申请日2005.01.20
公开(公告)日2007.02.07
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明涉及用包含微生物的活性污泥处理水的方法。该方法包括以下步骤：通过使所述活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具有给定特性的水来制备环境适应的生物质混合物，由此所述环境适应的生物质混合物获得引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应的能力;和用能够引起并发反应的环境适应的生物质混合物，在单个反应器中在不高于第一曝气水平的第二曝气水平下处理一部分具有基本上相同的给定特性的水。
权利要求书
1.用包含微生物的活性污泥处理水的方法，其特征在于所述方法包括 如下步骤：
-通过使所述活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具 有给定特性的水来制备环境适应的生物质混合物，由此所述环境适应的生 物质混合物获得引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应的能力;和
-用能够引起所述并发反应的环境适应的生物质混合物，在所述单个反 应器中在不高于所述第一曝气水平的第二曝气水平下处理一部分具有基本 上相同的给定特性的水。
2.根据权利要求1的处理水的方法，其中所述一定量具有给定特性的水 是废水。
3.根据权利要求1或2的处理水的方法，其中所述适应的生物质制备步 骤包括：
-进行基本上由以下步骤组成的起始适应循环处理：(a)将所述一定量的 水以给定流入速率进料到所述活性污泥的溶液中以制备悬浮液混合物的步 骤;(b)在起始曝气水平下进行的曝气步骤;(c)用于分离上清液部分和沉降 部分的沉降步骤;和(d)以基本上等于所述流入速率的流出速率取出所述上 清液部分的步骤，重复所述步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至所述活性污泥可引起 BOD去除反应和硝化反应;和
-进行基本上由上述定义的步骤(a)、(b)、(c)和(d)组成的后续适应循环处 理，除了所述后续适应循环处理中的步骤(b)在低于起始曝气水平的后续曝 气水平下进行，重复步骤(a)、(b)、(c)和(d)直至所述活性污泥可在给定pH值 引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应。
4.根据权利要求3的处理水的方法，其中所述水处理步骤包括：
-进行基本上由以下步骤组成的并发反应循环处理：(a′)将所述部分的水 以给定流入速率进料到所述环境适应的生物质混合物中;(b′)在基本上等于 所述后续曝气水平的第二曝气水平下，在给定pH值进行的曝气步骤;(c′)用 于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤;和(d′)以基本上等于所述流入速 率的流出速率取出所述上清液部分的步骤。
5.根据权利要求3或4的处理水的方法，其中所述给定pH值在6和7之间。
6.根据权利要求3或4的处理水的方法，其中所述给定pH值为大约pH 6.8。
7.根据权利要求1至6中任一项的处理水的方法，其中所述适应的生物 质制备步骤或所述水处理步骤形成约6至8小时的整体处理周期。
8.根据权利要求7的处理水的方法，其中所述曝气步骤(b)或(b′)持续约4 至5小时，并包括以相对于所述悬浮液混合物的体积至少一个体积当量/小时 的曝气速率搅拌所述悬浮液混合物。
9.根据权利要求7或8的处理水的方法，其中所述进料步骤(a)或(a′)，以 及所述取出步骤(d)或(d′)分别持续约30分钟。
10.根据权利要求7至9中任一项的处理水的方法，其中在所述取出步骤 (d)或(d′)中取出的所述上清液部分的量是所述悬浮液混合物总体积的约20 至约30%。
11.根据权利要求7至10中任一项的处理水的方法，其中所述沉降步骤 (c)或(c′)持续约1小时。
12.根据权利要求3至11中任一项的处理水的方法，其中通过将一部分 活性污泥进料到所述反应器中含有的清洁水中制成所述适应的生物质制备 步骤中的所述活性污泥的溶液，以得到具有约1,000至约3,000mg/l的预定悬 浮液比率的悬浮液混合物。
