MSBR(ModifiedSequencingBatchReactor)是改良式序列間歇反應(yīng)器，是C.Q.Yang等人根據(jù)SBR技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)活性污泥法技術(shù)，研究開發(fā)的一種更為理想的污水處理系統(tǒng)。MSBR既不需要初沉池和二沉池，又能在反應(yīng)器全充滿并在恒定液位下連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行。采用單池多格方式，結(jié)合了傳統(tǒng)活性污泥法和SBR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。不但無需間斷流量，還省去了多池工藝所需要的更多的連接管、泵和閥門。通過中試研究及生產(chǎn)性應(yīng)用，證明MSBR法是一種經(jīng)濟(jì)有效、運(yùn)行可靠、易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的污水處理工藝。
1、MSBR法的基本原理與特點(diǎn)
1.1MSBR的基本組成反應(yīng)器由三個(gè)主要部分組成：曝氣格和兩個(gè)交替序批處理格。主曝氣格在整個(gè)運(yùn)行周期過程中保持連續(xù)曝氣，而每半個(gè)周期過程中，兩個(gè)序批處理格交替分別作為SBR和澄清池。
1.2MSBR的操作步驟在每半個(gè)運(yùn)行周期中，主曝氣格連續(xù)曝氣，序批處理格中的一個(gè)作為澄清池(相當(dāng)于普通活性污泥法的二沉池作用)，另一個(gè)序批處理格則進(jìn)行以下一系列操作步驟。
步驟1：原水與循環(huán)液混合，進(jìn)行缺氧攪拌。在這半個(gè)周期的開始，原水進(jìn)入序批處理格，與被控制回到主曝氣格的回流液混合。在缺氧和豐富的硝化態(tài)氮條件下，序批處理格內(nèi)的兼性反硝化菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體，以原水及內(nèi)源呼吸所釋放的有機(jī)碳作為碳源，進(jìn)行無氧呼吸代謝。
由于初期序批處理格內(nèi)MLSS濃度高，硝化態(tài)氮濃度較高，因此碳源成為反硝化速率的限制條件。隨著原水的加入，有機(jī)碳的濃度增加，提高了反硝化的速率。來自曝氣格和序批格原有的硝態(tài)氮經(jīng)反硝化得以去除。另外，該階段運(yùn)行也是序批處理格中較高濃度的污泥向曝氣格回流的過程，以提高曝氣格中的污泥濃度。
步驟2：部分原水和循環(huán)液混合，進(jìn)行缺氧攪拌。隨著步驟1中原水的不斷進(jìn)入，序批處理格內(nèi)有機(jī)物和氨氮的濃度逐漸增加。為阻止在序批處理格內(nèi)有機(jī)物和氨氮的過分增加，原水分別流入序批處理格和主曝氣格。使序批處理格內(nèi)維持一個(gè)適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)碳水平，以利于反硝化的進(jìn)行?；旌弦和ㄟ^循環(huán)，繼續(xù)使序批處理格原來積聚的MLSS向主曝氣格內(nèi)流動。
步驟3：序批格停止進(jìn)原水，循環(huán)液繼續(xù)缺氧攪拌。此后中斷進(jìn)入序批處理格的原水。原水在剩下的操作中，直接進(jìn)入主曝氣格。這使得主曝氣格降解大量有機(jī)碳，并減弱微生物的好氧內(nèi)源呼吸。序批處理格利用循環(huán)液中殘留的有機(jī)物作為電子供體，以硝化態(tài)氮作電子受體，繼續(xù)進(jìn)行缺氧反硝化。
由于有機(jī)碳源的減少，缺氧內(nèi)源呼吸的速率將提高。來自主曝氣格的混合液具有較低的有機(jī)物和MLSS濃度。經(jīng)循環(huán)，把序批處理格內(nèi)的殘余有機(jī)物和活性污泥推入主曝氣格，在此進(jìn)行曝氣反應(yīng)降解有機(jī)物，并維持物質(zhì)平衡。
步驟4：曝氣，并繼續(xù)循環(huán)。進(jìn)行曝氣，降低最初進(jìn)水所殘余的有機(jī)碳、有機(jī)氮和氨氮，以及來自主曝氣格未被降解的有機(jī)物和內(nèi)源呼吸釋放的氨氮，并吹脫在前面缺氧階段產(chǎn)生的截留在混合液中的氮?dú)?。連續(xù)的循環(huán)增加了主曝氣格內(nèi)的微生物量，同時(shí)進(jìn)一步降低序批處理格中的懸浮固體，降低了MLSS濃度，有利于其在下半個(gè)周期中作為澄清池時(shí)，減少污泥量以提高沉淀池的效率。
步驟5：停止循環(huán)，延時(shí)曝氣。為進(jìn)一步降低序批處理格內(nèi)的有機(jī)物和氮濃度，減少剩余的氮?dú)馀?，采用延時(shí)曝氣。這步是在沒有循環(huán)，沒有進(jìn)出流量的隔離狀態(tài)下進(jìn)行。延時(shí)曝氣使序批處理格中的BOD5和TKN達(dá)到處理的要求水平。
