6.2　活性污泥法的改良與發展

6.2.1　序批式活性污泥（SBR）法

（1）工作原理與運行

SBR工藝中的核心處理設備是一個序批式間歇反應器（SBR反應器），其一般的工藝流程如圖6-12所示。

SBR工藝的操作工序如圖6-13所示。整個運行周期由進水、反應、沉淀、出水和閑置5個基本工序組成，5個工序都在一個設有曝氣或攪拌裝置的反應器內依次進行。在處理過程中，周而復始地循環這種操作周期，以實現污水處理目的。現將各工序的操作要點與功能闡述于下。

①進水工序　廢水注入之前，反應器處于待機狀態，此時沉淀后的上清液已經排空，反應器內還儲存著高濃度的活性污泥混合液，這起到了連續流活性污泥法（CFS）中污泥回流的作用。此時反應器內的水位為最低。

廢水注入完畢再進行反應，從這個意義上說，反應器又起到了調節池的作用，所以SBR法受負荷變動的影響較小，對水質、水量變化的適應性較好。

在注入廢水的過程中，可以根據不同的處理目的來配以其他的操作。進水方式可以分為三種：單純進水、進水加攪拌（厭氧反應）、進水加曝氣（好氧反應）。

設計合理的進水時間對整個處理過程以及對污泥性能也很重要。據Dennis和Irvine所做的進水時間對污泥沉降速度的影響的試驗，進水時間/反應時間為2h/4h的情況下SVI為78；進水時間/反應時間為5h/1h的情況下SVI為224。

②反應工序　當廢水達到預定高度時，便開始反應操作，可以根據不同的處理目的來選擇相應的操作。例如，控制曝氣時間可以實現BOD的去除、硝化、磷的吸收等不同要求；控制曝氣或攪拌強度來使反應器內維持厭氧或缺氧狀態，實現硝化、反硝化過程。

有時為了使沉淀工序效果更好，在反應工序的最后可進行短時間的小氣量曝氣，以去除附著在污泥上的氮氣。如果需要排放剩余污泥，也可以在本工序的后期完成。

③沉淀工序　本工序中SBR反應器相當于CFS法中的二沉池，停止曝氣和攪拌，使混合液處于靜止狀態，活性污泥進行重力沉淀和上清液分離。在CFS工藝中活性污泥混合液必須經過管道流入沉淀池進行沉淀，這就可能使部分剛剛開始絮凝的活性污泥重新破碎，而SBR反應器本身作為沉淀池就可以避免這一問題。而且，SBR反應器中的污泥沉淀是在完全靜止的狀態下完成的，受外界干擾小，可避免CFS工藝中二沉池內水流的影響。此外，靜止沉淀還避免了連續出水容易帶走相對密度小、活性好的污泥的問題，可提高污泥活性。普通活性污泥法的VSS/SS為0.6左右，而SBR工藝的VSS/SS可以提高到0.8以上。因此，SBR工藝沉降時間短、沉淀效率高，污泥保持較好的活性。

沉淀時間可依據廢水類型以及處理要求具體設定，一般為1～2h。

④出水工序　排出沉淀后的上清液恢復到周期開始時的最低水位，剩下的一部分處理水可以起到循環水和稀釋水的作用。沉淀的活性污泥大部分作為下個周期的回流污泥使用，剩余污泥則排放。

⑤閑置工序　SBR池處于空閑狀態，微生物通過內源呼吸恢復活性，溶解氧濃度下降，起到一定的反硝化作用而進行脫氮，為下一運行周期創造良好的初始條件。由于經過閑置期后的微生物處于一種饑餓狀態，活性污泥的比表面積很大，因而在新的運行周期的進水階段活性污泥便可發揮其較強的吸附能力對有機物進行初始吸附去除。另外，待機工序可使池內溶解氧進一步降低，為反硝化工序提供了良好的工況。

