申请日1996.06.21
公开(公告)日1998.09.16
IPC分类号C02F3/12; C02F3/30; C02F3/20
摘要
公开了用一个或一组液体彼此相通的反应器处理废料以除掉其中选定的成分的方法和装置,该反应器接受待处理废料作为进料。进料形成包括废料和微生物的生物物质,并用监测该生物物质的耗氧速率或潜在耗氧速率来处理该进水,以确定应送入生物物质所需的氧量和生物物质的曝气时间,来保持预定的耗氧速率,除掉废料中选定的成分。优选选择的待除掉成分是含氮、含碳和/或含生物磷的物料或衍生物。
権利要求書
1.一种通过控制含有废料的生物物质的微生物代谢速率来处理污水的 方法，来在排出处理水之前去除废水中的成分，该方法的特征在于，至少测 定一个该生物物质氧利用速率以确定供给该生物物质所需的氧量和由氧来监 控该生物物质的曝气时间，以维持为达到去除这些组份所设定的氧利用速 率。
2.根据权利1的一种方法，其特征在于，废料为废水，典型地系指生活 污水、工业、商业废水或者类似的废水，包括人类排泄物、洗澡废水、洗衣 废水和食品加工废水(包括些废水的部分成分)。
3.根据权利1或2的一种方法，其特征在于，该生物物质是活性污泥。
4.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，该工艺过程在一个 或多个反应器如池子、容器等中进行。
5.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，该反应器为容积可 变的活性污泥反应器。
6.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，至少有二个液体相 互连通的反应器。
7.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，最后一个反应器为 主反应器，其所占容积为整个池子容积的50%以上。
8.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，该方法以曝气和非 曝气时间阶段顺序进行操作。
9.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在非曝气阶段能够 将最大至40%的池子容积的上清液排出系统，处理出水不受反应器沉淀污泥 层中已沉淀污泥颗粒的污染。
10.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在反应器的池子 底部或靠近池子底部设有扩散曝气栅条。
11.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在反应器中至少 设有二根供气下降管和二个电机操作控制阀门。
12.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，根据设定的曝气 阶段交替开启和关闭电机操作控制阀门。
13.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在设定的曝气阶 段，所有电机操作控制阀门的运行可以同步进行。
14.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，通过输送泵将主 反应器中的泥水悬浮液再循环至第一个反应器，并使入流污水在进入反应器 前或进入同时，与其进行混合。
15.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，进水和主反应器 泥水悬浮液的混合物流入主反应器。
16.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，进入主反应器液 流的净氧化还原电位值在-150mV至-200mV之间(相对于氢参考电极)。
17.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在曝气阶段，最 大可至反应器容积40%的进水量进入混合反应器。
18.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，与入流污水混合 的主反应器的混合液量足以在80分钟内产生-150mV至-200mV的氧化还 原电位值。
19.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，一部分主反应器 混合液由泵输送至第一反应器，但不与入流废水进行混合。
20.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，初始反应器的混 合液朝主反应器方向流动。
21.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，主反应器中的污 泥的氧化还原电位值在进入非曝气阶段后的90分钟时间内基本上下降到- 150mV至-200mV的范围。
22.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在反应器容积为 60%时的生物活性污泥浓度约为5000mg/L。
23.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，该生物物质间隙 曝气和间隙滗析。
