CN110891908A - 在包括至少一个序批反应器和移动床生物膜反应器的系统中的水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在包括序批反应器(SBR)(2)和移动床生物膜反应器(MBBR)(3)的反应器系统(1)中生物处理水中的碳、氮和任选的磷的方法。该方法包括：用待处理的水(5)向所述SBR反应器(2)装料的步骤(10)，在所述反应器系统(1)中缺氧/需氧生物处理的步骤(20)，以及从所述SBR反应器(2)排出经处理的水(35)的步骤(30)。该缺氧/需氧生物处理步骤(20)包括：在该SBR反应器(2)中在主要是缺氧的条件下进行生物处理(210)，产生第一流出物(215)；在MBBR反应器(3)中在需氧条件下进行生物处理(220)，产生第二流出物(225)；以及所述第一和第二流出物的连续再循环。本发明还涉及相应的设备。

Description

在包括至少一个序批反应器和移动床生物膜反应器的系统中 的水处理方法

技术领域

1.本发明的领域

本发明涉及水(尤其是废水)处理以使其净化的领域。

更具体地，本发明涉及对水中的碳、氮和任选的磷进行生物处理的方法以及相应的设备

背景技术

2.现有技术

在现有技术中已知一种在常规类型的利用游离生物质(特别是活性污泥)的序批反应器中处理废水的方法。术语“序批反应器(réacteur séquentiel discontinu)”在现有技术中也以英文术语“sequencing batch reactor”或者以首字母缩写词SBR而为人知。这种方法如今已在全世界范围内得到广泛使用并且受到特别好评，因为它可使用单个生物池来实施而不需要下游的澄清器结构，这与传统活性污泥法相反，该传统活性污泥法由于水的连续供应而需要在生物池的下游布置澄清结构并且建立污泥向生物池的再循环。因此，实施常规类型的利用游离生物质的SBR法的设备的占地面积(empreinte au sol)小于实施传统活性污泥法的设备的占地面积。根据要处理的废水量，这些生物池中的多个可任选地并联布置。

在常规类型的利用游离生物质的SBR反应器中对水进行生物处理的方法的一个周期相继包括以下步骤：

-利用要处理的水对反应器进行装料；

-在反应器中进行生物处理，包括交替的厌氧、缺氧和需氧条件，进行曝气或不曝气；

-游离生物质和悬浮物质的沉降；以及，

-处理过的水的澄清/排出。

在需氧条件下的生物处理使得能够降解碳并且通过特定硝化生物质将铵(NH₄ ⁺)转化为硝酸根离子(NO₃ ^-)(硝化)。在缺氧条件下的生物处理使得能够通过脱硝异养生物质以双氮气体(N₂)的形式去除硝酸根离子(NO₃ ^-)(脱硝)。如有必要，可以通过生物途径，或者通过物理化学途径，通过添加金属盐(如铁盐或铝盐)来进行磷的去除。通过生物途径的磷去除需要以下阶段：具有厌氧条件的阶段，在此阶段过程中适当的生物质会释放磷并消耗外来碳以建立内部存储；以及具有需氧和/或缺氧条件的阶段，在此阶段过程中相同的生物质会过分累积由于其碳的内部存储(其本身提供所需的能量来源)而在反应介质中存在的磷的大部分。

能够优化处理性能的上述方法的变化形式通过隔开活性污泥SBR反应器来获得。这被称为在隔室类型的游离生物质SBR反应器中的处理方法。例如，当需要对流出物进行强力脱硝时，可以在游离生物质SBR反应器的顶部添加隔室，该隔室在缺氧条件下并且在搅拌下使用。这种构造需要借助于在缺氧条件下使用的顶部隔室和另一隔室之间的泵来建立混合液(游离生物质和流出物)的顺序再循环。该再循环尤其在间隔式类型的游离生物质SBR反应器的沉降和排出阶段期间应当被停止。在缺氧条件下使用的隔室使得能够获得更高性能的待处理的水的生物脱硝。这是因为，引入到顶部隔室中的待处理的水载以COD(化学需氧量)，即构成了丰富的碳源，这使得能够维持高浓度的脱硝细菌。另一个实例在于：当需要进行生物除磷(dé-phosphatation)时，可以使用具有两个隔室的游离生物质SBR反应器，其中第一隔室在厌氧条件下并且第二隔室在交替缺氧和需氧条件下；或者使用具有3个隔室的游离生物质SBR反应器，其中第一隔室在厌氧条件下，第二隔室在缺氧条件下并且第三隔室在需氧条件下。这种构造也需要借助于在厌氧条件下使用的顶部隔室和一个或多个其他隔室之间的泵来建立混合液(游离生物质和流出物)的顺序再循环。同样，该再循环尤其在SBR反应器的沉降和排出阶段期间应当被停止。

然而，在常规类型或隔室类型的游离生物质SBR反应器中对水进行生物处理的方法具有多种缺点。第一个缺点是：由于悬浮物质(主要由纯化性游离生物质构成)的沉降速度低，因此这些方法需要使用具有大体积的反应器。这些游离生物质SBR方法的第二个缺点是：它们的处理性能有限，尤其是硝化性能有限。这是因为，SBR反应器中活性污泥的浓度通常受到限制，实际上严格低于5g/L以免损害澄清步骤。这些常规类型的SBR方法的第三个缺点是：必须在SBR反应器中保持高污泥龄，实际上为在12℃下严格大于15天的污泥龄，以能够获得足够的硝化水平。这意味着水处理设备的尺寸显著增加。