13.根据权利要求3至11中任一项的处理水的方法，其中通过将一部分 活性污泥进料到所述反应器中含有的清洁水中制成所述适应的生物质制备 步骤中的所述活性污泥的溶液，以得到具有约1,500至约2,500mg/l的预定悬 浮液比率的悬浮液混合物。
14.根据权利要求3至13中任一项的处理水的方法，其中所述方法进一 步包括，在所述取出步骤(d)或(d′)之后，当pH低于所述给定值时，降低在所 述曝气步骤(b)或(b′)中使用的曝气速率的步骤。
15.根据权利要求3至13中任一项的处理水的方法，其中所述方法进一 步包括，在所述取出步骤(d)或(d′)之后，当pH高于所述给定值时，增加在所 述曝气步骤(b)或(b′)中使用的曝气速率的步骤。
16.根据权利要求14或15的处理水的方法，其中所述降低或增加步骤包 括使用变频器并通过降低或增加频率改变所述曝气设备的旋转。
17.根据权利要求16的处理水的方法，其中用于改变所述曝气设备的旋 转的频率最低保持在约20Hz。
18.根据权利要求3至17中任一项的处理水的方法，其中所述沉降步骤 (c)或(c′)包括测量溶解氧浓度，和当所述测定浓度指示氧饱和度比率低于约 25%时，从所述反应器中提取部分的所述沉降部分。
19.根据权利要求3至18中任一项的处理水的方法，其中通过从所述反 应器中提取部分的所述沉降部分将所述悬浮液混合物的温度保持在约10℃- 约20℃。
20.用包含微生物的活性污泥处理水的系统，其特征在于该系统包括：
-单个反应器;
-通过使所述活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具 有给定特性的水来制备环境适应的生物质混合物的装置，由此所述环境适 应的生物质混合物获得引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应的能力; 和
-用能够引起所述并发反应的环境适应的生物质混合物，在所述单个反 应器中在不高于所述第一曝气水平的第二曝气水平下处理一部分具有基本 上相同的给定特性的水的装置;
所述系统适用于进行根据权利要求1至19中任一项的方法。
21.根据权利要求20的用于处理水的系统，其中用于制备环境适应的生 物质混合物的所述装置包括用于进行以下步骤的设备：
-基本上由以下步骤组成的起始适应循环处理：(a)将所述一定量的水以 给定流入速率进料到所述活性污泥的溶液中以制备悬浮液混合物的步骤;(b) 在起始水平曝气下进行的曝气步骤;(c)用于分离上清液部分和沉降部分的 沉降步骤;和(d)以基本上等于所述流入速率的流出速率取出所述上清液部 分的步骤，重复所述步骤(a)、(b)、(c)和(d)直至所述活性污泥可引起BOD去 除反应和硝化反应;和
-基本上由上述定义的步骤(a)、(b)、(c)和(d)组成的后续适应循环处理， 除了所述后续适应循环处理中的步骤(b)在低于所述起始曝气水平的后续曝 气水平下进行，重复所述步骤(a)、(b)、(c)和(d)直至所述活性污泥可在给定 pH值引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应。
22.根据权利要求21的用于处理水的系统，其中用于处理一部分水的所 述装置包括进行基本上由以下步骤组成的并发反应循环处理的设备：(a′)将 所述部分的水以给定的流入速率进料到所述环境适应的生物质混合物中的 步骤;(b′)在基本上等于所述后续曝气水平的第二曝气水平下，在给定pH值 进行的曝气步骤;(c′)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤;和(d′) 以基本上等于所述流入速率的流出速率取出所述上清液部分的步骤。
23.用于处理水的装置，其包括根据权利要求20至22中任一项的体系。
说明书
利用活性污泥的水处理
本发明一般涉及水处理，如废水处理的领域。可通过本发明处理的水 包括，例如，污水(sewage)，饲养废水(breeding waste water)，养猪废水(hog breeding waste water)，人废水(human waste water)，家庭废水(household waste water)，农业废水(agriculture waste water)，淀粉工业废水(starch industry)， 食品加工废水(food processing waste water)和林业废水(forestry waste water)。 本发明涉及一种通过活性污泥用于处理这些水的方法。根据本发明的方法 包括环境适应(或适应化)的微生物，和通过这些适应化的微生物来硝化和去 硝化废水。本方法的特征尤其在于，在处理的适应化阶段在同一反应器中， 优选在强曝气(aeration)下引起一系列反应。
