申请日1987.12.29
公开(公告)日1991.10.02
IPC分类号C02F3/30; C02F3/12; C02F3/28
摘要
以生物除磷而净化含磷酸盐污水的方法和设备一般只能达到约75%的除磷率，而且还需要大量的设备投资。为了改善厌氧条件下磷酸盐返溶并改善随后进行的磷酸盐摄取，可让厌氧处理在沉淀池中进行，并向其中通入未澄清、未处理的污水和从二次澄清池来的循环污泥，并使沉淀池中的污泥停留时间比水力停留时间长。
権利要求書
1、以生物除磷而净化含磷酸盐污水的方法，其中，可沉降和/或不可沉降的组分在连续处理设备中，用活性污泥相继进行厌氧和好氧处理，并将二次澄清池来的回流活性污泥返回厌氧处理池，其特征是，使厌氧处理在沉淀池中进行，使沉淀池中污泥停留时间超过水力停留时间。
2、按权利要求1所述的方法，其特征是，在进行厌氧处理的沉淀池后连接好氧曝气池，并向曝气池中通入从沉淀池上部出来的上层液体和从沉淀池底部出来的浓缩污泥。
3、按权利要求1或2所述的方法，其特征是，向进行厌氧处理的沉淀池通入未处理的污水，该污水中有大量可沉降物质，这些物质在沉淀池顶部与循环污泥相混合。
4、按权利要求1所述的方法，其特征是，未处理污水和循环污泥的混合物被送入进行厌氧处理的沉淀池的表层区域。
5、按权利要求1所述的方法，其特征是，向好氧处理池中通入来自厌氧沉淀池的浓缩污泥，其量为单位时间内来自未处理污水和循环污泥的总固体物质量。
6、按权利要求1或2所述的方法，其特征是，向进行厌氧处理的沉淀池中只通入可沉淀组分，而将不可沉淀组分直接通入好氧处理池。
7、按权利要求1或2所述的方法，其特征是，向进行厌氧处理的沉淀池通入不可沉降的污水，而取出可沉降的组分。
8、按权利要求6或7所述的方法，其特征是，污水在前置预澄清池中分成可沉淀组分即预澄清污泥和不可沉淀组分即预澄清污水。
9、按权利要求1所述的方法，其特征，将从进行厌氧处理的沉淀池中取出的污泥分离成富含磷酸盐的水和贫含磷酸盐的污泥，将富含磷酸盐的水送去进行石灰沉降，再将沉降污泥取出，将上层液送入好氧处理池，而将贫含磷酸盐的污泥直接送入好氧处理池。
10、按权利要求9所述的方法，其特征是，浓缩污泥是采用离心分离法分成富含磷酸盐的污水和贫含磷酸盐的污泥的。
11、按权利要求1所述的方法，其特征是，从进行厌氧处理的沉淀池中取出的浓缩污泥在进入好氧处理池之前，先送去进行石灰沉降。
12、按权利要求1所述的方法，其特征是，二次澄清池直接接在曝气池之后，从中取出活性污泥，并分成循环污泥和剩余污泥两部分。
13、按权利要求1所述的方法，其特征是，处理方法中包括前置脱氮、同时脱氮或交替进行。
14、以生物除磷而净化含磷酸盐污水的设备，其中包括进行厌氧处理的沉淀池、后续曝气池和二次澄清池，并从二次澄清池中取出活性污泥，并分成剩余污泥和送入进行厌氧处理的沉淀池的循环污泥，其特征是，进行厌氧处理的设备为沉淀池(1)，其中包括将循环污泥和可沉降和/或不可沉降污水组分的混合物输入沉淀池(1)的输入管(4)，与后续曝气池(2)相连的上层液排出管(5)，以及同样与后续曝气池(2)相连的沉淀池(1)底部的浓缩污泥排放管(6)，在沉淀池(1)和曝气池(2)之间有时还连接着另一处理池，并使上层液体或上层液体和浓缩污泥在进入曝气池(2)之前，先经过该处理池。
15、按权利要求14所述的设备，其特征是，输入管(4)将循环污泥和污水组分的混合物通入沉淀池(1)的上层区域。
