通过添加大分子碳水化合物而生物处理水的方法

摘要

本发明涉及一种用于生物处理水的方法，其中大分子碳水合物被加入到所要处理的水中，优选地还一起加入维生素和其他的添加剂，在加入少量的大分子碳水合物，例如0.4－600mg/kg BSB5，zu或每天0.014－14mg/kg活性污泥干燥物质后大量减少残留物质的生成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生物处理水的方法以及水处理剂，其计量加入到生物处理水的装置中，以达到减少产生残留物质的量的目的。

背景技术

生物方法不仅用于家庭用水的处理，而且用于工业用水的处理。在生物转变已溶解的和未溶解的内容物时，新形成的微生物与水中含有的生物难分解的固体物质分离，随后从处理装置中去除。这种残留物质根据所含有的有害物质及其浓度而用于农业中或用于重新耕种中。此外，热处理和储藏以及用特殊方法的利用/清除是实用的。农业上的利用可以直接地或者在预处理之后进行。大部分的清除方式/利用方式需要对残留物质进行预处理。这通常由下列方法步骤构成：发酵、浓缩和用空气调节装置脱水，这样固体物质的浓度达到20-40％。为了进一步降低水含量，可采用干燥的方法。这样减少储存所需要的空间地方，并且使得经干燥的残留物质在热装置中用作燃料成为可能。随着水含量进一步减少，成本非常强烈地随之增加。对于残留物质的清除/利用的具体成本在每吨干燥物质400至1500DM之间波动(Geissen，S.-U.，A.Vogelpohl，GVC-Symposium Abfall-Wirtschft Herausforderung und Chancen 17-19.10.94，Wuerzburg)，并且将来还将进一步增加。出于这个原因，尽可能地减少所产生的残留物质的量将是特别有意义的。

在EP 0 659 695中描述了一个工艺过程，在该工艺过程中泥浆用生物可分解的表面活性剂处理，这应导致微生物的溶解和导致50％的干燥物质的减少。每千克干燥物质必须加入最高至200mg的表面活性剂。该方法迄今为止尚未被实际应用。

在DE 195 42 146中描述了一种方法，其中残留物质的产生应比用传统方法少。其目的是通过一部分循环泥浆的分流和它们的通风而实现的。该减少作用是通过稳定活性污泥从而相应地提高泥浆的存在时间来达到的，即、活性污泥在装置中的停留时间。对于这种方法，必需要附加的贮槽容积和更高的氧气需求。

US 4,749,494描述了一种用于处理废水的方法，其由活性污泥贮槽、稳定贮槽和超渗滤膜构成。经净化的水作为滤液流出，浓缩物输送回到稳定阶段。从稳定阶段输送回到活性污泥贮槽，从而在此调节到足够的活性污泥浓度。膜过滤的使用能够形成非常高的活性污泥浓度，从而使较小的活性污泥负荷成为可能，这样就减少了残留物质的生成。然而膜过滤的成本是非常高的。另外，由于高的活性污泥浓度和活性污泥的进一步的矿物化，造成对氧气需求的附加成本。

在文献资料中也指出了通过采用膜过滤而减少泥浆负荷，从而减少与之相关的残留物的生成(Staab K.F.，Wasser Abwasser Praxis(1997)4，pp.44-49)。进一步的减少可通过氧气分压的提高而达到，然而必须向装置输入氧气(Abbassi B.，S.Dullstein，N.Raebiger，Water Research 34(2000)1，pp.139-146)或增大工作压力(Staab K.F.，Wasser Abwasser Praxis(1997)4，pp.44-49)。二种方式都对进一步的矿物化起作用并显著地提高成本。

在一篇综述文章中(Korrespondenz Abwasser 37(1990)7，pp.793-799)，细菌、酶、维生素和藻类制剂作为在废水净化中的添加物质而被深入地研究。没有描述有导致减少残留物质生成的作用。Hoffmann H.和J.Traeckner(Korrespondenz Abwasser 44(1997)12，pp.2205-2212)已经试验了连续地加入细菌以在减少残留物质的同时分解高分子烃化合物。不能确定作用的有效性。

此外已知一种基于表面活性剂的用于减少残留物质生成的产品，它的作用方式类似于在EP 0 659 695中所描述的表面活性剂的作用方式(Schmitz，H.J.，WLB(1999)11-12，pp.41-42；Schmitz，H.J.，WLB(2000)6，pp.37-38)。除了还没有清楚地得到证实的作用外，其成本也是高的。

