2.3 SBR（DAT-IAT）技术
SBR（sequencing batch reactor）法是序批式活性污泥法的简称，又名间歇曝气法。其主体构筑物SBR反应池，是由美国Irvine教授在20世纪70年代开发的，是一种集调节池、初沉池、曝气池、二沉池为一池，连续进水、间歇排水，工艺流程简单，布局紧凑合理的好氧微生物污水处理技术（王凯军，2002）。SBR技术能有效地去除废水中的有机物及其氮、磷元素，适用于市政污水和中低浓度工业废水的处理。目前，SBR已在国内外广泛应用，主要应用于城市污水及味精、啤酒、制药、焦化、餐饮、造纸、印染、洗涤和屠宰等工业废水的处理（李道棠，1996）。
SBR技术是活性污泥法的一种变型。其工作原理是在单一的反应器内，按周期循环运行，每个周期循环过程包括进水、反应（曝气）、沉淀、排放和闲置5个工序。SBR单个周期的各个工序都是可以进行调控的，每个过程与特定的反应条件相联系（混合/静止，好氧/厌氧），这些反应条件随着污水物理和化学特性而有选择地改变。SBR技术不同阶段示意如图2-1所示。
图2-1 SBR技术不同阶段示意
第1阶段——进水期：污水在该时段内连续进入处理池，直到达到最高运行液位，并借助于池底泵的搅动，使废水和池中活性污泥充分混合。此时活性污泥中菌胶团（由细菌、藻类、原生动物和后生动物等组成）对废水中的有机物产生吸附作用，COD和BOD5为最大值。
第2阶段——反应（曝气）期：进水达到设定的液位后，开始曝气，采用推流曝气或完全混合曝气方式，使废水中的有机物与池中的微生物充分吸收氧气，水中的溶解氧（DO）达到最大值，有机物不断降低。如果要求去除废水中的BOD5、硝化和磷的吸收则需要曝气，如果要求反硝化则停止曝气而进行缓速搅拌。
第3阶段——沉淀期：不曝气也不搅拌，反应池处于静沉状态，进行高效的泥水分离，COD降为最小值，随着水中的溶解氧不断降低，发生的厌氧反应也在进行。
第4阶段——排水期：排出曝气池沉淀后的上清液，留下活性污泥，作为下一个周期的菌种。
第5阶段——闲置期：活性污泥中微生物充分休息恢复活性，为了保证污泥的活性，防止出现污泥老化现象，必须定期排出剩余污泥，为新鲜污泥提供足够的生长繁殖空间。
SBR技术的优点如下。
①SBR技术只有一个反应器，进水工序均化了污水逐时变化的水质水量，一般不需设调节池，也可省去初沉池、二沉池和污泥回流系统，处理构筑物少，构筑物间的连接管道简洁，要比传统活性污泥工艺节省基建投资30%以上，而且节省用地。
②SBR技术具有流程简单、管理方便、运行费用较低、处理效果好及设备国产化程度高等优点，很适合小城市采用。
③SBR从时间上来说是一个理想的推流式过程，可使生化反应推动力和去除污染物的效率同时达到最大，但是就反应器本身的混合状态仍属于完全混合式，因此具有耐冲击负荷和反应推动力大的优点。
④由于SBR具有底物浓度梯度大（即F/M值大）、缺氧好氧状态并存、污泥的SVI值较低、污泥龄大且比增长速率大等特点，SBR可以有效地抑制污泥膨胀。
⑤SBR可以实现厌氧、好氧和缺氧状态的交替运行，可以通过增大曝气量、水力停留时间以及污泥龄来强化硝化和聚磷菌摄磷过程，也可以在缺氧条件下投加原污水提供有机碳源或者提高污泥浓度来促进反硝化过程，还可以在进水阶段进行搅拌维持厌氧状态，促进聚磷菌充分释磷。
⑥SBR在沉淀阶段无进水，是在静止或接近静止的状态下进行的，因此出水水质良好。
⑦SBR的运行操作、参数控制可以实施自动化管理控制（刘芳荣，2008）。
尽管SBR有众多的优点，但自身也存在一些缺点：a.连续进水时，对单一SBR反应器来说需要较大的调节池；b.对于多个SBR反应器，进水和排水阀门切换频繁，容易造成阀门磨损，对自动化要求较高；c.难以达到大型污水处理项目连续进水、连续排水的要求；d.设备的闲置率较高；e.污水提升水头损失较大；f.操作复杂，对自控要求高，一旦自动化系统出现故障，对生产运行影响较大。
