SBR法及其研究进展
活性污泥处理系统，在当前污水处理领域是应用最为广泛的处理技术。它有效地用于生活污水，城市污水和有机性工业废水的处理，对于传统的活性污泥技术在工艺方面采取措施突破仅作为二级处理技术传统，能够作为脱氮、除磷的三级处理技术。SBR（sequencing batchreactor）法，即序批式间歇活性污泥法，就是这类活性污泥处理新工艺中的引人注目的一种活性污泥法。它是被日本下水道协会和美国环保局评估了的少数富有革新意义和较强竞争力的废水生物处理技术之一。
1 特点及其发展
1.1 产生及发展
SBR工艺早在1914年即已开发[1]，但由于当时监测手段落后，并没有得到推广应用。1979年美国的L.Irvine对SBR工艺进行了深入的研究，并于1980年在印第安那州的Culver改进并投产了一个SBR污水处理厂。此后随着计算机监控技术、各种新型不堵塞曝气器和软件技术的出现，同时也由于开发了在线溶解氧测定仪、水位计等精度高并且对过程控制比较经济的水质检测仪表，污水处理厂的运行管理逐渐实现了自动化，加之SBR具有均化水质、工艺简单，处理效果稳定，耐冲击负荷力强，出水质好，操作灵活、占地面积少等优点而成为包括美、德、日、澳、加等在内的许多工业发达国家竞相研究和开发的热门工艺。以澳大利亚为例，近10多年来建成采用SBR工艺的污水处理厂就达近600座之多。
我国在80年代中期开始对SBR法的应用研究[1 2]。1985年，上海吴淞肉联研制投产了我国第一座SBR法污水处理站，设计处理水量2400t/d，运行效果良好。目前在云南省昆明市已有两座采用SBR工艺的大中型污水处理厂，运行情况良好。天津经济技术开发区10万t/d采用SBR工艺的污水处理厂也于近日投入运行。从国内外研究情况来看，SBR法是一种高效、经济、可靠的适合我国国情的废水处理方法。
1.2 工艺流程
间歇式活性污泥法的主要反应器，即曝气池的运行操作是由流入、反应、沉淀、排放和闲置五个工序组成[3]。污水在反应器中按序列、间歇地进入每个反应工序，每个SBR反应器的运行操作在时间上也是按次序排列间歇运行的。
在流入工序实施前，闲置工序处理后的污水已经排放，曝气池中残存着高浓度的活性污泥混合液。当污水注入流入时，曝气池可以起到调节池的作用，如果进行曝气可以取得预
曝气效果，也可使污泥再生，恢复其活性。
反应工序是SBR工艺最主要的一道工序。当污水注入达到预定容积后，可开始反应操作，如去除BOD、硝化、磷的吸收，以及反硝化等。根据反应需要达到的程度，进行短时间的微量曝气，以吹脱污泥上粘附的气泡或氮，以保证排泥顺利进行。
在排泥工序，停止曝气和搅拌，使混合液处于静止状态，活性污泥与水分离，相当于二次沉淀池的作用。经过沉淀后的上清液作为处理出水排放，沉淀的污泥作为种泥留在曝气池内，起到回流污泥的作用。
在闲置工序，处理出水排放后，反应器处于停滞状态，等待下一个操作周期。在此期间，应间断或轻微曝气以避免污泥的腐化。经过闲置的活性污泥处于营养物的饥饿状态，因此当进入下个运行周期的流入工序时，活性污泥就可以发挥较强的吸附能力增强去除作用。闲置工序是SBR工艺中的重要内容。
1.3 工艺特点及主要问题
SBR工艺与连续式活性污泥法相比，具有如下优点[3]：
（1）工艺流程简单，不需要另设二沉池及污泥回流设备，多数情况下可以省去初沉池。
（2）占地面积小、造价低；特别是小城镇的污水处理可比普通活性污泥法节省基建投资30%以上。
（3）营养物质去除效果及脱氮除磷效果好。
（4）污泥沉降性能好。
（5）适应性良好，且易于维护管理。
SBR法存在的主要问题是：操作复杂，对自控要求高；此外其工艺流程本身决定了设备装置利用率低。
2 研究进展
2.1 反应器内DO及曝气方式
2.1.1 DO的影响
