CN101844831B

CN101844831B - 废水处理方法和废水处理装置

Info

Publication number: CN101844831B
Application number: CN2010101494462A
Authority: CN
Inventors: 井坂和一; 木村裕哉; 角野立夫
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP5177802B2; US20100243565A1; JP2010221191A; NL2004440A; US8303817B2; NL2004440C2; CN101844831A

Abstract

本发明涉及一种废水处理方法和废水处理装置。在处理槽中混合其中使硝化细菌占优势的硝化载体和其中使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体。在处理槽中进行用硝化载体进行的硝化反应和用脱氮载体进行的脱氮反应二者从而将废水中的铵态氮分解为氮气。硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌的细菌负荷的比率可以通过将硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌固定在彼此不同的载体(硝化载体和脱氮载体)上，并通过控制硝化载体和脱氮载体的体积比(进料量的比率)来容易地控制。

Description

废水处理方法和废水处理装置

发明背景

发明领域

本发明公开的主题涉及废水处理方法和废水处理装置，且特别涉及用于处理含有铵态氮的废水的方法以及为此的处理装置。

相关技术描述

近年来，包括利用厌氧氨-氧化细菌进行脱氮处理的方法（厌氧铵氧化法）作为处理含有铵态氮的废水的方法已经引起注意。该方法包括在硝化槽中利用硝化细菌将废水中的铵态氮亚硝酸化为亚硝酸盐，然后利用厌氧氨-氧化细菌将脱氮槽中废水中的亚硝酸盐和铵态氮同时脱氮。该方法不需要为脱氮反应从外部提供有机物质，且因此可以有效进行废水处理。

厌氧铵氧化法中的同时脱氮反应按照下述反应式进行。因此，为了可靠地分解和去除废水中的铵态氮，需要基于下述反应式中的化学计量比例而控制脱氮槽中铵态氮和亚硝酸盐态氮的比例。由于这一原因，需要严格控制硝化槽中的硝化率。

1.00NH₄+1.32NO₂+0.066HCO₃+0.13H⁺→1.02N₂+0.26NO₃+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O

然后，提议这样的方法（所谓的CANON法），其允许在需氧条件下在处理槽中进行硝化反应和脱氮反应两者，在所述处理槽中硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌共存(例如，Third,K.A.,Sliekers,A.O.,Kuenen,J.G.,Jetten,M.S.M.,2001限铵下的CANON系统(完全自养的去除亚硝酸盐的氮)：三组细菌之间的相互作用和竞争。(The CANON system(completelyautotrophic nitrogen-removal over nitrite)under ammonium,limitation:interaction and competition between three groups of bacteria).系统应用微生物学(Syst.Appl.Microbio1).24(4),588-596)。该方法可以在不严格控制硝化率的条件下可靠地分解且去除废水中的铵态氮，因为在一个处理槽中共存的硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌倾向于彼此保持平衡。

所述CANON法需要使硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌在一个处理槽中共存。为此原因，提议这样的一种方法，其使硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌两者在一个生物膜中共存，并用所述生物膜处理废水。

例如，日本专利申请公开号2001-293494描述了一种使用载体(海绵)处理废水的方法，其中将硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌两者都进行了固定。

此外，日本专利申请公开号2004-230225描述了一种制备载体(双层结构载体)并使用所述载体处理废水的方法，所述载体由具有双层结构的生物膜形成，其具有包埋和固定在其中的厌氧氨-氧化细菌，并且具有附着于其上的硝化细菌。

发明概述

然而，在日本专利申请公开号2001-293494和日本专利申请公开号2004-230225中所述的方法难以控制硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌的细菌负荷的比率，使硝化反应和脱氮反应之一成为限速因素并最终不能快速处理废水。

考虑到上述情形，已经完成了本发明公开的主题，且本发明的一个目的是提供利用在一个处理槽中共存的硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌可以快速和稳定进行废水处理的废水处理方法和废水处理装置。

根据本文公开的主题一方面的废水处理方法是一种处理包含铵态氮的废水的方法，其包括下列步骤：制备处理槽，其中混合其中已经使硝化细菌占优势的(dominant)硝化载体和其中已经使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体；在处理槽中用硝化载体中的硝化细菌，将废水中包含的铵态氮氧化为亚硝酸盐；并用处理槽中的脱氮载体中的厌氧氨-氧化细菌使通过铵态氮的氧化形成的亚硝酸盐脱氮，同时将废水中的铵态氮用作氢供体。

通常认为当硝化反应和脱氮反应在一个处理槽中进行时，需要使用其中硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌共存的生物膜。在所述情形下，本发明人进行了广泛研究，结果发现，通过使硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌分别固定在分开的载体中，并且使这两种载体混合(共存)在一个槽中，可以使硝化反应和脱氮反应在一个处理槽中进行。基于本发明人的上述发现实现上述废水处理方法。

在上述废水处理方法中，通过在分开的载体中分别固定硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌(硝化载体和脱氮载体)并控制硝化载体和脱氮载体的体积比(进料量的比率)，可以容易地进行硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌的细菌负荷的比率的控制。因此，所述方法可以防止硝化反应和脱氮反应之一成为限速因素，并且可以迅速进行废水处理。

所述废水处理方法还可以包括下列步骤：将脱氮载体进料到处理槽中；将包含硝化细菌的未驯化(unacclimated)载体进料到其中已经进料脱氮载体的处理槽中；并驯化(acclimating)包含在处理槽的载体中的硝化细菌以获得脱氮载体。

