CN1910118A - 利用活性污泥的水处理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用包含微生物的活性污泥处理水的方法。该方法包括以下步骤：通过使所述活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具有给定特性的水来制备环境适应的生物质混合物，由此所述环境适应的生物质混合物获得引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应的能力；和用能够引起并发反应的环境适应的生物质混合物，在单个反应器中在不高于第一曝气水平的第二曝气水平下处理一部分具有基本上相同的给定特性的水。

Description

利用活性污泥的水处理
本发明一般涉及水处理，如废水处理的领域。可通过本发明处理的水包括，例如，污水(sewage)，饲养废水(breeding waste water)，养猪废水(hogbreeding waste water)，人废水(human waste water)，家庭废水(household wastewater)，农业废水(agriculture waste water)，淀粉工业废水(starch industry)，食品加工废水(food processing waste water)和林业废水(forestry waste water)。本发明涉及一种通过活性污泥用于处理这些水的方法。根据本发明的方法包括环境适应(或适应化)的微生物，和通过这些适应化的微生物来硝化和去硝化废水。本方法的特征尤其在于，在处理的适应化阶段在同一反应器中，优选在强曝气(aeration)下引起一系列反应。
过去，许多科学家已经研究了在微生物中所进行的硝化和去硝化反应以说明氮循环。大部分所得结果由A.J.Kluyver和C.B.von Niel在题为″TheMicrobe’s Contribution to Biology(微生物对生物学的贡献)″(1956年由Harvard University Press，Cambridge Massachusetts USA出版)的书中概述。该综述给出了关于用来生长微生物的环境条件和其适应环境的能力的实验细节。
用于分析堆积在污染的封闭水系统中的污泥的方法由日本环境署(TheEnvironment Agency of Japan)开发并在1985年由日本环境分析协会(TheJapanese Society for Environmental Analysis)在题为″Ways of EvaluatingUnderwater Sediments and Commentary on the Results(评估水下沉积物的方式和对结果的说明)″的报告中出版。
另外，微生物去硝化反应由H.Kishi应用于废水处理，其结果在1985年在题为″Hybrid Lagoon System(混合池系统)″(由农村环境研究协会(RuralEnvironment Research Association)编辑，Tokyo，日本)的文件中出版。该文件公开了一种新的模型水利用系统，其中将具体测量和曝气装置用于控制废水处理。那些装置是实施微生物去硝化技术和建立有效废水处理技术所必需的。
另外，构思出一种新的废水处理方法并应用于微生物去硝化反应，且所得结果由H.Kishi在1991年在题为″Experimental Report on Water-BottomSediment Purification in Marsh Furukawa(关于Marsh Furukawa的水底沉积物纯化的实验报告)″(由运输部(Ministry of Transport)编辑，第15届美日专家会议(15th US-JAPAN Expert Meeting))的报告中出版。根据该报告，有害的水下沉积物可作为包含大量氧的生物活性污泥被回收，和返回至封闭用水系统。因此，缺少氧的淤泥的问题得到解决并得到一种新的生态系统。
在以上已有技术中，去硝化装置是在连续活性污泥方法(continuousactivated sludge method)的基础上构思的。这些方法一般包括一系列装置，即BOD去除装置，硝化装置和去硝化装置。换句话说，三种反应在不同的反应器中进行。
但上述连续去硝化装置需要复杂的结构和许多种类的试剂，因此消耗大量能量。
例如，有一种三步去硝化系统，其中BOD去除反应器，硝化反应器和去硝化反应器串联排列。在USA试验的该系统需要复杂的设备，且必须加入甲醇。另外，它消耗许多能量和增加社会负担。
最近，还构思出基于半反馈型(half-feed-back-type)活性污泥方法原理的废水处理场所。用于该方法的反应器称作″半批式反应器″和称作″SBR″。根据该原理，废水的性质事先被分析，并使用模型模拟出用于废水处理的最佳条件。该模型因此作为专有技术(know how)使用。
系统″SBR″通过引入时间因素和进行间歇曝气而控制。尽管自动操作，但这种控制方法需要在预定条件下引起去硝化反应。因此，该方法不基于其中在操作条件下的参数被实时反馈的自动控制系统。结果，该系统在遇到外部或内部扰动(turbulence)或变化时不能保持最佳条件。
因此迄今不存在这样的技术：关于微生物反应的数据无需使用数学或逻辑分析而被反馈，且微生物去硝化反应是完全自控的。
相反，根据本发明，采用活性污泥以获得共存于单个反应器或池(lagoon)中的硝化和去硝化两种功能。活性污泥还变得对外部参数如活性污泥的量、底物和温度的变化自响应(self-responsive)。另外，本发明的方法使得微生物去硝化活性能够保持在高水平。
本发明的一个目的是减少废水处理装置在操作时产生的巨大的能量和试剂消耗，由此减轻社区或市政当局相当多的经济负担。
另一目的是通过培养各种类型的微生物而保持没有外部扰动的稳定的去硝化功能，其中每种微生物具有不同的自主的性质，和不同的适应能力、时间-延迟性质(time-lag behaviour)和结构和功能性分级，以及在相互作用时的不同的趋势。确实，这些因素难以通过数学和分析预知方法而预见。
为此，提供了一种用包含微生物的活性污泥处理水的方法。该方法包括以下步骤：
-通过使活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具有给定特性的水而制备环境适应的生物质混合物，这样环境适应的生物质混合物获得引起BOD去除，硝化和去硝化的并发反应(concurrent reaction)的能力；和
-将一部分具有基本上相同的给定特性的水用能够引起并发反应的环境适应的生物质混合物，在单个反应器中在不高于第一曝气水平的第二曝气水平下处理。
通常，所述具有给定特性的一些水是废水。
优选，适应的生物质制备步骤包括：
-进行基本上由以下步骤组成的起始适应循环处理：(a)在将所述一些水以给定流入速率(inflow rate)进料到活性污泥的溶液中以制备悬浮液混合物的步骤；(b)在起始曝气水平下进行的曝气步骤；(c)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤；和(d)以基本上等于流入速率的流出速率取出上清液部分的步骤，重复步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至活性污泥可引起BOD去除反应和硝化反应；和
-进行基本上由以上定义的步骤(a)，(b)，(c)，和(d)组成的随后适应循环处理，除了所述随后适应循环处理中的步骤(b)在低于起始曝气水平的随后曝气水平下进行，重复步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至活性污泥可在给定pH值下引起BOD去除，硝化和去硝化的并发反应。
还优选，水处理步骤包括：
-进行基本上由以下步骤组成的并发反应循环处理：(a′)将所述部分的水以给定流入速率进料到环境适应的生物质混合物；(b′)在基本上等于随后曝气水平的第二曝气水平下，在给定pH值下进行的曝气步骤；(c′)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤；和(d′)以基本上等于流入速率的流出速率取出上清液部分的步骤。
合适地，给定pH值在6和7之间。
还合适地，给定pH值是约pH 6.8。
通常，适应的生物质制备步骤或水处理步骤形成约6至8小时的整体处理循环(unitary treatment cycle)。
还通常，曝气步骤(b)或(b′)持续约4至5小时并包括以相对于悬浮液混合物体积的至少一个体积当量/小时的曝气速率搅拌该悬浮液混合物。
通常进一步，加料步骤(a)或(a′)，以及取出步骤(d)或(d′)分别持续约30分钟。
