CN1068565C - 硝化和反硝化废水处理法和所用的处理设备 - Google Patents

Abstract

公开了硝化和反硝化废水处理法，包括将废水交替地引入第一和第二处理区；将引入第一处理区和第二处理区内的废水交替地硝化和反硝化；在第一和第二处理区处理废水后，将来自每个区的废水交替地引入第三处理区；将引入第三处理区内的废水交替地硝化和反硝化；将废水通入澄清池，在此活性污泥与净化过的水分离并循环和与未处理的废水混合。还公开了采用上述硝化和反硝化废水处理法的三池废水处理厂。

Description

硝化和反硝化废水处理法和所用的处理设备

本发明涉及一种在三个分离的处理池中进行硝化与反硝化处理的硝化—反硝化废水处理法。首先，将废水流入液由进水管引入到第一池中，在其中进行反硝化。在将废水流入液引入到第一池的同时，对装在第二池中的废水进行硝化。从已充满的第一池中流出的废水则直接引入到第三池，在整个处理过程的不同时刻在该池中进行反硝化和硝化两种处理。从第三池中流出的净化过的废水被引入到澄清池中，分离开活性污泥和净化过的废水，将活性污泥送回并与废水流入液混合。在经过选定的一段时间后，使本来引入到第一处理池的废水流入液改向，流入到第二处理池中。第二处理池的流出液则直接引入到第三处理池中。在整个处理过程中，每个池都交替地进行有氧(Ae)和缺氧(Ao)处理，于是三个池的每一个在不同的时刻都可以进行硝化或反硝化。

本发明涉及废水处理法，更具体地说，本发明涉及硝化和反硝化废水处理法。

氮的去除是世界各地市政当局和下水道管理部门所面临的最困难的问题。许多因素与此问题有关。虽然在用生物处理法除氮方面有了重大进展，但从技术观点来看，用任何手段或方法来有效和高效地去除氮仍然十分复杂。由于很多政府现在颁布的氮的极限量很低，情况尤其是如此。另外，高效去除氮要求废水处理设施有较大的生产能力，这就要消耗大量的资金。很多负责处理废水的部门的预算有限，因此严重地限制了它们在建造与有效和高效地去除氮的方法相适应的合适处理设施方面的能力。

过去，已设计了很多用于较大的废水处理设施的比较成功的除氮方法。但是，这些大的废水处理设施中很多都设计得没有很大的灵活性。也就是说，一些池被设计成为硝化池，而其它池被设计成反硝化池。因此，在这类设施中很难改变硝化和反硝化能力。于是，很少有可能来根据条件改变该设施的硝化和反硝化能力以实现在去除氨和氮方面的最佳结果。

曾经设计了用在交替处理系统中的其它类型的硝化和反硝化方法。例如见转让给丹麦I.Rruger Systems A/S的美国专利5,137,636。在该方法中可以调节和控制硝化时间与反硝化时间之比，使得反硝化时间占到总操作时间的50％以上。虽然此方法获得了成功，但是考察美国专利5,137,636后可以知道，此方法要求废水流过所有三个池。另外，第三个池要连续地保持在有氧条件下，对反硝化没有贡献，这在很多情况下可能是一个优点。再者，与另两个池相比，第三个池通常结构不同，其容量较小，工艺设备也不同，从建造和操作角度来看不太理想。

因此，曾经而且仍然需要一种硝化和反硝化方法，它的控制比较简单，成本效益好，在改变和调节硝化时间与反硝化时间之比方面有最大的灵活性，同时又能满足对于排出液中氮含量的非常严格的要求。