16、按权利要求14或15所述的设备，其特征是，沉淀池(1)为改型的常见预澄清池，将其与未处理污水的输入管和循环污泥的输入管相连，并与污泥排出管以及后续曝气池相连。
17、按权利要求14所述的设备，其特征是，进行厌氧处理的沉淀池(1)之前设置一预澄清池(16)，其中包括未处理污水的输入管(19)，与曝气池(2)相连的预澄清污水排出管(18)和与沉淀池(1)相连的预澄清污泥排出管(17)。
18、按权利要求14所述的设备，其特征是，沉淀池(1)底部的浓缩污泥排放管(6)与离心机(20)相连，其中包括富含磷酸盐水的排出管(21)和贫含磷酸盐污泥的排出管(25)，富含磷酸盐水的排出管(21)和装有石灰投加装置的搅拌池(22)相连，搅拌池(22)又与后续的沉淀池(23)相连，而沉淀池(22)又与曝气池(2)相连，贫含磷酸盐污泥的排放管(25)则直接与曝气池(2)相连。
19、按权利要求14所述的设备，其特征是，沉淀池(1)底部的浓缩污泥排放管(6)与装有石灰投加装置的搅拌池(22)和后续曝气池(2)相连。
说明书
本发明涉及的是基于生物除磷原理净化含磷酸盐污水的方法，即污水中所含的可沉降和/或不可沉降组分，在连续处理池中用活性污泥相继进行厌氧和好氧处理，并将从二次澄清池来的回流活性污泥返回厌氧处理池，本发明还涉及实施该方法的装置。
与含氮化合物不同的是，污水中的磷化合物只能根据化学或生物反应以固态形式从污水中分离出来，以前把水中的磷酸盐转化成固态只能通过磷酸盐掺入生物质内，或通过化学沉降来实现。
多年来，许多净化设备通过化学沉降法除磷。近来则有比较新的发展，开发了用生物或生物——化学方式除磷的方法。纯生物方法是探索通过生物过程而固着于剩余污泥中的生物除磷总量。而生化方法则将特定的生物作用与特别经济的石灰沉淀作用结合起来。
生物法，是利用了这样一种现象，即在微生物存在下，根据污水与活性污泥相接触的条件，污水中所含的磷要么从污泥中游离出来，要么与其相互结合。事实是，污水中的磷仅以磷酸盐状态存在，而且大部分为可溶性磷酸盐，只有很少的一部分是单独化合态的磷酸盐。使依据活性污泥法运行的生物净化设施中的活性污泥持续经受不断改变的厌氧条件(不存在溶解氧、亚磷酸盐和硝酸盐)和好氧条件(存在溶解氧)，于是活性污泥在厌氧条件下释放出磷酸盐，而在好氧条件下则摄取磷酸盐。在厌氧阶段中释放磷酸盐恰好与好氧阶段摄取磷 酸盐相对应。到目前为止，这方面进行的所有的研究都表明，好氧条件下对磷酸盐的摄取程度与先前在厌氧条件下磷酸盐的再溶解程度直接相关。
生物除磷中极为重要的事实是，摄取磷酸盐的程度总是比先前进行的再溶解程度更高。由于把已净化好的污水同生物分离过程紧接在好氧阶段之后，所以会出现磷的净去除结果，即排出的水中的磷浓度低，而净化设备中剩余污泥中磷浓度高。
人们为了提高除磷效率而试图尽可能产生大量的剩余污泥和/或使剩余污泥中的磷含量尽可能提高。
因此，可通过污泥负荷确定单位剩余污泥产量。
剩余污泥中的磷含量可按上述的关系而提高，更确切地说是通过强化磷的再溶并由此使随后的对磷的摄取也得到强化。
如果想通过改变生物净化设施中的磷的再溶/对磷的摄取而影响除磷效果，则还必须注意到以下事实：
1.亚硝酸盐和硝酸盐的存在会抑制磷的再溶，而且不应向生物净化的厌氧装置中加入含亚硝酸盐或硝酸盐的污水。