Rulkens，W.H.，J.H.Rensink，H.F.van der Roest(WQI(1998)Sept/Oct.，pp.25-27)和Lee，N.M.，T.Welander，Reducing(Water Research 30(1996)8，pp.1781-1790)描述了这种可能性，即、通过更高的生物而减少残留物质的生成。这优选利用单种细菌，其在水处理中只有通过方法技术的改变才以足够量存在。因为这种改变需要非常高的成本，更高的生物对改变了的环境条件反应非常敏感而且必须显著提高氧气的用量，所以这种方法实际上还没有被实际应用。

Schaedlich E.(WLB(1998)11-12，pp.30-31)已经发现通过加入类似疗法量的磷可提高生物磷酸盐的去除。从而可以不用加入用于去除磷酸盐的沉淀化学试剂。因为沉淀泥浆只是总残留物质量的一少部分，所以在采用一种技术时所产生的作用是非常有限的。

一种用于减少残留物生成的微生物方法是通过加入化学试剂如三氯苯酚、氯硝基苯酚、对硝基苯酚而分开组成代谢(生物物质构成)和分解代谢(基体分解)(Strand，S.E.，G.H.Harem，H.D.Stensel，WaterEnvironment Research 71(1999)4，pp.454-458，以及Low，E.W.，H.A.Chase M.G.Milner，T.P.Curtis，Water Research 34(2000)12，pp.3201-3212)。结果显示减少了残留物质的生成，但是由于这些物质的毒性和对环境的有害作用，采用一种技术是不可能的。

对于上述的用于减少残留物质生成的可能性的综述可在Low，E.W.，H.A.Chase，Water Research 33(1999)5，pp.1119-1132中找到。

所有已描述的方法都有更高氧气需求/能量需求的问题，只有酶是例外，其减少在水中含有的固体物质，而该固体物质构成总残留物质的一大部分。

因此，本发明的目的在于经济地和环保地减少在生物处理水的装置中生成的残留物质。

发明内容

该目的是通过用于水处理的方法而解决的，该方法的特征在于，大分子碳水合物以0.04-600mg/kg BSB_5，zu、优选0.4-600mg/kg BSB_5，zu、特别优选4-200mg/kg BSB_5，zu(在5天中的生物氧气的需求)的量，或每天0.0014-14mg/kg活性污泥干燥物质、优选每天0.014-14mg/kg活性污泥干燥物质、特别优选每天0.14-5mg/kg活性污泥干燥物质的量，在生物水处理装置中在处理前或处理过程中加入到水中，生物水处理装置例如根据流过法、活性污泥法、渗滤器法、固定床法、过滤器法、或流态床法工作。

在根据本发明的实施方案中，该方法的特征在于，大分子碳水合物和维生素以0.04-600mg大分子碳水合物/kg BSB_5，zu加0.00046-6.9mg维生素/kg BSB_5，zu、优选0.4-600mg大分子碳水合物/kg BSB_5，zu加0.0046-6.9mg维生素/kg BSB_5，zu、特别优选4-200mg大分子碳水合物/kg BSB_5，zu加0.00046-2.3mg维生素/kg BSB_5，zu的量，或每天0.0014-14mg大分子碳水合物/kg活性污泥干燥物质加每天0.000016-0.16mg维生素/kg活性污泥干燥物质、优选每天0.014-14mg大分子碳水合物/kg活性污泥干燥物质加每天0.00016-0.16mg维生素/kg活性污泥干燥物质、特别优选每天0.14-5mg大分子碳水合物/kg活性污泥干燥物质加每天0.0016-0.06mg维生素/kg活性污泥干燥物质的量，加入到要处理的水中或装置中。

此外，本发明还涉及水处理剂，其含有固体、液体、溶解或分散体形式的，优选水溶液或分散体形式的大分子碳水合物或大分子碳水合物和维生素。

本发明还涉及水处理剂在水处理装置中用于水处理的应用。对于水处理装置理解为所有可用于实施生物处理水的装置。在此特别指的是废水净化装置和废水处理装置。

优选藻酸钠可用作大分子碳水合物。优选地，所用藻酸钠例如是从Braunalge“Macrocystis pyrifera”获得的并具有在40000-120000之间、特别优选在80000-120000之间的分子量M_w。这种优选应用的藻酸盐是具有甘露糖醛酸酯和古洛糖醛酸酯的线性聚合物。甘露糖醛酸与古洛糖醛酸的比例例如是约60∶40。

