用产生了大量的高含盐废水，由于高盐浓度会引起微生物细菌质壁分离或丧失活性，对传统生物处理系统具有较大的抑制作用。近20年来，由于计算机和相应软件的普及和应用，自动控制技术的不断发展，占地面积小、结构紧凑的间歇式活性污泥法（又称序批式活性污泥法，sequencing batch reactor，SBR）以其突出的优越性而获得青睐，特别是在高含盐废水处理领域，引起广泛关注。1  SBR原理和

3、工艺特征    SBR是一种不同于传统活性污泥法的废水处理工艺。1914年Arden等3首创了间歇式运行的活性污泥法，采取进水排水(fill-draw)方式运行，由于受当时技术条件的限制，工艺操作烦琐，而且容易引起设备堵塞。随着自动控制技术的飞速发展，各类仪器设备如水位计、电动阀、气动阀、定时器、氧化还原电位测定仪、信号处理设备等的开发和应用，使得20世纪初的序批式活性污泥工艺存在的问题迎刃而解，成为当前一项十分重要的废水处理技术4。    SBR技术的整个工艺流程分为流入、反应、沉淀、外排和闲置，5个操作工序在一个反应器内，按特定的

4、时间顺序间歇运行5。在流入阶段，废水进入反应器，池内水位逐渐上升，当到达设定最高水位时，水位计会给出信号使进水停止，进入反应工序。SBR的反应阶段可分为3种状态，如果进行曝气，则工况处于好氧状态，有好氧生物反应发生；如果进行搅拌，则处于缺氧状态；如果既不曝气又不搅拌，则处于厌氧状态。根据废水水质要求，统筹三种工况，可实现一些重要的生化反应，如厌氧释磷、反硝化脱氮等。在沉淀阶段，停止曝气和搅拌，混合液中污泥通过重力沉淀实现固液分离，澄清的上层净化水待排除。由于是静置沉淀，具有较高的沉淀分离效率。沉淀过程结束后开始排放工序，上清液由机械旋转滗水器等设备外排，池内水位逐渐下降，待水位达最小水位时停止

5、，并开始外排剩余污泥。排泥结束后进入闲置阶段，为维持污泥的活性，必须进行搅拌或曝气使之再生；如果考虑节能和在厌氧状态下释出磷，可不进行搅拌和曝气。    SBR技术除了上述常规的运行工艺外，科学家和工程技术人员基于SBR法进行了改进，从间歇进水到连续进水、脱氮除磷功能的完善、污泥膨胀控制等方面进行了不断改进和创新，形成了如间歇循环延时曝气法（ICEAS）、循环活性污泥法（CASS）、连续进水间歇曝气法（DAT-IAT）、一体化活性污泥法（Unitank）、T型氧化沟法（T-Ditch）等各具特色的新工艺流程与变形技术。    作为一项

6、新兴的废水处理技术，SBR法之所以受到工程技术界的青睐并迅速推广，是由于其独特的运行方式和其他技术无法比拟的优势。    （1）工艺流程短。不需要设置流量调节池、二沉池及回流泵房，而二沉池及污泥回流泵房占地面积相当于曝气池的80。SBR法在一个池子内通过时间调节和安排，及电子计算机调控，对化学需氧量（COD）、悬浮固体、氮和磷等完成净化过程，实现厌氧、缺氧和好氧等生化反应过程。    （2）耐冲击负荷能力强。SBR的混合状态属于典型的完全混合式，具有较强的耐冲击能力。SBR反应器内活性污泥浓度较高，并且在冲水阶段，SBR反应池相当于均

7、化池，可以承受高峰流量和有机物浓度的冲击，出水水质稳定。    （3）能有效防止污泥膨胀。SBR具有选择器效应，反应初期底物浓度高，有利于絮体细菌增殖，形成优势菌属，抑制专性好氧丝状菌的过分增殖。此外，SBR法中好氧、缺氧状态交替进行，也能抑制丝状菌生长，避免污泥膨胀的发生。    （4）生化反应推动力大。Irvine等6的研究表明：微生物活性最重要指标的RNA含量，SBR法是传统活性污泥法的34倍。SBR反应器在时间上是理想推流过程，底物浓度梯度大，克服了连续流完全混合式曝气池中底物浓度低，反应推动力小的缺点，同时也避免了推流式曝气