为了减小反应器的体积，已经开发了在混合SBR反应器中的处理方法(被称为集成固定膜活性污泥序批反应器)，并且特别被描述于专利文件US2015321937A1中。这种类型的反应器也以英文术语“integrated fixed film activated sludge-sequencing batchreactor”而为人知或者首字母缩写为IFAS-SBR。IFAS-SBR反应器由通过开口液压连接的两个隔室组成：第一隔室包含悬浮的游离细菌的生物质并且第二隔室包含游离生物质以及固定细菌的载体介质。在第二隔室中固定细菌的载体介质的使用使得能够获得更有效的硝化作用并因此减小设备的尺寸。此外，借助于泵的再循环装置使得能够实现从第二隔室向第一隔室的流出物的再循环。当将IFAS-SBR型反应器用于硝化-脱硝型处理时，该第一隔室处于缺氧条件下，而该第二隔室处于需氧条件下。

然而，在IFAS-SBR反应器中对水进行生物处理的方法具有多种缺点。第一个缺点是：与常规类型或隔室类型的游离生物质SBR反应器相比，体积增益有限，实际上这种增益仅为20％至30％，因为固定细菌的载体介质在IFAS-SBR反应器的沉降阶段中占据了很多的空间，并限制了每个周期中可处理的水量。第二个缺点是：常规类型的现有SBR反应器的修复相当复杂，因为它需要排空反应器并在SBR反应器的内部构建新的内部隔板。这意味着在IFAS-SBR反应器修复过程中的常规类型的SBR反应器的静止周期。

为了克服与在上述SBR反应器中使用游离生物质有关的缺点，已经开发了在常规类型的SBR反应器中进行生物处理的方法，但是其使用由直径为一至几毫米的颗粒构成的生物质替代游离生物质，并且其被特别描述于专利文献EP1 542 932 B1中。这种方法能够对碳、氮和任选的磷进行生物处理，而无需添加任何金属盐来去除磷。由于所述颗粒具有大于游离生物质粒子的密度，因此它们的沉降速度远大于游离生物质粒子的沉降速度，这则使得能够为SBR反应器获得短得多的运行周期时间，并且因此能够实现减小的设备尺寸。由颗粒构成的SBR反应器中的生物质的浓度可达8-10g/L，而不是常规类型的游离生物质SBR反应器中的5g/L。

然而，由颗粒构成的生物质SBR反应器中的处理方法具有不太可靠的缺点，特别是对于需氧颗粒而言。除了难以获得有利于所述颗粒形成的条件之外，有时会发生这些颗粒损失的问题，这或者是由于反应器中的液压问题(在装料/排出步骤期间水损失)，或者是由于生物处理故障期间颗粒发生结构破坏。

由现有技术还已知一种在以SBR模式工作的移动床生物膜反应器(MBBR)中的生物处理方法，所述反应器也被称为移动床生物膜序批反应器。这种类型的反应器也以英文术语“sequencing batch moving-bed biofilm reactor”或首字母缩写SBMBBR而为人知。其还使得能够克服与沉降太慢的游离生物质的使用有关的问题。这种使用在培养基上的固定培养物的方法通过交替厌氧/需氧/缺氧阶段而结合了MBBR方法的优点(抗载荷变化，不存在膨胀，生物质的物理和生物异质性，生物质在载体上的保存)和SBR反应器的周期的生物反应的时滞定相(phasage temporel)的益处。其可尤其用于处理磷。与使用游离生物质或由颗粒构成的生物质的SBR反应器相反，在反应器中不存在游离生物质使得能够实现在SBR周期结束时在反应器中所含的液体的全部或几乎全部排出，并且这是在没有预先沉降步骤的情况下。该反应器设有带孔的栅网，该栅网使得能够将介质保留在生物槽中，同时在排出阶段使经净化的水以及悬浮物质通过。这种特性使得能够获得非常紧凑的SBMBBR反应器。然而，排出的经处理的水中含有约100-500mg/L的悬浮物质，这些悬浮物质来源于待处理的水以及生物膜的表面部分的脱落。在SBMBBR反应器中处理的水通常需要通过沉降池、浮选池或微滤器的在下游分离这些悬浮物质的步骤。由于MES的浓度低，因此用于这种分离步骤的结构可以特别紧凑。

在SBMBBR反应器中对合成或半合成城市废水进行了测试，该测试使用厌氧/需氧周期而没有限制溶解氧，换句话说使用未控制的曝气，并且因此具有非常高的双氧浓度，使用了KMT和K1型的载体(参见HELNESS H.，“Biological phosphorus removal in a movingbed biofilm reactor”，Trondheim，Norwegian University of Science andTechnology，2007年，第85-96页；图37)。Helness获得的结果显示出对于测试的水的碳、氮和磷处理的非常有前景的结果。但是，所述测试是使用以下的城市水进行的：该城市水具有低浓度的NH₄和PO₄，掺有乙酸盐(有利于磷的生物处理，因为其涉及到可易于被除磷细菌使用的有机碳)，并且具有的COD：NTK比(化学需氧量：Kjeldhal总氮)有利于氮的处理(COD：NTK比大于或等于10)。此外，在处理周期期间浓度分布的结果显示出磷的生物同化与脱硝之间的时间差距。这是因为，限制性步骤是硝化步骤，其需要进行75分钟的曝气，而磷(PO₄)已经被消耗。本发明的发明人已经在SBMBBR反应器上重做了这些测试，使用真正的城市水，比Helness测试的水具有更浓的氮，未外源添加有机物质且COD：NTK比为5至8(并且因此对氮的整体处理不太有利)。然后他们能够确定在SBMBBR反应器的曝气步骤中磷过量累积和完成硝化之间所需的这个时间差距。因此，在移动床生物膜序批反应器中对水中的碳、氮和磷进行生物处理的方法具有的缺点在于：曝气步骤特别长，这导致过度消耗双氧并且因此导致过度消耗相应设备的能量，并且这还导致水处理周期的延长，并因此导致相应设备所需的额外尺寸。