然而其他的藻酸钠以及其他的大分子碳水合物也是适合的，如淀粉、葡聚糖、角叉菜聚糖、果胶、阿拉伯树胶、琼脂、黄原胶和这些物质的衍生物，优选具有相应的超过M_w＝40000的分子量，特别优选为超过200000的分子量。上述物质可以作为单独的物质使用或作为二种或更多种这些物质的混合物使用。

生物素、盐酸硫胺素、维生素B₆盐酸盐、氨基苯甲酸或这些物质的混合物优选用作维生素。

此外，除了上述物质外还可附加地将电解质盐类、多元醇、有机酸的盐类、低分子的氨基羧酸、大分子肽和芳香物质或这些物质的混合物加入到要处理的水中。

在此作为电解质盐类可优选使用元素周期表中的第1主族的无机金属盐类，特别是盐酸盐，作为低分子的氨基羧酸可优选使用甘氨酸，作为有机酸的盐类可优选使用二水合柠檬酸三钠，作为多元醇可优选使用山梨醇-甘露糖醇混合物，作为大分子肽可优选使用牛血清白蛋白，而作为芳香物质可优选使用菠萝香料，或采用这些物质的混合物。

上述物质或物质混合物可以固体、液体、溶解或分散体形式使用，优选为水溶液或分散体的形式。

此等优选应用的溶液或分散体可例如含有1-100g/l、优选5-30g/l的上述大分子碳水合物。

因此，例如有可能的是采用含有除了上述大分子碳水合物外还含有0.002-20g/l、优选0.02-2g/l维生素的溶液或分散体。

此外还有可能的是，除了大分子碳水合物和维生素外，采用还含有浓度为0.1-500g/l、优选1-50g/l电解质盐类、多元醇、有机酸的盐类、低分子的氨基羧酸、大分子肽和芳香物质或这些物质的混合物的溶液或分散体。

通过采用具有上述浓度和组成的所述物质，可达到减少在生物处理水装置中残留物质的生成，考虑到在所要处理的水的体积中所用的水处理剂的较少浓度，这是令人惊奇的。

通过计量加入根据本发明的物质，在生物装置中的残留物质的生成可减少至少20％和直至80％，而没有其他实际的、经济的或与环境相关的缺点。

锰离子可对根据本发明的作用效应产生不利的影响，所以应避免特别高浓度的锰。

当泥浆在整个装置(活化和最后沉淀)中的停留时间是足够长时，减少残留物质生成的作用将特别好。以所有的干燥物质物料计，优选的是停留时间为30-300天，优选多于100天。在工作运转过程中，优选不应有泥浆被抽取，以达到理论上无终端的停留时间以及因而活性污泥更快的通过。优选在约2-8周后可以特别好地减少残留物质的生成，并且可再次连续地或不连续地抽取泥浆，而停留时间没有减少到预先给定值以下。泥浆停留时间的延长可通过提高活化中的干燥物质的浓度、增大在沉降中泥浆堆的高度或采用分开的容器/贮槽而实现，所述分开的容器/贮槽安装在泥浆的循环回路中。容器/贮槽的安装作为对于装置的进一步的措施也是可能的，在装置中二种最先提到的方案由于较小的构造容积是不可实施的。这当然也适合于装置的新构造结构。

具体实施方式

物质的作用根据下面的采用根据表1的藻酸钠和水处理剂的实施例清楚地得到解释。

                 表1：用于水处理剂的组分的例子

  物质组 作用物质(W) 或添加剂(A)单种物质  浓度(g/l)  电解质盐类 A氯化钠(NaCl)氯化钾(KCl)  2  2  低分子的氨基羧酸 A甘氨酸(C₂H₅NO₂)  5  多元醇 A山梨醇-甘露糖醇混合物(C₆H₁₄O₆)  1  有机酸的盐类 A二水合柠檬酸三钠(C₆H₅Na₃O₇·2H₂O)  4  大分子肽 A牛血清白蛋白  0.01  芳香物质 A菠萝-香料  0.25  维生素 A1)生物素(C₁₀H₁₆N₂O₃S)2)盐酸硫胺素(C₁₂H₁₈Cl₂N₄OS·xH₂O)3)维生素B6盐酸盐(C₆H₁₁NO₃·HCl)4)氨基苯甲酸(C₇H₇NO₂)  1)0.01  2)0.1  3)0.02  4)0.1  大分子碳水合物 W藻酸钠((C₆H₇O₆Na)_n)  20