在脱氮载体中占优势的厌氧氨-氧化细菌对于溶解氧具有一定程度的抗性。因此，所述方法可以在不会使脱氮载体中的厌氧氨-氧化细菌失活的情况下驯化硝化载体，这通过将其中使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体提前进料到处理槽中，接着在处理槽中驯化作为需氧细菌的硝化细菌来进行。

所述废水处理方法还可以包括下列步骤：将隔离板(separating plate)附加到处理槽中，从而将处理槽分成第一驯化室和第二驯化室；将包含硝化细菌的第一载体进料到第一驯化室；将包含厌氧氨-氧化细菌的第二载体进料到第二驯化室；将包含在第一载体中的硝化细菌在第一驯化室中进行驯化以获得硝化载体；将包含在第二载体中的厌氧氨-氧化细菌在第二驯化室中进行驯化以获得脱氮载体；并在已经驯化硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌后将隔离板拆卸。

因此，硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌可以通过将作为需氧细菌的硝化细菌和作为厌氧细菌的厌氧氨-氧化细菌分别在第一驯化室和第二驯化室中驯化来可靠地驯化。此外，由于硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌可以只在用于进行废水处理的处理槽中进行驯化，因而可以节省空间。

在废水处理方法中，硝化载体和脱氮载体的至少一种优选地是包埋固定颗粒(pellet)。

当将包埋的固定颗粒用作载体时，可以可靠地控制细菌负荷，因为不会发生生物膜的剥离，所述剥离在附着固定(attachment immobilization)颗粒的情形中可能发生。此外，当使用包埋固定颗粒时，可以比较容易地驯化颗粒，因为在驯化中不需要返送污泥。

在废水处理方法中，优选在氧化铵态氮形成亚硝酸盐和使亚硝酸盐脱氮的步骤中，将处理槽中的溶解氧浓度维持在1mg/L以上和4mg/L以下。

通过将溶解氧(DO)的浓度维持在上述范围内，可以稳定和快速地进行废水处理。

在废水处理方法中，优选地，氧化铵态氮成亚硝酸盐的硝化反应的速率是1.1kg-N·m^-3·日^-1以上，并且使亚硝酸盐脱氮的脱氮反应的速率是2.0kg-N·m^-3·日^-1以上。

根据本文公开的主题的另一方面的废水处理装置包括处理槽，在所述处理槽中，混合其中使硝化细菌占优势的硝化载体和其中使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体。

当使用上述废水处理装置时，硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌的细菌负荷的比率可以容易地通过调节硝化载体和脱氮载体的体积比(进料量的比率)来控制。因此，所述装置可以防止硝化反应和脱氮反应之一成为限速因素并且可以快速进行废水处理。

所述废水处理装置优选地还包括隔离板，其可去除地附加于处理槽从而将处理槽分成用于在其中驯化硝化载体的第一驯化室和用于在其中驯化脱氮载体的第二驯化室。

由此可见，废水处理装置在其中处理槽通过隔离板被分成第一驯化室和第二驯化室的状态下，可以在第一驯化室和第二驯化室中分别驯化作为需氧细菌的硝化细菌和作为厌氧细菌的厌氧氨-氧化细菌。此外，可以将废水处理装置做成紧凑的，因为可以只在用于进行废水处理的一个处理槽中驯化硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌。

所述废水处理装置优选地还包括:挡板(baffle plate)，其被设置以将处理槽分成第一处理室和第二处理室，并且从而形成连通通道（communicating path），所述通道使第一处理室和第二处理室在处理槽的上部和下部连通；和空气扩散部件(air-diffusing unit)，所述部件给废水充气并搅拌废水，并被提供在第一处理室和第二处理室之一中从而通过连通通道在处理槽中形成废水的回旋流。

由此，可以将溶解氧供应到处理槽中的废水并且还可以使用在处理槽中形成的废水的回旋流使处理槽中的载体流动，所述废水的回旋流只是通过在第一处理室和第二处理室之一中装备空气扩散部件来形成。因此，可以减少进行废水处理所需要的能量。

在废水处理装置中，硝化载体和脱氮载体中的至少一种优选地是包埋固定颗粒。

当将包埋固定颗粒用作载体时，可以可靠地控制细菌负荷，因为不会发生生物膜的剥离，所述剥离在附着固定颗粒的情形中可能发生。此外，当使用包埋固定颗粒时，可以比较容易地驯化颗粒，因为在驯化中不需要返送污泥。

废水处理装置优选地还包括:空气扩散部件，其给处理槽中的废水充气，且搅拌处理槽中的废水；和控制部件，其控制空气扩散部件从而使处理槽中溶解氧的量为1mg/L以上和4mg/L以下。

根据本文公开的主题，使用这样的处理槽来进行废水处理，在所述处理槽中混合(共存)其中使硝化细菌占优势的硝化载体和其中使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体。因此，所述方法通过调节处理槽中硝化载体和脱氮载体的体积比(进料量的比率)可以防止硝化反应和脱氮反应之一成为限速因素，并且可以迅速进行废水处理。