过去，许多科学家已经研究了在微生物中所进行的硝化和去硝化反应 以说明氮循环。大部分所得结果由A.J.Kluyver和C.B.von Niel在题为″The Microbe’s Contribution to Biology(微生物对生物学的贡献)″(1956年由 Harvard University Press，Cambridge Massachusetts USA出版)的书中概述。 该综述给出了关于用来生长微生物的环境条件和其适应环境的能力的实验 细节。
用于分析堆积在污染的封闭水系统中的污泥的方法由日本环境署(The Environment Agency of Japan)开发并在1985年由日本环境分析协会(The Japanese Society for Environmental Analysis)在题为″Ways of Evaluating Underwater Sediments and Commentary on the Results(评估水下沉积物的方 式和对结果的说明)″的报告中出版。
另外，微生物去硝化反应由H.Kishi应用于废水处理，其结果在1985年 在题为″Hybrid Lagoon System(混合池系统)″(由农村环境研究协会(Rural Environment Research Association)编辑，Tokyo，日本)的文件中出版。该文 件公开了一种新的模型水利用系统，其中将具体测量和曝气装置用于控制 废水处理。那些装置是实施微生物去硝化技术和建立有效废水处理技术所 必需的。
另外，构思出一种新的废水处理方法并应用于微生物去硝化反应，且 所得结果由H.Kishi在1991年在题为″Experimental Report on Water-Bottom Sediment Purification in Marsh Furukawa(关于Marsh Furukawa的水底沉积物 纯化的实验报告)″(由运输部(Ministry of Transport)编辑，第15届美日专家会 议(15th US-JAPAN Expert Meeting))的报告中出版。根据该报告，有害的水下 沉积物可作为包含大量氧的生物活性污泥被回收，和返回至封闭用水系统。 因此，缺少氧的淤泥的问题得到解决并得到一种新的生态系统。
在以上已有技术中，去硝化装置是在连续活性污泥方法(continuous activated sludge method)的基础上构思的。这些方法一般包括一系列装置， 即BOD去除装置，硝化装置和去硝化装置。换句话说，三种反应在不同的 反应器中进行。
但上述连续去硝化装置需要复杂的结构和许多种类的试剂，因此消耗 大量能量。
例如，有一种三步去硝化系统，其中BOD去除反应器，硝化反应器和 去硝化反应器串联排列。在USA试验的该系统需要复杂的设备，且必须加 入甲醇。另外，它消耗许多能量和增加社会负担。
最近，还构思出基于半反馈型(half-feed-back-type)活性污泥方法原理的 废水处理场所。用于该方法的反应器称作″半批式反应器″和称作″SBR″。根 据该原理，废水的性质事先被分析，并使用模型模拟出用于废水处理的最 佳条件。该模型因此作为专有技术(know how)使用。
系统″SBR″通过引入时间因素和进行间歇曝气而控制。尽管自动操作， 但这种控制方法需要在预定条件下引起去硝化反应。因此，该方法不基于 其中在操作条件下的参数被实时反馈的自动控制系统。结果，该系统在遇 到外部或内部扰动(turbulence)或变化时不能保持最佳条件。
因此迄今不存在这样的技术：关于微生物反应的数据无需使用数学或逻 辑分析而被反馈，且微生物去硝化反应是完全自控的。
相反，根据本发明，采用活性污泥以获得共存于单个反应器或池(lagoon) 中的硝化和去硝化两种功能。活性污泥还变得对外部参数如活性污泥的量、 底物和温度的变化自响应(self-responsive)。另外，本发明的方法使得微生物 去硝化活性能够保持在高水平。
