專利名稱：用于對流出物生物處理以進行凈化的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及對含水流出物進行生物處理，具體是生活廢水和工業廢水，以達到凈化目的。
更具體地，本發明涉及對這些流出物進行生物處理的改進方法和設備，其中應用活性污泥技術的游離微生物培養基，從而脫除在待處理流出物中存在的碳污染物。
在已知的使用游離微生物培養基的凈化方法中，那些應用所謂的“低負荷”活性污泥的方法得到越來越多的應用。
這些“擴大”型的方法從曝氣池及澄清系統來說具有如下工作特性應用低的質量和體積負荷、高的水力學停留時間和介質沉降污泥，從而需要建造相當大的結構。
另外，實施這些常規凈化方法的設備通常需要一系列專用的裝置，這些裝置先后對待處理流出物進行篩選、脫除沉積物、脫脂和初級沉降，這些裝置設置在用活性污泥進行實際生物處理的步驟的上游。
這些從建造、操作和維護的角度解釋了現有技術裝置昂貴的原因。
為了改善這些缺點，本發明提供了一種對被城市或工業源雜質污染的流出物進行生物處理的方法，其特征在于應用具有高質量負荷的單個曝氣池，其中在沒有預先沉降的情況下，將原始的或機械預處理后的流出物與活性污泥類的游離微生物培養基混合，所述游離微生物培養基在略微曝氣的培養基中生長，具有約0.1-0.2kg O2/kg BOD5去除量，所應用的有機物負荷等于或高于至少2kg COD/kg SM/天，優選等于或高于4kg COD/kg SM/天，原始流出物在單個曝氣池中的水力學停留時間為30-90分鐘，優選為40-60分鐘。
這些解釋了現有技術的裝置中由初級沉降器和曝氣池組成的整個系統需要由本發明的具有高質量負荷的單個曝氣池所替代的原因。
已知質量負荷通過以COD或BOD5表示的每日污染物流量與曝氣池中存在的干物質的量的比來定義。為了實施本發明的方法，該質量負荷值必須高于1.5kg COD/Kg SM/天，并且固體物質的濃度為0.5-2.5g SM/l，這使得所應用的體積負荷高于3kg BOD5/m3/天。
由于本發明的這些特征，與利用延時曝氣和應用低負荷的傳統裝置的活性污泥處理池相比時，其單個曝氣池的體積減小10個因子至最小。
上述本發明方法基于生物吸附進行在非常高負荷的曝氣池中，溶解的碳污染物的一部分和幾乎全部的膠體和顆粒部分被活性污泥絮凝物生物吸附。
在本發明的效果方面，事實是所述凈化作用主要基于生物吸附機理而不是基于氧化或發酵的生物機理，并且所述方法作用時避免了初級沉降以及脫除沉積物和脫脂，用于在待處理的流出物中保持高的膠體和顆粒物質含量，而這些化合物促進生物吸附。
生物吸附可以描述為一種物理化學機理，其中污染物的脫除相當于通過吸附、吸收和夾帶使物質從液相迅速轉化為絮凝物。
當流出物與污泥接觸時立即發生三種機理(參見Eikelboom-1982在活性污泥主體中的防護和補救方法(in Bulking of Activated SludgePreventive and Remedial Methods)，Ellis Horward Publ.，Chichester，90-105“利用高絮凝物負荷的主體污泥的生物吸附和防護(Biosorptionand prevention of bulking sludge by means of a high floc loading)”)，并且并入所謂的“生物吸附”的整個機理中，即
1-膠體產品通過物理化學吸附保留在絮凝物上(“表面固定”)，這形成其主體；
2-懸浮物通過生物絮凝物中的鱗片物而保留；
3-通過微生物胞外和胞內吸收可溶性有機物。
在本發明的非常短的水力學停留時間下(30-90分鐘)，微生物群體沒有足夠的時間水解并代謝所吸附的污染物。
相反，吸收反映了細菌行為及其積累營養儲備的能力用于隨后氧化作用的胞內“存貯”可相當于所述微生物質量的50％(參見EkamaG.A.等，1979，WPCF期刊，51，3，534-556“活性污泥方法的動態行為”(Dynamic behavior of the activated sludge process)。
