申请日1987.12.29
公开(公告)日1988.09.28
IPC分类号C02F3/30; C02F3/28; C02F3/12
摘要
以生物除磷而使含磷酸盐污水净化的方法和设备一般只能达到约75%的除磷率并且还需要大量设备投资。为了改善厌氧条件下的磷酸盐返溶并改善随后进行的磷酸盐吸收，可让厌氧条件下的处理在沉淀池中进行，其中供入未澄清未处理污水和从第二次澄清池来的循环污泥并让其中的污泥停留时间比水力保持时间长。
権利要求書
1、以生物除磷而使含磷酸盐污水净化的方法，其中，可沉淀和/或不可沉淀污水成分在连续处理池中先作厌氧后作需氧处理，并且将第二次澄清池来的活化循环污泥回送入厌氧操作步骤，其特征是，使厌氧条件下的处理在沉淀池中进行，而沉淀池中污泥停留时间超过水力保持时间。
2、按权利要求1的方法，其特征是，厌氧沉淀池后接通风活化池，并向活化池中供入从沉淀池来的上层液体以及从沉淀池底部取出的浓缩污泥。
3、按权利要求1或2的方法，其特征是，厌氧沉淀池中供入未处理污水，该污水中有大量可沉淀物质，这些物质在沉淀池顶部与循环污泥混合。
4、按权利要求1-3之一的方法，其特征是，未处理污水和循环污泥混合物送入厌氧沉淀池的表层区域。
5、按权利要求1-4之一的方法，其特征是，向需氧处理池中供入的浓缩污泥是从厌氧沉淀池中取出的，其量为单位时间内来自未处理污水和循环污泥的总共固体物质带入量。
6、按权利要求1或2的方法，其特征是，向厌氧沉淀池中只送入可沉淀水组分，而将不可沉淀污水组分直接送入需氧处理池。
7、按权利要求1或2的方法，其特征是，向厌氧沉淀池只送入不可沉淀污水组分，而取出可沉淀污水组分。
8、按权利要求6或7的方法，其特征是，污水在前置预澄清池中分成可沉淀污水组分即预澄清污泥和不可沉淀污水组分即预澄清污水。
9、按权利要求1-8之一的方法，其特征是，将从厌氧沉淀池中取出的污泥分成富含磷酸盐的水和贫磷酸盐的污泥，而将富含磷酸盐的水送去进行石灰沉降，其中将沉降污泥取出并将上层水送入需氧处理池，而将贫磷酸盐的污泥直接送入需氧处理池。
10、按权利要求9的方法，其特征是，浓缩污泥是用离心分离方法分成富含磷酸盐的水和贫磷酸盐的污泥的。
11、按权利要求1-8之一的方法，其特征是，从厌氧沉淀池中取出的浓缩污泥在其导入需氧处理池之前送去进行石灰沉降。
12、按权利要求1-11之一的方法，其特征是，第二次澄清池直接设在通风活化池之后，从中取出活化污泥并分成循环污泥和过剩污泥。
13、按权利要求1-12之一的方法，其特征是，总方法中包括前置脱氮，同时脱氮或交替进行。
14、以生物除磷而使含磷酸盐污水净化的设备，其中包括厌氧操作池，后续通风活化池和第二次澄清池并从该池中取出活化污泥而分成过剩污泥和送入厌氧操作池的循环污泥，其特征是，厌氧操作池为沉淀池(1)，其中包括循环污泥和可沉淀和/或不可沉淀污水组分混合物输入管(4)，与后续通风活化池(2)相连的上层清液排出管(5)以及同样与后续通风活化池(2)相连的沉淀池(1)底部浓缩污泥排放管(6)，而在沉淀池(1)和通风活化池(2)之间有时还连上另一处理池并使上层清液或上层清液和浓缩污泥在其导入通风活化池(2)之前经过该处理池。
15、按权利要求14的设备，其特征是，循环污泥和污水组分混合物输入管(4)通入沉淀池(1)的上层区域。
16、按权利要求14或15的设备，其特征是，沉淀池(1)为改型的常用预澄清池，其中是将未处理污水输入管与循环污泥输入管相联并将污泥排出管与后续活化池相联而进行改型的。
17、按权利要求14-16之一的设备，其特征是，厌氧操作沉淀池(1)之前设置预澄清池(16)，其中包括未处理污水输入管(19)，与活化池(2)相连的预澄清污水排出管(18)和与沉淀池(1)相连的预澄清污泥排出管(17)。
