MSBR法简介

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MSBR法简介 MSBR法的应用与发展 MSBR法的基本原理 MSBR系统的组成及运行方式 MSBR法的主要运行特点 MSBR系统生物除磷脱氮机理 MSBR工艺除磷影响因素 MSBR工艺与典型脱氮除磷工艺比较 MSBR工艺的运行管理实践 盐田污水处理厂的设计及运行 MSBR(Modified Sequencing Batch Reactor)是改良式序列间歇反应器，是C.Q.Yang等人根据SBR技术特点，结合传统活性污泥法技术，研究开发的一种更为理想的污水处理系统。MSBR既不需要初沉池和二沉池，又能在反应器全充满并在恒定液位下连续进水运行。采用单池多格方式，结合了传统活性污泥法和SBR技术的优点。不但无需间断流量，还省去了多池工艺所需要的更多的连接管、泵和阀门。通过中试研究及生产性应用，证明MSBR法是一种经济有效、运行可靠、易于实现计算机控制的污水处理工艺。 [ 本帖最后由 anderson 于 2008-7-25 15:30 编辑 ]

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MSBR技术已在几个污水处理厂应用。位于加拿大Saskatchewan的Estevan污水处理厂则为一实例。虽然由于严寒造成一些冰冻问题，但污水厂还是取得了相当好的处理效率。平均温度为13℃，系统处理效果(测试时间1996年4月～1997年3月)如表1所示。 表1　Estevan污水处理厂MSBR测试结果

进水 出水 去除率/% BOD5/ mg/L 165 8.5 95 TSS/ mg/L 212 11 95 TKN/ mg/L 39 3.5 91 TP/ mg/L 5.1 1.9 63

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实践表明MSBR是一种可连续进水、高效的污水处理工艺，且简单，容积小，单池。易于实现计算机自动控制。在较低的投资和运行费用下，能有效地去除含高浓度BOD5、TSS、氮和磷的污水。总之，系统在低HRT、低MLSS和低温情况下，具有优异的处理能力。MSBR技术的研究与发展方向如下： 　　(1)MSBR技术的进一步发展是生物除磷或同时脱氮除磷。目前同济大学环境科学与工程学院对此正在作进一步的研究，并已取得了有重要理论意义与应用价值的研究成果。 　　(2)MSBR系统可以有各种不同配置，例如沟(渠)形式，并且现在已经在开发研究。 　　(3)MSBR生物处理的动力学模式研究，以提供普遍的设计和运行依据。 　　(4)MSBR运行过程智能化控制的研究，以实现系统的各操作过程具有适应性和最优控制。由于系统各格互联、交替操作，且可以通过选择、组合与取舍操作步骤，调整各操作步骤时间来控制运行，其运行过程比较复杂。此外，如果进水水质变化，MSBR法的运行过程更具有非线性、时变性与模糊性的特点，难于用数学模型根据传统控制理论进行有效控制，因此对MSBR法这样复杂系统进行在线模糊控制，将能得到其它控制方式无法实现的令人满意的控制效果。这也是MSBR法的一个重要研究方向。

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MSBR的基本组成 　　反应器由三个主要部分组成：曝气格和两个交替序批处理格。主曝气格在整个运行周期过程中保持连续曝气，而每半个周期过程中，两个序批处理格交替分别作为SBR和澄清池。如图1所示。

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MSBR的操作步骤 MSBR的操作步骤

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在每半个运行周期中，主曝气格连续曝气，序批处理格中的一个作为澄清池(相当于普通活性污泥法的二沉池作用)，另一个序批处理格则进行以下一系列操作步骤，如图2所示。