24.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，生物可降解物质 的去除速率达到最大。
25.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，该生物物质具有 恒定的容积，并连续曝气。
26.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，反应器形式可以 为斜坡土墙的塘式构造、混凝土加强墙、内衬薄膜或挡土墙或采用混凝土墙 容器或钢结构容器。
27.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，该生物物质在供 气或供氧结束后尚能保持运动10分钟以下。
28.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在曝气阶段停止 后，以10至20秒的时间间隔现场直接自动测定溶解氧浓度值。
29.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，溶解氧传感器现 场测定该生物物质的氧利用速率，来自动控制和调节供氧设备如泵、鼓风机 对系统的供氧量。
30.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在入流污水进入 反应器期间，开始并连续进行曝气。
31.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，操作循环时间为 4小时，其中曝气时间为2小时。
32.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在停止曝气后的 开始一段时间，自动测定和计算溶解氧浓度的下降速率。
33.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，应用自动控制、 数学计算、初级测定传感器，包括部分或组合地测定液位、液体温度、沉降 泥面、溶解氧浓度、氧化还原电位值、氨氮、硝酸盐氮、溶解性磷、时间等 进行工艺运行。
34.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在曝气阶段开始 时对主反应器的一个断面进行曝气。
35.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，利用主反应器一 个断面的生物物质来测定曝气阶段开始时的溶解氧浓度增加的变化速率。
36.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，几个反应器之间 的液体是相互连通的。
37.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，至少有一个反应 器具有多个区域。
38.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，氧测定仪为电子 氧传感器，来测定氧浓度的变化速率，并输出4-20毫安的一级控制信号。
39.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，调节在污水处理 和曝气阶段其中溶解氧的浓度。
40.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，通过调节曝气阶 段的时间长度和/或调节曝气阶段的空气流量来自动控制溶解氧浓度。
41.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，溶解氧传感器安 装在主反应器中，优选离开主反应器池底约30厘米，或者安装在将主反应器 混合液回流至进水混合反应器的回流管道内(满管流)。
42.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，对于典型生活污 水处理，活性污泥的氮负荷为0.01kgTKN/kg MLSS/M2/d。
43.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，对于典型生活污 水处理，活性污泥的总磷负荷为0.002kg P/kg MLSSm2/d。
44.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，固体物浓度的面 积负荷可达20kg MLSS/m2(反应器面积)。
45.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，曝气阶段75%的 时间内，主反应器中溶解氧浓度控制在平均0.7mg/L以下;在剩余的曝气时 间内溶解氧浓度控制在2-3mg/L之间。
46.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，控制日供氧量使 其至少能满足从待处理污水中去除需氧物质所要求的化学计量需氧量。
47.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，它还包括：
在活性污泥生物处理污水中在对废水的成分和浓度已经适应的微生物 存在下对废水进行微生物处理;并包括