本发明涉及一种硝化和反硝化方法，其目的在于克服现有技术中硝化和反硝化方法的缺点和不足，现有技术中要实现高度的纯化必须要用相当复杂和昂贵的处理系统。本发明的原理是，要处理的废水在硝化和反硝化处理期间只流过三个沟渠或池中的两个。具体地说，废水流入液被交替地引入到两个初始处理池中的一个。初始池中的一个保持缺氧状态以产生反硝化作用，而另一个初始池则保持有氧状态以产生硝化作用。流入的废水先引入到一个初始池中一段选定的时间，然后使其改向，引入到另一初始池中一段选定的时间。初始池的流出液在所有情形里都由该池引入到下游的第三池。因此，在一段时间里，一个初始池既无流入液，也无流出液，而另一初始池则有流入液和流出液。在没有流入液的这段时间里，初始池总是在有氧(Ae)状态下操作，即，发生硝化作用。于是，该池中的氨被迅速地还原到几乎为零，这对于保持最终流出液中很低的氨浓度十分重要。

在处理过程中，第三池在缺氧(Ao)和有氧(Ae)状态之间交替变换，以便根据废水的成分调节关于在一定时间内进行反硝化、而在其它时间内进行硝化的需要。第三池的流出物引入到最终澄清池中，在其中将活性污泥与净化过的废水分离，分离出的污泥则被送回并与废水流入液混合。此方法的净效果是在整个过程中可以根据任何特殊需要(废水的成分、流入液的每日/每周变化等)，以比现有处理系统更简单和成本效益更好的方式，改变和控制硝化时间与反硝化时间之比。实际上，在整个过程中反硝化时间在整个操作时间中可以占到多达三分之二，但流出液中的氨浓度仍然很低。这意味着原始废水中的有机物可以得到最佳利用。这也意味着可以将充气的电力消耗保持在最低水平。

在如上所述以将流入液交替地引入到两个初始池中的方式操作时，在这些池中达到了较高的物质浓度，从而获得较高的转化率，这又意味着体积比现有的交变系统小。这将在后面说明。

使用所述的方法，向处理池中引入和引出废水所需的设备较少，而且在某些情形下可以使用比生产能力相同的现有的交替交换系统更少的充气设备。

因此，本发明的目的之一是提供一种有效和高效的方法，用来以比现有工艺系统更易操作和成本效益更高的方式实现氨和氮的高度去除。

本发明的另一目的是提供一种需要硝化和反硝化的除氮方法，其中硝化与反硝化的时间之比可以改变和控制，而且该方法使得为实现有效和高效的硝化与反硝化处理所需的脱氮时间可以多达总处理时间的三分之二。

本发明的又一目的是提供一种流程图比较简单的硝化和反硝化方法。

本发明的再一目的是使反硝化时间可以多达总处理时间的三分之二，以便实现有效和高效的硝化与反硝化处理，同时节约充气所需的电力。

本发明的另一目的是提供一种硝化与反硝化废水处理法，它将整个过程对充气设备的要求减至最小，从而降低了该方法所需设施的总成本。

最后，本发明的目的之一是提供一种硝化—反硝化方法，它减小了进行该方法所需的池子的尺寸。

本发明也可以与诸如初步沉降、后过滤等预处理和后处理步骤结合使用。一种有利的组合方式是将缺氧池(分成几个区)置于从最终沉降槽中返回的污泥或它的一部分与废水或其一部分于其中混合的设备之前。污泥和废水的混合物由缺氧池引入到本发明的三池系统中。用这种方式同时去除了生物磷。

