SBR法及其研究進展
活性污泥處理系統，在當前污水處理領域是應用最為廣泛的處理技術。它有效地用于生活污水，城市污水和有機性工業廢水的處理，對于傳統的活性污泥技術在工藝方面采取措施突破僅作為二級處理技術傳統，能夠作為脫氮、除磷的三級處理技術。SBR（sequencing batchreactor）法，即序批式間歇活性污泥法，就是這類活性污泥處理新工藝中的引人注目的一種活性污泥法。它是被日本下水道協會和美國環保局評估了的少數富有革新意義和較強競爭力的廢水生物處理技術之一。
1 特點及其發展
1.1 產生及發展
SBR工藝早在1914年即已開發[1]，但由于當時監測手段落后，并沒有得到推廣應用。1979年美國的L.Irvine對SBR工藝進行了深入的研究，并于1980年在印第安那州的Culver改進并投產了一個SBR污水處理廠。此后隨著計算機監控技術、各種新型不堵塞曝氣器和軟件技術的出現，同時也由于開發了在線溶解氧測定儀、水位計等精度高并且對過程控制比較經濟的水質檢測儀表，污水處理廠的運行管理逐漸實現了自動化，加之SBR具有均化水質、工藝簡單，處理效果穩定，耐沖擊負荷力強，出水質好，操作靈活、占地面積少等優點而成為包括美、德、日、澳、加等在內的許多工業發達國家競相研究和開發的熱門工藝。以澳大利亞為例，近10多年來建成采用SBR工藝的污水處理廠就達近600座之多。
我國在80年代中期開始對SBR法的應用研究[1 2]。1985年，上海吳淞肉聯研制投產了我國第一座SBR法污水處理站，設計處理水量2400t/d，運行效果良好。目前在云南省昆明市已有兩座采用SBR工藝的大中型污水處理廠，運行情況良好。天津經濟技術開發區10萬t/d采用SBR工藝的污水處理廠也于近日投入運行。從國內外研究情況來看，SBR法是一種高效、經濟、可靠的適合我國國情的廢水處理方法。
1.2 工藝流程
間歇式活性污泥法的主要反應器，即曝氣池的運行操作是由流入、反應、沉淀、排放和閑置五個工序組成[3]。污水在反應器中按序列、間歇地進入每個反應工序，每個SBR反應器的運行操作在時間上也是按次序排列間歇運行的。
在流入工序實施前，閑置工序處理后的污水已經排放，曝氣池中殘存著高濃度的活性污泥混合液。當污水注入流入時，曝氣池可以起到調節池的作用，如果進行曝氣可以取得預
曝氣效果，也可使污泥再生，恢復其活性。
反應工序是SBR工藝最主要的一道工序。當污水注入達到預定容積后，可開始反應操作，如去除BOD、硝化、磷的吸收，以及反硝化等。根據反應需要達到的程度，進行短時間的微量曝氣，以吹脫污泥上粘附的氣泡或氮，以保證排泥順利進行。
在排泥工序，停止曝氣和攪拌，使混合液處于靜止狀態，活性污泥與水分離，相當于二次沉淀池的作用。經過沉淀后的上清液作為處理出水排放，沉淀的污泥作為種泥留在曝氣池內，起到回流污泥的作用。
在閑置工序，處理出水排放后，反應器處于停滯狀態，等待下一個操作周期。在此期間，應間斷或輕微曝氣以避免污泥的腐化。經過閑置的活性污泥處于營養物的饑餓狀態，因此當進入下個運行周期的流入工序時，活性污泥就可以發揮較強的吸附能力增強去除作用。閑置工序是SBR工藝中的重要內容。
1.3 工藝特點及主要問題
SBR工藝與連續式活性污泥法相比，具有如下優點[3]：
（1）工藝流程簡單，不需要另設二沉池及污泥回流設備，多數情況下可以省去初沉池。
。2）占地面積小、造價低；特別是小城鎮的污水處理可比普通活性污泥法節省基建投資30%以上。
（3）營養物質去除效果及脫氮除磷效果好。
（4）污泥沉降性能好。
。5）適應性良好，且易于維護管理。
SBR法存在的主要問題是：操作復雜，對自控要求高；此外其工藝流程本身決定了設備裝置利用率低。
2 研究進展
2.1 反應器內DO及曝氣方式
2.1.1 DO的影響
