CN106536426A - 废水的生物净化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以利用循环载体介质的连续生物膜过程对废水中磷、氮和有机物进行净化的方法，以及用于实施该方法的反应器。所述方法包括：a)在反应器的厌氧区中接收预处理后的废水入口流，其中在自由流动的生物膜载体上存在微生物培养物，b)使携带生物膜载体的废水流进入好氧区，对从厌氧区接收的废水流和载体进行曝气，c)在好氧区的末端将生物膜载体输送到厌氧区，但不输送水，和d)通过出口将水排放至污泥分离过程。

Description

废水的生物净化方法
技术领域
本发明涉及以利用循环载体介质的连续生物膜过程对废水中磷、氮和有机物进行净化的方法。本发明还涉及用于实施该方法的反应器。
背景技术
市政废水和例如从食品工业产生的工业废水包含有机物，也富含氮和磷化合物，因此有必要净化这些废水，再将净化水排入自然接收方如湖泊、河流和海洋。
生物反应器用于分解市政和工业废水中的有机和无机物质。商业上主要有两种类型的生物反应器i)活性污泥反应器和ii)生物膜反应器。在活性污泥反应器内，微生物悬浮在废水中。在生物膜反应器内，微生物生长在载体介质上。载体介质可以是固定的，如大型鼓状物表面或反应器壁或自由流动的小型载体元件。
活性污泥反应器允许持续的过程；但是这种反应器非常消耗面积/体积，最终的污泥沉降分离也同样如此。部分污泥循环回反应器或反应器的入口流以维持微生物的培养。
移动床生物膜反应器是连续或序批式操作的。增强生物除磷只能应用在该系统序批式运转时，即废水进入反应器进行处理，排出处理过的废水，然后反应器可以重新填充废水。这意味着对于处理每一个体积的废水，存在耗时的给排水顺序。因此该方法费力且通常会要求一系列的反应器并联操作。
生物膜处理比活性污泥处理在生物处理后更容易分离污泥和水。与活性污泥处理相比，生物膜处理所需的反应器体积更小，也无需要求过程控制和能源的污泥循环。由于不从生物膜处理的分离步骤进行循环，因此进行分离不会影响生物处理。
WO2010/140898A1涉及在反应器中进行水体生物净化的方法和装置，该反应器具有一个或多个进口和出口区域，在该区域中水和基质与生物膜载体元件接触。
US2008/0053897A1公开了一种液固流化床废水处理系统，用于同时去除碳、氮和磷。该系统结合固定薄膜生物流化床技术，在双液固流化床内去除生物营养物，实现了同时去除有机碳、氮和磷。
其他关于水体净化/处理的出版物JPh 07163994A、JPh 07163995A、DE19501260C1和Li，M.，Nakhla，G.，ZhuJ.，“通过在循环流化床生物膜反应器中增强的生物粒子循环同时去除碳和氮(Simultaneous carbon and nitrogen removal with enhanced bioparticlecirculation in a circulating fluidized bed biofilm reactor)”。Chem.Eng.Jour.181-182(2012)35-44。
本发明解决了与现有技术的方案有关的问题。
附图简要说明
图1示出了本发明实施方式的原理概要。
图2示出了实施例1中描述的试点实验中入口、厌氧和好氧区域PO4的浓度。
图3示出了实施例1中描述的PO4负荷和吸收，以及SCOD(可溶性化学需氧量)负荷和吸收。
图4示出了实施例2中描述的试点实验中入口、厌氧和好氧区域PO4的浓度。