在本發明方法中，如果細菌保持在“壓力”狀態下，這意味著最小的氧化能量輸入，則只有這種吸收是可能的。因此，根據本發明方法的一個特征，通過調節溶氧量為0.1-1g/l，將所述方法控制在厭氧生活極限下。
這一點解釋了為什么上述本發明方法基于通過“活性污泥”吸附劑對污染物的夾帶，而不是通過氧化或發酵進行生物降解，所使用的活性污泥在高應用質量負荷下連續變化，同時保持低曝氣以保證系統的混合能量和足夠的生物吸附能量。
高的應用負荷水平促進了吸附和吸收機理，同時保持生物質在維持幾乎零生長速率的狀態下。作為本發明方法特征的這些條件賦予所述非常高負荷的污泥以顯著的性能，具體如下
-在沒有初級預處理的情況下所保留的可沉降污染物用來壓載所形成的絮凝物，從而達到良好的澄清；污泥指標為40ml/g的顯著值，而按照現有技術將曝氣池放在初級沉降器之后的高負荷方法中則達不到這樣的數值；
-非常高負荷的污泥具有非常好的質量，其懸浮物濃度約為0.5-2.5g/l，優選為0.6-1.5g/l(這些值可與現有技術具體為FR-A-2 594113中建議的值3-4g/l相比)，可在澄清池中應用高的向上速度(＞2m/h)，如下文所述，澄清池與單個曝氣池相連；
-曝氣是影響所有生物系統性能的參數；相反，本發明的方法對于非常高負荷的污泥可保持需氧量限度，從而保證良好的生物吸附，其代價是針對易同化有機物質具有較低的凈化效率；
-如將水力學停留時間保持在較低數值，則更容易對氧化代謝進行限制。
相對于低負荷系統而言，本發明的高或非常高的應用負荷的系統的優點是相當大的。
就曝氣池及澄清系統而言，這種所謂的“集中”系統允許對于相同體積的待處理污染物進料有緊湊得多的結構設計，并且所述污泥具有良好的沉降性質。
本發明方法中發生的生物吸附機理的特征在于其反應動力學比傳統活性污泥中觀察到的生物反應更高(2-3個因子)，并且其進氣量較低(與0.6kg O2/kg BOD5去除量相比相應為0.1-0.2kg O2/kg BOD5去除量)。
至于反應時間，其數量級如下
-對于本發明方法的生物吸附為15分鐘；
-對于傳統方法的代謝約30-45分鐘。
本發明方法與現有技術的所謂的非常高負荷的方法明顯區別如下使用游離培養基的特定條件允許其在略微曝氣的介質中并且在高的應用質量負荷下連續生長，以促進生物吸附和BOD儲存機理。
因此，由Boehnke教授開發的非常高負荷的活性污泥方法(參見Boehnke B.等1997，水環境與技術(Water Environment &Technology)，23-27“AB方法脫除有機物和營養物(AB process removesorganics and nutrients)”和Boehnke B.等1998，水工程和管理(WaterEngineering & Management)，31-34“通過基于吸附的活性污泥技術有效降低高強度廢水的成本(Cost-effective reduction of high-strengthwastewater by adsorption-based activated sludge technology)”)指的不是生物吸附機理，而是微生物選擇的壓力，導致生物群落適應特性，所述非常高負荷方法即代謝活性更強的方法所特有的生物群的出現反映了這一點。在這種現有技術中，沒有將生物吸附當作主要的凈化機理，這種機理只是在負荷波動過程中作為緩沖。
此外，凈化效率較低(對BOD5為50％左右)，而本發明的方法所達到的平均降低對BOD5為75％，對SM為80％。
就集中方法而言，現有技術并不能使本領域技術人員象本發明所覆蓋的高負荷或非常高負荷的方法那樣控制活性污泥方法的實施和運行。實際上，對于本領域技術人員來說公知的是這些系統對負荷波動、水利過載或生物過載是非常敏感的，由此導致效率和所處理的水的要求質量迅速降低(就碳污染物和懸浮物而言)。