本发明的一个目的是减少废水处理装置在操作时产生的巨大的能量和 试剂消耗，由此减轻社区或市政当局相当多的经济负担。
另一目的是通过培养各种类型的微生物而保持没有外部扰动的稳定的 去硝化功能，其中每种微生物具有不同的自主的性质，和不同的适应能力、 时间-延迟性质(time-lag behaviour)和结构和功能性分级，以及在相互作用时 的不同的趋势。确实，这些因素难以通过数学和分析预知方法而预见。
为此，提供了一种用包含微生物的活性污泥处理水的方法。该方法包 括以下步骤：
-通过使活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具有给 定特性的水而制备环境适应的生物质混合物，这样环境适应的生物质混合 物获得引起BOD去除，硝化和去硝化的并发反应(concurrent reaction)的能 力;和
-将一部分具有基本上相同的给定特性的水用能够引起并发反应的环境 适应的生物质混合物，在单个反应器中在不高于第一曝气水平的第二曝气 水平下处理。
通常，所述具有给定特性的一些水是废水。
优选，适应的生物质制备步骤包括：
-进行基本上由以下步骤组成的起始适应循环处理：(a)在将所述一些水 以给定流入速率(inflow rate)进料到活性污泥的溶液中以制备悬浮液混合物 的步骤;(b)在起始曝气水平下进行的曝气步骤;(c)用于分离上清液部分和 沉降部分的沉降步骤;和(d)以基本上等于流入速率的流出速率取出上清液 部分的步骤，重复步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至活性污泥可引起BOD去除反应 和硝化反应;和
-进行基本上由以上定义的步骤(a)，(b)，(c)，和(d)组成的随后适应循环 处理，除了所述随后适应循环处理中的步骤(b)在低于起始曝气水平的随后 曝气水平下进行，重复步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至活性污泥可在给定pH值下 引起BOD去除，硝化和去硝化的并发反应。
还优选，水处理步骤包括：
-进行基本上由以下步骤组成的并发反应循环处理：(a′)将所述部分的水 以给定流入速率进料到环境适应的生物质混合物;(b′)在基本上等于随后曝 气水平的第二曝气水平下，在给定pH值下进行的曝气步骤;(c′)用于分离上 清液部分和沉降部分的沉降步骤;和(d′)以基本上等于流入速率的流出速率 取出上清液部分的步骤。
合适地，给定pH值在6和7之间。
还合适地，给定pH值是约pH 6.8。
通常，适应的生物质制备步骤或水处理步骤形成约6至8小时的整体处 理循环(unitary treatment cycle)。
还通常，曝气步骤(b)或(b′)持续约4至5小时并包括以相对于悬浮液混合 物体积的至少一个体积当量/小时的曝气速率搅拌该悬浮液混合物。
通常进一步，加料步骤(a)或(a′)，以及取出步骤(d)或(d′)分别持续约30 分钟。
优选，在取出步骤(d)或(d′)中取出的上清液部分的量是悬浮液混合物的 总体积的约20至约30%。
还优选，沉降步骤(c)或(c′)持续约1小时。
合适地，适应的生物质制备步骤中的活性污泥溶液通过将一部分活性 污泥进料到包含在反应器中的清洁水中而制成，这样得到具有预定悬浮液 比率约1,000至约3,000mg/l的悬浮液混合物。
还合适地，适应的生物质制备步骤中的活性污泥溶液通过将一部分活 性污泥进料到包含在反应器中的清洁水中而制成，这样得到具有预定悬浮 液比率约1,500至约2,500mg/l的悬浮液混合物。
该方法可进一步包括，在取出步骤(d)或(d′)之后，当pH低于给定值时， 降低在曝气步骤(b)或(b′)中使用的曝气速率的步骤。
可替换地，该方法可进一步包括，在取出步骤(d)或(d′)之后，当pH超过 给定值时，增加在曝气步骤(b)或(b′)中使用的曝气速率的步骤。
优选，所述降低或增加步骤包含使用变频器(frequency converter)和通过 降低或增加频率而改变曝气设备的旋转(revolution)。
优选，用于改变曝气设备旋转的频率最低保持在约20Hz。
合适地，沉降步骤(c)或(c′)包括测量溶解氧浓度，和当测定浓度表示氧 饱和度比率低于约25%时从反应器中提取部分的沉降部分。
还合适地，悬浮液混合物的温度通过从反应器中提取部分的沉降部分 而保持在约10℃和约20℃之间。