图5示出了实施例2中描述的PO4负荷和吸收，以及SCOD(可溶性化学需氧量)负荷和吸收。
发明内容
本发明涉及以利用循环载体介质的连续生物膜过程对废水中磷、氮和有机物进行净化的方法，以及用于实施该方法的反应器。本发明在专利权利要求书中进行了限定。
本发明提供了一种处理不同废水的循环移动床生物膜反应器和方法。生物膜载体随废水在处理设备的不同区之间循环，然后将载体从水中机械移除并在在过程开始时加入。
发明详细描述
增强的生物除磷包括将微生物培养物例如细菌培养物经受交替的厌氧和好氧条件。在活性污泥装置中，这可以通过将具有活性污泥的废水从厌氧反应器导入好氧反应器并将污泥从沉降过程循环到厌氧区域而简单地完成。磷积聚的生物，PAO，在厌氧条件下分泌磷，当置于好氧条件时能摄取更多的磷。因此，在bio-P(生物磷)装置中，有必要将污泥/细菌暴露于厌氧和好氧交替条件中。目前大多数bio-P装置都是活性污泥装置。存在少量具有增强除磷的生物膜装置，然而，这些装置都是不连续批量处理装置，也叫做序批式反应器(SBR)。此处具有生物膜的载体介质位于向其添加废水的反应器中，并经受一段时间的没有空气(厌氧)和一段时间的空气(好氧)，然后将净化水排出并且反应器重新注入未处理废水。
在生物除氮/铵中，存在负责分解废水中铵的不同部分的不同的细菌培养物。第一步是硝化作用，发生在好氧条件下；第二步是反硝化作用，发生在厌氧(无氧，有硝酸盐)条件下。这可以在两种不同的生物膜反应器中进行，各自有其载体介质，其中只有废水从一个反应器流到另一个反应器。
本发明使得在一个连续过程中将生物膜处理的优势和增强的生物除磷结合起来成为可能。因此，本发明提供了废水生物净化处理的新实例。
本发明所述过程涉及到生物膜的载体介质移动或随废水在厌氧、好氧反应器区和任选的缺氧反应器区之间流动。载体介质从所述过程的最后一步移出水体送入过程的初始阶段。
在废水流允许进入生物反应器之前，对粗废水流进行预处理。预处理通常是机械过滤以除去大块物体，例如塑料、织物等，随后是除去沙和油脂。根据废水的质量和来源，沉降或细格栅也可引入作为预处理步骤。
以下参照图1对本发明的实施方式，反应器和方法进行描述。
生物反应器包括厌氧区(A)、任选的缺氧区(B)，和好氧区(C)，所有区均包括生物膜的载体介质。待净化废水从入口(1)流入反应器的第一区。将不同区域的分离布置成使得废水和载体介质能够一起从一个区流到下一个区的方式，或者它们可被机械(3，4)移除，例如通过叶轮或管道输送设备移除。在反应器最后一个区(C)的末端，无水载体介质，被机械移动(5)到第一处理区(A)的入口端。载体介质的移动是通过使用一个或多个机械设备，如升降机、螺旋输送机、带式输送机等实施的。机械设备使得水排干，从而使返回厌氧区的生物膜载体无水。每个区(厌氧(A)、缺氧(B)，好氧(C))可被分隔成几个连续的腔室，或者设计成长流道，以实现尽可能多的平推流。去除生物膜载体的处理过的废水，通过一个或多个出口(2)离开好氧区(C)。任选地，一部分出口流(6)再次引入缺氧区(B)以额外去除氮。可以通过例如使用泵而移动水流(6)。
以这种方式，细菌培养物经受厌氧和好氧交替条件，以获得增强的生物除磷并结合了生物膜的效率、简便性和相对于污泥分离的良好的分离性能。在好氧区的末端，生物膜载体被机械转移到厌氧区，而不传输水。本发明采用这种方式，防止了富氧水从好氧区被带回厌氧区，从而避免了厌氧区被O2抑制。
该工艺将有效地提供磷和有机物的去除，并且如果该工艺延长有缺氧区并从好氧区向缺氧区返回水，则也可提供氮/铵的去除。