SBR技术以其独特的优势引起了广泛注意，近年来得以迅速推广，成为目前世界上污水处理技术中的热门工艺技术，澳大利亚近10多年来建成采用SBR技术的污水处理厂近600座，大中型的SBR污水处理厂也日益增多（黄绍重， 2007）。我国目前在云南省昆明市已有两座采用SBR技术的大中型污水处理厂，运行情况良好。天津经济技术开发区10×104m3/d采用SBR技术的污水处理厂也于1999年年底成功投入运行。抚顺三宝屯污水处理厂250000m3/dSBR技术正在开工。工业废水处理厂在国内外使用更为广泛。
随着SBR技术在工程设计中的应用，该技术也得到了长足的发展。由传统的SBR技术发展了ICEAS （intermittent cyclic extended aeration system ）、CASS （cyclic activated sludge system ）、CAST（cyclic activated sludge technology ）、DAT-IAT（demand aeration tank-intermittent aeration tank ）等技术，这些技术各有各的特点，大大丰富了SBR技术的内容（王凯军，2002）。
DAT-IAT技术是传统SBR法经过不断演变发展来的，传统的SBR法在工程应用中仍存在一定局限性。譬如，若进水量较大，则需要调节反应系统，从而增大投资，而对出水水质有特殊要求，如脱氮、除磷等，则还需对工艺进行适当改进。DAT-IAT技术是为了克服ICEAS的缺点将预反应池改为与SBR反应池（IAT）分立的预曝气池DAT，DAT池连续进水、连续曝气，IAT池间歇曝气、沉淀和排水，在沉淀阶段不受进水的影响，且增加了从IAT到DAT的回流装置（程晓如，2005）。
2.3.1 技术原理
“序批式活性污泥SBR法”是目前传统应用较成熟的中小规模水处理技术。
DAT-IAT——需氧池和间歇曝气池系统，由DAT和IAT串联组成。DAT连续进水，连续曝气（也可间歇曝气）；IAT连续进水，间歇曝气，清水和剩余活性污泥均由IAT排出。和典型的SBR反应池一样，其运行操作由进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段组成（童武，2002）。
DAT池相当于一个传统活性污泥曝气池，池中水呈完全混合状态；IAT池相当于一个传统的SBR池，但进水为连续。因此，DAT-IAT介于传统活性污泥和SBR之间，其运行过程与SBR相同，由进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段组成，其技术原理如图2-2所示，但其容积利用率是已知SBR变型技术中最高的，可达66.7%（程晓如，2005）。
图2-2 DAT-IAT技术装置示意
①进水阶段 与典型的SBR技术不同的是，DAT-IAT系统的处理水是连续进入DAT，然后进入IAT。连续进水使对进水的控制大大简化，这样的双池系统也避免了水力短路。
②反应阶段 反应阶段分两部分——首先在DAT中连续曝气，池中水流呈完全混合流态，绝大部分有机物得以降；经DAT处理后的混合液通过两池间的导流系统连续不断地进入IAT，IAT间歇曝气进一步去除有机物，使处理出水达到排放标准。
③沉淀阶段 沉淀阶段只发生在IAT。当IAT停止曝气后，活性污泥絮体静态沉淀与上清液分离，DAT流入IAT的混合液流速很低，对IAT不产生扰动，因此其沉淀效率显著高于一般二沉池的动态沉淀。
④排水阶段 排水阶段只发生在IAT。当池水位上升到最高水位时，沉淀阶段结束，设置在IAT末端的滗水器开动，将上清液缓慢地排出池外，当池水位降到最低水位时停止滗水。
⑤闲置阶段 在IAT池滗水后完成了一个运行周期，两周期间的间歇时间就是待机阶段。该阶段可视污水的性质和处理要求决定其长短或取消（Qiong Wu，2011）。
“序批式活性污泥SBR（DAT-IAT）法”工艺设计如图2-3所示。
