申请日2016.04.26
公开(公告)日2018.02.23
IPC分类号C02F3/30; C02F3/28; C02F3/12
摘要
一种通过活性污泥法进行的具有强化脱氮除磷的废水处理方法，其包括在生物反应器(1)的厌氧区(2)、缺氧区(3)、好氧区(4)和最终沉降区(5)中运行和通过间歇操作控制混合液的曝气、再循环和混合的过程，其中以这样一种方式控制混合液的曝气和再循环的间歇操作，使得短曝气周期与短再循环周期交替，并且一个短曝气周期与一个短再循环周期一起构成一个循环。一种利用具有增强脱氮除磷的活性污泥法进行废水处理的设备，其包括控制单元(22)，所述控制单元配备有：至少一个日常时间表，其在一个循环内具有固定长度的短曝气周期和短再循环周期以及可选地短空转周期;或至少一个算法，其用于取决于所述测量量借助于在线测量设备(42、43)来转换在一个循环内的所述长度的短曝气周期、短再循环周期以及可选的短空转周期，其中所述控制单元与至少一个阀(21、35)连接，所述阀由控制单元控制并且布置在用于压力空气的至少一个空气支路(26、29、30、31、32)上。
权利要求书
1.一种通过活性污泥法进行的具有强化脱氮除磷的废水处理方法，其包括在生物反应器(1)的厌氧区(2)、缺氧区(3)、好氧区(4)和最终沉降区(5)中运行和通过间歇操作控制所述混合液的曝气、再循环和混合的过程，所述废水处理方法的特征在于，以这样一种方式控制所述混合液的曝气和再循环的所述间歇操作，使得短曝气周期与短再循环周期交替，并且一个短曝气周期与一个短再循环周期一起构成一个循环，其中：
-在所述短曝气周期期间，在所述氧区(4)中发生所述混合液的所述曝气和混合，并且同时，停止在所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)中的所述混合液的再循环和混合，或者，减小所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)中的所述混合液的再循环和混合的所述强度以便保持在所述底部(12)处的所述混合液的所述浓度和在所述水平面(11)处的所述混合液的所述浓度之间的浓度梯度;在所述好氧区(4)中，在所述混合液中存在溶解氧并且在好氧条件下通过所供应的压力空气对其进行充分搅动的情况下，发生以下各者：通过有氧异养菌来有氧氧化有机物质的过程、通过有氧化学自养菌来快速生化硝化铵离子和亚硝酸根离子的过程、和使用来自细胞内存储物质的化学结合能在聚磷菌中进行聚磷，并且同时，在所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)中发生从所述原废水沉淀更重的颗粒和沉淀更重的活性污泥絮体颗粒，同时停止在所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)中的所述混合液的再循环和混合，或降低所述混合液的再循环和混合的强度，其中在更靠近所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)的所述底部(12)处创建厌氧条件，在所述厌氧条件下通过发酵菌发生沉淀和胶体生物可降解的有机物质和活性污泥的水解和发酵过程，其中在所述生物反应器(1)中原位产生呈低级脂肪酸形式的易获得的底物;
-在所述短再循环周期期间，停止在所述好氧区(4)中的所述混合液的曝气和混合，或降低在所述好氧区(4)中的所述混合液的曝气和混合的强度，，以使得所述混合液中的所述溶解氧的最终浓度不超过0.5mg/L，并且同时，在所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)中，发生所述混合液的再循环和混合，在所述好氧区(4)中，通过所述混合液絮凝颗粒中的同化或同时反硝化来降低溶解氧的所述浓度，在所述缺氧区(3)中，在存在呈低级脂肪酸形式的易获得的底物的情况下，使用异养反硝化菌通过还原来自氮氧化物(NOx)循环的短期高浓度的氧化形式的氮中进行快速生化反硝化过程，所述低级脂肪酸已在所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)的所述底部(12)处的所述污泥悬浮层的分层中产生，并通过内部混合液悬浮固体(MLSS)循环与发酵菌一起从所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)中的所述分层污泥层中洗出，其中通过内部MLSS循环与发酵菌含量一起再循环的所述混合液利用发酵菌接种所述供应的未处理过的水和来自氮氧化物(NOx)循环的所述混合液，在所述厌氧区(2)中，发生由所述聚磷菌对产生的低级脂肪酸的同化的快速生化反应，所述聚磷菌以细胞内存储材料的形式产生化学结合能。