本发明的其它目的和优点在对以下叙述和附图的研究中将变得显而易见，这些叙述和附图只是对本发明的示例说明。

图1是本发明的废水处理法的示意说明。

本发明涉及一种用于除去氨型氮(NH₃-N)和氮的生物废水处理法。在详细讨论本发明之前，评述一番采用硝化与反硝化处理的常规的除氮方法会有好处。

一般来说，废水流入液包含氨型氮NH₃-N。为了除掉氨型氮，需要一种硝化和反硝化的二步法。首先，硝化步骤需要将氨型氮(NH₃-N)转化成硝酸根和很少量的亚硝酸根，二者通常用NO_x表示。有一些可用于硝化过程的常规方法。例如，很多常规的活性污泥废水处理法在有氧(Ae)处理区完成硝化。在有氧处理区内对含有氨型氮的废水进行充气，这产生了一种微生物培养物，它有效地将氨型氮转化成NO_x。一旦氨型氮转化成NO_x，一般是将含NO_x的废水转移到缺氧(Ao)区进行反硝化。在反硝化处理区内，含NO_x的废水保存在不供应空气的池中，这通常为为缺氧处理区。在该区内另一种微生物培养物利用NO_x或一种氧化剂起作用，将其还原成游离氮并逃逸至大气中。这基本上说明了常规的硝化和反硝化过程。对于生物硝化和反硝化作用的更完全和统一的了解，可参看美国专利3,964,998、4,056,465和4,874,519。这三份专利在本发明中专门引用作为参考。

现在讨论本发明和本文公开的硝化与反硝化方法。由图1可见，此方法包括三个不同的池14、16和18。如图所示，中央池16策略地位于外部池14和18之间。但是应该明白，中央池16也可以处在相对于外部池14和18的其它位置。由后文可知，外池14和18的流出液将流入中央池16。

继续参看图1的流程图，其中的管线12是设计用来输送废水流入液。在这方面，废水流入液可以是原始废水或是已经过某种预处理(例如初步澄清、缺氧处理除磷等)的废水。根据本发明，流过管线12的废水流入液经由管线20或22引入到外池14和18中的一个。具体地说，流过管12的废水流入液被引入到池14或18中的一个，经过一段选定的时间，然后利用常规的阀门或其它类型的改向机构将流过管12的废水流入液引入外池14或18中的另一个。因此，根据本发明，废水流入液在正常的操作方式中经由管20或管22流动。对于本项公开而言，池14和18称作初始处理区。

由池14或18中流出的废水被直接引入到中央池或第三池16。池16的流出液则经由管24引入到澄清池，通常是最终澄清池26，活性污泥在其中与净化过的流出液分开。如有必要，在第三池和澄清池之间或者在澄清池之后可以增设一个辅助的处理系统，用于对废水进行后处理。最终澄清池26的净化过的流出液由管28引出，流入小溪、河流或其它的排放处。沉积在最终澄清池26中的分离出的污泥经过返回管线30送返到处理设施的前端，在那里与在管12中输送的废水流入液混合。然后根据本发明的方法将活性污泥与废水流入液的混合物送入初始处理池14或18中的一个。

所有三个池14、16和18都按照常规方式装有充气和混合设备，或是能够作为充气或混合设备使用的设备。这使得三个池都可以在有氧或氧化条件下操作。如前所述，有氧或氧化条件意味着向废水中供入空气，在这样的条件下可以进行硝化过程。如果关掉充气设备(但是保持混合)，则每个处理池都可以由有氧(Ae)状态转化成缺氧(Ao)状态(不供入空气)，而由硝化过程转化为反硝化过程。

因此可以知道，在处理沟渠或处理池14、16和18中的任何一个里都可以进行硝化和反硝化处理。因此，操作人员可以改变硝化时间与反硝化时间之比，以便简单地通过调节循环过程中各阶段的长短来实现氮和氨的最佳去除。

为了示例说明本发明的方法，列出以下实施例。假设生化需氧是与氮之比(BOD/N)为4.0，流入液的氮为50mg/l。现在讨论下表中所示的以下流程图：阶段         流程图和硝化/反硝化模式                      各阶段时间(分)

                                                    典型值       范围1

         21         0-602          18         0-603

         21         0-604       21         0-605

         18         0-606          21         0-60循环周期120分(25-240)

