水和废水(2-1生物SBR)

2生物处理技术新工艺近30年以来，生物处理技术得到迅速发展，开发出了许多高效、稳定、经济、多功能的新工艺，主要有：各类SBR新工艺、氧化沟新工艺、新型曝气设备、膜生物反应器、组合工艺等。这些新工艺许多已经应用在各类废水处理领域，效果良好。2.1SBR新工艺（改良SBR工艺）2.1.1SBR工艺概述（1）SBR工艺的发展历史

SBR法(SequencingBatchReactor)是最早的活性污泥法。早在1914Ardern和Locket在英国曼彻斯特发明活性污泥法时，采用的就是间歇曝气。然而由于这种间歇法在实际运行中还存在许多在当时的技术条件下难以解决的问题，因此，很快被连续式活性污泥法CFS(ContinuousFlowSystemSludgeProcess)取而代之。主要问题有：首先是曝气池间歇运行中，进出水阀门需反复、频繁切换，使操作和管理过于繁琐；其二系统设备的频繁切换对各类开关、闸阀的性能要求较高，当时的技术条件还不成熟；其三是间歇运行，曝气所用的空气扩散器口容易堵塞；其四，单个的反应器在进水流量较大的情况下，对反应系统需要建立调节池，这会增大基建投资；等。因此，从20年代起，CFS一直处于活性污泥的主导地位，而SBR法逐渐淡出。20世纪60、70年代以来，随着自动化技术的发展和新型水处理设备的开发，为SBR工艺注入了生机，对它的研究也逐渐增多。首先自动控制监测的硬件设备（微型电子计算机等自动控制装置）和软件技术的开发，实现了运行管理的自动化，解决了运行操作繁琐等问题；其二各种新型电磁阀、气动阀、液位传感器、电子机械定时控制器的出现，解决了开关、阀门切换的自动化的基础要求和对设备的要求；其三大量防堵塞的新型曝气装置和有良好出水性能的排水装置（浮动式滗水器、出水堰)的不断开发和应用，克服了曝气所用的空气扩散器口堵塞的问题；其四改良型SBR工艺的多池组合特点和单池间歇运行、系统连续水流的特点使其适应于各种水量的废水处理。70年代初（1971年），美国印第安纳州NotreDame圣母大学的欧文和他的团队在美国自然科学基金资助下，在实验室中对SBR和CFS的运行特性作了系统的比较研究，并发表了题为“运用间歇活性污泥反应器处理污水”的著名论文，其中详细分析了SBR系统，为间歇式活性污泥工艺的推广应用奠定了基础。70年代后期，美国国家环保局(USEPA)对欧文的SBR研究给予资助，并授权欧文将印第安纳州卡尔弗城市污水处理厂原有的CFS工艺改建为SBR系统，他们将原有的CFS改建为两个SBR反应池，取得了令人满意的效果。BOD5和SS的去除率均达到94%以上。此后，USEPA又投入大量资金推广SBR工艺，并对该工艺进行了详尽的考察和评价，最后确定SBR可以作为CFS法的一种较好的替代工艺。此后，日本，德国，澳大利亚和法国等国都对SBR处理工艺进行了应用研究。日本从70年代后期对SBR进行了系统研究，于85年11月和88年5月，由日本下水道理事会组织了技术评审委员会对SBR作了详细评价，先后公布了((SBR技术第一报告书》和《(SBR技术第二报告书》，对SBR技术的优点和应用前景给予了充分的肯定。90年，日本又编辑出版了《SBR法设计指南》，使SBR工艺在日本有了正式的设计规范标准。目前，日本己成为拥有实际运行SBR装置数量最多的国家。80年代初美国格兰兹（Goranzy）教授开发了一种新型SBR工艺，称为间歇循环延时曝气系统(ICEAS，IntermitentCycleExtendedAerationSystem)，它是由荷兰Pasreer氧化沟演变而来的，并在澳大利亚建成第一座ICEAS反应池。随之格兰兹教授又开发出了CASS和CAST工艺。澳大利亚目前己建成SBR法污水处理厂100多座。90年代比利时的西格斯公司开发出了UNITANK系统，把经典SBR的时间推流与连续系统的空间推流结合了起来。法国的戴格雷蒙水处理公司还将SBR反应器制成定型产品，供小型污水处理站使用。东南亚也是SBR应用比较普及的地区。自从1985年新加坡国立大学的吉恩教授首次将SBR技术成功地应用于养猪废水处理以来，东南亚地区每年有几十座SBR装置投入运行，用于处理棕油废水、制药废水、城市污水、印染废水和旅游区生活污水等。我国于20世纪80年代中期开始对SBR进行系统研究与应用。1985年虞寿枢等为上海市吴淞肉联厂设计了我国第一座SBR废水处理设施；设计处理水量为2400m3/d。经过几十年的实际运行，效果良好。湖南湘潭大学于1989年完成了应用SBR工艺处理啤酒废水的试验研究，并对SBR工艺的运行稳定性及工艺特性进行了系统的分析。同济大学等单位也相继对SBR的硝化脱氮效能进行了研究。顾国维与美国学者杨企星共同研发了MSBR工艺；盛贻林等应用SBR工艺处理中小规模城市生活污水，确定了主反应池运行周期以及运行参数，COD、BOD5，氨氮去除率达85%以上。武汉大学陈永祥等用SBR工艺处理城市生活污水，使出水达到国家一级排放标准。扬州大学葛丽英等采用两级SBR工艺对小城镇生活污水进行了试验研究，使出水C0D浓度为<30mg/L，去除率达到90%;NH3—Ｎ浓度为6.5mg/L，去除率75%。在SBR的控制技术方面，哈尔滨建筑大学的彭永臻等人对SBR反应时间的计算机控制参数进行了研究。随着SBR在国内的广泛应用，国内SBR专用设备的研究也取得了长足的进步，开发出了一系列的滗水设备。国家环保总局还把SBR专用设备的产业化和系列化列科技攻关项目。目前全国已有上百座SBR处理设施投入运行。（2）SBR工艺特点1）工艺流程简单，占地少，投资省，基建和运行费低

