CN1625530A - 用于对流出物生物处理以进行净化的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对被城市或工业源杂质污染的流出物进行生物处理的方法，其特征在于采用具有高质量负荷的单个曝气池(1)，其中不经预先倾析而将原始的或机械预处理的流出物与在略微曝气的介质中生长的活性污泥型游离微生物培养基混合，所述培养基具有约0.1－0.2kgO2/kg BOD5去除量，所应用的有机负荷等于或高于至少2kg COD/kgSM/天，优选等于或高于4kg COD/kg SM/天，在单个曝气池中原始流出物的水力学停留时间为30－90分钟，优选为40－60分钟。
Description
本发明涉及对含水流出物进行生物处理，具体是生活废水和工业废水，以达到净化目的。
更具体地，本发明涉及对这些流出物进行生物处理的改进方法和设备，其中应用活性污泥技术的游离微生物培养基，从而脱除在待处理流出物中存在的碳污染物。
在已知的使用游离微生物培养基的净化方法中，那些应用所谓的“低负荷”活性污泥的方法得到越来越多的应用。
这些“扩大”型的方法从曝气池及澄清系统来说具有如下工作特性：应用低的质量和体积负荷、高的水力学停留时间和介质沉降污泥，从而需要建造相当大的结构。
另外，实施这些常规净化方法的设备通常需要一系列专用的装置，这些装置先后对待处理流出物进行筛选、脱除沉积物、脱脂和初级沉降，这些装置设置在用活性污泥进行实际生物处理的步骤的上游。
这些从建造、操作和维护的角度解释了现有技术装置昂贵的原因。
为了改善这些缺点，本发明提供了一种对被城市或工业源杂质污染的流出物进行生物处理的方法，其特征在于应用具有高质量负荷的单个曝气池，其中在没有预先沉降的情况下，将原始的或机械预处理后的流出物与活性污泥类的游离微生物培养基混合，所述游离微生物培养基在略微曝气的培养基中生长，具有约0.1-0.2kg O2/kg BOD5去除量，所应用的有机物负荷等于或高于至少2kg COD/kg SM/天，优选等于或高于4kg COD/kg SM/天，原始流出物在单个曝气池中的水力学停留时间为30-90分钟，优选为40-60分钟。
这些解释了现有技术的装置中由初级沉降器和曝气池组成的整个系统需要由本发明的具有高质量负荷的单个曝气池所替代的原因。
已知质量负荷通过以COD或BOD5表示的每日污染物流量与曝气池中存在的干物质的量的比来定义。为了实施本发明的方法，该质量负荷值必须高于1.5kg COD/Kg SM/天，并且固体物质的浓度为0.5-2.5g SM/l，这使得所应用的体积负荷高于3kg BOD5/m3/天。
由于本发明的这些特征，与利用延时曝气和应用低负荷的传统装置的活性污泥处理池相比时，其单个曝气池的体积减小10个因子至最小。
上述本发明方法基于生物吸附进行：在非常高负荷的曝气池中，溶解的碳污染物的一部分和几乎全部的胶体和颗粒部分被活性污泥絮凝物生物吸附。
在本发明的效果方面，事实是所述净化作用主要基于生物吸附机理而不是基于氧化或发酵的生物机理，并且所述方法作用时避免了初级沉降以及脱除沉积物和脱脂，用于在待处理的流出物中保持高的胶体和颗粒物质含量，而这些化合物促进生物吸附。
生物吸附可以描述为一种物理化学机理，其中污染物的脱除相当于通过吸附、吸收和夹带使物质从液相迅速转化为絮凝物。
当流出物与污泥接触时立即发生三种机理(参见Eikelboom-1982在活性污泥主体中的防护和补救方法(in Bulking of Activated Sludge：Preventive and Remedial Methods)，Ellis Horward Publ.，Chichester，90-105“利用高絮凝物负荷的主体污泥的生物吸附和防护(Biosorptionand prevention of bulking sludge by means of a high floc loading)”)，并且并入所谓的“生物吸附”的整个机理中，即：