优选，在取出步骤(d)或(d′)中取出的上清液部分的量是悬浮液混合物的总体积的约20至约30％。
还优选，沉降步骤(c)或(c′)持续约1小时。
合适地，适应的生物质制备步骤中的活性污泥溶液通过将一部分活性污泥进料到包含在反应器中的清洁水中而制成，这样得到具有预定悬浮液比率约1,000至约3,000mg/l的悬浮液混合物。
还合适地，适应的生物质制备步骤中的活性污泥溶液通过将一部分活性污泥进料到包含在反应器中的清洁水中而制成，这样得到具有预定悬浮液比率约1,500至约2,500mg/l的悬浮液混合物。
该方法可进一步包括，在取出步骤(d)或(d′)之后，当pH低于给定值时，降低在曝气步骤(b)或(b′)中使用的曝气速率的步骤。
可替换地，该方法可进一步包括，在取出步骤(d)或(d′)之后，当pH超过给定值时，增加在曝气步骤(b)或(b′)中使用的曝气速率的步骤。
优选，所述降低或增加步骤包含使用变频器(frequency converter)和通过降低或增加频率而改变曝气设备的旋转(revolution)。
优选，用于改变曝气设备旋转的频率最低保持在约20Hz。
合适地，沉降步骤(c)或(c′)包括测量溶解氧浓度，和当测定浓度表示氧饱和度比率低于约25％时从反应器中提取部分的沉降部分。
还合适地，悬浮液混合物的温度通过从反应器中提取部分的沉降部分而保持在约10℃和约20℃之间。
本发明还涉及用包含微生物的活性污泥处理水的系统。该系统包括：
-单个反应器；
-通过使活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具有给定特性的水而用于制备环境适应的生物质混合物的装置，这样环境适应的生物质混合物获得引起BOD去除，硝化和去硝化的并发反应的能力；和
-用于将一部分具有基本上相同的给定特性的水用能够引起并发反应的环境适应的生物质混合物，在单个反应器中在不高于第一曝气水平的第二曝气水平下进行处理的装置。
该系统适用于实施上述方法。
优选，用于制备环境适应的生物质混合物的装置包括用于进行以下处理的装置：
-基本上由以下步骤组成的起始适应循环处理：(a)将所述一些水以给定流入速率进料到活性污泥的溶液中以制备悬浮液混合物的步骤；(b)在起始水平曝气下进行的曝气步骤；(c)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤；和(d)以基本上等于流入速率的流出速率取出上清液部分的步骤，重复步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至活性污泥可引起BOD去除反应和硝化反应；和
-基本上由以上定义的步骤(a)，(b)，(c)，和(d)组成的随后适应循环处理，除了所述随后适应循环处理中的步骤(b)在低于起始曝气水平的随后曝气水平下进行，重复步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至活性污泥可在给定pH值下引起BOD去除，硝化和去硝化的并发反应。
还优选，用于处理一部分水的装置包括用于进行基本上由以下步骤组成的并发反应循环处理的装置：(a′)将所述部分的水以给定流入速率进料到环境适应的生物质混合物；(b′)在基本上等于随后曝气水平的第二曝气水平下，在给定pH值下进行的曝气步骤；(c′)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤；和(d′)以基本上等于流入速率的流出速率下取出上清液部分的步骤。
本发明进一步涉及包含上述系统的用于处理水的装置。
根据以上可以理解，本发明方法具有以下技术特点：
-将从连续废水处理装置中提取的一部分活性污泥在反应器或池中适应化，这样BOD去除功能，硝化和去硝化功能相应地在微生物中产生；
-微生物去硝化，以及BOD去除和硝化在相同的单个反应器或池中进行；
-使BOD去除，硝化和去硝化功能在废水处理过程中共存在同一反应器或池中；
-即使外部参数改变，可保持去硝化反应；
-活性污泥的活性在最佳曝气范围内被优化；
-不使用数学或逻辑分析；
-微生物的自主性质被充分利用以使微生物活性的时间延迟最小化；
-不使用试剂，这样取消了用于加入添加剂的设备；
-异常情形被检测和自动校正，去硝化功能因此自动恢复到其正常水平；和
-该处理方法基于分级组织的结构和不同种类的微生物的功能。
利用这些特点，得到以下结果：
-即使污水流入量从设计能力值的20波动至100％，也可保持90％的去硝化能力；
-即使悬浮液混合物的温度降至10℃或更低，污泥的量被优化而且其去硝化功能可被保持；和
-与已有技术相比，用于去硝化的能量成本削减35-50％。
熟知的是，微生物的寿命活性(新陈代谢和分解代谢)需要多维的，非线性反应，使得微生物能够响应环境的变化。尤其是，其去硝化功能包括排列在分级结构中的适应机制(adaptation mechanism)。对这些机制的自动控制因此显得很难。
本发明意欲通过除了其BOD去除，硝化和去硝化功能之外还诱导其″隐藏的″辅助能力，从而控制这些微生物的生长环境。
为了实现这些目的，本发明应用了″SBR″过程的原理，并将一种优化微生物的去硝化功能的新方法进行实际使用。
本发明采用包括多个按等级排列的结构的混合微生物种群，并使该混合微生物种群适应。
另外，该新方法被设计成通过使用经验(不是数学)知识而优化微生物去硝化功能。该方法的特征在于无需水质量分析、无需曝气率计算、无需对活性污泥的定性或定量分析，或基于数学或统计分析的预测。其技术特点包括安装自学习(self-learning)控制系统，该系统使用常用于SBR过程的参数如溶解氧(DO)，pH，氧还原电位(oxygen reduction potential)(ORP)和对波形的观察/分析而用于优化曝气量和活性污泥。
通过对作为实例给出的优选实施方案的如下描述并参考附图，上述，和其它目的、特点和优点将显而易见，其中：
图1显示氮化合物在BOD去除，硝化和去硝化反应过程中的异化步骤(dissimilatory step)；
图2是常规三步去硝化系统的侧视图(side view)；
图3是本发明单反应器去硝化系统的侧视图；
图4是图3单反应器去硝化系统的侧视图，通过功能上分离的步骤I，A，S和O，以及以条带表示的相应处理时间来说明；
图5是配有辅助设备单元的称作″混合反应器或″混合池″的本发明装置的侧视图；
图6图示了悬浮液(生物质)混合物的总需氧量比率(Total OxygenDemand)的变化，作为在6小时水处理过程循环中经过的时间的函数(下文中在程序A之下在待处理的水的流入步骤结束时的TOD被取为100％)；
图7图示了TOD比率和悬浮液混合物的水质量的变化，作为如图6的时间周期的函数；
图8图示了相对图6中的时间周期的TOD比率变化，这表明硝化反应和去硝化反应在共生微生物系统(symbiotic microbial system)中同时存在；
图9图示了TOD比率和悬浮液混合物的水质量在强曝气下的变化，作为如图6的时间周期的函数；
图10图示了TOD比率、硝化反应和在弱或软曝气下硝酸盐呼吸的变化，作为如图6的时间周期的函数；
图11是流程图，显示不同的废水处理程序(程序A至程序H)和控制参数；
图12示意地显示在不同的程序下得到的DO浓度比率的变化(表示为在程序A下在曝气步骤结束时的饱和DO浓度的％)，作为6小时水处理过程周期中经过的时间的函数；
图13图示了DO浓度比率作为如图12的时间周期的函数，显示在程序F之下得到的对曝气体积，控制点和控制程度的优化；
图14说明活性污泥在不同的悬浮液浓度的硝化速度和水温之间的关系，以及饱和DO浓度(mg/l)和水温之间的关系；和
图15显示DO浓度比率的变化作为如图12所示的时间周期的函数，其中曲线43和曲线44分别表示在强曝气和弱曝气下DO浓度比率的时间变化，和右手侧纵坐标表示定义为曝气反应器中的氧供给能力的总氧传递系数″Kla″的变化。
尽管优选的实施方案以下根据废水进行描述，但相同的技术也可应用于其它种类的水。
图1示意地显示，包含在有机化合物中的氮分子如何在通常的废水处理过程中反应并从废水中被去除。废水中较大部分的氮分子作为有机氮(图中的Org.-N)和氨-型氮(NH3-N)被包含。Org.-N通过曝气被转化成NH3-N，并进一步经由亚硝酸盐-型氮(NO2-N)转化成硝酸盐-型氮(NO3-N)。当溶解氧开始缺乏时发生硝酸盐呼吸，并因此通过还原将NO3-N转化成氮气分子(N2)。
图2显示常规三步去硝化系统，包括串联排列的BOD去除单元(阶段1)，硝化单元(阶段2)和去硝化单元(阶段3)。例如，城镇污水4被供给至该系统并从中取出处理的水5。该系统需要pH-调节设备6，甲醇-加入设备7等。