2.根据权利要求1所述的废水处理方法，其特征在于，在一个循环内，所述曝气周期持续0.5至7分钟，最佳地3至5分钟，并且所述再循环周期持续0.5至14分钟，最佳地1至5分钟，并且每日循环次数为80至320次，最佳地每日160至310次。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的废水处理方法，其特征在于，一个循环还包括在所述曝气周期之后的至少一个短空转周期，在所述空转周期期间，既不会在所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)中发生所述混合液的再循环和混合，也不会在所述好氧区(4)中发生所述混合液的曝气和混合。
4.根据权利要求3所述的废水处理方法，其特征在于，所述短空转周期持续0.5至15分钟，最佳地2至6分钟。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的废水处理方法，其特征在于，所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)中的所述混合液主要以栓塞流动状态并且主要垂直地流动。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的废水处理方法，其特征在于，所述厌氧区(2)、所述缺氧区(3)和所述好氧区(4)之间的所述体积比在1:1:1和1:2:4之间，最佳地在1:1:1.5和1:1:2之间，和/或所述厌氧区(2)中的所述水力停留时间在7和15小时之间，最佳地在9和13小时之间。
7.一种设备，其用于通过权利要求1至6中所述的处理方法利用具有增强脱氮除磷的所述活性污泥法进行废水处理，其包括生物反应器(1)，所述生物反应器包括所述厌氧区(2)、所述缺氧区(3)、所述好氧区(4)和所述最终沉降区(5)，其中所述厌氧区(2)和所述缺氧区(3)由下方挡板(6)和上方隔板(7)分隔，所述下方挡板和所述上方挡板布置成使得所述混合液的所述流动方向主要处于栓塞流动状态并且主要是垂直的，其中再循环泵提供从所述最终沉降区(5)到所述好氧区(4)的回流污泥再循环、从所述好氧区(4)或所述最终沉降区(5)到所述缺氧区(3)的氮氧化物(NOx)循环、从所述缺氧区(3)到所述厌氧区(2)的内部混合液悬浮固体(MLSS)循环，所述设备的特征在于，其包括控制单元(22)，所述控制单元配备有：至少一个日常时间表，其在一个循环内具有固定长度的短曝气周期和短再循环周期以及可选地短空转周期;或至少一个算法，其用于取决于所述测量量借助于在线测量设备(42、43)来转换在一个循环内的所述长度的短曝气周期和短再循环周期以及可选的短空转周期，其中所述控制单元与至少一个阀(21、35)连接，所述阀由所述控制单元控制并且布置在用于所述压力空气的至少一个空气支路(26、29、30、31、32)上。
8.根据权利要求7所述的废水处理设备，其特征在于，所述阀(21、35)是所述三通阀(21)或所述两通阀(35)，并且所述阀使得所述压力空气能够交替地改向到用于曝气的空气支路(26)和用于再循环的空气支路(29、30、31、32)中，或者使得能够增加进入到用于曝气的所述空气支路(26)中的空气流动，同时减小进入到用于再循环的所述再循环空气支路(29、30、31、32)中的所述空气流动，且反之亦然。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的利用具有增强脱氮除磷的所述活性污泥法进行废水处理的设备，其特征在于，所述阀(21、35)是电动的、电磁的、液压的或气动的。
说明书
使用具有强化脱氮除磷的活性污泥法处理废水的方法和设备
技术领域
本技术解决方案涉及一种使用具有强化脱氮除磷的活性污泥的废水处理方法，特别是用于个别和分散式废水处理系统。
背景技术
个别或分散式废水处理是一种处理来自个人家庭住宅或家庭住宅群、酒店、餐馆、小型工厂、工业园区以及在其产地位置的其他小来源的污水和城市废水的方法，其特别应用于在由于技术或经济原因不可能通过中央废水处理厂连接到公共污水道的情况下。