步驟6：靜置沉淀。延時(shí)曝氣停止后，在隔離狀態(tài)下，開始靜置沉淀，使活性污泥與上清液有效分離，為下半個(gè)周期作為澄清池出水做準(zhǔn)備。沉淀開始時(shí)，由于仍存在剩余的溶解氧，沉淀污泥中的硝化菌繼續(xù)硝化殘余的氨，而好氧微生物繼續(xù)進(jìn)行好氧內(nèi)源呼吸。
當(dāng)混合液中氧減少到一定程度時(shí)，兼性菌開始利用硝化態(tài)氮作為電子受體進(jìn)行缺氧內(nèi)源呼吸，進(jìn)行程度較低的反硝化作用。在整個(gè)半周期過程中，此時(shí)序批處理格中上清液的BOD、TKN、氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽的濃度最低，懸浮固體總量也最少，因此該序批處理格在下半個(gè)周期作為沉淀池，其出水質(zhì)量是可靠的。在這一步，可以從交替序批處理格中排放剩余污泥。
第二個(gè)半周期：步驟6的結(jié)束標(biāo)志著處理運(yùn)行的下半個(gè)循環(huán)操作開始。通過兩個(gè)半周期，改變交替序批處理格的操作形式。第二個(gè)半周期與第一個(gè)半周期的6個(gè)操作步驟相同。
2、MSBR法的主要運(yùn)行特點(diǎn)
(1)MSBR系統(tǒng)能進(jìn)行不同配置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，以達(dá)到不同的處理目的。
(2)每半個(gè)運(yùn)行周期中，步驟的數(shù)量和每步驟所需的時(shí)間，取決于原水的特性和出水的要求。這里介紹了6個(gè)運(yùn)行步驟，但所需總的步驟可以被系統(tǒng)設(shè)計(jì)者所選擇。常?？梢栽趯?shí)際運(yùn)行中減少，以便使運(yùn)行過程簡單化。例如，步驟1和步驟2能通過延長步驟1和減少步驟2的時(shí)間來合并這兩步為一步。
增加步驟1的時(shí)間則增加序批處理格有機(jī)碳的量，這使得在不進(jìn)原水的缺氧混合時(shí)間需要更長，以平衡步驟3。也可以增加步驟，進(jìn)行更多的缺氧好氧序批操作，來處理有機(jī)物和氨氮濃度更高的原水，以達(dá)到更低出水總氮的要求。
(3)在每半個(gè)循環(huán)中，原水大部分時(shí)間是進(jìn)入主曝氣格。接著是部分或全部污水進(jìn)入作為SBR的序批處理格。在主曝氣格中完成了大部分有機(jī)碳、有機(jī)氮和氨氮的氧化。另外，主曝氣格在完全混合狀態(tài)下連續(xù)曝氣，創(chuàng)造了一個(gè)穩(wěn)定的生物反應(yīng)環(huán)境。這使得整個(gè)設(shè)備能承受沖擊負(fù)荷的影響。
(4)從序批處理格到主曝氣格的循環(huán)流動，使得前者積聚的懸浮固體運(yùn)送到了后者。循環(huán)也把主曝氣格內(nèi)的被氧化的硝化氮運(yùn)送到在半個(gè)循環(huán)的大部分時(shí)期處在缺氧攪拌狀態(tài)下的序批處理格，實(shí)現(xiàn)脫氮的目的。
(5)污泥層作為一個(gè)污泥過濾器，對改善出水質(zhì)量和缺氧內(nèi)源呼吸進(jìn)行的反硝化有重要作用。
3、MSBR法的應(yīng)用與發(fā)展
MSBR技術(shù)已在幾個(gè)污水處理廠應(yīng)用。位于加拿大Saskatchewan的Estevan污水處理廠則為一實(shí)例。雖然由于嚴(yán)寒造成一些冰凍問題，但污水廠還是取得了相當(dāng)好的處理效率。平均溫度為13℃。
實(shí)踐表明MSBR是一種可連續(xù)進(jìn)水、高效的污水處理工藝，且簡單，容積小，單池。易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動控制。在較低的投資和運(yùn)行費(fèi)用下，能有效地去除含高濃度BOD5、TSS、氮和磷的污水?？傊到y(tǒng)在低HRT、低MLSS和低溫情況下，具有優(yōu)異的處理能力。MSBR技術(shù)的研究與發(fā)展方向如下：
(1)MSBR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展是生物除磷或同時(shí)脫氮除磷。目前同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院對此正在作進(jìn)一步的研究，并已取得了有重要理論意義與應(yīng)用價(jià)值的研究成果。
(2)MSBR系統(tǒng)可以有各種不同配置，例如溝(渠)形式，并且現(xiàn)在已經(jīng)在開發(fā)研究。
