本發(fā)明涉及以利用循環(huán)載體介質(zhì)的連續(xù)生物膜過程對廢水中磷、氮和有機物進行凈化的方法。本發(fā)明還涉及用于實施該方法的反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

市政廢水和例如從食品工業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢水包含有機物，也富含氮和磷化合物，因此有必要凈化這些廢水，再將凈化水排入自然接收方如湖泊、河流和海洋。

生物反應(yīng)器用于分解市政和工業(yè)廢水中的有機和無機物質(zhì)。商業(yè)上主要有兩種類型的生物反應(yīng)器i)活性污泥反應(yīng)器和ii)生物膜反應(yīng)器。在活性污泥反應(yīng)器內(nèi)，微生物懸浮在廢水中。在生物膜反應(yīng)器內(nèi)，微生物生長在載體介質(zhì)上。載體介質(zhì)可以是固定的，如大型鼓狀物表面或反應(yīng)器壁或自由流動的小型載體元件。

活性污泥反應(yīng)器允許持續(xù)的過程；但是這種反應(yīng)器非常消耗面積/體積，最終的污泥沉降分離也同樣如此。部分污泥循環(huán)回反應(yīng)器或反應(yīng)器的入口流以維持微生物的培養(yǎng)。

移動床生物膜反應(yīng)器是連續(xù)或序批式操作的。增強生物除磷只能應(yīng)用在該系統(tǒng)序批式運轉(zhuǎn)時，即廢水進入反應(yīng)器進行處理，排出處理過的廢水，然后反應(yīng)器可以重新填充廢水。這意味著對于處理每一個體積的廢水，存在耗時的給排水順序。因此該方法費力且通常會要求一系列的反應(yīng)器并聯(lián)操作。

生物膜處理比活性污泥處理在生物處理后更容易分離污泥和水。與活性污泥處理相比，生物膜處理所需的反應(yīng)器體積更小，也無需要求過程控制和能源的污泥循環(huán)。由于不從生物膜處理的分離步驟進行循環(huán)，因此進行分離不會影響生物處理。

WO2010/140898A1涉及在反應(yīng)器中進行水體生物凈化的方法和裝置，該反應(yīng)器具有一個或多個進口和出口區(qū)域，在該區(qū)域中水和基質(zhì)與生物膜載體元件接觸。

US2008/0053897A1公開了一種液固流化床廢水處理系統(tǒng)，用于同時去除碳、氮和磷。該系統(tǒng)結(jié)合固定薄膜生物流化床技術(shù)，在雙液固流化床內(nèi)去除生物營養(yǎng)物，實現(xiàn)了同時去除有機碳、氮和磷。

其他關(guān)于水體凈化/處理的出版物JPh 07163994A、JPh 07163995A、DE19501260C1和Li，M.，Nakhla，G.，ZhuJ.，“通過在循環(huán)流化床生物膜反應(yīng)器中增強的生物粒子循環(huán)同時去除碳和氮(Simultaneous carbon and nitrogen removal with enhanced bioparticle circulation in a circulating fluidized bed biofilm reactor)”。Chem.Eng.Jour.181-182(2012)35-44。

本發(fā)明解決了與現(xiàn)有技術(shù)的方案有關(guān)的問題。

附圖簡要說明

圖1示出了本發(fā)明實施方式的原理概要。

圖2示出了實施例1中描述的試點實驗中入口、厭氧和好氧區(qū)域PO₄的濃度。

圖3示出了實施例1中描述的PO₄負荷和吸收，以及SCOD(可溶性化學需氧量)負荷和吸收。

圖4示出了實施例2中描述的試點實驗中入口、厭氧和好氧區(qū)域PO₄的濃度。

圖5示出了實施例2中描述的PO₄負荷和吸收，以及SCOD(可溶性化學需氧量)負荷和吸收。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及以利用循環(huán)載體介質(zhì)的連續(xù)生物膜過程對廢水中磷、氮和有機物進行凈化的方法，以及用于實施該方法的反應(yīng)器。本發(fā)明在專利權(quán)利要求書中進行了限定。

本發(fā)明提供了一種處理不同廢水的循環(huán)移動床生物膜反應(yīng)器和方法。生物膜載體隨廢水在處理設(shè)備的不同區(qū)之間循環(huán)，然后將載體從水中機械移除并在在過程開始時加入。