附图简述

图1是举例说明根据本文公开主题的一个实施方案的一个废水处理装置实例的结构图；

图2是举例说明用于驯化硝化载体和脱氮载体的一个废水处理装置的实例的结构图；

图3是举例说明用于驯化硝化载体和脱氮载体的废水处理装置的另一个实例的结构图；

图4是举例说明通过使用回旋流在处理槽中搅拌废水的废水处理装置的一个实例的结构图；

图5是举例说明通过使用回旋流在处理槽中搅拌废水的废水处理装置的另一个实例的结构图；

图6是举例说明用于驯化硝化载体和脱氮载体的废水处理装置的另一个实例的结构图；

图7是显示已经用于驯化硝化载体的铵废水的水质的表；

图8是显示已经用于驯化脱氮载体的合成废水的水质的表；

图9是显示实施例1中废水处理结果的表；

图10是显示实施例2中废水处理结果的表；

图11是显示实施例4中溶解氧的量和氮去除效率之间的关系的图表；和

图12是显示实施例5中废水处理结果的表。

优选实施方案详述

根据本文公开主题的实施方案将参考附图在下文中进行描述。

图1是举例说明根据一个实施方案的一个废水处理装置实例的结构图。如在图1中所示，废水处理装置10主要包括：原水(raw water)槽12，其中储存待处理的废水（原水）；处理槽20，在其中处理由原水槽12输送来的废水；和控制部件40，其控制废水处理装置10中的每个部分。

储存在原水槽12中的废水是至少含有铵态氮的废水，且除了铵态氮以外，还可能包含氮、磷、碳等营养盐。原水槽12与处理槽20连接，且设置成废水可以通过泵14由原水槽12提供至处理槽20。

通常认为当硝化反应和脱氮反应在一个处理槽中进行时，使用其中硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌共存的生物膜是必要的。在所述情形下，本发明人进行了广泛研究，结果发现，通过使硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌分别固定在各自独立的载体中，并且使这两种载体混合在一个槽中，可以使硝化反应和脱氮反应在一个处理槽中进行。根据本发明实施方案的废水处理装置10是基于本发明人的上述发现来实现，并且在处理槽20中混合其中主要积聚硝化细菌(铵氧化细菌)的硝化载体22和其中主要积聚厌氧氨-氧化细菌的脱氮载体24。换言之，硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌固定在彼此不同的载体(硝化载体22和脱氮载体24)中。

因此，通过在彼此不同的载体中分别固定硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌，并通过调节硝化载体22和脱氮载体24的体积比(进料量的比率)，可以容易地控制硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌的细菌负荷的比率。因此，所述方法可以防止硝化反应和脱氮反应之一成为限速因素，并且可以迅速进行废水处理。

此外，在双层结构载体(例如，在日本专利申请公开号.2004-230225中所述的载体)的情形中，所述载体使硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌之一包埋并固定在其内部，并使这两者中另一种细菌附着在载体表面，原料向载体内层的扩散成为限速因素并且最终不能获得足够的废水处理速率。这是因为当其中存在一种细菌的外层较厚时，进行反应的原料不能快速扩散到另一种细菌存在的内层中。与此相反，如本发明实施方案所述，在将硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌固定在彼此不同的载体(硝化载体22和脱氮载体24)上时，不会发生由进行反应的原料的扩散速率限制导致的废水处理速率的降低。

此外，在双层结构载体的情形中，载体的外层剥落，存在于外层中的细菌最终从处理槽中流出。接着，硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌的细菌负荷之间的平衡被破坏，这最终导致不稳定的废水处理。与此相比，如本发明实施方案所述，当将硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌分别固定在分开的载体(硝化载体22和脱氮载体24)中时，硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌的细菌负荷之间的平衡可以稳定地维持。

积聚在硝化载体22中的硝化细菌和积聚在脱氮载体24中的厌氧氨-氧化细菌共存在处理槽20中。因此，允许在处理槽20中进行由硝化载体22进行的硝化反应和由脱氮载体24进行的脱氮反应两者，并且可以将废水中的铵态氮分解成氮气。此处，硝化反应意指利用硝化细菌将废水中的铵态氮氧化成亚硝酸盐的反应，并且脱氮反应意指利用厌氧氨-氧化细菌、同时利用废水中的铵态氮作为氢供体，将通过硝化反应形成的亚硝酸盐脱氮的反应。

对硝化载体22没有特别限制，只要所述硝化细菌被固定在硝化载体22上，且可以是固定颗粒或接触过滤介质（contact filter medium）。固定在硝化载体22上的硝化细菌可以利用从活性污泥等中的微生物分离的细菌。硝化载体22还可以利用包含其中主要繁殖硝化细菌的微生物菌落的活性污泥。

另外，优选使用在其内部部分包埋和固定硝化细菌的包埋固定颗粒作为固定颗粒类型的硝化载体22。所述包埋固定颗粒，如果使用的话，可以可靠地控制细菌负荷，因为不发生在附着固定颗粒的情形中可能发生的生物膜的剥落。另外，当使用所述包埋固定颗粒时，在驯化步骤中不需要返送污泥，因此细菌可以比较容易地进行驯化。

硝化载体22的固定材料没有特别限制，但是包括，例如，聚乙烯醇、褐藻酸、聚乙二醇等的凝胶，和塑料，如纤维素、聚酯、聚丙烯和聚氯乙烯。硝化载体22的形状可以是，例如，球形、圆柱形或立方体形，且可以形成多孔结构、蜂窝结构或海绵样结构。备选地，利用微生物的自我粒化的颗粒载体可以用作硝化载体22。可以用于硝化载体22的接触过滤介质可以包括由聚氯乙烯和聚乙烯制成的那些。