发明内容

3.本发明的目的

本发明的目的在于克服所提及的现有技术的至少一些缺点。

本发明的目的尤其在于提出一种改进的生物处理水中所含的碳、氮和任选的磷的方法，尤其是，其涉及硝化。

本发明的另一个目的在于提出一种改进的生物处理水中所含的碳、氮和任选的磷的方法，其是灵活、稳定和鲁棒的(robuste)。

本发明的另一个目的在于至少根据本发明的某些实施方案提出一种在能量方面具有竞争力的方法。

本发明的另一个目的在于提出一种用于生物处理水中所含的碳、氮和任选的磷的设备，对于给定体积的待处理的水来说，该设备是尽可能紧凑的。

4.本发明的描述

本发明涉及在包括至少一个序批反应器(SBR)和移动床生物膜反应器(MBBR)的反应器系统中生物处理水中的碳、氮和任选的磷的方法。该方法包括以下步骤：

-用待处理的水向该(至少一个)序批反应器装料；

-在该反应器系统中缺氧/需氧生物处理存在于该(至少一个)序批反应器中的所述水；

-从该(至少一个)序批反应器中排出经处理的水；

在该反应器系统中的缺氧/需氧生物处理的步骤包括：

-在该(至少一个)序批反应器中在主要是缺氧的条件下通过第一生物质进行生物处理，产生第一流出物，该第一生物质主要包含具有脱硝作用的异养微生物；

-在该移动床生物膜反应器中在需氧条件下通过第二生物质进行生物处理，产生第二流出物，该第二生物质包含承载于介质(média)上的具有主要为硝化的作用的生物膜；和

-该第一和第二流出物在该(至少一个)序批反应器和该移动床生物膜反应器之间进行连续再循环。

术语“需氧”条件被理解为是指在反应介质中存在双氧。溶解的双氧浓度通常则大于或等于1mg/L。

术语“厌氧”条件应理解为是指在还原性反应介质中完全或几乎完全不存在双氧，所述还原性反应介质也即尤其不含有含氮化合物的氧化形式，例如硝酸根离子(NO₃ ^-)或亚硝酸根离子(NO₂ ^-)。溶解的双氧浓度则接近0mg/L。

术语“缺氧”条件应理解为是指在氧化性反应介质中完全或几乎完全不存在溶解的双氧，所述氧化性反应介质也即含有含氮化合物的氧化形式，例如硝酸根离子(NO₃ ^-)或亚硝酸根离子(NO₂ ^-)。溶解的双氧浓度则接近0mg/L。

术语在“主要是(majoritairement)”缺氧的条件下的生物处理被理解为是指以下事实：该反应介质在所述处理的总持续时间的超过50％、或者超过60％、或者超过70％、或者超过80％、或者超过90％、或者超过95％的期间处于完全缺氧的条件下。这是因为，可能存在被触发或不被触发的过渡期，在该过渡期中反应介质可处于需氧和/或厌氧条件下。优选地，在主要是缺氧的条件下的生物处理的反应介质在所述处理的总持续时间的超过90％的期间处于完全缺氧的条件下。极其优选地，在主要是缺氧的条件下的生物处理的反应介质在所述处理的总持续时间的超过95％的期间处于完全缺氧的条件下。

术语“主要(principalement)”(包含)具有脱硝作用的异养微生物是指以下事实：该第一生物质由一组微生物组成，其中超过50％、或者超过60％、或者超过70％、或者超过80％或者超过90％是具有脱硝作用的异养微生物。

同样，术语“主要为硝化的”是指该第二生物质主要包含能够硝化的微生物。

术语“流出物(effluent)”应理解为是指在生物处理期间水的液体部分，其可从一个反应器向另一个反应器再循环，包含悬浮粒子并且因而在必要时包含游离生物质。

在下面的描述中，术语“序批反应器”可以以首字母缩写词“SBR”出现，而术语“移动床生物膜反应器”可以以首字母缩写词“MBBR”出现。

本发明因而基于MBBR反应器与一个或多个SBR反应器的平行放置。仅在缺氧/需氧生物处理步骤中使用的MBBR反应器仅在需氧条件下使用，该需氧条件使得能够优化发展具有硝化作用的生物膜的微生物。因而，处理过程中水的硝化主要发生在MBBR反应器中。在缺氧/需氧生物处理步骤期间主要在缺氧条件下使用的该(至少一个)SBR反应器使得能够优化发展具有脱硝作用的异养微生物。该第一和第二流出物的连续再循环使得能够针对处理中的水确保连续交替缺氧条件和需氧条件。根据本发明的方法因而使得能够对水中的碳、氮和任选的磷进行有效且在能量方面有竞争力的生物处理。实施此方法的设备因而可以是非常紧凑的。

