申请日2004.12.16
公开(公告)日2007.07.11
IPC分类号C02F1/24; C02F3/12
摘要
曝气水处理使用顺次连接的反应器和浮选槽来进行，并且在水中使用很多的活性污泥来进行操作，以致来自曝气器的小气泡被夹带在活性污泥中，导致在浮选槽中浮选部分或者所有活性污泥。用于执行该方法的反应器(1)和浮选槽(36)装备有至少一个曝气器(19、20、21、22)。许多优选的方法和设计详细说明了本发明，包括本发明如何可以引入到现有的废水处理设备中以及其如何使用。
权利要求书
1.一种用于实现在反应器中连续或者间歇曝气的水处理方法，其特征在 于，反应器与浮选槽顺次连接，包含于反应器中的水被以连续或者间歇的方 式大量地曝气，并从反应器流入浮选槽，所述水包含很多的活性污泥，以致 来源于曝气器的小气泡被夹带在水中的活性污泥中，导致在浮选槽中浮选部 分或者所有活性污泥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将水和活性污泥由反应器 引导到浮选槽的导管包含液-液喷射器，提供空气进入所述液-液喷射器或者在 所述液-液喷射器内部提供空气，通过动力液体和抽吸液体之间的相互作用， 将该空气粉碎成夹带在活性污泥中的小气泡，并且，作为喷射器的抽吸流体， 所述喷射器优选接受被直接由反应器引导进入导管的整个水和污泥流。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述反应器是环管 反应器，在环管反应器中所使用的曝气气泡很小，以致气泡在至少曝气的某 一位置处，实质上被夹带在水中的活性污泥中，并且，气泡在水经过至少大 部分反应器环管期间保持被夹带，或者气泡从水中释放得很慢，以致于在水 经过至少大部分反应器环管期间，部分气泡保留在水中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，环管反应器基本上是垂直 的，夹带在环管反应器内部的活性污泥中的小气泡与水和活性污泥被引导通 过导管至浮选槽。
5.根据权利要求3或者4所述的方法，其特征在于，对于每个环管通道， 供应给水的氧，比在环管通道期间可能被水中的活性污泥所利用的氧要少。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其特征在于，对于每个环管 通道，所有或者基本上所有的反应器的水通过离心分离器，优选旋风分离器， 以分离所有或者部分、优选所有或者大部分水中的气泡，所述被分离的气泡 被引导至水面或者反应器环管部分之外。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，离心分离器是旋风分离器， 旋风分离器的起始部分或者整体具有许多螺旋设置的、安装在其外壁的内表 面上的薄板，所以水和污泥通过在薄板之间的空间内移动，可以同时旋转同 时纵向移动通过旋风分离器。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的方法，其特征在于，通过将空气引 入一个或者多个液-液喷射器或者引到一个或者多个液-液喷射器内部来给环 管反应器提供空气，所以通过在喷射器内部的动力液体和抽吸液体之间的相 互作用，空气被粉碎成气泡。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述喷射器产生驱动力， 推动带有污泥、气泡的水通过反应器环管。
10.用于执行权利要求1所述方法的反应器(1)，其特征在于，包含于 反应器(1)中的、由反应器(1)通过导管(35)流入浮选槽(36)的水包 含很多的活性污泥，以致来自于曝气器(19、20、21、22)的小气泡被夹带 在水中的活性污泥中，导致在浮选槽(36)中浮选部分或者所有活性污泥。
11.根据权利要求10所述的反应器，其特征在于，它是环管反应器(1)， 包含至少一个下降管(6)和至少一个上升管(5)，它们在上升管(5)的较 低端和上升管(5)的较上端(19、20、21、22)相互连通，旋风分离器(8) 以这样的方式结合到上升管(5)的上半部分，优选结合到上升管(5)的上 面四分之一部分，以致所有或者基本上所有向上通过上升管(5)的水都在其 上升管(5)内的流路中经过旋风分离器(8)。