因此，按照慣例，在降雨情況下，其中觀察到待處理水的組成降解，這些集中方法證明是不合適的，因為存在于反應器中的固體物質有可能很快濾掉，這使得對所述流出物的處理不可能達到所需質量，并且恢復到正常狀態需要高達48小時以上的時間。
象任何所謂的集中生物系統一樣，本發明所覆蓋的方法證實了對于未處理水的參數變化極高的響應性。
考慮到污染物與所存在的生物質的高比率以及相應的低生物質濃度(1-2g/l的SM)，未處理水的性質的明顯變化將很快打破系統平衡。
與延長曝氣活性污泥方法即所謂的擴大系統不同，所述非常高負荷的方法僅具有低的緩沖容量。
流出物濃度的明顯降低很快使存在于系統中的生物質濾掉。類似地，未處理水污染物負荷內含物的明顯增加很快使單個曝氣池中懸浮物濃度增加，并可能使與所述其相連的澄清池過載，如下文所述。
為使本發明的方法更靈活，使其能承受體積或質量負荷的變化，通過調節單個曝氣池混合液體的循環流量提供一個調節系統，進行這一調節從而保持固體物質(懸浮物+生物質)在預定范圍內，優選為1.0-1.5g/l，通過連續測量活性污泥或混合液體的濁度來實施所述調節，并且所述測量與混合液體再循環流量或提取流量的控制相結合。
根據本發明，為了維持低的溶氧設定值，例如0.1-1mg/l，也可以對單個曝氣池中的進氣量進行調節。實際上，過量溶氧可用來氧化非常容易同化的有機物，而在本發明的試圖促進生物吸附機理的方法中必須避免這一點。
本發明的另一個目的是用于實施上述方法的裝置。所述裝置的特征在于其包括
-游離培養基反應器，其中游離培養基在曝氣介質中生長，該反應器構成所述單個曝氣池，其包括連有混合裝置的連續或間歇進氣裝置，
-連續測量活性污泥或混合液體濁度的裝置，以及用于測量溶氧濃度的裝置，其數據通過伺服系統進行處理，所述伺服系統一方面用于控制混合液體再循環或提取流量以在所述反應器中維持恒定的固體物質含量，而另一方面用于控制進氣量以在所述反應器中維持低的殘余溶氧量，
-中間澄清池，使污泥與已經去除污染物的流出物分離，和
-由中間澄清池到游離培養基反應器的污泥再循環回路，其中所述再循環(或提取)流量通過反應器中的濁度測量進行控制。
本發明的其它特征和優點可由以下參照附圖所給出的描述中看出，此描述給出的是非限定性的實施方案。在附圖中
-
圖1給出了本發明的裝置，
-圖2的曲線作為所應用的負荷的函數給出了本發明方法實施方案中生物吸附常數的變化。
參照圖1，在所述實施方案中，本發明的設備包括用參考標記1表示的在高負荷下利用活性污泥的反應器或單個曝氣池，所述反應器包括連續或間歇的進氣裝置2，混合能量利用受溶氧含量和濁度測量探針3控制的系統機械供給。在所述實施方案中，中間沉降池4與所述反應器1相連，從而使污泥與已經去除污染物的流出物分離。所述裝置還包括由中間沉降池4到游離培養基反應器1的污泥再循環回路5，污泥再循環流量(或由中間沉降池4的污泥提取流量)受利用探針3進行的濁度測量控制。
可與本發明設備的上述基礎設備一起提供已知的各種設備，用于補充所述流出物處理。因此，所述設備可包括第二階段6，其可以是
·與固定或移動支座相連的生物質硝化反應器(取決于懸浮物釋放極限)，用于接收來自中間澄清池4的中間流出物；
·與固定或移動支座相連的生物質反硝化反應器(取決于懸浮物釋放極限)，用于接收來自硝化反應器的中間流出物。可外部供應(例如以甲醇的形式)必要的可同化的碳，或利用由所述反應器提取的污泥的厭氧消化提供，所述污泥是高度可發酵的；
·厭氧消化反應器或任何其它污泥水解系統，所述系統用于液化所述污泥的可發酵部分，且為反硝化過程或甲烷化過程提供所必需的易于同化的碳；在水解后通過任何合適的方法如離心、微孔過濾分離剩余的惰性污泥；
·甲烷化反應器，用于生產生物氣，并因此提供操作所述方法必需的部分能量。
優選地，以非常高負荷的活性污泥運行的反應器1采用曝氣池的形式，其在化學工程中被稱為“與混合一體的生物反應器”，這種反應器以低的能量消耗達到有效混合；由于水的性質在池的所有點是相同的，從而促進了生物吸附機理。