(3)MSBR生物處理的動力學(xué)模式研究，以提供普遍的設(shè)計(jì)和運(yùn)行依據(jù)。
(4)MSBR運(yùn)行過程智能化控制的研究，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各操作過程具有適應(yīng)性和最優(yōu)控制。由于系統(tǒng)各格互聯(lián)、交替操作，且可以通過選擇、組合與取舍操作步驟，調(diào)整各操作步驟時(shí)間來控制運(yùn)行，其運(yùn)行過程比較復(fù)雜。此外，如果進(jìn)水水質(zhì)變化，MSBR法的運(yùn)行過程更具有非線性、時(shí)變性與模糊性的特點(diǎn)，難于用數(shù)學(xué)模型根據(jù)傳統(tǒng)控制理論進(jìn)行有效控制，因此對MSBR法這樣復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行在線模糊控制，將能得到其它控制方式無法實(shí)現(xiàn)的令人滿意的控制效果。這也是MSBR法的一個(gè)重要研究方向。
MSBR的基本組成
反應(yīng)器由三個(gè)主要部分組成：曝氣格和兩個(gè)交替序批處理格。主曝氣格在整個(gè)運(yùn)行周期過程中保持連續(xù)曝氣，而每半個(gè)周期過程中，兩個(gè)序批處理格交替分別作為SBR和澄清池。如圖1所示。
在每半個(gè)運(yùn)行周期中，主曝氣格連續(xù)曝氣，序批處理格中的一個(gè)作為澄清池(相當(dāng)于普通活性污泥法的二沉池作用)，另一個(gè)序批處理格則進(jìn)行以下一系列操作步驟，如圖2所示。
步驟1：原水與循環(huán)液混合，進(jìn)行缺氧攪拌。在這半個(gè)周期的開始，原水進(jìn)入序批處理格，與被控制回到主曝氣格的回流液混合。在缺氧和豐富的硝化態(tài)氮條件下，序批處理格內(nèi)的兼性反硝化菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體，以原水及內(nèi)源呼吸所釋放的有機(jī)碳作為碳源，進(jìn)行無氧呼吸代謝。
由于初期序批處理格內(nèi)MLSS濃度高，硝化態(tài)氮濃度較高，因此碳源成為反硝化速率的限制條件。隨著原水的加入，有機(jī)碳的濃度增加，提高了反硝化的速率。來自曝氣格和序批格原有的硝態(tài)氮經(jīng)反硝化得以去除。另外，該階段運(yùn)行也是序批處理格中較高濃度的污泥向曝氣格回流的過程，以提高曝氣格中的污泥濃度。
步驟2：部分原水和循環(huán)液混合，進(jìn)行缺氧攪拌。隨著步驟1中原水的不斷進(jìn)入，序批處理格內(nèi)有機(jī)物和氨氮的濃度逐漸增加。為阻止在序批處理格內(nèi)有機(jī)物和氨氮的過分增加，原水分別流入序批處理格和主曝氣格。使序批處理格內(nèi)維持一個(gè)適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)碳水平，以利于反硝化的進(jìn)行?；旌弦和ㄟ^循環(huán)，繼續(xù)使序批處理格原來積聚的MLSS向主曝氣格內(nèi)流動。
步驟3：序批格停止進(jìn)原水，循環(huán)液繼續(xù)缺氧攪拌。此后中斷進(jìn)入序批處理格的原水。原水在剩下的操作中，直接進(jìn)入主曝氣格。這使得主曝氣格降解大量有機(jī)碳，并減弱微生物的好氧內(nèi)源呼吸。序批處理格利用循環(huán)液中殘留的有機(jī)物作為電子供體，以硝化態(tài)氮作電子受體，繼續(xù)進(jìn)行缺氧反硝化。由于有機(jī)碳源的減少，缺氧內(nèi)源呼吸的速率將提高。來自主曝氣格的混合液具有較低的有機(jī)物和MLSS濃度。經(jīng)循環(huán)，把序批處理格內(nèi)的殘余有機(jī)物和活性污泥推入主曝氣格，在此進(jìn)行曝氣反應(yīng)降解有機(jī)物，并維持物質(zhì)平衡。
步驟4：曝氣，并繼續(xù)循環(huán)。進(jìn)行曝氣，降低最初進(jìn)水所殘余的有機(jī)碳、有機(jī)氮和氨氮，以及來自主曝氣格未被降解的有機(jī)物和內(nèi)源呼吸釋放的氨氮，并吹脫在前面缺氧階段產(chǎn)生的截留在混合液中的氮?dú)?。連續(xù)的循環(huán)增加了主曝氣格內(nèi)的微生物量，同時(shí)進(jìn)一步降低序批處理格中的懸浮固體，降低了MLSS濃度，有利于其在下半個(gè)周期中作為澄清池時(shí)，減少污泥量以提高沉淀池的效率。
步驟5：停止循環(huán)，延時(shí)曝氣。為進(jìn)一步降低序批處理格內(nèi)的有機(jī)物和氮濃度，減少剩余的氮?dú)馀荩捎醚訒r(shí)曝氣。這步是在沒有循環(huán)，沒有進(jìn)出流量的隔離狀態(tài)下進(jìn)行。延時(shí)曝氣使序批處理格中的BOD5和TKN達(dá)到處理的要求水平。