1-胶体产品通过物理化学吸附保留在絮凝物上(“表面固定”)，这形成其主体；
2-悬浮物通过生物絮凝物中的鳞片物而保留；
3-通过微生物胞外和胞内吸收可溶性有机物。
在本发明的非常短的水力学停留时间下(30-90分钟)，微生物群体没有足够的时间水解并代谢所吸附的污染物。
相反，吸收反映了细菌行为及其积累营养储备的能力：用于随后氧化作用的胞内“存贮”可相当于所述微生物质量的50％(参见EkamaG.A.等，1979，WPCF期刊，51，3，534-556“活性污泥方法的动态行为”(Dynamic behavior of the activated sludge process)。
在本发明方法中，如果细菌保持在“压力”状态下，这意味着最小的氧化能量输入，则只有这种吸收是可能的。因此，根据本发明方法的一个特征，通过调节溶氧量为0.1-1g/l，将所述方法控制在厌氧生活极限下。
这一点解释了为什么上述本发明方法基于通过“活性污泥”吸附剂对污染物的夹带，而不是通过氧化或发酵进行生物降解，所使用的活性污泥在高应用质量负荷下连续变化，同时保持低曝气以保证系统的混合能量和足够的生物吸附能量。
高的应用负荷水平促进了吸附和吸收机理，同时保持生物质在维持几乎零生长速率的状态下。作为本发明方法特征的这些条件赋予所述非常高负荷的污泥以显著的性能，具体如下：
-在没有初级预处理的情况下所保留的可沉降污染物用来压载所形成的絮凝物，从而达到良好的澄清；污泥指标为40ml/g的显著值，而按照现有技术将曝气池放在初级沉降器之后的高负荷方法中则达不到这样的数值；
-非常高负荷的污泥具有非常好的质量，其悬浮物浓度约为0.5-2.5g/l，优选为0.6-1.5g/l(这些值可与现有技术具体为FR-A-2 594113中建议的值3-4g/l相比)，可在澄清池中应用高的向上速度(＞2m/h)，如下文所述，澄清池与单个曝气池相连；
-曝气是影响所有生物系统性能的参数；相反，本发明的方法对于非常高负荷的污泥可保持需氧量限度，从而保证良好的生物吸附，其代价是针对易同化有机物质具有较低的净化效率；
-如将水力学停留时间保持在较低数值，则更容易对氧化代谢进行限制。
相对于低负荷系统而言，本发明的高或非常高的应用负荷的系统的优点是相当大的。
就曝气池及澄清系统而言，这种所谓的“集中”系统允许对于相同体积的待处理污染物进料有紧凑得多的结构设计，并且所述污泥具有良好的沉降性质。
本发明方法中发生的生物吸附机理的特征在于：其反应动力学比传统活性污泥中观察到的生物反应更高(2-3个因子)，并且其进气量较低(与0.6kg O2/kg BOD5去除量相比相应为0.1-0.2kg O2/kg BOD5去除量)。
至于反应时间，其数量级如下：
-对于本发明方法的生物吸附为15分钟；
-对于传统方法的代谢约30-45分钟。
本发明方法与现有技术的所谓的非常高负荷的方法明显区别如下：使用游离培养基的特定条件允许其在略微曝气的介质中并且在高的应用质量负荷下连续生长，以促进生物吸附和BOD储存机理。
因此，由Boehnke教授开发的非常高负荷的活性污泥方法(参见Boehnke B.等1997，水环境与技术(Water Environment &Technology)，23-27“AB方法脱除有机物和营养物(AB process removesorganics and nutrients)”和Boehnke B.等1998，水工程和管理(WaterEngineering & Management)，31-34“通过基于吸附的活性污泥技术有效降低高强度废水的成本(Cost-effective reduction of high-strengthwastewater by adsorption-based activated sludge technology)”)指的不是生物吸附机理，而是微生物选择的压力，导致生物群落适应特性，所述非常高负荷方法即代谢活性更强的方法所特有的生物群的出现反映了这一点。在这种现有技术中，没有将生物吸附当作主要的净化机理，这种机理只是在负荷波动过程中作为缓冲。
