7．8　SBR工艺原理与设计

SBR法是活性污泥法的先驱。早在1914年，Arden和Lecket首次提出的活性污泥法的操作方式就是间歇式的。但由于受到当时的自动控制水平和监测水平的限制，这种间歇操作方式只适用于小规模污水处理，未得到发展和利用。

近年来，随着控制与测试技术的飞速发展，特别是计算机自动控制系统的应用，监控手段趋于自动化；由于序批式活性污泥法工艺具有许多优点，其技术也得到长足的进步和发展，目前已在普通SBR工艺技术的基础上发展出多种SBR变型新工艺，如ICEAS、CAST、CASS、DAT－IAT、UNITANK等工艺。

7．8．1　SBR工艺的主要类型

7．8．1．1　周期循环延时曝气工艺

周期循环延时曝气工艺（Intermittent Cycle Extended Aeration System，ICEAS）是20世纪80年代在澳大利亚发展起来的一种污水处理工艺，它采用连续进水、间歇排水的运行方式，解决了SBR工艺中间歇进水带来的麻烦，如图7－31所示。

与传统的SBR法相比，ICEAS工艺做了两项改变：一是采用连续进水、间歇排水的运行方式，即使在沉淀期和排水期也可保持进水，使反应池没有进水阶段和闲置阶段之分；二是在反应器的构造上，在反应区的前端用隔墙增加了一个预反应区，将反应区分成了小体积的预反应区和大体积的主反应区两个区段，预反应区约占总体积的1／30。污水连续进入预反应区，然后通过隔墙下端的小孔以层流速度进入主反应区，沿主反应区池底扩散，对主反应区在沉淀期间混合液的分离基本上不造成搅动，因此即使连续进水，也可以同时沉淀、排水，不影响污水处理的进程，特别是在小水量的连续进水情况下，单池就能解决问题。

另外，新增的预反应区同时也是一个生物选择器，有利于絮凝状细菌的生长，并能抑制引起污泥膨胀的丝状细菌的生长。在该区域，有机物被吸附到微生物上，所以预反应区对进水水质、水量、pH值和毒物的冲击负荷具有巨大的缓冲作用，可提高整个系统的效率。在主反应区内，污水连续进入，并可根据污水性质进行曝气、缺氧搅拌等操作。

ICEAS与传统的SBR工艺相比较，具有以下优点：污泥泥龄长，剩余污泥量少；脱氮除磷效果好；可接受处理对象为连续排放的污水，配水稳定，操作简便；可用于较大型污水处理。但ICEAS工艺仍延续了传统SBR工艺的一些不足之处，如容积利用率低、一般水头损失较大。另外，由于是连续进水，尤其是在沉淀和排水阶段不停水，所以或多或少对沉淀和排水产生一定的干扰；出水水质不如传统SBR工艺。由于ICEAS工艺设施简单、管理方便，国内外均得到广泛应用。

7．8．1．2　循环式活性污泥工艺

循环式活性污泥法（CASS或CAST）是SBR工艺的一种新的形式，由进水／曝气、沉淀、滗水、闲置／排泥4个基本过程组成。该工艺是利用不同微生物在不同负荷条件下生长速率差异和污水生物脱氮除磷机理，将生物选择器与传统的SBR反应器相结合的产物。CASS或CAST工艺反应池结构示意图见图7－32。

CASS或CAST工艺运行程序见图7－33。反应时，污水首先进入生物选择器，与来自好氧区的混合液混合，经过厌氧、缺氧反应后进入好氧区。

当仅要求CASS或CAST脱氮时，反应池一般分为两个区：一区为缺氧生物选择区，有效容积占总有效容积的20%，溶解氧小于0．5mg／L，进行反硝化反应；二区为好氧区，好氧区混合液回流至缺氧区，回流比根据试验确定，不宜小于20%。

当要求脱氮除磷时，反应池一般分为3个反应区，一区为厌氧生物选择区，二区为缺氧区，三区为好氧区。反应池也可分为两个区，一区为缺氧（或厌氧）生物选择区，二区为好氧区。厌氧生物选择区溶解氧为0，聚磷菌在此释放磷，其有效容积占总有效容积的10%；缺氧区的溶解氧小于0．5mg／L，其有效容积仍占总有效容积的20%。好氧区混合液须回流至厌氧生物选择区，回流比仍需根据试验确定且不宜小于20%。

