SBR是序批式間歇活性污泥法的簡稱,是近年來被國內外引起重視、研究并大力推廣應用的一種污水生物處理新技術。CASS工藝是一種循環式活性污泥法,是SBR工藝的更新變型。之所以出現CASS工藝,是因為SBR有其自身難以克服的缺點,但CASS工藝不可完全替代SBR。本文在分析這兩種工藝原理的基礎上,對兩者進行了較為詳細的比較。
活性污泥法
1、原理及工藝特點
1.1原理
SBR工藝是通過時間上的交替運行實現傳統活性污泥法的運行全過程。該工藝只有一個SBR池,但同時具有調節池、曝氣池和沉淀池的功能。運行過程分為進水、曝氣、沉淀、潷水、閑置五個階段。一個運行周期內,各階段的運行時間、反應器混合液體積的變化及運行狀態等都可以根據具體污水的性質、出水水質及運行功能要求等靈活掌握。
CASS工藝包括充水—曝氣、充水—泥水分離、潷水和充水—閑置等四個階段。不同的運行階段,根據需要調整運行方式。CASS工藝共分為三個反應區:生物選擇區(DO<0.2mg/L)、缺氧區(DO>0.5mg/L)和好氧區(DO=(2～3)mg/L)。生物選擇器為CASS前端的小容積區,通常在厭氧或兼氧條件下運行。有機污染物通過三個區的連續降解,可以達到很好的處理效果,同時能夠實現脫氮除磷。
1.2工藝特點
與傳統活性污泥法相比,SBR工藝所具有的優點非常明顯:工藝簡單,調節池體積小或不設,無二沉池和污泥回流,運行方式靈活;結構緊湊,占地少,基建、運行費用低;反應過程濃度梯度大,不易發生污泥膨脹;抗負荷沖擊能力強,處理效果好;厭氧(缺氧)和好氧交替發生,同時脫氮除磷而不需額外增加反應器。
CASS工藝與其他工藝相比,特點如下:CASS池的變容運行提高了系統對水量水質變化的適應性和操作的靈活性;選擇器的設置加強了微生物對磷的釋放、反硝化、對有機物的吸附吸收等作用,增加了系統運行的穩定性;周期內反應器以厭氧—缺氧—好氧—缺氧—厭氧的方式運行,有比較理想的脫氮除磷效果。
2、生物降解能力比較
SBR工藝在反應階段,基質濃度隨時間由高到低變化,微生物經歷了對數生長期、減速生長期和衰減期,其降解有機物的速率也相應地由零級反應向一級反應過渡。由于SBR系統的非穩態運行,反應器中生物相十分復雜,微生物的種類繁多,各種微生物交互作用,強化了工藝的處理效能;采用該法處理COD濃度可達幾百到幾千毫克每升,其去除率均比傳統活性污泥法高,而且可去除一些理論上難以生物降解的有機物質。
CASS工藝從污染物的降解過程來看,污水以相對較低的流量連續進入反應池,被混合液稀釋到相對較低的濃度。從空間上看CASS工藝為完全混合式,而在時間上則為推流式,基質濃度逐漸降低,濃度梯度從大到小,在曝氣階段有機物得到完全降解。通過對沉淀階段和排水階段污水進入反應池后基質在主反應區內擴散規律的研究,發現基質擴散前沿邊界在反應器水平方向和垂直方向都與沉淀時間的自然對數呈函數關系。
3、類似的脫氮除磷過程
廢水的脫氮除磷要求經歷厭氧一缺氧一好氧這樣一個過程,而SBR工藝在時間上的靈活控制,不僅可以很容易地實現好氧、缺氧和厭氧,而且很容易在好氧條件下增大曝氣量、延長曝氣時間和增加污泥齡來強化硝化反應及聚磷菌過量攝磷;也可以在缺氧條件下方便地投加原污水或提高污泥濃度等方式使反硝化過程更快地完成;還可以在厭氧條件下通過攪拌促進聚磷菌充分地釋磷。
