MSBR工艺介绍
MSBR法简介
MSBR(Modified Sequencing Batch Reactor)是改良式序列间歇反应器，是C.Q.Yang等人根据SBR技术特点，结合传统活性污泥法技术，研究开发的一种更为理想的污水处理系统。MSBR既不需要初沉池和二沉池，又能在反应器全充满并在恒定液位下连续进水运行。采用单池多格方式，结合了传统活性污泥法和SBR技术的优点。不但无需间断流量，还省去了多池工艺所需要的更多的连接管、泵和阀门。通过中试研究及生产性应用，证明MSBR法是一种经济有效、运行可靠、易于实现计算机控制的污水处理工艺。
MSBR法的应用与发展
MSBR技术已在几个污水处理厂应用。位于加拿大Saskatchewan的Estevan污水处理厂则为一实例。虽然由于严寒造成一些冰冻问题，但污水厂还是取得了相当好的处理效率。平均温度为13℃，系统处理效果(测试时间1996年4月～1997年3月)如表1所示。
表1 Estevan污水处理厂MSBR测试结果
进水 | 出水 | 去除率% | ||
BOD5 | mg/L | 165 | 8.5 | 95 |
TSS | mg/L | 212 | 11 | 95 |
TKN | mg/L | reactor core介绍 39 | 3.5 | 91 |
TP | mg/L | 5.1 | 1.9 | 63 |
实践表明MSBR是一种可连续进水、高效的污水处理工艺，且简单，容积小，单池。易于实现计算机自动控制。在较低的投资和运行费用下，能有效地去除含高浓度BOD5、TSS、氮和磷的污水。总之，系统在低HRT、低MLSS和低温情况下，具有优异的处理能力。MSBR技术的研究与发展方向如下：
(1)MSBR技术的进一步发展是生物除磷或同时脱氮除磷。目前同济大学环境科学与工程学院对此正在作进一步的研究，并已取得了有重要理论意义与应用价值的研究成果。
(2)MSBR系统可以有各种不同配置，例如沟(渠)形式，并且现在已经在开发研究。
(3)MSBR生物处理的动力学模式研究，以提供普遍的设计和运行依据。
(4)MSBR运行过程智能化控制的研究，以实现系统的各操作过程具有适应性和最优控制。由于系统各格互联、交替操作，且可以通过选择、组合与取舍操作步骤，调整各操作步骤时间来控制运行，其运行过程比较复杂。此外，如果进水水质变化，MSBR法的运行过程更具有非线性、时变性与模糊性的特点，难于用数学模型根据传统控制理论进行有效控制，因此对MSBR法这样复杂系统进行在线模糊控制，将能得到其它控制方式无法实现的令人满意的控制效果。这也是MSBR法的一个重要研究方向。
MSBR法的基本原理
MSBR的基本组成
反应器由三个主要部分组成：曝气格和两个交替序批处理格。主曝气格在整个运行周期过程中保持连续曝气，而每半个周期过程中，两个序批处理格交替分别作为SBR和澄清池。如图1所示。
MSBR的操作步骤
在每半个运行周期中，主曝气格连续曝气，序批处理格中的一个作为澄清池(相当于普通活性污泥法的二沉池作用)，另一个序批处理格则进行以下一系列操作步骤，如图2所示。
步骤1：原水与循环液混合，进行缺氧搅拌。在这半个周期的开始，原水进入序批处理格，与被控制回到主曝气格的回流液混合。在缺氧和丰富的硝化态氮条件下，序批处理格内的兼性反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，以原水及内源呼吸所释放的有机碳作为碳源，进行无氧呼吸代谢。由于初期序批处理格内MLSS浓度高，硝化态氮浓度较高，因此碳源成为反硝化速率的限制条件。随着原水的加入，有机碳的浓度增加，提高了反硝化的速率。来自曝气格和序批格原有的硝态氮经反硝化得以去除。另外，该阶段运行也是序批处理格中较高浓度的污泥向曝气格回流的过程，以提高曝气格中的污泥浓度。
