王东海，文湘华，钱易?
(清华大学 环境科学与工程系，北京100084)
摘 要：在分析SBR工艺一般特点的基础上，介绍了SBR工艺处理难降 解有机物、造纸印染等工业废水的应用现状和SBR工艺在数学模型、污泥膨胀机理及微生物 特征等基础性研究方面的进展，并讨论了在线控制、过程设计及启动策略等的工艺过程及控 制研究。
关键词：SBR；难降解有机物；研究与应用?
中图分类号：X505
文献标识码：B
文章编号：1000-4602(1999)11-0029-04 1 概况 目前SBR处理难降解有机物的对象几乎涵盖了其他生物法所处理的对象(见表1 ) 。Thomas F.Hess［1］等人用SBR处理含2，4—二硝基苯酚(DNP)废水，研究了外加 不同 浓度葡萄糖以提高对DNP的处理效果。外加碳源能延长生物世代时间，增加污泥中DNP降解菌 浓度，进一步提高对DNP的降解效果。Basu S K［2］等用SBR处理含30 mg/L a — 氯酚(2—CP)的自配废水时，研究葡萄糖、酚等外加补充底物对处理效果的影响，对比了以葡萄糖、酚为溶解性有机碳及无外加补充底物等三种条件下的处理效果。2—CP的比降解速率可由无外加底物时的3.96 mg2—CP/(gVSS·h)增加到有20 g/L葡萄糖、酚的5.15、8.19 mg 2—CP/(gVSS·h),当葡萄糖、酚的浓度增加到40 mg/L时，2—CP的比降解速率分别增加到7.9 4、11. 54 mg2—CP/(gVSS·h)，外加酚比葡萄糖对2—CP降解有更好的促进作用，表明所加外源 底物的种类、性质和浓度是影响2—CP生物降解速率的重要因素。 表1 SBR处理难降解有机物的运行模式 | 处理对象 | 运行模式 | 处理结果 | | 含二硝基苯酚废水 | 48h=0.8h+44.8h+1.8h+0.6h+0 | | | 苯胺类有机废水 | 24h=1h+5h+1h+1h+16h | 进水COD150～500mg/L,苯胺800～1800mg/L。去除率分别99%、90%，COD负荷2.7kg/(m3.d） | | 含酚、o—甲酚废水 | 24h=5h+15g+3g+1g+0 | 酚负荷：100～800g/(m3.d)，o—甲酚负荷100～600g/(m3.d)，去除率均＞99.5% | | 造纸废水 | 8h=1h+6h+0.5h+0.5h+0 | | | 焦化废水 | 24h+4h+12h+3～5h+2h+3～6h | NH3-N、COD的去除率分别为82.5%、65.2% | | 印染废水 | 8h=3h+3h+1h+1h+0 | 进水COD600～1000mg/L、BOD5130～300mg/L，色度400～2000时去除率分别80%—90%、85%、90% | | 皮革废水 | 21h=3h+4h+2h+2h+10h | | | 四环素生产废水 | 12h=0.5h+8h+1h+0.5h+2h | COD、四环素去除率分别为75%～80%、40% | | 土霉素生产废水 | 12h=2h+7h+1h+1h+1h | 进水COD1600～12000mg/L，去除率达80%以上 | | 中药材生产废水 | 24h=0.5h+11.5h+0.5h+0.5h+11h | COD、NH3-N去除率分别为88%、62% | | 乐果废水 | 12h=1h+7h+2h+1h+1h | | | 注 48h=8h+44.8h+1.8h+0.6h+0表示运行周期为48h，进水、反应、沉淀、滗水、闲置时间分别为：0.8h、44.8h、1.8h、0.6h、0. | SelvaratnamS［3］等人在SBR系统中用生物强化技术提高处理效率，将传统检测技术和分子技术结合，研究了酚的生物降解和催化dmpN基因的存在和表达。加入酚降解高效菌ATCC 11172后，通过好氧亚断裂途径将多环酚转化为邻苯二酚，使酚去除率高达95%～100% 。?