CASS或CAST工艺流程简单，土建和设备投资小；能很好地缓冲进水水质、水量的波动，运行灵活。生物选择器的设置和混合液回流的措施保证了活性污泥不断地在选择器中经历一个高污泥负荷阶段，从而有利于系统中絮凝性细菌的生长，并使其快速地去除废水中溶解性易降解基质，进一步有效地抑制丝状菌的生长和繁殖。反应池以厌氧—缺氧—好氧交替的序批方式运行，具有良好的脱氮除磷效果。

7．8．1．3　连续和间歇曝气工艺

连续和间歇曝气工艺（Demand Aeration Tank－Intermittent Demand Tank，DAT－IAT）是SBR工艺的又一形式。该工艺在某种程度上可以看成是传统活性污泥法与传统的SBR工艺有机组合的一种形式，适用于水质水量变化大的情形。

DAT－IAT工艺主体构筑物由需氧池（DAT）和间歇曝气池（IAT）串联而成，如图7－ 34所示。DAT池也称为预反应池，和传统活性污泥法中的曝气池相似。DAT池连续进水、连续曝气、连续出水，绝大部分有机物在这个池中降解，出水经配水导流墙连续进入IAT池。IAT池相当于一个SBR池，混合液在此完成曝气、沉淀、滗水和排出剩余污泥等工序，在曝气、沉淀阶段进行混合液回流，回流比为1200～1400；曝气阶段可进行剩余污泥的排除。

DAT－IAT工艺具有以下特点：

（1）具有较高的池容利用率。污水在DAT池中已经经过连续曝气，可减少单独使用间歇反应池处理所需要的曝气量，提高了总的曝气容积比，从而提高了池容的利用率。传统SBR工艺的池容利用率一般为50%～60%，而DAT－IAT工艺的池容利用率可达66．7%。

（2）运行操作简便。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。

（3）耐冲击负荷。DAT池连续进水、连续曝气起到了水力均衡的作用，对有机负荷及毒物有较强的抗冲击能力。

（4）操作灵活，可以达到不同的处理要求。进水工序只发生在DAT池，排水工序只发生在IAT池，使整个系统的可调节性进一步增强，有利于去除难降解有机物。DAT池也可以根据处理要求的不同改为间歇曝气，可以根据原水水质水量的变化调整曝气时间，造成缺氧或厌氧环境，是一种很好的脱氮除磷工艺。

天津经济技术开发区污水处理厂采用了该工艺，设计规模为10万t／d，进水BOD5为150mg／L，COD为400mg／L，出水BOD5可达30mg／L，COD为120mg／L。

7．8．1．4　改良型间歇活性污泥工艺

前述SBR工艺都存在着出水时水位高度上下波动和不连续出水的弊端，后续处理单元的水头损失较大，也增大了系统的能耗。改良型间歇活性污泥法（Modified Sequencing Batch Reactor，MSBR）实现了连续进水、连续出水，较好地解决了这一问题。MSBR工艺的核心可看成是A2／O工艺与SBR工艺的结合。

MSBR外形上通常设计成一矩形（图7－35），由7个单元组成，即浓缩池、缺氧池1、缺氧池2、厌氧池、两个SBR反应池和主曝气池。主曝气池在整个运行周期中保持连续曝气，而每半个周期过程中，两个SBR分别交替作为反应池和排水池。

单元1和7的功能是相同的，均起着好氧氧化、缺氧反硝化、预沉淀和沉淀作用；单元2是污泥浓缩池，被浓缩的活性污泥进入单元3，上清液（富含硝酸盐）则进入单元6（也可以进入单元5）；单元3是缺氧池，除回流活性污泥中溶解氧在本单元中被消耗外，回流活性污泥中的硝酸盐也被微生物的自身氧化所消耗；单元4是厌氧池，原污水由本单元进入MSBR系统，回流的浓缩污泥在本单元中利用原污水中的快速降解有机物完成磷的释放；单元5是缺氧池，污水与由曝气单元6回流至此的混合液混合，完成生物脱氮过程；单元6是好氧池，其作用是氧化有机物并对污水进行充分的硝化，让聚磷菌在本单元中过量吸磷。