本发明还涉及用包含微生物的活性污泥处理水的系统。该系统包括：
-单个反应器;
-通过使活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具有给 定特性的水而用于制备环境适应的生物质混合物的装置，这样环境适应的 生物质混合物获得引起BOD去除，硝化和去硝化的并发反应的能力;和
-用于将一部分具有基本上相同的给定特性的水用能够引起并发反应的 环境适应的生物质混合物，在单个反应器中在不高于第一曝气水平的第二 曝气水平下进行处理的装置。
该系统适用于实施上述方法。
优选，用于制备环境适应的生物质混合物的装置包括用于进行以下处 理的装置：
-基本上由以下步骤组成的起始适应循环处理：(a)将所述一些水以给定 流入速率进料到活性污泥的溶液中以制备悬浮液混合物的步骤;(b)在起始 水平曝气下进行的曝气步骤;(c)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步 骤;和(d)以基本上等于流入速率的流出速率取出上清液部分的步骤，重复 步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至活性污泥可引起BOD去除反应和硝化反应;和
-基本上由以上定义的步骤(a)，(b)，(c)，和(d)组成的随后适应循环处理， 除了所述随后适应循环处理中的步骤(b)在低于起始曝气水平的随后曝气水 平下进行，重复步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至活性污泥可在给定pH值下引起BOD 去除，硝化和去硝化的并发反应。
还优选，用于处理一部分水的装置包括用于进行基本上由以下步骤组 成的并发反应循环处理的装置：(a′)将所述部分的水以给定流入速率进料到 环境适应的生物质混合物;(b′)在基本上等于随后曝气水平的第二曝气水平 下，在给定pH值下进行的曝气步骤;(c′)用于分离上清液部分和沉降部分的 沉降步骤;和(d′)以基本上等于流入速率的流出速率下取出上清液部分的步 骤。
本发明进一步涉及包含上述系统的用于处理水的装置。
根据以上可以理解，本发明方法具有以下技术特点：
-将从连续废水处理装置中提取的一部分活性污泥在反应器或池中适应 化，这样BOD去除功能，硝化和去硝化功能相应地在微生物中产生;
-微生物去硝化，以及BOD去除和硝化在相同的单个反应器或池中进行;
-使BOD去除，硝化和去硝化功能在废水处理过程中共存在同一反应器 或池中;
-即使外部参数改变，可保持去硝化反应;
-活性污泥的活性在最佳曝气范围内被优化;
-不使用数学或逻辑分析;
-微生物的自主性质被充分利用以使微生物活性的时间延迟最小化;
-不使用试剂，这样取消了用于加入添加剂的设备;
-异常情形被检测和自动校正，去硝化功能因此自动恢复到其正常水平; 和
-该处理方法基于分级组织的结构和不同种类的微生物的功能。
利用这些特点，得到以下结果：
-即使污水流入量从设计能力值的20波动至100%，也可保持90%的去硝 化能力;
-即使悬浮液混合物的温度降至10℃或更低，污泥的量被优化而且其去 硝化功能可被保持;和
-与已有技术相比，用于去硝化的能量成本削减35-50%。
熟知的是，微生物的寿命活性(新陈代谢和分解代谢)需要多维的，非线 性反应，使得微生物能够响应环境的变化。尤其是，其去硝化功能包括排 列在分级结构中的适应机制(adaptation mechanism)。对这些机制的自动控制 因此显得很难。
本发明意欲通过除了其BOD去除，硝化和去硝化功能之外还诱导其″隐 藏的″辅助能力，从而控制这些微生物的生长环境。
为了实现这些目的，本发明应用了″SBR″过程的原理，并将一种优化微 生物的去硝化功能的新方法进行实际使用。
本发明采用包括多个按等级排列的结构的混合微生物种群，并使该混 合微生物种群适应。
另外，该新方法被设计成通过使用经验(不是数学)知识而优化微生物去 硝化功能。该方法的特征在于无需水质量分析、无需曝气率计算、无需对 活性污泥的定性或定量分析，或基于数学或统计分析的预测。其技术特点 包括安装自学习(self-learning)控制系统，该系统使用常用于SBR过程的参数 如溶解氧(DO)，pH，氧还原电位(oxygen reduction potential)(ORP)和对波形 的观察/分析而用于优化曝气量和活性污泥。