這類池的缺點是對待處理液體的流量和性質變化很敏感，而這些因素在廢水處理領域是常見的。由于本發明的氧含量是受控制的，所述對于流量和污染物流量的敏感性對流出物處理沒有影響。
如上文所述，為了使反應器1能承受體積或質量負荷的變化，本發明提供了控制系統，通過調節混合液體的再循環流量(回路5)來維持固體物質(SM+生物質)在預定范圍內，優選在1.0-1.5g/l左右，如上文所述。針對這一目的，使用探針濁度計3或本領域技術人員已知的任何其它合適的傳感器如顆粒計數器、分光光度計等連續測量濁度，該測量與控制混合液體再循環或提取流量的設備相結合。借助于得自校正圖表的關聯式，該測量可用來粗略表征介質中懸浮固體物質的含量，從而描述所述裝置的操作條件。
已經強調了使用這一參數調節活性污泥凈化方法的實際優點。而FR-A-2 784 093描述了一種為了在活性污泥方法中控制二次澄清過程中污泥停留時間而開發的自動再循環管理方法，所述方法使用表示污泥濃度的信號，而所述信號使用設置在再循環管線中的傳感器得到。另外，FR-A-2 795 713使用濁度測量來表征存在于未處理水中的污染物負荷，所述測量與膠體和顆粒污染物相關。
在本發明中，所得到的信號必須代表固體物質濃度，生物吸附機理不只針對微生物發生，而且針對存在于污泥中的懸浮物質發生。在這些條件下，在本發明的設備中，傳感器如3必須如圖1所示直接設置在生物反應器1中，或在向所連接的澄清池4供料的水管線上設置在所述反應器的出口處。根據本領域的技術人員已知的規則并依據所選傳感器的類型設置所述傳感器。
根據本發明實施調節在于定義單個曝氣池1中四種懸浮物SM濃度的間隔。每一間隔對應于由澄清池4到曝氣池1的混合液體再循環泵的適應操作或污泥抽取泵的適應操作。
通過控制提取流量來監測懸浮物SM的濃度，以使通過所述系統的總流量(廢水+再循環)僅有輕微變化。
由于這一調節，可以在由于負荷波動、降雨事件等擾動下，在正常期限內降低懸浮物濃度變化，然后迅速回到正常操作狀態。
優選地，所定義的設定點如下目標濃度1.5g/l，濃度偏差±0.3g/l，基數濃度(floor concentration)1g/l。
在降雨過程中，存在于未處理水中的污染物的稀釋使反應器1中所應用的固體物質減少。這一變化立即引起再循環流量提高或提取流量降低，從而避免任何濾掉危險(存在于反應器中的固體物質的脫除)。
在日常高峰時刻，污染物濃度以及所應用的負荷均增加；這一變化立即引起再循環流量降低或提取流量提高，從而避免澄清池飽和，而這將導致已處理水中的污泥損失。
下表給出了這一調節的執行過程。
根據本發明的另一個特征，為了維持低的溶氧設定點，還對進氣量進行調節。這一調節基于根據曝氣池1中溶氧濃度而產生的兩個不同氣體流量設定點，這一調節的執行對本領域技術人員是已知的，這一調節將連續保持殘余溶氧量為0.1-1mg/l。還可通過機械方式停止曝氣和供應混合能量來實現所述調節。
因此，根據本發明，對兩個不同參數即對混合液體的再循環流量或提取流量進行控制，從而在生物反應器1中維持恒定的固體物質含量，以及控制進氣裝置2，從而在生物反應器中維持低的殘余溶氧量。
可以理解，基于對混合液體再循環或提取裝置以及進氣裝置的控制，非常高負荷的活性污泥方法與最佳的控制系統組合，不僅在與同等緊湊的澄清池相連的緊湊反應器中達到高水平的碳污染物的處理，而且最重要的是，即使在水力過載時期的過程中，也可以隨時間控制所述方法及其性質。
在下表中給出的實施例顯示了本發明的在高負荷下操作的裝置中的耐濾掉性，一方面所述裝置沒有進行控制，另一方面則進行控制，而圖2作為所應用質量負荷Cma(表示為總COD)的函數給出了生物吸附常數Ao的變化曲線。對該曲線的分析表明所應用的負荷越高，生物吸附常數就越高。
VHL(非常高負荷)的例子耐濾掉性無控制SM(g/l)CMa Kg CODt/kg SM/天CODt效率(％)SM效率(％)第1天1.5 13.6 64 71第2天濾掉第3天0.4 17.3 45 51第4天1.0 22.8 44 50第5天1.4 14.7 58 65