对脱氮载体24没有特别限制，只要所述厌氧氨-氧化细菌固定在脱氮载体24上，且可以是固定颗粒或接触过滤介质。

另外，用于脱氮载体24的固定颗粒可以是在它们的内部部分包埋和固定厌氧氨-氧化细菌的包埋固定颗粒，或在它们的表面上附着和固定厌氧氨-氧化细菌的附着沉淀固定颗粒。其中，优选使用所述包埋固定颗粒作为脱氮载体24。所述包埋固定颗粒，如果使用的话，可以可靠地控制细菌负荷，因为不发生在附着固定颗粒的情形中可能发生的生物膜的剥离。所述包埋固定颗粒可以可靠地保持处理槽中的细菌，且因此适用于用于在其中固定通过培养获得的宝贵的厌氧氨-氧化细菌的载体。此外，当使用所述包埋固定颗粒时，在驯化步骤中不必返送污泥，因此细菌可以比较容易地进行驯化。

脱氮载体24的固定材料没有特别限制，但是包括，例如，聚乙烯醇、褐藻酸、聚乙二醇等的凝胶，和塑料，如纤维素、聚酯、聚丙烯和聚氯乙烯。脱氮载体24的形状可以是，例如，球形、圆柱形或立方体形。脱氮载体24可以形成多孔结构、蜂窝结构或海绵样结构。备选地，利用微生物的自我粒化的颗粒载体可以用作脱氮载体24。可以用于脱氮载体24的接触过滤介质可以包括由聚氯乙烯和聚乙烯制成的那些。

硝化载体22和脱氮载体24的总体积优选为处理槽20中废水体积的10-40%，且更优选为废水体积的15-25%。脱氮载体24关于处理槽20中的硝化载体22和脱氮载体24的总体积的体积分数X优选地根据处理槽20的水温进行控制。具体地，当水温为15-20℃时，脱氮载体24的体积分数X优选控制为50-75%，当水温为20-25℃时，脱氮载体24的体积分数X优选控制为40-65%，当水温为25-37℃时，脱氮载体24的体积分数X优选控制为20-50%。

如图1中所示，处理槽20提供有传感器26，其测量处理槽20中的废水的质量。传感器26具有这样的结构，以致能够测量，例如，铵、亚硝酸盐和硝酸盐的浓度、溶解氧的量和pH。由传感器26测量的结果传送到控制部件40，且基于这些测量结果控制废水处理装置10的每个部分。

处理槽20提供有空气-扩散装置28，且结构为由吹风机30通过该空气-扩散装置28提供空气。因此，空气-扩散装置28为处理槽20中的废水充气，且搅拌处理槽20中的废水，并且同时可以将溶解氧提供到废水中。

控制部件40控制吹风机30，以致处理槽20中废水中溶解氧的量优选为1.0mg/L以上和4.0mg/L以下(更优选地1.5mg/L以上和3.0mg/L以下)。当溶解氧的量过高时，厌氧氨-氧化细菌的活性降低，因为其是厌氧(aerobic)细菌。另一方面，当溶解氧的量过低时，硝化细菌的活性降低，因为其是需氧细菌。通过将处理槽20中的废水的溶解氧的量维持在上述范围内，可以维持硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌的活性，并可以快速进行废水处理。

处理槽20中的亚硝酸盐浓度优选地维持在1到280mg/L，更优选地维持在2到100mg/L。处理槽20中的铵浓度优选地维持在1到100mg/L，并且更优选地维持在1到20mg/L。

可以通过允许控制部件40控制泵14从而改变处理槽20中的废水保留时间（水理学保留时间）来调节处理槽20中的亚硝酸盐浓度和铵浓度。

下面，将描述在处理槽20中混合其中使硝化细菌占优势的硝化载体22和其中使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体24的方法。

其中使硝化细菌占优势的硝化载体22是其中固定了驯化的硝化细菌的载体。在所述硝化载体22中，例如，驯化硝化细菌从而使处理每单位体积的铵态氮的速率是4kg-N/m³-载体/日以上。除非另外指明，所述“硝化载体22”意为驯化的硝化载体22。另一方面，未驯化的硝化载体22意为处理每单位体积的铵态氮的速率为0.5kg-N/m³-载体/日以下的载体。

其中使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体24是其中固定了驯化的厌氧氨-氧化细菌的载体。在所述脱氮载体24中，例如，驯化厌氧氨-氧化细菌从而使处理每单位体积的铵态氮和亚硝酸盐态氮的速率是5kg-N/m³-载体/日以上。除非另外指明，所述“脱氮载体24”意为已经驯化的脱氮载体24。另一方面，未驯化的脱氮载体24意为处理每单位体积的铵态氮和亚硝酸盐态氮的速率为2.5kg-N/m³-载体/日以下的载体。

关于在处理槽20中混合的硝化载体22和脱氮载体24，可以将驯化的硝化载体22和驯化的脱氮载体24进料(填充)到处理槽20中，或硝化载体22和脱氮载体24之一可以在废水处理装置10中驯化。

例如，可以将未驯化的硝化载体22和驯化的脱氮载体24进料到处理槽20中，接着，可以通过在处理槽20的内部维持需氧条件来驯化硝化载体22。包含在驯化的脱氮载体24中的厌氧氨-氧化细菌对溶解氧具有一定程度的抗性。因此，通过使其中已经使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体24和未驯化的硝化载体22进料到处理槽20中，并接着驯化所述硝化载体22，可以使硝化细菌在硝化载体22中占优势，而不会使脱氮载体24中的厌氧氨-氧化细菌失活。

备选地，根据下述的方法，可以在废水处理装置中驯化未驯化的硝化载体22和未驯化的脱氮载体24。图2是举例说明用于驯化硝化载体22和脱氮载体24的废水处理装置的一个实例的结构图。图3是举例说明用于驯化硝化载体22和脱氮载体24的废水处理装置的另一个实例的结构图。在图2和3中，使用相同的参照数字对应与图1所示的废水处理装置10的相同部件，且在此省略描述。