步驟6：靜置沉淀。延時(shí)曝氣停止后，在隔離狀態(tài)下，開始靜置沉淀，使活性污泥與上清液有效分離，為下半個(gè)周期作為澄清池出水做準(zhǔn)備。沉淀開始時(shí)，由于仍存在剩余的溶解氧，沉淀污泥中的硝化菌繼續(xù)硝化殘余的氨，而好氧微生物繼續(xù)進(jìn)行好氧內(nèi)源呼吸。當(dāng)混合液中氧減少到一定程度時(shí)，兼性菌開始利用硝化態(tài)氮作為電子受體進(jìn)行缺氧內(nèi)源呼吸，進(jìn)行程度較低的反硝化作用。
在整個(gè)半周期過程中，此時(shí)序批處理格中上清液的BOD、TKN、氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽的濃度最低，懸浮固體總量也最少，因此該序批處理格在下半個(gè)周期作為沉淀池，其出水質(zhì)量是可靠的。在這一步，可以從交替序批處理格中排放剩余污泥。第二個(gè)半周期：步驟6的結(jié)束標(biāo)志著處理運(yùn)行的下半個(gè)循環(huán)操作開始。通過兩個(gè)半周期，改變交替序批處理格的操作形式。第二個(gè)半周期與第一個(gè)半周期的6個(gè)操作步驟相同。
MSBR法簡介
MSBR(ModifiedSequencingBatchReactor)是改良式序列間歇反應(yīng)器，是C.Q.Yang等人根據(jù)SBR技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)活性污泥法技術(shù)，研究開發(fā)的一種更為理想的污水處理系統(tǒng)。MSBR既不需要初沉池和二沉池，又能在反應(yīng)器全充滿并在恒定液位下連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行。采用單池多格方式，結(jié)合了傳統(tǒng)活性污泥法和SBR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。不但無需間斷流量，還省去了多池工藝所需要的更多的連接管、泵和閥門。通過中試研究及生產(chǎn)性應(yīng)用，證明MSBR法是一種經(jīng)濟(jì)有效、運(yùn)行可靠、易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的污水處理工藝。
BR法的應(yīng)用與發(fā)展
MSBR技術(shù)已在幾個(gè)污水處理廠應(yīng)用。位于加拿大Saskatchewan的Estevan污水處理廠則為一實(shí)例。雖然由于嚴(yán)寒造成一些冰凍問題，但污水廠還是取得了相當(dāng)好的處理效率。平均溫度為13℃，系統(tǒng)處理效果(測試時(shí)間1996年4月～1997年3月)如表1所示。
表1Estevan污水處理廠MSBR測試結(jié)果
實(shí)踐表明MSBR是一種可連續(xù)進(jìn)水、高效的污水處理工藝，且簡單，容積小，單池。易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動控制。在較低的投資和運(yùn)行費(fèi)用下，能有效地去除含高濃度BOD5、TSS、氮和磷的污水?？傊到y(tǒng)在低HRT、低MLSS和低溫情況下，具有優(yōu)異的處理能力。MSBR技術(shù)的研究與發(fā)展方向如下：
(1)MSBR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展是生物除磷或同時(shí)脫氮除磷。目前同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院對此正在作進(jìn)一步的研究，并已取得了有重要理論意義與應(yīng)用價(jià)值的研究成果。
(2)MSBR系統(tǒng)可以有各種不同配置，例如溝(渠)形式，并且現(xiàn)在已經(jīng)在開發(fā)研究。
(3)MSBR生物處理的動力學(xué)模式研究，以提供普遍的設(shè)計(jì)和運(yùn)行依據(jù)。
(4)MSBR運(yùn)行過程智能化控制的研究，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各操作過程具有適應(yīng)性和最優(yōu)控制。由于系統(tǒng)各格互聯(lián)、交替操作，且可以通過選擇、組合與取舍操作步驟，調(diào)整各操作步驟時(shí)間來控制運(yùn)行，其運(yùn)行過程比較復(fù)雜。此外，如果進(jìn)水水質(zhì)變化，MSBR法的運(yùn)行過程更具有非線性、時(shí)變性與模糊性的特點(diǎn)，難于用數(shù)學(xué)模型根據(jù)傳統(tǒng)控制理論進(jìn)行有效控制，因此對MSBR法這樣復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行在線模糊控制，將能得到其它控制方式無法實(shí)現(xiàn)的令人滿意的控制效果。這也是MSBR法的一個(gè)重要研究方向。