CASS工藝的脫氮除磷效果則更為明顯。生物選擇器的設置為除磷創造了有利條件。來自主反應區高濃度污泥和廢水充分混合,污泥中的反硝化菌以污水中的有機物為碳源,還原硝態氮(污泥中的硝態氮一般為2mg/L)為氮氣,實現脫氮。
聚磷菌在厭氧條件下分解體內的聚磷酸鹽釋放到水中,獲得能量用于吸收廢水中的有機酸合成聚β—羥基丁酸(PHB)并儲存于細胞內,這是一個過量的釋放磷的過程,為好氧條件下的過量攝磷創造先決條件。由于廢水的進入,在此區域還發生比較明顯的反硝化,其去除的氮占總去除率的20%左右。
在缺氧區,微量曝氣可以強化反硝化功能,也可不曝氣進行除磷。對主反應區的曝氣強度進行控制,使溶液處于好氧而活性污泥內部則基本處于缺氧狀態,從而可以實現同步硝化和反硝化。
4、經濟性和運行方式比較
4.1經濟性比較
SBR工藝只需要一個序批式間歇反應池即可,與傳統活性污泥法相比,不需設置二沉池、污泥回流及污泥回流設備。若水量水質相對穩定,也可不設調節池。Ketchum等人的統計結果表明,采用SBR工藝處理小城鎮污水,要比普通活性污泥法節省基建投資30%以上。另外,系統的布置緊湊,占地面積較少。由于SBR工藝曝氣是間斷的,曝氣供氧時的推動力比平時高20%～30%,氧的轉移率高,所以運行費用比傳統活性污泥法低。
從CASS工藝投入運行的實例分析,該工藝與其他工藝相比具有一定的經濟優勢。首先,建設費用低,比普通曝氣法省25%,無初沉池、二沉池;其次,占地面積少,比普通曝氣法省20%～30%;另外,運行費用低,自動化程度高,管理方便,脫氮除磷不需要另加藥劑,運行費用省25%左右。統計數據表明CASS工藝具有絕對的經濟優勢,所以在設計過程中應優先考慮。
4.2運行方式比較
對于整個SBR處理工藝而言,運行周期的確定除了要保證處理過程中運行的穩定性和處理效能外,還要保證每個池充水的順序連續性,即合理的運行周期應滿足運行過程中避免兩個或兩個以上的池子同時進水或第一個池子和最后一個池子進水脫節的現象。
CASS工藝運行時邊進水邊曝氣,同時將主反應區的污泥回流至生物選擇器。在沉淀階段停止曝氣,但是在沉淀過程中不僅不停止進水,而且污泥回流系統也不停止,這是CASS工藝區別于SBR工藝的一大特點。潷水期間為了提高污泥濃度、加強反硝化及聚磷菌的過量釋磷,污泥回流系統照常運行。
5、設計和應用中應注意的問題
SBR工藝進水和排水是間斷式的,因此在設計和應用時應注意水量的平衡問題,如果產生的廢水是連續性的,則要合理的增設調節池。旱季和雨季的水量變化很大,在設計調節池和反應池時應充分考慮,避免出現旱季水量不足和雨季水量過多引起的反應器不正常運行。
間歇式運行容易使污泥在沉淀期進入曝氣頭內部,增大了再次曝氣的管道阻力,也會造成曝氣微孔的堵塞,所以應選用不易堵塞的曝氣系統。排水期盡量使用排水均勻、排水量可調、對池底污泥干擾小的潷水裝置。SBR在處理有毒有害和難降解廢水時,要選擇適當的曝氣時間,最好與其他物理化學方法串聯使用。
對于SBR工藝在設計與應用中要考慮的問題,CASS工藝也要進行考慮。此外,與SBR工藝相比,CASS工藝對自動化程度要求更高,一般情況下,都設有自動控制系統和手動操作兩種方式,以防在一種操作方式發生故障時可以采用另一操作方式進行控制。
6、結束語