用待处理的水向该(至少一个)序批反应器装料的步骤可以以或高或低快速地进行。装料的持续时间可尤其是10分钟至4小时。

该装料步骤有利地在厌氧条件下进行。这尤其使得能够通过在该第一生物质中存在能够累积多磷酸盐的微生物来启动生物除磷机制。这些微生物也以英文术语“polyphosphate accumulative organisms”或首字母缩写词PAO而为人知。观察到存在于SBR反应器中的水中可溶性有机碳的降解或还原以及无机磷的增加，通过PAO微生物的无机磷的释放对于除磷来说是必要的步骤。根据一种特定的实施方案，根据本发明的方法还包括在所述至少一个序批反应器中在厌氧条件下的生物处理步骤。这种在厌氧条件下的附加生物处理步骤则在所述缺氧/需氧生物处理步骤之前实施。它可以持续10分钟至3小时。这种实施方案在以下情况下是特别有益的：其中装料步骤快速进行(即持续大约几十分钟的时间)的情况，和/或其中需要对待处理的水进行强烈除磷的情况。由于在该第一生物质中存在能够累积多磷酸盐的微生物，因此这个附加步骤使得能够增加启动生物除磷机制。这个附加步骤还能够减少外源碳的量，并且因此减少水的C：N比。

优选地，该第一生物质包含能够累积多磷酸盐的微生物。这些微生物是能够通过使用硝酸根离子或亚硝酸根离子而不是双氧来累积多磷酸盐的PAO，它们的能量来源来自于在先前厌氧步骤期间形成的内部碳存储。它们也以英文术语“denitrifyingpolyphosphate accumulative organism”或首字母缩写词DPAO而为人知。这尤其具有实施以下方法的优点：在该方法中，除磷和硝化解偶联，并且相反地，除磷和脱硝偶联。

该缺氧/需氧生物处理步骤通过该第一和第二流出物在该(至少一个)序批反应器和该移动床生物膜反应器之间的连续再循环来实现。该再循环尤其使得能够针对处理中的水确保连续交替缺氧条件和需氧条件。该缺氧/需氧生物处理步骤可以持续1小时至8小时。

在该缺氧/需氧生物处理步骤期间，该(至少一个)SBR反应器的在主要是缺氧的条件下通过第一生物质的生物处理使得能够确保通过将硝酸根离子(NO₃ ^-)转化为双氮(N₂)进行处理中的水的脱硝，以及任选地，通过细菌中多磷酸盐的累积进行的处理中的水的除磷。脱硝作用是通过来自该第一生物质的具有脱硝作用的异养微生物而实现的。该除磷在必要时通过PAO微生物(优选DPAO微生物)确保。

该第一生物质可以是游离生物质、颗粒状生物质或承载于介质上的生物膜。

根据第一实施方案，该第一生物质是游离生物质。在这种实施方案中，该第一流出物包含悬浮粒子，该悬浮粒子包含悬浮的游离生物质成分。

根据第二实施方案，该第一生物质是承载于介质上的生物膜。在这种实施方案中，该第一流出物包含悬浮粒子，但不包含承载于介质上的生物膜。这种实施方案是特别优选的，因为与游离生物质相比具有许多技术优势。该承载于介质上的生物膜尤其使得能够获得更高浓度的生物质：因此可以使用可以更紧凑的设备来实施强力脱硝。承载于介质上的生物膜使得能够增加对感兴趣的微生物的选择，在这种情况下，主要是具有脱硝作用的异养微生物，并且在某些情况下，还可以是PAO或DPAO微生物。与活性污泥工艺相比，该生物膜还使得能够容易地获得更高的污泥龄，从而使得具有脱硝作用的异养微生物甚至PAO或DPAO微生物更好地发展。该生物膜对COD的变化具有更好的响应，并且对可能的毒性冲击具有更好的抵抗力。

在缺氧/需氧生物处理步骤期间，MBBR反应器的在需氧条件下通过第二生物质进行的生物处理使得能够确保通过将铵(NH₄ ⁺)转化为硝酸根离子(NO₃ ^-)来进行硝化。因为在根据本发明的方法中MBBR反应器仅在需氧条件下使用，所以具有硝化作用的生物膜的微生物可以具有最佳的发展并且因此具有提高的性能。微生物的发展及其性能会由于低C∶N比而变得更好。

该第二生物质包含具有硝化作用的生物膜。该具有硝化作用的生物膜是一组彼此粘附并与载体介质表面粘附的微生物。与游离生物质相比，承载于介质上的生物膜具有许多优势。承载于介质上的生物膜尤其使得能够获得更高浓度的生物质：因此可以使用可以更紧凑的设备来实施强力硝化。承载于介质上的生物膜使得能够增加对感兴趣的微生物的选择，在这种情况下是具有硝化作用的微生物。与活性污泥工艺相比，该生物膜还使得能够容易地获得更高的污泥龄，从而使得具有硝化作用的微生物更好地发展。该生物膜对COD的变化具有更好的响应，并且对可能的毒性冲击具有更好的抵抗力。

在其中该第一生物质是游离生物质的第一实施方案中，该第二流出物包含悬浮物质，该悬浮物质包含来自该第一生物质的悬浮的游离生物质成分。在其中该第一生物质是承载于介质上的生物膜的第二实施方案中，该第二流出物包含悬浮物质，但不包含来自该第一生物质的承载于介质上的生物膜。