18、按权利要求14-17之一的设备，其特征是，沉淀池(1)底部的浓缩污泥排放管(6)与离心机(20)相通，其中包括富含磷酸盐的水排出管(21)和贫磷酸盐污泥排出管(25)，而富含磷酸盐的水排出管(21)与装有石灰添加装置的搅拌池(22)，后续沉积池(23)和其后的活化池(2)相通，而贫磷酸盐污泥排出管(25)则直接与活化池(2)相通。
19、按权利要求14-17之一的设备，其特征是，沉淀池(1)底部的浓缩污泥排放管(6)与装有石灰添加装置的搅拌池(22)和后续活化池(2)相通。
说明书
本发明涉及以生物除磷而使含磷酸盐污水净化的方法，其中可沉淀和/或不可沉淀污水组分在连续处理池中先作厌氧后作需氧处理，并且将从第二次澄清池来的活化循环污泥回送入厌氧操作步骤，本发明还涉及实施该方法的装置。
与此不同的是，如果磷化合物按化学或生化反应而以固态从污水中分离出来的话，则仅可以氮化合物从污水中分出。因此，以前磷酸盐以固态从污水中必然分出的过程只能以进入生物体或进行化学沉降来进行。
多年来，一直采用多级澄清装置来进行化学沉降磷方法。而近来则开发了以生物或生物-化学方式除磷的方法。因此，在纯生物方法中，人们试图确定过剩污泥中生物除磷总量。与此不同的是，生物-化学方法中，生物作用以特定方法与特别经济的石灰沉降作用结合起来。
生物方法中，人们应用了这样一种现象，即污水中所含的磷可按污水和活化污泥相接触的条件从已知微生物中释放出来或与其结合起来。其中，污水中磷实际上仅以磷酸盐出现，而且大部分为可溶磷酸盐，只有很少的一部分是特殊凝结磷酸盐。如果在按活化方法进行操作的生物澄清装置中让活化污泥持续经受厌氧条件(存在溶解氧，亚磷酸盐和硝酸盐)和需氧条件(存在溶解氧)的作用，则表明污泥在厌氧条件下释放出磷酸盐，而在需氧条件下吸收磷酸盐。厌氧相中磷酸盐的释放对应于需氧相中磷酸盐的吸收。到目前为止，这方面进行的所有的研究都表明，需氧条件下的磷酸盐吸收率与预先于厌氧条件下进行的磷酸盐返溶率直接相关。
生物除磷中极为重要的事实是，磷酸盐的吸收程度总是比预先进行的 返溶程度更高。由于污水净化之后是在紧接需氧相之后从生物污泥中分出的，所以会出现Netto-Eliminatian，即排出的磷浓度低，而澄清装置中过剩污泥的磷浓度高。
因此，人们为了提供除磷效率而试图制出尽可能大量的过剩污泥和/或使过剩污泥中的磷含量尽可能提高。
因此，可通过污泥负荷确定具体的过剩污泥产量。
过剩污泥中的磷含量可按上述的关系而提高，更确切地说是通过强化磷的返溶并由此使随后的磷的吸收也得到强化。
如果想通过改变生物澄清装置中的磷的返溶/磷的吸收而影响除磷效果，则还必须注意到以下事实：
1.亚硝酸盐和硝酸盐的存在会阻止磷的返溶，而且在厌氧装置中决不应流入含亚硝酸盐或硝酸盐分流。
2.应用易分解基质则可加快磷的返溶。
在近年来开发的生物除磷方法中以不同的方式考虑到了这两个因素。在目前简化了的所谓A/O方法(已见于例如Krichten D.J.，Hong S.N.，Tracy K.D.的研究报告，Applied biological phos-phorus removal by the A/O.Process，Internat.Conf.“Phosphprus in the Environment”Lissabon，Juli 1985)中，将不通风的完全搅拌池或池组与活化池联接。将循环污泥和未处理或预澄清过的污水送入这一池，其中在该池中的停留时间为1-5h。而在随后的活化池中的停留时间为约2-5h。这种方法的应用仅限于负荷足够高的装置，其中不允许出现硝酸化作用(氨经过微生物氧化成亚硝酸盐和硝酸盐)。这时，换句话说也就是亚硝酸盐和硝酸盐会随循环污泥进入不通风装置并在其中阻止磷的返溶。