反应器内溶解氧的含量将影响污泥中微生物的生理活动，从而影响污水处理进程，故反应器内的DO含量水平是非常值得探讨的。Jeill OH和J.Silverstein[4]对SBR反应器中，DO抑制反硝化作用进行了研究，污水中溶解氧的研究范围从0.09 mg/L～5.6 mg/L；结果发现，非常低浓度的溶解氧就能抑制活性污泥中的反硝化作用，DO＝0.09 mg/L时，反硝化速率可从最大速率0.0214 mg—NOx—N/mg—MLSS/h降至其速率的35%。但同时也指出，当DO＝5.6 mg/L时仍可观察到反硝化作用，并根据实验，对反硝化模型作了修正。
2.1.2 搅拌速度的影响
Drigues, Jose Alberto Domingues[5]等人对搅拌混合的充气方式进行了研究，他们用含有颗粒污泥反应器处理COD为500 mg/l的合成城市污水，处理周期为8小时，处理量为2.0 L。搅拌速度的研究范围从0 rev./min－75 rev./min，结果发现，COD的去除率为80～88%；在50rev./min时可获得相对好的污泥停留时间，同时不破坏颗粒污泥；而且应用搅拌可增加反应器的有效的循环从而使总的循环时间缩短。他们指出残余有机物的经验方程和一级反应动力学模型可用来预测搅拌速度对反应器的影响。
2.2 污泥膨胀
正常活性污泥沉降性能良好，含水率在99%左右，当污泥变质时，污泥不易沉淀，SVI值增高，污泥的结构松散和体积膨胀，含水率上升，澄清液稀少，颜色发生异变，这就产生了污泥膨胀。水处理中污泥膨胀问题大约95%与丝状菌的过量增殖有关，非丝状菌膨胀一般是由结合水含量高的胞外多聚物引起的高粘度膨胀。SBR中SVI值一般较低，不易出现膨胀问题，但有时也不能避免。
王淑莹[6]等人利用石化废水在SBR反应器中研究了丝状菌膨胀与有机负荷之间的关系，指出当反应器中溶解氧（DO）充足时，低有机负荷易引起污泥膨胀，提高有机负荷能有效的控制膨胀；高负荷下，引起污泥膨胀的原因往往是DO不足，而提高DO浓度则能使污泥膨胀得到控制，这一结果也解释了高有机负荷发生污泥膨胀的实质原因。
高春娣[7]等利用啤酒废水研究了氮缺乏引起的非丝状菌膨胀问题，发现进水中不同有机物浓度与总氮的比值（以BOD/N计）条件对活性污泥膨胀是有影响的，指出在进水BOD/N＝100/4的条件下，污泥的沉降性能良好，在进水BOD/N＝100/3和BOD/N＝100/2时，均发生由高含水率的粘性菌胶团过量生长引起的非丝状菌膨胀，在进水BOD/N＝100/0.94的条件下，发生的非丝状菌膨胀最为严重。
2.3 pH、ORP
微生物的生理活动与环境的酸碱度（氢离子浓度）密切相关，氢离子浓度能够影响微生物细胞质膜上的电荷性质。电荷性质改变，微生物细胞吸收营养物质的功能也会发生变化，从而对微生物的生理活动产生不良影响。
高景峰[8 9]等人为实现SBR法反硝化的在线模糊控制，研究了pH和ORP等在有机物去除及硝化、反硝化过程中的变化特点。对pH的变化得出：（1）在有机物去除过程中，pH呈现大幅上升的现象（2）在有机物去除结束时，pH停止上升，随硝化反应的进行pH不断下降至反应结束，后pH突然快速上升或维持不变。（3）在反硝化过程中，pH不断上升直至反硝化结束出现转折点，然后持续下降，指示反硝化已结束。对ORP来说，随着反硝化的进行ORP表现为减速下降，在反硝化结束时突然下降速度增加出现拐点。
总之，不论使用何种碳源以及不认投加碳源的方式和数量如何都证明在反硝化结束时pH和ORP有特征点出现，通过pH上升的速度的差别可以判断碳源是否充足，调控碳源的投加。
2.4 对硝化、反硝化及脱磷的研究
2.4.1 氮、磷的去除效果及操作条件