反應器內溶解氧的含量將影響污泥中微生物的生理活動，從而影響污水處理進程，故反應器內的DO含量水平是非常值得探討的。Jeill OH和J.Silverstein[4]對SBR反應器中，DO抑制反硝化作用進行了研究，污水中溶解氧的研究范圍從0.09 mg/L～5.6 mg/L；結果發現，非常低濃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時，反硝化速率可從最大速率0.0214 mg—NOx—N/mg—MLSS/h降至其速率的35%。但同時也指出，當DO＝5.6 mg/L時仍可觀察到反硝化作用，并根據實驗，對反硝化模型作了修正。
2.1.2 攪拌速度的影響
Drigues, Jose Alberto Domingues[5]等人對攪拌混合的充氣方式進行了研究，他們用含有顆粒污泥反應器處理COD為500 mg/l的合成城市污水，處理周期為8小時，處理量為2.0 L。攪拌速度的研究范圍從0 rev./min－75 rev./min，結果發現，COD的去除率為80～88%；在50rev./min時可獲得相對好的污泥停留時間，同時不破壞顆粒污泥；而且應用攪拌可增加反應器的有效的循環從而使總的循環時間縮短。他們指出殘余有機物的經驗方程和一級反應動力學模型可用來預測攪拌速度對反應器的影響。
2.2 污泥膨脹
正；钚晕勰喑两敌阅芰己茫试99%左右，當污泥變質時，污泥不易沉淀，SVI值增高，污泥的結構松散和體積膨脹，含水率上升，澄清液稀少，顏色發生異變，這就產生了污泥膨脹。水處理中污泥膨脹問題大約95%與絲狀菌的過量增殖有關，非絲狀菌膨脹一般是由結合水含量高的胞外多聚物引起的高粘度膨脹。SBR中SVI值一般較低，不易出現膨脹問題，但有時也不能避免。
王淑瑩[6]等人利用石化廢水在SBR反應器中研究了絲狀菌膨脹與有機負荷之間的關系，指出當反應器中溶解氧（DO）充足時，低有機負荷易引起污泥膨脹，提高有機負荷能有效的控制膨脹；高負荷下，引起污泥膨脹的原因往往是DO不足，而提高DO濃度則能使污泥膨脹得到控制，這一結果也解釋了高有機負荷發生污泥膨脹的實質原因。
高春娣[7]等利用啤酒廢水研究了氮缺乏引起的非絲狀菌膨脹問題，發現進水中不同有機物濃度與總氮的比值（以BOD/N計）條件對活性污泥膨脹是有影響的，指出在進水BOD/N＝100/4的條件下，污泥的沉降性能良好，在進水BOD/N＝100/3和BOD/N＝100/2時，均發生由高含水率的粘性菌膠團過量生長引起的非絲狀菌膨脹，在進水BOD/N＝100/0.94的條件下，發生的非絲狀菌膨脹最為嚴重。
2.3 pH、ORP
微生物的生理活動與環境的酸堿度（氫離子濃度）密切相關，氫離子濃度能夠影響微生物細胞質膜上的電荷性質。電荷性質改變，微生物細胞吸收營養物質的功能也會發生變化，從而對微生物的生理活動產生不良影響。
高景峰[8 9]等人為實現SBR法反硝化的在線模糊控制，研究了pH和ORP等在有機物去除及硝化、反硝化過程中的變化特點。對pH的變化得出：（1）在有機物去除過程中，pH呈現大幅上升的現象（2）在有機物去除結束時，pH停止上升，隨硝化反應的進行pH不斷下降至反應結束，后pH突然快速上升或維持不變。（3）在反硝化過程中，pH不斷上升直至反硝化結束出現轉折點，然后持續下降，指示反硝化已結束。對ORP來說，隨著反硝化的進行ORP表現為減速下降，在反硝化結束時突然下降速度增加出現拐點。
總之，不論使用何種碳源以及不認投加碳源的方式和數量如何都證明在反硝化結束時pH和ORP有特征點出現，通過pH上升的速度的差別可以判斷碳源是否充足，調控碳源的投加。
2.4 對硝化、反硝化及脫磷的研究
2.4.1 氮、磷的去除效果及操作條件