SBR工艺的主体设备就是一个SBR反应器，它的功能:反应池(厌氧、缺氧和好氧三种)、沉淀池；时常还可作为调节池使用。在不同的时间内进行泥水混合、有机物的氧化、硝化、脱氮、磷的吸收与释放以及泥水分离等。它不需要设污泥回流设备，许多情况下也不用设调节池和初沉池。所以，工艺更简单、构筑物的数量少、布置紧凑、占地面积少；节省了投资与运行费用。

2)较强的耐冲击负荷能力、出水稳定SBR工艺对进水水质水量的波动具有较好的适应性，具有较强的耐冲击负荷和处理有毒或高浓度有机废水的能力。在连续式活性污泥反应器中，大多数情况下进水水量和出水水量以及进水浓度和出水浓度都是稳定不变的，使得微生物对其生存环境条件要求也比较严格，当进入处理系统的废水水质水量发生较大的波动时，处理效果将受到明显的影响。SBR法在每个运行周期内，进水、出水以及进水期浓度和出水期浓度都在交替地变化，呈现波浪式浮动，长期下来微生物已经适应了这种改变。使得SBR反应器能承受较大的水质水量的波动，具有处理效果稳定的特点。研究也己表明，SBR法在每个运行周期之间以及同周期进水阶段内出现急剧的水质水量变化甚至处理负荷猛增到正常负荷的两倍以上的情况下，仍可获得良好的处理效果。