此外，净化效率较低(对BOD5为50％左右)，而本发明的方法所达到的平均降低对BOD5为75％，对SM为80％。
就集中方法而言，现有技术并不能使本领域技术人员象本发明所覆盖的高负荷或非常高负荷的方法那样控制活性污泥方法的实施和运行。实际上，对于本领域技术人员来说公知的是：这些系统对负荷波动、水利过载或生物过载是非常敏感的，由此导致效率和所处理的水的要求质量迅速降低(就碳污染物和悬浮物而言)。
因此，按照惯例，在降雨情况下，其中观察到待处理水的组成降解，这些集中方法证明是不合适的，因为存在于反应器中的固体物质有可能很快滤掉，这使得对所述流出物的处理不可能达到所需质量，并且恢复到正常状态需要高达48小时以上的时间。
象任何所谓的集中生物系统一样，本发明所覆盖的方法证实了对于未处理水的参数变化极高的响应性。
考虑到污染物与所存在的生物质的高比率以及相应的低生物质浓度(1-2g/l的SM)，未处理水的性质的明显变化将很快打破系统平衡。
与延长曝气活性污泥方法即所谓的扩大系统不同，所述非常高负荷的方法仅具有低的缓冲容量。
流出物浓度的明显降低很快使存在于系统中的生物质滤掉。类似地，未处理水污染物负荷内含物的明显增加很快使单个曝气池中悬浮物浓度增加，并可能使与所述其相连的澄清池过载，如下文所述。
为使本发明的方法更灵活，使其能承受体积或质量负荷的变化，通过调节单个曝气池混合液体的循环流量提供一个调节系统，进行这一调节从而保持固体物质(悬浮物+生物质)在预定范围内，优选为1.0-1.5g/l，通过连续测量活性污泥或混合液体的浊度来实施所述调节，并且所述测量与混合液体再循环流量或提取流量的控制相结合。
根据本发明，为了维持低的溶氧设定值，例如0.1-1mg/l，也可以对单个曝气池中的进气量进行调节。实际上，过量溶氧可用来氧化非常容易同化的有机物，而在本发明的试图促进生物吸附机理的方法中必须避免这一点。
本发明的另一个目的是用于实施上述方法的装置。所述装置的特征在于其包括：
-游离培养基反应器，其中游离培养基在曝气介质中生长，该反应器构成所述单个曝气池，其包括连有混合装置的连续或间歇进气装置，
-连续测量活性污泥或混合液体浊度的装置，以及用于测量溶氧浓度的装置，其数据通过伺服系统进行处理，所述伺服系统一方面用于控制混合液体再循环或提取流量以在所述反应器中维持恒定的固体物质含量，而另一方面用于控制进气量以在所述反应器中维持低的残余溶氧量，
-中间澄清池，使污泥与已经去除污染物的流出物分离，和
-由中间澄清池到游离培养基反应器的污泥再循环回路，其中所述再循环(或提取)流量通过反应器中的浊度测量进行控制。
本发明的其它特征和优点可由以下参照附图所给出的描述中看出，此描述给出的是非限定性的实施方案。在附图中：
-图1给出了本发明的装置，
-图2的曲线作为所应用的负荷的函数给出了本发明方法实施方案中生物吸附常数的变化。
参照图1，在所述实施方案中，本发明的设备包括用参考标记1表示的在高负荷下利用活性污泥的反应器或单个曝气池，所述反应器包括连续或间歇的进气装置2，混合能量利用受溶氧含量和浊度测量探针3控制的系统机械供给。在所述实施方案中，中间沉降池4与所述反应器1相连，从而使污泥与已经去除污染物的流出物分离。所述装置还包括由中间沉降池4到游离培养基反应器1的污泥再循环回路5，污泥再循环流量(或由中间沉降池4的污泥提取流量)受利用探针3进行的浊度测量控制。
可与本发明设备的上述基础设备一起提供已知的各种设备，用于补充所述流出物处理。因此，所述设备可包括第二阶段6，其可以是：
·与固定或移动支座相连的生物质硝化反应器(取决于悬浮物释放极限)，用于接收来自中间澄清池4的中间流出物；
·与固定或移动支座相连的生物质反硝化反应器(取决于悬浮物释放极限)，用于接收来自硝化反应器的中间流出物。可外部供应(例如以甲醇的形式)必要的可同化的碳，或利用由所述反应器提取的污泥的厌氧消化提供，所述污泥是高度可发酵的；
