6.2　活性污泥法的改良与发展

6.2.1　序批式活性污泥（SBR）法

（1）工作原理与运行

SBR工艺中的核心处理设备是一个序批式间歇反应器（SBR反应器），其一般的工艺流程如图6-12所示。

SBR工艺的操作工序如图6-13所示。整个运行周期由进水、反应、沉淀、出水和闲置5个基本工序组成，5个工序都在一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行。在处理过程中，周而复始地循环这种操作周期，以实现污水处理目的。现将各工序的操作要点与功能阐述于下。

①进水工序　废水注入之前，反应器处于待机状态，此时沉淀后的上清液已经排空，反应器内还储存着高浓度的活性污泥混合液，这起到了连续流活性污泥法（CFS）中污泥回流的作用。此时反应器内的水位为最低。

废水注入完毕再进行反应，从这个意义上说，反应器又起到了调节池的作用，所以SBR法受负荷变动的影响较小，对水质、水量变化的适应性较好。

在注入废水的过程中，可以根据不同的处理目的来配以其他的操作。进水方式可以分为三种：单纯进水、进水加搅拌（厌氧反应）、进水加曝气（好氧反应）。

设计合理的进水时间对整个处理过程以及对污泥性能也很重要。据Dennis和Irvine所做的进水时间对污泥沉降速度的影响的试验，进水时间/反应时间为2h/4h的情况下SVI为78；进水时间/反应时间为5h/1h的情况下SVI为224。

②反应工序　当废水达到预定高度时，便开始反应操作，可以根据不同的处理目的来选择相应的操作。例如，控制曝气时间可以实现BOD的去除、硝化、磷的吸收等不同要求；控制曝气或搅拌强度来使反应器内维持厌氧或缺氧状态，实现硝化、反硝化过程。

有时为了使沉淀工序效果更好，在反应工序的最后可进行短时间的小气量曝气，以去除附着在污泥上的氮气。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反应器相当于CFS法中的二沉池，停止曝气和搅拌，使混合液处于静止状态，活性污泥进行重力沉淀和上清液分离。在CFS工艺中活性污泥混合液必须经过管道流入沉淀池进行沉淀，这就可能使部分刚刚开始絮凝的活性污泥重新破碎，而SBR反应器本身作为沉淀池就可以避免这一问题。而且，SBR反应器中的污泥沉淀是在完全静止的状态下完成的，受外界干扰小，可避免CFS工艺中二沉池内水流的影响。此外，静止沉淀还避免了连续出水容易带走相对密度小、活性好的污泥的问题，可提高污泥活性。普通活性污泥法的VSS/SS为0.6左右，而SBR工艺的VSS/SS可以提高到0.8以上。因此，SBR工艺沉降时间短、沉淀效率高，污泥保持较好的活性。

沉淀时间可依据废水类型以及处理要求具体设定，一般为1～2h。

④出水工序　排出沉淀后的上清液恢复到周期开始时的最低水位，剩下的一部分处理水可以起到循环水和稀释水的作用。沉淀的活性污泥大部分作为下个周期的回流污泥使用，剩余污泥则排放。

⑤闲置工序　SBR池处于空闲状态，微生物通过内源呼吸恢复活性，溶解氧浓度下降，起到一定的反硝化作用而进行脱氮，为下一运行周期创造良好的初始条件。由于经过闲置期后的微生物处于一种饥饿状态，活性污泥的比表面积很大，因而在新的运行周期的进水阶段活性污泥便可发挥其较强的吸附能力对有机物进行初始吸附去除。另外，待机工序可使池内溶解氧进一步降低，为反硝化工序提供了良好的工况。

（2）工艺特点与问题

①优点

1）工艺流程简单，运转灵活，基建费用较低。其主体设备主要为一个SRB反应器，基本上所有操作在一个反应器内完成。

2）处理效果良好，出水可靠。因其反应过程不连续，反应器中基质和微生物浓度是随时间变化的。可创造出生物反应最佳条件，实现良好的处理效果。

3）较好的除磷脱氮效果。通过5个工序时间上的安排，较易实现厌氧、缺氧和好氧状态交替，可最大限度满足生物脱氮除磷环境与条件。

4）污泥沉降性能良好。由于反应器中基质浓度梯度大，且厌氧、缺氧和好氧状态并存，有助于改善污泥沉降性能。

5）水质水量变化适应性强。由于进水与上一个运行周期残存的剩余污泥混合，具有缓冲调节作用。故其适应性强。

②存在的局限性与问题

1）反应器容积利用率低；设备利用率低。

2）不连续出水，峰值需氧量高，水头损失大。

3）依赖计算机控制，管理难度大，只适用于小型废水处理厂。

6.2.2　AB法

（1）AB法工艺流程

两段生物法即AB法，是吸附生物降解工艺（adsorption biodegradation）的简称，20世纪80年代开始应用于工程实践。该工艺由A、B两段组成，不设初沉池。AB法的工艺基本流程如图6-14所示。