优选地，在所述第二流出物中溶解的双氧浓度为每升1毫克至6毫克。通常不需要更高的双氧浓度，因为该硝化通过使用用于该第二生物质的具有硝化作用的生物膜而得到优化，并且该除磷在必要时主要发生在缺氧条件下的SBR反应器中。

根据本发明的一种特定实施方案，该反应器系统包括至少两个并联布置的序批反应器。术语“并联布置”被理解为是指下述事实：进入到所述至少两个序批反应器的每一个中的待处理的水可来自相同的待处理的水流，并且离开所述至少两个序批反应器的每一个的经处理的水可再合并为相同的经处理的水流。根据这种实施方案，该方法包括以下步骤：

-用待处理的水向所述至少两个序批反应器的每一个中装料；

-在该反应器系统中缺氧/需氧生物处理存在于该至少两个序批反应器中的所述水；

-从所述至少两个序批反应器的每一个中排出经处理的水；

在该反应器系统中的缺氧/需氧生物处理的步骤包括：

-在所述两个序批反应器的每一个中在主要是缺氧的条件下通过第一生物质进行生物处理，各自产生第一流出物，所述至少两个序批反应器的每一个的该第一生物质包含具有脱硝作用的异养微生物；

-在该移动床生物膜反应器中在需氧条件下通过第二生物质进行生物处理，产生第二流出物，该第二生物质包含承载于介质上的具有硝化作用的生物膜；和

-该第一和第二流出物中的每一个在所述两个序批反应器的每一个和该移动床生物膜反应器之间进行连续再循环。

该反应器系统可尤其包括2、3、4或5个序批反应器。

有利地，该缺氧/需氧生物处理步骤利用所述至少两个序批反应器的每一个顺序进行。这意味着该缺氧/需氧生物处理步骤是在该MBBR反应器和所述至少两个SBR反应器的每一个之间轮流进行。这使得能够将具有硝化作用的单个MBBR反应器与一组SBR反应器并联使用。该MBBR反应器则可以具有总体连续的运行。

本发明还涉及用于生物处理待处理的水中的碳、氮和任选的磷的设备，该设备包括移动床生物膜反应器(MBBR)和至少一个序批反应器(SBR)。

该(至少一个)序批反应器包括用于引入待处理的水的装置(moyens)、用于排出经处理的水的装置和用于使来自该(至少一个)序批反应器的第一流出物向该移动床生物膜反应器再循环的装置。该移动床生物膜反应器包括曝气装置和用于使来自该移动床生物膜反应器的第二流出物向该(至少一个)序批反应器再循环的装置。

根据本发明的一种优选特性，该(至少一个)序批反应器还包括搅拌装置。该(至少一个)序批反应器还可包含曝气装置。

根据本发明的另一优选特性，该移动床生物膜反应器除了已经存在的曝气装置之外还可包括附加的搅拌装置。这些搅拌装置通常是任选的，因为该移动床生物膜反应器旨在仅在需氧模式下运行，并且因此需要连续曝气，这引起了充分的搅拌。根据本发明的另一优选特性，该(至少一个)序批反应器是游离生物质或颗粒状生物质序批反应器或移动床生物膜序批反应器。该(至少一个)序批反应器有利地是移动床生物膜序批反应器(SBMBBR)。

根据本发明的另一优选特性，该移动床生物膜反应器包括能够保留生物膜的载体介质的穿孔栅网(grille)。在其中该(至少一个)序批反应器是移动床生物膜序批反应器的情况下，它也可包括能够保留生物膜的载体介质的穿孔栅网。

根据本发明的另一优选特性，根据本发明的设备包括至少两个并联布置的序批反应器。该设备可尤其包括并联布置的2、3、4或5个序批反应器。

附图说明

5.附图清单

从以下参照附图给出的非限制性实施方案的描述中，将更容易地理解本发明及其各种优点，在附图中：

-图1表示根据本发明的反应器系统，包括MBBR反应器和并联布置的三个SBMBBR反应器。

-图2A表示在根据图1的反应器系统中根据本发明的方法的步骤。

-图2B详细描述了在根据图1的反应器系统中的缺氧/需氧生物处理步骤。

-图3表示还包括生物处理附加步骤的根据本发明的方法的步骤；

-图4表示对于图1的反应器系统的每个反应器而言特别适合于根据图3的方法的不同步骤的时滞定相。

具体实施方式

6.本发明的详细实施方案的描述

参照图1，反应器系统1包括三个移动床生物膜序批反应器2，即SBMBBR₁、SBMBBR₂和SBMBBR₃，以及移动床生物膜反应器3，即MBBR。参照图2A和图2B，在反应器系统1中对碳、氮和任选的磷进行生物处理的方法包括以下步骤：