·厌氧消化反应器或任何其它污泥水解系统，所述系统用于液化所述污泥的可发酵部分，且为反硝化过程或甲烷化过程提供所必需的易于同化的碳；在水解后通过任何合适的方法如离心、微孔过滤分离剩余的惰性污泥；
·甲烷化反应器，用于生产生物气，并因此提供操作所述方法必需的部分能量。
优选地，以非常高负荷的活性污泥运行的反应器1采用曝气池的形式，其在化学工程中被称为“与混合一体的生物反应器”，这种反应器以低的能量消耗达到有效混合；由于水的性质在池的所有点是相同的，从而促进了生物吸附机理。
这类池的缺点是对待处理液体的流量和性质变化很敏感，而这些因素在废水处理领域是常见的。由于本发明的氧含量是受控制的，所述对于流量和污染物流量的敏感性对流出物处理没有影响。
如上文所述，为了使反应器1能承受体积或质量负荷的变化，本发明提供了控制系统，通过调节混合液体的再循环流量(回路5)来维持固体物质(SM+生物质)在预定范围内，优选在1.0-1.5g/l左右，如上文所述。针对这一目的，使用探针浊度计3或本领域技术人员已知的任何其它合适的传感器如颗粒计数器、分光光度计等连续测量浊度，该测量与控制混合液体再循环或提取流量的设备相结合。借助于得自校正图表的关联式，该测量可用来粗略表征介质中悬浮固体物质的含量，从而描述所述装置的操作条件。
已经强调了使用这一参数调节活性污泥净化方法的实际优点。而FR-A-2 784 093描述了一种为了在活性污泥方法中控制二次澄清过程中污泥停留时间而开发的自动再循环管理方法，所述方法使用表示污泥浓度的信号，而所述信号使用设置在再循环管线中的传感器得到。另外，FR-A-2 795 713使用浊度测量来表征存在于未处理水中的污染物负荷，所述测量与胶体和颗粒污染物相关。
在本发明中，所得到的信号必须代表固体物质浓度，生物吸附机理不只针对微生物发生，而且针对存在于污泥中的悬浮物质发生。在这些条件下，在本发明的设备中，传感器如3必须如图1所示直接设置在生物反应器1中，或在向所连接的澄清池4供料的水管线上设置在所述反应器的出口处。根据本领域的技术人员已知的规则并依据所选传感器的类型设置所述传感器。
根据本发明实施调节在于定义单个曝气池1中四种悬浮物SM浓度的间隔。每一间隔对应于由澄清池4到曝气池1的混合液体再循环泵的适应操作或污泥抽取泵的适应操作。
通过控制提取流量来监测悬浮物SM的浓度，以使通过所述系统的总流量(废水+再循环)仅有轻微变化。
由于这一调节，可以在由于负荷波动、降雨事件等扰动下，在正常期限内降低悬浮物浓度变化，然后迅速回到正常操作状态。
优选地，所定义的设定点如下：目标浓度1.5g/l，浓度偏差±0.3g/l，基数浓度(floor concentration)1g/l。
在降雨过程中，存在于未处理水中的污染物的稀释使反应器1中所应用的固体物质减少。这一变化立即引起再循环流量提高或提取流量降低，从而避免任何滤掉危险(存在于反应器中的固体物质的脱除)。
在日常高峰时刻，污染物浓度以及所应用的负荷均增加；这一变化立即引起再循环流量降低或提取流量提高，从而避免澄清池饱和，而这将导致已处理水中的污泥损失。
下表给出了这一调节的执行过程。
根据本发明的另一个特征，为了维持低的溶氧设定点，还对进气量进行调节。这一调节基于根据曝气池1中溶氧浓度而产生的两个不同气体流量设定点，这一调节的执行对本领域技术人员是已知的，这一调节将连续保持残余溶氧量为0.1-1mg/l。还可通过机械方式停止曝气和供应混合能量来实现所述调节。
因此，根据本发明，对两个不同参数即对混合液体的再循环流量或提取流量进行控制，从而在生物反应器1中维持恒定的固体物质含量，以及控制进气装置2，从而在生物反应器中维持低的残余溶氧量。
可以理解，基于对混合液体再循环或提取装置以及进气装置的控制，非常高负荷的活性污泥方法与最佳的控制系统组合，不仅在与同等紧凑的澄清池相连的紧凑反应器中达到高水平的碳污染物的处理，而且最重要的是，即使在水力过载时期的过程中，也可以随时间控制所述方法及其性质。