MSBR系统的运行原理见图7－36。运行时，污水进入厌氧池4，回流活性污泥中的聚磷菌在此合成、储存PHB并充分释磷，然后混合液进入缺氧池5进行反硝化。反硝化后的污水进入好氧池6，有机物被好氧降解、活性污泥充分吸磷后再进入起沉淀作用的SBR池1或7，澄清后污水排放。此时另一边的SBR池在1．5Q回流量的条件下进行反硝化、硝化反应，或进行静置预沉。回流污泥首先进入浓缩池2进行浓缩，上清液直接进入好氧池6，而浓缩污泥则进入缺氧池3。这样，一方面可以进行反硝化，另一方面可先消耗掉回流浓缩污泥中的溶解氧和硝酸盐，为随后进行的厌氧释磷提供更为有利的条件。在好氧池6与缺氧池5之间有1．5Q的回流量，以便进行充分的反硝化反应。

MSBR工艺在目前被认为是集约化程度较高、同时具有生物脱氮除磷功能的污水处理工艺。从系统的可靠性、土建工程量、总装机容量、节能、降低运行成本和节约用地等多方面来看，均具有优势。MSBR无需设置初沉池、二沉池，且在恒水位下连续运行。采用单池多格方式，无需间断流量，还省去了多池工艺所需的更多的连接管、泵和阀门。运行模式多样，可根据进、出水质情况进行灵活调整，以达到不同的处理目的。运行模式主要包括MUCT运行模式、倒置A2／O模式、五段式Bardenpho工艺模式及改良A2／O模式等。

7．8．1．5　一体化活性污泥法工艺

一体化活性污泥法（UNITANK）工艺是基于三沟式氧化沟结构提出的一种活性污泥法污水处理新技术，它克服了传统SBR法不能连续进出水且需要价格昂贵的滗水器的缺点，采用固定出水堰排水，实现了连续进出水。通过灵活的时间和空间控制，适当改变曝气搅拌方式和增大水力停留时间，可达到脱氮除磷的效果。

UNITANK的通用形式是采用3个池子的标准系统，图7－37所示为UNITANK结构示意图。这3个池子通过共壁上的开孔实现水力连接，每个单元池中设有曝气系统和搅拌器，可采用鼓风微气泡曝气，也可采用机械表面曝气，在两侧单元池设固定溢流出水堰和剩余污泥排放口，该二池交替作为曝气池和沉淀池，但中间单元池只作曝气池。在两侧单元池中可采用平流式沉淀方式，也可利用浅池沉淀理论，采用在池中间部分设置斜板或斜管加强沉淀作用。

UNITANK采用连续进水、周期交替运行方式。基本运行方式包括两个对称的运行阶段，即左侧进水右侧出水和右侧进水左侧出水两个阶段，其间由短暂的过渡阶段相连。运行过程如图7－38所示。

在第一主要运行阶段，污水进入A池并曝气，该池在上个主要运行阶段作为沉淀池积累了大量经过再生、活性强的高浓度活性污泥，可以高效降解有机污染物。A池混合液通过隔墙开口流入持续曝气的B池，有机物得到进一步降解，然后进入C池，C池既不曝气也不搅拌，进行泥水分离，澄清水从溢流堰排出，同时排放剩余污泥。混合液在由A池到C池的空间推流过程中，A池内部分活性污泥进入B池，再部分进入C池，活性污泥在各池内得到重新分配。一段时间后，为防止A池和B池的活性污泥被水冲走及C池内活性污泥积累排出，调整水流方向，进入短暂的过渡阶段，这时，关闭A池进水闸并停止曝气，开启B池进水闸，污水仍从B池流入C池，A池和C池同时作为沉淀池，过渡结束后，开始第二主要阶段的运行。第二运行阶段和第二过渡阶段仅水流方向发生改变，其流程和原理完全与第一主要运行阶段和第一过渡阶段相同。

UNITANK工艺运行方式灵活，可以通过时间及空间的控制及曝气、搅拌的控制，使3个池内形成好氧、缺氧或者厌氧的环境，实现多种工艺目的，如碳源污染物的去除、脱氮、除磷等。UNITANK系统的各反应池之间通过中间隔墙开口导水，降低了系统的水头损失。采用紧密的一体化系统，既节省了占地面积和建设费用，也便于加盖封闭或建在地下，从而有利于保温和避免对环境产生不良影响。由于池间水力连通，中间池壁不受单向水压，而且共用水平底板，提高了结构的稳定性。