可替换使用，普通的曝气池具有比较大的表面和低于2.4m的深度。为了处理城镇或城市污水，这种曝气池通常需要足够大的表面以保持最高10天的累计流出(discharge)体积。该池连续曝气24小时。曝气池方法的BOD去除效率相当于通过标准活性污泥方法所得到的。然而，如果使用池方法，去硝化则难以预期。
图3显示了本发明的系统，其可被称作混合反应器(或池)系统。本发明的试验反应器(或池)可包含201悬浮液混合物。在较大规模，该反应器可包含例如5m3的数量级的介质用于中试装置(pilot plant)，或例如10,000m3或更多的数量级的介质用于工业装置。
与已知的曝气池相比，本发明的混合反应器或池系统具有基本上反的截头圆锥体的(frusto-conical)形状。利用该形状，活性污泥块通过曝气而均匀漂浮在反应器中。该状态通过增加或降低曝气不明显改变。因此，混合反应器的一个有利的特点在于，测量值不取决于安装测量传感器的场所或位置。在混合反应器中被引入的装载量的BOD值优选低于0.16kg/m3/天。为了处理城镇或城市污水，混合反应器通常需要具有足够大的体积以储存相当于1或2天排出的排放物。另外，本发明的混合反应器用于批式处理，其中BOD去除反应1，硝化反应2和去硝化反应3同时协调一致地在单个反应器中进行。
图4说明在同一反应器中进行的废水处理过程的代表性循环，所述循环包括分别显示为处理顺序和持续时间的函数的不同的操作步骤。在图中，字母″I″″A″″S″和″O″分别表示废水流入步骤，曝气步骤，沉降步骤和处理过的水流出步骤。该循环可根据需要重复多次。对于城镇污水，一个循环可持续6小时，1天因此包括4个循环。但根据废水质量和数量，一个循环可持续8小时，1天因此包括3个循环。通常，分别将流入期，曝气期，沉降期和流出期设定为持续30分钟，4至6小时，1小时和30分钟。每个循环的废水流入量和每个循环处理过的水的流出量是基本上相等的，并通常分别占反应器有效体积的20至25％。
图5显示一种混合反应器系统，其中反应器10配有预处理单元8和流入速率调节单元9，参考数字4和5分别表示城镇污水和处理过的水。
图6显示，在纵坐标上表示的悬浮液混合物的总需氧量比率的变化，作为横坐标所示的六小时水处理周期过程中经过的时间的函数。总需氧量比率相对于在流入步骤结束时被取为100％的的TOD而计算。TOD取决于活性污泥呼吸所需的氧量和用于去除污染物所需的氧量。活性污泥所需的氧量可通过内部因素，例如，活性污泥的功能性变化(如硝化能力的获得)而提高。
同样，所需的氧量根据所引入的废水的数量和质量而变化。另外，它根据活性污泥活性由于水温变化所导致的上升和下降而增加或降低。内部和外部因素的这些变化始终会改变TOD，这样实际上不可能对所需的氧量进行不变的分析和计算。在图中，参考数字11、12和13分别表示TOD比率(％)的时间依赖性变化，对应于活性污泥所需的氧量的面积和对应于去除污染物所需的氧量的面积。
图7显示TOD比率(％)的变化和所得的水质的变化之间的关系。该关系取决于图6的TOD比率的时间依赖性变化和所引入的污染物的变化。表示为线●的BOD随着流入废水而增加并在曝气下迅速下降，而分别表示为线■和线△的COD和Org.-N则随着时间慢慢下降。
另一方面，线所示的NH3-N仅在Org.-N消失之后减少。当在混合反应器中供给的污染物已被完全去除时，活性污泥所需的氧量下降，这样过量氧作为溶解氧被测出。
图8是对硝化和去硝化的″共生″反应的图示。曝气所供给的氧量(对应于面积14)作为″曝气强度″和″曝气时间″的乘积给出。在此使用的曝气的种类就本发明而言被定义为″弱曝气″并通常形成沿着横坐标延伸的长方形形状(由粗线所包围)。以上定义的弱曝气应该避免通过过量曝气而供给过量氧，同时忽略由活性污泥所实现的耗氧率(oxygen consumption rate)。该氧将有机氮转化成无机氮，即氨-型氮。后者随后通过其它的氧而被转化成硝酸盐-型氮。该系列反应称作″硝化反应″。在其中活性污泥的TOD比率高于曝气所供给氧量的时间跨度内，通过硝化反应所产生的硝酸盐-型氮经历硝酸盐呼吸。氧随后被回收而且氮被释放到空气中。在该图中，面积15覆盖其中曝气所供给的氧量供应不足(和溶解氧不能被检测)的区域，而面积16覆盖其中曝气所供给的氧量过量(和溶解氧可被检测)的区域。
图9显示悬浮液混合物在曝气下的水分析的结果。在此使用的曝气的种类就本发明而言被定义为″强曝气″并通常形成沿着纵坐标延伸的长方形形状(由粗线所包围)。TOD比率由曲线11显示，而曝气所供给的氧量表示为面积17。在强曝气下，溶解氧在短延迟内(in short delay)增加，如面积18所示。然而，因为硝化反应被反应产物所引起的别构效应(allosteric effect)所抑制，硝化反应不能完成。此外，硝酸盐呼吸在这些条件下不被诱导。在图中，BOD和COD分别表示为线●和线■，而NH3-N和Org.-N分别表示为线△和线。另外，氧化氮被表示为线◆。
图10是显示TOD比率(％)，硝化反应和硝酸盐呼吸在弱曝气下的时间依赖性变化的图。TOD比率(％)由曲线11显示，而BOD、COD、NH3-N和Org.-N的变化分别由线●，线■，线和线△显示。另外，DO由面积19显示。该图显示，硝化反应和去硝化反应在弱或软曝气下共存。当它们在混合反应器中共存时，通过将硝化反应产生的硝酸盐-型氮作为N2气体通过硝酸盐呼吸被立即释放到空气中。结果，反应不受由这些反应自身所形成的产物的抑制，虽然密闭的反应器通常遭受这些抑制。氮去除因此非常迅速地进行。因此，本发明利用在弱曝气下DO浓度曲线的模式(pattern)和氮去除的终止之间的关系。
图11是流程图，显示本发明的废水处理步骤如何被操作和控制。
栏1包括从程序A至程序H的程序，其中：
程序A(在图中称作[A])使得能够进行称作″设备检查″的试验，其中尤其检查装置的曝气能力。在该程序中，反应器被填充以清洁水(如自来水)和进行最大曝气。曝气设备，测量设备，氧计，pH计，热计等的运行(functioning)通过该程序而检验。
程序A还能够当DO浓度在至少1小时曝气之后达到最大水平时确定在给定水温在装置位点上的饱和氧浓度″Cs″。
程序A通常需要1天或更低。当得到Col.4所示的代表性的曲线特点时，将该程序切换至程序B。
程序B(在图中称作[B])进行称作″活性污泥质量的评估″的试验，其中检查活性污泥的BOD去除能力。在该程序中，将反应器中的上述清洁水供给活性污泥，得到2,000mg/l固体物质(2,000mg混合液悬浮固体，即MLSS)，并在最大设计能力下曝气。
程序B不使用废水。因此，在程序B之下的TOD完全属于活性污泥的基本需氧量，定义为″MLSS×b″，其中″b″表示需氧量系数(oxygen demandcoefficient)。上述″基本OD″计算如下：如果反应器具有有效的体积1,000m3而活性污泥具有浓度MLSS 2,000mg/l，反应器包含2,000kg的MLSS量。该值乘以需氧量系数0.07，得到140kg/天的基本OD。
在程序B之下的时间依赖性DO浓度曲线的水平整体上低于在程序A之下的情况，这是因为活性污泥的基本OD增加。
程序B因此检验活性污泥的呼吸特性(如呼吸速率)和由此形成的曲线模式。
用于加料活性污泥的该程序通常需要1天。当得到Col.4所示的代表性曲线特点时，开始程序C。
程序C(在图中称作[C])进行用于研究″活性污泥对废水的适应性″的试验，其中检查活性污泥对废水的适应性。在该程序之下，废水被首次引入包含活性污泥的反应器中，并检查后者对废水的适应性。
通常，被引入的废水的量占有效的反应器体积的约25％，而且废水，如城市污水，具有约200mg/l的BOD。BOD去除所需的氧量定义为″BOD×a″，其中″a″表示BOD去除系数。当反应器具有1,000m3的有效体积，并将具有200mg/l的BOD的废水以1,000m3/天的速率处理时，BOD去除的量等于200kg/天。该值乘以BOD去除系数0.5，得到BOD去除所需的氧量为100kg/天。
当使用具有BOD去除功能的活性污泥时，此程序仅可需要几天。在得到Col.4所示的代表性曲线特点之后，开始程序D。
程序D(在图中称作[D])使得能够进行用于评估″硝化微生物的适应化″的试验，其中使具有BOD去除能力的活性污泥适应化以获得硝化功能。在该程序中，反应器在最大能力下曝气给定时间，这样可培养硝化微生物。
通过活性污泥中的硝化微生物硝化所需的氧量可通过″T-N×c″而计算，其中″c″表示硝化系数。当反应器具有1,000m3的有效体积，并将具有100mg/l的氮浓度废水以1,000m3/天的速率处理时，待硝化的氮的量等于100kg/天T-N。该值乘以硝化系数3.0，得到硝化氮所需的氧量为300kg/天。
该程序通常需要几个月。
DO曲线在曝气开始时由于硝化微生物所形成的硝酸而被稍微扰动。在已经观察到曲线干扰之后，在程序F之下减少并优化曝气。