图2-3 序批式活性污泥SBR （DAT-IAT） 法工艺流程
2.3.2 运行效能
DAT-IAT系统是普通活性污泥法与传统SBR技术有机结合的一种形式，整个系统有SBR技术的优点，又改进了SBR技术的不足，具有以下特点。
①增加了技术处理的稳定性 DAT池起到了水力均衡和防止连续进水对出水水质的影响，特别是在处理高浓度工业废水时，DAT池连续曝气加强了系统对难降解有机物的降解，相对缩短了运行周期。DAT池连续曝气也使整个系统更接近于完全混合式，更有利于消除高浓度工业废水中毒性物质或COD浓度过高积累而带来的不良影响。
②提高了池容利用率 对于曝气池和二沉池合建的污水处理构筑物来说，在保留沉淀分离效果的前提下，尽可能提高曝气容积比，与传统SBR法及其他变型方法来比，由于DAT-IAT中DAT池连续曝气和IAT池的间歇曝气，使该技术方法的曝气容积比是最高的。
③提高了设备的利用率 由于DAT池连续进水，因此不需要增设进水的电动闸阀及自控装置；DAT池连续曝气，减少了整个系统的曝气强度，提高了曝气装置的利用率，所需鼓风机的额定风量和功率也减小了。
④增加了整个系统的灵活性 DAT-IAT系统可以根据进、出水量，水质变化来调整DAT池与IAT池的工作状态和IAT池的运转周期，使之处于最佳工作状况，同时也可以根据脱氮除磷要求，调整曝气时间，创造缺氧或厌氧环境。
⑤除磷效果好 这是DAT-IAT技术的特点。由于生物选择区设置在整个工艺的最前端， 不仅可以为除磷创造了良好的厌氧环境， 消除了滗水阶段末期溶解氧和氮氧化物对摄磷的不利影响， 而且在很大程度上满足了聚磷菌对易生物降解有机物浓度的要求。此外， DAT池连续曝气也降解了大部分有机物， 削弱了有机物对脱氮过程中硝化作用的抑制作用。研究表明，当DAT-IAT工艺的回流比在20%～30%、生物选择区与整个工艺系统的体积比大于6% 时，系统的总磷去除率大于90%（梁伟，2006）。
研究表明，稳定运行的DAT-IAT技术对生活污水的COD去除率在90%以上，脱氮率和总磷去除率在80%以上。出水水质均达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B标准（朱爽，2009；苏庆永，2006；程璞，2013）。
对某“序批式活性污泥SBR（DAT-IAT）法”净化技术进行中试试验（规模15m3/d），其装置如图2-4所示；其对COD的去除效果如图2-5所示。
图2-4 序批式活性污泥SBR（DAT-IAT）法装置示意
图2-5 序批式活性污泥SBR（DAT-IAT）法对COD的去除效果
当进水COD浓度由正常的130 mg/L增加到500～600 mg/L时（图2-6），系统的平均COD去除率由原有的81%提高到93.1%，出水COD保持在35～45mg/L。说明该技术抗有机负荷能力较好。
图2-6 COD浓度提高时序批式活性污泥SBR（DAT-IAT）法对COD的去除效果
系统运行期间N
-N的去除效果如图2-7所示，系统运行前期，N-N的去除率在60%左右，运行1个月后出水N-N浓度有上升趋势，去除效率降低，考虑原因可能是由于污泥出现一定程度的老化（张自杰，2000），用潜污泵清除池底部沉积污泥后，N-N出水效果明显得到改善 。
图2-7 序批式活性污泥SBR（DAT-IAT）法对N
-N的去除效果
系统运行期间污泥浓度与COD去除率的关系如图2-8所示。当污泥浓度为3500～5000mg/L，系统COD总去除率维持在90%以上；污泥浓度高于5000mg/L后，COD的总去除率有所下降，并且波动较大。这主要是由于污泥浓度升高，负荷降低，以及长期无排泥运行等因素对生物反应器有机物降解能力造成了一定的影响，从而导致系统整体去除效果下降。
图2-8 序批式活性污泥SBR（DAT-IAT）法污泥浓度与COD去除率的关系
