SBR的DAT-IAT法新型工艺及设备的研究与应用

张大群 王秀朵
（天津市市政工程设计研究院）

1　前言

　　SBR(Sequence Batch Reactor) 工艺在同一反应池中，完成进水、反应、沉淀、滗水、排泥等工序，与其它处理工艺相比，SBR工艺使污水处理构筑物大大简化。近年由于微机在自控方面的广泛应用，同时也由于开发了在线溶解氧测定仪、水位计等精度高并且对过程控制比较经济的水质检测仪表，污水处理厂的运行管理逐渐实现了自动化，SBR工艺以其独特优势引起广泛注意，近年来得以迅速推广，成为目前世界上污水处理技术中的热门工艺，澳大利亚近10多年来建成采用SBR工艺的污水处理厂近600座，中、大型的SBR污水处理厂也日益增多。我国目前在云南省昆明市已有两座采用SBR工艺的大中型污水处理厂，运行情况良好。天津经济技术开发区10万吨／日采用SBR工艺的污水处理厂也于1999年底成功投入运行。抚顺三宝屯污水处理厂25万吨／日采用SBR工艺正在开工。工业废水处理厂在国内外使用更为广泛。
　　随着SBR工艺在工程设计中的应用，其技术也得到了长足的发展。由传统的SBR工艺发展了ICEAS(Intermittent Cyclic Extended Aeration System )、CASS(Cyclic Activated Sludge System)、CAST(Cyclic Activated Sludge Technology)、DAT-IAT(Demand Aeration Tank-Intermittent Aeration Tank)、MSBR等工艺，这些工艺各有各的特点，大大丰富了SBR工艺的内容。各种SBR工艺的分类如下：
　　（1）按进水方式分为：连续进水和间歇进水；
　　（2）按负荷分为：高负荷和低负荷：
　　（3）按反应池型式分为：完全混合式和循环水渠式；
　　（4）按进水曝气与否分为：限制曝气、非限制曝气、半限制曝气；
　　下面主要介绍新型的DAT－IAT工艺及设备。

2　DAT－IAT系统工艺的工作原理

　　SBR法是活性污泥法的变法，是依靠活性污泥微生物的活动来净化污水的，这一点SBR工艺与传统活性污泥工艺完全一致，只是运行方式不同，传统工艺采用连续运行方式，污水连续进入处理系统并连续排出，系统内每单元的功能不变，污水依次流过各单元，从而完成处理过程。SBR工艺一般采用间歇运行方式，污水间歇进入处理系统并间歇排出。系统内只设一个处理单元，该单元在不同时间发挥不同的作用，污水进入该单元后按时间顺序进行不同功能的处理。
DAT－IAT系统的主体构筑物由一个连续曝气池和一个间歇曝气池串连而成。一般情况下，DAT连续进水、连续曝气，其出水连续流入IAT，在IAT完成反应、沉淀、出水等工序。其典型工艺流程如图1所示。

　　DAT－IAT系统是SBR工艺完善和发展的新型式，它的反应机理以及污染物去除机制与连续活性污泥法相同，DAT池为预反应池，也称为连续曝气区，池中水流呈完全混合流态，绝大部分有机物在这个池中降解。IAT相当一个传统的SBR池。但进水为连续流。

3　DAT－IAT系统的工作过程

　　DAT池和IAT池串联组成，DAT连续进水，连续曝气（也可间歇曝气），IAT也是连续进水，但间歇曝气，清水和剩余活性污泥均由IAT池排出。和典型的SBR反应池一样，IAT池运行操作由进水、反应、沉淀、出水和待机五个阶段组成。
　　（1）进水阶段
　　与典型的SBR工艺不同的是，DAT－IAT系统的处理水是连续进入DAT，然后进入IAT。连续进水使对进水的控制大大简化，这样的双池系统也避免了水力短路。
　　（2）反应阶段
　　反应阶段分两部分：在DAT中连续曝气，池中水流呈完全混合流态，绝大部分有机物在这个池中降解。经DAT处理后的混合液通过两池间的导流系统连续不断进入 IAT，IAT间歇曝气进一步去除有机物，使处理出水达到排放标准。
　　（3）沉淀阶段
　　沉淀阶段只发生在IAT。当IAT停止曝气后，活性污泥絮体静态沉淀与上清液分离，DAT注入IAT的混合液流速很低，对IAT不产生扰动，因而其沉淀效率显著高于一般二沉池的动态沉淀。
　　（4）排水阶段
　　排水阶段只发生在IAT，当池水位上升到最高水位时，沉淀阶段结束，设置在IAT末端的滗水器开动，将上清液缓慢地排出池外，当池水位降到最低水位停止滗水。
　　（5）待机阶段
　　在IAT池滗水后完成了一个运行周期，两周期间的间歇时间就是待机阶段。该阶段可视污水的性质和处理要求决定其长短或取消。