-用待处理的水5向三个移动床生物膜序批反应器2的每一个中装料10；

-在该反应器系统1中缺氧/需氧生物处理20存在于三个移动床生物膜序批反应器2中的所述水；

-从三个移动床生物膜序批反应器2的每一个中排出30经处理的水35；

在MBBR反应器3以及SBMBBR反应器2之一(例如SBMBBR₁)中的缺氧/需氧生物处理的步骤20包括：

-在SBMBBR₁反应器2中在主要是缺氧的条件下通过固定在介质上的第一生物质进行生物处理210，产生第一流出物215，该第一生物质包含具有脱硝作用的异养微生物；

-在MBBR反应器3中在需氧条件下通过第二生物质进行生物处理220，产生第二流出物225，该第二生物质包含承载于介质上的具有硝化作用的生物膜；和

-该第一流出物215向MBBR反应器3并且该第二流出物225向SBMBBR₁反应器2连续再循环。

该缺氧/需氧生物处理步骤20还一方面在MBBR反应器3和SBMBBR₂反应器2中并且另一方面在MBBR反应器3和SBMBBR₃反应器2中同时或不同时进行。下面参照图4呈现其中顺序实施生物处理的特定模式。

反应器SBMBBR 2(SBMBBR₁、SBMBBR₂、SBMBBR₃)最初没有水。

装料步骤10可经由在SBMBBR反应器2的低点处的管段(piquage)或者通过在SBMBBR反应器2的中心下部位置处的虹吸系统来进行，直到达到高装料水平。装料步骤10可同时地或顺序地在三个SBMBBR反应器2中进行。对于每个SBMBBR反应器2(例如反应器SBMBBR₁)来说，一旦第一生物质的所有介质均已被充分浸没，则可激活机械搅拌以促进混合。生物除磷的机制则可由于在第一生物质的介质中存在的PAO细菌(优选DPAO细菌)的存在而开始。观察到在处理期间水中存在的可溶性有机碳的降解或还原，以及可溶性无机磷的释放。装料步骤10可以是快速的，持续大约数(十)分钟，或者是缓慢的，持续直至4小时。

在装料步骤10是快速的并且取决于每个SBMBBR反应器2的待处理的水的特性的情况下，参见图3，该方法还可包括在SBMBBR反应器2的装料步骤10结束之后在SBMBBR反应器2中在厌氧条件下的生物处理步骤18。这个附加处理在厌氧条件下并在搅拌下进行。它能够提高生物除磷机制的激活。取决于待处理的水5的特性，它可以实施数十分钟直至3小时。

缺氧/需氧生物处理步骤20依赖于SBMBBR反应器2在主要是缺氧的条件下的运行，MBBR反应器3在需氧条件下的运行以及SBMBBR反应器2的第一流出物215中的每一个与MBBR反应器3的流出物225的连续再循环。在当前情况下，第一流出物215包含在SBMBBR反应器2中在缺氧条件下进行生物处理期间的水的液体部分，并且通常包含悬浮物质的粒子，但不包含第一生物质的载体介质。同样，第二流出物225包含在MBBR反应器3中进行生物处理期间的水的液体部分，并且通常包含悬浮物质的粒子，但不包含第二生物质的载体介质。在流出物215和225的连续再循环期间，借助于布置在反应器2、3的每一个中的穿孔栅网，第一生物质和第二生物质的载体介质可以容易地保留在它们各自的反应器2、3的内部。穿孔栅网的孔的直径允许流出物215、225的液体部分以及悬浮物质通过，但保留生物质的载体介质。在SBMBBR₁ 2和MBBR 3、SBMBBR₂ 2和MBBR 3以及SBMBBR₃ 2和MBBR 3中的缺氧/需氧生物处理步骤20可以在三个SBMBBR反应器2中同时或顺序进行。SBMBBR反应器2之一(例如SBMBBR₁)与MBBR 3反应器之间的缺氧/需氧生物处理步骤20的总持续时间是可变的，并且可根据待处理的水5或处理过程中的水的特性以及第一生物质和第二生物质的性质进行调节。其可持续通常为1小时至8小时。

在SBMBBR反应器2中在主要是缺氧的条件下的生物处理210使得能够进行脱硝。然后存在于SBMBBR反应器2中的处理过程中的水中的硝酸盐借助于至少部分地组成第一生物质的脱硝细菌而转化为二氮。在必要时，也是这种生物处理主要确保了生物除磷。磷/磷酸根离子通过至少部分地组成第一生物质的PAO微生物(特别是DPAO微生物)的过度累积而被吸收。还观察到可溶性碳的去除。在主要是缺氧的条件下的生物处理210期间，可以使用机械搅拌器来搅拌SBMBBR反应器2。在处理过程中也可以暂时激活曝气，以确保磷处理的精制。

在MBBR反应器3中在需氧条件下的生物处理220使得能够实现硝化作用。取决于待处理的水的特性和第二生物质的性质，在MBBR反应器3中氧浓度可以为1-6mg/L。

一旦完成了缺氧/需氧生物处理步骤20，则通过缺氧/需氧生物处理20处理过的水被收集到SBMBBR反应器2中。

参照图3，在缺氧/需氧生物处理步骤20之后，有时可能需要在SBMBBR反应器2中的生物处理精制(affinage)步骤28。这个附加步骤使得能够最终确定SBMBBR反应器2中的脱硝和/或除磷。它通常在缺氧和/或需氧条件下发生。还可激活曝气，以尤其确保磷处理的精制。

SBMBBR反应器2的机械搅拌如果存在的话则被停止。SBMBBR反应器2中的排出步骤30通过在反应器低点的泵送或重力实现，或者借助于反应器的中心下部位置处的虹吸系统实现。第一生物质的载体介质则由于穿孔栅网的设置而被保持在SBMBBR反应器2中，该穿孔栅网的孔直径使得能够排出经处理的水35，同时防止载体介质通过。