能至少将氨氮转化为亚硝酸态氮的硝化微生物，和
能对亚硝酸态氮进行反硝化的兼性微生物，以及任选地能将亚硝酸态氮 转化为硝酸盐氮的硝化微生物，和
能将硝酸态氮还原至亚硝酸态氮直至氮气的兼性微生物和能生物去除 溶解性磷的除磷微生物。
48.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在曝气阶段中止 时，测定和记录主反应器的混合液固体物浓度，测定、分析供氧结束后耗氧 速率;测定反应器进水阀门关闭时(加上二分钟)反应器内的水位。
49.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，对所测定的工艺 数据进行处理并用来确定：
排泥泵的运转时间，
下一循环曝气阶段的时间，
下一循环空气质量流量，
调节溶解氧浓度的设定点，
这样使工艺条件能足够地维持上一个曝气阶段结束时主反应器中设定 点的耗氧速率。
50.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，主反应器中的溶解 氧浓度维持在足够低的水平，以有利于通过亚硝化机理进行除氮的工艺过程。
51.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，部分或全部氧转 移设备可以为反应器提供足够的混合强度。
52.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，氮、磷营养盐物 质加入到入流废水中。
53.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，对进水的pH值 进行调节。
54.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，除磷药剂加入到 主反应器中。
55.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，磷和/或氮营养盐 物质加入到入流废水中。
56.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，磷、氮营养盐物 质加入到入流污水中，并对进水pH进行调节。
57.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，第一个反应器可 以具有任意分格，如分为2格、3格、4格、5格或更多。
58.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，混合液流经第一 反应池底部时其所产生的混合能量至少为通过第一反应池液体表面时产生的 混合能量的三倍，以对混合产生局部能量脉冲作用。
59.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，利用80%生物固 体物和20%进水混合液所测得的生物物质潜在耗氧速率为通过在池子中测 定溶解氧所测定和计算的生物物质耗氧速率的三倍以上。
60.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，可设置多个单元， 每个单元至少由二个以上、液体上相互连通的反应容器组成。
61.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在二个反应器的 一个反应器中的生物物质包括固定或流动介质上附着生长的微生物。
62.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，废水含有高浓度 的硫酸盐和硫化物。
63.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，主反应器中的溶 解氧浓度控制在3mg/L/以下。
64.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，所设定的耗氧速 率通过试验求得，其值在10±2mgO2/gVSS/天/左右。
65.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，从废水中待去除 的物质为氮、碳、或生物磷或者这些物质的混合物，包括含有这些物质的衍 生物和含有这些物质的材料。
66.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，去除的氮以 TKN、NH4-N、NO2-N、NO3-N计;去除的碳以COD、BOD、 TOC计;去除的磷以PO4-P计。
67.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，有四个反应器， 和一个将进水分配到各个反应器的配水装置。
68.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，进水入口位于反 应器的一端，滗析装置位于反应器的另一端;或者进水入口位于反应器的中 部，滗析装置位于或朝着反应器的相反端壁上。
69.根据上述任何一项权利的一种方法，其特征在于，在初始混合反应 器中耗氧速率或潜在耗氧速率值至少在20mgO2/gVSS/小时。