在规模上，UNITANK工艺无法满足大型污水处理厂沉淀功能，一般更适用于中小型污水处理厂。

7．8．2　SBR工艺设计

SBR法工艺设计计算主要包括反应池设计、供氧系统设计和污泥系统设计等。根据《序批式活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 577—2010）的规定，反应池可以用污泥负荷法进行设计，而供氧系统和污泥系统的设计则与前述传统活性污泥法系统和氧化沟系统的设计相似。

7．8．2．1　反应池的设计计算

1．SBR反应池运行的时间条件

一个采用SBR工艺的污水处理厂可以拥有1个或1个以上系列的反应系统，每个系列是由1个或1个以上的SBR反应池所组成。每个反应池每天可以运行多个周期，每个周期包括进水、曝气、沉淀、排水及待机等工序。每个周期所需要的时间就是这些工序所需时间的总和。因此，有

对于一个有N个反应池的反应池系列，污水连续依次地进入该系列的N个反应池，并设定在进水期中不进行沉淀和排水工序，因此进水时间TF为

显然，各工序所需要的时间必须满足

设计SBR反应池时，必须满足上述时间条件。

2．污泥负荷

对于一个SBR反应池，污泥负荷为

LS表示单位质量的活性污泥（干重），在单位时间内所能够接受，并将其处理到预定程度的BOD5的质量。根据此污泥负荷也可以计算曝气池的体积。

3．各工序所需的时间计算

（1）反应时间TA。定义充水比（或排水比）为

则Q′满足

将式（7－94）代入式（7－92），可以得到TA为

（2）沉淀时间TS。《序批式活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 577—2010）规定，沉淀时间TS宜为1h。

（3）排水时间TD。在排水期间，就单次必须排出的处理水量来说，每一周期的排水时间可以通过增加排水装置的台数或扩大溢流负荷来缩短。另外，为了减少排水装置的台数和后续设备（如加氯混合池或排放槽）的容量，必须将排水时间尽可能延长。实际工程设计时，具体情况具体分析，根据《序批式活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 577—2010）的规定，排水时间TD宜为1．0～1．5h。

（4）一个周期所需的时间TC。TC可按式（7－96）计算，即

4．单个反应池有效容积的计算

设所设计的反应池系列有N个反应池，每天的处理量为Qm3／d，该系列反应池每天运行的周期数为n，则一个运行周期所需的时间TC为

SBR法的每天周期数宜取整数，如2、3、4、5、6。

将式（7－97）代入式（7－90）得到每个反应池每周期的进水时间为

则每个反应池每个周期的进水量Q′为

根据式（7－92），单个SBR反应池的有效容积为

式（7－100）就是《序批式活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 577—2010）中SBR反应池有效容积的计算公式。

将式（7－99）和式（7－95）代入式（7－100），可以得到

许多设计手册用式（7－101）计算反应池有效容积，该式和式（7－100）是等价的。

根据《序批式活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 577—2010），设计反应池时，宜按日平均污水流量设计，因此Q为分配给所设计系列反应池系统的日平均污水流量。

计算反应池的尺寸时，水深宜为4．0～6．0m，当采用矩形池时，反应池长宽比宜为11～21。反应池设计超高一般取0．5～1．0m。

7．8．2．2　主要设计参数

SBR工艺处理城镇污水或水质类似城镇污水的工业废水中的碳源污染物时，主要设计参数见表7－4，生物脱氮除磷的主要设计参数请参阅《序批式活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 577—2010）等相关资料。工业废水的水质与城镇污水水质差异较大时，设计参数应通过试验或参照类似工程确定。

7．8．2．3　需氧量、供氧量及供气量的计算

需氧量的计算见式（7－88），标准状态下需氧量的计算见式（7－66）。注意用这些公式计算出的需氧量是一个系列N个反应池一天的总需氧量，据此计算出的供气量是该系列反应池一天中需要的总供气量。如果要计算单个反应池在一个运行周期中的需氧量和供气量，则需将式（7－88）的污水设计流量Q替换为每个反应池每个周期的进水量Q′。

7．8．2．4　污泥系统设计计算

可以用式（7－80）计算剩余污泥量，即

注意式中的污泥总产率系数Y应根据去除的污染物种类进行取值，如去除碳源污染可按表7－5选取，如果是生物脱氮、生物除磷则取值与此不同，可参阅《序批式活性污泥法污水处理工程技术规范》（HJ 577—2010）等相关资料或根据试验而定。V应该取反应池的总体积，Q仍为设计平均日污水量。

以上简要介绍了SBR的工艺设计，详细结构及设备（如滗水器等）设计，可参考有关设计手册。