J. Franta［4～6］等人从出水中有机物组成角度出发探索SBR的最佳工艺，研究了用SBR处理造纸废水出水中剩余有机物的组成、浓度及其影响因素。COD∶N∶P＝250∶7∶1，控制SRT分别为10、20、30 d。最高COD去除率和最佳污泥沉降性能在SRT为20 d和反应时间为22h时得到。SRT增加能提高出水水质，使出水中重要污染物卤代烃浓度明显降低，但COD变化不大。每周期中贫营养的持续时间对出水中剩余有机物的组成影响很大，高温GC/MS分析表明出水中剩余有机物主要为难降解的木质素等物质，约有10%的剩余有机物经生物作用有了改变，其余大多数为起初进水中就有的。为保持高的基质去除率，有必要延长反应时间使酶的活性降到本底值，因即使呼吸速率达到内源代谢水平，酶活性仍很高。TardifO［7］研究了SBR、超滤(UF)、SBR+UF、膜反应器(MBR)等四种方法处理生产回收新闻纸的造纸厂白水，在20～40 ℃条件下，SBR处理的树脂及脂肪酸去除率几乎为100%，溶解性COD为76%，总溶解性颗粒物为34%，但温度超过45 ℃后去除效果变差。与SBR相比，SBR+UF明显提高了目标污染物的去除率。? 2 基础研究 由于SBR为高度非稳态的处理过程，反应器中基质、营养物、溶解氧等浓度变化幅度大，与浓度恒定的连续过程相比，其机理更加复杂，负荷和反应速度变化更大，生物相更多，污泥龄更加不等，因此研究更为复杂，也为SBR工艺的研究提供了广阔的领域。
2.1 数学模型
G.F.Nakhla［8］等研究了包括进水及反应段的SBR数学模型，并用试验数据加 以验证。微生物生长动力学用Monod方程描述，进水速率为模型的主要运行参数，运用数值法对非线性非稳态一级微分方程进行模型求解。研究表明，SBR处理废水时间取决于微生物 细 胞和基质浓度，对易降解低抑制性的污染物，快速进水效果好，而对难降解有机物则需长时间进水。A.Brenner［9］等人认为由于SBR为单池非稳态过程，存在着更大的基质和营养物浓度梯度，传统的活性污泥法的计算机控制和模拟需要修正。同时各种过程、负荷条 件及运行策略的数学模型化有利于加深对运行过程的理解并能促进设计和运行的科学化。?
2.2 污泥膨胀机理
污泥膨胀是连续法运行中普遍存在的问题，而SBR能成功防止污泥膨胀，为此许多学者 试图 通过SBR对丝状菌抑制机理的研究来阐明污泥膨胀机理及其控制方法。Steven C.Chiesa等人 研究证实，微生物处于富营养和贫营养交替变化的环境下，即在起始基质浓度的显著增加、高生长速率(高基质浓度)及长贫营养时间的条件下，均能有效抑制丝状菌的生长。贫营养的 幅度和时间对絮状污泥的相对量以及微生物合成维持絮状污泥完整性的胞外酶的能力有重要影响。为此，通过对比连续式和间歇式运行、反应池中丝状菌的生长条件和控制方法，Chie sa发现SBR中的特殊生态环境使其具备一定的生物选择能力，该能力能从底物中吸收有机物 质并使在延时的内源代谢阶段维持较高活性的非丝状微生物成为优势微生物。SBR对生物的 选 择能力由进料方式、DO、有机负荷率、最大生长速率的幅度及其维持的时间、贫营养的幅度 和范围、贫富营养交替的频率等众多因素决定。被选择生物的最大生长速率取决于基质的营养性质，不同的基质生物选择所需浓度不同。基于上述结论，Chiesa认为连续法运行尽管也 能维持较好的污泥沉降性能，但其有机负荷率的可变范围非常小，易于发生污泥膨胀，当通过调节有机负荷和反应器中的DO还无法避免污泥膨胀时，可将连续式运行改为间歇式运行。Franta等人发现若反应时间太短，贫营养时间不充分更易发生污泥膨胀。?