A段为吸附段，是AB工艺的关键和主体。在A段废水与活性很强、高负荷的活性污泥充分接触，有机物被活性污泥吸附后，混合液就进入沉淀池进行固液分离。该段负荷高，能够成活的微生物种群只有抗冲击负荷能力强的原核细菌，而原生动物和后生动物不能存活，污染物的去除主要依靠活性污泥的吸附作用。A段污泥负荷一般为2～6kg/（kg·d）（每千克活性污泥中悬浮固体所含的BOD₅的千克值），污泥龄0.3～0.5d，水力停留时间30min，池内溶解氧浓度为0.2～0.7mg/L，污泥在缺氧（兼性）条件下工作，BOD₅去除率为40%～70%，悬浮固体（SS）去除率可达60%～80%，污泥容积指数（SVI）<60。

B段为氧化段，曝气池在低负荷率下工作，污泥负荷一般为0.15～0.3kg/（kg·d），污泥龄15～20d，水力停留时间2～3h，池内溶解氧浓度为1～2mg/L，SVI<100。AB两段活性污泥各自回流。

AB两段负荷相差很大，因此繁殖出不同的生物相。A段的优势是微生物种群为原核生物，使活性污泥表现为絮凝、吸附、降解有机物能力强，抗冲击负荷能力强，抗毒能力强。运行系统一旦遭到破坏，能在短时间内恢复原有的处理效果。B段微生物种群为后生动物，生长周期较长，抗冲击负荷能力不如A段。

（2）AB法工艺特点

AB法不设初沉池，废水中的微生物全部进入A段，与活性污泥较短时间的接触，因此，吸附池的容积较小。A段的微生物处于对数生长期，大都为繁殖速度快的细菌。微生物对环境变化（pH值、负荷、毒物、温度等）的适应性强，耐冲击能力很强。在A段中的污水与回流污泥混合后，相互间发生絮凝和吸附，难降解的悬浮物胶体得到絮凝、吸附、黏结，经沉降后与水分离，一部分可溶性有机物被降解。在缺氧条件下运行时脱P、N作用显著。A段的缓冲、净化和改善可生化性等作用，为B段的生物净化创造了有利条件，使B段出水水质得到改善，曝气池容积减小40%，能耗降低，投资费用减少。

B段微生物处于内源呼吸期，大都为繁殖较慢的菌胶团和原生动物等。不同相的微生物可去除不同种类的污染物，所以AB法的净化效果显著提高。

AB法与普通的生物处理法相比，在处理效率、运行稳定性、工程的投资和运行费用方面均具有明显的优势，基建费用和运行费用较低，出水水质稳定，对P、N有较好的去除效果，但不能满足深度处理的要求。

6.2.3　膜生物反应器（MBR）法

6.2.3.1　净化原理与分类

膜生物反应器是将膜分离过程与生物反应器组合使用的各类水处理工艺的总称。膜生物反应器根据机理可分为：膜分离生物反应器（membrane separation bioreactor，简称MBR）、膜曝气生物反应器（membrane aeration bioreactor，简称MABR）、萃取膜生物反应器（extractivemembranebioreactor，简称EMBR）三大类型。图6-15为三类膜生物反应器示意图。

目前，国内膜曝气生物反应器和萃取生物反应器应用较少，工程应用较多的是膜分离生物反应器。

MBR根据微生物生长环境的不同分为好氧和厌氧两大类；MBR的核心部件是膜组件，从材料上可以分为有机膜和无机膜两大类。根据膜组件的形式可以分为管式、板式和中空纤维式；按膜组件的安放位置分为内置式（或浸没式、一体式）和外置式（或分体式）。

外置式MBR是指膜组件与生物反应器分开设置，膜组件在生物反应器的外部，生物反应器反应后的混合液进入膜组件分离，分离后的清水排出，剩余的混合液回流到生物反应器中继续参加反应，如图6-16所示。外置式MBR的特点是运行稳定可靠，操作管理方便，易于膜的清洗、更换，但外置式MBR动力消耗大、系统运行费用高，其处理单位体积水的能耗是传统活性污泥法的10～20倍。为了减少污泥在膜表面的沉积，膜内循环液的水流流速要求很高，一方面造成系统运行费用高，另一方面回流造成的剪切力可能影响微生物的活性。在外置式MBR工艺中，膜组件一般采用平板式或管式膜，排水常采用压力驱动方式。

内置式MBR是将膜组件直接安放在生物反应器中，通过泵的负压抽吸作用或重力作用得到膜过滤出水，由于膜浸没在反应器的混合液中，亦称为浸没式或一体式MBR，如图6-17所示。内置式MBR中，膜组件下方设置曝气，依靠空气和水流的扰动减缓膜污染，一般曝气是连续运行的，而泵的抽吸是间断运行的。为了有效地防止膜污染，有时在反应器内设置中空轴，通过中空轴的旋转使安装在轴上的膜也随着转动，形成错流过滤。同外置式相比，内置式MBR具有工艺流程简单、运行费用低等特点，其能耗仅为0.2～0.4kW·h/m³，但是其运行稳定性差、操作管理和清洗更换工作较烦琐。