通过在好氧区同时硝化/反硝化，还有可能实现全部/部分去除氮。
由于没有废水从好氧区输送到厌氧区，避免了厌氧区被NO3抑制。
生物膜载体从好氧区(C)被无水机械移动(5)至厌氧区(A)，本发明以这种方式阻止硝酸盐被带回到厌氧区(A)。硝酸盐溶于水，并且随着水被排干，生物膜载体被移入(5)厌氧区(A)，硝酸盐不会被携带到厌氧区(A)。
尺寸、密度、材料和形状/设计不同的生物膜载体在本领域是已知的，并且任意生物膜载体都可能适用于本发明。
下述几种生物处理方法都可用于生物膜污泥的分离，如浮选、沉降或细格栅。现有技术已知的任意这些方法都可使用。与来自活性污泥法的活性污泥相比，从按照本发明处理的水体中移除的污泥，包括可植物利用形式的磷，因此污泥是一种作为植物养分/肥料的有价值的资源。
本发明提供了一种与序批式运转过程相比，面积高效的连续过程。序批式过程必须多个并联运行，以处理与连续过程相同量的废水。
发明人已经证明在连续生物膜过程中有可能实现增强的生物除磷。本发明解决了与活性污泥厂传统生物除磷相关的许多问题。本发明所能达到的一个优势是更易分离污泥和由于生物膜污泥带来的更少的污泥损失。此外，本发明的优势还在于伴随水体排放，更少的硝酸盐和更少的氧气被输送回厌氧阶段，从而阻止了NO3和O2二者对厌氧区的抑制。与已知的现有技术相比，由于无需回水，本发明还产生了更小的池体容积(basin volume)。与活性污泥厂相比，基于相等的停留时间，节省的池体容积可达约50％。因此，与所述现有技术中显示的相比，本发明提供了更有效的生物除磷的连续过程。
本发明的一个方面提供了一种以连续过程对废水进行生物净化的方法，其中所述方法包括步骤a)在反应器的厌氧区(A)中接收预处理后的废水入口流(1)，其中在自由移动的生物膜载体上存在微生物培养物，b)使携带所述生物膜载体的废水流进入好氧区(C)，对从所述厌氧区(A)接收的废水流和载体进行曝气，c)在好氧区(C)的末端将所述生物膜载体输送到厌氧区，但不输送水，和d)通过出口(2)将水排放至污泥分离过程。
在本方法的一个实施方式中，其在厌氧区(A)和好氧区(C)之间包括缺氧区(B)。
在本方法另一个实施方式中，回收(6)流例如从出口(2)流被泵送到任选的缺氧区(B)。
在本方法的进一步的实施方式中，携带生物膜的载体介质从一个区/腔被机械(3、4)移动至下一个区/腔。
在本发明的另一个实施方式中，载体介质的填充率以反应器的湿容积计介于1％至100％之间，优选30％到70％之间。
本发明的另一方面提供了一种用于对废水进行连续生物净化的反应器，其中所述反应器包括一个或多个用于废水进入厌氧区(A)的入口(1)，任选的缺氧区(B)，随后是好氧区(C)，用于将生物膜载体从好氧区(C)输送到厌氧区(A)的装置(5)，和一个或多个出口(2)。
在本发明的一个实施方式(反应器)中，用于输送生物膜载体的装置允许在输送过程中排放水。用于输送生物膜载体的装置可以选自升降机、螺旋输送机、带式输送机等。
实验
实施例1
在所述实验中使用的试验工厂具有用于生物处理步骤的6.6m3的总容积。在好氧区末端，生物膜载体被螺旋输送机从水中提升，并递送给第一厌氧区。进入的废水被导入到第一厌氧区，并从最后的好氧区收回。生物膜载体跟随废水流而流经厌氧区和好氧区。厌氧区和好氧区二者都被具有小开孔的壁分隔成多个隔间，废水和载体经所述开孔流过。
生物膜污泥的分离在浮选装置内实施。