从卫生和环境的角度出发，个别或分散式废水处理系统的目的是令人满意地将处理过的水排放到地表水中，或使其渗透入土壤中，或者在废水形成点处回收并再利用具有令人满意的质量的处理过的水。用于个别或分散式废水处理的生活和小型废水处理厂主要集中在对有机污染物和可能的氨氮氧化(硝化)的处理。越来越多的需要从排放的废水中以及从个别和小来源中脱氮除磷，因为这些对地表水具有富营养化的效应(所谓的水花的发展)，特别是在敏感地区。许多国家全面地或仅在敏感地区对将含氮(N<10mg/L)和磷(P<1.0mg/L)的废水排放到地表水和地下水有严格的限制。流入个别和小型分散式废水处理系统的有机污染物的每日、每周或季节的变化对脱氮除磷的效率有显著的影响，因为需要聚磷和反硝化微生物以使其功能足够对付易降解的有机底物。
通过活化过程实现的生物脱氮除磷过程是污水和城市废水处理过程中用于氮磷减排的最广泛使用的方法之一。特别地，当要脱氮时，有必要集中于生物去除方法，因为其他化学或物理化学方法已被表明是非常不经济的。化学除磷是普遍的，但是对减少化学品消耗的努力是存在的，且因此至少部分生物除磷是优选的。对于生物脱氮除磷，有必要为生物反应器中的活性污泥创造交替的厌氧条件、缺氧条件和好氧条件。厌氧条件、缺氧条件和好氧条件通常以氧化还原电位(ORP)为特征，其中厌氧环境的典型值为-250mV至-400mV，缺氧环境为-50mV至+50mV，以及好氧环境为+100mV至+250mV。通常，它们是单污泥系统，其中活性污泥包括微生物的异养(反硝化和氧化)以及自养(硝化)群体。活性污泥的一部分作为再循环污泥回流到该过程中，或者其残留在反应体积中，并且该部分作为具有增加的磷含量的过剩污泥被去除以供进一步处理、存储或处理。污泥或处理水的再循环和排出可以通过机械泵进行，或借助于气升泵气动地执行。第一种方法对于具有更高容量的城市废水处理厂更为典型，气升泵的使用对于个别和小型废水处理厂而言是典型的。对于好氧区的曝气，代表经济有效的曝气方式的微气泡曝气元件是最常用的。厌氧和缺氧区中的混合可以借助于机械搅拌器(特别是大容量中央处理厂)或通过压缩空气进行间歇搅拌或使用混合料液的再循环进行液力搅动(特别是对于个别和小型处理厂)来执行。
近几十年来，开发了具有增强的生物脱氮除磷的活化过程的各种修改，其实现了对氮和磷的期望的严格限制。在保持脱氮除磷的高效率的同时，对个别和分散式处理来自小来源的废水提出了具体要求：
-即使在全天和全年内从小污染源产生废水高度波动时，仍保持脱氮除磷的高效率，
-再循环和曝气灵活适应于废水的数量、质量和其他因素的改变，这些变化影响处理过程的效率、远程监测和控制的可能性，
-对操作要求低，
-能源需求低。
所有上述预期与混合液曝气和再循环过程的控制方法相关，因为这些过程对脱氮除磷的最终效率以及能量消耗具有最大影响。曝气和再循环控制的方法对操作和服务的经验和专业知识的要求最低也是至关重要的，特别是在最小的分散式系统(家庭和小型污水处理厂)的情况下。
其中发生活化过程的生物反应器的构型，
可分为：
-完全搅动的反应器或区，
-具有逐渐(活塞)流动的反应器或区，
-级联反应器或区，其由串联连接的几个更小的完全混合的反应器(选择器)组成，
其中每种反应器构型可以正面地或负面地影响氮磷生物降解的过程。
在为活性污泥操作和形成交替的厌氧条件、缺氧条件和好氧条件方面，我们可以将现有的修改的活化系统分为：
-具有废水连续流入和流出的系统，其具有空间分离的厌氧区、缺氧区和好氧区以及空间分离的最终沉降区域以用于将活性污泥与生物反应器内的处理过的水分离并使混合料液在各个区和区域之间再循环，
-具有不连续流入和流出的系统，其在生物反应器中具有厌氧、缺氧和好氧分离阶段的时间分离而无空间分离的最终沉降区(“SBS”系统-测序分批反应器)，其不需要使混合液再循环，
-混合、组合和混合式系统，其以各种组合使用前两个系统的一些元件，以消除纯连续或纯不连续系统的缺点。
连续系统的共同特征是连续流入一个或多个生物反应器和从其流出、在过程的所有区中大致恒定的水位以及用于将活性污泥与处理过的水分离的空间限定的沉淀池或区。为了生物脱氮，除了好氧区之外，在由活性污泥净化的过程中还包括空间定界的缺氧区，缺氧区通常是缺氧前区(例如，Ludzack-Ettinger过程)，其具有从好氧区到缺氧区或从最终沉降区到缺氧区的一个内部缺氧性循环(所谓的“循环NOx”)。如果磷生物降解是必要的，则添加厌氧区(例如“UCT过程”)，其具有从缺氧区到厌氧区的混合料液的内部循环(混合液的内部循环，即所谓的“MLSS(混合料液悬浮固体)内部循环”)。来自最终沉降区的所沉降的活性污泥通过使回流污泥再循环而回流到净化过程(“回流污泥循环”)。