在本方法的阶段1中，将废水流入液引入到初始外池中的一个池14中。在阶段1里，如表中所示，接收废水流入液的初始池14在缺氧模式下操作，从而在该外池中产生反硝化(DN)作用。另一个外池18在硝化(N)模式下操作。在该池中没有流入液或流出液。中央池也以硝化模式操作。因此可知，在第一阶段中池14是以反硝化模式操作，而池16和18是以硝化模式操作。如表所示，此实施例中阶段1在典型的操作中进行21分钟。但是如表所示，阶段1的时间可以根据废水的成分从0到60分钟变化。

在阶段1结束时，将中央池16内的处理方法式由硝化(N)改变成反硝化作用(DN)。池14和18内的处理保持不变，废水流入液也照样流入池14中。此实施例中本方法的这个第二阶段进行18分钟。但是，与本方法的其它阶段一样，此阶段可以从0到60分钟变化。

当第二阶段结束时，中央池的操作方式再次改变。这一次是从反硝化作用(DN)改变成硝化作用(N)。外部的初始区14和18中的处理方式仍保持不变。本实施例的这个第三阶段进行21分钟。

当本发明的方法由阶段3进行到阶段4时，将废水流入液由管线20改向到管线22，引入到初始处理池18中。此外，关掉池18中的充气设备，池18中的处理方式由硝化作用(N)改变成反硝化作用(DN)。与此同时，开动池14中的充气设备，从而使池14中由反硝化作用(DN)改变成硝化作用(N)。与此同时，中央池或中央沟渠16中的处理方式保持不变。于是，在阶段4中池14和16以硝化(N)模式操作。此实施例中阶段4进行21分钟。应该指出，在不充气的缺氧阶段，通常要使用混合设备来保持活性污泥悬浮。在阶段4结束时，中央池16内的处理方式由硝化(N)改变成反硝化(DN)。除了这一改变之外，阶段5与对阶段4所表示和讨论的相同。在典型的实施例中，阶段5进行18分钟。

最后阶段(或阶段6)与阶段5相同，只是中央池由反硝化处理区改变成硝化处理区。在所述的这一实施例中，此阶段进行21分钟。

于是，在所示的实施例中上述的6个阶段足以进行硝化和反硝化过程。在所示的实施例中，所考虑的典型条件是：废水流入液中BOD含量为250mg/l，流入液中的氮为51mg/l(BOD/N之比为4.9)，流出液中可溶性氮少于5.0mg/l，氨少于2.0mg/l。

在所说明的这一实施例中，各个阶段的时间可以变化。预期任何一个阶段的典型的变动周期约在0到60分钟之间，这取决于脱氮作用的需要。如果BOD/N比很高，或者对于脱氮作用的要求很低(少于总时间的33％)，装有流入液的初始池也可以在一定时间内在有氧条件下操作。

上述方法和系统在改变特定处理过程中硝化时间与反硝化时间之间方面有很大的灵活性。实际上，上述方法使我们能将反硝化时间改变到多达总处理时间的三分之二，以达到最佳的硝化和反硝化结果。

必须强调，对于实际运转的工厂，各阶段的时间长短容易根据废水的实际送入量和成分进行调节。例如，我们可以有一组白天使用的各阶段时间长度，另一组用于夜间，又一组用于周末，再一组用于假日等。

表1列出了在各阶段时间与反硝化作用时间之间的相关关系的某些实施例。

                   表1

              各阶段时间(分)

％ DN   1      2      3      4      5      6
	35     27     3      27     27     3      2740     24     12     24     24     12     2445     20     20     20     20     20     2050     15     30     15     15     30     1555     11     38     11     11     38     1160     6      48     6      6      48     665     2      56     2      2      56     2

本发明的一个令人惊奇的特点是，尽管结构和流动型式很简单，但是可以得到比使用常常更复杂的现有工艺方法更好的处理结果和/或较小的体积。另外，应该指出，本发明的方法不限于所示的工艺流程或者反硝化作用所占的35％-65％百分含量范围。通过增加初始池14和16都被充气的辅助阶段，可以将总的反硝化时间调节到大大低于35％(例如低至13％或更低)。