隨著國家對環境保護的日益重視,對廢水處理出水水質要求,尤其對含氮、磷等物質的排放標準越來越嚴格,研究開發和運用經濟合理、功能性強、操作靈活、自動化程度高和運行穩定的廢水處理工藝已迫在眉睫。SBR工藝和CASS工藝作為具有很強競爭力的工藝,無論在城市污水還是在工業廢水的處理中都具有良好的應用前景。
活性污泥法
1、原理及工藝特點
1.1原理
SBR工藝是通過時間上的交替運行實現傳統活性污泥法的運行全過程。該工藝只有一個SBR池,但同時具有調節池、曝氣池和沉淀池的功能。運行過程分為進水、曝氣、沉淀、潷水、閑置五個階段。一個運行周期內,各階段的運行時間、反應器混合液體積的變化及運行狀態等都可以根據具體污水的性質、出水水質及運行功能要求等靈活掌握。
CASS工藝包括充水—曝氣、充水—泥水分離、潷水和充水—閑置等四個階段。不同的運行階段,根據需要調整運行方式。CASS工藝共分為三個反應區:生物選擇區(DO<0.2mg/L)、缺氧區(DO>0.5mg/L)和好氧區(DO=(2～3)mg/L)。生物選擇器為CASS前端的小容積區,通常在厭氧或兼氧條件下運行。有機污染物通過三個區的連續降解,可以達到很好的處理效果,同時能夠實現脫氮除磷。
1.2工藝特點
與傳統活性污泥法相比,SBR工藝所具有的優點非常明顯:工藝簡單,調節池體積小或不設,無二沉池和污泥回流,運行方式靈活;結構緊湊,占地少,基建、運行費用低;反應過程濃度梯度大,不易發生污泥膨脹;抗負荷沖擊能力強,處理效果好;厭氧(缺氧)和好氧交替發生,同時脫氮除磷而不需額外增加反應器。
CASS工藝與其他工藝相比,特點如下:CASS池的變容運行提高了系統對水量水質變化的適應性和操作的靈活性;選擇器的設置加強了微生物對磷的釋放、反硝化、對有機物的吸附吸收等作用,增加了系統運行的穩定性;周期內反應器以厭氧—缺氧—好氧—缺氧—厭氧的方式運行,有比較理想的脫氮除磷效果。
2、生物降解能力比較
SBR工藝在反應階段,基質濃度隨時間由高到低變化,微生物經歷了對數生長期、減速生長期和衰減期,其降解有機物的速率也相應地由零級反應向一級反應過渡。由于SBR系統的非穩態運行,反應器中生物相十分復雜,微生物的種類繁多,各種微生物交互作用,強化了工藝的處理效能;采用該法處理COD濃度可達幾百到幾千毫克每升,其去除率均比傳統活性污泥法高,而且可去除一些理論上難以生物降解的有機物質。
CASS工藝從污染物的降解過程來看,污水以相對較低的流量連續進入反應池,被混合液稀釋到相對較低的濃度。從空間上看CASS工藝為完全混合式,而在時間上則為推流式,基質濃度逐漸降低,濃度梯度從大到小,在曝氣階段有機物得到完全降解。通過對沉淀階段和排水階段污水進入反應池后基質在主反應區內擴散規律的研究,發現基質擴散前沿邊界在反應器水平方向和垂直方向都與沉淀時間的自然對數呈函數關系。
3、類似的脫氮除磷過程
廢水的脫氮除磷要求經歷厭氧一缺氧一好氧這樣一個過程,而SBR工藝在時間上的靈活控制,不僅可以很容易地實現好氧、缺氧和厭氧,而且很容易在好氧條件下增大曝氣量、延長曝氣時間和增加污泥齡來強化硝化反應及聚磷菌過量攝磷;也可以在缺氧條件下方便地投加原污水或提高污泥濃度等方式使反硝化過程更快地完成;還可以在厭氧條件下通過攪拌促進聚磷菌充分地釋磷。
CASS工藝的脫氮除磷效果則更為明顯。生物選擇器的設置為除磷創造了有利條件。來自主反應區高濃度污泥和廢水充分混合,污泥中的反硝化菌以污水中的有機物為碳源,還原硝態氮(污泥中的硝態氮一般為2mg/L)為氮氣,實現脫氮。