8、池中水路反混现象的出现。    （5）操作灵活。SBR法能够根据水质、水量的变化，采取适当的控制手段，如改变进水方式和运行顺序、调整运行时间和曝气强度，以各种方式灵活运行，保证出水水质。    （6）基建和运行费用低。SBR系统的主体结构仅一座间歇式曝器池，基建费用比较低。Ketchum 7  研究发现，采用SBR法处理小城镇污水比传统连续流活性污泥法节省投资30以上。另外，由于SBR无回流系统，不需二沉池，较其他生化系统更易于维护8。2  SBR在高含盐废水处理研究中的应用    目

9、前，已利用SBR技术研究了生物处理高含盐废水的降解动力学、影响因素、运行效率和控制技术等，给高含盐废水的生物处理提供了新的途径。2.1  降解动力学研究 生物处理含盐污水时，由于无机盐对生物系统的影响，常常会导致较低的有机物去除速率和去除效率。为了定量盐度对有机物去除的影响，崔有为等9研究了生物处理含盐污水的盐抑制动力学，为具体设计含盐污水生物处理过程提供了依据。试验采用SBR反应器，对含盐污水的有机物降解速率和去除率进行了研究。为了获得基本数据，首先研究淡水环境下的基质降解动力学，然后对1035 g/L盐度环境分别进行试验。结果发现，盐度对生物处理系统的抑制属于非竞争模式

10、，同时影响了最大降解速率和饱和常数。COD最大降解速率随着盐度的升高而下降。在低于20 g/L盐度环境内，随着盐度的升高，饱和常数Ks值逐渐增大。而高于20 g/L盐度环境内，随着盐度的升高，饱和常数Ks值逐渐降低。试验确定的盐抑制常数KY为2 333 mg/L，并进一步给出了各盐度下有机物降解速率方程。    Kargi等10利用序批式反应器研究盐度对生物处理系统的影响，结果表明，污水盐度在1050 g/L时，COD最大基质降解速率为890 mg·L-1·h-1，饱和常数为820 mg/L，而盐抑制常数高达100 g/L。2.2 

11、耐冲击性能研究  崔有为等11利用3个平行的SBR反应器研究了无盐、含25 g/L盐度和35 g/L盐度活性污泥系统的最大抗盐度冲击范围。实验接种等量的城市污水处理厂二沉池的回流污泥，用生活污水进行驯化，当处理系统出水澄清且COD去除率稳定后，向生活污水中投加NaCl配制不同盐度的污水，按递增5 g/L的NaCl盐度梯度进行驯化。冲击实验具体是5、10、15、20、25、30 g/L梯度冲击各反应系统。每个盐度梯度冲击2个周期，然后恢复至初始状态，达到稳定后再进行下一个盐度梯度的冲击。结果表明,上述3个系统的最大抗盐度冲击范围分别是020、530、1535 g/L 。当处理系统受到盐

12、度冲击时,普遍会出现有机物去除率下降、出水悬浮固体浓度升高、污泥大量流失等现象。但是，当进水盐度恢复到初始值且保持稳定,有足够长的恢复时间,则系统的处理效果可以恢复。    冯叶成等12研究了不同含盐量的间歇性活性污泥处理系统的耐盐水冲击负荷性能。冲击影响试验表明：当处理生活污水的活性污泥系统受到NaCl冲击(负荷小于5 g/L)，系统不会受到太大的影响；活性污泥氧摄入速率(OUR)和系统的总有机碳(TOC)去除率仍能保持正常，冲击负荷大于10 g/L后，盐对活性污泥产生影响，活性污泥OUR降低35，TOC去除率降低约30。    总

13、体上经过高盐驯化的活性污泥可以使处理系统的微生物生长适应不利环境,但是无法提高活性污泥的抗冲击能力。高盐驯化系统内的活菌数在从高盐环境转变为低盐或淡水环境时会增加,但并不意味着这些微生物可以立即完善自身酶系统对污水中有机物进行降解,面对生长环境的突变,其还需一定的时间去完善自身的酶和代谢系统。污水处理系统内活菌数的增加并不能代表系统内生物总生长良好,如高盐驯化系统内的微生物在其生存环境突然变为低盐或淡水环境时群体微生物的生长并不是很好,相反会受到一定的抑制,所受到的抑制程度取决于盐度变化的程度。2.3  无机盐影响研究  王淑莹等13研究了无机盐对SBR反应器内活性污泥沉降