氮是水污染控制中的一项重要指标，SBR法可以根据反应器中底物的降解情况灵活地改变反应时间，从而方便地实现同池缺氧、好氧，生物脱氮效果良好。孙剑辉等[10]采取缺氧/好氧SBR工艺对用亚铵法造纸废水的脱氮进行了研究。发现SRT、NH3－N都影响总氮的去除，并当进水中CODcr浓度为1200～1800 mg/L，NH3－N浓度为135～200 mg/L，Nox－N浓度为7～10 mg/L时，提出了最佳操作条件为：缺氧、好氧时间比为1:1.5，一周期为8 h；当没有外加碳源时，总氮的去除率为66%，投加乙酸钠后，总氮的去除率可提高到85%。
反应器中污泥颗粒化和除磷特性一般受到废水水质、运行参数和环境因素等影响。卢然超[11]等通过实验发现：（1）污水中较高的C/N比或COD/TN比和较低的污泥龄对生物除磷有利。（2）进水中适当的氮含量或TN/TP比是影响除磷效果和污泥颗粒化的主要因素。（3）较短的污泥龄对除磷作用有利，污泥龄太短难以有效地脱氮。（4）温度降低，发酵菌的产酸和反硝化作用受到抑制，反应器中硝酸盐浓度很高，影响反应器除磷能力，除磷效率下降。但他对其它运行参数对好氧颗粒化的形成，例如溶解氧、pH值、厌好氧交替时间等，未做进一步研究。
2.4.2 污泥龄(生物固体平均停留时间)
污泥龄就是指曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比。即活性污泥在曝气池内的平均停留时间，因之又称为生物固体平均停留时间。污泥龄是活性污泥处理系统设计运行的重要参数，在理论上也有重要意义。
Kargi[12]等人研究了不同停留时间（从5～30天，分为6个阶段），反应器对各种营养物质持去除效果，从而确定了污泥停留时间对COD、氨氮、硝态氮及磷酸盐的去除效果及最佳污泥龄为10天左右可达最大的COD、氨氮、磷酸盐的去除效果，分别为：94%、84%、70%。同时发现在污泥龄为10天时，SVI值最小。
2.4.3 对碳源的研究
有些报道称当葡萄糖作为唯一碳源，生物除磷作用不能完成，原因是在厌氧条件下没有正磷酸盐的释放，而优势菌种不能积累多磷酸盐和吸收葡萄糖。但Jeon, Che Ok和Park, Jong Moon[13]在实验过程中通过投放有13C标记的葡萄糖，用核磁共振（光谱）分析示踪发现，甚至当葡萄作为唯一的碳源时，生物除磷作用遵循与目前报道完全不同的机制；至少在两种菌群：产乳酸菌和聚磷菌的作用下得以完成。在此过程中随着葡萄糖的消耗，糖原质迅速积累。但是正磷酸盐的释放和PHAs的合成与总有机碳的浓度有关而不是与葡萄糖的浓度相关。磷酸盐释放与pH值成比例。合成PHAs的数量要小于葡萄糖增加的数量，因为葡萄糖被LPO产乳酸菌转化为其它的储存物质（可能为乳酸颗粒）加上被PAO聚磷菌合成PHAs。在缺氧阶段，细胞内的PHAs和储存的物质被代谢并且发生磷酸盐的摄取。在SBR中，葡萄糖作为唯一碳源，PHAs的合成和磷酸盐的去除是可能的代谢路径。
Louzeiro, Nuno R. Mavinic[14]等为了确定在SBR反应器中用甲醇作为外加碳源时，对反硝化和脱磷的潜力的影响进行了一系列实验。他们发现：加甲醇的可以观察到两种反硝化速度；初始时反应速度较快随后逐渐减慢。在初始时的快速阶段反硝化速度随甲醇的浓度的增加而增加；随着甲醇的消耗，反硝化作用持续但速度随之减慢。在SBR反应器中只有有外加的甲醇作为碳源时微生物对磷的摄取和释放才有意义.甲醇可能不会被用作碳源来提高生物除磷作用，但是甲醇的添加是重要的，因为它可以消耗掉可以利用的硝酸盐，使得生物除磷作用得以进行。
2.4.4 对电子受体的研究