如图2所示，废水处理装置50与废水处理装置10不同，区别在于废水处理装置50具有驯化槽42，其中在处理槽20的后面阶段，在驯化槽42中驯化脱氮载体24。

为了使用废水处理装置50驯化硝化载体22和脱氮载体24，首先将未驯化的硝化载体22进料到处理槽20中，同时，将未驯化的脱氮载体24进料到驯化槽42中。接着，通过在处理槽20中维持需氧条件并还在驯化槽42中维持厌氧条件来驯化硝化载体22和脱氮载体24。

此时，优选基于传感器26(26A和26B)的测量结果，控制处理槽20中溶解氧的量，铵的浓度，和pH，以及驯化槽42中的溶解氧的量，铵的浓度，亚硝酸盐的浓度和pH。

此外，如在图2中所显示，优选地提供槽44(44A和44B)，其根据控制部件40的指示，给处理槽20和驯化槽42供应铵，亚硝酸盐和中和剂(例如碳酸氢钠和/或盐酸)。其中，可以基于传感器26的测量结果，根据从控制装置40传递到槽44的指示，自动控制处理槽20的铵浓度和pH，以及驯化槽42的铵浓度，亚硝酸盐的浓度和pH。

废水处理装置50可以在提供了空气扩散部件28的处理槽20中驯化作为需氧细菌的硝化细菌，并且还可以在驯化槽42中驯化作为厌氧细菌的厌氧氨-氧化细菌，所述槽42在处理槽20的后期阶段中提供。

可以通过在驯化硝化载体22和脱氮载体24后，将脱氮载体24从驯化槽42移动到处理槽20中，在处理槽20中混合(共存)其中已经使硝化细菌占优势的硝化载体22和其中已经使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体24。然而，废水处理装置50需要大量的安装空间，因为提供了不是用于废水处理运行的驯化槽42。因此，优选使用如图3中所示的废水处理装置60。

如图3中所显示，废水处理装置60不同于废水处理装置10，不同之处在于给废水处理装置60提供了可以与处理槽20分离(可拆)的隔离板62。

为了使用废水处理装置60驯化硝化载体22和脱氮载体24，首先通过隔离板62将处理槽20分成第一驯化室20A和第二驯化室20B，将未驯化的硝化载体22进料到第一驯化室20A中，同时将未驯化的脱氮载体24进料到第二驯化室20B中。接着，通过在第一驯化室20A中维持需氧条件，和还在第二驯化室20B中维持厌氧条件来驯化硝化载体22和脱氮载体24。

此时，优选基于传感器26(26A和26B)的测量结果，控制第一驯化室20A中溶解氧的量，铵的浓度，和pH，以及第二驯化室20B中的溶解氧的量，铵的浓度，亚硝酸盐的浓度和pH，所述控制的方式与图2中说明的废水处理装置50相同。

此外，如在图3中所显示，优选地提供槽44(44A和44B)，其根据控制部件40的指示，给处理槽20和驯化槽42供应铵，亚硝酸盐和中和剂(例如碳酸氢钠和/或盐酸)。由此，可以基于传感器26的测量结果，根据从控制部件40传递到槽44的指示，自动控制第一驯化室20A的铵浓度和pH，以及第二驯化室20B的铵浓度，亚硝酸盐的浓度和pH。

因此，驯化了所述硝化载体22和脱氮载体24，接着使隔离板62分离。其中，可以在处理槽20中混合驯化的硝化载体22和驯化的脱氮载体24。

优选地通过使控制装置40控制电动机64使隔离板62附加和分离，所述电动机使隔离板62垂直地移动(以图3中的箭头所示方向)。

废水处理装置60可以在处于需氧条件中的第一驯化室20A中驯化作为需氧细菌的硝化细菌，并且还可以在处于厌氧条件中的第二驯化室20B中驯化作为厌氧细菌的厌氧氨-氧化细菌。此外，可以使废水处理装置紧凑，因为可以仅在用于进行废水处理的处理槽20中驯化硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌。

上文描述了根据本文公开主题的一个实施方案的废水处理方法和废水处理装置，但是本文公开主题并不限于此，并且当然，其可以在不背离本文公开主题的实质范围内进行各种方式的提高或改进。

例如，在上述实施方案中描述了用空气扩散部件(unit)28对处理槽20的内容物进行充气和搅拌的实例，但是处理槽20中的废水可以使用在处理槽20中形成的回旋流进行搅拌。

图4是举例说明通过使用回旋流搅拌处理槽20中的废水的废水处理装置的一个实例的结构图。在图4中，使用相同的参照数字对应与图1所示的废水处理装置10的相同部件，且在此省略描述。

如图4中所示，废水处理装置70不同于废水处理装置10，不同之处在于给废水处理装置70提供了挡板72，其将处理槽20分成第一处理室74和第二处理室76。

设置挡板72以形成连通通道78，其在处理槽20的上部和下部连通第一处理室74和第二处理室76。不特别限制连通通道78的横截面形状，其可以是多边形，如正方形和长方形，圆形或椭圆形。连通通道78可以分别提供在处理槽20的上部和底部，或多个连通通道78可以分别提供在处理槽20的上部和底部。