3)污泥沉降性能良好污泥膨胀是传统活性污泥法运行过程中经常发生的问题，而引起污泥膨胀的主要原因多数是由于丝状菌的过度生长所致。SBR法能有效地抑制丝状菌的过量繁殖，减少污泥膨胀机会。在SBR法的整个反应阶段，浓度梯度变化较大，使得大部分情况下絮状菌的生长速率都大于丝状菌的生长速率，只有在反应阶段末、进入沉淀阶段前，其底物浓度才与完全混和曝气池相同。但丝状菌短时间的优势生长并不足以引起污泥膨胀，因此，SBR系统与连续式系统相比更不易产生污泥膨胀。再从供氧状态来看，在进水、反应、沉淀等阶段，反应器内缺氧(或厌氧)、好氧、缺氧状态交替出现，能有效地抑制专性好氧菌的过量繁殖。正因如此，活性污泥法中采用限制性曝气比非限制性曝气更不易发生污泥膨胀。

4)较好的脱氮除磷效果

SBR法通过5个工序时间上的安排，使厌氧、缺氧与好氧状态交替出现，可以较好的满足生物脱氮除磷理论上的环境条件。同时SBR在时间上还具有灵活控制的优势，很容易通过调整反应时间与泥龄等，来强化硝化反应与聚磷菌过量摄取磷的过程，也可以在进水阶段通过搅拌维持厌氧状态，促使聚磷菌充分释放磷。因此，SBR工艺不仅有机物降解效率高，而且有一定的脱氮除磷功能。

5）采用自动控制系统，操作更灵活

SBR法采用自动控制系统实现复杂的控制要求，方便快捷，无需添加构筑物，仅仅通过从时间上的控制等参数变更，就可改变其运行方式，实现不同的处理目的操作更灵活。以前的操作繁琐的问题也已随着自动化技术的提高而得到解决，配备的管理人员也较少，总之，SBR工艺是一种运转灵活、管理方便的工艺。

6)活性污泥浓度高，适用废水范围广

采用普通活性污泥法时活性污泥浓度平均只有2～３g/L，但改良SBR工艺活性污泥浓度可高达6g/L以上，并有近似于厌氧颗粒污泥的块状污泥存在，十分有利于提高处理效果和容积负荷。普通活性污泥法仅适用于中、低浓度的污水处理，改良SBR工艺还适合处理高浓度的废水处理，尤其适用高浓度、低排放量的各种工业有机废水。2.1.2ICEAS工艺（IntermittentCycleExtendedAerationSystem）——间歇式循环延时曝气活性污泥法ICEAS工艺产生于20世纪70年代，由格兰兹教授发明。1976年在澳大利亚建成世界上第一座ICEAS污水处理厂，取得较好的效果。由于与传统的SBR工艺比较，ICEAS设施简单、管理方便，尤其是处理市政污水和工业废水方面比经典的SBR系统费用更省，因此，有一时期在国内外受到广泛重视。自20世纪80年代初在澳大利亚兴起以来，在日本、美国、加拿大等地得到推广应用，全球已建成投产了300多座ICEAS工艺污水处理厂。ICEAS工艺的产生发展ICEAS的基本单元是两个矩形池为一组的反应器系统。

ICEAS工艺主要由预反应区、主反应区、滗水器和曝气装置组成。预反应区容积占整个池子的10％左右；反应池为长方形，近似平流沉淀池，长宽比一般为（2～4）：1；利用滗水器间歇排水；预反应区一般处于缺氧状态，主反应区是曝气反应的主体，好氧反应。ICEAS反应器结构

ICEAS工艺运行

废水在预反应区，有机物被吸附去除，高负荷运行；在主反应区，废水低负荷运行，有机物处于降解阶段，同时完成污泥再生；系统运行周期一般为4～6h,两个池子交替运行，不同时曝气和排水；连续进水，间歇出水，周期循环运行。①一定的污泥膨胀控制能力。ICEAS反应器的预反应区，相当于一个生物选择器，不仅有利于控制进水水流的紊动，而且有利于反应器内菌胶团的增值，从而抑制丝状菌占优，克服污泥膨胀的产生；②理想的推流和沉淀特性。ICEAS反应器长方形的池子形状，使反应器的水流状态呈现一种推流的过程，出水近似于平流沉淀池的沉淀特性；③去除率高和一定的脱氮除磷的效果。ICEAS工艺以低负荷（0.04～0.05kgBOD5/kgMLSS·d）运行，延时曝气，出水水质好，去除率高，还具有一定的脱氮除磷的功能；④可用于处理较大的污水量。由于采用连续进水，无需进水阀门之间切换，管理较简便，因而可应用于较大水量的污水厂。ICEAS反应器特点ICEAS工艺的缺点