排出的经处理的水35的附加澄清步骤(未示出)可在排出步骤30之后。然而，由于悬浮物质(MES)的低浓度，用于该附加澄清步骤的结构非常紧凑。

参照图4，三个SBMBBR反应器2与根据图3的方法一起使用。生物处理步骤20在MBBR反应器3与轮流的反应器SBMBBR₁、SBMBBR₂和SBMBBR₃之间顺序实施。将SBMBBR反应器2(例如SBMBBR₁)在装料步骤10和在厌氧条件下的生物处理步骤18期间置于厌氧条件下。然后在缺氧/需氧生物处理步骤20(在缺氧条件下的生物处理210)期间，然后在生物处理精制步骤28期间，将SBMBBR反应器2(例如SBMBBR₁)置于缺氧条件下。在SBMBBR反应器2和MBBR反应器3之间的流出物215、225的连续再循环的开始和结束由虚线表示。最后，排出步骤30使得能够回收经处理的水35。对于反应器SBMBBR₁、SBMBBR₂和SBMBBR₃来说，方法步骤是相移的，以使得在反应器SBMBBR₁ 2和MBBR 3、SBMBBR₂ 2和MBBR 3以及SBMBBR₃ 2和MBBR 3中交替地和相继地实施缺氧/需氧生物处理步骤(20)。MBBR反应器3则整体上连续地且仅在需氧条件下运行。MBBR反应器3因而最佳地确保了反应器SBMBBR₁、SBMBBR₂和SBMBBR₃的待处理的水的优化硝化。

待处理的水5或处理过程中的水的特性尤其可通过一定数目的指标进行测量(括号中指出了法国测量标准)：化学需氧量(COD–NF T90-101)，生物需氧量(BOD–NF EN 1899-1)，悬浮物质(MES-NF T 90-105(2)，NF EN 872)，Kjeldahl氮(对应于氨氮和有机氮的总和)(NF EN 25663)，铵含量(NF T 90-015)，硝酸根离子的量(NF T 90-045)，磷量(NF ENISO 6878)。为了在该方法的每个步骤中优化性能，不同的反应器2、3可以配备特定的传感器或探针，特别是用于测量氧化还原电势、双氧浓度、硝酸盐浓度、铵浓度和磷酸盐浓度。

在以上所述的实施方案中，第一生物质和第二生物质二者均被承载于介质上。这些介质具有特别选择的形状和表面特性，以使得第一生物质和第二生物质分别良好地粘附到所述载体介质上。它们由合成材料制成，并且具有接近于水的密度，优选为0.9至1.1。这是本发明的优选实施方案，因为承载于介质上的生物质使得能够尤其获得鲁棒的生物膜，所述生物膜具有对载荷变化的抵抗力，同时增加了对所关注的微生物的选择，并且发展出高浓度的微生物。所获得的方法因此在载荷变化方面是灵活的，并且是稳定且鲁棒的。相应的设备因而是非常紧凑的。其尤其使得能够获得在能量方面有竞争力的方法，并且该方法适合于同时处理碳、氮和磷，这考虑到了硝化因而可被优化并且除磷可主要与脱硝偶联。

作为上述实施方案的替代，该第一生物质可以是活性污泥型或颗粒型的游离生物质。在这种情况下，SBR反应器2不是SBMBBR型反应器，而是游离生物质SBR型反应器。尽管这不是优选的实施方案，相应设备先验地具有较小的能量竞争力并且较不紧凑，但这种实施方案是可设想的，尤其是在修复已经存在的设备的情况下。要考虑的某些差异尤其在于以下事实：在缺氧/需氧生物处理步骤20期间，游离生物质型或颗粒状生物质型的第一生物质同时存在于游离生物质或颗粒状生物质SBR反应器2以及MBBR反应器3中。游离生物质型或颗粒状生物质型的第一生物质较不鲁棒，对载荷变化的抵抗力较小，对感兴趣的微生物的选择较少，因为它交替地处于需氧和缺氧条件下并且发展出较低的微生物浓度。另外，应当在排出步骤30之前进行沉降(décantation)步骤，其取决于游离生物质型或颗粒状生物质型的第一生物质的沉降速度而是或多或少长的。排出步骤30可以通过铲子来实施。在这种替代实施方案中，第二生物质是永久保留在MBBR反应器3中的介质上的生物膜，因而使得能够获得优化的硝化，并且因而与现有技术相比获得更小体积的设备。

7.关于本发明与现有技术相比所提供的优点的结论

与仅使用游离生物质SBR反应器(常规或混合类型)的现有技术方法相比，根据本发明的方法特别具有以下优点(特别是在其中反应器系统的SBR反应器为游离生物质或颗粒状生物质SBR反应器的情况下)：

-其使得能够实现更好的硝化，因为MBBR反应器被连续曝气并在生物膜上包含专用的硝化生物质。这样的结果是，SBR反应器中的周期更短，这会导致相应设备的体积增益。

-其使得能够降低游离生物质的最小污泥龄。这是因为，与现有技术的游离生物质或颗粒状生物质SBR反应器相比，根据本发明的MBBR-SBR反应器系统总体上包含较少的游离生物质。此外，MBBR反应器可通过其硝化生物膜保持良好的硝化性能。这导致相应设备的体积增益。