有控制SM(g/l)CMa Kg CODt/kg SM/天CODt效率(％)SM效率(％)第1天2.010.86473第2天1.8第3天1.79.86268第4天1.910.76167第5天2.09.7587權利要求
1.一種對被城市或工業源雜質污染的流出物進行生物處理的方法，其特征在于
采用具有高質量負荷的單個曝氣池(1)，其中不經預先傾析而將原始的或機械預處理的流出物與在略微曝氣的介質中生長的活性污泥型游離微生物培養基混合，所述培養基具有約0.1-0.2kg O2/kg BOD5去除量，所應用的有機負荷等于或高于至少2kg COD/kg SM/天，優選等于或高于4kg COD/kg SM/天，原始流出物在所述單個曝氣池中的水力學停留時間為30-90分鐘，優選為40-60分鐘，并且在所述單個曝氣池(1)中，所述流出物中溶解碳污染物的一部分和幾乎全部膠體和顆粒部分被活性污泥絮凝物生物吸附。
2.權利要求1的方法，其特征在于所述質量負荷值高于1.5kgBOD5/kg SM/天，其中固體物質濃度為0.5-2.5g SM/l，致使所應用的體積負荷高于3kg BOD5/m3/天。
3.權利要求1的方法，其特征在于通過調節所述溶氧量為0.1-1g/l而控制在厭氧生活極限下。
4.權利要求1的方法，其特征在于所述非常高負荷的污泥的懸浮物濃度約為0.5-2.5g/l，優選為0.6-1.5g/l。
5.前述權利要求任一項的方法，其特征在于通過調節所述單個曝氣池中混合液體的再循環流量提供調節系統，進行所述調節從而保持固體物質(懸浮物+生物質)在預定范圍內，優選為約1.0-1.5g/l，其中通過連續測量活性污泥或混合液體的濁度來實施所述調節，并且所述測量與所述混合液體的再循環流量或提取流量的控制相結合。
6.前述權利要求任一項的方法，其特征在于包括調節單個曝氣池(1)中的進氣量從而維持約0.1-1mg/l的低的溶氧設定值。
7.實施前述權利要求任一項方法的裝置，其特征在于所述裝置包括
-游離培養基反應器(1)，其中游離培養基在曝氣介質中生長，其中所述流出物中溶解碳污染物的一部分和幾乎全部的膠體和顆粒部分被活性污泥絮凝物生物吸附，所述反應器構成所述單個曝氣池，其包括連續或間歇的進氣裝置(2)，在這種情況下機械供應混合能量，
-連續測量所述活性污泥或混合液體濁度的裝置(3)，以及測量溶氧濃度的裝置，其數據通過伺服系統進行處理，所述伺服系統一方面用于控制混合液體的再循環或提取流量以在所述反應器中維持恒定的固體物質含量，另一方面用于控制進氣量以在所述反應器中維持低的殘余溶氧量，
-中間澄清池(4)，用于使污泥與已經去除污染物的流出物分離，和
-從中間澄清池到游離培養基反應器的污泥再循環回路(5)，其中所述再循環(或提取)流量通過所述反應器中的濁度測量進行控制。
8.權利要求7的裝置，其特征在于以非常高負荷的活性污泥操作的反應器(1)采用與混合一體的曝氣池的形式。
9.權利要求7或8的裝置，其特征在于傳感器(3)直接設置在生物反應器(1)中。
10.權利要求7或8的裝置，其特征在于在向所連接的澄清池(4)供料的水管線上將傳感器(3)設置在所述反應器的出口處。
全文摘要
本發明涉及對被城市或工業源雜質污染的流出物進行生物處理的方法，其特征在于采用具有高質量負荷的單個曝氣池(1)，其中不經預先傾析而將原始的或機械預處理的流出物與在略微曝氣的介質中生長的活性污泥型游離微生物培養基混合，所述培養基具有約0.1－0.2kgO2/kg BOD5去除量，所應用的有機負荷等于或高于至少2kg COD/kgSM/天，優選等于或高于4kg COD/kg SM/天，在單個曝氣池中原始流出物的水力學停留時間為30－90分鐘，優選為40－60分鐘。
文檔編號C02F3/00GK1625530SQ0380286
公開日2005年6月8日 申請日期2003年1月28日 優先權日2002年1月29日
發明者S·莫爾甘 申請人:底格里蒙公司