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SBR活性污泥处理法

  • 概述
    除了传统的活性污泥法外，随着工业和自动化控制技术的飞速发展，特别是监控技术自动化程度的提高以及电动阀、气动阀、定时阀及微处理机先进监控技术产品的出现，为一些具有独特优点的活性污泥法的发展开辟了道路，主要有SBR法生物处理技术、ICEAS与CASS法生物处理技术等。
    1. SBR法生物处理技术
      SBR是Sequencing Batch Reactor的简称，即序批式活性污泥法也称间歇式活性污泥法。
      SBR的运行工况以间歇操作为主要特征，由于废水是连续排放且流量是波动的，间歇反应器(SBR)至少是两个池或多个池，废水连续地按序列进入每个反应器，从运行操作上看，其反应器之间的相对关系是有序的，也是间歇的，每个反应器之间，在运行操作上也是按次序排列间歇运行的。
      每个反应器的运行次序均分为五个阶段，即由进水、反应、沉淀、排泥、闲置五个阶段构成一个运行周期。在一个运行周期中，各阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化及运行状态等，均可根据废水性质、出水水质要求及运行功能要求等灵活掌握。也就是说，对于单一的SBR而言，只需在时间上进行有效的控制和变换，就可以达到多种功能的要求，因此，运行操作十分灵活。其操作过程见图4-22。
    2. ICEAS法生物处理技术
      ICEAS是Intermittent Cyclic Extended Aeration Sysem的简称，即周期循环延时曝气活性污泥系统。该系统一般由两个以上反应池构成。每个反应池由预反应区和主反应区组成，在主反应区内分水位变化区、缓冲区、污泥区三部分，按曝气、沉淀、排水、排泥的程序，在计算机自动控制下，周期性的运行，使废水在交替的好氧-缺氧-厌氧条件下完成生物降解过程。其构造见图4-23。
      以一个二池典型系统为例：曝气2h，沉淀1h，排水和排泥1h，一个运行周期为4h，当第一个反应池进行2h曝气时，第二个反应池进行沉淀和排水也是2h；当第一个反应池进行沉淀和排水2h时，第二个反应池进行2h曝气。因此，二个池子交换周期运行，风机可以连续工作，设备闲置率小，操作管理十分方便。
    3. CASS法生物处理技术
      CASS是Cyclic Activated Sludge System的简称，即循环式活性污泥法，也有叫CAST(Tech-nology)或CASP( Process)的。该方法是在ICEAS工艺基础上研究开发出来的。
      CASS是设有一个生物选择器的可变容积的间歇式生物反应器。它由生物选择器、缺氧区、主反应区(好氧区)三部分组成，内设曝气器、滗水器、水下搅拌器等。
      生物选择区设在反应器的进水处，进入反应器的废水和由主反应区(好氧区)内回流的活性污泥在此相互混合接触，按照活性污泥菌种群组成的动力学原理，创造合适的微生物生长条件，并选择出絮凝性细菌，有效地控制丝状菌的大量繁殖，克服了污泥膨胀，提高了系统稳定性。
      缺氧区除了可以辅助对在厌氧或兼氧条件下运行的生物选择区的进水水质、水量变化起到缓冲作用外，还可以进一步促进磷的进一步释放和强化反硝化作用。
      主反应区则是最终去除有机物的主要场所。为了使反应区主体溶液处于好氧状态，以保证污泥絮体的外部进行很好的硝化作用，而污泥絮体的内部基本仍处于缺氧状态，限制溶解氧向污泥絮体内部传递，使其进行反硝化，其曝气强度以及溶解氧强度在运行过程中必须加以严格控制。
      CASS工艺是以时间序列运行的，在一个运行周期内包括进水、曝气、污泥沉淀、排水排泥等阶段，并使曝气和非曝气时间基本相等。一般典型运行周期为4h。
  • 新疆塔里木油气化工股份有限公司CASS曝气池实例
    1. 概述