4　DAT－IAT系统的特点

4.1传统SBR工艺的特点
　　SBR工艺是一种控制的非稳态系统，即采用某些方法将系统的非稳态行为限制在一定范围内。传统的活性污泥法则是一种无控制的非稳态系统。
　　存在于生活、工业污水，垃圾填埋渗出液，地下水以及土壤中的污染物，可以分为有机物或无机物，有毒物或无毒物，密度高于水或低于水的物质，易溶于水或难溶于水的物质以及可生物降解或不可生物降解的物质。这些自然地而且非常剧烈地随着时间或空间的改变而改变，具有非稳态的特性。这些自然地而且非常剧烈的变化常常与环境的不稳定性相关。传统的理论认为：稳态是保证出水水质稳定并低于一定标准的必要条件。因此，在设计处理工艺时，人们常把这些随机的变化和潜在的非稳态行为假设为稳态。许多工程人员在设计处理构筑物时，采用流量平衡并不能有效地抵消质量流速的变化。这种做法使这些系统变为无控制的非稳态系统。实际运行中，无控制的非稳态系统只能满足简单的处理要求，如去除COD和SS等，而对于去除N、P等则无能为力。N 、P 等物质的去除要求更好地控制水污染物的不稳定性。这在无控制的非稳态系统，是无法实现的。
　　SBR相对于连续流系统还有许多其它方面的优点。首先，这种反应器运行灵活简洁。它可以配合不同的进水水质调整运行模式。第二，SBR流态上属于完全混合，而在有机物降解方面却是时间上推流。因此为了达到较高去除率而只需调整反应时间。这样大大减少了占地，特别适合中小型水厂。第三，SBR的沉淀阶段使泥水有效分离，出水悬浮物浓度低，无需另设澄清池。第四，SBR工艺中无二沉池及回流污泥系统，很多情况还可不设初沉池，因而基建费用低，占地少。
　　SBR工艺经过近年10多年的深入研究和发展已经基本完善，但仍存在着一些不尽人意的地方。首先，间歇进水使处理工艺缺乏连续性。若使水处理连续运行，需要设多池系统，增加投资。其次，对于一些高浓度难降解的有机废水则需要较长的反应时间。再次，SBR工艺操作运行较为复杂，必须采用自动控制，附属设施较多。
4.2 DAT－IAT系统的特点
　　DAT－IAT系统是普通活性污泥法与传统SBR同有机结合的一种型式，整个系统有SBR工艺的优点，又改进了SBR工艺的不足，具有以下特点：
　　（1）增加了工艺处理的稳定性：DAT起到了水力均衡和防止连续进水对出水水质的影响，特别是在处理高浓度工业废水时，DAT连续曝气加强了系统对难降解有机物的降解，相对缩短了运行周期。DAT池连续曝气也使整个系统更接近于完全混合式，更有利于消除高浓度工业废水中毒性物质或COD浓度过高积累而带来的不良影响。
　　（2）提高了池容的利用率：对于曝气池和二沉池合建的污水处理构筑物来说，在保留沉淀分离效果的前提下，尽可能提高曝气容积比，与传统SBR法及其它变型方法来比，由于DAT－IAT中DAT池连续曝气和IAT的间歇曝气，使该工艺方法的曝气容积比是最高的。
　　（3）提高了设备的利用率：由于DAT池连续进水，因此不需要增设进水的闸阀及自控装置；DAT池连续曝气，减少了整个系统的曝气强度，提高了曝气装置的利用率，所需鼓风机的额定风量和功率也减小了。
　　（4）增加了整个系统的灵活性：DAT－IAT系统可以根据进、出水量、水质变化来调整DAT池与IAT池的工作状态和IAT池的运转周期，使之处于最佳工况，同时也可以根据脱氮除磷要求，调整曝气时间，创造缺氧或厌氧环境。

5　主要工艺设计参数

序号 设计参数名称 取 值 备 注 1 池子个数 3座以上 小规模时取3～6座大规模时取若干组，每组3池 2 有效水深 3～7m 3 回流比 50%～200% 4 污泥负荷 0.05～0.1kg BOD/kg MLSS·d 采用低负荷运行 5 混合液污泥深度 3～5g/l 6 泥龄 20～30d 7 耗氧量 1.3～2.0 kg O2/kg BOD 8 周期工作时间 3. 4. 6. 负荷小时，周期时间长 9 排出比 1/3～1/6