Lee, Dae Sung，Jeon,[15]等认为浓度高至10 mgNO2/L的亚硝酸盐不会抑制缺氧状态下磷的摄取。不仅如此，他们还认为以亚硝酸盐为电子受体时比以硝酸盐为电子受体时磷的摄取速度更快；Ahn, Johwan[16]等为了更好地研究反硝化聚磷菌的代谢行为，在接种有活性污泥的间歇序批式反应器中，具体调查了不同类型的电子受体在缺氧条件下对磷的摄取。他们研究了三种不同的电子受体：硝酸、亚硝酸和混合的硝酸、亚硝酸，试验结果证实，以硝酸和亚硝酸作为电子受体对缺氧条件下磷的摄取没有抑制作用。但当缺氧反硝化产生的氮气量相等时，以亚硝酸盐为电子受体时吸收磷的量相对要小于以硝酸盐为电子受体时的量。缺氧条件下，只要有电子受体存在，就会发生磷的摄取，缺氧时磷的摄取与初始时电子受体的负荷量及类型有关，此外还与缺氧状态下污泥的MLSS有关，当MLSS增加时，磷的摄取能力表现为下降。
2.5 与其它水处理技术的组合应用
SBR工艺仍属于发展中的污水处理技术，在高浓度有机废水处理上，直接采用有时难以取得理想的效果，在基本的SBR工艺基础上与其它工艺相结合往往收效显著。国内见报道的有如下几种：
ABR――SBR[17]：ABR是一种新型的厌氧折板流反应器，它具有不短流、不堵塞、无需搅拌、易启动的特点，可将其控制在水解酸化阶段与SBR联用，效果良好。中山宝盈香食品调味料有限公司是一家以生产酱油调味料的食品企业，生产车间排放的废水浓度高、水质复杂，浓度波动幅度大，属难降解污染物。在采用了以ABR—SBR为主体的组合处理工艺后，处理出水指标可达GB 8978－1996的一级标准。
UASB――SBR—陶粒过滤工艺[18]：UASB是升流式厌氧污泥床反应器的简称。UASB反应器处理工艺具有较高的处理能力和处理效率，尤其适用于各种高浓度的有机废水的处理，陶粒滤粒质轻、表面积大，有足够的机械强度、水头损失小、吸附力强，价格较活性碳便宜，适宜于脱色等处理。李学平应用该法处理湖南某厂的白酒废水，污水可达综合排放标准GB 8978－1996二级标准。
CAF涡凹气浮――SBR[19]：CFA是自吸旋流气浮装置，主要由气浮槽净水机组成，配以刮渣机和出渣机等辅助设备，对悬浮物含量高的废水处理效果明显。国内宁平等人把它与SBR联合应用于昆明市生猪食品交易市场中来处理屠宰废水的处理，其CODCr、SS、动植物油、TP、TN、色度/倍等的去除率分别为：94.49%、98.89%、99.77%、99.45%、60.91%、93.75%，效果明显。
混凝气浮――微电解――SBR工艺[20]：微电解净水器对废水水质的变化，尤其是染料种类的变化有较强的适应性，可以进一步削减污染物浓度，保障SBR工艺单元的稳定运行；此外利用微电解池原理，通过微电净水器自发产生的电化学氧化还原、电附集、吸附、絮凝沉淀等综合作用，提高了废水的可生化性，并具有较显著的脱色效果。刘林、崔永活将该工艺应用于油墨与黏合剂混合废水的处理，CODCr、SS、色度/倍等各项去除率分别达到97.4%、98.3%、98.0%，处理后的出水各项指标均达到设计标准，效果良好。
3 SBR工艺展望
相对传统的活性污泥法，SBR工艺是一种尚需要不断发展、完善的新型技术，其操作方法尚不够科学，运作管理经验还欠成熟[21～25]，还需深入研究下面的几个问题：
（1）反应器各操作周期中活性污泥中微生物活性和种群分布，以及微生物的代谢理论；
（2）生物脱氮、除磷的微生物机理的进一步深入研究；
（3）SBR操作参数的确定；
（4）SBR与其它处理工艺的联合运用处理含高浓度有毒有害物质工业废水；
SBR工艺是一种高效的污水处理方法，但目前在污泥停留时间、充水时间和反应时间比等这些操作参数的准确选择，及如何采用合理的曝气方式、曝气强度，确定恰当的充水时间和反应时间，在同一反应器中实现好氧――缺氧――厌氧状态的交替操作等一系列问题上，还都停留在经验取值的水平上，还需要做大量相关的研究工作。相信随着对SBR工艺研究的深入进行，有关SBR工艺的成熟操作和控制问题会逐步得到解决。
参考文献
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