步骤2：部分原水和循环液混合，进行缺氧搅拌。随着步骤1中原水的不断进入，序批处理格内有机物和氨氮的浓度逐渐增加。为阻止在序批处理格内有机物和氨氮的过分增加，原水分别流入序批处理格和主曝气格。使序批处理格内维持一个适当的有机碳水平，以利于反硝化的进行。混合液通过循环，继续使序批处理格原来积聚的MLSS向主曝气格内流动。
步骤3：序批格停止进原水，循环液继续缺氧搅拌。此后中断进入序批处理格的原水。原水在剩下的操作中，直接进入主曝气格。这使得主曝气格降解大量有机碳，并减弱微生物的好氧内源呼吸。序批处理格利用循环液中残留的有机物作为电子供体，以硝化态氮作电子受体，继续进行缺氧反硝化。由于有机碳源的减少，缺氧内源呼吸的速率将提高。来自主曝气格的混合液具有较低的有机物和MLSS浓度。经循环，把序批处理格内的残余有机物和活性污泥推入主曝气格，在此进行曝气反应降解有机物，并维持物质平衡。
步骤4：曝气，并继续循环。进行曝气，降低最初进水所残余的有机碳、有机氮和氨氮，以及来自主曝气格未被降解的有机物和内源呼吸释放的氨氮，并吹脱在前面缺氧阶段产生的截留在混合液中的氮气。连续的循环增加了主曝气格内的微生物量，同时进一步降低序批处理格中的悬浮固体，降低了MLSS浓度，有利于其在下半个周期中作为澄清池时，减少污泥量以提高沉淀池的效率。
步骤5：停止循环，延时曝气。为进一步降低序批处理格内的有机物和氮浓度，减少剩余的氮气泡，采用延时曝气。这步是在没有循环，没有进出流量的隔离状态下进行。延时曝气使序批处理格中的BOD5和TKN达到处理的要求水平。
步骤6：静置沉淀。延时曝气停止后，在隔离状态下，开始静置沉淀，使活性污泥与上清液有效分离，为下半个周期作为澄清池出水做准备。沉淀开始时，由于仍存在剩余的溶解氧，沉淀污泥中的硝化菌继续硝化残余的氨，而好氧微生物继续进行好氧内源呼吸。当混合液中氧减少到一定程度时，兼性菌开始利用硝化态氮作为电子受体进行缺氧内源呼吸，进行程度较低的反硝化作用。在整个半周期过程中，此时序批处理格中上清液的BOD、TKN、氨、硝酸盐、亚硝酸盐的浓度最低，悬浮固体总量也最少，因此该序批处理格在下半个周期作为沉淀池，其出水质量是可靠的。在这一步，可以从交替序批处理格中排放剩余污泥。第二个半周期：步骤6的结束标志着处理运行的下半个循环操作开始。通过两个半周期，改变交替序批处理格的操作形式。第二个半周期与第一个半周期的6个操作步骤相同。
MSBR系统的组成及运行方式
MSBR系统可以根据不同的水质和处理要求灵活地设置运行方式，笔者在中试中所采用的装置主要由6个功能池组成，分别为厌氧池、缺氧池、主曝气池、泥水分离池和两个序批池(SBR1和SBR2)。MSBR系统的各功能池和运行示意见图。
原污水经格栅、沉砂池等预处理设施处理后首先进入厌氧池，同回流污泥混合并完成微生物的释磷后，混合液进入主曝气池。主曝气池是连续曝气供氧，在好氧环境中，微生物进行过量吸磷，同时在主曝气池完成有机物的降解和氨氮的硝化。然后混合液分别进入两个序批池SBR1和SBR2。SBR1和SBR2交替地充当反应池和沉淀池而处于反应阶段和沉淀出水阶段。反应阶段可以设置为缺(厌)氧搅拌、好氧曝气和静止沉淀3个过程，在此阶段完成脱氮过程。当SBR1处于反应阶段的前两个过程时，开启回流泵，形成“主曝气池-SBR1-泥水分离池缺氧池-厌氧池(泥水分离池的上清液回流到主曝气池)”的污泥回流，回流混合液流经SBR1 时，经历了缺氧搅拌和好氧曝气阶段，进行反硝化及进一步硝化，然后混合液进入缺氧区进
一步反硝化，随后进入泥水分离池进行沉淀，经过泥水分离后，浓缩污泥进入厌氧池与原污水混合。而含硝酸盐氮的上清液被泵送入主曝气区。当SBR1进行上述反应时，SBR2处于沉淀出水状态，主曝气池的混合液以进水流量进入SBR2，在SBR2中沉淀下来的污泥在池底形成一个污泥悬浮层，对污水混合液起到过滤的作用，污水经污泥层过滤后流出系统。