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步骤1：原水与循环液混合，进行缺氧搅拌。在这半个周期的开始，原水进入序批处理格，与被控制回到主曝气格的回流液混合。在缺氧和丰富的硝化态氮条件下，序批处理格内的兼性反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，以原水及内源呼吸所释放的有机碳作为碳源，进行无氧呼吸代谢。由于初期序批处理格内MLSS浓度高，硝化态氮浓度较高，因此碳源成为反硝化速率的限制条件。随着原水的加入，有机碳的浓度增加，提高了反硝化的速率。来自曝气格和序批格原有的硝态氮经反硝化得以去除。另外，该阶段运行也是序批处理格中较高浓度的污泥向曝气格回流的过程，以提高曝气格中的污泥浓度。 　　步骤2：部分原水和循环液混合，进行缺氧搅拌。随着步骤1中原水的不断进入，序批处理格内有机物和氨氮的浓度逐渐增加。为阻止在序批处理格内有机物和氨氮的过分增加，原水分别流入序批处理格和主曝气格。使序批处理格内维持一个适当的有机碳水平，以利于反硝化的进行。混合液通过循环，继续使序批处理格原来积聚的MLSS向主曝气格内流动。 　　步骤3：序批格停止进原水，循环液继续缺氧搅拌。此后中断进入序批处理格的原水。原水在剩下的操作中，直接进入主曝气格。这使得主曝气格降解大量有机碳，并减弱微生物的好氧内源呼吸。序批处理格利用循环液中残留的有机物作为电子供体，以硝化态氮作电子受体，继续进行缺氧反硝化。由于有机碳源的减少，缺氧内源呼吸的速率将提高。来自主曝气格的混合液具有较低的有机物和MLSS浓度。经循环，把序批处理格内的残余有机物和活性污泥推入主曝气格，在此进行曝气反应降解有机物，并维持物质平衡。 　　步骤4：曝气，并继续循环。进行曝气，降低最初进水所残余的有机碳、有机氮和氨氮，以及来自主曝气格未被降解的有机物和内源呼吸释放的氨氮，并吹脱在前面缺氧阶段产生的截留在混合液中的氮气。连续的循环增加了主曝气格内的微生物量，同时进一步降低序批处理格中的悬浮固体，降低了MLSS浓度，有利于其在下半个周期中作为澄清池时，减少污泥量以提高沉淀池的效率。 　　步骤5：停止循环，延时曝气。为进一步降低序批处理格内的有机物和氮浓度，减少剩余的氮气泡，采用延时曝气。这步是在没有循环，没有进出流量的隔离状态下进行。延时曝气使序批处理格中的BOD5和TKN达到处理的要求水平。 　　步骤6：静置沉淀。延时曝气停止后，在隔离状态下，开始静置沉淀，使活性污泥与上清液有效分离，为下半个周期作为澄清池出水做准备。沉淀开始时，由于仍存在剩余的溶解氧，沉淀污泥中的硝化菌继续硝化残余的氨，而好氧微生物继续进行好氧内源呼吸。当混合液中氧减少到一定程度时，兼性菌开始利用硝化态氮作为电子受体进行缺氧内源呼吸，进行程度较低的反硝化作用。在整个半周期过程中，此时序批处理格中上清液的BOD、TKN、氨、硝酸盐、亚硝酸盐的浓度最低，悬浮固体总量也最少，因此该序批处理格在下半个周期作为沉淀池，其出水质量是可靠的。在这一步，可以从交替序批处理格中排放剩余污泥。第二个半周期：步骤6的结束标志着处理运行的下半个循环操作开始。通过两个半周期，改变交替序批处理格的操作形式。第二个半周期与第一个半周期的6个操作步骤相同。

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MSBR系统可以根据不同的水质和处理要求灵活地设置运行方式 ，笔者在中试中所采用的装置主要由6 个功能池组成 ，分别为厌氧池、缺氧池、主曝气池、泥水分离池和两个序批池( SBR1 和SBR2) 。MSBR系统的各功能池和运行示意见图。

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原污水经格栅、沉砂池等预处理设施处理后首先进入厌氧池 ，同回流污泥混合并完成微生物的释磷后 ，混合液进入主曝气池。主曝气池是连续曝气供氧 ，在好氧环境中 ，微生物进行过量吸磷 ，同时在主曝气池完成有机物的降解和氨氮的硝化。然后混合液分别进入两个序批池SBR1 和SBR2。SBR1 和SBR2交替地充当反应池和沉淀池而处于反应阶段和沉淀出水阶段。反应阶段可以设置为缺(厌)氧搅拌、好氧曝气和静止沉淀3 个过程 ，在此阶段完成脱氮过程。当SBR1 处于反应阶段的前两个过程时 ，开启回流泵 ，形成“主曝气池 - SBR1 - 泥水分离池缺氧池 - 厌氧池(泥水分离池的上清液回流到主曝气池)”的污泥回流 ，回流混合液流经SBR1 时 ，经历了缺氧搅拌和好氧曝气阶段 ，进行反硝化及进一步硝化 ，然后混合液进入缺氧区进一步反硝化 ，随后进入泥水分离池进行沉淀 ，经过泥水分离后 ，浓缩污泥进入厌氧池与原污水混合。而含硝酸盐氮的上清液被泵送入主曝气区。当SBR1 进行上述反应时 ，SBR2处于沉淀出水状态 ，主曝气池的混合液以进水流量进入SBR2 ，在 SBR2 中沉淀下来的污泥在池底形成一个污泥悬浮层 ，对污水混合液起到过滤的作用 ，污水经污泥层过滤后流出系统。 两个序批池SBR1 和SBR2 的形状和结构都完全相同 ，两者交替地完成反应阶段和沉淀出水阶段为一个运行周期 ，一个运行周期的时间长度可根据进水水质和处理要求灵活确定 ，一般为4 h ，6 h ，8 h等 ，在反应阶段的运行方式也可根据需要设定。在中试运行中采用4 h 为一个运行周期 ，序批池的运行时间分配见表1。