發(fā)明詳細描述

增強的生物除磷包括將微生物培養(yǎng)物例如細菌培養(yǎng)物經(jīng)受交替的厭氧和好氧條件。在活性污泥裝置中，這可以通過將具有活性污泥的廢水從厭氧反應(yīng)器導入好氧反應(yīng)器并將污泥從沉降過程循環(huán)到厭氧區(qū)域而簡單地完成。磷積聚的生物，PAO，在厭氧條件下分泌磷，當置于好氧條件時能攝取更多的磷。因此，在bio-P(生物磷)裝置中，有必要將污泥/細菌暴露于厭氧和好氧交替條件中。目前大多數(shù)bio-P裝置都是活性污泥裝置。存在少量具有增強除磷的生物膜裝置，然而，這些裝置都是不連續(xù)批量處理裝置，也叫做序批式反應(yīng)器(SBR)。此處具有生物膜的載體介質(zhì)位于向其添加廢水的反應(yīng)器中，并經(jīng)受一段時間的沒有空氣(厭氧)和一段時間的空氣(好氧)，然后將凈化水排出并且反應(yīng)器重新注入未處理廢水。

在生物除氮/銨中，存在負責分解廢水中銨的不同部分的不同的細菌培養(yǎng)物。第一步是硝化作用，發(fā)生在好氧條件下；第二步是反硝化作用，發(fā)生在厭氧(無氧，有硝酸鹽)條件下。這可以在兩種不同的生物膜反應(yīng)器中進行，各自有其載體介質(zhì)，其中只有廢水從一個反應(yīng)器流到另一個反應(yīng)器。

本發(fā)明使得在一個連續(xù)過程中將生物膜處理的優(yōu)勢和增強的生物除磷結(jié)合起來成為可能。因此，本發(fā)明提供了廢水生物凈化處理的新實例。

本發(fā)明所述過程涉及到生物膜的載體介質(zhì)移動或隨廢水在厭氧、好氧反應(yīng)器區(qū)和任選的缺氧反應(yīng)器區(qū)之間流動。載體介質(zhì)從所述過程的最后一步移出水體送入過程的初始階段。

在廢水流允許進入生物反應(yīng)器之前，對粗廢水流進行預(yù)處理。預(yù)處理通常是機械過濾以除去大塊物體，例如塑料、織物等，隨后是除去沙和油脂。根據(jù)廢水的質(zhì)量和來源，沉降或細格柵也可引入作為預(yù)處理步驟。

以下參照圖1對本發(fā)明的實施方式，反應(yīng)器和方法進行描述。

生物反應(yīng)器包括厭氧區(qū)(A)、任選的缺氧區(qū)(B)，和好氧區(qū)(C)，所有區(qū)均包括生物膜的載體介質(zhì)。待凈化廢水從入口(1)流入反應(yīng)器的第一區(qū)。將不同區(qū)域的分離布置成使得廢水和載體介質(zhì)能夠一起從一個區(qū)流到下一個區(qū)的方式，或者它們可被機械(3，4)移除，例如通過葉輪或管道輸送設(shè)備移除。在反應(yīng)器最后一個區(qū)(C)的末端，無水載體介質(zhì)，被機械移動(5)到第一處理區(qū)(A)的入口端。載體介質(zhì)的移動是通過使用一個或多個機械設(shè)備，如升降機、螺旋輸送機、帶式輸送機等實施的。機械設(shè)備使得水排干，從而使返回厭氧區(qū)的生物膜載體無水。每個區(qū)(厭氧(A)、缺氧(B)，好氧(C))可被分隔成幾個連續(xù)的腔室，或者設(shè)計成長流道，以實現(xiàn)盡可能多的平推流。去除生物膜載體的處理過的廢水，通過一個或多個出口(2)離開好氧區(qū)(C)。任選地，一部分出口流(6)再次引入缺氧區(qū)(B)以額外去除氮。可以通過例如使用泵而移動水流(6)。