氮是水污染控制中的一項重要指標，SBR法可以根據反應器中底物的降解情況靈活地改變反應時間，從而方便地實現同池缺氧、好氧，生物脫氮效果良好。孫劍輝等[10]采取缺氧/好氧SBR工藝對用亞銨法造紙廢水的脫氮進行了研究。發現SRT、NH3－N都影響總氮的去除，并當進水中CODcr濃度為1200～1800 mg/L，NH3－N濃度為135～200 mg/L，Nox－N濃度為7～10 mg/L時，提出了最佳操作條件為：缺氧、好氧時間比為1:1.5，一周期為8 h；當沒有外加碳源時，總氮的去除率為66%，投加乙酸鈉后，總氮的去除率可提高到85%。
反應器中污泥顆；统滋匦砸话闶艿綇U水水質、運行參數和環境因素等影響。盧然超[11]等通過實驗發現：（1）污水中較高的C/N比或COD/TN比和較低的污泥齡對生物除磷有利。（2）進水中適當的氮含量或TN/TP比是影響除磷效果和污泥顆；闹饕蛩亍＃3）較短的污泥齡對除磷作用有利，污泥齡太短難以有效地脫氮。（4）溫度降低，發酵菌的產酸和反硝化作用受到抑制，反應器中硝酸鹽濃度很高，影響反應器除磷能力，除磷效率下降。但他對其它運行參數對好氧顆；男纬，例如溶解氧、pH值、厭好氧交替時間等，未做進一步研究。
2.4.2 污泥齡(生物固體平均停留時間)
污泥齡就是指曝氣池內活性污泥總量與每日排放污泥量之比。即活性污泥在曝氣池內的平均停留時間，因之又稱為生物固體平均停留時間。污泥齡是活性污泥處理系統設計運行的重要參數，在理論上也有重要意義。
Kargi[12]等人研究了不同停留時間（從5～30天，分為6個階段），反應器對各種營養物質持去除效果，從而確定了污泥停留時間對COD、氨氮、硝態氮及磷酸鹽的去除效果及最佳污泥齡為10天左右可達最大的COD、氨氮、磷酸鹽的去除效果，分別為：94%、84%、70%。同時發現在污泥齡為10天時，SVI值最小。
2.4.3 對碳源的研究
有些報道稱當葡萄糖作為唯一碳源，生物除磷作用不能完成，原因是在厭氧條件下沒有正磷酸鹽的釋放，而優勢菌種不能積累多磷酸鹽和吸收葡萄糖。但Jeon, Che Ok和Park, Jong Moon[13]在實驗過程中通過投放有13C標記的葡萄糖，用核磁共振（光譜）分析示蹤發現，甚至當葡萄作為唯一的碳源時，生物除磷作用遵循與目前報道完全不同的機制；至少在兩種菌群：產乳酸菌和聚磷菌的作用下得以完成。在此過程中隨著葡萄糖的消耗，糖原質迅速積累。但是正磷酸鹽的釋放和PHAs的合成與總有機碳的濃度有關而不是與葡萄糖的濃度相關。磷酸鹽釋放與pH值成比例。合成PHAs的數量要小于葡萄糖增加的數量，因為葡萄糖被LPO產乳酸菌轉化為其它的儲存物質（可能為乳酸顆粒）加上被PAO聚磷菌合成PHAs。在缺氧階段，細胞內的PHAs和儲存的物質被代謝并且發生磷酸鹽的攝取。在SBR中，葡萄糖作為唯一碳源，PHAs的合成和磷酸鹽的去除是可能的代謝路徑。
Louzeiro, Nuno R. Mavinic[14]等為了確定在SBR反應器中用甲醇作為外加碳源時，對反硝化和脫磷的潛力的影響進行了一系列實驗。他們發現：加甲醇的可以觀察到兩種反硝化速度；初始時反應速度較快隨后逐漸減慢。在初始時的快速階段反硝化速度隨甲醇的濃度的增加而增加；隨著甲醇的消耗，反硝化作用持續但速度隨之減慢。在SBR反應器中只有有外加的甲醇作為碳源時微生物對磷的攝取和釋放才有意義.甲醇可能不會被用作碳源來提高生物除磷作用，但是甲醇的添加是重要的，因為它可以消耗掉可以利用的硝酸鹽，使得生物除磷作用得以進行。
2.4.4 對電子受體的研究