聚磷菌在厭氧條件下分解體內的聚磷酸鹽釋放到水中,獲得能量用于吸收廢水中的有機酸合成聚β—羥基丁酸(PHB)并儲存于細胞內,這是一個過量的釋放磷的過程,為好氧條件下的過量攝磷創造先決條件。由于廢水的進入,在此區域還發生比較明顯的反硝化,其去除的氮占總去除率的20%左右。
在缺氧區,微量曝氣可以強化反硝化功能,也可不曝氣進行除磷。對主反應區的曝氣強度進行控制,使溶液處于好氧而活性污泥內部則基本處于缺氧狀態,從而可以實現同步硝化和反硝化。
4、經濟性和運行方式比較
4.1經濟性比較
SBR工藝只需要一個序批式間歇反應池即可,與傳統活性污泥法相比,不需設置二沉池、污泥回流及污泥回流設備。若水量水質相對穩定,也可不設調節池。Ketchum等人的統計結果表明,采用SBR工藝處理小城鎮污水,要比普通活性污泥法節省基建投資30%以上。另外,系統的布置緊湊,占地面積較少。由于SBR工藝曝氣是間斷的,曝氣供氧時的推動力比平時高20%～30%,氧的轉移率高,所以運行費用比傳統活性污泥法低。
從CASS工藝投入運行的實例分析,該工藝與其他工藝相比具有一定的經濟優勢。首先,建設費用低,比普通曝氣法省25%,無初沉池、二沉池;其次,占地面積少,比普通曝氣法省20%～30%;另外,運行費用低,自動化程度高,管理方便,脫氮除磷不需要另加藥劑,運行費用省25%左右。統計數據表明CASS工藝具有絕對的經濟優勢,所以在設計過程中應優先考慮。
4.2運行方式比較
對于整個SBR處理工藝而言,運行周期的確定除了要保證處理過程中運行的穩定性和處理效能外,還要保證每個池充水的順序連續性,即合理的運行周期應滿足運行過程中避免兩個或兩個以上的池子同時進水或第一個池子和最后一個池子進水脫節的現象。
CASS工藝運行時邊進水邊曝氣,同時將主反應區的污泥回流至生物選擇器。在沉淀階段停止曝氣,但是在沉淀過程中不僅不停止進水,而且污泥回流系統也不停止,這是CASS工藝區別于SBR工藝的一大特點。潷水期間為了提高污泥濃度、加強反硝化及聚磷菌的過量釋磷,污泥回流系統照常運行。
5、設計和應用中應注意的問題
SBR工藝進水和排水是間斷式的,因此在設計和應用時應注意水量的平衡問題,如果產生的廢水是連續性的,則要合理的增設調節池。旱季和雨季的水量變化很大,在設計調節池和反應池時應充分考慮,避免出現旱季水量不足和雨季水量過多引起的反應器不正常運行。
間歇式運行容易使污泥在沉淀期進入曝氣頭內部,增大了再次曝氣的管道阻力,也會造成曝氣微孔的堵塞,所以應選用不易堵塞的曝氣系統。排水期盡量使用排水均勻、排水量可調、對池底污泥干擾小的潷水裝置。SBR在處理有毒有害和難降解廢水時,要選擇適當的曝氣時間,最好與其他物理化學方法串聯使用。
對于SBR工藝在設計與應用中要考慮的問題,CASS工藝也要進行考慮。此外,與SBR工藝相比,CASS工藝對自動化程度要求更高,一般情況下,都設有自動控制系統和手動操作兩種方式,以防在一種操作方式發生故障時可以采用另一操作方式進行控制。
6、結束語
隨著國家對環境保護的日益重視,對廢水處理出水水質要求,尤其對含氮、磷等物質的排放標準越來越嚴格,研究開發和運用經濟合理、功能性強、操作靈活、自動化程度高和運行穩定的廢水處理工藝已迫在眉睫。SBR工藝和CASS工藝作為具有很強競爭力的工藝,無論在城市污水還是在工業廢水的處理中都具有良好的應用前景。