再循环对脱氮效率有很大的影响，因为“NOx循环”和废水平均日排量Qd之间的再循环比例越大，脱氮的效率越高。然而，“NOx循环”的太高的值不仅与泵送的功耗增加有关，而且与抑制丝状生物所必需的浓度梯度的均衡有关，还与在厌氧区和缺氧区中引入硝酸盐和溶解氧有关，从而降低了氮磷的降解效率。作为“NOx循环”的经济限制，已经报告了等于4x Qp(即4:1的比率)的值。典型的“NOx循环”为2:1至4:1，以及“MLSS内部循环”为1:1至3:1。对于个别和小型污水处理厂，废水在10到12小时内的日流入量对使用最大小时排放量Qmax,h来计数再循环率更有用。考虑到生物过程的动力学，另一个关键特征是在活化过程的各个区中的水力停留时间，其将个别定界区的体积与平均日排放量Qd相联系。UCT过程中的典型停留时间在厌氧区中为1-2小时，在缺氧区中为2-4小时，在好氧区中为4-12小时，即厌氧区与缺氧区及与好氧区的近似体积比为1:2:4至1:2:6。用于其他连续修改的活化系统的各个区的典型体积比在1:2:4至1:2:8的范围内。
从废水中脱氮除磷的效率和稳定性受废水中易降解的有机物质含量的影响很大，所述有机物质的主要组分是低级脂肪酸-“VFA”(挥发性脂肪酸)，其主要源于原废水的有机成分的发酵(由于发酵微生物)。低级脂肪酸也是用于反硝化生物体的合适底物，并且改进脱氮效率。在其不足的情况下，生物除磷的效率降低。根据现有技术，提高生物除磷效率的一种可能性是将呈外部底物形式的VFA添加到生物反应器的厌氧区，或者在生物处理主线外的侧面技术流中原位产生VFA(例如，在污泥管理设施(初级污泥增稠池)中)，并由此通过所产生的VFA来丰富进入生物反应器的流入量。在“侧流除磷(Phostrip)”的过程中，厌氧条件是通过在重力增稠池中使回流污泥的水力停留时间(HRT=8-12h(HRT-水力停留时间))足够长造成的，在此期间回流活性污泥发酵，其中产生了VFA，VFA使用聚磷生物体“PAO”(Phosphorus Accumulating Organisms)。来自重力增稠池底部的污泥被馈送到缺氧区和好氧区的入口，其中PAO在缺氧条件和好氧条件下聚磷通过使污泥从底部向重力增稠池的入口再循环来支持对所释放的硫的提取。该过程的缺点是当停留时间很长时(4-6天)，发生磷的所谓的二次释放，这与聚磷生物体PAO所需的细胞内存储物质PHA(聚-β-羟基链烷酸酯)的积聚无关，并且这种释放的磷需要化学沉淀。另外的缺点是侧流除磷过程在生物反应器外部需要额外的池。根据现有技术，直接在生物反应器中在厌氧区中原位产生的VFA是不期望的，因为出于使有机物质和活性污泥发酵的目的在厌氧发酵区中使水力停留时间HRT延长超过3小时导致已经提到的磷的二次释放。关于污泥停留时间，建议SRT约为1天。当厌氧阶段中的水力停留时间延长时，在不使污泥悬浮且不使其与混合液混合的情况下，当形成硫化氢和其他恶臭气体时，至少在短期的基础上有必要在有机物质和活性污泥的分解进入深部厌氧阶段(其特征在于ORP为-450mV或以下)的情况下解决气味的潜在问题。已作出努力来在生物反应器中引入VFA原位产生(如在WO2005/028373A2中)，但所实现的磷的平均输出浓度仅为3mg/L P，这可能是由磷的二次释放(由于生物反应器的所述构型和过程控制)引起的，当引入厌氧区、缺氧区和好氧区之间的循环时，其依赖于扩散过程和位于更高处的泵的吸力作用，其中污泥区域不引起悬浮并且不是活化过程的一部分。在根据US2010/0101995A1的解决方案中也公开了类似的混合过程。
微生物过程的动力学原理决定了反硝化和与底物利用相关的其他过程的速度。众所周知，当在给定生物量浓度下的反应器中的底物浓度增加时，底物利用的速度增加。低于底物浓度的一定临界值时，底物利用速度的值呈近线性减小。类似的依赖性适用于其他底物(例如电子受体底物(氧、硝酸盐氮))的同化，这意味着除了用于同化-易降解的有机物质的底物的浓度外，在不存在氧气且存在硝酸盐氮时的易获得的底物的同化过程(缺氧区中的反硝化)的速度或存在氧时的同化(好氧区中的硝化和氧化)的速度也受到电子受体底物(缺氧区中的硝酸盐氮或好氧区中的氧气)的浓度的影响。因此，已努力来通过自动控制曝气混合液的ON-OFF周期长度将系统保持在生物化学反应的高操作速度下以提高脱氮效率(例如，在CS9101653A3中)，但对混合液的再循环和混合的控制尚未得到解决。
通过连续修改具有生物脱氮除磷的活化过程，可以实现总氮Ntotal>10mg/L的浓度和总磷Ptot>1mg/L的浓度，但它们需要控制混合液曝气和再循环过程以脱氮除磷，并且对以下各者的需求增加：自动化技术;以及各种参数的在线测量设备和分析仪，这些参数表征氧化还原比、氧浓度和氮磷形式等;以及操作和控制方面所必要的经验和专业知识，可以经济地提供这些经验和专业知识以仅用于集中式中型规模和大型城市废水处理厂。
