序批反应器技术用于油田矿区污水处理

孙满

大庆油田设计院有限公司

半连续形式的污水处理系统于1914 年最早开发并应用于工程实践。由于当时控制技术和设备制造水平的限制，该技术没有推广应用。20 世纪70年代，在曝气供氧系统以及控制技术取得显著进步的背景下，成功开发出了序批式反应器（Sequencing Bath Reactor-SBR）污水处理系统。随着《中华人民共和国环境保护法》的颁布实施，对污水的排放要求日益严格，为避免对自然环境造成污染，需对各类污水进行有序的处理，SBR污水处理技术可以广泛地应用到各类生活污水处理工程中。

1 SBR技术原理与特点

1.1 基本工艺配置

SBR 污水处理系统的基本工艺配置见图1。其中包括预处理系统、污泥处置系统、深度处理系统、消毒处理系统。在深度处理系统中要根据具体的处理过程决定是否设置调节池。就SBR单元本身而言其运行包括进水、反应、静沉、排水、待机五个基本工序（图2）。SBR单元的工作是间歇的，采用两个以上SBR单元交替工作的方法就可以解决进水的连续性问题。

图1 SBR污水处理基本工艺配置Fig.1 Basic process configuration of SBR for sewage treatment

图2 SBR单元的基本工序Fig.2 Basic operating sequence of SBR

1.2 技术特点

相对其他污水处理技术而言SBR处理技术具有灵活性高、可拓展性好的特点。

因为SBR单元是交替工作，每一个周期都会腾出一定空间，且可以根据原水的波动情况对工序进行调整[1]，因此在SBR 处理系统中无需设置初沉池、调节池。另外，SBR 本身具有固液分离功能，解决了二沉池选型困难的问题。由此可见，SBR处理技术具有灵活性，非常适用于小型污水处理工程，在工序中可增加兼氧反硝化工序以实现深度脱氮。

随着经济发展和社会的进步，几乎每一个污水厂都面临提标和扩容的问题，因此无论何种处理工艺，系统的可拓展性都是重要考核指标。在SBR系统中，可以通过增加SBR单元以及增设后续深度处理单元方法，解决扩容和改造方面的问题。因此，SBR处理系统具有很好的可拓展性。

1.3 存在的问题

从20 世纪90 年代初至今，我国SBR 技术成功地应用于各类污水的处理工程中，但是对这项技术的认识仍然存在很多问题，相对于传统连续流活性污泥法而言，SBR 技术依然处于发展和完善的阶段。现阶段主要存在如下几方面问题：单一污泥在厌氧和好氧状态交替过程中微生物活性的变化规律不是很明确；对SBR处理的限制过程缺乏认识，在设计和运行过程中抓不住矛盾的主要方面；SBR处理系统对设计和运行人员技术水平和协作精神要求非常高，而在具体工作中却普遍存在运行与设计严重脱节的问题。

2 SBR系统设计需重点关注的问题

2.1 对部分污染物的去除

SBR单元功能包括：水量和水质的调节、污染物的降解以及固液分离。从其降解过程微生物类群来看属于单一污泥的降解过程，即利用同一混合微生物种群完成有机物氧化、硝化、反硝化和生物除磷。SBR单元的污染物的降解过程包括：好氧COD的降解过程、好氧氨氮的硝化过程、兼氧硝态氮的反硝化过程、厌氧磷释放和好氧磷吸收过程以及活性污泥微生物的固液分离过程。一般而言，脱氮除磷是SBR处理系统的瓶颈，从经济技术可行性的角度而言，磷的去除有两种途径，即生物除磷和化学辅助除磷。而氮的去除只有生物脱氮这一条途径，可见反硝化过程是SBR单元的限制性过程。根据国家行业设计标准HJ577—2010《序批式活性污泥法污水处理工程技术规范》相关规定设计，SBR生物脱氮的氨氮的去除率在85%～95%之间，而总氮去除率却在60%～85%之间。

另外，从各种污染物降解过程本身来看，反硝化过程最为复杂，因为反硝化过程要考虑兼氧环境的配置与实现、碳源的选择、单一污泥系统中好氧硝化细菌到兼氧反硝化细菌代谢活动的交替等方面问题。

2.2 配置反硝化工艺

从本质上而言，在SBR单元中通过进水搅拌工序实现反硝化就是一种前置反硝化配置形式。这种配置形式的初衷是利用废水中易降解COD 作为碳源，降低运行成本。利用原水溶解氧含量低，可以快速形成兼氧环境。但是，前置反硝化也存在对硝态氮（NOx-N）降解不彻底的问题。因为每个周期经过硝化过程后会有部分含有NOx-N 的清液排出，以便为原水的引入腾出空间。