ICEAS工艺由于以低负荷运行，池体较大，占地面积大，费用相对提高；由于采用连续进水，为避免沉淀阶段泥水分离较差，限制了进水量,负荷较低。ICEAS在我国的应用该技术于90年代初引进我国，由于采用的负荷率较低，占地面积和费用相应较高，因此限制了它的推广应用，目前已推广十几家。主要用于中低浓度有机工业废水、制药废水、轻工食品废水、印染纺织废水、化工、钢铁废水和各种规模城市污水，以及需脱氮除磷处理的市政废水。实例：昆明市第三、第四污水处理厂、上海中药制药三厂、苏州第二制药厂等制药废水处理。昆明第三污水厂ICEAS在我国的应用实例1实例1：昆明市第三污水厂采用ICEAS工艺，处理水量15万m3/d。污水预处理为15mm间隙的机械格栅和钟式沉砂池。主要技术参数：ICEAS反应池14座，并联运行，每池尺寸：44m×22m×5m，污泥负荷(BOD／MlSS)：0.08kg／(kg·d)，MlSS：2983～4612mg／L；水力停留时间：0.57d(13.7h)；正常周期(HRS)：4.8h(暴雨期2.5h)。ICEAS在我国的应用实例2例2.乌兰木伦矿生活污水和生产废水ICEAS处理系统乌兰木伦矿污水量2000m3／d处理规模，根据矿区已有两座矿区生活小区ICEAS工艺污水处理站的成功运行先例，也采用了ICEAS处理工艺进行设计。处理后水全部复用于农灌，非农灌季节则排入乌兰木伦河。污水处理站进水水质及出水水质同时满足《农田灌溉水质标准》(GB5084—2005)及《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)中一级B标准。ICEAS在我国的应用实例2乌兰木伦矿ICEAS处理系统工艺流程图水质SSBOD5CODcr氨氮总氮总磷进水300100400～60020355.32出水≦20≦20≦60820≦1经过经济核算，污水单位处理总成本1.132元／吨水，单位运行成本0.724元／吨水(不含折旧及大修费)。处理效果见下表。ICEAS在我国的应用实例22.1.3CASS（CAST）工艺（CyclicActivatedSludgeSystem（Technology）

）——循环式活性污泥法CASS工艺是由Goranzy教授在ICEAS的基础上开发出的一种新型改进型SBR工艺。于1984年在美国取得了专利，1986年美国国家环保局正式宣布CASS工艺为革新代用技术。CASS－CyclicactivatedsludgesystemCAST－CyclicactivatedsludgeTechnologyCASS工艺的结构特征

CASS（CAST）工艺在结构上较ICEAS工艺有一定改变，主要是增加了污泥回流装置和在预反应区内增加了一个生物选择区。CASS工艺的结构特征CASS反应器分为三个反应区生物选择区、缺氧区和好氧主反应区，容积比约为1：5：30；生物选择区在厌氧或兼氧条件下运行，其基本功能是抑制丝状菌占优，避免污泥膨胀的产生；同时还具有促进磷的进一步释放的作用。缺氧区不仅能辅助生物选择区实施对进水水质水量变化的缓冲作用，还能促进磷的进一步释放和强化反硝化作用；另外难降解大分子物质在这个区内易发生水解作用，这有助于提高有机物的去除率。主反应区完成降解有机物、硝化和除磷的过程以及出水、回流污泥的作用。回流污泥由主反应区向选择区进行。CASS工艺是连续进水，间断排水，克服了间歇进水的不足；即使偶尔采用间断进水，也不影响系统的运行。CAST工艺与CASS工艺的不同之处在于CAST为间歇进水，因此在运行上更加灵活。CASS工艺的特点