活化过程的管理主要是对曝气的ON-OFF控制或曝气强度以及跳跃式地或平稳地再循环强度的控制的管理。曝气控制是基于：鼓风机在不同时间间隔的各种ON或OFF时间模式;在曝气设备的更低和更高旋转频率之间的切换;或者借助于用于鼓风机的变频器或通过调节在压缩空气支路上的可定位阀实现的曝气强度的连续改变。当鼓风机关闭较长时间时，有必要通过打开机械搅拌器或短时间内偶尔打开鼓风机来确保将活性污泥保持处于悬浮。鼓风机的ON-OFF控制或对降低-增加鼓风机发动机的旋转频率的控制是根据生物反应器流入负荷(通常在单个和小型系统中)的预期日常进程基于内置在计时器中的简单固定时间模式来执行，或基于表征溶解氧、氮和磷的形式的浓度、氧化还原电位等(通常在更大的中央废水处理厂)的参数的测量以及根据基于氮形式的氧化过程的动力学、混合液中的氧化还原条件的变化等的不同控制策略借助于控制算法对测量量在线评估来执行，其中曝气的ON-OFF周期长度取决于测量量和测量量的目标值。基于测量信号及其评估，控制单元控制到曝气元件的空气支路上的可定位阀或控制鼓风机的旋转频率变频器。
再循环强度可以基于以下各者通过打开或关闭并联连接的多个再循环泵、通过跳跃式地增加再循环设备的旋转频率或通过连续调节鼓风机或再循环装置的旋转频率来跳跃式地调节：表征废水流量和再循环流的流量的值的测量、再循环流中的悬浮固体浓度的测量、流入有机污染物浓度、氧化还原电位ORP的测量、硝酸盐浓度(例如US6254778B1)以及根据不同管理策略使用控制算法在线评估测量量。
在更大的中央废水处理厂中，在厌氧区和缺氧区中使混合料液混合是连续的，或长时间的连续操作并被短时间的停留所中断是常用的，其主要出于经济原因-节省电力。在生活和小型废水处理厂中，借助于粗气泡曝气或短的微气泡曝气来提供在厌氧和缺氧区中的混合，或借助于混合液的再循环来液压地提供混合。在这些小型厂中，混合在原则上是中断的，其通常与混合液的再循环并行执行。
专利US2003/0183572A1公开了一种通过脱氮除磷的活化过程进行连续废水处理的方法和装置。在WO2007022899A1中公开了借助于流量控制器和整体停留区对可变流量进行均衡的该过程的进一步改进，其目的是使用个别和分散式解决方案的连续修改的活化过程并减少对操作和控制方面的经验和专业知识的需求。
根据US2003/0183572A1和WO2007022899A1的废水净化过程包括在一个生物反应器中的具有未曝气的厌氧发酵区、反硝化区和曝气硝化区以及最终沉降区的活化室，其中所述活化室的厌氧发酵区和反硝化区在连续流动方向上通过上下挡板而分离，同时形成垂直流动迷路(具有从反硝化区到厌氧发酵区的再循环，和回流污泥从最终沉降区到反硝化区的再循环)。在厌氧发酵区和缺氧区中混合液的再循环也提供使混合液混合。通过以下方法来控制活性污泥在厌氧发酵区、反硝化区、硝化区和最终沉降区中的停留时间和浓度：改变混合液再循环进入厌氧发酵区中和回流污泥再循环进入反硝化区中的强度，或者以固定间隔交替进行连续操作和短时间的间歇性再循环操作，所述固定间隔对应于流入生物反应器中的负载的每日波动。鼓风机将加压空气递送到曝气元件，这些曝气元件用于硝化(好氧)区的混合和曝气以及用于使用由来自鼓风机的压缩空气驱动的气升泵使混合液再循环。鼓风机的操作由控制单元来控制，该控制单元包括全天中的间歇及连续操作的预设间隔，即间歇操作的间隔和连续操作的间隔交替，其中它们的交替适应于来自个别来源的废水的日常产生。混合液的再循环和曝气同时进行，其中在鼓风机的连续操作期间，发生厌氧发酵区、缺氧区和好氧区的混合，并且各个区中的污泥浓度均衡。
根据US2003/0183572A1的用于空气分配的设备由鼓风机和具有手动阀的空气分配器组成，这些手动阀用于通过空气分配管道来调节各个元件(气升泵和曝气元件)中的空气分配以均衡各个元件中不同压力损失的影响并设定再循环和曝气的适当强度。经由手动阀在各个元件中进行空气控制的设备需要在向各个元件设定空气分配方面的专业知识和经验。正确的设定对废水处理厂的处理效率和功能性有显著影响。对手动阀不熟练意外的重设会阻止各个元件运行，并由此降低处理效率。另一个主要缺点是：手动阀无法远程重设(如果有必要)而只能在现场手动地重设，或者唯一的选择是远程重设鼓风机操作模式。鼓风机必须具有足够的容量以使得同时能够供气到气升泵并曝气。鼓风机容量更高意味着投资成本更高，并且电能消耗更高。