      新疆塔里木油气化工有限公司(以下简称塔化)50*10^4t/a沥青改造工程加工原油为塔河劣质稠油。采用将重质原油轻质化加工工艺生产出合格产品。生产装置排出的废水水质复杂，其中石油类、酚类、硫化物、CODcr氨氮的浓度均较高，生物降解难度大。为确保稳定达标排放，经多方案比较，最后确定其废水处理场生化处理部分采用CASS工艺。该工程已于2001年12月建成并投入运行。
    2. 设计水量和水质
      (1)设计水量为80m3/h(920m3/d)
      (2)CASS系统进、出水水质见表。
      CASS进出水水质表
      项目 进水水质/(mg/L) 出水水质/(mg/L) 项目 进水水质/(mg/L) 出水水质/(mg/L)
      石油类 2 10 挥发酚 40 0.5
      CODcr 560 120 硫化物 20 1.0
      NH3-N 50-70 50 pH值 6-9 6-9
    3. 工艺设备的设计与计算
      (1)CASS反应器的主要设计参数为：
      最大设计水深5-6m；
      混合液悬浮固体浓度(MLSS)3.5-5g/L；
      充水比30%左右；
      最大上清液去除速度30mm/min；
      固液分离时间60min
      设计污泥容积指数(SVI) 100-140mL/g；
      每间池循环时间(在一个周期内)4h、6h、8h、12h
      生物选择器、缺氧区、主反应区的容积比： 1:5:30
      (2)曝气池部分主要设计参数
      BOD5-污泥负荷 0.03-0.1 kgBOD5/kg.MLSS.d
      NH3-N污泥负荷 0.01-0.02 kgNH3-N/kg.MLSS.d
      混合液悬浮固体浓度(MLSS) 1500-5000mg/L
      每日的周期数 2-3
      每周期排出的处理水量与反应容器有效容积之比 1/6-1/3
      活性污泥界面以上最小水深(安全高度ε)5 0m以上
      需氧量 1.5-2.5kg
      (3)反应器的设计计算
      作为间歇运转的CASS反应器与连续运行的活性污泥法在生物降解动力学、污泥性状及规律等均不相同。目前尚无一个被广泛认可的统一计算方法和设计标准，因此，结合生产试脸参数采用污泥负荷法可以进行反应器的设计。其反应器的有效容积为：V=24·Q0·L0/100·ε)·Fw·Nw·fw
      式中 Q0-污水设计流量，m3/h；
      L0-进水BOD5或(CODcr或NH3-N)浓度，mg/L；
      FW-BOD5(CODcr或NH3-N)污泥负荷kg/kg.MLSS.d；
      Nw-混合液悬浮物质浓度，mg/；
      fw-混合液悬浮固体挥发系数，通常在0.5-0.85之间；
      e-反应时间与停留时间比值，通常在0.5-0.75之间；
      V-反应池有效容积，m3。
      反应池设计为二间式钢筋混凝土矩形池子，每间结构尺寸为20m*12.5m*6.3m，有效水深为5.8m。其中
      污泥选择区有效容积 50m3
      预反应区(缺氧区)有效容积 200m3
      主反应区(好氧区)有效容积 1100m3
      单池总有效容积 1350m3
      二间池子总有效容积 2700m3
      反应池的基本构造见图4-24。
    4. 设备的选择
      ①CASS反应器的水位在一个周期中，从开始的最低水位到灌水前的最高水位，均呈周期性变化，因此，向反应器供风的鼓风机应具备在压力允许的范围内变化调节时，其供风量基本上比较稳定或者变化甚微的特点。经比较，三叶罗茨鼓风机具有压力选择范围宽而流量基本稳定的特点，可以满足CASS反应器的供风要求。
      ②曝气设备
      曝气设备是活性污泥处理工艺的核心设备之一。为提高其动力效率和氧的利用率，设计中选用了球冠形膜片式微孔曝气器。此种曝气器是在平板形膜片式曝气器基础上研制的一种新型曝气器。它除了具备平板式结构的各种优点外，其进气孔通过球面内顶部进气，使膜片球形面微微鼓起，使气泡分布面更宽、更均匀细密。而停气时，在水压的作用下膜片被压实。球冠膜片顶部(无开孔)封住进气孔，因而可以有效地防止沉淀期间污泥堵塞进气孔的现