在另一所谓“Phoredox”或改性Bardenpho方法中，与A/O方法一样，将循环污泥和未处理或预澄清过的污水送入不通风的完全搅拌池或 池组中。但是，在继后的装置中，除了硝酸化而外，还要进行完全脱氮(亚硝酸盐和硝酸盐经微生物还原成分子氮并以气态从污水中放出)，这样一来，就不含有亚硝酸盐或硝酸盐随循环污泥一起进入厌氧装置中。这种方法还特别是为生物除氮和磷而设置的。其中，在进行磷返溶的第一不通风的完全搅拌池中，循环污泥停留时间为1.5h。
又一方法为所谓的UCT(university of cape town)方法，已见于例如Erama G.A.，Marais G.R.，Zusaetzliche bilo-gische P-Elimination beim Belegungsverfahren-Erfahrungen in Suedafrika.GWF126，Seite 241 bis 249(1985)。这种方法的目的是避免完全脱氮作用所需的高消费。该方法仅限于连续脱氮，这样原则上决不可能达到100%的除亚硝酸盐或硝酸盐。由于循环污泥因此而含有亚硝酸盐和硝酸盐，所以先将其送入脱氮池。污泥从这一池中出来之后再送入串联的不通风搅拌池，其中进行磷的返溶。在这一池中，如同前述的两种方法，污泥与未处理或预澄清污水于完全搅拌条件下进行接触，其中污泥停留时间为1.5h。
上述的三种方法为目前主要采用的三种生物除磷方法。另一所谓的Biodenipho方法，就进行磷的返溶而言，基本上不同于上述的方法。
与上述方法的基本区别还表现在Phostrip方法中，该方法已见于Lerin G.V.，Topol G.J.，Tarnay A.G.，Operation of Full Scale Biological Phosphorus Removal Plant，JWPCF 47，577-590(1975)。这一方法代表了高效率生物除磷与化学沉降除磷相结合的方法。该方法中将部分循环污泥送入称之为“Stripper”的沉淀池。在该池中经过几小时的厌氧停留而进行的磷的返溶期间，同时经过静态浓缩而出来含磷酸盐的上层清液。这种含磷酸盐的上层清水然后进行化学沉降。
与其它方法不同的是，在Phostrip方法中人们还注意到了让污水分 流进行化学沉降而提取载磷组分的目的，这一组分在纯粹采用生物作用时不可能从污水中除去。用石灰(Ca-(OH)2)进行沉降的特殊性在于，与污水总流量进行沉降的情况一样，在污水分流进行沉降时，可大量节省石灰。
原则上，Phostrip方法的应用仅限于不脱氮而且负荷大的活化设备，因为亚硝酸盐或硝酸盐有可能随循环污泥而进入Stripper中。但可采取相应的措施并且已经实施了这些措施。后面所述的这种方法已进行了多次改进，一种改进旨在“加快磷在Stripper中的返溶”(供入预澄清污水)，但首先是旨在“进一步将磷酸盐转入Stripper中”(供入预澄清污水，净化污水或化学处理污水，循环Stripper污泥)。
目前，大多数情况下纯生物除磷的处理方法(A/O，Phoredox，UCT，Biodenipho)的效率还不够高。由于各方法的前提条件互不相同，所以无法将目前文献中列出的结果直接进行相互比较，同时进行的研究也不完善。但是，有一点是确定无疑的，那就是总除磷率极少有超过75%的。
在Phostrip方法中，由于让分流进行化学沉降，所以可达到相当高的除磷率。但其总除磷率的生物除磷成分不到75%。
所有上述方法，也许A/O方法是个例外，均具有很大的缺点，即工艺复杂，因此投资大，此外，只能由经过专门训练的人才能使其运转。
本发明的目的是以生物除磷而净化含磷酸盐污水的方法以及实施该方法的设备，其中在改善生物除磷工艺的同时还可大大降低设备费用或使其减至最少。