程序E(在图中称作[E])使得能够进行用于评估″对去硝化功能的适应″的试验，其中使具有硝化功能的活性污泥适应化以获得去硝化功能。根据该程序，一旦确认在活性污泥中存在硝化功能，就减少曝气，这样可产生去硝化功能。以此方式，BOD去除功能，硝化功能和去硝化功能同时产生。利用这些功能的共存，可容易补偿硝化所需的能量。
通过程序A至程序E，可得到以下观察结果。
在废水流入步骤中，用于氧供给的曝气尚未开始。因此，由于活性污泥而产生的氧消耗通过引入废水而增加，这样DO浓度迅速下降，并通常在这期间变成零。
因为曝气在沉降步骤之前被中断，DO浓度在该步骤过程中因为活性污泥的氧消耗而直线下降。然而，在使用清洁水的程序A中，没有由活性污泥所产生的需氧量，这样DO浓度在该程序之下基本上不会下降。
程序F(在图中称作[F])使得能够进行用于″对流入废水的变化响应的曝气优化″的试验，其中曝气量针对废水体积的变化而优化。这样形成一种环境，其中硝化功能和去硝化功能在活性污泥中继续共存。在该程序中，曝气响应外部干扰″1型″，如流入废水的量，底物的变化等而自动优化。
在该程序之下，曝气体积相对于(vis-à-vis)流入废水的质量和数量的变化而优化。利用该优化，TOD可进一步减少。
通常，装置被设计成适应20％至120％的有效能力的变化。
程序G(在图中称作[G])使得能够进行用于″响应介质温度的变化而优化活性污泥量″的试验，其中活性污泥的量相对于水温变化而优化，这样活性污泥的去硝化功能可被保持且防止氧短缺。在该程序中，当介质温度下降低于10℃(外部干扰″2型″)而且去硝化功能下降时，活性污泥的浓度在氧供给能力的限度内增加，这样去硝化功能可被保持。相反，当介质温度上升超过30℃(外部干扰″3型″)而且氧扩散系数下降时，活性污泥的浓度在去硝化能力可接受的限度内下降，这样可避免氧的缺乏。
程序H(在图中称作[H])使得能够进行″去硝化功能的异常(anomaly)的检测和自动恢复″的试验，其中检测去硝化功能中的异常并进行该功能的恢复操作。这些异常通过检查DO浓度比率曲线的异常形状而发现。去硝化功能随后自动恢复。
为了跟踪处理过的水的时间依赖性质量，在强或弱强度下曝气的同时分析DO浓度。结果显示，弱曝气强度产生氧化区、还原区和DO区的共存。
另外，在图11中，参考数字20、21和22分别表示清洁水、活性污泥和城镇污水。
第2栏包括涉及活性污泥的TOD/TOD最大值(％)的图表。程序A仅包含清洁水，因此TOD是零。在程序B中，TOD完全由活性污泥的基本OD组成，如140kg/天。在程序C中，TOD由同上的活性污泥的基本OD(例如140kg/天)和去除废水的BOD所需的氧量(例如100kg/天)组成，即总共240kg/天。在程序D中，将硝化废水中的氮所需的氧量(例如300kg/天)在程序C下加入TOD中，得到总共540kg/天。另一方面在程序E中，硝化废水中的氮所要消耗的氧量(300kg/天)通过活性污泥的硝酸盐呼吸(硝酸盐的还原)而回收。然后，在程序E之下的TOD变为与在程序C下相等。活性污泥的硝化反应和硝酸盐呼吸因此相伴存在，这样可避免用于去除废水氮的过量曝气。
第3栏包括涉及曝气所供给的氧量的图表，其中参考字母Str和Wk分别表示强曝气和弱曝气。
第4栏包括涉及DO浓度比率的图表，该比率表示第2栏的TOD和第3栏的供氧量之间的差异(参见图12)。
参考数字23涉及DO浓度比率的图表(参见图13)；参考数字24涉及活性污泥的硝化速度和饱和DO浓度的图表(参见图14)；参考数字25表示程序化设备和程序装置(sequencer)，而参考数字26表示记录器。
图12示意地显示氧饱和百分数的变化，在一个处理周期中作为经过的时间的函数(DO/Cs％)。″氧饱和度百分数″的值定义为″悬浮液混合物中的DO(mg/l)″相对于在相同的温度和压力下测定的″清洁水中的饱和氧浓度(mg/l)″的比率(表示为％)。
关于该图，曝气反应器中的氧传递速度″dC/dt″由下式定义：
dC/dt＝Kla[Cs-C]-r    (I)
其中″Kla″表示总氧传递系数，是指通过曝气产生的氧供给能力；″Cs″表示悬浮液混合物中的饱和氧浓度(mg/l)；″C″表示悬浮液混合物中目前的DO浓度(mg/l)；和″r″表示悬浮液混合物中的氧利用率(mg/l/h)。
该图说明当程序从[A]改变至[E]时，″氧饱和度百分数″的值的曲线模式的变动。参考符号[A]显示通过测量在程序A下的清洁水的DO浓度而得到的曲线模式，其表示曝气设备的能力。参考符号[B]显示通过测量在程序B下的悬浮液混合物的DO浓度而得到的曲线模式，其表示活性污泥的处理能力。
参考符号[C]显示通过测量在程序C下的悬浮液混合物的DO浓度而得到的曲线模式，其表示活性污泥对污染物的适应性。参考符号[D]显示通过测量在程序D下的悬浮液混合物的DO浓度而得到的曲线模式，其表示硝化微生物的适应化水平。参考符号[E]显示通过测量在程序E下的悬浮液混合物的DO浓度而得到的曲线模式，其表示硝化微生物的硝酸盐呼吸功能。从上文可以理解，需氧量变化作为活性污泥变化的函数，而活性污泥的变化又取决于所用的程序。因此″氧饱和度百分数″的曲线模式能够使四个阶段相互区别：活性污泥用于产生硝化功能的适应化阶段；活性污泥用于产生去硝化功能的自动适应化阶段；形成允许这些功能共存的环境的阶段；和去硝化功能中的异常形成。
参考数字27表示在曝气步骤结束时的″氧饱和度百分数″的值的范围。
图13说明对曝气体积，控制点和曝气控制范围的优化。纵坐标表示″氧饱和度百分数″的值，而横坐标表示一个处理周期的时间过程。在曝气体积被自动控制的程序F中，最佳曝气点由参考数字28表示而曝气控制的范围由参考数字29和30表示。程序F在程序A至E之后应用于活性污泥，并使得污泥的硝化和去硝化功能同时起作用，即使外部因素改变。
根据程序F：
A)当″氧饱和度百分数″的值达到约25至50％时，曝气停止，而且下一处理周期的曝气强度下降约5至10％；
B)当″氧饱和度百分数″的值达不到约25至50％时，下一处理周期的曝气强度增加约5至10％。
通过重复以上操作，″氧饱和度百分数″的曲线变得更接近最优点，即25至50％的氧饱和度。上述过程可称作″通过非算术算法(algorism)对曝气体积的优化″。
结果，即使所要处理的废水的数量和质量在处理系统的设计能力内变化，后者可以稳定的方式针对这些变化保持至少约90％的去硝化速率。在图13中，参考数字28表示曝气体积的最优点；参考数字29表示当曝气强度在程序F之下太高时的″氧饱和度百分数″曲线；参考数字30表示当曝气强度在程序F之下太低时的″氧饱和度百分数″的曲线；参考数字31表示曝气-停止线(aeration-stopping line)，此时曝气在25％处停止而且下一处理周期的曝气强度下降；而参考数字32表示曝气-升高线(aeration-raising line)，此时曝气没有达到25％而且下一处理周期的曝气强度增加。
图13还显示，当保持该″氧饱和度百分数″曲线的模式时，所供给的氧量完全被活性污泥消耗，因此没有浪费。
图14显示如何优化活性污泥的量。该图说明通过活性污泥而得到的硝化速度和水温之间的关系，以及水温和饱和氧浓度(Cs，mg/l)之间的关系。
左手侧的纵坐标表示混合反应器中的硝化速度(以″总-Nkg/m3/天″表示)，而横坐标表示混合反应器中的水温(℃)。如果温度下降，活性污泥的硝化速度也下降。参考数字33、34、35和36显示当试验的活性污泥浓度″MLSS″分别为5,000mg/l，4,000mg/l，3,000mg/l和2,000mg/l时的线，而其温度依赖性变化在左手侧纵坐标上标度。
参考数字37表示作为温度函数的Cs的变化(mg/l)，在右手侧纵坐标上标度。
通常，如果温度低于10℃，去硝化处理变得在生物学上难以进行。另外，如果水温变得太高，通过曝气而得到的氧传递系数下降，且氧量开始缺乏。在程序G中，当水温变得低于15℃时(这通常在冬季时间发生)，在废水处理过程中生长的活性污泥会下降至MLSS 50mg/l的浓度。然后，对活性污泥的提取中断，直至其浓度变为超过MLSS 5,000mg/l，这样硝化速度可被保持。相反，当水温高时(这通常发生在夏季时间)，生长的活性污泥的提取量增加，这样活性污泥浓度降低至低于MLSS 2,000mg/l而且可避免缺乏氧。以此方式，程序G在优化曝气体积的限度内优化了活性污泥的浓度。
图15显示总氧传递系数″Kla″的时间依赖性变化，其中纵坐标表示″氧饱和度百分数″的值，而横坐标表示一个处理周期的时间过程。在图中，曲线38表示在强曝气下的时间依赖性变化，而曲线39表示在弱曝气下的时间依赖性变化。通过曝气溶解在水中的氧的量与水中的DO浓度成反比。氧的供给量(O2kg)可计算如下：
O2(kg)＝Q×Kla[Cs-C]   (II)