2.应用易降解的基质则可加快磷的再溶。
在近年来开发的生物除磷方法中以不同的方式考虑到了上述两个因素。在目前简化了的所谓A/O方法(已见于例如Krichter D. J. Hong S. N.,Tracy K.D.的研究报告，采用A/O工艺进行生物除磷，Internat.Conf“Phosphprus in the Environment”Lissabon,Juli 1985)是将不曝光的完全搅拌池或池组与活性污泥池串联，将回泥污泥和未经处理或预澄清过的污水送入上述池子中，在该池中，污泥停留时间 为1-5h。而在随后的活性污泥池中的停留时间约为2-5h。这种方法的应用仅限于负荷足够高的装置，其中不允许出现硝化作用(氨经过微生物氧化成亚硝酸盐和硝酸盐)。这时，换句话说也就是亚硝酸盐和硝酸盐会随回流污泥进入不曝光的装置中，并且在其中阻止磷的再溶。
在另一种所谓“Phoredox”或改性Barderpho方法中，与A/O方法一样，将回流污泥和未经处理或预澄清过的污水送入不曝气的完全搅拌池或池组中，当然，在净化设施的后续部分，除了硝化而外，还要进行完全脱硝(亚硝酸盐和硝酸盐经微生物还原成分子氮，并以气态从污水放出)，这样一来，就不会有亚硝酸盐或硝酸盐随回流污泥一起进入厌氧装置中。这种方法还特别是为生物除氮和磷而设置的。其中，用于磷再溶的第一个不曝气的完全搅拌池中，循环污泥的停留时间为1.5h。
又一方法为所谓的UCT(University of Cape town)方法，已见于例如Ekama G. A.,Marais G. R.发表的“在南非利用活性污泥法附加除磷的经验”，GWF126，P241～249页(1985)。这种方法的目的是避免完全脱氮所需的很高的费用。该方法仅限于附加脱硝。利用此方法，从基本原理出发，决不可能达到100%的除亚硝酸盐或硝酸盐。由于回流污泥因此含有亚硝酸盐和硝酸盐，所以先将其送入脱硝池。污泥从这一池中出来之后再送入串联的非曝气的搅拌池，使磷再返溶。在这一池中，如同前述的两种方法，污泥与未处理或未预澄清污水完全混合，其中污泥停留时间为1.5小时。
上述的三种方法为目前主要采用的三种生物除磷方法。另一所谓 的Biodenipho方法，就磷的再溶解而言，基本上不同于上述的方法。
与上述方法的基本区别还表现在phostrip方法中，该方法已见于Lerin G. V.,Topol G. J.,Tarnay A. G.,“工业规模除磷装置的运转”，JWPCF47,577-590(1975)。这一方法代表了高效率生物除磷与化学沉淀除磷相结合的方法。该方法中将部分回流污泥送入称之为汽提塔的沉淀池中。在该池中，经过几小时的厌氧停留磷进行再溶期间，同时经过静态浓缩而出来含磷酸盐的上层清液。这种含磷酸盐的上层清水然后进行化学沉淀。
与其它方法不同的是，在Phostrip方法中人们还追求这样的目标，即利用纯生物效应不能去除的污水中的那部分磷，通过污水分流进行化学沉淀去除。用石灰〔Ca(OH)2〕，沉淀的特点在于，污水分流——石灰沉淀比全部污水石灰沉淀，可节省大量石灰。
原则上，Phostrip方法的应用仅限于不脱硝而且负荷大的活性污泥净化设施，因为亚硝酸盐或硝酸盐有可能随回流污泥而进入沉提塔中。但可采取相应的措施并且已经实施了这些措施。后面所述的这种方法已进行了多次改进，一种改进旨在“加快磷在汽提塔中的再溶”(通入预澄清污水)，但首先是旨在“进一步将磷酸盐转入汽提塔上清液中”(通入预澄清污水，净化污水或化学处理污水，使汽提塔中的污泥循环)。
