申请日2000.02.28
公开(公告)日2006.04.05
IPC分类号C02F9/14; C02F1/78; C02F3/34; C02F3/30
摘要
集成化的生物处理工艺过程和特效生物反应器系统及其有机结合是本发明的关键组成部分。更确切地说，该发明将一系列特效生物反应器系统有机地应用到集成化的生物处理过程从而达到从污水中同时去除有机杂质或者叫BOD，总悬浮物(TSS)，含N和含P化合物的目的。
摘要附图
权利要求书
1、一个集成化的生物处理污水工艺过程，其特征是该过程主要由以下部分 组成：
a)让污水首先流过一个固定化厌氧反应器(12a);固定化厌氧反应器固定有兼 氧性菌群，在pH控制在5-6.5的范围内，氧化还原电位控制在-250-0mv 的环境下，它将有机物转换成短链的脂肪酸以让脱磷、脱氮菌使用;
b)让a)出来的液体流过一个固定有聚磷菌群的“磷脱除”生物反应器进行脱磷能 源再储备;所述菌群从液体中吸取碳源基质并将大量过剩部分储存于细胞内 部作为脱磷过程的能源;
c)让b)中出来的液体流过另一个“磷脱除”生物反应器，其中的聚磷菌群在溶解 氧浓度维持在3.0-5.5mg/L的环境下，利用预先已按b)步骤储备了的碳源基质 作为能源来从液体中聚集大量的磷并将其储存于细胞中;
d)将液体从c)步骤中的“磷脱除”生物反应器中移除，并向该“磷脱除”生物反 应器中添加含有Tween20的磷-释放液，从而让已吸饱磷的菌群释放出已吸 的磷;并从生物反应器中移除含磷的液体。
2、如权利要求1所述的生物处理污水工艺过程，其特征是：该b)步骤中进 一步含有一子过程，即液体在脱磷能源再储备阶段之后，经过一个生物反应器， 此生物反应器至少从污水中去除部分含氮化合物、悬浮物、BOD或者COD。
3、如权利要求2所述的生物处理污水工艺过程，其特征是：液体在脱磷能 源再储备阶段之后经过的生物反应器是一个脱氮生物反应器，该生物反应器含有 硝化和反硝化菌群，它们将氨转换为硝酸氮，并进一步转化为氮气，该生物反应 器的pH控制在7.0-8.5之间，溶解氧浓度控制在1.25～3mg/L。
4、如权利要求2所述的生物处理污水工艺过程，其特征是：液体在脱磷能 源再储备阶段之后经过的生物反应器是一个好氧生物反应器，该反应器脱除部分 BOD。
5、如权利要求1所述的生物处理污水工艺过程，其特征是：c)步骤是在溶 解氧浓度维持在3.0-4.0mg/L之间进行的。
6、如权利要求1所述的生物处理污水工艺过程，其特征是：含有三个”磷脱 除”生物反应器;三个生物反应器以轮流模式运行，但将同时处于不同操作阶段; 第一个处于能源再储备阶段，第二个处于脱磷阶段，第三个则处于磷释放阶段。
7、如权利要求1所述的生物处理污水工艺过程，其特征是：至少一部分从 固定化厌氧反应器(12a)流出的液体通过另一高度厌氧反应器(12b)，该反应 器固定有一组甲烷菌群，它将短链脂肪酸及其它有机物转化成甲烷气体。
8、如权利要求7所述的生物处理污水工艺过程，其特征是：该过程进一步 含有一子过程，从高度厌氧生物反应器(12b)中流出的液体再通过一好氧生物 反应器，以去除残余的部分悬浮物、BOD或COD。
说明书
集成化的生物处理污水工艺过程
技术领域
本发明涉及一种水和污水净化的新方法和生物反应器系统。它用革新的固定 化活细胞生物反应器技术从水和污水中有效去除氮、磷化合物，及一些可生化 降解的固态和液态有机物。
背景技术
一般来说，生物污水处理系统包括三个主要的组成部分：
1.活性生物量
经研究发现很多微生物有去除不同污染物的特征，为了最大限度地提高生物 处理系统效能，根据不同类型的污染物来选择不同的微生物进行处理是必不可 少的。传统的做法之一是：为了特殊的处理目的对特定的菌群进行适当的筛选 和驯化处理。很多特定的菌种可以从世界知名的微生物保存仓库中索取。
2.活性生物量的维护和处理方法