其中″Q″表示悬浮液混合物在混合反应器中的体积(m3)；″Kla″表示总氧传递系数；″Cs″表示悬浮液混合物中的饱和氧浓度(mg/l)和″C″表示悬浮液混合物中的目前DO浓度(mg/l)。
当设计一种废水处理装置时，曝气设备的能力在下式(II)的基础上计算。目前DO浓度″C″越低，差值(Cs-C)越大。如果目前DO浓度是零(C＝0)，差值(Cs-C)最大，而且通过曝气从空气至水的氧传递速率达到其最高值。
相反，当目前DO浓度等于饱和氧浓度(C＝Cs)时，氧不会从空气迁移至水，而与Kla值无关。那么，通过曝气的氧传递速率变成零，即使进行强曝气。尽管曝气设备优选设计成确保高Kla值，但如果没有正确考虑以上观察结果，这些措施不会必然地保证最有效曝气过程。
原则上，当通过曝气供给的氧量下降时，氧传递速率较高。但氧供给的简单下降可能会造成缺氧的危险，因为必要的氧量可改变。图15显示，当使用图13的″氧饱和度百分数″曲线控制曝气时，氧转移率变得相当高。这种控制方法能够以高水平产生高去硝化功能并使去硝化所需的能量最小化。
因此，当″氧饱和度百分数″的值低时，通过曝气而得到的氧传递速率高。相反，当″氧饱和度百分数″曲线在强曝气下处于高水平时，通过曝气而得到的氧传递速率低。另外，在低″氧饱和度百分数″值下，移动到水中的氧量完全被活性污泥消耗。此外，通过硝化反应而消耗的氧通过硝酸盐呼吸，利用硝化反应和去硝化反应的共存而回收。因此，高氧传递速率可保持在图13的程序F下的″氧饱和度百分数″曲线。
通常，本发明的每种反应器装备有以下设备：
-曝气设备，包括流量计(volume meter)，频率调节装置等；
-搅拌器，包括频率调节装置等；
-测量设备，包括溶解氧测量设备(如测氧计)，pH计，水温计等；
-辅助设备如利用自动控制软件用于控制试验的程序装置；和
-用于记录试验进程和分析试验结果的多点记录器(multi-pointrecorder)。
可关联″氧饱和度百分数″的值和处理过的水的质量作为处理时间周期的函数。例如，如图7所示，将TOD比率绘制成曝气程序和处理时间周期的函数。
如图8所示，微生物的共生的作用被最大限度地利用。换句话说，多种微生物包含在用于相同的时间间隔(time span)的单个容器中，并寻求最佳共生条件。首先，最大反应速率通过去除中间体产物而得到。第二，最大反应速率通过促进别构酶的活性而逐渐获得。第三，所需的氧量被优化，这样节省氧。
减少的曝气带来图15所示的结果，根据该图，″氧饱和度百分数″的值越低，通过曝气而得到的″Kla[Cs-C]″值越高。在该图中，测定DO浓度并通过从所供给的氧中减去消耗的氧计算。
换句话说，当″氧饱和度百分数″保持低值时，氧消耗减少。
一般，去硝化装置所需的氧量计算如下。
设计氧量＝[用于BOD去除的O2+用于活性污泥的O2+用于硝化的O2]×安全系数(security margin)；
其中用于BOD去除的O2表示为BOD(kg)×a，″a″为例如0.5；
用于活性污泥的O2表示为MLSS(kg)×b，″b″为例如0.07；
用于硝化的O2表示为T-N(kg)×c，″c″为例如3.0，其中T-N是指由NH3-N，NO2-N和NO3-N组成的总氮；和
安全系数是20至50％。
在本发明的优化过程中，用于硝化过程的O2加入不是必需的。因此，本发明所需的氧量不超过单一的BOD去除装置所需的氧量。
设计氧量通过将流入废水(取为100％)乘以安全系数而得到。然而，实际上流入废水的量极少为100％，因此所需的氧量不断地波动。本发明的方法能够相应该变化供给最佳量的氧，这样抑制了不必要的能量消耗。
1.适应步骤
将反应器用水填充，并曝气例如约24小时，以确认试验反应器的性能。
将活性污泥在用于连续废水处理的代表性装置中取样，并将其合适的部分在上述水中接种，得到MLSS约2,000mg/l。将整个混合物曝气例如约24小时，以确认活性污泥的BOD去除能力。
包含在活性污泥中的微生物在两个阶段中，在以下条件下适应化：
-处理废水：污水；
-整体处理周期(unitary treatment cycle)：污水流入(例如30分钟)+曝气(例如4至5小时)+沉降(例如1至2小时)+上清液流出(例如30分钟)；
-每日循环数：3-4循环/天(每6-8小时)；
-整体处理周期的数目：3-4/天；
-流入-流出流速：约25％/整体处理周期；
-BOD负荷：最高约0.16kg/m3/天；和
-活性污泥的浓度：MLSS＞＝约2,000mg/m3。
a)第一阶段(硝化功能的产生)：
曝气在最大强度下在曝气时期中进行。活性污泥通常在60至90天获得BOD去除和硝化功能，而且pH下降至低于6.0。
b)第二阶段(去硝化功能的产生)：
在已经确认产生硝化能力之后，将曝气的强度和时间优化。
因此，当″氧饱和度百分数″的值达到约25％时，停止正进行的曝气，和用于随后处理周期的曝气强度，如以2Hz逐步下降。
相反，如果″氧饱和度百分数″的值没有达到约25％的以上阈值值，用于随后处理周期的曝气强度，例如以2Hz逐步下降。
通过以此方式优化曝气强度，活性污泥通常在15至30天获得去硝化功能。
2.水处理步骤
加以必要的变更(mutatis mutandis)，应用上述的第二阶段。
3.变化控制过程
本发明方法能够保持大约90％的去硝化速率，其以稳定的方式自动得到，而与外部扰动无关。
当污水的体积和/或性质改变时，曝气在设计能力的限度内响应污水的需氧量变化而优化。
当去硝化速度由于介质温度的下降至例如低于10℃而减慢时，将污泥浓度增加至如7,000mg/l，这样增加去硝化能力。
当氧扩散由于介质温度升高至例如超过10℃而减少时，将污泥浓度最高下降至2,000mg/l，这样防止氧缺乏。
以此方式，本发明活性污泥系统中的去硝化功能针对外部扰动自动稳定化并保持至约90％的去硝化速率。
4.异常检测和自动恢复
本方法能够检测以下异常并自动引发用于恢复去硝化功能的步骤：
异常的实例包括在流入负荷、设备的故障、断电和其它意外中的那些。
在本系统中，DO浓度不以连续方式检测或控制。相反，当pH超过7.0时，系统自动返回至适应步骤，这样活性污泥恢复去硝化功能。
本系统同时引起BOD去除反应、硝化反应和去硝化反应。此外，去硝化功能针对外部扰动而优化。该系统产生高氧传递速率和高氧利用率，以便于节省能量。
本发明系统可将废水中的总氮减少90至95％，并可应用于包含约100延续至约7,000mg/l的大范围BOD的废水。本系统可在低于10℃至超过30℃变化的温度工作。而且，它与常规废水处理装置相比可节省约50％的能量。
实施例
将清洁水(5m3)注入反应器。反应器优选设计使得，当注入清洁水时，反应器垂直壁的上边超过清洁水表面至少30cm。以此方式，防止通过处理而产生的泡沫溢出。
在第一阶段，将清洁水进行曝气，并向其中加入包含如10g干固体的活性污泥，得到悬浮液比率为约2,000mg/l。
在第二阶段，以至少5m3/h的速率继续曝气例如4小时。通常，该阶段需要强曝气，以增加BOD去除并在活性污泥中产生硝化功能。曝气设备随后以全部能力运行。无需检查溶解氧(DO)浓度，氧还原电势(ORP)，温度等。
然后，悬浮液混合物放置例如1小时，这样它分离成上清液部分和沉降部分。
随后在例如30分钟内将上清液部分从反应器中取出。取出的水的量通常是起始悬浮液混合物的约25体积％。
随后，将废水在例如30分钟内加入反应器。所引入的废水的量通常是起始悬浮液混合物的约25体积％，这样保持总介质体积至约5m3的水平。
在以上情况下，一个整体处理周期包括约6小时，可被分解为约30分钟废水引入步骤，约4小时曝气步骤，约1小时沉降步骤和约30分钟取出步骤。
随后重复整体处理周期直至介质的pH变得低于约7。pH的这种下降表明微生物的适应化的开始，导致BOD去除(例如系数k1)和硝化(例如系数k2和k3)。
进一步重复上述整体周期直至pH变得低于约6.8。然后假设去硝化(系数k4)反应已经开始。在去硝化反应以稳定的方式进行之前需要几个星期或甚至几个月。
如果pH变得低于约6.8，在保持该值的同时减少曝气。该曝气减少可使用频率转化器，通过在给定的节距(pitch)/周期降低AC电流的频率而进行。例如，频率从约60Hz下降至给定频率水平(如20Hz)。压缩机中的马达的旋转随后通过转化器在约2Hz/(6小时的整体周期)的节距下调节，并因此改变通过鼓风机吹掉的空气体积。约2Hz的下降通常对应于1至2％的曝气体积减少。曝气减少通常在频率达到约20Hz的水平时停止，而该水平随后被保持，只要pH低于约6.8。
相反，当pH因为曝气减少而升高时，逐渐增加曝气以保持pH低于约6.8。以此方式，可重复废水处理而没有任何具体的限制。
频率的逐步调节进行如下。
在pH变得低于约5.8之后，曝气进一步继续1小时。当″氧饱和度百分数″的值达到约25％时，停止曝气，并减少用于下一整体周期的曝气频率。
