申请日2016.08.20
公开(公告)日2016.11.16
IPC分类号C02F3/30; C02F101/16; C02F101/30
摘要
一种用于将来自废水的氮和/或磷除去的多阶段方法以及用于该方法的设备，其中，在流道通过反应器的曝气和非曝气单元的过程中，将废水供料进行曝气或生物处理。反应器设有根据反应器的长度隔开的至少两个用于引入废水供料的入口和至少两个用于排出已处理的废水的出口。以大体为推流式的方式完成通过反应器的废水流，废水供料的引入从入口中的一个变为入口中的另一个，反之亦然，并且已处理的水的排出也从出口中的一个变为出口中的另一个，反之亦然。由此提供了用于净化废水的更廉价且更有效的技术。
摘要附图
权利要求书
1.一种用于在处理设备中从废水去除氮和/或磷的多阶段方法，其中，废水供料在流经反应器的曝气和非曝气单元或区域期间中被曝气和生物处理，其特征在于，该反应器设有至少两个入口和至少两个出口，所述至少两个入口沿着反应器的长度隔开，用于引入废水供料，所述至少两个出口也沿着反应器的长度在流动方向上隔开，用于排出已处理的废水，以大体为推流式的方式进行废水通过反应器的流动，废水供料的引入从所述入口中的一个改变到所述入口中的另一个，反之亦然，并且已处理的废水的排出也同样所述出口中的一个改变到所述出口中的另一个，反之亦然。
2.根据权利要求1所述的多阶段方法，其特征在于，所述废水供料的引入从所述入口中的一个到所述入口中的另一个的改变与已处理的废水的排出从所述出口中的一个到所述出口中的另一个的改变基本上同时实现。
3.根据权利要求1-2所述的多阶段方法，其特征在于，所述至少两个入口定位在所述反应器的相对端处或者与所述相对端相邻地定位，并且所述至少两个出口也定位在所述反应器的相对端处或者与所述相对端相邻地定位。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的多阶段方法，其特征在于，沿着所述反应器的长度设置至少三个入口。
5.根据权利要求4所述的多阶段方法，其特征在于，所述至少三个入口沿着所述反应器的所述长度基本上等距地间隔开。
6.根据权利要求4或5所述的多阶段方法，其特征在于，所述废水供料的引入从所述反应器的所述长度的一端到其另一端在所述至少三个入口之间顺序改变，然后沿相反方向顺序改变。
7.根据前述权利要求中任一项所述的多阶段方法，其特征在于，沿着所述反应器的长度设置曝气装置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的多阶段方法，其特征在于，根据实际需要，所述反应器体被分成曝气和非曝气单元或区域，以便在所述反应器体的特定单元或区域中进行生物硝化、脱硝或磷释放。
9.根据前述权利要求中任一项所述的多阶段方法，其特征在于，根据所述反应器体的至少一个单元或区域中的一个或多个工艺参数的测量值以及可选的其它操作数据来周期性改变所述反应器体中的曝气和非曝气单元或区域的分布。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的多阶段方法，其特征在于，根据所述反应器体的至少一个单元或区域中的一个或多个工艺参数的测量值以及可选的其它操作数据来连续地改变所述反应器体中的曝气和非曝气单元或区域的分布。
说明书
用于废水处理的多阶段方法及设备
技术领域
本发明涉及一种在处理设备中将来自废水的氮和/或磷除去的多阶段方法，其中，在通过反应器的流道过程中对废水供料(waste-waterfeed)进行曝气以及生物处理，以及涉及一种用于执行这种方法的处理设备。
就此而论，术语“废水”指的是包含有机物和营养物(例如，氮和含磷的化合物)的各种污水，例如，家庭废水、市政废水、下水道污水、工业废水、地下和地表径流水等、以及它们的混合物。
背景技术