12.根据权利要求11所述的环管反应器，其特征在于，曝气器是液-液喷 射器(19、20、21、22)，所述喷射器包括位于喷射器(19、20、21、22)的 动力流体的入口(42)附近或者周围的空气入口(55)，并以逐渐变宽的出口 部分(45)结束，喷射器(19、20、21、22)将含有污泥的水由环管反应器 (1)的上升管(5)泵到环管反应器(1)的下降管(6)，优选通过喷射器(19、 20、21、22)在上升管(5)和下降管(6)之间构成上部连接，即使喷射器 (19、20、21、22)的出口(27、28、29、30)优选完全浸入在下降管(6) 的水中。
说明书
增强和节能的生物(废)水处理的方法及反应器
技术领域
本发明的技术领域是在一个或者多个反应器中，对希望利用的或者重新 利用的废水或者污水进行连续或者间歇曝气(aerated)的生物处理。
部分概念将在下文中用到：
反应器
在如下全文中，“反应器”以其广义理解，即它被理解为一个或者多个反 应过程的任何容器，不管该容器在其顶部是敞开的(如废水处理厂的废水池) 还是基本上密闭的(如普通的工业发酵罐)。反应器可以恰好是反应装置的一 部分，在所述反应装置中，许多反应器以及可能的其它槽顺次(serially)连 接，所以内含物可以从一个反应器或者槽移动到另一个反应器或者槽中。
环管反应器
类似地，术语“环管反应器”以其广义理解，即它被理解为环管类型的 任何反应器，包括但不仅限于已知的用于废水处理的环管反应器、以及任何 类型的环管发酵罐。环管反应器可以应用本领域已知的任何方法来推进反应 器内含物通过环管。
环管发生器可以是外环管型，是指该环管没有被其他环管的部分所围绕 的部分。它们也可以是内环管型，相反地，是指该环管的局部实际上被其他 环管的部分所围绕。这尤其在垂直环管反应器中是已知的，在垂直环管反应 器中，所谓的“下降管(downcomer)”可以被所谓的“上升管(upcomer)” 完全围绕，或者相反。有下降管围绕的内环管反应器可以使用一个或者多个 内上升管，正如有上升管围绕的内环管反应器可以使用一个或者多个内下降 管一样。使用多个上升管或下降管在反应器中提供平行的环管连接。
环管通道(1oop passage)
反应器环管有平均的内长度(inner length)，反应器的内含物具有通过环 管的平均移动速度。当该平均速度使移动覆盖平均的反应器环管内长度时， 认为环管通道已经形成。在曝气液体的情况中，液体的平均速度定义为“环 管通道”。
液-液喷射器
液-液喷射器是一种喷射器，在所述喷射器中，某种液体用作动力流体， 某种液体是抽吸流体。
活性污泥
活性污泥是含有高含量活微生物的污泥。它经常用于废水处理，加入废 水中，作为处理方法的一部分。然后，活性污泥一般从处理的废水中回收， 所以(至少部分)污泥可以因此重新利用。使用活性污泥是进行生物水处理 的一种方式。
在悬浮的颗粒物中夹带气泡
当在含有悬浮颗粒物质和气泡的液体中，气泡的上升速度因颗粒物的存 在而大大降低时，认为气泡被夹带在悬浮的颗粒物中。
背景技术
在大量生物物质代谢(substance-turnover)或者生物物质产生(substance- producing)的各种方法中，空气或者其它气体的气泡被引入或者排出在常见 的水成液中。
在某些情况中，转化或者产生方法的限制因素是去除所使用的气泡。
该情况可以由欧洲专利EP0510010中得知，在该专利中，构建在环管反 应器环管上的离心分离器，被用来由反应液中完全或者部分去除气泡。
在其它情况中，代谢或者产生的方法的限制因素是液体自身的氧消耗量。
这可能是传统使用活性污泥用于水处理的情况。
使用活性污泥的水处理，可以在曝气和不曝气的交替周期下进行。通过 这种方式，氨、亚硝酸盐和有机键连氮的硝化可以在曝气期间实现，而硝酸 盐以及可能的亚硝酸盐到氮气的反硝化可以在不曝气期间实现。
在该曝气期间和不曝气期间之间交替的缺点是，以每小时每立方米水所 达到的处理程度来估计，这在传统使用活性污泥的方法中是慢的方法。
发明内容
本发明提供一种关于如何增加连续或者间歇曝气的生物水处理的速度的 教导。