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设置泥水分离池的原因主要是为了： ①避免上清液中的硝酸盐氮进入厌氧池而干扰聚磷菌在厌氧条件下对磷的释放。②混合液在序批池时 ，经过了缺氧-好氧-静止沉淀等反应过程。在这些过程中 ，一些被聚磷微生物在好氧条件下吸收的磷会再次被释放到环境中去 ，经泥水分离池泥水分离后 ，含有被再次释放出的磷的上清液就可以被送到主曝气池再次进行磷的吸收。将厌氧池分为A ，B 两个区域的目的是为了更好地避免进水中的溶解氧和硝酸盐氮对聚磷微生物在厌氧条件下的释磷造成影响。原污水经提升计量后进入厌氧池A ，在厌氧池A中无论是分子态氧还是化合态氧很快被消耗殆尽，回流污泥中的硝酸盐氮也得到一定的去除，进入厌氧池B后溶解氧和硝酸盐氮对活性污泥中聚磷微生物释磷的影响就可以减少到最低程度。在序批池的底部安装有蝶板，当序批池处于沉淀出水状态时，混合液进入序批池遇到蝶板后均匀向上通过整个污泥层，泥水分离过程不仅有沉淀作用，还可通过污泥层实现过滤截留作用，这可大大降低出水中的悬浮物浓度。 通过前面的介绍可以看出 ，在MSBR 系统的运行中各功能池的切换较为频繁 ，如果单纯靠人工操作 ，不仅会使运行管理十分复杂 ，还会影响到系统运行的安全性和可靠性。随着自动控制技术的发展 ，使MSBR系统完全实现自动控制运行 ，已不是十分困难的事情 ，如采用 PLC自动控制系统就是一个较好的方法。

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(1)MSBR系统能进行不同配置的设计和运行，以达到不同的处理目的。 　　(2)每半个运行周期中，步骤的数量和每步骤所需的时间，取决于原水的特性和出水的要求。这里介绍了6个运行步骤，但所需总的步骤可以被系统设计者所选择。常常可以在实际运行中减少，以便使运行过程简单化。例如，步骤1和步骤2能通过延长步骤1和减少步骤2的时间来合并这两步为一步。增加步骤1的时间则增加序批处理格有机碳的量，这使得在 不进原水的缺氧混合时间需要更长，以平衡步骤3。也可以增加步骤，进行更多的缺氧-好氧序批操作，来处理有机物和氨氮浓度更高的原水，以达到更低出水总氮的要求。 　　(3)在每半个循环中，原水大部分时间是进入主曝气格。接着是部分或全部污水进入作为SBR的序批处理格。在主曝气格中完成了大部分有机碳、有机氮和氨氮的氧化。另外，主曝气格在完全混合状态下连续曝气，创造了一个稳定的生物反应环境。这使得整个设备能承受冲击负荷的影响。 　　(4)从序批处理格到主曝气格的循环流动，使得前者积聚的悬浮固体运送到了后者。循环也把主曝气格内的被氧化的硝化氮运送到在半个循环的大部分时期处在缺氧搅拌状态下的序批处理格，实现脱氮的目的。 　　(5)污泥层作为一个污泥过滤器，对改善出水质量和缺氧内源呼吸进行的反硝化有重要作用。