由于世界范围内人口的增长和城市化进程的加快，使用过的因此通常被污染的水的产生已经迅速增加，污水处理已经成为全世界的主要社会问题。污染后的用水已经成为非常大的问题的原因是，污水改变排放到水环境(aqueous enviroment)(例如，小溪、河流、江、池塘、湖、甚至大海)的能力。该环境改变的结果部分是由于有机物的一次污染而引起的当地水生态系统(即，当地植物群和动物群)地中毒，以及部分是由于营养物的二次污染而引起的生态系统内一些有机体的过度刺激(即，富营养化)。生态系统的这两种改变都是非常不期望的。
除直接有害物质和重金属(污水中它们的排放通常受法律条例的限制)之外，废水对水环境的毒害和/或富营养影响主要由于废水中的四种污染物，即，有机物、含铵/氨和氮的有机物、硝酸盐、以及磷酸盐或含磷物质。在过去的一个世纪中，为了首先除去被称为一次污染的有机物质，已经因此付出了巨大的努力，以及在最近的几十年中，同样为了在污水被排放到当地水接受方之前除去污水中的营养物，实际上，在开发用于逐一除去污染物质或物质群的方法和处理设备或设施方面所付出的努力已经取得了成功。这些方法和设备或设施在Springer-Verlag由Henze，M.、Harrmoes，P、Jansen，J.、和Arvin，E.所著的Wastewater Treatment(2000)第三版中有所描述。
在不同技术的发展过程中，已经论证了最有利的技术是，将各自去除这四种有害物质的污染群中的一种或多种的方法组合成在单独组合的设备或设施中的单独组合方法。然而，这种组合的单独方法和处理设备或设施实际经历重负荷和成分变化，因此为了将所有污染物质群降低到根据政府条例通常可接受或允许的水平，它们需要非常复杂的控制。
当前普遍采用的用于去除有机物、含铵/氨和氮的有机物、硝酸盐、磷酸盐或含磷物质的基本方法是基于在活性污泥中找到的不同微生物来分解在特定条件下所讨论的物质的能力。通常这些方法被称为生物营养物质去除(BNR)方法，并且用于该方法的设备相应地被称为BNR设备。
在时间的进程中，已经开发了很多种不同的BNR方法和设备，目前它们中的很多种仍在实践中使用。
大多数BNR设备是在Springer-Verlag由Henze，M.、Harrmoes，P、Jansen，J.、和Arvin，E.所著的Wastewater Treatment(2000)第三版中第295页图8.7中所示的推流式循环类型。
可选的方法是序批式反应器(SBR)方法，该方法在完全混合反应器(FMR)内被实现。SBR的更为复杂的设计是诸如双沟(DD或D)的相分离氧化沟(PID)、具有外部澄清的双沟(DE)、三沟(TD或T)、以及具有外部澄清的三沟(TE)系统，其中每个沟(即，水池或者反应器)都被完全混合，使得物质浓度在所有单独反应器体积内保持相同水平。在每个反应器内，所涉及的状态周期性变化，从厌氧状态或者阶段(暗指磷释放和脱硝步骤)、通过缺氧状态或阶段(暗指进一步的脱硝和磷释放)、到好氧状态或阶段(暗指磷吸收和硝化步骤)。
PID系统或设备通常在没有任何经过部分或完全处理的废水的内部再循环的情况下进行操作，但是通过沟的流动方向可周期性反向，在DE和TE系统或设备中可对从外部澄清器到一个或多个单独反应器的分离污泥进行外部再循环，其中污泥与废水混合以产生悬浮的污泥(SS)液体或混合液体。为了在所有阶段中保持混合的污泥均匀悬浮，利用机械搅拌器在反应器的至少厌氧和缺氧阶段进行持续搅动。在附图的图2中示出了用于执行包含十个阶段的BNR过程的典型TE设备。
US 6,830,689中公开了一种T系统(即，没有外部净化器的三反应器设备)，其中原始废水在组合过程的三个不同阶段中被顺序引向三个完全混合的水池中每一个，并且与活性污泥混合来形成混合液体，并且来自其中一个水池(basin)中的混合液体被内部再循环到其它水池之一内，其中至少一个用于沉淀污泥。该T系统对于去除废水中的磷特别有效。