将空气扩散部件28提供在第一处理室74和第二处理室76之一中，并且可以通过运行空气扩散部件28通过连通通道78在处理槽20中形成废水的回旋流。

由此可见，只是通过在第一处理室74和第二处理室76之一中提供空气扩散部件28，同时使用在处理槽20中形成的废水的回旋流，所述处理装置可以供应溶解氧到处理槽20的废水中，并使处理槽20中的载体流动。因此，可以减少进行废水处理操作所需的能量。

图4显示在具有平挡板72的处理槽20中形成废水的回旋流的实例，但是不限制挡板72的形状为所述实例，并且可以具有多种形状。例如，如在图5中所示，圆柱状的挡板72可以设置在处理槽20中，从而形成连通通道78，并且可以将空气扩散部件28提供在第一处理室74和第二处理室之一中(在图5的实例中，第一处理室74)。接着，通过空气扩散部件28，通过连通通道78，在处理槽20的废水中形成回旋流。

此外，在上述实施方案中所述的实例中，在将处理槽20用平的隔离板62分成第一驯化室20A和第二驯化室20B的情形中驯化载体，但是所述隔离板62的形状不限制为平的形状，而是可以为各种形状。例如，如图6中所显示，在用圆柱状隔离板62将处理槽20分成第一驯化室20A和第二驯化室20B的情形中，在第一驯化室20A中驯化硝化载体22，同时，可以在第二驯化室20B中驯化脱氮载体24。图6举例说明其中圆柱状的处理槽20外部限定为第一驯化室20A，而处理槽20的内部限定为第二驯化室20B的实例，但是不必要说处理槽20的内部可以被限定为第一驯化室20A，并且处理槽20的外部可以被限定为第二驯化室20B。

[实施例]

现在参考实施例在下文更具体地描述本文公开主题的特征。然而，本文公开主题的范围不应该由下文描述的具体实施例限制性地解释。

(实施例1)

<制备硝化载体22>

在已经塑形为3mm正方形的立方体的基于聚乙二醇的凝胶中包埋和固定包含硝化细菌的活性污泥。此时包埋固定颗粒的硝化速率是0.5kg-N/m³-载体/日以下。

将这些量为0.2L的包埋固定颗粒填装在具有2L体积容量的圆柱反应器（培养槽）中。通过使得铵废水（无机合成废水）流入该反应器和将硝化细菌在反应器中保持为30℃的温度下驯化1个月来制备硝化载体22。图7是显示用于驯化硝化细菌的铵废水的水质的表。

当驯化硝化细菌时，对废水进行充气和搅拌，将反应器中溶解氧(DO)的量保持在2-4mg/L，且还通过加入5%的碳酸氢钠溶液将pH保持在7.5。在开始驯化后的早期，控制铵废水的流速，以致保留时间（水理学保留时间）为24小时，然后缩短保留时间，且随着硝化细菌活性的增加而增加负荷。

在开始驯化硝化细菌后1个月，在DO=3mg/L和水温是26℃的条件下，测量上述包埋固定颗粒的硝化速率(=铵的去除速率=亚硝酸盐形成速率)，结果所述值为7.0kg-N/m³-载体/日。

此外，对于开始驯化硝化细菌后的1-2月的期限内的平均水质，在流入废水中的铵(NH₄-N)的浓度是705mg/L，在处理过的水中的铵(NH₄-N)的浓度是300mg/L，而在处理过的水中的亚硝酸盐(NO₂-N)的浓度是398mg/L，在处理过的水中的硝酸盐(NO₃-N)的浓度是1mg/L。

<制备脱氮载体24>

在已经塑形为3mm正方形的立方体的基于聚乙二醇的凝胶中包埋和固定厌氧氨-氧化细菌。此时，包埋固定颗粒的氮去除速率是2.5kg-N/m³-载体/日以下。

将这些量为0.2L的包埋固定颗粒进料到具有2L体积容量的圆柱反应器（培养槽）中。另外，所用的反应器具有防止空气进入内部的结构，且提供有搅拌器。通过使得合成废水流入该反应器和将厌氧氨-氧化细菌在反应器中保持为30℃的温度下驯化2个月而制备脱氮载体24。图8是显示用于驯化所述脱氮载体的合成废水的水质的表。

当驯化所述脱氮载体时，通过加入HCl溶液(0.2N)将废水的pH保持在7.5。另外，在开始驯化后的早期，控制废水的流速，以致保留时间（水理学保留时间）可以为12小时，并且氮的浓度随活性的增加逐渐增加。

在开始驯化厌氧氨-氧化细菌后2个月，在水温为30℃的条件下，测量脱氮速率(铵态氮去除速率和亚硝酸盐态氮去除速率的总和)，并且结果，该值为18.0kg-N/m³-载体/日。

<硝化脱氮检验>

通过使用在上述步骤中制备的硝化载体22和脱氮载体24进行关于铵废水的废水处理检验。将分别量为0.2L的硝化载体22和脱氮载体24进料到与用于制备硝化载体22相同的反应器中。使得具有图7所示的水质的合成废水流入该反应器，且处理该废水。在处理废水同时，将反应器中溶解氧的量保持在2.0-3.0mg/L。

图9是显示在开始废水处理后1周到3个月取样的流入废水和处理过的水的平均水质的表。如从图9所证实的，反应器中的铵几乎完全得到了处理，并且通过硝化反应形成的亚硝酸盐也通过厌氧铵氧化反应被脱氮(脱氮反应)。

(实施例2)

在与实施例1相同的驯化条件下制备硝化载体22和脱氮载体24。

将获得的以不同比率混合的硝化载体22和脱氮载体24负载(填装)到与实施例1相同的反应器中。具体而言，将在硝化载体22和脱氮载体24的总体积中的脱氮载体24的体积分数调整为75%,65%,50%,40%,25%和20%。在上述操作中，必需将硝化载体22和脱氮载体24的总体积调节为0.5L。