对一个生物反应器来说，如果在各种不利的条件下其内还能维护高浓度的微 生物，并使它们能健康的成长，那么反应器就能达到高效。用于水和污水处理 中的活性生物量的处置方法大致分为二类：悬浮法和固定法。
悬浮法被广泛应用于活性污泥系统以及生物转盘系统的一部分，悬浮法有许 多难以克服的自然缺陷，因而驱使人们不断地研究固定法生物系统。今天，固 定化活细胞的技术作为处置微生物的一种方法得到越来越多的应用，特别是用 在从污水中用生物脱除废营养素的领域中。
两种主要的固定法是“生物膜”法和微孔裹藏法，前者是让微生物生长在固 定物质的表面，后者是让微生物生长于许许多多的微孔中。
在前三十年里，生物膜法被广泛应用于生物转盘和传统的生物滤床中。在这 种方法中，微生物固定是通过微生物细胞和相应材料表面之间互相粘附、相互 吸引来完成的。这种方法对活性生物量的固定相对比较弱，这些固定的生物因 死亡代谢，不断地从相应的固定材料表面脱落。老的微孔裹藏法有钙胶体法、 多孔陶瓷法等。钙胶体固定法的主要局限性在于不能大规模的应用，因为这类 胶体颗粒的制造非常昂贵，机械和化学稳定性极差，并且在胶粒内部传质效率 极低。多孔陶瓷固定材料，曾得到大规模开发和应用。然而，在实践中却发现 废水中的悬浮固体和微生物细胞的增长，往往会将微孔堵死。微孔被堵塞后， 孔内质量传递问题就出现了。仅有薄薄的一层生物膜，可长在陶瓷固定材料的 表面，这样就出现了同样的局限性。
3.传质和流体动力学
污水处理系统的效率取决于能否有效地对微生物提供足够的代谢养分和及时 地移除代谢副产物.这些通常是通过反应器有效的传质机理和水力作用来达到 的。
显而易见，生物污水处理系统的性能、灵活性、有效性和可靠性都依赖于以 上三个部分的有效性。当今，正在广泛应用的生物系统，如活性污泥系统、生 物转盘系统以及生物滤床，都因其中一个或几个部分或多或少存在一些弊端， 而其效能受到限制。
传统生物污水处理系统都含有初沉池，或叫沉淀池，这一步通常设在生物处 理系统的前部，并常应用化学絮凝剂来强化其有效性。这一过程的主要作用是 用来除去悬浮固体以避免其中主要处理单元-曝气池或生物滤床，承受不了过 多的悬浮固体的冲击。
将含有磷和氮的复杂化合物转化为简单的磷和氮的化合物，需一系列的生物 化学反应来完成。这些生物化学反应需要用到很多不同的微生物菌群，而这些 菌群又需在不同环境下生长和繁殖，相差极大。因此，它们对基本营养素及碳 源的竞争力差异很大。显然，要使生物处理系统高效，最理想的方法是选择性 的培养不同的微生物菌种，并提供一个合适的生存环境以使每类菌群都能以高 密度地生长于反应器中。
氮、磷化合物，在污水中有两种存在形式，有机和无机。两者共同构成污水 中的总氮和总磷的含量。污水中氮和磷化合物又可分为可溶和不可溶两种。在 用微生物处理之前，通常需将其转化为简单的微生物可利用的形式。
厌氧生物处理方法能有效地将氮和磷的化合物转化为简单的氨类和磷酸盐类 化合物，这个过程需要许多不同的水解酶的作用。然而，这些能产生水解酶的 微生物往往生长和繁殖慢，并需要一些特定的环境。生物转化之后，大部分含 氮和磷的物质都通常可溶于水，但仅有一小部分被微生物利用来合成新的细 胞，绝大部分仍然会存在于溶液中。但是，废水处理的最终目标是减少氮、磷 化合物的浓度，以让处理后的污水达到一个指定的排放和再利用标准。
现在普遍使用的生物处理方法大都来源于传统的活性污泥法，其处理过程通 常产生大量的污泥。为了用传统的活性污泥法来从污水中脱除可溶解的磷，首 先需要改进其曝气方式以给聚磷菌提供一个选择性的生长环境，并能有效地维 持其适当的高密度。这些聚磷菌群的生长和代谢能将污水中的磷聚集到其细胞 内并储存起来。磷酸盐类在聚磷菌的细胞内达到最大容量后，通常的做法是将 其从生物反应器中移除，并在它释放吸收的磷之前将其处理掉。这种方法尽管 从污水中减少磷含量，但只是一种转移过程，大量含高磷的聚磷菌需要进一步 的处理。另外，脱磷菌群的密度和生长状况受到污水水质和操作过程的影响极 大，因而整个脱磷过程很难控制，同时大量含磷废污泥需要进一步处理，这也 带来极大的负担。