（2）工藝特點與問題

①優點

1）工藝流程簡單，運轉靈活，基建費用較低。其主體設備主要為一個SRB反應器，基本上所有操作在一個反應器內完成。

2）處理效果良好，出水可靠。因其反應過程不連續，反應器中基質和微生物濃度是隨時間變化的。可創造出生物反應最佳條件，實現良好的處理效果。

3）較好的除磷脫氮效果。通過5個工序時間上的安排，較易實現厭氧、缺氧和好氧狀態交替，可最大限度滿足生物脫氮除磷環境與條件。

4）污泥沉降性能良好。由于反應器中基質濃度梯度大，且厭氧、缺氧和好氧狀態并存，有助于改善污泥沉降性能。

5）水質水量變化適應性強。由于進水與上一個運行周期殘存的剩余污泥混合，具有緩沖調節作用。故其適應性強。

②存在的局限性與問題

1）反應器容積利用率低；設備利用率低。

2）不連續出水，峰值需氧量高，水頭損失大。

3）依賴計算機控制，管理難度大，只適用于小型廢水處理廠。

6.2.2　AB法

（1）AB法工藝流程

兩段生物法即AB法，是吸附生物降解工藝（adsorption biodegradation）的簡稱，20世紀80年代開始應用于工程實踐。該工藝由A、B兩段組成，不設初沉池。AB法的工藝基本流程如圖6-14所示。

A段為吸附段，是AB工藝的關鍵和主體。在A段廢水與活性很強、高負荷的活性污泥充分接觸，有機物被活性污泥吸附后，混合液就進入沉淀池進行固液分離。該段負荷高，能夠成活的微生物種群只有抗沖擊負荷能力強的原核細菌，而原生動物和后生動物不能存活，污染物的去除主要依靠活性污泥的吸附作用。A段污泥負荷一般為2～6kg/（kg·d）（每千克活性污泥中懸浮固體所含的BOD₅的千克值），污泥齡0.3～0.5d，水力停留時間30min，池內溶解氧濃度為0.2～0.7mg/L，污泥在缺氧（兼性）條件下工作，BOD₅去除率為40%～70%，懸浮固體（SS）去除率可達60%～80%，污泥容積指數（SVI）<60。

B段為氧化段，曝氣池在低負荷率下工作，污泥負荷一般為0.15～0.3kg/（kg·d），污泥齡15～20d，水力停留時間2～3h，池內溶解氧濃度為1～2mg/L，SVI<100。AB兩段活性污泥各自回流。

AB兩段負荷相差很大，因此繁殖出不同的生物相。A段的優勢是微生物種群為原核生物，使活性污泥表現為絮凝、吸附、降解有機物能力強，抗沖擊負荷能力強，抗毒能力強。運行系統一旦遭到破壞，能在短時間內恢復原有的處理效果。B段微生物種群為后生動物，生長周期較長，抗沖擊負荷能力不如A段。

（2）AB法工藝特點

AB法不設初沉池，廢水中的微生物全部進入A段，與活性污泥較短時間的接觸，因此，吸附池的容積較小。A段的微生物處于對數生長期，大都為繁殖速度快的細菌。微生物對環境變化（pH值、負荷、毒物、溫度等）的適應性強，耐沖擊能力很強。在A段中的污水與回流污泥混合后，相互間發生絮凝和吸附，難降解的懸浮物膠體得到絮凝、吸附、黏結，經沉降后與水分離，一部分可溶性有機物被降解。在缺氧條件下運行時脫P、N作用顯著。A段的緩沖、凈化和改善可生化性等作用，為B段的生物凈化創造了有利條件，使B段出水水質得到改善，曝氣池容積減小40%，能耗降低，投資費用減少。

B段微生物處于內源呼吸期，大都為繁殖較慢的菌膠團和原生動物等。不同相的微生物可去除不同種類的污染物，所以AB法的凈化效果顯著提高。

AB法與普通的生物處理法相比，在處理效率、運行穩定性、工程的投資和運行費用方面均具有明顯的優勢，基建費用和運行費用較低，出水水質穩定，對P、N有較好的去除效果，但不能滿足深度處理的要求。