在下表中给出的实施例显示了本发明的在高负荷下操作的装置中的耐滤掉性，一方面所述装置没有进行控制，另一方面则进行控制，而图2作为所应用质量负荷Cma(表示为总COD)的函数给出了生物吸附常数Ao的变化曲线。对该曲线的分析表明所应用的负荷越高，生物吸附常数就越高。
VHL(非常高负荷)的例子：耐滤掉性
| 无控制 | 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 | 滤掉 | |||
| 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 | 2.0 | 10.8 | 64 | 73 |
| 第2天 | 1.8 | |||
| 第3天 | 1.7 | 9.8 | 62 | 68 |
| 第4天 | 1.9 | 10.7 | 61 | 67 |
| 第5天 | 2.0 | 9.7 | 58 | 75 |
Claims (10)
1.一种对被城市或工业源杂质污染的流出物进行生物处理的方法，其特征在于：
采用具有高质量负荷的单个曝气池(1)，其中不经预先倾析而将原始的或机械预处理的流出物与在略微曝气的介质中生长的活性污泥型游离微生物培养基混合，所述培养基具有约0.1-0.2kg O2/kg BOD5去除量，所应用的有机负荷等于或高于至少2kg COD/kg SM/天，优选等于或高于4kg COD/kg SM/天，原始流出物在所述单个曝气池中的水力学停留时间为30-90分钟，优选为40-60分钟，并且在所述单个曝气池(1)中，所述流出物中溶解碳污染物的一部分和几乎全部胶体和颗粒部分被活性污泥絮凝物生物吸附。
2.权利要求1的方法，其特征在于所述质量负荷值高于1.5kgBOD5/kg SM/天，其中固体物质浓度为0.5-2.5g SM/l，致使所应用的体积负荷高于3kg BOD5/m3/天。
3.权利要求1的方法，其特征在于通过调节所述溶氧量为0.1-1g/l而控制在厌氧生活极限下。
4.权利要求1的方法，其特征在于所述非常高负荷的污泥的悬浮物浓度约为0.5-2.5g/l，优选为0.6-1.5g/l。
5.前述权利要求任一项的方法，其特征在于通过调节所述单个曝气池中混合液体的再循环流量提供调节系统，进行所述调节从而保持固体物质(悬浮物+生物质)在预定范围内，优选为约1.0-1.5g/l，其中通过连续测量活性污泥或混合液体的浊度来实施所述调节，并且所述测量与所述混合液体的再循环流量或提取流量的控制相结合。
6.前述权利要求任一项的方法，其特征在于包括调节单个曝气池(1)中的进气量从而维持约0.1-1mg/l的低的溶氧设定值。
7.实施前述权利要求任一项方法的装置，其特征在于所述装置包括：
-游离培养基反应器(1)，其中游离培养基在曝气介质中生长，其中所述流出物中溶解碳污染物的一部分和几乎全部的胶体和颗粒部分被活性污泥絮凝物生物吸附，所述反应器构成所述单个曝气池，其包括连续或间歇的进气装置(2)，在这种情况下机械供应混合能量，
-连续测量所述活性污泥或混合液体浊度的装置(3)，以及测量溶氧浓度的装置，其数据通过伺服系统进行处理，所述伺服系统一方面用于控制混合液体的再循环或提取流量以在所述反应器中维持恒定的固体物质含量，另一方面用于控制进气量以在所述反应器中维持低的残余溶氧量，
-中间澄清池(4)，用于使污泥与已经去除污染物的流出物分离，和
-从中间澄清池到游离培养基反应器的污泥再循环回路(5)，其中所述再循环(或提取)流量通过所述反应器中的浊度测量进行控制。
8.权利要求7的装置，其特征在于以非常高负荷的活性污泥操作的反应器(1)采用与混合一体的曝气池的形式。
9.权利要求7或8的装置，其特征在于传感器(3)直接设置在生物反应器(1)中。
10.权利要求7或8的装置，其特征在于在向所连接的澄清池(4)供料的水管线上将传感器(3)设置在所述反应器的出口处。
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