两个序批池SBR1和SBR2的形状和结构都完全相同，两者交替地完成反应阶段和沉淀出水阶段为一个运行周期，一个运行周期的时间长度可根据进水水质和处理要求灵活确定，一般为4h，6h，8h等，在反应阶段的运行方式也可根据需要设定。在中试运行中采用4h为一个运行周期，序批池的运行时间分配见表1。
设置泥水分离池的原因主要是为了： ①避免上清液中的硝酸盐氮进入厌氧池而干扰聚磷菌在厌氧条件下对磷的释放。②混合液在序批池时，经过了缺氧-好氧-静止沉淀等反应过程。在这些过程中，一些被聚磷微生物在好氧条件下吸收的磷会再次被释放到环境中去，经泥水分离池泥水分离后，含有被再次释放出的磷的上清液就可以被送到主曝气池再次进行磷的吸收。将厌氧池分为A，B两个区域的目的是为了更好地避免进水中的溶解氧和硝酸盐氮对聚磷微生物在厌氧条件下的释磷造成影响。原污水经提升计量后进入厌氧池A，在厌氧池A中无论是分子态氧还是化合态氧很快被消耗殆尽，回流污泥中的硝酸盐氮也得到一定的去除，进入厌氧池B后溶解氧和硝酸盐氮对活性污泥中聚磷微生物释磷的影响就可以减少到最低程度。在序批池的底部安装有蝶板，当序批池处于沉淀出水状态时，混合液进入序批池遇到蝶板后均匀向上通过整个污泥层，泥水分离过程不仅有沉淀作用，还可通过污泥层实现过滤截留作用，这可大大降低出水中的悬浮物浓度。
通过前面的介绍可以看出，在MSBR系统的运行中各功能池的切换较为频繁，如果单纯靠人工操作，不仅会使运行管理十分复杂，还会影响到系统运行的安全性和可靠性。随着自动控制技术的发展，使MSBR系统完全实现自动控制运行，已不是十分困难的事情，如采用 PLC自动控制系统就是一个较好的方法。
MSBR法的主要运行特点
(1)MSBR系统能进行不同配置的设计和运行，以达到不同的处理目的。
(2)每半个运行周期中，步骤的数量和每步骤所需的时间，取决于原水的特性和出水的要求。这里介绍了6个运行步骤，但所需总的步骤可以被系统设计者所选择。常常可以在实际运行中减少，以便使运行过程简单化。例如，步骤1和步骤2能通过延长步骤1和减少步骤2的时间来合并这两步为一步。增加步骤1的时间则增加序批处理格有机碳的量，这使得在
不进原水的缺氧混合时间需要更长，以平衡步骤3。也可以增加步骤，进行更多的缺氧-好氧序批操作，来处理有机物和氨氮浓度更高的原水，以达到更低出水总氮的要求。
(3)在每半个循环中，原水大部分时间是进入主曝气格。接着是部分或全部污水进入作为SBR的序批处理格。在主曝气格中完成了大部分有机碳、有机氮和氨氮的氧化。另外，主曝气格在完全混合状态下连续曝气，创造了一个稳定的生物反应环境。这使得整个设备能承受冲击负荷的影响。
(4)从序批处理格到主曝气格的循环流动，使得前者积聚的悬浮固体运送到了后者。循环也
把主曝气格内的被氧化的硝化氮运送到在半个循环的大部分时期处在缺氧搅拌状态下的序批处理格，实现脱氮的目的。
(5)污泥层作为一个污泥过滤器，对改善出水质量和缺氧内源呼吸进行的反硝化有重要作用。
MSBR系统生物除磷脱氮机理
根据目前普遍接受的Comeau等人提出的生物除磷理论：在厌氧条件下，活性污泥中的聚磷微生物将细胞内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外，以此为能量吸收污水中的易降解有机物(如：挥发性脂肪酸，VFA)，并将其合成为聚β(PHB)储存在体内。在好氧条件下，聚磷微生物以游离氧作为电子受体氧化胞内储存的PHB，利用反应产生的能量从污水中过量摄取磷并合成为聚磷酸盐储存于胞内 ，微生物好氧摄取的磷远大于厌氧释放的磷，通过排放剩余污泥实现除磷。MSBR系统对除磷脱氮具有良好的效果和稳定性(如同A2/O 除磷脱氮系统相比)，这是由其工艺特点决定的。根据 MSBR系统的工艺流程，在空间和时间上可以认为系统是按照以下方式进行的：
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