SBR系統(tǒng)的組成及運(yùn)行方式
MSBR系統(tǒng)可以根據(jù)不同的水質(zhì)和處理要求靈活地設(shè)置運(yùn)行方式，筆者在中試中所采用的裝置主要由6個(gè)功能池組成，分別為厭氧池、缺氧池、主曝氣池、泥水分離池和兩個(gè)序批池(SBR1和SBR2)。MSBR系統(tǒng)的各功能池和運(yùn)行示意見圖。
原污水經(jīng)格柵、沉砂池等預(yù)處理設(shè)施處理后首先進(jìn)入?yún)捬醭?，同回流污泥混合并完成微生物的釋磷后，混合液進(jìn)入主曝氣池。主曝氣池是連續(xù)曝氣供氧，在好氧環(huán)境中，微生物進(jìn)行過量吸磷，同時(shí)在主曝氣池完成有機(jī)物的降解和氨氮的硝化。然后混合液分別進(jìn)入兩個(gè)序批池SBR1和SBR2。
SBR1和SBR2交替地充當(dāng)反應(yīng)池和沉淀池而處于反應(yīng)階段和沉淀出水階段。反應(yīng)階段可以設(shè)置為缺(厭)氧攪拌、好氧曝氣和靜止沉淀3個(gè)過程，在此階段完成脫氮過程。
當(dāng)SBR1處于反應(yīng)階段的前兩個(gè)過程時(shí)，開啟回流泵，形成“主曝氣池-SBR1-泥水分離池缺氧池-厭氧池(泥水分離池的上清液回流到主曝氣池)”的污泥回流，回流混合液流經(jīng)SBR1時(shí)，經(jīng)歷了缺氧攪拌和好氧曝氣階段，進(jìn)行反硝化及進(jìn)一步硝化，然后混合液進(jìn)入缺氧區(qū)進(jìn)一步反硝化，隨后進(jìn)入泥水分離池進(jìn)行沉淀，經(jīng)過泥水分離后，濃縮污泥進(jìn)入?yún)捬醭嘏c原污水混合。
而含硝酸鹽氮的上清液被泵送入主曝氣區(qū)。當(dāng)SBR1進(jìn)行上述反應(yīng)時(shí)，SBR2處于沉淀出水狀態(tài)，主曝氣池的混合液以進(jìn)水流量進(jìn)入SBR2，在SBR2中沉淀下來的污泥在池底形成一個(gè)污泥懸浮層，對污水混合液起到過濾的作用，污水經(jīng)污泥層過濾后流出系統(tǒng)。
兩個(gè)序批池SBR1和SBR2的形狀和結(jié)構(gòu)都完全相同，兩者交替地完成反應(yīng)階段和沉淀出水階段為一個(gè)運(yùn)行周期，一個(gè)運(yùn)行周期的時(shí)間長度可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和處理要求靈活確定，一般為4h，6h，8h等，在反應(yīng)階段的運(yùn)行方式也可根據(jù)需要設(shè)定。
設(shè)置泥水分離池的原因主要是為了：
①避免上清液中的硝酸鹽氮進(jìn)入?yún)捬醭囟蓴_聚磷菌在厭氧條件下對磷的釋放。
②混合液在序批池時(shí)，經(jīng)過了缺氧-好氧-靜止沉淀等反應(yīng)過程。在這些過程中，一些被聚磷微生物在好氧條件下吸收的磷會再次被釋放到環(huán)境中去，經(jīng)泥水分離池泥水分離后，含有被再次釋放出的磷的上清液就可以被送到主曝氣池再次進(jìn)行磷的吸收。
將厭氧池分為A，B兩個(gè)區(qū)域的目的是為了更好地避免進(jìn)水中的溶解氧和硝酸鹽氮對聚磷微生物在厭氧條件下的釋磷造成影響。
原污水經(jīng)提升計(jì)量后進(jìn)入?yún)捬醭谹，在厭氧池A中無論是分子態(tài)氧還是化合態(tài)氧很快被消耗殆盡，回流污泥中的硝酸鹽氮也得到一定的去除，進(jìn)入?yún)捬醭谺后溶解氧和硝酸鹽氮對活性污泥中聚磷微生物釋磷的影響就可以減少到最低程度。在序批池的底部安裝有蝶板，當(dāng)序批池處于沉淀出水狀態(tài)時(shí)，混合液進(jìn)入序批池遇到蝶板后均勻向上通過整個(gè)污泥層，泥水分離過程不僅有沉淀作用，還可通過污泥層實(shí)現(xiàn)過濾截留作用，這可大大降低出水中的懸浮物濃度。
通過前面的介紹可以看出，在MSBR系統(tǒng)的運(yùn)行中各功能池的切換較為頻繁，如果單純靠人工操作，不僅會使運(yùn)行管理十分復(fù)雜，還會影響到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，使MSBR系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)自動控制運(yùn)行，已不是十分困難的事情，如采用PLC自動控制系統(tǒng)就是一個(gè)較好的方法。