在上述方法中，本发明的目的是以这样的方法来达到的，即让厌氧条件下的处理在沉淀池中进行，而沉淀池中污泥停留时间超过水力保持时间，或者说是用这样的设备来达到的，即厌氧操作池为沉淀池(1)，其中包括循环污泥和可沉淀和/或不可沉淀污水组分混合物输入管(4)，与后续通 风活化池(2)相连的上层清液排出管(5)以及同样与后续通风活化池(2)相连的沉淀池(1)底部浓缩污泥排放管(6)，而在沉淀池(1)和通风活化池(2)之间有时还连上另一处理池并使上层清液或上层清液和浓缩污泥在其导入通风活化池(2)之前经过该处理池。
本发明基于按多年的经验用半工业化生物除磷设备得到的认识，即就提高除磷效率来说，以下两点是很重要的：
1.必须使活化污泥的厌氧停留时间高于目前试用的方法，以及
2.必须应用未处理污水中易分解基质的总趋势以提供厌氧停留时间内磷酸盐的返溶速度。
就上述的第一点而言，污水和循环污泥在目前设置的完全搅拌池中接触时，污泥的厌氧停留时间总是太短。由于增大池的尺寸并不便宜，所以本发明采取了分别控制污泥停留时间和液体停留时间的办法，这极易于沉淀池中实现，其中污泥在与污水接触之后沉积起来。然后从沉淀池底部仅取出浓缩污泥，这是从固体物质平衡量中强制取出的。如果进行良好的浓缩，可达到很长的污泥停留时间如5-30h，而实际上特别有利的是10-24h。
为了按要求考虑到上述的第二点，特别有利的是使循环污泥于池顶部与未处理污水接触。这样可以放弃目前常采用的预澄清步骤，并可将大多数情况下于澄清装置中采用的预澄清池转化为厌氧磷酸盐返溶池，其中进行本发明方法的第一步。
因此，根据本发明，污水可理解为公共污水，商业污水或工业污水，必要时还可让其流过格栅并进行除砂和/或油脂预处理，但不进行预澄清，因此仍有大量的可沉淀组分。
本发明方法，如同以下参照附图和实施例进行详细解释的那样，其特点是工艺极简单并可采用现有澄清装置而无需为进一步的生物除磷作明显的改动。两个月的试运转即已显示出相对于现有方法的优越性。未处理水 中含磷浓度一般为平均8mg/l总量，而排出液可达到平均低于1mg/l总量，除磷率差不多为90%。至于磷酸盐，其清除效率还可明显提高。因此，磷酸盐可基本上完全从活化污泥中分离出来，而排出液中的剩余磷含量则大部分源于特殊的磷。
为了阐明本发明方法的突出除磷效率，还是让我们先简单讨论一下本发明方法的理论依据。
众所周知，预澄清污泥经过一段时间的厌氧处理即所谓的酸性发酵。其中，通过预澄清污泥中含有的某些微生物的作用而可使油脂，糖和其它可分解物质分解成低级有机脂肪酸，首先是乙酸。由于分解产物为有机酸，所以人们又称该过程为Acidogenese。将分解产物分离出来后再进行一次分解，由于停留时间很长(几天至几星期)，其中进行所谓的甲烷发酵。
初步试验已表明，将上述分解产物添加到循环污泥中则可明显加快相应装置中磷的返溶。由于从循环污泥中释放磷酸盐和从预澄清污泥中释放有机酸这两个过程要求等同的介质条件，即厌氧环境，所以为建立本发明而得出了如下结论，即可有利地在一台反应器中将这两个过程联合起来进行。确切地讲这是在沉淀池中进行的，其中进行本发明方法的第一步并因此可将该池称之为联合发酵和磷的返溶池。新鲜预澄清污泥一般是在厌氧条件下与循环污泥进行浓缩，释放出有机酸并直接为循环污泥所用。从循环污泥中吸收有机酸并相应地保证磷酸盐的释放。按照这样建立起来的优化环境，磷酸盐的释放特别快，只要注意到前面的解释，即磷酸盐的吸收最好在活化池中进行，也就不难得出这一结论。