      象。该曝气器的动力效率可达6-8kg/(kW·h)，氧的利用率为27%-38%，均高于其他类型微孔曝气器。
      ③排水设备
      CASS反应器的排水特点是：在几乎静止沉淀的状态下，在很短的时间内以较大流量集中将水排走，并且在排水过程中，池中的水位是变化的；而且要求在排水过程中，不得扰动池中各水层，使排出的上清液始终位于最上层。因此，需要一种特殊的排水设备—滗水器。
      滗水器是一种随水位变化而可以调节的出水堰。当滗水时，沿着给定的轨道以较高的速度将滗水器降到水面，与水面接触后，滗水装置的下降速度将转为正常下降速度，待下降到最低水位时，再将滗水器返回到初始状态。滗水器的动作是采用变频电机由PLC程序进行控制。
      排水口淹没在水面以下一定深度，以防止将浮渣排走。
      ④污泥回流泵
      为使活性污泥连续地从主反应区回流到选择区，设计中采用潜水泵作为污泥回流泵。
      该工程选用的主要设备见表。
      主要设备选用表
      设备名称 型号 数量/台 主要性能
      三叶罗茨鼓风机 RE-190型 2 风量=45m3/min，风压P=68.6kPa
      球冠形膜片式微孔曝气器
      旋转水器 XHB-400型 2 排水量Q=400m3/h，变频电机PLC程序控制
      污水回流泵 CP3045HT252型 2 流量=110m3/h，扬程=10m
      ⑤自动控制系统
      CASS反应器的间歇操作，对自动控制系统提出了严格要求。一般情况下，CASS操作可按每日2、3、4周期运行。以每日三个周期(即8h为一运行周期)为例，其运行步序如图4-25所示。两间池差可按4h间隔运行。自动控制系统CASS反应器的间歇操作，对自动控制系统提出了严格要求。一般情况下，CASS操作可按每日2、3、4周期运行。以每日三个周期(即8h为一运行周期)为例，其运行步序如图4-25所示。两间池差可按4h间隔运行。
      CASS运行按DCS自动控制系统程序控制操作。该系统有流程图画面、数据采集和处理、报表打印等功能。设置手动操作和自动操作两种方式，且相互联锁。结合塔河原油废水处理达标排放的要求，在操作程序上设计了三套运行方案，如果情况发生变化，还可以根据变化了的情况，重新设计新的运行方案。
      该自控系统主要包括以下主要内容：
      a.按时间控制进水阀门；
      b.按时间控制进气阀门；
      c.根据采集的进水量按时间要求变频控制排水滗水器；
      d.按时间控制排泥阀门；
      e.采集反应池的溶解氧、pH值，采集并控制运行液位等；
      f.采集风量、风压、风温参数、变频控制鼓风机；
      g.采集设备的运行工况和异常情况的报警信号。
    5. CASS系统的运行
      CASS反应池的平面系统如图4-26所示。
      CASS系统按一定时间序列运行。一个运行周期包括进水/曝气、进水/沉淀、上清液滗出和进水/待机四个阶段。每个循环周期运行时间，可根据进水水质、水量确定，一般为4h、6h、8h等。图4-27为塔化CASS系统运行过程示意图。
      (1)进水/曝气阶段
      此阶段曝气和进水同时进行，此时，生物选择器区的DO由零逐渐到达0.2mg/L，缺氧区DO由零逐渐达到1mg/L，好氧区DO由零逐渐达到2mg/L左右。大约要有50%的时间维持在上述水平，使CASS系统中出现曝气状态下的反硝化，使硝化/反硝化在不同环境下同时发生，不需要专设缺氧池和硝化液外回流系统。

      (2)沉淀阶
      曝气停止后，沉淀阶段开始。反应池中混水混合液尚有部分残余混合能量，使污泥颗粒进行絮凝过程。但混合能量消耗完后，形成一个污泥边界层，并以成层沉淀的方式沉淀。密度较大的固体颗粒穿过此污泥层沉到池底。由于选择器特殊的水力流态以及CASS池子的几何形状，使在此阶段的进水不可能直接流出系统，因此，在沉淀阶段可同时进水。