MSBR法的主要運(yùn)行特點(diǎn)
(1)MSBR系統(tǒng)能進(jìn)行不同配置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，以達(dá)到不同的處理目的。
(2)每半個(gè)運(yùn)行周期中，步驟的數(shù)量和每步驟所需的時(shí)間，取決于原水的特性和出水的要求。這里介紹了6個(gè)運(yùn)行步驟，但所需總的步驟可以被系統(tǒng)設(shè)計(jì)者所選擇。常常可以在實(shí)際運(yùn)行中減少，以便使運(yùn)行過程簡單化。例如，步驟1和步驟2能通過延長步驟1和減少步驟2的時(shí)間來合并這兩步為一步。增加步驟1的時(shí)間則增加序批處理格有機(jī)碳的量，這使得在不進(jìn)原水的缺氧混合時(shí)間需要更長，以平衡步驟3。也可以增加步驟，進(jìn)行更多的缺氧-好氧序批操作，來處理有機(jī)物和氨氮濃度更高的原水，以達(dá)到更低出水總氮的要求。
(3)在每半個(gè)循環(huán)中，原水大部分時(shí)間是進(jìn)入主曝氣格。接著是部分或全部污水進(jìn)入作為SBR的序批處理格。在主曝氣格中完成了大部分有機(jī)碳、有機(jī)氮和氨氮的氧化。另外，主曝氣格在完全混合狀態(tài)下連續(xù)曝氣，創(chuàng)造了一個(gè)穩(wěn)定的生物反應(yīng)環(huán)境。這使得整個(gè)設(shè)備能承受沖擊負(fù)荷的影響。
(4)從序批處理格到主曝氣格的循環(huán)流動，使得前者積聚的懸浮固體運(yùn)送到了后者。循環(huán)也把主曝氣格內(nèi)的被氧化的硝化氮運(yùn)送到在半個(gè)循環(huán)的大部分時(shí)期處在缺氧攪拌狀態(tài)下的序批處理格，實(shí)現(xiàn)脫氮的目的。
(5)污泥層作為一個(gè)污泥過濾器，對改善出水質(zhì)量和缺氧內(nèi)源呼吸進(jìn)行的反硝化有重要作用。
MSBR系統(tǒng)生物除磷脫氮機(jī)理
根據(jù)目前普遍接受的Comeau等人提出的生物除磷理論：在厭氧條件下，活性污泥中的聚磷微生物將細(xì)胞內(nèi)的聚磷水解為正磷酸鹽釋放到胞外，以此為能量吸收污水中的易降解有機(jī)物(如：揮發(fā)性脂肪酸，VFA)，并將其合成為聚β羥基丁酸(PHB)儲存在體內(nèi)。
在好氧條件下，聚磷微生物以游離氧作為電子受體氧化胞內(nèi)儲存的PHB，利用反應(yīng)產(chǎn)生的能量從污水中過量攝取磷并合成為聚磷酸鹽儲存于胞內(nèi)，微生物好氧攝取的磷遠(yuǎn)大于厭氧釋放的磷，通過排放剩余污泥實(shí)現(xiàn)除磷。MSBR系統(tǒng)對除磷脫氮具有良好的效果和穩(wěn)定性(如同A2/O除磷脫氮系統(tǒng)相比)，這是由其工藝特點(diǎn)決定的。根據(jù)MSBR系統(tǒng)的工藝流程，在空間和時(shí)間上可以認(rèn)為系統(tǒng)是按照以下方式進(jìn)行的：原污水→厭氧→好氧→缺氧→好氧→混合液回流(或沉淀出水)。
這種運(yùn)行方式相當(dāng)于兩級A/O系統(tǒng)的串聯(lián)，對除磷十分有利：
①聚磷微生物經(jīng)過厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化效率較高的好氧環(huán)境，聚磷微生物在厭氧池形成的吸磷動力可以充分地得以利用；而在A2/O系統(tǒng)中，厭氧釋磷后要先經(jīng)過生化效率較低的缺氧階段再到好氧階段，會使在厭氧環(huán)境中形成的吸磷動力有所損失。
②系統(tǒng)中的污泥(排放的剩余污泥除外)可以全部完整地經(jīng)過厭氧Ο好氧環(huán)境，完成磷的厭氧釋放和好氧吸收過程使系統(tǒng)的除磷效率得以提高；而A2/O系統(tǒng)存在混合液回流，這部分污泥未經(jīng)過厭氧狀態(tài)，會降低除磷效率。
③全部污泥完整地經(jīng)過厭氧Ο好氧環(huán)境，有助于污泥中聚磷微生物的增長富集。
④系統(tǒng)的回流污泥經(jīng)過了脫氮處理，消除了NO-x-N的干擾，使聚磷微生物能夠在絕對厭氧環(huán)境中進(jìn)行聚磷的水解和釋放。
從系統(tǒng)的運(yùn)行方式可以看出，脫氮作用是通過后置反硝化完成的。但污水經(jīng)過了厭氧、好氧階段的反應(yīng)，有機(jī)物濃度已大為降低，反硝化作用所需的有機(jī)碳源是如何滿足的呢?傳統(tǒng)的反硝化理論顯然難以圓滿解釋這一問題，我們有理由得出這樣的結(jié)論：微生物是利用細(xì)胞內(nèi)儲存的有機(jī)物進(jìn)行了反硝化，即內(nèi)碳源反硝化。