以這種方式，細菌培養(yǎng)物經(jīng)受厭氧和好氧交替條件，以獲得增強的生物除磷并結(jié)合了生物膜的效率、簡便性和相對于污泥分離的良好的分離性能。在好氧區(qū)的末端，生物膜載體被機械轉(zhuǎn)移到厭氧區(qū)，而不傳輸水。本發(fā)明采用這種方式，防止了富氧水從好氧區(qū)被帶回厭氧區(qū)，從而避免了厭氧區(qū)被O₂抑制。

該工藝將有效地提供磷和有機物的去除，并且如果該工藝延長有缺氧區(qū)并從好氧區(qū)向缺氧區(qū)返回水，則也可提供氮/銨的去除。

通過在好氧區(qū)同時硝化/反硝化，還有可能實現(xiàn)全部/部分去除氮。

由于沒有廢水從好氧區(qū)輸送到厭氧區(qū)，避免了厭氧區(qū)被NO₃抑制。

生物膜載體從好氧區(qū)(C)被無水機械移動(5)至厭氧區(qū)(A)，本發(fā)明以這種方式阻止硝酸鹽被帶回到厭氧區(qū)(A)。硝酸鹽溶于水，并且隨著水被排干，生物膜載體被移入(5)厭氧區(qū)(A)，硝酸鹽不會被攜帶到厭氧區(qū)(A)。

尺寸、密度、材料和形狀/設(shè)計不同的生物膜載體在本領(lǐng)域是已知的，并且任意生物膜載體都可能適用于本發(fā)明。

下述幾種生物處理方法都可用于生物膜污泥的分離，如浮選、沉降或細格柵?，F(xiàn)有技術(shù)已知的任意這些方法都可使用。與來自活性污泥法的活性污泥相比，從按照本發(fā)明處理的水體中移除的污泥，包括可植物利用形式的磷，因此污泥是一種作為植物養(yǎng)分/肥料的有價值的資源。

本發(fā)明提供了一種與序批式運轉(zhuǎn)過程相比，面積高效的連續(xù)過程。序批式過程必須多個并聯(lián)運行，以處理與連續(xù)過程相同量的廢水。

發(fā)明人已經(jīng)證明在連續(xù)生物膜過程中有可能實現(xiàn)增強的生物除磷。本發(fā)明解決了與活性污泥廠傳統(tǒng)生物除磷相關(guān)的許多問題。本發(fā)明所能達到的一個優(yōu)勢是更易分離污泥和由于生物膜污泥帶來的更少的污泥損失。此外，本發(fā)明的優(yōu)勢還在于伴隨水體排放，更少的硝酸鹽和更少的氧氣被輸送回厭氧階段，從而阻止了NO₃和O₂二者對厭氧區(qū)的抑制。與已知的現(xiàn)有技術(shù)相比，由于無需回水，本發(fā)明還產(chǎn)生了更小的池體容積(basin volume)。與活性污泥廠相比，基于相等的停留時間，節(jié)省的池體容積可達約50％。因此，與所述現(xiàn)有技術(shù)中顯示的相比，本發(fā)明提供了更有效的生物除磷的連續(xù)過程。

本發(fā)明的一個方面提供了一種以連續(xù)過程對廢水進行生物凈化的方法，其中所述方法包括步驟a)在反應(yīng)器的厭氧區(qū)(A)中接收預(yù)處理后的廢水入口流(1)，其中在自由移動的生物膜載體上存在微生物培養(yǎng)物，b)使攜帶所述生物膜載體的廢水流進入好氧區(qū)(C)，對從所述厭氧區(qū)(A)接收的廢水流和載體進行曝氣，c)在好氧區(qū)(C)的末端將所述生物膜載體輸送到厭氧區(qū)，但不輸送水，和d)通過出口(2)將水排放至污泥分離過程。

在本方法的一個實施方式中，其在厭氧區(qū)(A)和好氧區(qū)(C)之間包括缺氧區(qū)(B)。

在本方法另一個實施方式中，回收(6)流例如從出口(2)流被泵送到任選的缺氧區(qū)(B)。

在本方法的進一步的實施方式中，攜帶生物膜的載體介質(zhì)從一個區(qū)/腔被機械(3、4)移動至下一個區(qū)/腔。

在本發(fā)明的另一個實施方式中，載體介質(zhì)的填充率以反應(yīng)器的濕容積計介于1％至100％之間，優(yōu)選30％到70％之間。

本發(fā)明的另一方面提供了一種用于對廢水進行連續(xù)生物凈化的反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器包括一個或多個用于廢水進入?yún)捬鯀^(qū)(A)的入口(1)，任選的缺氧區(qū)(B)，隨后是好氧區(qū)(C)，用于將生物膜載體從好氧區(qū)(C)輸送到厭氧區(qū)(A)的裝置(5)，和一個或多個出口(2)。