单一污泥反硝化过程中存在其他微生物对易降解COD 的竞争问题，如果好氧硝化工序控制不当，活性污泥吸附也会参与到易降解COD 的竞争中来，会进一步降低前置反硝化的效率。

为了解决脱氮的问题，提出应用CASS 以及CAST 处理系统。CASS 和CAST 处理系统是在SBR的基础上发展起来的，即在SBR池内进水端设置有生物选择器，其初衷是防止污泥膨胀。

有技术人员提出了SBR工序变革的方案，即增加兼氧反硝化工序以实现深度脱氮，这种工序配置类似Bardenpho 深度脱氮（后置反硝化）处理系统。有数据显示采用这种工序配置，进水总氮的去除率可以达到96%，其中反硝化工序占比为66%，合成代谢污泥占比为30%[1-2]。出水总氮5～8 mg/L，出水总磷1～2 mg/L[1，3-6]。

2.3 碳源的选择

我国很多地区的污水厂都存在碳氮比不足的问题（即碳氮比低于2.86），因此，无论采用何种工序配置的SBR都需要补充一定量的碳源。很多物质都可以作为反硝化过程的外碳源，如甲醇、乙醇、乙酸钠、工业葡萄糖、乙二醇以及某些工业废水等。但是反硝化菌对不同碳源的亲和力有较大差别，因此相同条件下的反硝化速率相差很大[7-9]。以乙酸为碳源时反硝化速率为0.603 mg NOXN· (mg MLVSS·d)-1，以生活污水为碳源时反硝化速率为0.010 mg NOX-N· (mg MLVSS·d)-1。碳源的选择对SBR脱氮过程十分重要，在反应器的设计以及运行过程中必须充分认识到这一点。此外，在描述原水性质过程中广泛使用的“碳氮比”这个概念仅仅对前置反硝化过程有意义，对于深度脱氮的后置反硝化配置方式SBR而言没有意义。

2.4 水力停留时间

SBR处理系统属于单一污泥系统，在每一个运转周期都存在污泥的好氧硝化过程到兼氧反硝化过程的交替，这种交替并不是即时性的，活性污泥从有氧代谢过度到兼氧代谢需要一段时间[10]，在确定反硝化工序以及各工序水力停留时间时要充分考虑这一点。

2.5 溶解氧控制

在SBR系统中通常采用恒定的供氧模式，但是碳水化合物降解（异养微生物代谢过程）和氨氮硝化（自养微生物代谢过程）过程是分先后两个阶段完成的。从氨氮硝化的角度看高溶解氧浓度有利于氨氮的硝化进程，在后续兼氧反硝化过程溶解氧必须要控制在0.3 mg/L 以下。SBR 运转周期内溶解氧的变化情况[11]见图3。由图3 可知，从有氧环境过渡到兼氧环境需要一定的时间，此外，活性污泥微生物从好氧硝化过渡到兼氧反硝化的代谢过程也需要一定的时间[11]。因此，合理控制溶解氧的浓度是SBR 处理系统能否取得满意处理效果的关键因素之一。

图3 运转周期内混合液溶解氧的变化规律Fig.3 .Changing law of dissolved oxygen in mixed liquid in a operating cycle

2.6 保温措施

我国虽然幅员辽阔，但是无论在南方或北方低温对污水脱氮过程都有影响。很多小型污水厂到了冬季会受到低温的影响。有数据表明：当水温低于10 ℃时硝化和反硝化过程将处于停滞状态。小型污水厂冬季运行除了适当提高污泥龄之外，应当通过以下几个方面措施降低因低温的影响：对预处理单元和SBR做好保温处理，小型处理设施可以考虑建于室内或者对部分处理设施加盖保温等；低温环境下可以适当降低曝气强度，避免水温降低；临时性采用低温条件下易被反硝化细菌利用的碳源。目前，在我国的设计规范中还没有考虑到低温影响方面的问题。

3 结论

在SBR 处理系统中反硝化过程是限制性过程。可以通过设置进水搅拌前置反硝化工序和深度反硝化脱氮工序提高反硝化脱氮效率。在具体的设计过程中要从合理选择使用碳源、科学确定深度脱氮工序的时间、准确控制硝化阶段溶解氧浓度、采用合理的保温防护措施等方面入手解决SBR脱氮效率低的问题。