相反，如果在曝气停止之后，″氧饱和度百分数″的值没有达到上述定义的约25％的水平，那么增加用于下一整体周期的曝气频率。
当介质温度在上述过程中下降至低于约10℃时，停止过量污泥的抽空(evacuation)以增加污泥的量，并保持去硝化功能。
相反，如果介质温度增加至超过约20℃，而且如果在曝气停止之后，″氧饱和度百分数″的值没有达到上述定义的25％水平，加强过量污泥的抽空，这样可防止缺氧。
如果pH超过约7.8，继续强曝气阶段，这样去硝化功能可恢复。
同时，提醒控制人去检查装置。他检查装载量是否过量，曝气设备是否发生故障，或测量是否正常发挥作用等。
在废水处理设备中得到的结果在下表中描述。在这些表中：
BOD：在5天反应之后测定。
COD：高锰酸钾在100℃作为氧化剂使用30分钟。
MBAS：亚甲蓝活性物质(methylene blue active substance)。
n-Hex.：正己烷提取。
表1.污水处理结果：平均12个样品，1m3/0.225kWh。
  项目   流入   流出   去除
  单位   最大   最小   平均   STD   最大   最小   平均   STD   平均
  BOD   mg/l   830   71.0   225.5   219.3   7.9   0.5   2.7   2.1   98.8％
  COD   mg/l   -   -   -   -   -   -   -   -   -
  总-N   mg/l   156   13.0   44.9   36.6   4.3   1.1   2.4   2.1   94.8％
  总-P   mg/l   44   3.1   8.4   11.3   3.2   0.9   2.2   0.8   73.8％
  SS   mg/l   2800   72   369   768   6.4   1.8   3.4   1.8   99.1％
  温度   ℃   25.1   9.8   18.5   -   29.5   15.6   24.1   -   -
  MLSS   mg/l   -   -   -   -   6100   2000   4008   1226   -
表2.污水处理结果：平均12个样品。
  项目   流入   流出   去除
  单位   最大   最小   平均   STD   最大   最小   平均   STD   平均
  BOD   mg/l   260.0   85.0   190.8   56.8   2.9   0.7   1.6   0.7   99.1％
  COD   mg/l   96.0   49.0   77.3   15.9   9.2   5.4   7.4   1.0   90.5％
  总-N   mg/l   50.5   25.0   37.0   7.4   3.8   1.8   2.9   0.8   92.1％
  总-P   mg/l   8.6   4.6   5.9   1.4   2.23   0.43   1.25   0.51   78.8％
  SS   mg/l   222.0   40.0   136.6   52.8   9.9   0.1   1.5   2.7   90.8％
  温度   ℃   31.8   6.3   18.5   -   26.6   13.5   20.0   -   -
  MLSS   mg/l   5160   2600   3578   869   -
表3.污水处理结果：平均12个样品。
  项目   流入   流出   去除
  单位   最大   最小   平均   STD   最大   最小   平均   STD   平均
  BOD   mg/l   227   133   205   42   2.1   0.3   1.2   0.4   99.4％
  COD   mg/l   240   68   136   21   14.0   4.2   6.7   0.6   95.0％
  总-N   mg/l   58.8   34.4   45.2   27.3   5.3   0.6   2.3   0.6   94.0％
  总-P   mg/l   6.11   3.60   4.98   1.15   2.54   0.13   1.34   0.45   73.0％
  SS   mg/l   561   64   158   44.9   5.0   0.4   1.1   2.3   99.3％
  温度   ℃ - - - -   21.8   7.2   13.9   - -
  MLSS   mg/l - - - -   4618   2130   3058   521 -
表4.用于动物饲养/农耕废水的处理结果：
MLSS：3,900mg/l。MLVSS：3,100mg/l。SV-30：95％；
  组分   单位   流入   流出   去除   分析
  外观   -   灰   澄清   澄清   -   JIS-K-0102
  气味   -   腐臭   无嗅   无嗅   -
  透明度   -   ＜1   ＞30   ＞30   -   JIS-K-0102.9
  氯离子   -   652   424   409   -   JIS-K-0102
  pH   -   7.00   6.21   6.80   -   JIS-K-0102.12
  BOD   mg/l   1,000   1.0   4.0   99.6％   JIS-K-0102.21
  COD   mg/l   361   5.9   6.6   96.3％   JIS-K-0102.17
  SS   mg/l   320   10   -   96.0％   JIS-K-0102
  NH3-N   mg/l   171   0.6   1.2   99.6％   JIS-K-0102
  NO2-N   mg/l   0.26   0.04   0.22   -   JIS-K-0102
  NO3-N   mg/l   0.50   0.80   3.60   -   JIS-K-0102
  凯氏-N   mg/l   212   0.70   1.80   99.4％   JIS-K-0102
  总-N   mg/l   212   5.70   5.80   97.4％   JIS-K-0102.45
  总-P   mg/l   6.3   0.4   0.4   98.3％   JIS-K-0120.46.2.1
表5.用于动物饲养/农耕废水的处理结果：
MLSS：5,400mg/l，MLVSS：4,260mg/l，SV-30：99％；
天气，晴朗；温度17.3℃；水温14.2℃。
组分 单位 流入 二次处理   凝结(coagulation) 去除
  外观   -   黑   浑浊(muddy)   -   -
  氯离子   -   970   308   -   -
  pH   -   8.3   7.1   -   -
  BOD   mg/l   13.000   16.0   99.8％
  COD   mg/l   15.600   71.3   99.6％
  SS   mg/l   39.000   8.6    -   99.9％
  NH3-N   mg/l   2.930   1.1    -   99.9％
  NO2-N   mg/l   0.01   0.75    -   -
  NO3-N   mg/l   0.50   0.70    -   -
  凯氏-N   mg/l   5.440   9.0    -   99.9％
  总-N   mg/l   5.440   10.45    -   99.8％
  总-P   mg/l   1.320   39.3    #4.20   99.6％
表6.用于人废物的处理结果：
MLSS：2,070mg/l，MLVSS：1,910mg/l，SV-30：58％；
天气，晴朗；温度28.8℃；水温26.5℃。
  组分   单位   流入   二次处理   凝结   吸附   去除
  色度   -   12,800   1,330   259   180   -
  氯离子   -   2,270   1,200   2,100   2,100   -
  pH   -   7.9   6.7   5.9   5.7   -
  BOD   mg/l   6,300   67.5   13.0   14.0   99.9％
  COD   mg/l   1,700   252   71.7   61.6   98.3％