自然界中的氮很复杂，它可以7种氧化状态存在于自然界中。虽然自然界中 很多菌种能改变氮的氧化状态，但它们通常生长速率慢，竞争能力低。另外， 氮转化的生长过程，通常受生物反应速度控制。为了提高生物过程的效能，必 须选择培养合适的菌群，并且让它们以高密度生长，更需提供给这些微生物良 好的生存环境，以最大发挥其去氮功效。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成化的生物处理污水工艺过程，以及它们的有机 结合。它将一系列特效生物反应器系统有机地应用到集成化的生物处理过程， 从而达到从污水中同时除去有机杂质或者叫BOD、总悬浮物、含氮和含磷化合 物。
本发明的目的是这样实现的：它的主体是一种生物污水处理方法及系统。该 方法和系统首先利用兼(厌)氧过程来将悬浮和复杂的有机体转化为简单的有机 物或简单的含磷和含氮的化合物，主要有磷酸盐类、氨盐类和短链脂肪酸类 等。短链脂肪酸类通常可被处理系统中的微生物，特别是脱磷微生物吸收并储 藏起来，以便用来作生化反应中碳和能量的来源。这个过程处理后的污水通常 被送到脱氮过程。在脱氮过程中，氨氮被转化为硝酸氮，紧接着被转化为氮 气，从而从污水中去除。脱氮过程通常在硝化和反硝化反应器中进行。脱氮过 程同时可明显地降低污水中有机物，通常用BOD来表示。脱氮后的污水再送到 脱磷生物反应器中以脱除不需要的含磷化合物和残余的有机物。最后处理过的 污水中的氮、磷和有机物含量极低，从而可完全达到直接排放于水体中或再利 用的标准。
具体地说，本发明包括以下几方面内容：
一方面，本发明是关于一种生物脱磷、脱氮、脱除有机杂质(可溶性和不可 溶性)集成化的生物处理工艺过程。它由以下主要部分组成：
a)让污水首先流过一个固定化厌氧反应器(12a);固定化厌氧反应器固定有 兼氧性菌群，在pH控制在5-6.5的范围内，氧化还原电位控制在-250-0mv 的环境下，它将有机物转换成短链的脂肪酸以让脱磷、脱氮菌使用;
b)让a)出来的液体流过一个固定有聚磷菌群的“磷脱除”生物反应器进行脱磷 能源再储备;所述菌群从液体中吸取碳源基质并将大量过剩部分储存于细胞 内部作为脱磷过程的能源;
c)让b)中出来的液体流过另一个“磷脱除”生物反应器，其中的聚磷菌群在溶 解氧浓度维持在3.0-5.5mg/L的环境下，利用预先已按b)步骤储备了的碳源 基质作为能源来从液体中聚集大量的磷并将其储存于细胞中;
d)将液体从c)步骤中的“磷脱除”生物反应器中移除，并向该“磷脱除”生物反 应器中添加含有Tween20的磷-释放液，从而让已吸饱磷的菌群释放出已吸 的磷;并从生物反应器中移除含磷的液体。
在实际应用时，上述过程之前可含有一子生物过程：让污水流过第一段厌氧 生物反应器，其中固定的菌群可将复杂的有机物降解并转化为短链脂肪酸类化 合物，以便提供给脱磷和脱氮菌群用作碳源和能源。
在以上过程之后，可进一步含有至少另一子生物过程用来处理来自于脱磷能 源再储备生物反应器的出水，以便脱除至少一部分含氮化合物和BOD或者COD。 更确切地说，该子过程用来将氨类化合物转化为硝酸氮化合物，接着又将其转 化为氮气。然后，至少含有另一个子过程以用来进一步去除残余的氨类、悬浮 物类以及相关的BOD。
实际应用时较好的方式是，至少有二组磷脱除生物反应器轮流使用在此过程 中，其中一个用来重新从污水中吸附短链脂肪酸，同时另一个用来吸取来自于 脱氮或者其它适当反应器的污水中的含氮化合物。
实际应用时最佳方式是，至少有三个磷脱除生物反应器轮流使用，以达到从 废水中连续脱磷。其中一个用于重新从废水中吸附短链脂肪酸，同时第二个用 于吸取废水中的磷，第三个则处于磷释放阶段。
实际应用时，另一种情况是：以上所述的过程进一步含一个子过程，该子过 程至少让一部分来自于厌氧反应器的污水流过严格厌氧生物反应器，该反应器 固定有甲烷菌群，这种甲烷菌群可利用短链脂肪酸及其它有机物来产生甲烷气 体。