①工艺简单，占地小

CASS工艺一般情况下不设调节池、初沉池和二沉池，占地面积可减少35％，工程投资可节省2O％～3O％；同时由于溶解氧的浓度梯度大，氧的传递效率高，节能效果显著，运行费用可节省10％～25％②负荷率较ICEAS工艺高

CASS工艺的负荷率较ICEAS工艺高，一般大于0.1，也使处理效率得到提高。③沉淀效果好

CASS反应池类似平流沉淀池，沉淀阶段的表面负荷比普通二沉池小得多，进水的干扰影响很小，沉淀效果较好。当冬季温度较低，污泥沉降性能差或在处理一些特种工业废水污泥凝聚性能差时，只要将沉淀阶段的时间稍作延长，系统运行将不会受到影响。④抗冲击能力强，运行灵活，可实现不同的处理目标CASS工艺可以通过调节运行周期来适应进水量和质的变化。当进水浓度较高时，可通过延长曝气时间实现达标排放，达到抗冲击负荷目的。暴雨时，可经受平常平均流量6倍的高峰流量冲击。实践表明，在流量和有机负荷冲击超过设计值2－3倍时，处理效果仍然令人满意。这是传统处理工艺所不及的。当强化脱氮除磷功能时，CASS工艺可通过调整工作周期及控制反应池的溶解氧水平，提高脱氮除磷的效果。⑤不易发生污泥膨胀

大多数污泥膨胀是由丝状菌占优造成的。由于丝状菌的比表面积比菌胶团大，因此，有利于摄取低浓度底物。但一般丝状菌的比增殖速率比非丝状菌小，在高底物浓度下菌类都以较大速率降解底物与增殖，但菌胶团的比增殖速率较丝状菌大，从而较丝状菌占优势。而CASS反应池中存在着较大的浓度梯度，而且处于缺氧、好氧交替变化之中，这样的环境条件可选择性地培养出菌胶团细菌，使其成为曝气池中的优势菌属，有效地抑制丝状菌的生长和繁殖，克服污泥膨胀，从而提高系统的运行稳定性。

⑥适用范围广，适合分期建设CASS工艺可用于大、中、小型污水处理，适用范围广；连续进水的设计和运行方式，一方面便于与前处理构筑物相匹配，另一方面控制系统比传统SBR简单。⑦泥龄较长、剩余污泥量少，性质稳定传统活性污泥法的泥龄仅5－10天，而CASS法的泥龄为25-30天，所以污泥稳定性好，脱水性佳，产泥量少，仅为传统法的60％左右。由于污泥在CASS反应池中已得到一定程度的消化，所以一般不需要再经稳定化处理，可直接脱水。CASS工艺目前在美国、加拿大、澳大利亚等国数百个污水处理厂应用，其中有城镇污水处理厂和工业废水处理厂。CASS工艺90年代初引入中国，由于该工艺的高效和经济性，较符合我国的国情，得到迅猛发展。目前已成功应用于生活污水、啤酒、制药、化工、印染、食品、屠宰等废水的治理，取得了良好的处理效果。例:遵义市污水处理厂,日处理水量30万吨，进出水水质见下表，吨水运行费用仅为0.28元。CASS工艺的应用项目（mg/l）BODCODSSNH3-N总P进水120180130203.5出水15301850.5污水厂处理量（万吨/d）污水厂处理量（万吨/d）污水厂处理量（万吨/d）广州市猎德污水处理厂42阜阳市污水处理厂10安徽天井啤酒厂0.5遵义市污水处理厂30佳木斯污水处理厂10浙江银燕生化集团污水处理系统0.2清镇朱家河污水处理厂25张家界扬家溪污水处理厂8鲁抗集团千吨青霉素工程2．1扬州市污水处理厂10宜宾市南岸污水处理厂5海拉尔市啤酒废水处理系统0.5南充市污水处埋厂12北京经济开区污水处理厂2北京航天城污水处理系统0.72部分采用CASS工艺的污水厂根据工程应用情况，对城市污水，进水COD为400mg/L时，出水可以下30mg/L；对可生物降解的工业废水，即使进水COD高达3000mg/L，出水仍能达到50mg/L左右；对于N、P的去除率也能达到90％；这是一般生物处理工艺难以达到的。所以对CASS工艺，二级处理的投资，可达到三级处理的水质2.1.4UNITANK/LUCAS工艺——一体化活性污泥法UNITANK工艺产生和发展UN1TANK工艺是1987年由比利时SEGNERS公司