目前，大多数情况下纯生物除磷的处理方法(A/O，Phoredox,UCT,Bioderipho)的效率还不够高。由于各方法的前提条件互不相同，所以无法将目前文献中列出的结果直接进行相互 比较，同时平行的研究结果也不全。但是，有一点是确定无疑的，那就是总除磷率极少有超过75%的。
在Phostrip方法中，由于采用分流——化学沉淀，所以可达到相当高的除磷率。就是用这种方法，生物除磷份额也只占总除磷的75%以下。
所有上述方法，也许A/O方法是个例外，均具有许多的缺点，即工艺复杂，因此投资也高，此外，只能由经过专门训练的人才能使其运转。
本发明的目的是以生物除磷而净化含磷酸盐污水的方法以及实施该方法的设备，其中在改善生物除磷工艺的同时，还可大大降低设备费用或使其减至最少。
本发明的基本任务是提出一种净化废水的除磷方法和实施该方法所用的设施。本发明方法和设施可在少花钱或最节省的条件下，提高生物除磷的效率。
更具体地讲，为完成上述基本任务，本发明提出以生物除磷而净化含磷酸盐污水的方法，其中，可沉降和/或不可沉降的组分在连续处理设备中，用活性污泥相继进行厌氧和好氧处理，并将二次澄清池来的回流活性污泥返回厌氧处理池，其特征是，使厌氧处理在沉淀池中进行，使沉淀池中污泥停留时间超过水力停留时间。该方法中向进行厌氧处理的沉淀池通入未处理的污水，该污水中有大量可沉降物质，这些物质在沉淀池顶部与循环污泥相混合。而未处理的污水和循环污泥的混合物被送入进行厌氧处理的沉淀池的表层区域。同时，也可向进行厌氧处理的沉淀池中只通入可沉淀组分，而将不可沉淀组分直接通入好氧处理池。将从进行厌氧处理的沉淀池中取出的污泥分离成富含磷酸盐的水和贫含磷酸盐的污泥，将富含磷酸盐的水送去进行 石灰沉降，再将沉降污泥取出，将上层液送入好氧处理池，而将贫含磷酸盐的污泥直接送入好氧处理池。
为实现上述基本方法，本发明又提出以生物除磷而净化含磷酸盐污水的设备，其中包括进行厌氧处理的沉淀池、后续曝气池和二次澄清池中取出活性污泥，并分成剩余污泥和送入进行厌氧处理的沉淀池的循环污泥，其特征是，进行厌氧处理的设备为沉淀池(1)，其中包括将循环污泥和可沉降和/或不可沉降污水组分的混合物输入沉淀池(1)的输入管(4)，与后续曝气池(2)相连的上层液排出管(5)，以及同样与后续曝气池(2)相连的沉淀池(1)底部的浓缩污泥排放管(6)，在沉淀池(1)和曝气池(2)之间有时还连接着另一处理池，并使上层液体或上层液体和浓缩污泥在进入曝气池(2)之前，先经过该处理池。沉淀池(1)为改型的常见通澄清池，其底部的浓缩污泥排放管(6)与离心机(20)相连，其中包括富含磷酸盐水的排出管(21)和贫含磷酸盐污泥的排出管(25)，富含磷酸盐水的排出管(21)和装有石灰投加装置的搅拌池(22)相连，搅拌池(22)又与后续的沉淀池(23)相连，而沉淀池(22)又与曝气池(2)相连，贫含磷酸盐污泥的排放管(25)则直接与曝气池(2)相连。
本发明的方法是以半工业规模装置多年生物除磷的经验所获得的知识为依据，为了提高生物除磷效率有两点特别重要：
1.活性污泥的厌氧停留时间要比目前试验过的方法有明显提高;以及
2.必须使原污水中易降解基质的总的势能可供使用，使得在厌氧停留时间内提高磷的再溶速度。