14、性的影响。实验以无盐稳定运行系统作为参照系统，分别研究了20 g/L和35 g/L盐度驯化系统内活性污泥絮凝体的形态、污泥沉降特点以及污泥微生物生态，并进一步探讨了絮凝体的结构。研究发现，在无盐SBR系统内，活性污泥颗粒很大，菌胶团呈封闭状，形状不规则，絮凝体疏松，微生物种类丰富，存在大量的丝状菌和原生动物，其中原生动物有钟虫、漫游虫、草覆虫和豆形虫等，以钟虫为优势菌。含盐20 g/L的SBR系统内，絮凝体仍是开放型结构，紧密程度变高，微生物种类和数量变少，原生动物仅剩下少量的钟虫，且丝状菌数量也变少。在盐度为35 g/L系统内，絮凝体呈封闭状，变得很小和异常密实，微生态更加单一，原生动物消失

15、，丝状菌几乎不存在，只剩下细小的菌胶团。这表明，无机盐改变了活性污泥微生物生态和絮凝体的结构，增加了污泥的沉降性。孙晓杰等14利用SBR研究了海水对城市污水处理系统中短程硝化的影响,试验结果表明，在较高游离氨情况下，生活污水中不含海水时，未出现短程硝化；当海水比例为30时可以实现短程硝化，而且氨氮的去除率并未明显降低，平均去除率为85.39%，其亚硝酸积累率为69.47，低于含海水污水的亚硝酸积累率。说明NaCl对亚硝酸积累有一定的影响，应用SBR法处理海水冲厕污水是可行的。2.4  脱氮效率研究  王志霞等15研究了SBR法对含海水城市污水的脱氮除磷效果，当含盐浓度10

16、500，悬浮固体MLSS为2 100 mg/L，COD负荷0.31.0 kg·m-3·d-1，厌氧段DO为0.2 mg/L，好氧段DO为2.03.0 mg/L，运行周期为12 h的条件下，COD去除率在87以上，NH4+-N和TP的去除率均在68以上；盐质量浓度的增加出水悬浮固体减小，污泥沉降性能也逐渐增强。表明SBR反应器对含海水城市污水具有良好的脱氮除磷效果。    祝贵兵等16采用SBR小试实现了冲厕海水的短程硝化反硝化。实验温度保持在2225 ，pH值维持在7.58.5，把海水占生活污水的比例从0增至70(Cl-浓度从1 900 mg/

17、L增至13 300 mg/L)，在氨氮负荷0.15 kg·kg-1MLSS·d-1时氨氮的去除率仍能保持在85以上，出水氨氮浓度10 mg/L。说明在海水比例70范围内，SBR反应器仍可实现短程硝化反硝化，且保持了较高的氨氮去除率。    Charles 17利用序批式反应器处理高盐高氮废水，在硝酸氮质量浓度为8 200 mg/L，pH9、总溶解固体含量TDS18的条件下，经过驯化的污泥能够脱氮，但未经驯化的污泥系统在5 400 mg/L时就完全停止反硝化反应。当pH值为7.5，硝酸氮质量浓度为5 400 mg/L时，即使是驯化污泥，也完全停止

18、硝化反应。这表明高盐环境降低了序批式反应器的脱氮效率。3  结 语    随着淡水资源紧缺的日益加剧，海水和苦咸水将在更多的领域得到应用，带来越来越多的高盐量废水处理问题。SBR技术作为一种新兴的废水处理技术，具有结构紧凑、节约费用、耐冲击、灵活高效等诸多优势，工程技术界分别从降解动力学、耐冲击性能、无机盐对生化系统的影响等领域研究了SBR技术处理高含盐废水的可行性，随着后续研究的深入和实际工程的推广，将会涌现更多的创新性成果，成功解决高含盐废水微生物处理的难题。    【参考文献】  1畅明琦，黄强.水

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