从另一方面来说，本发明是一个生物工艺过程用来去除可生物降解的固体物 和复杂的有机物，它含有如下子过程：
a)让原污水流过第一段普通厌氧反应器，该反应器固定有能产生多 种酸化水解酶的菌群;这些水解酶能催化转化固体有机物成简单的可溶性有 机物，包括短链脂肪酸;
b)让a)中所述的反应器的出水进一步流过第二段严格厌氧反应器， 固定有甲烷菌群。
采用上述过程，本发明中的集成化的生物过程可取消任何初沉池和化学絮凝 剂等通常加在a)前用来去除有机固体的手段。从严格厌氧反应器中的出水将进 行进一步的处理以便去除以下其中一种和任何几种组合：含磷化合物、含氮化 合物、BOD/COD和悬浮物。
从第三方面来看，本发明含有脱氮的方法和装置：
a)一个贫氧反硝化脱氮反应器，含有液体进口、出口和气体出口， 并固定有菌群用来将硝酸氮转化为氮气;
b)一个好氧硝化脱氨生物反应器，含有液体进口和出口，并固定有 菌群可将氨氧化成硝酸氮;
c)联接反硝化脱氮反应器的出口到脱氨反应器的入口，以便有效地 将反硝化脱氮反应器中的液体适当地输送到脱氨反应器中去;
d)液体循环方法：至少将一部分液体从硝化脱氨反应器中送到反硝 化脱氮反应器中。
在实际应用时，该反应器还含有曝气或加氧系统。联接方法包括用预先确定 的在反硝化脱氮反应器中的液位来控制液体从脱氮反应器中的输送到脱氨反应 器中。
液体输送速率直接与反硝化生物反应器中的液位成正比，并随着液位的降低 而降低。利用重力操作的虹吸系统可作为液体输送系统的一种。
在上述方法中，涉及一个有机结合而组成起来的反硝化和硝化脱氮生物反应 器。该反应器通常为圆柱形(但不仅限于圆柱形)，脱氨生物反应器是同心圆柱 形，环围着脱氮反应器。在脱氮反应器中的流型更接近于平行流状态。
再从另一个应用方面来看，该发明涉及一个单元式的生物反应器组合体，用 来同时去除有机固体、BOD和含氮化合物，该反应器组合体主要有：
a)第一段厌氧发酵单元，含有液体入口和出口，并固定有兼氧菌 群;
b)一个组合式BOD/氮脱除生物反应器单元;在此单元中，从上到下 固定有三组菌群，第一组(上部)固定有异养菌群，主要用于降解BOD;第二组 (中部)固定有脱氨菌群;第三组(下部)固定有反硝化脱氮菌群，主要用于将 硝酸氮转化为氮气2。
此单元中每个区的高度，以及从一个区向另一个区的转移受控于水中的 BOD、硝酸氮和氨氮的浓度以及相对的BOD/氮的比例。
上述的生物反应器，还可配有溶解氧系统，以增加并保持BOD/氮单元的中 上部有足够的溶解氧的浓度。这种气体溶解系统也可同时将臭氧溶于水中以便 使用于消毒、脱色、除臭。
上述的生物反应器中，第一组和第二组菌群在中上部占主导地位，第三组菌 群在底部占主导地位。厌氧生物反应器单元的出水通常直接流入底部BOD/氮生 物反应器单元。
在另一种应用情形下，生物反应器组合体配有一虹吸系统将BOD/氮单元中 的液体输送到精处理单元，液体循环系统将精处理单元中的液体送到BOD/氮的 顶部。精处理单元中的液位可由一液位控制仪来控制。
本发明中的集成化生物处理过程包括厌氧、严格厌氧、贫氧、一般好氧和严 格好氧等一系列生物处理过程。本发明将这些单一生物过程有机地结合成一个 集成化的生物处理过程，从而使一个过程的处理出水或副产品(固体、液体或气 体)可被其它过程利用，并增强其效率。更加适合的安排是，整个过程的安排使 得一个过程变成为整个另一后续过程预处理过程，从而前一过程为下一过程做 好准备，因而整个过程的处理效率和可靠性得以大大加强。
本发明的另一个主要特点是整个过程的安排能减少反应器之间的相互污染问 题，特别是菌群间的相互污染问题，从而提高每一生物反应器的处理效率和稳 定性。在所含的一种较佳的应用情形下，用氧化还原电位、水力停留时间和养 分浓度等条件可控制和选择固定所需要的菌群。让原污水通过第一个厌氧反应 器，然后通过那些根据本发明所择取的一系列反应器后，即可将污水高效地处 理到预定的标准。