在EP 0 869 920 B1中公开了DE系统的变形，即具有外部澄清器的双反应器设备，其中，在至少两个处理区域内将污水顺序进行生物处理，经过这种处理后的水流到永久澄清池并分成水部分和污泥部分，后者的至少一部分被再循环到反应器内。在第一周期内，将污水引向第一曝气区域，在该区域内其与再循环的污泥部分混合，接着流到第二处理区域，在该区域中这种状态被保持到污泥发生沉淀，即在那个区域内没有搅动、曝气或其它主动混合，来自沉淀区域的流出液流入永久性澄清池内。在经过足以在沉淀区域内积累浓度相对高的污泥的一段时间后，将引入的污水和再循环的污泥部分引入到它们被混合并进行曝气的先前的沉淀区域，接着将其流入到当前作为沉淀区域使用的先前的曝气区域，这意味着正是在这种条件下在其中发生污泥的堆积/沉淀，即，组合区域内的所有流动方向反向。通过这种称为曝气池沉淀(ATS)的方法，可得到污泥与污水之间增大的比值以及由此改善的澄清性能。然而，ATS中的混合器和曝气器在反应器的出口端被停止，这对BNR方法而言不是最优的。此外，引用文献中公开的设备类型对于生物P去除方法而言不稳定。
由于在完全混合的SBR设备、特别是在PID设备内所有反应器体积(reactorvolume)的浓度都被保持在相同水平上，所以它们比传统的再循环设备更能给出代表性的动态信息。因此，交替操作可更可靠地控制这些设备。不幸的是，这些设备中的小范围的浓度变化会导致不利的污泥特性。
在Wat.Sci.Tech.，Vol.37，no.9，pp.55-63，1998，“Upgrading ofBoraswastewater treatment plant based on intelligent process andoperationcontrol”中Dines E.Thornberg，Marinus Nielsen和Joran Eriksson报告了基于曝气池内连续的氨和硝酸盐测量来对Boras污水处理设备进行的阶段性周期调整。Boras设备包括与活性污泥一起操作的三条线路，每条线路均包括一对串联连接的曝气池。此外，所述线路中的一条以生物脱硝(biodenitro)的方式进行操作，即，将废水交替供给到活性污泥也被混合到的两个池中的一个内，并且进行脱硝。接下来污泥和废水的混合物流向在其中执行硝化的另一个池内。在经过一段周期或者阶段之后，将流动方向和处理条件反过来。通常的观点是，将废水碳留在硝酸盐不是再循环硝酸盐和返回到缺氧池的氧那里，这是再循环BNR类型设备的情况。由此，生物脱硝线路被认定为由两个串联连接的完全混合的池或水池组成的DE系统。尽管对硝化和脱硝阶段或周期的长度的调整是基于对连续的氨和硝酸盐测量值的离线计算，但是所进行的实验结果表明性能改善15%到50%是可得到的。在线传感器现在被永久安装在Boras废水处理设备上，并且到现在为止一直用于生物脱硝配置中的氮去除的在线动态控制。此后根据本发明的方法已经被实施。
基于在大约10年的期间内对二十个实际设备的在线监控所做的进一步观测、计算以及开发在IWA Scientific and Technical Report No.15，IWA Publishing，London，UK.ISBN 1900222833由Olsson G.，NielsenM.K.，Yuan Z.，Lynggaard-Jensen A.和SteyerJ：P(2005)所著的“Instrumentation，Control and automation in wastewater systems”中有所报告，但是到目前为止，关于高级废水处理还没有构想出创造性的观点。