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根据目前普遍接受的 Comeau 等人提出的生物除磷理论：在厌氧条件下，活性污泥中的聚磷微生物将细胞内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外，以此为能量吸收污水中的易降解有机物(如：挥发性脂肪酸，VFA) ，并将其合成为聚β羟基丁酸( PHB)储存在体内。在好氧条件下，聚磷微生物以游离氧作为电子受体氧化胞内储存的PHB，利用反应产生的能量从污水中过量摄取磷并合成为聚磷酸盐储存于胞内 ，微生物好氧摄取的磷远大于厌氧释放的磷，通过排放剩余污泥实现除磷。MSBR系统对除磷脱氮具有良好的效果和稳定性(如同 A2/ O 除磷脱氮系统相比)，这是由其工艺特点决定的。根据 MSBR系统的工艺流程，在空间和时间上可以认为系统是按照以下方式进行的：原污水 →厌氧 →好氧 →缺氧→好氧 →混合液回流(或沉淀出水) 。

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这种运行方式相当于两级A/ O 系统的串联，对除磷十分有利： ①聚磷微生物经过厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境，聚磷微生物在厌氧池形成的吸磷动力可以充分地得以利用;而在 A2/ O系统中，厌氧释磷后要先经过生化效率较低的缺氧阶段再到好氧阶段，会使在厌氧环境中形成的吸磷动力有所损失。②系统中的污泥(排放的剩余污泥除外)可以全部完整地经过厌氧Ο 好氧环境，完成磷的厌氧释放和好氧吸收过程使系统的除磷效率得以提高;而A2/ O 系统存在混合液回流，这部分污泥未经过厌氧状态，会降低除磷效率。③全部污泥完整地经过厌氧Ο 好氧环境，有助于污泥中聚磷微生物的增长富集。④系统的回流污泥经过了脱氮处理，消除了 NO-x - N 的干扰，使聚磷微生物能够在绝对厌氧环境中进行聚磷的水解和释放。

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从系统的运行方式可以看出，脱氮作用是通过后置反硝化完成的。但污水经过了厌氧、好氧阶段的反应，有机物浓度已大为降低，反硝化作用所需的有机碳源是如何满足的呢? 传统的反硝化理论显然难以圆满解释这一问题，我们有理由得出这样的结论：微生物是利用细胞内储存的有机物进行了反硝化，即内碳源反硝化。利用内碳源进行反硝化具有很多优点：可以取消前置反硝化常见的内回流系统，降低能耗，使系统的运行更为合理;另外还无需添加碳源。利用内碳源进行反硝化在国外已有报道，但对其机理的研究尚处于起步阶段，许多问题还有待于进一步的研究。

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MS BR工艺中影响除磷的因素很多 ，有进水 COD /P、 COD /N、 内回流比 R、 曝气池 MLSS等。 各因素对 TP去除效果的影响程度不同 ，在选定的影响因素中 ，进水 COD /P对 MS BR除磷的影响最大 ，其次是曝气池 MLSS，再次是污泥回流比 R，最后是进水 COD /N，即影响程度的顺序为 COD /P >MLSS> R > COD /N。 进水 COD /P对除磷的影响决定系统除磷效果好坏的关键是进水水质 ，尤其是进水碳磷比。见图 2为进水 COD400 mg/ l、NH+3 - N40 mg/ l时进水 COD /P对除磷的影响。由图可知 ，当进水 COD /P为 40～150，随着进水 COD /P的增大 ，厌氧池基质相对增加 ，VFAs较充足 ， PAOs释磷增加 ，出水 TP浓度逐渐降低。COD /P小于 100时 ，出水 TP随 COD /P增大减小明显 ，但当 COD /P大于 100时 ，出水 TP基本上不再变化。TP去除率在 COD /P40～100时逐渐增大 ，当 COD /P > 100时去除率逐渐减小。说明当 COD /P比值增大到一定程度时 ，有机底物相对充足 ，而磷却处于相对缺乏的状态 ，故磷的去除率不再因 COD /P的增大而增大 ，出水 TP浓度下降趋缓。