提出的；它不仅兼容了SBR系统的主要特点，更将污水连续式生化处理和间歇式生化处理合二为一，固称为一体化活性污泥法。

它的处理单元一体化，运行经济、灵活，在欧洲及亚洲得到推广。UNITANK工艺结构①三个等大池子，底部连通②每个池子都设曝气装置；③两侧池子设溢流堰或滗水装置，

三池均可进水。（1）UNITANK系统从整个系统的运行方式来看，它与交替运转的三沟式氧化沟非常相似（图），这是该工艺最为显著的一个特点；（2）UNITANK系统出水更常采用溢流堰而不是滗水器，在任一时刻总有一侧池子作为沉淀池；（3）标准的UNITANK系统是由三个正方形池所组成，弥补了单个反应器完全混合的不足，采用交替式运行方式来达到总体连续运行的效果。UNITANK工艺的运行特征交替工作式氧化沟三沟式氧化沟三沟式氧化沟的运行三沟式氧化沟的运行可分为6个阶段，如图示。整个工作周期为8小时，各工作阶段的时间，应根据水质情况进行调整。三沟式氧化沟是A-O(兼氧/好氧)活性污泥系统，依靠三池工作状态的转换，可以免除污泥回流和混合液回流，运用费用可大大节省。交替式运行方式。达到总体连续运行的效果。UNITANK工艺运行池子布局①与传统SBR比较：水流连续，水力负荷稳定，可使用固定出水堰，可降低对管道、阀门、水泵等设备的要求，降低成本。②与传统活性污泥比较：结构紧凑，所有水池均为矩形，水池间可采用公用隔墙减少了混凝土量；不设初沉、二沉池及污泥回流，占地少，减少费用。③处理效率高，运行简单灵活：通过时间的智能控制，可实现连续、周期和其它多种高效运行。④操作方便，管理人员仅传统方式的1/4～1/3。UNITANK工艺的优点UNITANK工艺自20世纪90年代推出后，很快在新加坡、马来西亚、越南和我国得到了推广应用。

UNITANK工艺的发明人之一LucVriens(吕克维伦斯)在此基础上于2000年又发明了LUCAS工艺。LUCAS工艺比UNITANK更灵活、更优越LUCAS是鲁汶大学循环活性污泥法(LeuvenUniversityCyclicActivatedSludge)首字母的缩写，同时又是造价低、隐蔽、紧凑、先进和可持续发展(LowcostUnobtrusiveCompactAdvancedSustainable)首字母的缩写。（3个池均可出水）UNITANK/LUCAS工艺UNITANK工艺的应用广东佛山东鄱污水处理厂采用UNITANK工艺，日处理量20万m3。是国内首个采用UNITANK工艺的污水处理厂。出水水质稳定，均达到国家污水综合排放标准，处理效果见下表。石家庄高新技术开发区污水厂，设计污水量l0万吨／d;处理进水水质(mg/l)为：COD:600，BOD5:400，SS:400；出水水质(mg/l)：COD<60msBOD5:<30mg/l，SS<20。项目CODBOD5SSNH3一NTNTP进水(mg/L)l15～28949.2～137.269～199l1.48～18.7915.74～24.741.79～6.24出水(mg/L)15～282.0～8.16～100.55～2.848.11～13.00