70.一种自动控制含有废料的生物物质代谢速率的污水处理装置，从而 能在排放处理废料前，去除废料中的选择性组份，其特征在于该设备包括一 个能使废料与起生物活性降解作用的微生物保持接触的主反应器，一个接纳 废料使其进入反应池的设施、一个可使空气转移到主反应器的氧转移设备、 一个操作所说的运行阶段和功能的控制设备，一个溶解氧监测设备以测定主 反应器中溶解氧浓度的相对变化，和一个控制进入到主反应器中氧量的控制 设备，从而使微生物的活性基本上不会由于主反应器中的供氧量的限制，其 中溶解氧的测定直接在主反应器中进行。
71.是根据权利70的一种装置，其特征在于，对于实施权利1至69任 何一种方法都是有用的。
72.含有权利70或71设备的污水处理设备。
73.应用权利1至69中任何一个方法的污水处理设备。
74.一种实质上根据任意一个附图所描述的方法。
75.一种实质上根据任意一个附图所描述的装置。
76.一个实质上根据任意一个附图所描述的设备。
77.根据上述权利，一种含有一个或多个自控步骤、要素、特性的方法， 设备和装置。
说明书
通过监测耗氧量速率来 控制废水处理
本发明总的来说是关于改进废水处理技术，尤其是关于利用微生物和在
间歇曝气间歇倾析、容积可变的活性污泥的反应器中对微生物代谢活性予以
控制的装置的废水处理工艺。更具体地，本发明是关于控制悬浮生长微生物
代谢活性的一种方法和设备，根据测定池内生物物质(biomass)的耗氧速率从
而控制供氧以达到从废水中去除碳或含碳材料(以化学需用量，生化需氧量
COD，总有机碳量BOD，TOC计)、去除氮(以总(TKN)NH3-N，NO2-N，
NO3-N计)和去除磷(以PO4计)等物质。本发明特别应用于处理生活污水、
工业废水及其混合污水。本发明着重说明通过优化单活性污泥过程中所用的
微生物的代谢活性以达到最大速率地去除废水中的生物可降解物质。已认识
到，在所有微生物同生群中至少需要有四大类微生物参与废水处理过程。主
要分为最终(net)去除碳水化合物的微生物;能将含氮化合物氧化为硝酸盐氮
的微生物;能将硝酸盐反硝化为氮气的微生物以及能参与强化生物除磷和将
易降解挥发性固体物质转化为溶解性基质的微生物。在构成生物物质的总同
生群中，微生物种群可多达20000种。
尽管本发明在描述时将针对生活污水和工业废水的处理及其处理方
法，但本技术熟练人员应该认识到，该发明将不仅仅限于这些应用，有可能
应用于处理任何生物可降解的废水或者任何类型的包括含有水和含有特殊污
染物的废弃物处理。
传统活性污泥处理需要一些具体的监控参数，在此基础上建立工艺控制
方法以满足处理要求。典型地，对于本领域技术人员是已知的，这些测定包
括进水和出水的总生化需氧量(BOD)、总化学需氧量(COD)、溶解性BOD、
溶解性COD、总氮量(TKN)、有机氮、硝酸态氮、正磷酸盐浓度、总磷酸盐
浓度、pH值、碱度。在曝气池池子中的测定包括溶解氧浓度、混合液悬浮
固体物浓度、混合液挥发性悬浮固体物浓度、污泥沉降体积、生物物质可降
解所占的比例(对生物物质经过28天需氧消化而测得)。一些简单的参数包括
测定潜在氧利用率和实际氧利用率往往用于可变容积单活性污泥反应器的自
动控制和运行，以得到很高浓度的碳、氮、磷等物质的去除，同时不产生污
泥膨胀。
本发明系活性污泥污水处理技术、其构造为完全混合式操作的主反应
器。尽管在本发明中可变容积间歇曝气间歇倾析分批进料的工艺操作将作为
优选的具体实施方案予以说明，但该技术也适用于容积恒定的连续曝气的完
全混合式操作。本发明的关键词为分批进料、间歇曝气、完全混合、反应器
池子。在本发明中可能会有多个串联活性污泥反应器，反应器之间通过管道
或其他方法相互连通，在所述反应器之间设或不设使流体中断设施。串联反
应池的最后一个反应池称为主反应池，生物处理的出水即从主反应池中排
出。对于本领域熟练技术人员是很明显的，该反应器也可以采用斜坡墙的塘
式构造，墙体可以采用土墙、混凝土稳定墙、内衬薄膜的或混凝土墙或采用
传统的加固钢筋混凝土墙以及钢结构池子形式。需要指出尽管可能会优先考
虑某些池子形状及其池子的尺寸比例，根据本发明的说明书，本技术可应用
于任何几何形状的池子(方形，矩形，圆形)。
本领域熟练技术人员已充分认识到，为达到生物硝化、反硝化和强化生
物除磷的目的，需要满足一些反应条件。特别是硝化反应需要提供足够的无
机碳源，通过生物途径去除磷，要求一定的选择性反应条件以使这些必要的
微生物在系统中增殖。在这些要求中，含有挥发性脂肪酸的基质(或更为通常
地称为可降解可溶基质)是优选的。此外，尚要求一些反应条件如污泥循环经
过需氧和厌氧条件。由于引起某些生物反应的厌氧程度是不同的，故在利用
这些术语时有必要对此作出更为精确的定义。在氧和亚硝酸盐、硝酸盐等不
存在时，在目前的专业术语中尚不能足够地描述厌氧达到何种程度将会产生
生物除磷效果。在周期式活性污泥过程中，通过相对简单的进水阶段和曝气
阶段操作可以使单一活性污泥种群经历需氧、缺氧和厌氧反应条件，故厌氧
反应条件在应用于周期式活性污泥处理时应予以更精确的定义。当活性污泥
顺序经过厌氧、缺氧和需氧条件时，活性污泥的选择性压力主要由其所置于
的高浓度乙酸盐基质负荷压力所决定。缺少硝酸盐和溶解的氧浓度不足以说
明能引起有关微生物种群释放其所含有的聚磷(Polyp)的厌氧条件。根据传统
的知识，通常可用总(bulk)液体氧化还原电位来描述合适的反应条件(相对于
氢或氯化银标准电极测定的EMF值)。因此，为保证达到一个可定义的厌氧