  SS   mg/l   1,800   50.5   11.4   13.4   99.1％
  NH3-N   mg/l   3,010   3.1   0.9   1.0   99.9％
  NO2-N   mg/l   0.01   2.4   0.66   0.05   -
  NO3-N   mg/l   0.50   0.5   2.1   3.3   -
  总-N   mg/l   3,010   7.0   3.66   4.35   99.1％
  总-P   mg/l   231   113   0.6   0.7   99.8％
表7.用于人废的处理结果：
MLSS：4,500mg/l，MLVSS：4,000mg/l，SV-30：98％；
天气，晴朗；温度30.8℃；水温26.1℃。
  组分   单位   流入   二次处理   凝结   吸附   去除
  色度   -   7,900   404   237   -    -
  氯离子   -   2,260   564   1,140 -  *1.98
  pH   -   8.0   7.0   6.6 -   -
  BOD   mg/l   13,800   25.0   2.0 -   99.9％
  COD   mg/l   4,750   95.2   30.3 -   98.3％
  SS   mg/l   16,000   41.0   3.0 -   99.9％
  NH3-N   mg/l   2,020   3.4   1.9 -   99.8％
  NO2-N   mg/l   0.01   0.33   - -   -
  NO3-N   mg/l   0.50   4.4   - -   -
  总-N   mg/l   3,410   23.2   17.6 -   98.9％
  总-P   mg/l   432   87.5   0.3 -   99.8％
表8.用于肉类加工废水的处理结果：
Q(m3/天)，BOD，SS，正-己烷提取物，MLSS(mg/l)。
  -   pH   BOD   SS   n-Hex   MLSS   Q   -   pH   BOD   SS   n-Hex   MLSS   Q
  年Av-1   7.1   9.3   8.9   0.41   --   --   1月   6.9   3.0   5.8   0.4   7500   700
  年Av-2   6.9   6.7   13.5   0.39   4300   --   2月   7.2   2.2   3.0   0.7   6900   700
  年Av-3   6.8   6.7   8.9   0.3   6500   --   3月   7.1   6.4   5.8   0.1   7300   700
  1月   7.2   2.8   5.8   0.1   6100   -   4月   6.9   4.1   8.0   1.6   7200   700
  2月   7.2   2.6   6.6   0.0   6600   -   5月   6.9   1.6   5.4   1.0   8300   700
  3月   7.0   4.8   4.8   8.8   6200   -   6月   6.9   4.5   9.8   1.0   8900   800
  4月   6.9   4.6   4.6   3.6   6800   700   7月   6.9   9.2   8.0   1.0   9900   850
  5月   7.0   6.6   6.6   19   7400   700   8月   7.1   1.5   4.8   ＞1   8100   850
  6月   7.4   2.4   1.8   0.3   8500   800   9月   7.1   6.8   22   ＞1   6200   850
  7月   7.0   9.5   9.5   28   8800   800   10月   7.1   5.8   4.0   ＞1   6000   950
  8月   7.1   2.2   2.6   0.6   4600   800   11月   7.2   7.3   1.2   ＞1   5900   950
  9月   6.9   5.5   8.8   0.0   4200   800   12月   7.0   7.4   6.0   ＞1   7200   1300
  10月   7.0   3.6   15   0.0   4300   800   年Av-5   -   4.74   10.9   ＞1   6300   838
  11月   7.1   5.4   22   0.2   4800   850   -   -   -   -   -   -   -
  12月   7.0   6.5   9.0   0.3   6500   1200   -   -   -   -   -   -   -
表9.用于家庭废水的处理结果：
水样品的分析
  组分   单位   流入   流出   去除   分析
  外观   -   灰   澄清   -   -
  透明度   -   ＜7   ＞30   -   JIS-K-0102.9
  pH   -   6.9   6.7   -   JIS-K-0102.12
  BOD   mg/l   170.0   1.0   99.3％   JIS-K-0102.21
  COD   mg/l   67.0   3.5   94.7％   JIS-K-0102.17
  SS   mg/l   90.0   ＜5   94.5％   JIS-K-0102
  总-N   mg/l   7.4   0.6   91.8％   JIS-K-0102
  总-P   mg/l   7.0   0.15   97.9％   JIS-K-0120.46
表10.用于农业社区和养猪废水的处理结果：
天气，晴朗；温度25℃；水温20℃。
  -   -   12JUIN   26AUGUST   -
  组分   单位   流入   流出   流入   流出   去除
  氯离子   -   413   777   194   221   -
  pH   -   8.1   8.0   7.8   7.8   -
  BOD   mg/l   2,100   4   330   2   99.4％
  COD   mg/l   900   26   150   16   89.4％
  SS   mg/l   560   2   75   0   100％
  总-N   mg/l   908   62.2   21.5   4.3   80.0％
  总-P   mg/l   31.5   4.32   10.4   9.9   -
  MBAS   -   5.77   ND   -   -   -
表11.用于淀粉废水的处理结果：
  组分   单位   流入A   流入B   流出   去除
  pH   -   5.7   6.6   6.8   -
  BOD   mg/l   2,600   27,000   14.0   99.4％
  COD   mg/l   897   11.400   69.7   92.2％
  SS   mg/l   1,040   7.530   11.5   96.8％
  NH3-N   mg/l   123   164   4.9   96.0％
  NO2-N   mg/l   0.01   0.03   -   -
  NO3-N   mg/l   0.50   0.5   -   -
  凯氏-N   mg/l   307   2,530   11.3   96.30％
  总-N   mg/l   307   2,530   11.3   96.30％
  总-P   mg/l   43.2   422   14.2   67.2％
  n-Hex   mg/l   11.6   250   0.2   98.1％
表12.用于面条加工废水的处理结果：
MLSS：3,950mg/l，MLVSS：3,800mg/l，SV-30：99％。
  组分   单位   流入A   流入B   流出   去除
  BOD   mg/l   6,300   43   2.0   99.9％
  COD   mg/l   5,480   30.3   5.7   99.8％