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对于 COD /P > 100时去除率下降趋势 ，分析其原因是 PAOs(聚磷菌 )与 G AOs (聚糖菌 )竞争的结果。当 COD /P高时 ，污泥中的磷浓度就会很低 ，这种环境会减少 PAOs体内多聚磷酸盐颗粒的含量 ，但是 PAOs在厌氧条件下主要是依靠降解多聚磷酸盐颗粒来获得能量以吸收乙酸等基质并在体内合成PHA，所以 PAOs体内多聚磷酸盐颗粒含量的减少就会相应地使得体内 PHA含量降低。在另一方面 ，由于 G AOs不会涉及到多聚磷酸盐颗粒代谢这一问题 ，所以它们就不会受到这种环境条件的制约 ，因此它们在厌氧条件下就会利用自身体内糖原的代谢来获取能量 ，吸收 PAOs吸收不了的基质 ，并在体内合成 PHA。在好氧条件下， PAOs就会由于体内聚集的 PHA的量不断降低而逐渐降低在污泥中的比例 ，但 G AOs却可以利用体内足够的 PHA 来增殖。PAOs比例下降从而导致去除率降低。 污泥回流比 R对除磷的影响 在本实验中 ， R对 6池除磷的影响见图 3。在进水 TP浓度基本维持在 3～4 mg/ l， COD /P约为 100，进水 COD /N为 10，曝气池 MLSS为 2000～3000的情况下 ，改变 MS BR系统的污泥回流比 R，出水 TP随 R的增大出现先降后升的趋势。当 R从 0 . 3增加到 0 . 5，厌氧池中污泥浓度逐渐增加 ， TP去除率也逐渐增加;继续提高污泥回流比 ，发现 TP去除率急剧下降 ，说明污泥回流携带的硝酸盐已经严重影响了系统对磷的去除。由图 3可知在 R为 0 . 5时工艺系统表现出相对最佳的 TP出水效果。

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进水 COD /N对除磷的影响在本实验中 ，进水 COD /N对 6池 MS BR除磷效果的影响如图 4所示。进水 COD /N对磷的去除影响不是很明显 ，随进水 COD /N增加 ，出水 TP浓度有缓慢下降的趋势 ，当 COD /N > 7时 ，下降趋势趋于平缓 ，出水 TP稳定在 1 . 5 mg/ l左右。TP去除率在COD /N从 3增加到 7时增加 ， COD /N > 7时趋于稳定。与一般脱氮除磷工艺要求进水 COD /N > 4 . 3相比 ，MS BR6池工艺要求更高的进水 COD /N比 ，这与MS BR后置反硝化的反硝化方式有关 ，后置反硝化使得反硝化碳源不足 ，所以如果进水中 N含量太高(COD /N < 7) ，不充足的反硝化使大量的硝酸盐随污泥回流进入厌氧池 ，影响 PAOs的厌氧释磷 ，并最终使系统除磷效果下降。

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进水 COD浓度对除磷的影响维持进水中 COD /P = 100、 COD /N = 7不变 ，改变 COD浓度对去除磷的影响见表 5。 　　注：厌氧池进水浓度差为厌氧池磷酸盐浓度与进水磷酸盐浓度的差值。

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从表中数据可知 ，随着进水中 COD浓度的增加 ，系统的 TP去除率也有所增加 ，但是增加程度不大 ，只从 47 . 76%提高到 55 . 46%。厌氧池释磷量也随着增加 ，进水 COD较低时 (100～200 mg/ l) ，厌氧池释磷状况不佳 ，但是由于进水 TP浓度较低 (1 . 34mg/ l) ，还是获得了较低的出水 TP浓度;进水 COD较高时 ，基质充足 ，厌氧池释磷状况良好 ，浓度差从进水 COD浓度 100～200 mg/ l时的 5 . 62增加到进水 COD浓度 700～800 mg/ l时的 12 . 03;但是由于进水中 TP浓度较高 (8 . 38 mg/ l) ， 出水 TP浓度较高 (3 . 73 mg/ l)。

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尽管目前可用于脱氮除磷的生物处理工艺较多，最常用的有改良Bardenpho法和A2/O(含改良型)法，氧化沟脱氮除磷工艺使用也越来越普遍A2/O工艺流程见图1.10，由二次沉淀池回流污泥至厌氧反应器内，二次沉淀池排放污泥浓度受系统污泥沉降性能影响，一般在S000m留1左右，如果要使得厌氧区污泥浓度达到4000mg/l，污泥回流比必须达到100%，这样不仅通过回流污泥带入的硝酸盐氮浓度增加，影响释磷效果，而且使厌氧区实际水力停留时间仅为名义的一半，系统要达到很高的脱氮率必须加大混合液内循环量，既增加日常运行费用，又加大了反应区体积，必然使整个系统水力停留时间延长，投资费用增加。