在此之后，使具有图7中显示水质的合成废水流入反应器中，并且在与实施例1相同的条件下进行废水处理操作。当处理废水时，将反应器中的溶解氧的量维持在2.0到3.0mg/L。将水温调节到15-20℃，20-25℃和25-37℃，并将氮负荷分别调节到1.0至1.5kg-N/m³/日,1.3至1.8kg-N/m³/日和1.7至2.8kg-N/m³/日。

图10是显示废水处理结果的表。在图10中，"A"表示获得的氮去除效率为80%以上，"B"显示获得的氮去除效率为50%以上并少于80%，和"C"指示尽管获得了氮去除性能，但是氮去除效率是少于50%。此外，"BNH4"和"CNH4"表示在处理过的水中残留的铵，和处理性能降低，"BNO2"和"CNO2"指在处理的水中残留的亚硝酸盐，和处理性能降低。

从图10可见，脱氮载体24在硝化载体22和脱氮载体24的总体积中的体积分数的优选范围根据水温而改变。具体地，发现当水温是15-20℃时，脱氮载体24的体积分数优选地是50到75%，当水温是20到25°时，所述体积分数优选是40到65%，和当水温为25到37℃时，所述体积分数优选为20到50%。

特别地，在室温为25-37℃并且脱氮载体24的体积分数为25到40%的条件下，获得非常高的2.1kg-N/m³/日的处理性能，其作为氮从反应器中消失的速率。认为这是因为硝化细菌和厌氧氨-氧化细菌以高浓度分别保留在硝化载体22和脱氮载体24中，并且所述状态可以在反应器中稳定地保持。

(实施例3)

通过使用未驯化的硝化载体22和驯化的脱氮载体24在下述方法中进行反应器上的试运转。

将包含硝化细菌的活性污泥包埋和固定在基于聚乙二醇的凝胶中，所述凝胶已经被模塑成3mm正方形的立方体。此时，包埋固定颗粒的硝化速率是0.5kg-N/m³-载体/日以下。此外，将在与实施例1相同的条件下驯化的脱氮载体用于驯化的脱氮载体24。

将0.3L量的上述未驯化的硝化载体和0.2L量的驯化的脱氮载体进料到在实施例1中使用的反应器(具有2L的容量)中。通过使具有图7中显示水质的铵废水流入该反应器中来驯化所述硝化载体。在上述操作中，反应器中的水温被调节为30℃，并还将碳酸氢钠和盐酸适当地逐滴加入以使pH是7.5。

结果，证实在开始驯化后1个月，反应器中80%以上量的氮被处理，并且用硝化载体进行的硝化反应和用脱氮载体进行的脱氮反应可以同时在反应器中进行。

从所述结果证实在将未驯化的硝化载体和驯化的硝化载体进料到处理槽中后，当将处理槽的内部维持在需氧条件下时，硝化载体可以在不使脱氮载体中的厌氧氨-氧化细菌失活的情况下被驯化。

作为比较例，在将处理槽维持在需氧条件下时，将驯化的硝化载体和未驯化的脱氮载体进料到处理槽中，接着驯化脱氮载体。然而，即使在开始驯化后5个月，仅将原废水中的铵氧化为亚硝酸盐，并且不能证实脱氮反应。

(实施例4)

在实施例1中的硝化脱氮测试中，研究了处理槽中溶解氧的量和氮去除效率。将结果显示在图11中。从图11中发现，当溶解氧(DO)的量是1到4mg/L时，获得高氮去除效率。特别地，当溶解氧的量是1.5到3.0mg/L时，获得非常高的氮去除效率。

另一方面，当溶解氧的量少于1mg/L时，作为需氧细菌的硝化细菌的活性降低，并且硝化反应成为限速因素。因此，在处理过的水中残留铵，并且氮去除效率降低。此外，当溶解氧的量超过4mg/L时，厌氧氨-氧化细菌的活性降低，脱氮反应成为限速因素。因此，在处理过的水中残留亚硝酸盐，氮去除效率降低。

(实施例5)

在下列方法中，通过使用如图3中显示的废水处理装置60，在处理槽20中驯化硝化载体22和脱氮载体24，接着进行废水处理实验。

将隔离板62附加于处理槽20，所述处理槽20包含矩形的反应器从而使第一驯化室20A和第二驯化室20B的容量分别是10L。接着，将2L量的未驯化的硝化载体(与实施例1相同的载体)和1L量的未驯化的脱氮载体(与实施例1相同的载体)分别进料到第一驯化室20A和第二驯化室20B中。

将具有如图7中显示水质的铵废水流入处理槽20中，并驯化硝化载体和脱氮载体。当驯化硝化载体和脱氮载体时，将第一驯化室20A中的溶解氧的量维持在2到4mg/L，并还将5%的碳酸氢钠溶液(小苏打溶液)适当加入废水中以使第一驯化室20A中的废水维持在pH7.5。此外，将HCl溶液(0.2N)适当地加入废水从而使第二驯化室20B中的废水维持在pH7.5。将硝化载体和脱氮载体在维持在30℃的恒温室中驯化。

具体地，在下述方法中驯化硝化载体和脱氮载体。

首先，开始在第一驯化室20A中的驯化。具体地，在第一驯化室20A中驯化硝化载体。接着，在证实第一驯化室20A中的硝化活性后，使第一驯化室20A中的处理过的水流入第二驯化室20B。处理过的水向第二驯化室20B的流入速率随着厌氧氨-氧化细菌活性的增加而增加，并且驯化逐渐开始。