就上述第一点而言，截止目前为止所使用的完全混合池，污水在 其中与回流污泥接触时，污泥的厌氧停留时间太短，因为池子的尺寸不能任意扩大，所以本发明采取了这样一种方法，即，分别控制污泥停留时间和水力停留时间，最简单的方法是使用沉淀池，在沉淀池中污泥与污水接触后，污泥本身沉积下来。然后从沉淀池底部仅取出浓缩污泥，根据物料衡算得出结果。当污泥浓缩得好时，污泥可停留很长时间，如5至30小时;而实际条件下，特别是在有利的情况下逗留时间为10至24小时。
为了按要求考虑到上述的第二点，特别有利的是使回流污泥于池顶部与未处理的污水相接触。这样可以放弃目前常采用的预澄清步骤，并可将大多数情况下于净化设施中采用的预澄清池转化为厌氧磷酸盐再溶池，在其中按照本发明方法进行第一步处理。
本发明所涉及的污水包括：生活污水、商业污水或工业污水，必要时还要经过格栅，并砂滤和/或捕集油脂预处理，但不进行预澄清，因此仍有大量的可沉淀组分。
本发明的方法，如同以下参照附图和实施例进行详细解释的那样，其特点是工艺极简单，并可采用现有净化设施而无需为进一步的生物除磷作明显的改动。两个月的试运转即已显示出相对于现有方法的优越性。当未处理的污水中含总磷的浓度平均为8mg/l时，流出液中总磷浓度的平均值可低于1mg/l。除磷率差不多为90%。至于磷酸盐，其去除效率还可明显提高。此时，磷酸盐可基本上完全被活性污泥所摄取，流出液中的剩余磷含量则大部分来源于个别种类的磷。
为了阐明本发明方法的突出的除磷效率，还是让我们先简单讨论一下本发明方法的理论依据。
众所周知，预沉积污泥经过一段时间的厌氧处理，则转向所谓的酸性发酵。其中，通过预沉积污泥中含有的某些微生物的作用使脂肪、糖和其它可降解物质分解成低级有机脂肪酸，主要是乙酸。由于降解产物为有机酸，所以人们又称该过程为酸性分解。将降解产物分离出来后，由于停留时间很长(几天至几星期)，则进行所谓的甲烷发酵，使上述物质进一步降解。
初步试验已表明，将上述分解产物添加到回流污泥中则可明显加快净化设施相应部分中磷的再溶速率。由于从回流污泥中释放磷酸盐和从预沉降污泥中释放有机酸这两个过程要求等同的环境条件，即厌氧环境，所以为建立本发明而得出了如下结论，即在一台反应器中将两个过程联合起来进行十分有利。确切地讲，就是在沉淀池中进行的，在其中进行本发明方法的第一步并因此可将该池称之为发酵和磷的于溶一体化池。新预沉积的污泥一般是在厌氧条件下与回流污泥一起进行浓缩，释放出有机酸并直接为回流污泥所用。有机酸脂肪酸被回流污泥摄取，并相应地保证磷酸盐的释放。按照这样建立起来的优化环境，磷酸盐的释放特别快，只要注意到前面的解释，即在活性污泥池中提取磷酸盐也处于最佳状态，也就不难得出这一结论。
本发明方法的应用不仅限于无硝化作用的高负荷装置，由于厌氧沉淀池中的还原势很大，所以可进行回流污泥脱硝，而不明显影响磷酸盐的再溶能力，通用的方法用完全搅拌地进行操作，其中随回流污泥带入的硝酸盐立刻遍布池的每一角落并全面阻止磷酸盐的再溶，与此不同的是，在本发明的方法使用的沉淀池中，由迥流污泥带来的硝酸盐与未处理污水一起输入池中的上层区，并很快得到还原，因此而避免了对下层磷酸盐的再溶产生的不利影响。只是在硝酸盐还原过程 中要消耗易降解的基质，这会在一定程度上削弱磷酸盐的再溶程度。但是，由于未处理污水中溶解的易降解基质完全用以使硝酸盐还原，所以由发酵释出的有机酸可完全用于磷酸盐的再溶。