这是通过在反应器中连续或者间歇地曝气的(使用富氧或者没有富氧的 空气)水处理的本发明方法来实现的，该方法的特征在于反应器顺次与浮选 槽连接，包含在反应器内的水被以连续或者间歇的方式大量曝气，并由反应 器流入浮选槽，含有很多的活性污泥，以致来自任何合适类型和布局的曝气 器所产生的小气泡被夹带在水中的活性污泥中，导致浮选槽中的部分或者全 部活性污泥的浮选。
本发明还涉及用于执行所述方法的反应器，该反应器包括用于对水大量 曝气装置。反应器、曝气装置和浮选槽可以是适合执行所述方法的任何类型。
本发明是基于此处所公开的活性污泥夹带小气泡的能力非常高效的发 现，如由废水处理装置得知的，只要在废水处理中使用比通常的活性污泥稍 高的浓度即可。
传统地，每立方米的废水使用大约4公斤活性污泥。在本发明的方法中， 活性污泥的最佳浓度将依赖于污泥的特性，进而，污泥的特性将依赖于废水 的特征和整个处理方法的设计，但是污泥浓度在或者大约40-100公斤活性污 泥/立方米水的范围可能是最有利的。
每立方米水中增加的活性污泥量增加了水中的氧消耗量，由此可以使用 和开发增大的曝气强度，以加速水处理。类似地，每立方米水中增加的活性 污泥量加速了在任何不曝气期间所发生的反硝化过程。
提高方法速率是有利的，因为它们提供了更高的每立方米反应器容量的 水处理量，从而可以减小预期反应器的数量和/或者尺寸，因此，在水处理工 厂的建造成本以及其维护成本方面会更节省。
浮选槽内的浮物不必是所有的污泥，但是通过(调节的)曝气至浮选槽， 优选曝气至低于环管反应器的水、污泥和气泡的入口的深度处，浮选效率将 是可增加的(和可调节的)。这种曝气最好通过使用一个或者多个被提供空气 的液-液喷射器来进行，正如以下所进一步描述的。
被浮选的污泥可以由浮选槽的上部引出(如在斜坡或者带式运送机上， 或者通过用泵抽)。
小部分或者大部分的由此所回收的污泥可以在反应器中重新使用。
在本发明的优选实施方法中，将水和活性污泥由反应器引导至浮选槽的 导管包含液-液喷射器，提供空气进入所述液-液喷射器或者在所述液-液喷射 器内部提供空气，通过动力液体和抽吸液体之间的相互作用，将该空气粉碎 成夹带在活性污泥中的小气泡，该喷射器由此作为按照本发明的曝气器。作 为抽吸流体，所述喷射器优选接受被直接从反应器引入导管的整个水和污泥 流。
使用喷射器的优点在于，这提供将小气泡很平均和有效地分布到待浮选 的污泥中。
在优选的本发明方法中，反应器是环管反应器，在环管反应器中所使用 的曝气气泡很小(已经以在生产小气泡领域已知的任何方式生产)，以致在至 少曝气的某一点上气泡基本上被夹带在水中的活性污泥中，并且在水流经至 少大部分反应器环管期间保持夹带，或者在水流经至少大部分反应器环管期 间，至少从水中释放得很慢，以致部分气泡仍然保留在水中。
在环管反应器内将气泡夹带于污泥中的优点是，以被水吸收的每千克氧 所使用的能量来测试，在水中因此减小的气泡上升速度减小了用于曝气的能 量消耗。
在外环管或者内环管型的垂直环管反应器(使用至少一个下降管和至少 一个上升管)中，实现能量消耗的减少，这是因为减小的气泡上升速度使在 上升管中的水、污泥和气泡的组合密度与在下降管中的相同物的密度差别更 小，由此，减小了用于推动水经过环管的能量消耗。
在水平环管反应器(如有中间壁的池，在该中间壁周围，水是循环的， 由此使其为外环管反应器)中，减少能量消耗是通过增加水中气泡的保留时 间(retention time)来实现，因此，在气泡到达水面之前，气泡获得给水产生 更多氧的时间。
在一个更优选的本发明方法中，环管反应器基本上是垂直的，夹带在环 管反应器内的活性污泥中的小气泡与水和活性污泥被引导通过导管到浮选 槽。
环管反应器是垂直的，其优点在于，这使它更容易确保小气泡保持夹带 在污泥中，直到水到达环管反应器的上部。这也能够使当在环管反应器中时， 具有相同夹带气泡浓度的污泥被引导至浮选槽，可能使首次提到的优选方法 的喷射器过时。
在进一步优选的本发明方法中，对于每个环管通道，提供给在环管反应 器中水的氧，比在环管通道内活性污泥可能消耗的氧更少。
