申请日1996.06.21
公开(公告)日2005.06.01
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
1.一种处理废水的方法，该废水形成至少一部分包括在一个深度可变 的生物反应器中的单一活性污泥的生物物质，该方法：采用控制间歇和连 续曝气阶段、排出处理水来同时生长和维持自养性、异养性和兼性需氧微 生物，在顺序曝气的单一活性污泥系统中生物去除进入反应器的废水中含 有的有机碳、氮和磷组份，所说的生物物质处于池子深度可变且至少具有 二个串联的相互连通的反应区的池子中，分别为第一反应区和第二反应区 或最后一个反应区，其中，至少在深度可变反应器的第二区或最后一个区 在进行曝气操作期间，至少一部分该反应器第二区或最后一个区的处理过 的内含物被循环到第一反应区的部分分离的非曝气空间中以与废料进水相 混合，其特征在于，本方法包括采用溶解氧浓度探头或探测设备对深度可 变反应器的第二反应区或最后一个区生物物质的溶解氧浓度进行自动和连 续的监测，所述溶解氧探头或探测设备应处于所说的生物物质中的某一位 置，使得在自动和连续测定溶解氧浓度时，在溶解氧探头所处的位置至少 有一部分生物物质处于流动状态，利用单一溶解氧测定探头或探测设备和 计算机可以控制在进水和曝气阶段第二反应区或最后一个区的供氧量，使 溶解氧浓度在预先设定的可调时间内，以设定的方式连续地从零上升到 2.5mg/L，以在同时最大程度完成硝化和反硝化过程的曝气阶段中，使所吸 附在生物物质中的有机基质的停留最优化，在非曝气阶段进行磷的释放， 在后续进水曝气阶段进行磷的吸收，检测和自动计算容积可变第二区或最 后一个区的生物物质氧利用速率以调节生物物质处于每一个曝气阶段的时 间长度，所说的测定和调节的特征在于第二区或最后一个区生物物质的潜 在耗氧速率，该潜在耗氧速率可对80%生物固体物和20%进水组成的混合 液进行曝气测得，其值可为单一溶解氧探头所测得的单一污泥固体物的耗 氧速率的三倍以上，利用最大氧利用速率值和预设定的氧转移速率可使氮 氧化产物限制在亚硝酸态氮的形式，通过对容积可变的第二区或最后一个 区的曝气混合可使亚硝酸态氮还原至氮气的形式，以这种方式在曝气阶段 结束时，自动测定生物物质的耗氧速率，并将其控制在设定的操作点，另 外在第一区的一格或部分相互分开的多格中通入空气以限制生物除磷过程 中磷的释放，从而使生物反应器的第一区可以连续和自动地得到控制，以 限制可变深度生物反应器中第一区相继进行的需氧、缺氧和厌氧环境条件。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，废水为生活污水、工业、商 业废水或者商业废水，包括人类排泄物、洗澡废水、洗衣废水和食品加工 废水或其组合。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，第二反应区或最后一个反应 区，所占容积为整个反应容积的50%以上，并且第一区接受来自第二区或 最后一个区混合和非混合的成分，以使这些成分与进料废水进行混合。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括液体滗析阶段， 在该滗析阶段其滗析深度最高达可变深度反应器设计水深的40%，其滗析 速率不会带出反应器中沉淀污泥层中的沉淀固体物。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，在第二反应区或最后一个区 设置氧转移扩散栅条，其布置在或靠近第二或最后一个反应器的池底。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，该生物反应器至少设置一个 供气供气管，其上设有至少一个电动控制阀门，使得在一个循环中，在曝 气的设定程序时，交替开启电动控制阀门。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，在曝气阶段，可以同步运行 所有电动控制阀门，或者关闭部分阀门，或者根据目前所设定的操作阶段 开启和关闭所有阀门。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过初始反应区的结合流体 净氧化还原电位值相对于氢参考电极低-150mV。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于，在一个循环内，在总循环时 间减去滗析曝气/停气时间所余下的时间内允许最大相当于整个池容40%的 进水流量进入第一区。
10.根据权利要求1的方法，其特征在于，生物物质所处的循环曝气时 间和与进水相混合的再循环废料处理的量足以在80分钟内产生低于- 150mV的氧化还原电位值。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于，在进入非曝气阶段后的90 分钟内第二区或最后一个区内的分离污泥的氧化还原电位值基本降到低于 -150mV。
12.根据权利要求1的方法，其特征在于，在第二区或最后一个区内生 物活性污泥的固体物浓度最高为5000mg/L。
13.根据权利要求1的方法，其特征在于，生物反应器可以采用垂直钢 筋混凝土墙或钢结构池子、或采用塘式结构，其池壁可以是带有斜坡的土 墙、混凝土稳定墙、内衬薄膜或者采用混凝土挡土墙。
14.根据权利要求1的方法，其特征在于，曝气或供氧停止后10分钟 内，该生物物质仍保持其运动状态。
15.根据权利要求1的方法，其特征在于，在每一循环的整个曝气和非 曝气阶段在池中现场自动连续测定监控溶解氧浓度，其测定间隔不超过 10-20秒。
16.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过测定氧利用速率以控制 循环工艺操作，以调节氧利用速率至合适的范围以满足反应器的氧化学计 量，上述过程允许对反应器的一个或二个以上的反应区进行曝气。