在本發(fā)明的一個實施方式(反應(yīng)器)中，用于輸送生物膜載體的裝置允許在輸送過程中排放水。用于輸送生物膜載體的裝置可以選自升降機、螺旋輸送機、帶式輸送機等。

實驗

實施例1

在所述實驗中使用的試驗工廠具有用于生物處理步驟的6.6m³的總?cè)莘e。在好氧區(qū)末端，生物膜載體被螺旋輸送機從水中提升，并遞送給第一厭氧區(qū)。進入的廢水被導入到第一厭氧區(qū)，并從最后的好氧區(qū)收回。生物膜載體跟隨廢水流而流經(jīng)厭氧區(qū)和好氧區(qū)。厭氧區(qū)和好氧區(qū)二者都被具有小開孔的壁分隔成多個隔間，廢水和載體經(jīng)所述開孔流過。

生物膜污泥的分離在浮選裝置內(nèi)實施。

為驗證所述過程，進行了中試規(guī)模的試驗。進入中試廠的廢水來自挪威Hias廢水處理廠，在Hedmark縣接收4個區(qū)市的廢水。圖2中示出了幾個星期的實驗階段中入口、厭氧區(qū)和好氧區(qū)中正磷酸鹽的濃度。

圖3示出了一些中試試驗中PO₄負荷和吸收，以及SCOD負荷和吸收。

實施例2

為驗證所述過程，進行了另一組中試規(guī)模的試驗。

在所述實驗中使用的試驗工廠具有用于生物處理步驟的6.8m³的總?cè)莘e。進入的廢水被導入到第一厭氧區(qū)，并從最后的好氧區(qū)收回。生物膜載體跟隨廢水流而流經(jīng)厭氧區(qū)和好氧區(qū)。厭氧區(qū)和好氧區(qū)二者都被具有小開孔的壁分隔成多個隔間，廢水和載體能夠經(jīng)所述開孔流過。厭氧區(qū)機械混合。在隨后的好氧區(qū)，通過位于底部的氣泡擴散器加入空氣。生物膜載體從最后的好氧區(qū)域被帶式輸送機從水中提升，并遞送到第一厭氧區(qū)，但不輸送水。使用了500m²/m³的標準MBBR載體，載體相對于池體容積的填充率為60％。

對流入工廠的廢水流進行自動測量和控制，好氧區(qū)的氧氣水平也進行連續(xù)測量。每天早上從入口、出口和最后的厭氧區(qū)采集樣品并分析PO₄和SCOD。

進入中試廠的廢水來自挪威Hias廢水處理廠，在Hedmark縣接收4個區(qū)市的廢水。廢水在初級沉降后從處理廠收回。

圖4示出了幾周的實驗階段中入口、厭氧區(qū)和出口的正磷酸鹽濃度。結(jié)果顯示了一周內(nèi)入口濃度的變化以及其如何影響厭氧區(qū)PO₄的釋放。這一階段PO₄出口濃度是平均0.20mg/l。

圖5示出了PO₄負荷和吸收，以及SCOD負荷和吸收，單位為g/m²載體面積每天。不同的SCOD負荷顯示不同的PO₄負荷。由圖可見，SCOD負荷高于5g/m²*d，可以減少PO₄的移除。

結(jié)論

試驗研究的結(jié)果表明，在連續(xù)生物膜過程中實現(xiàn)增強的生物除磷是可行的。該過程將會解決與活性污泥廠中傳統(tǒng)生物除磷相關(guān)的許多問題，例如：由于生物膜污泥而更易分離污泥和更少的污泥損失，由于無需返回水/污泥而更少的硝酸鹽和氧氣被輸送回厭氧階段以及更小的池體容積。與活性污泥廠相比，基于相等的停留時間，節(jié)省的池體容積可達約50％。