6.2.3　膜生物反應器（MBR）法

6.2.3.1　凈化原理與分類

膜生物反應器是將膜分離過程與生物反應器組合使用的各類水處理工藝的總稱。膜生物反應器根據機理可分為：膜分離生物反應器（membrane separation bioreactor，簡稱MBR）、膜曝氣生物反應器（membrane aeration bioreactor，簡稱MABR）、萃取膜生物反應器（extractivemembranebioreactor，簡稱EMBR）三大類型。圖6-15為三類膜生物反應器示意圖。

目前，國內膜曝氣生物反應器和萃取生物反應器應用較少，工程應用較多的是膜分離生物反應器。

MBR根據微生物生長環境的不同分為好氧和厭氧兩大類；MBR的核心部件是膜組件，從材料上可以分為有機膜和無機膜兩大類。根據膜組件的形式可以分為管式、板式和中空纖維式；按膜組件的安放位置分為內置式（或浸沒式、一體式）和外置式（或分體式）。

外置式MBR是指膜組件與生物反應器分開設置，膜組件在生物反應器的外部，生物反應器反應后的混合液進入膜組件分離，分離后的清水排出，剩余的混合液回流到生物反應器中繼續參加反應，如圖6-16所示。外置式MBR的特點是運行穩定可靠，操作管理方便，易于膜的清洗、更換，但外置式MBR動力消耗大、系統運行費用高，其處理單位體積水的能耗是傳統活性污泥法的10～20倍。為了減少污泥在膜表面的沉積，膜內循環液的水流流速要求很高，一方面造成系統運行費用高，另一方面回流造成的剪切力可能影響微生物的活性。在外置式MBR工藝中，膜組件一般采用平板式或管式膜，排水常采用壓力驅動方式。

內置式MBR是將膜組件直接安放在生物反應器中，通過泵的負壓抽吸作用或重力作用得到膜過濾出水，由于膜浸沒在反應器的混合液中，亦稱為浸沒式或一體式MBR，如圖6-17所示。內置式MBR中，膜組件下方設置曝氣，依靠空氣和水流的擾動減緩膜污染，一般曝氣是連續運行的，而泵的抽吸是間斷運行的。為了有效地防止膜污染，有時在反應器內設置中空軸，通過中空軸的旋轉使安裝在軸上的膜也隨著轉動，形成錯流過濾。同外置式相比，內置式MBR具有工藝流程簡單、運行費用低等特點，其能耗僅為0.2～0.4kW·h/m³，但是其運行穩定性差、操作管理和清洗更換工作較煩瑣。

6.2.3.2　MBR工藝特征與發展

（1）MBR工藝特征

MBR是一種活性污泥系統，但是與其他活性污泥工藝不同的是，MBR采用膜過濾而不是沉淀池來實現泥水分離。膜將活性污泥截留在生化池內，從而提高了生化池的污泥濃度和生化速率，同時通過膜過濾得到更好的出水水質。

①MBR工藝的優點　MBR工藝能夠集膜的優良分離性能和生化法對有機物氧化降解的高效性于一體，與常規的活性污泥法相比，主要有以下優點。

1）高效的固液分離性能。由于膜的高效分離作用，分離效果大大強于傳統的二沉池；出水懸浮物和濁度接近零，而且可以去除細菌病毒等。

2）膜的高效截留作用使微生物完全截留在反應器內，實現了反應器水力停留時間和固體停留時間的完全分離，使運行控制更加靈活、穩定。同時，反應器內微生物濃度高，耐沖擊負荷。