2.3 微生物特征
Robert L.Irvine从SBR处理难降解有机物的微生物特征出发，研究其降解机理。认为从微生物角度看，SBR最大的特点是微生物处于富营养、贫营养、好氧、缺氧、厌氧周期性变化的环境中。反应器内营养物浓度的降低可使营养物被摄取速率增加，可利用基质范围增大。通过控制运行周期、流量、营养物浓度及DO等环境压力的改变可强化反应器对微生物的选择，这是因为在不同条件下，有不同的微生物在起作用。SBR不仅具有改变运行形式方便的优点，通过控制运行周期、进出水流量、营养物浓度及DO等条件，SBR还能够改变微生物的环境压力进而强化微生物。进水确定的环境条件下所富集的特定微生物在反应段得到强化，随之造成生物生理、产量的变化，将进一步促进SBR对生物的选择。Cristiani Urbina等人研究了SBR处理乳浆废水中球酵母属(Torulopsis cremoris)在间歇或连续运行中生长动力学，发现SB R中T.cremori的生长速率比连续式快26%。M.Okada研究了SBR处理含酚废水的生物活性，比较了连续式好氧SBR、厌/好氧SBR在两种冲击负荷下降解酚时细菌的活性，结果最佳生物活性和忍耐力在高酚负荷的好氧SBR中获得。SBR中高的初始酚浓度有助于生物活性的提高，在连续式低酚浓度下，生物活性较低。SBR能给污泥恰当的酚负荷和稳定的污泥活性，从而在高冲击负荷下也能稳定地运行，降解酚的细菌活性增强主要是细菌降解和忍受酚的能力增强而不是细菌总数的增加。Wilson等人从SBR处理高浓度造纸废水的污泥中分离出仅以双(Diterpene) 和异海松酸(Isopimaric Acid)为碳源和电子供体的两种好氧革兰氏阴性菌，并详细研究了 这两种菌的生长特性、营养源，以提高SBR处理造纸废水的效果。? 3 工艺过程研究 SBR工艺中的运行操作是周期性进行的，操作控制较繁琐。另一方面，SBR工艺过程优化控制能极大地提高效率降低能耗，因此如何对工艺过程进行有效控制，对SBR工艺的理论研究和实 际应用均具有重要意义。
3.1 在线控制
Yongzhen Peng等人研究了用氧化还原电位(ORP)控制SBR的曝气运行。由于ORP传感器能准确显示反应器中的生物氧化状态，因此可用ORP来控制SBR中的曝气时间，通过曝气时间长短的动态在线调整，尽量减少曝气量以避免能量的浪费。试验发现，氧化基本结束时(通过COD达 到平衡反映出来)，SBR中的ORP值迅速增加。在某一特定废水处理中，ORP平台出现在一狭小范围内，取决于进水组成、曝气时间、MLSS值及系统有机负荷，因此可用ORP平台出现来结束曝气以节省能量。Y.Hamamoto等人采用“模糊逻辑”(fuzzy logic)控制以自动确定最佳的搅拌和曝气阶段，模糊控制中参数有DO、pH、ORP及反应池的水位，模糊控制后显著 降低了能耗。?
3.2 过程设计?
许多学者对SBR的设计过程进行了研究。Ketchum L H分析了不同处理目标的SBR设计过程和物理特性。在设计中将进水分为静止进水(完全限制)、搅拌进水(半限制)、曝气进水(不限制) 三种。依据不同的处理目标，将运行策略大致分为五种，建议以处理工业废水及有毒有害废 水为目标的运行方式为：短时间的搅拌加上长时间的曝气。
3.3 启动策略
M.Muniz等人研究了SBR处理含难降解有机物废水的启动策略，以缩短启动时间，节省接种污 泥量，降低启动费用。运行周期为6 h，进水曝气时间为4 h，沉淀时间为1.5 h，出水时间为0.5 h。启动阶段在时间上分为接种阶段和条件控制阶段。接种阶段接种的污泥量少，不仅节省污泥量和运输费用，同时也获得更适应新污水的微生物。进料阶段中根据微生物对COD的要求及处理对象中毒性对微生物抑制作用的大小，逐渐增加有毒有害物的量直至最终含量，以达到进料段生长速率常数恒定、COD去除率高、污泥沉降性能好的目的。? 4 结语 SBR反应器已广泛应用于多种难降解有机物处理的试验研究与应用，并取得较好的处理效果。但由于SBR工艺的间歇周期运行，反应器中DO、有机物浓度等随时间不断变化，处于这种周期性变化环境中的微生物对难降解有机物的降解机理、反应动力学以及工程应用中的设计、过程控制等更加复杂，给研究人员提出了比研究连续式活性污泥法处理难降解有机物更大的挑战。尽管目前SBR工艺机理及设计研究尚处于起步阶段，但由于SBR运行灵活，抗冲击负荷能力强，能适应废水间歇无规律排放，且对连续式不能降解的有机物也表现出良好的降解效果，因此该工艺在难降解有机物特别是中小型石化、造纸、印染、炼油、制药等企业废 水处理中将具有极为广泛的应用前景。??
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收稿日期：1999-04-03 | 