此外，为保证净化设施能稳定地除磷，净化设施应在临界负荷范围内工作，并只间或进行硝化作用。因此，本发明的方法可顺利地与进一步脱硝操作相结合，如借助串联脱硝，同时脱硝或交替进行(生物脱硝方法)。原则上，这种联合对各种方法都是可能的，其中存在无需固定在载体上的游离活性污泥。
必要时，还可将从厌氧运行沉淀池取出的浓缩污泥再额外进行一次厌氧停留。这可在另一沉淀池或混合池中进行。如果厌氧沉淀池中混合污泥因水力负荷大而不能达到足够的厌氧停留时间，使污泥浓缩，则采取这种措施应是必须的。
就本发明的构思的另一方面而论，向厌氧沉淀池中只能输送可沉淀的污水组分，而将不可沉淀的污水组分直接送入好氧处理池。还有将预澄清池与厌氧沉淀池相连，在其中将可沉淀污水组分，还有预沉降污泥和不可沉淀污水组分，以及预澄清污水相互分开。在该实施方案中，厌氧沉淀池中的水力负荷得到降低，污泥浓缩得到改善，并因而提高了厌氧停留时间。当然，不足的是溶解的污水成分在厌氧阶段不可能有效地强化磷的再溶，因为，预澄清污水被直接送入好氧处理段。但是，另一方面，污泥的高厌氧停留时间又可促使磷的进一步再溶，并因此而强化了活性污泥池中对磷的摄取，除磷效率即可得到提高。
预沉积污泥也可额外进行一次处理，这可将大颗粒物质与细颗粒物质分开。例如，可用离心机进行分离。从离心机分离出来的含大颗 粒物质，及高度浓缩的污泥可直接送去进行污泥处理，而大量的细小颗粒是送入厌氧沉淀池。
本发明的另一实施方案是规定向厌氧运转的沉淀池中只供入不能沉降的污水组分，而引出可沉降的污水组分。把可沉降的污水组分分离出来，也就是把预澄清的污水下面的污泥通过一座串联的预澄清池分离出来。厌氧沉淀池中，厌氧沉淀池中只供入预澄清后的污水，虽然不能使某些个别基质充分降解，但是，与彻底混合的体系比较起来，提高厌氧停留时间是有效的。通过这一实施方案，还可避免对预澄清步骤可能带来的不利影响，如高的需氧量、沉积和堵塞等现象。
当污水成分不适宜(如：高磷酸盐浓度、低BOD浓度)时，上述实施方案可达到其效率的限值。在这种情况下，按照本发明，可借助污水分流沉降而在添加少量石灰，使之与高浓度的磷酸盐产生化学沉淀，而载带下来，为此，可通过离心分离将从好氧沉淀池中取出的污泥分离成富含磷酸盐的水和含磷酸盐浓度低的污泥，富含磷酸盐的水在pH值大约等于9的条件下，进行石灰沉淀，取出生成的沉淀污泥并将上层水送入好氧处理池。而含磷酸盐浓度低的污泥可直接送入好氧处理池。污水的分流量小和高浓度的磷酸盐为磷酸盐的化学沉淀提供了理想的前提条件，取出的磷酸钙沉淀污泥还可供进一步使用。
本发明还规定，可将从厌氧沉淀池中取出的沉淀污泥直接进行石灰沉淀。在pH值大约是9的条件下产生的沉淀污泥可与有机污泥一起送入好氧处理池中，其中，因调节pH值。部分污泥再次被带入溶液中。但是，大部分沉淀污泥或多或少因所谓的磷酸盐晶体的“老化”仍保持固态，并使工艺体系中具有过剩的污泥。生物结合的磷酸盐，再加上化学结合的磷酸盐，通过这两种作用使除磷效率得到提 高。
事实是，按照净化工艺的基本原理，在一个分流量很小的设备里就可使磷酸盐达到富集，本发明的方案还可利用石灰进行分流沉降来实施，用石灰进行沉降时，除磷效果取决于pH值可提高多少。磷酸盐在少量污水中的富集还意味着，多次投加极少量的石灰与总污水石灰沉淀富集磷酸盐的效果相同。因此，石灰节约量直接与污水分流和总流量之比成正比。