程度以满足磷酸盐释放的条件，氧化还原电位值应足够地低(相对于氢电极为
-150mV)。业已发现，氧化还原电位ORP由正值(氧化态)向负值(还原态)的下
降速率与生物污泥的代谢活性有关。代谢活性与保持在培养物内的胞内残余
贮存物质的数量有关。利用此概念，一种在氧化条件下耗氧速率较高的生物
物质当氧化剂(氧)除去后，其ORP的下速率也较快。一种耗氧速率较低的生
物物质相应地其ORP的下降速率也较低。当氧化还原值约为比硫酸盐还原为
硫化物时氧化还原电位值高250mV时，出现磷的生物释放。在本技术的实施
中，当采用其他传统容积恒定的工艺时，需确定一个水停留时间值作为确保
合适反应条件的手段。通过研究、试验，发现了描述工艺的一系列参数，单
一活性污泥实际耗氧速率可以用来说明能确保可靠连续满足工艺处理结果的
反应条件。将这些控制参数应用到优选实施方案的运行过程时可使整个工艺
比一般所接受的传统方法更为经济，而且运行将大大地得到简化。主要的参
数是用氧利用率(OUR)以及潜在氧利用率(POUR)来衡量的生物物质的总活
性水平。利用这些参数进行工艺控制可利用设定值来取得可靠地去除污染物
质和营养物质，同时可产生具有优异的固-液分离性能的生物物质。
因此，本发明的目的之一是为废水处理提供一种方法和设备，以通过更
为密切地监测工艺条件和与生物物质活性有关的参数如氧利用率(包括潜在
氧利用率)等，来至少减少一个或多个现有方法和设备所存在的问题。
本发明提供了一种通过控制含有污染物的生物物质的微生物代谢活性
来处理废水的方法，以在排出处理水之前去除污水中的选定组份，该方法的
特征是至少需监测一个该生物物质氧利用率以确定供给活性污泥的需氧量以
及需要监测一个曝气阶段的氧浓度以维持所设定的氧利用率，来满足对污染
物的去除效果。
本发明的一个内容是确定活性污泥反应器的池子尺寸和运行方法以及
通过测定主反应器中活性污泥的代谢活性自动优化供给反应器的氧量。污泥
的代谢活性由测定主反应器在曝气阶段接近结束或在结束时的实际氧利用速
率来表示。对主反应器停止曝气后，其池内混合液的混合作用将维持约十分
钟左右，自然混合过程将随时间而逐渐下降。每隔10或20秒的时间间隔测
定并监测池子中的溶解氧浓度值。至少需测定十个数据点，经数学处理可以
得到一个最佳拟合的曲线斜率，此斜率值反映了初期溶解氧浓度的下降速
率，因此反映了污泥的名义实际氧利用速率。将这些测定值对循环中的池子
容积、容积负荷、活性测定和循环期间测得的最大容积氧浓度绘制成曲线。
同时记录溶解氧浓度和鼓风机转速变化情况。本发明是维持生物物质(混合菌
种微生物)，通过最佳供氧，使该生物物质具有可选择的最佳生物活性，生物
活性是根据氧利用率、挥发性悬浮固体物含量、以及可降解挥发性悬浮固体
物含量(见后述)所测定。溶解氧探头测定现场生物物质的氧利用率以用于控
制和调节空气输入泵或压缩机所提供的氧量。在所建议的优选实施方案中，
主反应器中的反应条件由曝气至非曝气阶段可以有不同排定顺序的方法。在
连续曝气阶段池子将同时进水，然后停止曝气，主反应池子中的生物物质开
始沉淀，沉淀过程完成后，把上清液从主反应器中排出。本发明的操作类似
于顺序进行的间歇曝气工艺。在排水阶段结束后，主反应器进入下一循环。
再次开始进未处理废水和曝气，直至曝气阶段再度结束。典型的一个整循环
操作时间为4小时，其中曝气阶段为2小时，也可以使用其他时间组合。熟
悉本技术的人容易认识到，视具体情况也可采用其他的循环时间和循环阶段
时间。在此过程中，需进行二次测定，其一是在曝气停止后初期几分钟的溶
解氧浓度的降速率，如曝气阶段分多次曝气，则也可测定各次曝气结束后溶
解氧浓度下降速率的中间值。其二是当曝气再次开启时在设定的时间内(这是
一个变量，每个污水设备均需设定，经一检查校正过程后，很少再需要调节)，
供给池子或池子某一区域最大空气流量，测定此时的溶解氧浓度的增加速
率。并确定溶解氧浓度增加或减少的变化速率(dO2/dt)和生物物质沉降的浓度
变化速率(dMLSS/dt)之间的关系，这里O2是指溶解氧浓度，MLSS是指活性
污泥浓度。当曝气停止后，溶解氧浓度和污泥浓度均会随着时间而变化。类
似地，在曝气开始的初期阶段溶解氧浓度和污泥浓度也会随时间而变化。在
优选实施方案中，系统的主反应器设置几组曝气装置和布气管线以在曝气开
始时提供更为有效的几个混合反应区域。在曝气阶段开始时，一般先对主曝
气池内的一个小部分进行曝气。在这个初期曝气混合的区域中生物物质将被
用来测定曝气开始时溶解氧浓度增加的变化速率。在优选实施方案中能在时
间上选择不同的曝气区域。在这些实施方案中，在主反应器中只设有一组曝
气装置时，通过对整个主曝气池容积进行曝气，也可以得到相同的结果。
本发明的一部分内容是在池子中测定氧利用速率以提供曝气阶段所需
的供氧速率和时间以维持所设定的氧利用速率。同样，氧利用速率又确定了
批式进废水单一污泥单一反应池工艺的废水处理的反应条件。测定和控制只
是本发明的一部分内容。在优选实施方案中，反应池加工处理与测定有密切
的关系。在本发明中二者互为联系。本领域技术人员可以理解，在相继的阶
段中，主曝气池曝气过长将很快地使生物物质的代谢活性下降，从而使生物
物质不能进行足够的反硝化和参加生物除磷过程。生物物质的过度曝气也可
使其凝聚能力下降，使出水中的悬浮固体物浓度升高。连续地以超出期望污
泥寿命地运行也会导致类似的结果。测定生物物质氧利用速率可以用来确定
污泥寿命的运行范围。