      (3)滗水阶段
      沉淀阶段结束后，置于反应池尾部的滗水器系统开始工作，排出反应池内上层处理水。滗水结束后又进入下一个新的周期，开始重复地进行曝气，周而复始。
      为保持池子中有一个合适的污泥浓度，需要根据产生的污泥量，排掉部分剩余污泥。排泥一般在沉淀阶段结束后进行。当混合液污泥浓度为3.5g/L时，沉淀后排出的污泥浓度可达10g/L，因此，排出的剩余污泥体积很小。
    6. CASS系统的处理效果
      塔化工程于2001年11月竣工后，进入调试阶段。2002年1月开始进行活性污泥培养驯化，逐渐进入正式运行阶段，运行结果表明：该工艺设计合理，运行稳定，适应水质、水量的变化能力很强，处理效率高。处理后，各项排水指标均达到了设计要求，取得很好的环境效益和社会效益。
      2002年12月2日至2002年12月8日，对该系统处理后水质分析数据见表。
      塔化废水处理场CASS出水水质分析记录 注：单位除pH值外其余均为mg/L
      时 间 生化进水 生化出水
      年/月/日 时/分 CODcr 油 pH值 CODcr 油 pH值
      2002.12.02 10:00 129.35 12.37 9.42 26.09 0.92 7.01
      22:00 131.25 11.05 9.23 28.26 0.86 8.08
      2002.12.03 10:00 119.41 9.94 9.21 36.22 1.258 8.45
      22:00 128.28 8.87 9.10 37.74 0.97 7.68
      2002.12.04 10:00 135.01 10.05 9.32 36.96 0.65 8.32
      22:00 115.23 9.95 9.51 30.52 0.46 6.67
      2002.12.05 10:00 123.51 9.53 9.05 40.36 1.08 6.16
      22:00 109.32 9.33 9.15 32.28 0.92 7.08
      2002.12.06 10:00 125.10 11.23 9.03 40.28 0.96 6.74
      22:00 134.02 9.75 9.23 45.27 1.32 7.82
      2002.12.07 10:00 118.05 9.85 9.08 61.92 1.15 7.24
      22:00 131.25 9.15 9.12 58.32 1.51 7.56
      2002.12.08 10:00 141.32 10.78 9.03 30.52 0.46 6.67
      22:00 127.56 9.95 9.58 21.74 0.81 7.51
      平均值 126.33 10.13 9.22 37.61 0.95 7.36
      从表中可以看出：CASS出水的CODcr平均浓度为37.61mg/L，石油类平均浓度0.95mg/L，已达到国家污水综合排放标准(GB8978-1996)中第二类污染物最高允许排放浓度的一级标准(CODcr浓度60mg/L，石油类5mg/L)。
      CASS工艺的主要特点是：
      (1)结构简单，构筑物少，所有反应在一个池子中进行，不需要单独设置二沉池；
      (2)占地少，投资省，运行费用低；
      (3)自动化水平高，运行方式灵活，操作管理方便；
      (4)反应过程基质浓度梯度大，因此，反应推动力大，处理效率高，容积利用率高；
      (5)对有机负荷及有毒物质负荷的耐冲击能力强，可防止污泥膨胀的能力强；
      (6)几乎是静止沉淀，污泥沉淀性能好，排水时不进水，不受干扰，出水水质好；
      (7)厌氧、缺氧、好氧过程交替并存，泥龄长、适性高，同时具有良好的脱氮功能。

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