17.根据权利要求1的方法，其特征在于，溶解氧浓度传感器或探针是 一种电子氧气传感器，其能够测定溶解氧浓度的变化速率，并以4-20毫安 的一级控制信号输出。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，氧传感器设置在第二个反 应器内，距离第二反应器池底30厘米，或者安装在从第二个反应区回流至 进水反应区的部分液体/固体物的回流管道内。
19.根据权利要求1的方法，其特征在于，对于生活污水，活性污泥的 总氮量负荷高达0.01kg TKN/kg MLSS/M2/d。
20.根据权利要求1的方法，其特征在于，对于生活污水，活性污泥的 总磷负荷可高达0.002kg 磷/kg MLSS/M2/d。
21.根据权利要求1的方法，其特征在于，在第二或最后一个反应器中 的溶解氧浓度在75%的曝气时间内控制在平均小于0.7mg/L，其余时间内为 2-3mg/L。
22.根据权利要求1的方法，其特征在于，它还包括：
在对废水的成分和浓度已经适应的微生物种群存在下对废水进行微生 物处理;所述的微生物包括：
能至少将氮转化为亚硝酸态氮的硝化微生物，
能对亚硝酸态氮进行反硝化的兼性微生物，以及任选能将亚硝酸态氮 转化为硝酸盐氮的有机体，和
能对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。
23.根据权利要求1的方法，其特征在于，在曝气阶段中止时，测定和 记录第二区或最后一个区的混合液固体物浓度，并测定、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液位。
24.根据权利要求23的方法，其特征在于，所测定的工艺数据可以进 行处理并能用来确定：
废水的泵送时间，
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，
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的设定耗氧 速率值。
25.根据权利要求1的方法，其特征在于，对入流废水的pH进行调节。
26.根据权利要求1的方法，其特征在于，其包括来自反应器第一区的 混合组份的流路，其中该流路连续地从接近池底流到反应器的液体表面而 进入反应器相邻区，其是混合液流经第一格池子接近底部时其所产生的混 合能量至少为通过液体表面时产生的混合能量的三倍，以产生局部能量脉 冲、集结和混合液的絮凝作用。
27.根据权利要求1的方法，其特征在于，可以用试验确定耗氧速率的 设定点，其最高为20±4mgO2/gVss/小时，参考20℃。
28.根据权利要求1的方法，其特征在于，设置四个生物反应器或四个 形成生物反应模块以及将进料废水分配到各个生物反应器或每个模块的配 水装置，其中各个模块起作单一生物反应器的作用。
29.根据权利要求28的方法，其特征在于，每一个生物反应器包括进 水位置、进水混合区和出水滗析装置，出水滗析装置含有一个移动式进水 槽，用于排除表面浮渣来有效地排除反应器深达40%的出水。
30.根据权利要求28的方法，其特征在于，在初始混合反应器中的耗 氧速率或所测得的潜在耗氧速率值至少为20mgO2/gVSS/小时。
31.一种从废水中生物除去碳、氮和磷的装置，为部分封闭的保水的、 多区、深度可变、循环曝气的反应器，其包括至少一个第一水力区和最后 一个水力区，所述水力区由至少在一部分曝气阶段允许在所述两个水力区 之间的流体联通和转移的间壁结构分开，用于选择性把反应器中的内含物 曝露于重复进气和停气阶段的曝气池，所述第一水力区设有一个至少曝气 阶段期间用于把进料废水引入第一区的入口，所述的最后一个水力区使废 水分离成至少上层清液，曝气池包括：栅条汽泡产生系统，来在安装在反 应器底部的至少最后一个水力区中提供组合的混合和氧转移、把处理空气 引入反应器来在曝气阶段至少两个不同的质量流速进行反应器内氧转移的 装置;至少在一部分停气阶段中断进料废水流入第一水力区的装置;至少 在停气阶段从最后一个水力区把液体内含物排出至远离反应器的一个位置 的装置;至少在曝气阶段把内含物从最后一个水力区转移至第一入口水力 区的装置;至少在一部分停气阶段中断进料废水和处理空气进入到反应器 的装置;在停气阶段用自动滗析器把在最后一个水力区中保持的上清液的 量降低至预选的较低的量;通过连续测试反应器中溶解氧浓度变化速率和 测试生物潜在的耗氧速率来自动保持工艺适应的异氧型、自氧型和兼氧性 的微生物和废水的最优化混合物的装置;所述的溶解氧速率变化通过位于 微生物内的单一溶解氧传感器来测试，使得至少一部分微生物在测试时保 持运动以提供作为时间函数的利用速率的指标;用于连续分析最后一个水 力区内在每一个曝气阶段结束时氧浓度的变化速率的装置;用于连续测定 每一个曝气阶段开时氧浓度的变化速率的装置;考虑处理空气流速、曝气 时间调节和混合的异氧型、自氧型和兼氧性的微生物在反应器的最后一个 水力区中调节溶解氧变化速率的操作位置设置点的装置;在最后一个水力 区分布在每一个曝气循环中用于调节和操作作为时间函数的溶解氧浓度的 至少四个位置设置点以的装置，以得到使用溶解氧浓度曝气阶段设置点结 束的指标;自动调节每一个总循环和连续循环期间的操作时间的装置、操 作和确定最后一个水力区中连续循环次数中的停气阶段的时间的装置;用 于操作和确定引入到反应器中的处理空气的基于时间的流速的装置;和测 定和执行每个循环中在连续停气阶段从反应器中除去预定体积的微生物和 废水的混合物的操作时间的装置。
说明书
处理废水的方法和设备
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 器设置栅条式扩散器和布气管线，以在引入空气时提供更为有效的一个以 上的混合反应区域。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。