  SS   mg/l   262   23.7   tr   96.8％
  NH3-N   mg/l   1.1   0.1   tr   99.9％
  NO2-N   mg/l   0.50   0.01   0.01   -
  NO3-N   mg/l   0.01   0.5   0.5   -
  凯氏-N   mg/l   104   2.9   0.9   99.1％
  总-N   mg/l   104   2.9   0.9   99.1％
  总-P   mg/l   13.5   3.0   5.3   60.7％
当处理过的水包含低于3mg/l的总氮时，它可用作饮用水，而当处理过的水包含低于7mg/l的总氮时，它可用作灌溉水。
根据本发明的系统基于新概念，也就是使适用于去硝化处理的微生物适应化，而无需依赖数学分析。该系统可用于产生适合环境保护的新型工业。
本发明系统也可消除地下水系统中的硝酸污染，这样可非常容易地得到安全的饮用水。
另外，根据本发明方法的市政污水的去硝化处理产生适于作为农业用水的清洁水。
当将水塘用作反应器，修理工作非常容易，这样去硝化处理设备的运行成本极大地下降。
本发明方法也可用于同时解决两个主要的环境问题，即，保护天然水源和防止水资源干涸。本发明的去硝化处理方法可进一步用作从污水中再生饮用水、灌溉水和/或工业水的简单但有效而且经济的工具，这样避免环境条件差所造成的损害。

Claims (23)

1.用包含微生物的活性污泥处理水的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
-通过使所述活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具有给定特性的水来制备环境适应的生物质混合物，由此所述环境适应的生物质混合物获得引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应的能力；和
-用能够引起所述并发反应的环境适应的生物质混合物，在所述单个反应器中在不高于所述第一曝气水平的第二曝气水平下处理一部分具有基本上相同的给定特性的水。
2.根据权利要求1的处理水的方法，其中所述一定量具有给定特性的水是废水。
3.根据权利要求1或2的处理水的方法，其中所述适应的生物质制备步骤包括：
-进行基本上由以下步骤组成的起始适应循环处理：(a)将所述一定量的水以给定流入速率进料到所述活性污泥的溶液中以制备悬浮液混合物的步骤；(b)在起始曝气水平下进行的曝气步骤；(c)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤；和(d)以基本上等于所述流入速率的流出速率取出所述上清液部分的步骤，重复所述步骤(a)，(b)，(c)和(d)直至所述活性污泥可引起BOD去除反应和硝化反应；和
-进行基本上由上述定义的步骤(a)、(b)、(c)和(d)组成的后续适应循环处理，除了所述后续适应循环处理中的步骤(b)在低于起始曝气水平的后续曝气水平下进行，重复步骤(a)、(b)、(c)和(d)直至所述活性污泥可在给定pH值引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应。
4.根据权利要求3的处理水的方法，其中所述水处理步骤包括：
-进行基本上由以下步骤组成的并发反应循环处理：(a′)将所述部分的水以给定流入速率进料到所述环境适应的生物质混合物中；(b′)在基本上等于所述后续曝气水平的第二曝气水平下，在给定pH值进行的曝气步骤；(c′)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤；和(d′)以基本上等于所述流入速率的流出速率取出所述上清液部分的步骤。
5.根据权利要求3或4的处理水的方法，其中所述给定pH值在6和7之间。
6.根据权利要求3或4的处理水的方法，其中所述给定pH值为大约pH6.8。
7.根据权利要求1至6中任一项的处理水的方法，其中所述适应的生物质制备步骤或所述水处理步骤形成约6至8小时的整体处理周期。
8.根据权利要求7的处理水的方法，其中所述曝气步骤(b)或(b′)持续约4至5小时，并包括以相对于所述悬浮液混合物的体积至少一个体积当量/小时的曝气速率搅拌所述悬浮液混合物。
9.根据权利要求7或8的处理水的方法，其中所述进料步骤(a)或(a′)，以及所述取出步骤(d)或(d′)分别持续约30分钟。
10.根据权利要求7至9中任一项的处理水的方法，其中在所述取出步骤(d)或(d′)中取出的所述上清液部分的量是所述悬浮液混合物总体积的约20至约30％。
11.根据权利要求7至10中任一项的处理水的方法，其中所述沉降步骤(c)或(c′)持续约1小时。
12.根据权利要求3至11中任一项的处理水的方法，其中通过将一部分活性污泥进料到所述反应器中含有的清洁水中制成所述适应的生物质制备步骤中的所述活性污泥的溶液，以得到具有约1,000至约3,000mg/l的预定悬浮液比率的悬浮液混合物。
13.根据权利要求3至11中任一项的处理水的方法，其中通过将一部分活性污泥进料到所述反应器中含有的清洁水中制成所述适应的生物质制备步骤中的所述活性污泥的溶液，以得到具有约1,500至约2,500mg/l的预定悬浮液比率的悬浮液混合物。
14.根据权利要求3至13中任一项的处理水的方法，其中所述方法进一步包括，在所述取出步骤(d)或(d′)之后，当pH低于所述给定值时，降低在所述曝气步骤(b)或(b′)中使用的曝气速率的步骤。
15.根据权利要求3至13中任一项的处理水的方法，其中所述方法进一步包括，在所述取出步骤(d)或(d′)之后，当pH高于所述给定值时，增加在所述曝气步骤(b)或(b′)中使用的曝气速率的步骤。
16.根据权利要求14或15的处理水的方法，其中所述降低或增加步骤包括使用变频器并通过降低或增加频率改变所述曝气设备的旋转。
17.根据权利要求16的处理水的方法，其中用于改变所述曝气设备的旋转的频率最低保持在约20Hz。
18.根据权利要求3至17中任一项的处理水的方法，其中所述沉降步骤(c)或(c′)包括测量溶解氧浓度，和当所述测定浓度指示氧饱和度比率低于约25％时，从所述反应器中提取部分的所述沉降部分。
19.根据权利要求3至18中任一项的处理水的方法，其中通过从所述反应器中提取部分的所述沉降部分将所述悬浮液混合物的温度保持在约10℃-约20℃。
20.用包含微生物的活性污泥处理水的系统，其特征在于该系统包括：
-单个反应器；
-通过使所述活性污泥在单个反应器中在第一曝气水平下适应一定量具有给定特性的水来制备环境适应的生物质混合物的装置，由此所述环境适应的生物质混合物获得引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应的能力；和
-用能够引起所述并发反应的环境适应的生物质混合物，在所述单个反应器中在不高于所述第一曝气水平的第二曝气水平下处理一部分具有基本上相同的给定特性的水的装置；
所述系统适用于进行根据权利要求1至19中任一项的方法。
21.根据权利要求20的用于处理水的系统，其中用于制备环境适应的生物质混合物的所述装置包括用于进行以下步骤的设备：
-基本上由以下步骤组成的起始适应循环处理：(a)将所述一定量的水以给定流入速率进料到所述活性污泥的溶液中以制备悬浮液混合物的步骤；(b)在起始水平曝气下进行的曝气步骤；(c)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤；和(d)以基本上等于所述流入速率的流出速率取出所述上清液部分的步骤，重复所述步骤(a)、(b)、(c)和(d)直至所述活性污泥可引起BOD去除反应和硝化反应；和
-基本上由上述定义的步骤(a)、(b)、(c)和(d)组成的后续适应循环处理，除了所述后续适应循环处理中的步骤(b)在低于所述起始曝气水平的后续曝气水平下进行，重复所述步骤(a)、(b)、(c)和(d)直至所述活性污泥可在给定pH值引起BOD去除、硝化和去硝化的并发反应。
22.根据权利要求21的用于处理水的系统，其中用于处理一部分水的所述装置包括进行基本上由以下步骤组成的并发反应循环处理的设备：(a′)将所述部分的水以给定的流入速率进料到所述环境适应的生物质混合物中的步骤；(b′)在基本上等于所述后续曝气水平的第二曝气水平下，在给定pH值进行的曝气步骤；(c′)用于分离上清液部分和沉降部分的沉降步骤；和(d′)以基本上等于所述流入速率的流出速率取出所述上清液部分的步骤。
23.用于处理水的装置，其包括根据权利要求20至22中任一项的体系。
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