利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化具有很多優(yōu)點(diǎn)：可以取消前置反硝化常見的內(nèi)回流系統(tǒng)，降低能耗，使系統(tǒng)的運(yùn)行更為合理；另外還無需添加碳源。利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化在國外已有報(bào)道，但對其機(jī)理的研究尚處于起步階段，許多問題還有待于進(jìn)一步的研究。
MSBR工藝除磷影響因素
MSBR工藝中影響除磷的因素很多，有進(jìn)水COD/P、COD/N、內(nèi)回流比R、曝氣池MLSS等。
各因素對TP去除效果的影響程度不同，在選定的影響因素中，進(jìn)水COD/P對MSBR除磷的影響最大，其次是曝氣池MLSS，再次是污泥回流比R，最后是進(jìn)水COD/N，即影響程度的順序?yàn)镃OD/P>MLSS>R>COD/N。
進(jìn)水COD/P對除磷的影響決定系統(tǒng)除磷效果好壞的關(guān)鍵是進(jìn)水水質(zhì)，尤其是進(jìn)水碳磷比。見圖2為進(jìn)水COD400mg/l、NH+3-N40mg/l時(shí)進(jìn)水COD/P對除磷的影響。由圖可知，當(dāng)進(jìn)水COD/P為40～150，隨著進(jìn)水COD/P的增大，厭氧池基質(zhì)相對增加，VFAs較充足，PAOs釋磷增加，出水TP濃度逐漸降低。
COD/P小于100時(shí)，出水TP隨COD/P增大減小明顯，但當(dāng)COD/P大于100時(shí)，出水TP基本上不再變化。TP去除率在COD/P40～100時(shí)逐漸增大，當(dāng)COD/P>100時(shí)去除率逐漸減小。說明當(dāng)COD/P比值增大到一定程度時(shí)，有機(jī)底物相對充足，而磷卻處于相對缺乏的狀態(tài)，故磷的去除率不再因COD/P的增大而增大，出水TP濃度下降趨緩。
對于COD/P>100時(shí)去除率下降趨勢，分析其原因是PAOs(聚磷菌)與GAOs(聚糖菌)競爭的結(jié)果。當(dāng)COD/P高時(shí)，污泥中的磷濃度就會很低，這種環(huán)境會減少PAOs體內(nèi)多聚磷酸鹽顆粒的含量，但是PAOs在厭氧條件下主要是依靠降解多聚磷酸鹽顆粒來獲得能量以吸收乙酸等基質(zhì)并在體內(nèi)合成PHA，所以PAOs體內(nèi)多聚磷酸鹽顆粒含量的減少就會相應(yīng)地使得體內(nèi)PHA含量降低。
在另一方面，由于GAOs不會涉及到多聚磷酸鹽顆粒代謝這一問題，所以它們就不會受到這種環(huán)境條件的制約，因此它們在厭氧條件下就會利用自身體內(nèi)糖原的代謝來獲取能量，吸收PAOs吸收不了的基質(zhì)，并在體內(nèi)合成PHA。在好氧條件下，PAOs就會由于體內(nèi)聚集的PHA的量不斷降低而逐漸降低在污泥中的比例，但GAOs卻可以利用體內(nèi)足夠的PHA來增殖。PAOs比例下降從而導(dǎo)致去除率降低。
污泥回流比R對除磷的影響
在本實(shí)驗(yàn)中，R對6池除磷的影響見圖3。在進(jìn)水TP濃度基本維持在3～4mg/l，COD/P約為100，進(jìn)水COD/N為10，曝氣池MLSS為2000～3000的情況下，改變MSBR系統(tǒng)的污泥回流比R，出水TP隨R的增大出現(xiàn)先降后升的趨勢。當(dāng)R從0.3增加到0.5，厭氧池中污泥濃度逐漸增加，TP去除率也逐漸增加；繼續(xù)提高污泥回流比，發(fā)現(xiàn)TP去除率急劇下降，說明污泥回流攜帶的硝酸鹽已經(jīng)嚴(yán)重影響了系統(tǒng)對磷的去除。由圖3可知在R為0.5時(shí)工藝系統(tǒng)表現(xiàn)出相對最佳的TP出水效果。
進(jìn)水COD/N對除磷的影響在本實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)水COD/N對6池MSBR除磷效果的影響如圖4所示。進(jìn)水COD/N對磷的去除影響不是很明顯，隨進(jìn)水COD/N增加，出水TP濃度有緩慢下降的趨勢，當(dāng)COD/N>7時(shí)，下降趨勢趨于平緩，出水TP穩(wěn)定在1.5mg/l左右。TP去除率在COD/N從3增加到7時(shí)增加，COD/N>7時(shí)趨于穩(wěn)定。
與一般脫氮除磷工藝要求進(jìn)水COD/N>4.3相比，MSBR6池工藝要求更高的進(jìn)水COD/N比，這與MSBR后置反硝化的反硝化方式有關(guān)，后置反硝化使得反硝化碳源不足，所以如果進(jìn)水中N含量太高(COD/N<7)，不充足的反硝化使大量的硝酸鹽隨污泥回流進(jìn)入?yún)捬醭兀绊慞AOs的厭氧釋磷，并最終使系統(tǒng)除磷效果下降。