所有物质都溶于水

在表1中给出的水性混合物优选用水稀释(1∶2至1∶10)后计量加入到装置中。

在以下实施例中给出的计量量涉及到在表中所给出的混合物而不是其他所描述的物质。

试验装置

在图1中所示的活性污泥装置由废水贮槽1、200升的气化反应器2以及沉降贮槽3构成，在沉降贮槽中活性污泥被分离。经分离的活性污泥用泵输送回到反应器2中。一小部分作为残留物质4抽取出。因为所生成的残留物质的量主要取决于已经分解的物料，所以所生成的残留物质的量与这些物料有联系。图2示出了在恒定的方法技术调节下对于不同的藻酸钠计量量下装置的单位残留物质生成随时间的变化。没有添加物时单位残留物质的量测定为0.1干燥物质/kg经去除的BSB₅(在5天中生物的氧气需求)的量。在计量量开始为30mg/kg BSB_5，zu(向装置中加入的BSB₅)后的四周，可确定一个恒定的和几乎60％的残留物质生成的减少。通过进一步提高计量量到40mg/kg BSB₅，减少作用可提高到70％以上。在五周后计量量调节到50mg/kg BSB_5，zu，然而不再对减少残留物质的生成起作用。如图2所示，在37周的试验时间内可清楚地证实在可重复的条件下物质混合物的作用。

生物处理装置1

在根据图3的生物处理装置中处理约8000居民数(1居民数＝60gBSB₅/d)的物料。在通过格筛2和沙阱3后，废水1被输送到联合贮槽4中，在此进行间歇的硝化/去硝化。随后进行活性污泥的分离和输送回到联合贮槽4中。因为残留物质用于农业和必须进行相应的证实，所以所产生的量的准确确定是可能。

在表2中清楚获知，通过计量加入物质混合物，达到了残留物生成的显著减少。没有加入时将产生每年100吨干燥物质，这相当于单位生成产物为0.6kg干燥物质/kg经分解的BSB₅，并且也是从其他装置已知的。通过加入物质混合物，残留物质的生成可以减少到每年41吨或0.25kg/kg经分解的BSB₅。以这个结果，记录了物质混合物在4年时间中的作用方式，这样也考虑到了长期的天气情况的影响。

                       表2：生物处理装置1的残留物质生成

 年份  经分解的物料  (kg BSB₅d^-1)  残留物质生成  (t TS a^-1)单位残留物质生成(kgTS(kgBSB₅，elim)^-1)产物掺杂(ml(kgBSB_5，zu)^-1) 1.(1997)  450  1000.61无 2.(1998)  422  560.361.2 3.(1999)  360  650.500.7 4.(2000)  450  410.252.2

生物处理装置2

生物处理装置2(图4)具有约40000居民数(EW)的结构构造尺寸而且是为了最彻底的硝化和去硝化而设计的。所要处理的水1在机械预处理2后，在其到达生物阶段之前，在预沉淀池3中将颗粒物质净化去除。其由预先设置的去硝化4、硝化5和沉降阶段6构成。在图5中示出了单位残留物质生成随试验时间的变化。根据表1的水处理剂的计量量在1.0-2.0ml/kg BSB_5，zu之间变动。试验开始后三周在计量量为1.0ml/kg BSB_5，zu时测得有20％的减少，而随后三周的结果是恒定的。计量量提高到1.5ml/kg BSB_5，zu显示出在一周内残留物质的生成有50％的强烈减少，该结果在随后的三周中也保持恒定。将计量量再次提高到2.0ml/kg BSB_5，zu时，减少量提高了5％，达到55％，并且保持恒定至试验时间的终止。在14周的时间内可以清楚地证明物质混合物的作用方式和计量量对大规模工艺装置的影响。

表3

                                               计量量

               mg/kg BSB_5，zu                   mg/kg TS每天

           大分子碳水合物        维生素         大分子碳水合物    维生素

  宽  0.04-600  0.00046-6.9  0.0014-14  0.000016-0.16  中等  0.4-600  0.0046-6.9  0.014-14  0.00016-0.16  狭  4-200  0.046-2.3  0.14-5  0.0016-0.06