-MBBR反应器的硝化生物膜比现有技术的游离生物质或颗粒状生物质SBR反应器的游离生物质更鲁棒，并且使得能够更好地管理待硝化的载荷的突然增加，因为其几乎只专门用于硝化。这意味着相应的设备具有更高的鲁棒性和对氨载荷峰值的更好管理。

与仅使用IFAS-SBR反应器的现有技术方法相比，根据本发明的方法特别具有以下优点(特别是在其中反应器系统的SBR反应器为游离生物质或颗粒状生物质SBR反应器的情况下)：

-MBBR反应器连续运行而没有沉降阶段(在该阶段中介质占据了大量位置并导致可被处理的水体积受到限制)。这导致相应设备的体积增益。

-通过简单地改变反应器之间的配置，可以容易地修复设备，SBR反应器无需在重新配置期间排空和固定。这因此意味着可以在现有设备中容易地实施根据本发明的方法。

与仅使用SBMBBR反应器的现有技术方法相比，根据本发明的方法特别具有以下优点(在其中反应器系统的SBR反应器为SBMBBR型反应器的情况下)：

-用于承载第一生物质的载体的存在使得能够去除在SBMBBR反应器中的污泥的沉降步骤。

-生物除磷(在SBMBBR中)和硝化(在MBBR中)解偶联，因此使得能够消除对双氧的除磷和硝化群体之间的竞争。因此，该硝化可以更有效地实施，并且可以更快地完成，这意味着SBMBBR反应器的运行周期较短，以及因此的相应设备的体积增益。

-同样，SBMBBR反应器具有更短的周期，施加的有机载荷较大，因此生物膜较厚，这有利于在生物膜中获得缺氧区域，并且因此有利于脱硝。

-MBBR反应器中产生的硝酸根离子向SBMBBR反应器的再循环使得除磷主要通过SBMBBR反应器中存在的DPAO微生物消耗硝酸根离子来进行，而不是通过PAO微生物消耗双氧来进行。这意味着较低的双氧消耗，以及因此的相应设备的能源增益。

Claims (14)

1.在包括至少一个序批反应器(SBR)(2)和移动床生物膜反应器(MBBR)(3)的反应器系统(1)中生物处理水中的碳、氮和任选的磷的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

-用待处理的水(5)向所述至少一个序批反应器(2)装料(10)；

-在所述反应器系统(1)中缺氧/需氧生物处理(20)存在于所述至少一个序批反应器(2)中的所述水；并且

-从所述至少一个序批反应器(2)中排出(30)经处理的水(35)；

在所述反应器系统(1)中的所述缺氧/需氧生物处理步骤(20)包括：

-在所述至少一个序批反应器(2)中在主要是缺氧的条件下通过第一生物质进行生物处理(210)，产生第一流出物(215)，所述第一生物质主要包含具有脱硝作用的异养微生物；

-在所述移动床生物膜反应器(3)中在需氧条件下通过第二生物质进行生物处理(220)，产生第二流出物(225)，所述第二生物质(5)包含承载于介质上的具有主要为硝化的作用的生物膜；和

-所述第一和第二流出物(215，225)在所述至少一个序批反应器(2)和所述移动床生物膜反应器(3)之间进行连续再循环。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个序批反应器(2)的所述装料步骤(10)在厌氧条件下实施和/或所述方法还包括在所述至少一个序批反应器(2)中的在厌氧条件下的生物处理步骤(18)，所述在厌氧条件下的生物处理步骤(18)在所述缺氧/需氧生物处理步骤(20)之前实施。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个序批反应器(2)的所述装料步骤(10)具有10分钟至4小时的持续时间，和/或所述在厌氧条件下的生物处理步骤(18)具有10分钟至3小时的持续时间。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一生物质包含能够累积多磷酸盐的脱硝微生物(DPAO)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缺氧/需氧生物处理步骤(20)具有1小时至8小时的持续时间。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一生物质是游离生物质或颗粒状生物质或者承载于介质上的生物膜，优选承载于介质上的生物膜。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第二流出物中溶解的双氧浓度为每升1毫克至6毫克。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应器系统(1)包括至少两个并联布置的序批反应器(2)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述缺氧/需氧生物处理步骤(20)利用每个序批反应器(2)顺序实施。

10.用于生物处理待处理的水(5)中的碳、氮和任选的磷的设备，该设备包括移动床生物膜反应器(MBBR)(3)和至少一个序批反应器(SBR)(2)，所述设备的特征在于：

-所述至少一个序批反应器(2)包括用于引入所述待处理的水(5)的装置、用于排出经处理的水(35)的装置和用于使来自所述至少一个序批反应器(2)的第一流出物(215)向所述移动床生物膜反应器(3)再循环的装置；

-所述移动床生物膜反应器(3)包括曝气装置和用于使来自所述移动床生物膜反应器(3)的第二流出物(225)向所述至少一个序批反应器(2)再循环的装置。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述移动床生物膜反应器(3)包括搅拌装置和/或所述至少一个序批反应器(2)包括搅拌装置。

12.根据权利要求10和11中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个序批反应器(2)是游离生物质或颗粒状生物质序批反应器或移动床生物膜序批反应器(SBMBBR)，优选移动床生物膜序批反应器(SBMBBR)。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述至少一个移动床生物膜序批反应器(2)和/或所述移动床生物膜反应器(3)包括能够保留生物膜的载体介质的穿孔栅网。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少两个并联布置的序批反应器(2)。

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