3）有利于繁殖周期長的硝化細菌的截留、生長和增殖，系統硝化效率得以提高，通過運行方式的改變可以有強化脫氮除磷的功能。

4）泥齡長。膜分離使廢水中的大分子難降解成分在體積有限的生物反應器內有足夠的停留時間，大大提高了難降解有機物的降解效率。

5）反應器在低污泥負荷條件下運行，剩余活性污泥量遠低于傳統活性污泥工藝，且無污泥膨脹，降低了剩余污泥的處置費用。在膜反應器工藝中，由于膜為固液分離提供了絕對的保證，排水的質量與生物絮體的沉降性沒有關聯，因此，膜生物反應器工藝基本上解決了活性污泥法的污泥膨脹問題。

6）系統易于實現自動化控制，操作管理方便。

7）占地面積小，工藝設備集中。MBR能維持高濃度的微生物量，容積負荷較高，因而自身所需的占地面積與傳統工藝相比大大減少。同時用膜進行固液分離時，不需要設置沉淀池。

②MBR工藝的缺點　同樣的，MBR工藝也存在一些不足。

1）膜材料價格較高，導致MBR的工程投資高于相同規模的傳統廢水處理工藝，制約了膜生物反應器的推廣應用。

2）膜材料易損壞，容易污染，給操作管理帶來不便，同時也增加了運行成本。

3）為了減緩膜污染，一般需要混合液回流或膜下曝氣，從而造成運行能耗的增加。

（2）MBR工藝的發展

MBR發展過程中，許多傳統活性污泥法的工藝也被引入到MBR工藝中，使其與膜分離手段相結合，構成了新型的MBR工藝，以強化脫氮除磷功效。新型的MBR工藝主要有以下幾種類型。

①序批式MBR　將活性污泥法中的SBR引入到MBR中形成絮批式膜生物反應器，該工藝具備同時去除有機物和脫氮的效果。

②間歇曝氣MBR　為提高單級好氧反應器的反硝化能力，間歇曝氣工藝也被引入到MBR系統中。周期循環的間歇曝氣可將反硝化程度提高到95%以上，當原水TN濃度在60～70mg/L時，出水TN濃度低于5mg/L，去除率達90%以上。

③好氧/缺氧/厭氧組合MBR　早期的MBR多為完全好氧式活性污泥反應器，為強化脫氮除磷效果，研究人員通過在好氧反應器前增加前置反硝化反應器來達到脫氮除磷的目的，形成了好氧和缺氧/厭氧系統。和傳統的活性污泥法一樣，增加前/后置反硝化反應器后，在去除有機污染物的同時，可強化對氮和磷的去除效果。但是，這些MBR系統由于反應器增多，致使水力停留時間較長、反應流程長，沒有更好地發揮出膜生物反應器緊湊、水力停留時間短的技術優勢。

④復合MBR　為了在原有活性污泥工藝基礎上提高反應器內生物量，增強其處理能力，克服污泥膨脹，提高運行穩定性，在曝氣池中投加各種能夠提供微生物附著生長表面的載體，使生物反應器內同時存在附著相和懸浮相兩種微生物，這種反應器稱之為“復合生物反應器”（hybrid bioreactor，簡稱HBR）。復合膜生物反應器（hybridmembrane bioreactor，簡稱H-MBR）是將生物膜與膜生物反應器有機結合而成的一種新工藝。作為一種獨特的廢水處理工藝，復合內置式MBR有其自身的特點和技術優勢。

（3）工藝組成與選擇

應根據去除碳源污染物、脫氮、除磷、好氧、污泥穩定等不同要求和外部環境條件，選擇適宜的MBR工藝。

內置式膜生物反應器系統基本工藝流程如圖6-18所示；外置式膜生物反應器系統基本工藝流程如圖6-19所示。類似于活性污泥法，當需要脫氮時，MBR工藝系統應設置缺氧區，以脫氮為主的MBR基本工藝流程如圖6-20所示；當需要同時脫氮除磷時，MBR工藝系統應設置厭氧區、缺氧區，同時脫氮除磷的MBR基本工藝流程如圖6-21所示。其中，膜組器指由膜組件、布氣裝置、集水裝置、框架等組成的一個基本水處理單元。