6.2.3.2　MBR工艺特征与发展

（1）MBR工艺特征

MBR是一种活性污泥系统，但是与其他活性污泥工艺不同的是，MBR采用膜过滤而不是沉淀池来实现泥水分离。膜将活性污泥截留在生化池内，从而提高了生化池的污泥浓度和生化速率，同时通过膜过滤得到更好的出水水质。

①MBR工艺的优点　MBR工艺能够集膜的优良分离性能和生化法对有机物氧化降解的高效性于一体，与常规的活性污泥法相比，主要有以下优点。

1）高效的固液分离性能。由于膜的高效分离作用，分离效果大大强于传统的二沉池；出水悬浮物和浊度接近零，而且可以去除细菌病毒等。

2）膜的高效截留作用使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间和固体停留时间的完全分离，使运行控制更加灵活、稳定。同时，反应器内微生物浓度高，耐冲击负荷。

3）有利于繁殖周期长的硝化细菌的截留、生长和增殖，系统硝化效率得以提高，通过运行方式的改变可以有强化脱氮除磷的功能。

4）泥龄长。膜分离使废水中的大分子难降解成分在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。

5）反应器在低污泥负荷条件下运行，剩余活性污泥量远低于传统活性污泥工艺，且无污泥膨胀，降低了剩余污泥的处置费用。在膜反应器工艺中，由于膜为固液分离提供了绝对的保证，排水的质量与生物絮体的沉降性没有关联，因此，膜生物反应器工艺基本上解决了活性污泥法的污泥膨胀问题。

6）系统易于实现自动化控制，操作管理方便。

7）占地面积小，工艺设备集中。MBR能维持高浓度的微生物量，容积负荷较高，因而自身所需的占地面积与传统工艺相比大大减少。同时用膜进行固液分离时，不需要设置沉淀池。

②MBR工艺的缺点　同样的，MBR工艺也存在一些不足。

1）膜材料价格较高，导致MBR的工程投资高于相同规模的传统废水处理工艺，制约了膜生物反应器的推广应用。

2）膜材料易损坏，容易污染，给操作管理带来不便，同时也增加了运行成本。

3）为了减缓膜污染，一般需要混合液回流或膜下曝气，从而造成运行能耗的增加。

（2）MBR工艺的发展

MBR发展过程中，许多传统活性污泥法的工艺也被引入到MBR工艺中，使其与膜分离手段相结合，构成了新型的MBR工艺，以强化脱氮除磷功效。新型的MBR工艺主要有以下几种类型。

①序批式MBR　将活性污泥法中的SBR引入到MBR中形成絮批式膜生物反应器，该工艺具备同时去除有机物和脱氮的效果。

②间歇曝气MBR　为提高单级好氧反应器的反硝化能力，间歇曝气工艺也被引入到MBR系统中。周期循环的间歇曝气可将反硝化程度提高到95%以上，当原水TN浓度在60～70mg/L时，出水TN浓度低于5mg/L，去除率达90%以上。

③好氧/缺氧/厌氧组合MBR　早期的MBR多为完全好氧式活性污泥反应器，为强化脱氮除磷效果，研究人员通过在好氧反应器前增加前置反硝化反应器来达到脱氮除磷的目的，形成了好氧和缺氧/厌氧系统。和传统的活性污泥法一样，增加前/后置反硝化反应器后，在去除有机污染物的同时，可强化对氮和磷的去除效果。但是，这些MBR系统由于反应器增多，致使水力停留时间较长、反应流程长，没有更好地发挥出膜生物反应器紧凑、水力停留时间短的技术优势。

④复合MBR　为了在原有活性污泥工艺基础上提高反应器内生物量，增强其处理能力，克服污泥膨胀，提高运行稳定性，在曝气池中投加各种能够提供微生物附着生长表面的载体，使生物反应器内同时存在附着相和悬浮相两种微生物，这种反应器称之为“复合生物反应器”（hybrid bioreactor，简称HBR）。复合膜生物反应器（hybridmembrane bioreactor，简称H-MBR）是将生物膜与膜生物反应器有机结合而成的一种新工艺。作为一种独特的废水处理工艺，复合内置式MBR有其自身的特点和技术优势。

（3）工艺组成与选择

应根据去除碳源污染物、脱氮、除磷、好氧、污泥稳定等不同要求和外部环境条件，选择适宜的MBR工艺。

内置式膜生物反应器系统基本工艺流程如图6-18所示；外置式膜生物反应器系统基本工艺流程如图6-19所示。类似于活性污泥法，当需要脱氮时，MBR工艺系统应设置缺氧区，以脱氮为主的MBR基本工艺流程如图6-20所示；当需要同时脱氮除磷时，MBR工艺系统应设置厌氧区、缺氧区，同时脱氮除磷的MBR基本工艺流程如图6-21所示。其中，膜组器指由膜组件、布气装置、集水装置、框架等组成的一个基本水处理单元。