進(jìn)水COD濃度對除磷的影響維持進(jìn)水中COD/P=100、COD/N=7不變，改變COD濃度對去除磷的影響見表5。
注：厭氧池進(jìn)水濃度差為厭氧池磷酸鹽濃度與進(jìn)水磷酸鹽濃度的差值。
從表中數(shù)據(jù)可知，隨著進(jìn)水中COD濃度的增加，系統(tǒng)的TP去除率也有所增加，但是增加程度不大，只從47.76%提高到55.46%。厭氧池釋磷量也隨著增加，進(jìn)水COD較低時(shí)(100～200mg/l)，厭氧池釋磷狀況不佳，但是由于進(jìn)水TP濃度較低(1.34mg/l)，還是獲得了較低的出水TP濃度；進(jìn)水COD較高時(shí)，基質(zhì)充足，厭氧池釋磷狀況良好，濃度差從進(jìn)水COD濃度100～200mg/l時(shí)的5.62增加到進(jìn)水COD濃度700～800mg/l時(shí)的12.03；但是由于進(jìn)水中TP濃度較高(8.38mg/l)，出水TP濃度較高(3.73mg/l)。
MSBR工藝與典型脫氮除磷工藝比較
盡管目前可用于脫氮除磷的生物處理工藝較多，最常用的有改良Bardenpho法和A2/O(含改良型)法，氧化溝脫氮除磷工藝使用也越來越普遍A2/O工藝流程見圖1.10，由二次沉淀池回流污泥至厭氧反應(yīng)器內(nèi)，二次沉淀池排放污泥濃度受系統(tǒng)污泥沉降性能影響，一般在S000m留1左右，如果要使得厭氧區(qū)污泥濃度達(dá)到4000mg/l，污泥回流比必須達(dá)到100%，這樣不僅通過回流污泥帶入的硝酸鹽氮濃度增加，影響釋磷效果，而且使厭氧區(qū)實(shí)際水力停留時(shí)間僅為名義的一半，系統(tǒng)要達(dá)到很高的脫氮率必須加大混合液內(nèi)循環(huán)量，既增加日常運(yùn)行費(fèi)用，又加大了反應(yīng)區(qū)體積，必然使整個(gè)系統(tǒng)水力停留時(shí)間延長，投資費(fèi)用增加。
改良Bardenpho工藝在原Bardenpho工藝基礎(chǔ)上增加了一只缺氧池，污泥回流和第一好氧池混合液內(nèi)循環(huán)到第一缺氧反應(yīng)器，該反應(yīng)區(qū)完成循環(huán)混合液和回流污泥的反硝化脫氮，第一厭氧反應(yīng)器完成磷的釋放，因?yàn)樵鬯?jīng)過第一缺氧反應(yīng)器以后，部分易降解有機(jī)物用于反硝化的碳源，使厭氧釋磷區(qū)有機(jī)物特別是揮發(fā)性脂肪酸濃度不足，影響釋磷效率，從而影響吸磷效果，第一好氧反應(yīng)器后沒有泥水分離進(jìn)入第二缺氧反應(yīng)器，該反應(yīng)器保證了反硝化效率，但有可能導(dǎo)致磷的再釋放，系統(tǒng)反應(yīng)器數(shù)量多，流程復(fù)雜，操作管理麻煩，雖然表面看來主要反應(yīng)器有兩組以上，強(qiáng)化了反應(yīng)效果，實(shí)際上是一種低效率的重復(fù)。
氧化溝開始出現(xiàn)時(shí)是一種延時(shí)曝氣生物反應(yīng)器，在保證出水水質(zhì)的同時(shí)可減少剩余污泥排放量，經(jīng)改進(jìn)后也可具有脫氮除磷功能，但其較長的水力停留時(shí)間和較大的反應(yīng)器體積限制了它的推廣使用，且較低的MLSS濃度及處于內(nèi)源呼吸階段的微生物使厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的反應(yīng)速率也不可能很高。其它工藝不再逐一比較，MsBR與幾種典型脫氮除磷工藝運(yùn)行參數(shù)比較見表5.1。
該處理方法與一般傳統(tǒng)的活性污泥工藝相比具有如下五個(gè)特性：
1.MSBR池集水量及水質(zhì)調(diào)節(jié)、生化反應(yīng)與污泥沉淀功能于一身，無需另建二沉池，采用組合結(jié)構(gòu)形式與其它工藝相比較而言，土建投資較少；
2.MSBR系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)歷缺氧、厭氧、缺氧、好氧、沉淀等階段，微生物可通過多種途徑進(jìn)行代謝，利用不同形態(tài)的氧源作為電子受體，使有機(jī)質(zhì)的降解更完全且能耗又省，脫氮除磷效果更好；
3.MSBR系統(tǒng)中污泥同樣經(jīng)過厭氧、好氧、缺氧環(huán)境，篩選了優(yōu)勢菌種，抑制了絲狀菌的生長，污泥的沉降性能和脫水性能良好，較低的剩余污泥產(chǎn)率和較高剩余污泥濃度使該系統(tǒng)更具有吸引力；
4.污泥濃度高，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，能適合各種進(jìn)水水質(zhì)的有機(jī)廢水處理；
5.排放剩余污泥濃度高，體積少，剩余污泥處理方便簡捷。