一般的再循环BNR方法是推流式(PF)方法，其特征在于，将被消除污染的废水像活塞一样通过一个或多个串联连接的反应器系统而移动，其通常具有窄长结构。废水供料被引入到反应器的一端，并且含有污泥的经过生物处理的废水从另一端离开。流出液可在将澄清水与污泥分开的外部澄清器中被进一步处理，污泥的一部分被再循环到反应器的入口端，在此处污泥与废水供料混合。在稳定操作状态下，传统的推流式结构一直在反应器的相同部分上保持相同的功能，其在流动方向上产生很强的浓度梯度，同时负荷根据反应器长度而变化。不同负荷和营养物质浓度为最终离开反应器的污泥中的不同种类微生物增长和繁殖提供有力条件，当被再循环到废水供料时，其提供了有利的分解和其它污泥特性。然而，例如，由于脱硝和磷吸收区域内的有机碳源的缺失，废水流通过反应器的单个通道可能阻碍生物处理的最佳进程。因此，除污泥的外部再循环之外，推流式反应器还设有一个或多个部分已处理废水的内部再循环，其可以相当于入口供给料的大约200-400%，并且这将按比例减少预期的浓度梯度。除此之外，为了保持再循环的污泥悬浮并使内部再循环流完全混合，推流式反应器至少在厌氧和缺氧单元内还设有机械搅拌器，这也将降低预期的浓度梯度。附图的图1中示出了用于执行BNR方法的传统推流式反应器。
因此，目前，在推流式反应器内理论上可获得的有利的浓度梯度在实际中不能实现，并且也不能实现可靠的过程控制，这种可靠的过程控制可通过完全混合的SBR设备实现，其中，浓度在整个反应器体积内保持为相同水平，这使得获得代表性的动态信息成为可能。此外，完全混合的设备内的小范围浓度变化导致不利的污泥特性。
本发明的主要目的是提供一种BNR方法，其将在理想的推流式设备中可获得的良好浓度分布的优点与完全混合的SBR设备(特别是交替PID方法的设备，例如DE和TE设备)中可获得的工艺参数的精密信息的优点相结合。
本发明的另一目的是提供一种BNR方法，其在反应器内产生所需要或期望的好氧、缺氧和厌氧状态，并且这种方法即使是在现有的传统污水处理设备上还可以廉价而有效地操作。
发明内容
本发明的上述目的是通过在处理设备中将来自废水的氮和/或磷除去的多阶段方法来实现，其中，在通过反应器的曝气和非曝气单元或区域的流道过程中对废水供料进行曝气和生物处理，所述方法的特征在于，反应器设有至少两个根据反应器的长度隔开的用于引入废水供料的入口，和至少两个同样根据反应器的长度隔开的用于排出已处理的废水的出口，其中，以大体为推流式的方式执行通过反应器的废水流。此外，废水供料的引入从所述入口中的一个变到所述入口中的另一个，反之亦然，并且已处理的废水的排出也从所述出口中的一个变到所述出口中的另一个，反之亦然。
更优选的是，本发明通常用作推流式系统被实施，而无需执行厌氧和/或缺氧区域的任何实质的机械主动混合，也无需对部分和完全处理的废水进行任何内部再循环。
因此，本发明是基于这种观点，即，活性污泥内的连续混合对于迄今所设想的BNR性能而言与负荷的多阶段分配相比并不十分重要。可以相信，这是由于吸收污泥的能力或者吸收用于所期望反应的所需材料的能力，其中分解反应是重要的。因此，所预期的过程将根据经验在缺氧或厌氧阶段内持续进行，尽管在非曝气阶段过程中污泥与与混合液体内的废水部分分离。缺乏混合将抑制脱硝处理，但是脱销的减弱要多于较好的污泥特性所带来的补偿。这意味着，在实践中推流式设备以与完全混合的SBR设备以及它们的派生物(例如交替PID方法的设备，如DE和TE设备)相同或更好的可靠性进行操作和控制。然而，本发明并不受上述理论的限制。
如下所述，本方法对于需要通过生物手段来提高N或P去除性能的现有设备特别有利;但是本发明对于需要成本低廉的设计和操作的新设备而言也非常有利，原因在于，除用于运行混合设备及维护该设备所需成本明显减少之外，避免了用于机械搅拌器和内部再循环的本发明的安装成本。
在所附的从属权利要求中限定本发明方法的优选和有利实施例，将在下面说明某些对象。