6　DAT－IAT工艺的6种专用机械设备及滗水器开发

　　DAT－IAT工艺处理系统中主要用6种专用机械设备，这是：进水泵房粗格栅机；旋流或平流除砂机；沉砂池细格栅机；曝气系统设备（中大型用鼓风机带微孔曝气、小型厂用浮动式大行程曝气机）；滗水器；浓缩脱水机。滗水器是研究开发的重点。
　　由于SBR反应池排水的不连续性，决定了排水装置应具备有：当排水时能将上清液均匀地排出池外，而不搅动活性污泥；而在进水，反应、沉淀工序阶段不影响工艺进行。滗水器是SBR工艺最常采用的排清水设备，它能从静止的池表面将澄清水滗出而不搅动沉池，确保出水水质。滗水器具备有对水量变化的可调节性，有良好的水力机械性能，又能随水位变化而自动、平稳的升降。
　　目前国内外污水处理设备专家对滗水器作了大量的研究工作，研究出了多种动力形式的滗水器，但归纳起来主要可分三种类型：①机械式滗水器 ②虹吸式滗水器 ③自力（浮力）式滗水器。简述如下：
　　(1)机械式滗水器
　　机械式滗水器国内现主要有两种形式，旋转式和套筒式。旋转式滗水器由电动机、减速机执行装置，四连杆机构，载体管道，浮子箱（拦渣器），淹没出流堰口，回转接头等组成。通过电动机带动减速机及执行装置和四连杆机构，使堰口绕出水管做旋转运动，滗出上清液，液面也随之同步下降。浮子箱（拦渣器），可在堰口上方和前后端之间形成一个无浮渣或泡沫的出流区域，并可调节的堰口之间的距离，以适应堰口淹没深度的微小变化。

　　　

　　套筒式滗水器有丝杠式和钢丝绳式两种，都是在一个固定的池内平台上，通过电动机带动丝杠或滚筒上的钢丝绳，牵引出流堰口上下移动。堰口下的排水管插在有橡胶密封的套筒中，可以随出水堰上下移动，套筒连结在水总管上，将上清液滗出池外。在堰口上也有一个拦浮渣和泡沫用的浮箱，采用剪刀式铰链和堰口连接，以适应堰口淹没深度的微小变化。
　　（2）虹吸式滗水器
　　虹吸式滗水器实际是一组淹没出流堰，是由一组垂直的短管组成，短管吸口向下，上端用总管连接，总管与U形管相通，U形管一端高出水面一端低于反应池的最低水位，高端设自动阀与大气相通，低端接出水管以排出上清液。运行时通过控制进排气阀的开闭，采用U型管水封，来形成滗水器中循环间断的真空和充气空间，达到开关滗水器和防止混合液流入的目的。滗水的最低水面限制在短管吸口以上，以防浮渣或泡沫进入。

　　（3）自力（浮力）式滗水器
　　自力（浮力）式滗水器也有多种形式，如前所述的两种机械式滗水器也都可以制成自力式滗水器，不同的是它只依靠堰口上方的浮箱本身的浮力，使堰口随液面上下运动而不需外加机械动力。按堰口形状可分为条形堰式、圆盘堰式和管道式等。堰口下采用柔性软管或肘式接头来适应堰口的位移变化，将上清液滗出池外。浮箱本身也起拦渣作用。为了防止混合液进入管道，在每次滗水结束后，采用电磁阀，自力式阀关闭堰口，或采用气水置换浮箱，将堰口抬出水面。

　　

　　

7　工程实例

　　天津经济技术开发区污水处理厂日处理污水10万吨，污水主要来源于区内生活污水和工业园区生产废水，设计进水水质为：BOD5 150mg/L，COD 400mg/L，SS 200mg/L，出水水质BOD5 30mg/L，COD 120mg/L，SS 30mg/L，同时要求去除NH3－N 10mg/L由于开发区污水受区内工业生产影响，水质水量变化幅度较大，通过方案比选，结合贷款国技术特点，选择了DAT－IAT工艺。该厂已于1999年正式投产使用。
　　DAT－IAT系统共设六组池，每组池容积为：11000m3每组池长L＝80m，池宽B＝32m，有效水深H＝4.3m，反应池最低水位时水深3.75m，污泥负荷0.052kgBOD/kgMLSS·d，混合液浓度（MLSS）5g/L，IAT运行周期T＝3h（曝气、沉淀、滗水各1h）每组反应池中DAT和IAT体积相同，各长40m，中间设两道导流墙，为保持DAT内足够的混合液浓度，需从IAT将混合液回流到DAT，混合液回流比最大可达R=4.0在IAT两侧距导流墙8米处设2台潜污泵，每台流量0.55-0.6m3/s，扬程2米。回流泵的开停由PLC按预设程序自动控制，停泵的时间安排在滗水阶段。两台泵的回流污泥管在DAT内分为四个出口，位于池的四个角，它们以高速沿池底喷向池中心，对全池起强烈搅拌作用，形成完全混合流态，混合液经两道导流墙进入IAT。经过导流墙的混合液以很低的流速从底部进入IAT，不会对IAT沉淀的污泥产生搅动。
　　采用鼓风曝气，曝气设备为膜片式微孔曝气器。曝气器总数19838个。厂内设4台单级高速离心风机，单台供气量Q＝18000m3/h，风压P＝0.5bar。电机功率N＝400kw。
　　污泥产率系数为YT＝1.1，泥龄tDS=22d，每日污泥总产量体积V＝
2400m3/d，每池设有SS计，可根据污泥浓度值随时调整开泵的时间和周期，确保反应池的正常运行。本工程排水选用虹吸式滗水器，每池3台，每台滗水能力为700m3/h。滗水器在最高水位时自动开动，最低水位时自动停止，滗水器安装在IAT尾部。