本发明方法的应用不仅限于无硝酸化高负荷装置，由于厌氧沉淀池中的还原趋势很大，所以可进行循环污泥脱氮，而又不明显影响磷酸盐的返溶能力。已知方法中用完全搅拌池进行操作，其中随循环污泥带入的硝酸盐立刻遍布池的每一角落并全面阻止磷酸盐的返溶，与此不同的是，在本 发明方法的沉淀池中，由循环污泥带来的硝酸盐在其与未处理污水一起导入时仅浮于池的最上层并很快得到还原。因此而避免了对下层磷酸盐的返溶产生不利影响。只是在硝酸盐还原过程中要消耗易分解基质，这会在一定程度上削弱磷酸盐的返溶程度。但是，由于未处理污水中溶解的易分解基质完全用以使硝酸盐还原，所以发酵而得的有机酸可完全用于磷酸盐的返溶。
所以说，还要保证稳定的澄清装置除磷效率，澄清装置在临界范围内工作并只是间或进行硝酸化。因此，本发明方法可顺利地与单独进行的除氮操作相结合，可串联脱氮，同时脱氮或交替进行(Biodenipho方法)原则上，这种联合对各种方法都是可能的，其中存在无需固定在载体上的流动活化污泥。
必要时，还可将从厌氧操作沉淀池取出的浓缩污泥再额外进行一次厌氧停留。这可在另一沉淀池或混合池中进行。如果厌氧沉淀池中混合污泥因液体负荷大而不能使其浓缩达到足够的污泥厌氧停留时间，则采取这种措施应是必须的。
就本发明的构思的另一方面而论，向厌氧沉淀池中只供入可沉淀污水组分，而将不可沉淀的污水组分直接送入需氧处理池。还可有利地将预澄清池与厌氧沉淀池相连，其中将可沉淀污水组分，也称为预澄清污泥和不可沉淀污水组分，也称为预澄清污水相互分开。在该实施方案中，厌氧沉淀池中的水力负荷得到降低，污泥浓缩得到改善并因而提高了厌氧停留时间。当然，不足的是溶解的污水成分不可能有效地强化厌氧条件下的磷的返溶，因为预澄清污水直接送入了需氧处理步骤。但是，另一方面，污泥的高厌氧停留时间又可促使处理池中磷的进一步返溶并因此而强化磷的吸收。除磷效率即可得到提高。
预澄清污泥也可额外进行一次处理，这可将大颗粒物质与细颗粒物质分开。例如，可用离心机进行分离。从离心机分离出来的含大颗粒物质并 以高度浓缩态沉降的污泥可直接送去进行污泥处理。而中间的大量细颗粒物质则送入厌氧沉淀池。
本发明的另一实施方案是考虑向厌氧沉淀池中只供入不可沉淀污水组分，而取出可沉淀污水组分。在前置的预澄清池中又一次于不可沉淀污水组分即预澄清污水下面使可沉淀污水组分即预澄清污泥得到分离。厌氧沉淀池中这样供入预澄清污水，具体基质的分解甚至也不能发挥作用，但是，与完全搅拌体系比较起来，高厌氧停留时间是有效的。通过这一实施方案，还可避免放弃预澄清步骤可能带来的不利影响如高需氧量，沉积和堵塞等现象。
在污水成分不利(高磷酸盐浓度，低BSB浓度)时，上述实施方案可达到其效率范围。在这种情况下，按本发明可考虑借助污水分流沉降而在添加少量石灰时使高磷酸盐载带量达到化学凝结。这时，可将从需氧沉淀池中取出的污泥分成富含磷酸盐的水和贪磷酸盐的污泥，例如可用离心分离机进行。富含磷酸盐的水在约9的pH值下进行石灰沉降，其中取出沉淀污泥并将上层水送入需氧处理池。而贪磷酸盐污泥直接送入需氧处理池。少量的污水分流和高溶解磷酸盐浓度即为磷酸盐的化学沉降提供了理想的前提条件。取出的磷酸钙沉降污泥还可回送去再次使用。
按照本发明，还可考虑让从厌氧沉淀池中取出的浓缩污泥直接送去进行石灰沉降。在约9的pH值下产生的沉降污泥与有机污泥一起送入需氧处理池并在其中因pH值下降而部分再进入溶液。但是，一大部分沉降污泥仍将按磷酸盐晶体的所谓“Alterung”而以固态留下来并使工艺体系具有过剩的污泥。生物结合的磷酸盐还应加上化学结合的部分，因此除磷效率得到了提高。
按照作为基础的工艺原理，可以少量设备分流达到磷酸盐富集，本发明的这种实施方案还可在用石灰进行分流沉降时利用这一事实。在用石灰进行沉降时，除磷效率取决于可提高的pH值。磷酸盐在少量污水中的富 集还意味着，如同总污水流沉降一样，仅增加极少量的石灰即可达到相同的效率。因此，石灰节约量直接与污水分流和总流之比成正比。