表1显示了根据专利US2003/0183572A1的基于废水处理方法对生活废水处理厂的效率进行长期测试的结果。该表显示，设备未达到低于10mg/L的所需Ntotal浓度、总磷Ptotal的平均浓度高于3mg/L、脱氮效率约为60%、以及除磷效率仅为约50%。能源需求量为0.28kWh/EO,d(EO-有关人口当量数)。
表1
+混合液的温度≥12℃
在不连续的废水处理系统(SBR过程和作为SBR过程的修改型式(如CASSTM、ICEASTM))中，各个过程也循环运行，因为通过循环地打开及关闭鼓风机和搅拌器实现了活性污泥的厌氧培养条件、缺氧培养条件和好氧培养条件，或使用了使用原废水流入进行的液压混合(ICEASTM过程)。对于这些系统，其特征在于它们不需要活性污泥的再循环(常规SBR系统)，而是仅需要提取多余的污泥和处理过的水，或仅需要低的再循环速率(反应器CAASTM或根据专利WO98/30504的反应器)，因为活性污泥的曝气和分离是在同一个反应器体积中实施的。在SBR系统中，氮和磷还原是通过在废水流入期间在不进行曝气的情况下插入混合阶段来实现，和/或通过在曝气阶段期间循环地进行曝气ON/OFF来实现。
SBR过程的典型阶段如下：
-阶段1-“流入”-在空转阶段期间，通常借助于气升泵，其持续约90分钟，
-阶段1a-“厌氧阶段”-在空转阶段期间，与含有易分解的有机物质的原废水的流入一道，其可以与使用短期或粗气泡曝气或机械搅拌器的偶尔搅拌相结合，
-阶段2-“曝气”-循环长度为180分钟，曝气可以是间歇性的，例如4分钟ON和6分钟OFF，循环长度为10分钟，
-阶段3-“缺氧阶段”-其可以与使用短期或粗气泡曝气或机械搅拌器的偶尔搅拌相关，其持续约60分钟，
-阶段4-“沉淀阶段”–其持续至少90分钟，
-阶段4a-“处理过的废水的提取”-在沉淀阶段期间使用气升泵，
-阶段4b-“多余污泥的提取”-在沉淀阶段期间使用气升泵从底部泵送30cm-40cm。
典型的循环次数是每日6个循环。
发明内容
根据本发明提出的技术解决方案在日、周和季期间水力和有机物质负载明显波动的条件下导致显著改进脱氮除磷的效率，同时与US2003/0183572A1相比，通过改进的废水处理方法显著降低了能量和操作需求，所述改进的废水处理方法使用在厌氧区、缺氧区、好氧区和最终沉降区中发生的过程并通过间歇式操作来控制混合液悬浮固体(MLSS)的曝气、再循环和混合。在长期测试期间，我们观察到，提高生物脱氮除磷的关键因素是MLSS的间歇式曝气、再循环和混合，使得短的曝气周期与短的再循环和混合周期交替。根据这一观察，开始开发一种控制MLSS的曝气、再循环和混合的新方法，并且我们观察到：如果短的曝气脉冲周期及短的再循环和混合周期是异步的，则处理过程的有效性提高，其中一个曝气周期和一个再循环和混合周期表示单个循环，所述单个循环每日重复80至320次，优选范围为每日约160-310次。
基于来自间歇式曝气、再循环和混合的测试的经验，根据此解决方案来确定包括在本技术解决方案中的曝气周期及再循环和混合周期的最佳持续时间：曝气周期的持续时间的范围为0.5至7分钟，优选范围为3至5分钟，以及再循环和混合周期的持续时间的范围为0.5至14分钟，优选范围为1至5分钟。
这些周期的持续时间可以适应于鼓风机、再循环和混合单元的特定类型和容量，其中当选择曝气、再循环和混合周期的持续时间时，重要的是考虑到：在其中厌氧区和缺氧区中没有再循环和混合或者在好氧区没有曝气和混合的短周期期间，活性污泥絮凝颗粒绝不应该完全沉降-以使得在好氧区中以及在厌氧区和缺氧区两者中活性污泥部分地保持处于悬浮;以及在厌氧区和缺氧区中的再循环和混合周期期间，底部和表面处的MLSS浓度之间的浓度梯度没有明显的干扰，在厌氧和缺氧区的再循环和混合周期，在底部和表面处的MLSS浓度之间的浓度梯度没有受到明显的干扰，这可以通过使厌氧区和缺氧区中的MLSS再循环和混合的短周期与好氧区中的MLSS曝气和混合的周期交替来实现，其中在厌氧区和缺氧区中的MLSS再循环和混合周期期间，好氧区中没有发生MLSS的曝气和混合，并且在好氧区中的MLSS曝气和混合周期期间，厌氧区和缺氧区中没有发生MLSS的再循环和混合。