优选的是，从入口中的一个到入口中的另一个的废水供料的引入的改变与从所述出口中的一个到所述出口中的另一个的已处理的水的排出的改变基本上同时实现，因为这会使通过设备的废水的流动更为平稳，并且避免了设备的某些部件内较大体积的废水的累积或减少。
当至少两个入口和至少两个出口被设置在反应器的相对端处或邻近反应器的相对端时，可以更高效地利用其总体积。
特别优选地是，根据反应器的长度设置至少三个开口，因为这使得定期将反应器的单元与废水流切断成为可能，在这个单元中然后可以从原始废水的固定入口完成没有污染的特别反应。
当根据反应器的长度基本相等地隔开至少三个入口时，可能的单独单元将具有相同的体积，并且在需要时可以同时在两个可能单元中同样实现完成预期的反应。
通过在至少三个入口之间将废水供料的引入顺序从反应器长度的一端改变到其另一端，然后顺序地使其反向，完全且灵活的BNR方法被形成而不再需要如在传统推流式系统内的内部再循环或机械搅拌。
当根据反应器长度分布反应器内的曝气装置(例如，曝气格栅)时，可以根据需要或者期望对反应器的任意单元或区域进行曝气处理。
优选的是，根据实际需要将反应器体积分成曝气和非曝气单元或区域，以便在反应器体积的所选单元或区域内执行生物硝化、脱硝或者P释放，以产生对来自离开反应器的已处理的废水总的氮和磷的最佳去除。
反应器体积内的曝气和非曝气单元或区域的分布优选是基于反应器的至少一个单元或区域中的一个或多个工艺参数的测量值，和任选的其它操作数据。这将确保在反应器内的特定和邻近单元或区域内执行特定过程的最佳状态。根据特定反应器的设备或者实际的优选选择，可周期或连续地实现分布的变化。由此，分布可以基于离线和在线的参数测量值。
所选择的用于控制反应器体积(reactor volume)内的曝气和非曝气单元或区域的分布的工艺参数优选从下组中选择：反应器体积的至少一个单元或区域中的废水流、溶解氧、气流、氧气的吸收速度、氧化/还原电位、氨/铵、硝酸盐或磷的水平，因为这些参数对运行生物处理是十分重要的。可选择的其它操作数据(例如，温度和原始废水内的实际污染物质的一般或特定知识)也可包含在这些参数中，这些参数是基于所执行的控制。
本发明的方法可以在仅包含两个单元或区域的反应器内执行，但是优选的是，将反应器空间至少分成三个区域，即：厌氧、缺氧、好氧单元或区域。
优选的是，靠近和邻近入口单元或区域保持为厌氧或者缺氧，靠近或邻近出口单元或区域保持为好氧。然而，为了特殊目的，后者也可保持为缺氧。
优选的是，根据本发明的方法的之后是外部澄清器中的特定澄清步骤，以便在将流出液排放到自然接受方之前去除流出液中的尽可能多的污泥。为了加速和优化反应器内的生物除污过程，在外部澄清器内沉淀的一部分污泥被再循环到废水供料并与其混合。剩余部分的污泥被处理掉。
最有利的是，再循环的污泥与供给到入口废水的反应器单元或区域内的废水供料混合。然而，在污泥进入到反应器之前，以及在一些情况下甚至在反应器内的废水供给入口的下游点(point downstream)处，再循环的污泥还可与废水供料混合。
再循环的污泥还可被连续供给反应器的一个或多个单元或区域。
本发明的方法基本上避免了尽可能多的机械混合，反应器的不同单元或区域中的废水和可选择的污泥基本上仅通过在反应器的特定选择单元或区域内的曝气操作来完成，其中混合是需要的。
在特定操作条件下，在很少处理时间内在厌氧和/或缺氧区域内通过机械混合来执行根据本发明的多阶段方法。
本发明的目的同样也是为了提供一种用于执行在权利要求20-38中所限定的根据本发明方法的、用于将来自废水的氮和/或磷去除的多阶段方法的处理设备，一种如在权利要求39中所限定的数据处理系统，一种如在权利要求40中所限定的用于在线控制的控制系统，一种如在权利要求41中所限定的用于控制根据本发明方法的计算机程序，以及一种如在权利要求42中所限定的计算机可读介质。