由此，在开始驯化后6个月，证实在第一驯化室20A中的硝化速率是1.2kg-N/m³/日，证实在第二驯化室20B中的处理速率是3.8kg-N/m³/日。

在开始驯化后的10个月后，分离隔离板62，并连接第一驯化室20A和第二驯化室20B。同时，将用搅拌器在第二驯化室20B中进行的搅拌终止，并开始通过充气搅拌。

在此之后，持续废水处理操作2个月。图12是显示在运行废水处理期间，2个月水质的平均值的表。如在图12中所显示，几乎完全去除铵态氮。此外，尽管没有特别控制由于硝化细菌产生的硝化速率，但是获得了稳定的处理性能。

作为比较例，在驯化后进行废水处理，其中没有去除隔离板62和第一驯化室20A(硝化槽)和第二驯化室20B(脱氮槽)随后彼此分隔。在该情形中，如在图12中所显示，存在更多的在处理过的水中残留铵的倾向。认为这是因为第一驯化室20A(硝化槽)中的硝化速率难以控制到57%(来自脱氮反应式的化学计量比率的目标值)，并且在流入第二驯化室20B(脱氮槽)中的铵和亚硝酸盐之间的平衡被破坏。

然而，如在图12中所举例说明，证实在本文公开的主题和实施例中形成硝酸盐，并且在实施例中形成的硝酸盐的量稍高于比较例中的量。用厌氧氨-氧化细菌在脱氮反应中形成硝酸盐。因此，从图12中可见，与比较例相比，在实施例中可以进行更多的使用厌氧氨-氧化细菌的脱氮反应。

此外，尽管根据所述实施方案，在不使用隔离板62的情况下，将未驯化的硝化载体和未驯化的脱氮载体进料到处理槽20中，并且在需氧条件下驯化，但是仅将原废水中的铵氧化为亚硝酸盐，并且甚至在5个月过后也没有证实脱氮反应。

Claims

1.一种处理包含铵态氮的废水的方法，所述方法包括下列步骤：

制备处理槽，在所述处理槽中混合其中已经使硝化细菌占优势的硝化载体和其中已经使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体；

在所述处理槽中，用硝化载体中的硝化细菌将包含在废水中的铵态氮氧化为亚硝酸盐；

通过用在处理槽中的脱氮载体中的厌氧氨-氧化细菌氧化铵态氮、同时使用废水中的铵态氮作为氢供体来使形成的亚硝酸盐脱氮；

将脱氮载体进料到处理槽中;

将包含硝化细菌的未驯化的载体进料到已经进料脱氮载体的处理槽中；和

驯化在处理槽中的载体中包含的硝化细菌以获得硝化载体。

2.一种处理包含铵态氮的废水的方法，所述方法包括下列步骤：

将隔离板附加于处理槽中，以将处理槽分成第一驯化室和第二驯化室；

将包含硝化细菌的第一载体进料到第一驯化室;

将包含厌氧氨-氧化细菌的第二载体进料到第二驯化室;

驯化在第一驯化室中的第一载体中的硝化细菌以获得硝化载体;

驯化在第二驯化室中的第二载体中的厌氧氨-氧化细菌以获得脱氮载体;和

在已经驯化所述硝化细菌和所述厌氧氨-氧化细菌后分离隔离板。

3.根据权利要求1或2的废水处理方法，其中所述硝化载体和所述脱氮载体中的至少一种是包埋固定颗粒。

4.根据权利要求1或2的废水处理方法，所述方法还包括：

在氧化铵态氮为亚硝酸盐的步骤和使亚硝酸盐脱氮的步骤中，将处理槽中的溶解氧的浓度维持在1mg/L以上和4mg/L以下。

5.根据权利要求1或2的废水处理方法，其中将铵态氮氧化为亚硝酸盐的硝化反应的速率优选地是1.1kg-N·m^-3·日^-1以上；并且

使亚硝酸盐脱氮的脱氮反应的速率是2.0kg-N·m^-3·日^-1以上。

6.一种废水处理装置，所述装置包括：

处理槽，在所述处理槽中混合其中已经使硝化细菌占优势的硝化载体和其中已经使厌氧氨-氧化细菌占优势的脱氮载体；和

隔离板，所述隔离板可去除地附加于处理槽从而将处理槽分隔成其中驯化硝化载体的第一驯化室和其中驯化脱氮载体的第二驯化室。

7.根据权利要求6的废水处理装置，所述装置还包括：

挡板，其被设置以将所述处理槽分成第一处理室和第二处理室，以便形成使所述第一处理室和所述第二处理室在所述处理槽的上部和下部连通的连通通道；和

使废水充气并搅拌废水的第一空气扩散部件，其被提供在所述第一处理室和所述第二处理室之一中从而通过连通通道在处理槽中形成废水的回旋流。

8.根据权利要求6的废水处理装置，其中所述硝化载体和所述脱氮载体中的至少一种是包埋固定颗粒。

9.根据权利要求6的废水处理装置，所述装置还包括：

使处理槽中的废水充气并搅拌废水的第二空气扩散部件；和

控制所述第二空气扩散部件从而使处理槽中溶解氧的量是1mg/L以上和4mg/L以下的控制部件。

10.根据权利要求7的废水处理装置，所述装置还包括：

控制所述第一空气扩散部件，从而使所述处理槽中的溶解氧的量为1mg/L以上和4mg/L以下。