由以上可见，本发明在除氮方面十分有效，同时需要的池子较小。对于本发明方法与其它两个著名的交变池型方法的计算机模拟对比研究，证实了本发明方法的优点和用途。

在这方面，本发明方法与以下方法比较：1)美国专利3,977,965中公开的原始的两池式“Bio-Denitro”系统，和2)美国专利5,137,636公开的三池式“Trio-Denitro”系统。采用国际公认的数学动力学模型比较了活性污泥设备中的化学需氧量(COD)和氮组分的转化(Henze M.，Grady C.P.L，Gujer W.，Marais G、V、R、和MatsuoT.：The activated Sludge model No.1，IAWRC，London1987)。采用该模型的标准系统设定值，对于一定范围的工艺条件进行了比较。在所有的情形里，本发明的方法都被证实能用最小的体积达到最好的除氮效果。以下是一次模拟评价的结果：

Claims (9)

1.一种利用第一、第二和第三处理区从废水除氮的活性污泥废水处理法，其中包括以下步骤：

a)将废水交替地引入第一和第二处理区；

b)将引入第一处理区和第二处理区内的废水交替地进行硝化和反硝化处理，每种处理延续至多180分钟，在此期间内，第一处理区进行硝化处理，而第二处理区则进行反硝化处理，反之亦然；

c)在第一和第二处理区处理废水之后，将来自每个区的废水交替地引入第三处理区；

d)将引入第三处理区内的废水交替地进行硝化和反硝化处理，每种处理延续至多60分钟；

e)第三区内的废水处理之后，将废水通入澄清池，在此活性污泥与净化过的水分离并循环和与未处理的废水混合。

2.根据权利要求1的方法，其中在第一和第二处理区内进行的硝化与反硝化过程与流向两区的废水流入液同步，当硝化和反硝化过程每次进行转换时，废水向两池的流入也交替变化。

3.根据权利要求1的方法，其中整个硝化和反硝化过程只借助一个澄清池在三个处理区内进行。

4.根据权利要求1的方法，其中在将废水流入液引入到同一第一或第二处理区时，改变第三处理区的硝化-反硝化状态，从而使第三处理区内的废水在废水流入液被引入到第一或第二处理区中的一个的同时，发生硝化和反硝化两种作用。

5.根据权利要求1的方法，其中流过三个区的废水在硝化-反硝化过程发生脱氮作用。

6.根据权利要求1的方法，其中在过程的任一时刻，第一或第二处理池将接收来自供水管的废水流入液，而充满了这种废水流入液的池中的废水将受到反硝化处理。

7.根据权利要求6的方法，其中第一区和第二区均为初始处理区，在未装满来自供水管的废水流入液的初始处理区内进行硝化处理。

8.根据权利要求1的方法，其中在第一或第二处理区之一被充满的同时，第三处理区在硝化与反硝化之间转换。

9.一种用于将废水硝化和反硝化的三池废水处理设备，其中包括：互不连通的第一和第二初始处理池，每个都能进行有氧和缺氧处理，产生硝化或反硝化作用；第三个分离的处理池，它能进行有氧和缺氧处理，使装在第三处理池中的废水发生硝化或反硝化作用；一个改向装置，用来将废水流入液交替地引入到第一和第二初始处理池，以便在一部分处理时间内废水流入液被引入第一初始处理池，而在另一部分时间内被引入第二初始处理池；连接在第一和第二处理池与第三处理池之间的两个连接管，一根管直接连在第一初始处理池和第三处理池之间，另一根则连在第二初始处理池和第三处理池之间，从而使装在第一和第二处理池中的废水由该池直接引入到第三处理池而不必途径另一个第一或第二处理池；以及一个澄清池，用来接收来自第三处理池的流出液并从中分离出活性污泥，以便使活性污泥能够返回并与引入第一或第二处理池的废水流入液相混合。