其优点是在此处所公开的发现中，夹带在污泥中的小气泡很大程度上宁 愿固定在污泥内，由此，气泡(当它们在每体积水中是十分低的数量时)将 水和悬浮在水中的活性污泥分成充氧和基本上无氧区域的空间马赛克式。因 此，在水中的硝化和反硝化过程可以在一个和相同的反应器内同时发生，即 使对本方法所涉及的氮化合物有很短的扩散/对流通道也可以。
因此，避免了在空间上(如在两个连接的反应器中的每个反应器中)或 者时间上(如在丹麦公司Krüger A/S的BioDenitro方法)不得不分开硝化和 反硝化过程。
这甚至进一步地加速水处理，另外，它使建造水处理装置以及操作该装 置简单化。
然而，在BioDenitro方法中，基于溶解在一个反应器或者两个反应器中 的硝酸盐和氨的测量值，经常在两个连接的反应器中，通过提前或者延迟各 种操作方式之间的切换，优化硝化和反硝化之间的相互影响。此处公开的优 选方法将使得人们通过仅仅在一个反应器中的测量值、并通过在该反应器中 使用非常简单的曝气速率的调节来优化这种相互影响，完全不需要在反应器 中进行不同操作方式的切换。
在本发明的优选实施方式中，气泡在经过离心分离器的通道期间被从水 和活性污泥中分离出来，该离心分离器优选为旋风分离器，设置于反应器环 管内，强化由水和污泥中去除所使用的气泡。
在有下降管和上升管的垂直反应器环管(在其之外，它可以是多个环管 的一部分)中，离心分离器可以优选建在上升管的上部。
在本发明的进一步优选方法中，离心分离器是旋风分离器，薄板 (lamellae)呈螺旋形地布置在旋风分离器内，所以水和活性污泥通过在薄板 之间的空间内移动，可以同时转动同时纵向迁移通过旋风分离器。
薄板的优点是，它们可以在高浓度的活性污泥中加强从水和污泥中分离 气泡。
在本发明的优选实施方法中，水和活性污泥的曝气是通过引入在环管反 应器中的一个或者多个液-液喷射器的空气入口来执行的，或者通过在其内部 的空气入口来执行。因此，喷射器用作本发明的曝气器。
使用液-液喷射器的优点是，它可以大规模地生产足够小的、可夹带在污 泥中的气泡。
如果对每个环管通道，所有的或者基本上所有的水均被引导通过喷射器， 所以喷射器是反应器环管的有效部分，该优选的方法尤其有利。这将使气泡 有效地传播进入所有污泥中。
在有下降管和上升管的垂直反应器环管(在其之外，某个部分对于多个 环管可能是通用的)的情况中，喷射器可以优选构成上升管和下降管之间的 上部连接。
在进一步优选的本发明方法中，减少活性污泥量的或者完全没有活性污 泥的水流出浮选槽并流进液体泵中，所述液体泵将水泵到任何或者所有上述 提到的液-液喷射器中，可能与直接由反应器引导至液体泵的水一起作为动力 流体。
该优选方法的优点是，部分由于已经证明，在喷射器的动力液体中减小 的活性污泥浓度可以改善在喷射器中的气泡形成质量，部分由于减小的活性 污泥浓度更好地保护其中的微生物体不被液体泵破坏。
在优选的本发明方法中，减小活性污泥量的水流出浮选槽，流入连续或 者间歇曝气的随后水处理槽，即随后的水处理反应器内。
该优选方法的优点是，它可以更彻底地处理水，而不会有在首次提及的 反应器中未充分滋养的活性污泥，首次提及的反应器即为将水和污泥传送至 浮选槽的反应器。
在优选的本发明方法中，减少活性污泥含量的水被引导出浮选槽并进入 污泥沉淀槽，从沉淀槽中，部分沉淀污泥可能引导或者输送回到首次提及的 反应器，即将水和污泥传送至浮选槽的反应器。
如果所有的污泥没有通过在浮选槽中的浮选(可能还有部分沉淀)被除 去，并且可能经来自浮选槽的水进入液体泵和/或随后的水处理槽中，那么， 该沉淀是必需的，以用于由水中去除剩下的污泥。
在任何情况下，水将不得不从浮选槽引出，如果使用一个浮选槽，并在 水中剩余有活性污泥，则为了合适地处理水，污泥应该优选由水中沉淀出来。
顺便说明地是，两个最后提及的本发明优选方法可以组合，所以减少污 泥量的水被引导通过随后的水处理槽至污泥沉淀槽中。
因此，这两个槽将以与通常设计的完整水处理装置大致相同的方式工作。
如果两个槽已经建成，则本发明将给具有额外反应器的传统水处理装置， 提供加快的水处理速度，以及还可能提供同时硝化和反硝化过程，并减少被 水吸收的每公斤氧的能量消耗。这在投资方面和操作成本上都很便宜的，并 增加现有的水处理装置的整个处理能力。