在易降解的挥发性脂肪酸(VFA)底物过量的情况下缺氧区中的反硝化过程的动力学足够快，这是由于生物量的代谢活动增加和以脉冲从好氧区递送至缺氧区的MLSS中的快速酶反应。通过过量易降解的VFA底物和电子受体底物(来自NOx循环的硝酸盐形式的氮)的短期脉冲增加浓度(pulsed increased concentration)两者来支持反硝化在几分钟内的快速发展。当再循环和混合周期的短持续时间不干扰厌氧区底部处的污泥悬浮层(具有氧化还原电位的低值)的显著更高的密度时，通过污泥悬浮层的分层来支持在生物反应器中原位形成过度可降解的VFA底物，由此为聚磷菌中的细胞内存储化合物的积聚创造最佳条件;该过程只持续几分钟。全天中再循环液体的脉冲剂量的幅度由再循环单元的最大可用容量确定，而幅度的最小值可以为零或特定的最小值，例如，在幅度值的5%至49%的区间中。短曝气周期的幅度由鼓风机的最大可用容量确定，而幅度的减小值可以等于零或特定的减小值，例如，曝气幅度的5%至49%。
在再循环期间，再循环液体的脉冲配量可以基于关闭-开启再循环单元或使用变频器、发动机软起动器或具有相似目的的其他设备来连续地改变再循环单元的电动机的旋转频率。在再循环和混合周期期间，混合单元在厌氧区和缺氧区中的短期活化可以基于开启-关闭混合单元或使用变频器、发动机软起动器或具有相似目的的其他设备来连续地改变混合单元的电动机的旋转频率。鼓风机的短期开启-关闭可以直接通过开启-关闭鼓风机或者通过使用变频器、发动机软起动器或具有相似目的的其他设备来连续地改变鼓风机电动机的旋转频率来执行。
使用MLSS再循环和一系列上下挡板的布置(该布置在厌氧区和缺氧区中形成带有栓塞(活塞)流的垂直流动迷路)在厌氧区和缺氧区中混合是优选的，因为这导致污泥悬浮层的自然分层和在厌氧区和缺氧区中在生物反应器底部和表面处的MLSS浓度之间形成浓度梯度，并且支持通过MLSS从底部穿过污泥悬浮层的分层朝向表面的垂直流动从污泥悬浮层中有效洗出产生的易降解的有机VFA物质。。
优选地，通过简单地在具有曝气周期及再循环和混合周期的预定持续时间或每循环的空转周期的持续时间的每日循环时间表之间进行切换，也可以实现适应于生物反应器的负载参数的变化(通过改变废水进水的量和质量)或影响生物处理过程的有效性和效率的其他参数(MLSS温度、废水进水组分的抑制作用等)的变化，其中可以基于假设的更高或更低负载(例如，在生活废水处理厂的情况下，由游客造成的暂时增加的废水产生或节假日期间减少的废水产生)来手动地执行或者基于更大的中央废水处理厂的测量参数(ORP、氧浓度、氮化合物浓度、磷浓度)来自动地执行每日循环时间表之间的这种切换，而这些变化也可以通过远程控制执行。相应的时间表在其每日的总再循环和曝气时间(即再循环比和好氧阶段的持续时间)方面不同。
在优选的解决方案中，通过使曝气周期的持续时间以及再循环和混合周期或每个循环的空转周期波动并使用积分算法，也可以实现适应于生物反应器的负载参数的变化(废水进水的量和质量的变化)或影响生物处理过程的有效性和效率的其他参数(MLSS温度、废水进水组分的抑制作用等)的变化，该算法是基于MLSS的测量值(ORP、氧浓度、氮化合物浓度、磷浓度)根据在处理过的废水中实现目标氮和磷浓度的选定的控制策略来设定的，其中对所测量的参数的测量和评估是在线执行的，并且直接影响在再循环和混合周期以及曝气周期、或空转期间的所确定的间隔内再循环和混合周期以及曝气周期的实际持续时间，其中所选择的控制策略也可以远程控制。
生物反应器的构型(其中具有厌氧区和缺氧区的区段主要具有垂直和活塞流)对于实施控制MLSS的曝气、再循环和混合的新方法是至关重要的，以便减少由MLSS和废水进水的再循环将对污泥悬浮层的分层的干扰减到最小、实现有效地洗出呈短链脂肪酸形式的所产生的易实现底物、和防止磷的二次释放。厌氧区和缺氧区中水力停留时间的足够的持续时间是在生物反应器中的分层污泥层中原位产生过量VFA和完全反硝化的重要参数，其可以通过在1:1:1至1:2:4之间、优选地在1:1:1.5和1:1:2之间的空间分离的厌氧区、缺氧区和好氧区的体积比条件和/或在7至15小时之间、优选地在9至13小时之间的厌氧区中最小水力停留时间来表达。
基本上，由于再循环和混合的快速反复的循环过程，将不发生磷的二次释放，在此期间，活性污泥的沉降絮凝颗粒被重新悬浮，并且微生物变成再循环的MLSS的一部分并反复地暴露于厌氧条件、缺氧条件和好氧条件的快速序列，其中循环计数的范围为80至320，优选为每日160-310次循环。