为验证所述过程，进行了中试规模的试验。进入中试厂的废水来自挪威Hias废水处理厂，在Hedmark县接收4个区市的废水。图2中示出了几个星期的实验阶段中入口、厌氧区和好氧区中正磷酸盐的浓度。
图3示出了一些中试试验中PO4负荷和吸收，以及SCOD负荷和吸收。
实施例2
为验证所述过程，进行了另一组中试规模的试验。
在所述实验中使用的试验工厂具有用于生物处理步骤的6.8m3的总容积。进入的废水被导入到第一厌氧区，并从最后的好氧区收回。生物膜载体跟随废水流而流经厌氧区和好氧区。厌氧区和好氧区二者都被具有小开孔的壁分隔成多个隔间，废水和载体能够经所述开孔流过。厌氧区机械混合。在随后的好氧区，通过位于底部的气泡扩散器加入空气。生物膜载体从最后的好氧区域被带式输送机从水中提升，并递送到第一厌氧区，但不输送水。使用了500m2/m3的标准MBBR载体，载体相对于池体容积的填充率为60％。
对流入工厂的废水流进行自动测量和控制，好氧区的氧气水平也进行连续测量。每天早上从入口、出口和最后的厌氧区采集样品并分析PO4和SCOD。
进入中试厂的废水来自挪威Hias废水处理厂，在Hedmark县接收4个区市的废水。废水在初级沉降后从处理厂收回。
图4示出了几周的实验阶段中入口、厌氧区和出口的正磷酸盐浓度。结果显示了一周内入口浓度的变化以及其如何影响厌氧区PO4的释放。这一阶段PO4出口浓度是平均0.20mg/l。
图5示出了PO4负荷和吸收，以及SCOD负荷和吸收，单位为g/m2载体面积每天。不同的SCOD负荷显示不同的PO4负荷。由图可见，SCOD负荷高于5g/m2*d，可以减少PO4的移除。
结论
试验研究的结果表明，在连续生物膜过程中实现增强的生物除磷是可行的。该过程将会解决与活性污泥厂中传统生物除磷相关的许多问题，例如：由于生物膜污泥而更易分离污泥和更少的污泥损失，由于无需返回水/污泥而更少的硝酸盐和氧气被输送回厌氧阶段以及更小的池体容积。与活性污泥厂相比，基于相等的停留时间，节省的池体容积可达约50％。

Claims (9)

1.一种以连续过程对废水进行生物净化的方法，其包括
a)在反应器的厌氧区中接收预处理后的废水入口流，其中在自由移动的生物膜载体上存在微生物培养物，
b)使携带所述生物膜载体的废水流进入好氧区，对从所述厌氧区接收的废水流和载体进行曝气，
c)在好氧区的末端将所述生物膜载体输送到厌氧区，但不输送水，和
d)通过出口将水排放至污泥分离过程。
2.如权利要求1所述的方法，其在所述厌氧区和所述好氧区之间包括缺氧区。
3.如权利要求1至2任一项所述的方法，其包括在区/腔之间机械输送所述生物膜载体。
4.如权利要求2至3任一项所述的方法，其中部分出口流被再次导入到所述缺氧区。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其中载体介质的填充率以反应器的湿容积计在1％至100％之间，优选30％到75％之间。
6.如前述权利要求任一项所述的方法，其中出口流进入用于收集污泥的分离步骤以进一步处理，并向接收方排放净化水。
7.一种用于对废水进行连续生物净化的反应器，其特征在于所述反应器包括通向厌氧区的入口，任选的缺氧区，随后是好氧区，一个或多个用于将生物膜载体从好氧区无水输送到厌氧区的装置，和出口。
8.如权利要求7所述的反应器，其中一个或多个用于输送生物膜载体的输送装置允许排放水。
9.如权利要求7或8所述的反应器，其中一个或多个输送装置为升降机、螺旋输送机、带式输送机等。
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