通过以上SBR（ DAT-IAT ）法对污水中特征污染物的去除实验及分析，认为系统对废水中有机物（以COD计）的去除作用明显，且抗冲击负荷能力强，能满足示范工程的设计出水目标，但系统对N-N的去除稳定性较差，需在其去除方面进一步强化。
2.3.3 应用实例
天津经济技术开发区污水处理厂（王文，2005）采用DAT-IAT技术，日处理规模10×104m3/d，污水主要来源于区内生活污水和生产废水。
设计进水水质为：BOD为150mg/L，COD为400mg/L，SS为200mg/L。
出水水质：BOD为30mg/L，COD为120mg/L，SS为30mg/L，同时要求去除N-N至10mg/L。该厂已于1999年投产使用。
DAT-IAT系统共设6组池，每组池容积为11000m3，组池长L=80m，池宽B=32m，有效水深H=4.3m，反应池最低水位时水深3.75m，污泥负荷0.052kgBOD5/（kg·d），MLSS 5000mg/L，IAT运行周期T=3h（曝气、沉淀、滗水各1h），每组反应池中DAT和IAT体积相同，各长40m，中间设两道导流墙，为保持DAT内足够的混合液浓度，需从IAT将混合液回流到DAT，混合液回流比最大可达R=400%。在IAT两侧距导流墙8m处设4台潜污泵，每台流量0.55～0.60m3/s，扬程2m。回流泵的开停由PLC按预设程序自动控制，停泵的时间安排在滗水阶段。2台泵的回流污泥管在DAT内分为4个出口，位于池的四角，它们以高速沿池底喷向池中心，全池起强烈搅拌作用，形成完全混合流态，混合液经两道导流墙进入IAT。混合液以很低的流速从底部进入IAT，不会对IAT沉淀的污泥产生搅动。
采用鼓风曝气，曝气设备为膜片式微孔曝气器，总数19838个。厂内设4台单级高速离心风机，单台供气量Q=18000m3/h，风压p=0.5bar（0.05MPa），电机功率N=400kW，污泥产率系数YT=1.1，泥龄Ns=22d，每日污泥总产量体积V=2400m3，每池安装有SS计。可根据污泥浓度值随时调整开泵的时间和周期，确保反应池的正常运行。
抚顺某污水处理厂（王维斌，2002）是抚顺市城市污水治理工程的重要组成部分，是实施辽浑太流域治理的优先项目之一，处理规模为：粗格栅、进水泵房平均设计流量50×104m3/d，峰值流量为110×104m3/d；细格栅、沉砂池峰值流量为55×104m3/d，平均流量为25×104m3/d；二级处理、泥处理的处理规模为25×104m3/d。工程总占地14.5hm2，概算工程总投资2.59亿元。
进出水水质及处理效果见表2-6。
表2-6 进出水水质及处理效果
全厂共设三组SBR池，每组三组池。每组的池子间歇排泥，每池排1h，交替进行，这样对于每组池排泥是连续的。SBR池的剩余污泥由潜水排污泵提升，经管道流入污泥浓缩池。污泥浓缩后，由剩余污泥泵房中的螺杆泵抽升到脱水机房的混合池，然后进入离心脱水机进行脱水，脱水后的泥饼运到污水厂附近的垃圾填埋场进行卫生填埋。
该处理厂采用先进的DAT-IAT技术。全厂共设9座DAT-DAT反应池，在控制上，三座一组。每座反应池的平面尺寸为83.7m×40.7m，钢筋混凝土结构。水深5.11～6.0m，超高0.5m。由一个DAT和一个IAT串联组成，DAT连续进水，连续曝气（也可间歇曝气）；IAT也是连续进水，但间歇曝气。清水和剩余活性污泥均由IAT排出（见图2-9）。
图2-9 抚顺某污水处理厂DAT-IAT技术示意
处理后的清水和剩余活性污泥均由IAT排出。由于这种工艺进水是连续的，所以克服了很多间歇进水SBR技术的不利因素，特别适合于大型污水处理厂；另外，该技术独特的双隔墙设计，有效地防止了水力短流和对沉淀污泥的扰动，是大型污水处理厂设计中值得推广的一种技术；再有，通过对各阶段时间的调整和对溶解氧的控制，该技术可获得良好的脱氮效果，出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B标准。