与US2003/0183572A1的解决方案和现有技术相反，对于在生物反应器中形成分层的污泥层和原位产生过量VFA而言重要的是：根据本技术解决方案，MLSS的连续曝气、再循环和混合以及曝气的长期阶段不包括在日常时间表或控制算法中，再循环和混合异步运行，或者当不发生曝气、再循环或混合时在再循环周期和混合期间之前存在空转周期。控制MLSS的曝气、再循环和混合的新解决方案防止了MLSS的并行进行的再循环和曝气，这在缺乏曝气的情况下显著降低了从好氧区到缺氧区的NOx循环流中的溶解氧的输入，好氧区中的溶解氧的浓度由于同化(即，使用可用的溶解氧作为电子受体底物)而迅速下降。在这个过程包含在曝气周期之后或在再循环和混合周期之前的空转期间的情况下，其被进一步强化。对厌氧区中使污泥悬浮层分层中发生发酵和原位形成过量VFA的支持加速了反硝化过程动力学，其取决于对足够量的易降解底物的获得和对足够量的电子受体底物的获得，在反硝化反应中，这意味着来自NOx循环的氧化氮化合物。对发酵的支持反过来支持厌氧区底部的厌氧环境，因为MLSS的内部循环不会将氧化的氮化合物从缺氧区移动到厌氧区。氧化的氮化合物干扰聚磷菌(PAO)和发酵菌，这些菌仅在足够低的ORP值下和在缺乏氧化的氮化合物的情况下才有效。有效性的长期测试表明，即使处理厂在低负载和高负载的模拟周期和没有废水进水的周期期间处于过载和低负载下，脱氮除磷的有效性也不会降低，这指示曝气、再循环和混合周期的最佳持续时间设定以及足够形成易获得的短链脂肪酸底物。有机物质在分层污泥悬浮层的底部的充足储备(源于来自正常或增加负载的周期的废水进水以及在正常或增加负载的周期期间过量产生的活性污泥的衰减)具有缓冲效应，从而防止由于废水的量和质量的波动导致的磷去除效率的降低，因为即使在临时减少负载的情况下或者在没有废水供给的情况下，它们也能保证足够的VFA产生。
根据这个解决方案，使用压力空气和气升泵进行受控的曝气和MLSS再循环的个别和小型废水处理厂的优点是，不需要使用手动阀来单独地为每个再循环气升泵和曝气元件手动设定再循环强度，并且不需要平衡气升泵和曝气元件之间的压力空气的各种压力损失，因为压力空气被引导到曝气元件回路中或引导到再循环气升泵的回路中。如果有必要使再循环或曝气适合于废水的质量和量(长期游客、假期等)，则可以简单地切换到不同的时间表，而不必重新设定手动阀，并且如果处理厂配备了适当的通信模块(例如GSM模块)，则也可以远程执行此改变。几分钟的短曝气和再循环时间允许灵活变化，优选地每日约160至300个循环，这与具有持续几个小时的循环(例如，4小时循环，即每日6个循环)的现有技术相反。
使用来自鼓风机的压力空气的MLSS曝气和再循环的非同步过程允许节能以操作鼓风机和使用具有更低容量的鼓风机，以便即使在具有活性污泥的连续系统中仍产生压力空气(以Nm3/h为单位)，这降低了投资和运营成本。
使用来自鼓风机的压力空气的MLSS曝气和再循环的非同步过程也改进了脱氮除磷的有效性，因为曝气周期不对应于再循环周期的持续时间，这可以优化再循环泵针对从好氧区到缺氧区的NOx再循环的再循环比以及MLSS在缺氧区和厌氧区之间的内部再循环，而不管在好氧区内部是否需要足够长的曝气周期(每日6-21小时)，由于来自鼓风机的压力空气，这在MLSS的曝气和再循环的并行过程的情况下是不可能的。
优选地，在再循环周期之前插入空转周期，其中鼓风机关闭、曝气关闭以及再循环关闭，这可以进一步改进厌氧区和缺氧区中的污泥悬浮层分层的有效性、减少回流的污泥和NOx循环中的氧浓度并降低用电量。空转周期的持续时间的范围可以在0.5-15分钟内，优选地在2-6分钟内。
对于各个废水处理系统，优选的是使用单个三通螺线管阀将压力空气交替地分配给曝气管和再循环管，其中一个出口端口连接到曝气管，并且另一出口端口连接到MLSS再循环的空气管。
用于在曝气管和再循环管之间替代性地使压力空气改向的设备可以包括各种电动、电磁、液压阀和致动器，并且它们的数量可以取决于废水处理厂的规模和并行处理技术线的数量而变化。再循环单元也可以由不同类型的一个或多个泵表示(特别是在大型废水处理厂中)，并且曝气周期和再循环周期之间的交替可以通过开启-关闭鼓风机和再循环单元或通过减小和增大电动机的旋转频率来执行，这些电动机驱动用于供应压力空气的鼓风机和用于使MLSS再循环的泵。针对连续和不连续活化系统，在表2、表3和表4中比较根据现有技术和根据所呈现的解决方案的再循环和曝气控制方法的技术参数：
表2：再循环和曝气控制-现有技术与所呈现的解决方案的比较。
表3：再循环和曝气控制-现有技术与所呈现的解决方案的比较
表4：厌氧区中的水力停留时间及厌氧区、缺氧区和好氧区之间的体积比-现有技术与所呈现的解决方案的比较
与目前技术水平相比，根据本发明的技术解决方案的优点在于显著改进了生物反应器中的废水处理的有效性(即在日、周和季期间水力和有机物质负载明显波动的条件下显著改进了脱氮除磷的有效性)，并且显著降低了能量以及操作需求。
附图标记用于详细阐述技术解决方案，并且关于保护范围是不限制的，以及所列实例不表示对保护范围的任何限制。