在进一步优选的本发明方法中，将水传送到浮选槽的反应器是环管反应 器(正如在其它的以上优选方法中)，待处理的新的水被引导至不曝气的或者 连续或间歇曝气的先前的水处理槽或者反应器中，由此处向前流入液体泵， 所述液体泵将水泵到环管反应器的液-液喷射器，作为动力流体。
这种先前的水处理槽的优点是已知的，其包括磷化合物的转化(当先前 的水处理槽未被曝气时)和汽提任何未溶解的、有毒的气体和/或者挥发性液 体(当先前的水处理槽被曝气时)。
另外，其水流不是直接流到环管反应器的先前的水处理槽，可以用作缓 冲槽，所以可以消除流入的待处理新水的水流变化，提供更均匀的水流流入 到环管反应器内。
在优选的本发明方法中，先前的水处理槽能够用作该缓冲槽，这是因为 实际上，由先前的水处理槽向前的水流是通过水泵和喷射器来产生，而不是 通过从水处理槽到环管反应器的直接流动。
如果先前的水处理槽的活性污泥浓度为零或者低于环管反应器的浓度， 则在液体泵中使用非来自环管反应器自身的水的另外优点，为如在介绍优选 方法中所早已描述的那样。
以上优选方法可以与将水由浮选槽传送到液体泵的优选方法来组合。
因此，产生了控制选项，因为多少水由先前的水处理槽流入泵中与多少 水由浮选槽流入泵中之间的比例是可以调节的。
如果来自于先前的水处理槽的水具有相对高浓度的物质，所述物质要从 水中被去除到理想程度，由此，可以相应地将来自先前的水处理槽的水流量 减小，所以给环管反应器提供这些物质的速率保持在理想的和不太高的水平。
相反地，如果由先前的水处理槽的水具有较低浓度的该物质，则可以采 用来自先前的水处理槽的速度更快的水流，所以给环管反应器提供该物质的 速率在此情况下也保持在理想的水平。
理想地，基于测量在环形反应器中水质量的物质浓度计的测量结果，多 少水由先前的水处理槽流到泵中与多少水由浮选槽流到泵中的比例将进行在 线控制，除了以下情况以外，在先前水处理槽中，低的水位应导致由该槽到 泵的水流量的减少;而在先前水处理槽中，高的水位应导致由该槽到泵的水 流量的增加。先前的水处理槽中的水位可以用本领域已知的任何方式来测量。
如果液-液喷射器在浮选槽中或者从环管反应器通向浮选槽的导管上，被 用作曝气器，则在喷射器中所使用的动力流体应该优选为仅仅来自环管反应 器和/或者浮选槽自身的水，而不是来自先前水处理槽的水。因此，来自先前 的水处理装置中的水没有被旁路跨过环管反应器。所以，所有来自于先前水 处理槽的水将在环管反应器中处理。
如果还有一个或者多个液-液喷射器在环管反应器中用作曝气器，则必须 使用两个液体泵，将动力水泵到喷射器，所以来自于先前水处理槽的水并不 混合到来自于环管反应器和/或者浮选槽的水中，该水用作浮选槽中的喷射器 的动力流体，或者用作从环管反应器通向浮选槽的导管上的喷射器的动力流 体。
在一个更优选的本发明方法中，部分或仅部分在环管反应器内重新利用 的活性污泥通过以下方式来提供，即：通过将活性污泥加入到先前水处理反 应器的水中，以及通过液体泵输送入环管反应器的液-液喷射器内。
加入到先前水处理反应器的水中的活性污泥可以从浮选槽(如果使用) 或者由沉淀槽(如果使用)回收，或者由以上两者中回收。
当重新使用在水处理装置的一系列槽的最后一个槽中所回收的活性污泥 时，通常做法(实际上在本发明中也可以使用)是将所有重新使用的污泥传 送回至第一(反应器)槽或者串联的多个槽(如果有多个平行设置的槽)。然 而，在本发明方法中，当将水和污泥由第一槽(先前的水处理反应器)的传 送是通过环管反应器的液-液喷射器来进行时，更好的是分开待重新使用的活 性污泥，所以仅部分污泥加入到第一槽的水中，而剩下的污泥直接加入到环 管反应器的水中。
在先前的水处理反应器中，如果每立方水使用20kg的活性污泥，而与先 前每立方米水一般仅用4kg活性污泥的水处理反应器相比，水处理能力约增 加五倍。
因此，先前的水处理反应器将在利用本发明重新设计的装置中使其水处 理能力充分地增加，以更好地利用由应用本发明的其它装置所获得的水处理 能力。
上述优选方法应被理解为可组合的，也就是说，给定的水处理设备可以 使用优选方法的任何组合，甚至可以使用所有优选方法，所述方法的组合符 合在描述每个优选方法所使用的措辞。任何组合可以建立在以上提到的任何 反应器或者槽以及组合部分之一，或者建立在多个任何或者所有这种反应器 或者槽上。