Lee, Dae Sung，Jeon,[15]等認為濃度高至10 mgNO2/L的亞硝酸鹽不會抑制缺氧狀態下磷的攝取。不僅如此，他們還認為以亞硝酸鹽為電子受體時比以硝酸鹽為電子受體時磷的攝取速度更快；Ahn, Johwan[16]等為了更好地研究反硝化聚磷菌的代謝行為，在接種有活性污泥的間歇序批式反應器中，具體調查了不同類型的電子受體在缺氧條件下對磷的攝取。他們研究了三種不同的電子受體：硝酸、亞硝酸和混合的硝酸、亞硝酸，試驗結果證實，以硝酸和亞硝酸作為電子受體對缺氧條件下磷的攝取沒有抑制作用。但當缺氧反硝化產生的氮氣量相等時，以亞硝酸鹽為電子受體時吸收磷的量相對要小于以硝酸鹽為電子受體時的量。缺氧條件下，只要有電子受體存在，就會發生磷的攝取，缺氧時磷的攝取與初始時電子受體的負荷量及類型有關，此外還與缺氧狀態下污泥的MLSS有關，當MLSS增加時，磷的攝取能力表現為下降。
2.5 與其它水處理技術的組合應用
SBR工藝仍屬于發展中的污水處理技術，在高濃度有機廢水處理上，直接采用有時難以取得理想的效果，在基本的SBR工藝基礎上與其它工藝相結合往往收效顯著。國內見報道的有如下幾種：
ABR――SBR[17]：ABR是一種新型的厭氧折板流反應器，它具有不短流、不堵塞、無需攪拌、易啟動的特點，可將其控制在水解酸化階段與SBR聯用，效果良好。中山寶盈香食品調味料有限公司是一家以生產醬油調味料的食品企業，生產車間排放的廢水濃度高、水質復雜，濃度波動幅度大，屬難降解污染物。在采用了以ABR—SBR為主體的組合處理工藝后，處理出水指標可達GB 8978－1996的一級標準。
UASB――SBR—陶粒過濾工藝[18]：UASB是升流式厭氧污泥床反應器的簡稱。UASB反應器處理工藝具有較高的處理能力和處理效率，尤其適用于各種高濃度的有機廢水的處理，陶粒濾粒質輕、表面積大，有足夠的機械強度、水頭損失小、吸附力強，價格較活性碳便宜，適宜于脫色等處理。李學平應用該法處理湖南某廠的白酒廢水，污水可達綜合排放標準GB 8978－1996二級標準。
CAF渦凹氣浮――SBR[19]：CFA是自吸旋流氣浮裝置，主要由氣浮槽凈水機組成，配以刮渣機和出渣機等輔助設備，對懸浮物含量高的廢水處理效果明顯。國內寧平等人把它與SBR聯合應用于昆明市生豬食品交易市場中來處理屠宰廢水的處理，其CODCr、SS、動植物油、TP、TN、色度/倍等的去除率分別為：94.49%、98.89%、99.77%、99.45%、60.91%、93.75%，效果明顯。
混凝氣浮――微電解――SBR工藝[20]：微電解凈水器對廢水水質的變化，尤其是染料種類的變化有較強的適應性，可以進一步削減污染物濃度，保障SBR工藝單元的穩定運行；此外利用微電解池原理，通過微電凈水器自發產生的電化學氧化還原、電附集、吸附、絮凝沉淀等綜合作用，提高了廢水的可生化性，并具有較顯著的脫色效果。劉林、崔永活將該工藝應用于油墨與黏合劑混合廢水的處理，CODCr、SS、色度/倍等各項去除率分別達到97.4%、98.3%、98.0%，處理后的出水各項指標均達到設計標準，效果良好。
3 SBR工藝展望
相對傳統的活性污泥法，SBR工藝是一種尚需要不斷發展、完善的新型技術，其操作方法尚不夠科學，運作管理經驗還欠成熟[21～25]，還需深入研究下面的幾個問題：
（1）反應器各操作周期中活性污泥中微生物活性和種群分布，以及微生物的代謝理論；
。2）生物脫氮、除磷的微生物機理的進一步深入研究；
。3）SBR操作參數的確定；
（4）SBR與其它處理工藝的聯合運用處理含高濃度有毒有害物質工業廢水；
SBR工藝是一種高效的污水處理方法，但目前在污泥停留時間、充水時間和反應時間比等這些操作參數的準確選擇，及如何采用合理的曝氣方式、曝氣強度，確定恰當的充水時間和反應時間，在同一反應器中實現好氧――缺氧――厭氧狀態的交替操作等一系列問題上，還都停留在經驗取值的水平上，還需要做大量相關的研究工作。相信隨著對SBR工藝研究的深入進行，有關SBR工藝的成熟操作和控制問題會逐步得到解決。
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