市政废水处理装置及采用连续进料和循环曝气的方法

摘要

本发明公开一种有效的市政废水处理装置和方法，其特征在于：氮通过循环曝气反应器中的硝化和脱硝反应而除去，其中，在单个反应器中厌氧状态、缺氧状态和有氧状态转变为时间概念，未处理的有机物质被24小时连续曝气反应器进一步除去。

说明书

技术领域

本发明涉及市政废水处理装置(municipal wastewater treatmentapparatus)以及利用连续进料(continuous feed)和循环曝气(cyclic aeration)的处理方法，其中单一反应池中的厌氧状态(anaerobic state)、缺氧状态(anoxic state)和有氧状态(oxic state)被转换成时间概念(time concept)，以同时除去有机物质和营养物质。

背景技术

在一个完全的批处理类型(complete batch type)SBR中，通过已处理的水排放之后的市政废水的缺氧流入而起动循环，并且进行脱硝作用(denitrification)。进入的废水作为碳源被耗尽以提高硝化微生物的生长条件，而在没有废水流入的情况下则发生有氧反应。并且，在沉降/排放过程中，废水是不流动的。所述SBR，一种完全的批处理类型，有很高的沉降效率，并且可以增加已被处理的水的排放百分比。

Omniflo SBR包括一个逻辑控制单元和一个曝气单元(aeration unit)，而且可以通过测定DO的方法控制曝气单元，将硝化作用过程和脱硝作用过程最优化。

由Transenviro公司开发的循环的活性污泥系统(CASS^TM)包括在入口处的选择器(selector)，返回的污泥进入该选择器。主要的脱硝反应发生在混合槽中，并且是在有氧条件或者污泥絮凝物中的缺氧条件下进行。该系统具有避免了污泥的浮选的优点，因为减少了在沉降阶段通过废水流入而发生的脱硝作用，同时纤维状有机体(filamentous organisms)的生长受到抑制，而且由于水力搅拌性(hydraulic stirrability)，也不需要搅拌器。

在间歇性循环延时曝气系统(ICEAS)中，在各相中连续供应流入水，主要的脱硝反应在因空气开/关(air on/off)引起的污泥絮状物(sludge floc)中的缺氧条件下进行。该系统由单一反应器组成，该反应器包括顶部区域的选择器、中间区域的主槽和底部的沉降槽(sedimentation tank)组成。顶部区域的选择器促进了脱硝微生物的生长，并且同时通过除氮抑制了纤维状有机体的生长。

已被安装到通常的市政废水处理厂的SBR反应器，CASS和ICEAS，都有以下一些不足之处：它们的操作复杂且一些有机物质可能在缺氧和厌氧状态下以未被处理状态排放。因此，为了更完全地处理这些有机物质，需要改进处理过程。

发明内容

本发明的目的是提供有效的市政废水处理装置和方法，通过诱发单一反应器中的硝化和脱硝反应来除去废水中的氮，并且在市政废水处理过程中能更有效地除去有机物质。

已经发现：在市政废水处理过程中通过使用连续曝气反应器和循环曝气反应器同时除去有机物质和营养物质可以实现上述目的，利用循环曝气阶段通过硝化反应和脱硝反应除氮，以及通过连续曝气阶段更有效地除去有机物质。

因此，本发明提供有效的市政废水处理装置和方法，其特征在于：通过循环曝气反应器中的硝化和脱硝反应除去氮，其中，在单一反应器中厌氧状态、缺氧状态和有氧状态都转换成时间概念，并且，那些未被处理的有机物质通过24小时连续曝气反应器而被进一步除去。

附图说明

根据结合附图对优选实施方案进行的下述说明，本发明的上述和其它的目的和特点变得更为明显。

图1是根据本发明利用连续进料和循环曝气的市政废水处理装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及市政废水处理装置和利用连续进料和循环曝气的处理方法，其中，单一反应器中厌氧状态、缺氧状态和有氧状态转换成时间概念，以同时除去有机物质和营养物质。

特别是，采用24小时连续供应市政废水的方式的本发明的市政废水处理装置包括以下部件：

循环曝气反应器2，该反应器具有24小时连续供应的废水，由在预定的时间间隔工作的定时器循环曝气，其中，氨水中的氮被从微生物控制槽中洗脱出来的微生物在有氧状态下硝化，在停止氧气供应的缺氧状态下已硝化的硝酸盐氮还原为氮气(N₂)并被除去，且磷通过磷聚积有机体(PAOs)以正磷酸盐(PO₄-P)的形式洗脱出来，在厌氧状态下该磷聚积有机体能够将磷以多磷酸盐(poly-p)的形式聚积在细胞内，在厌氧状态下循环曝气反应器中的NO_X-N的浓度通过缺氧状态下的脱硝作用达到零；

微生物控制槽5，其安装在循环曝气反应器内且在循环曝气反应器中的有氧状态下洗脱活性微生物；

连续曝气反应器3，其被24小时连续供应的氧气曝气，用于进一步处理一些因连续注入而在循环曝气反应器中未被处理的有机物质；

沉降槽4，用于从已处理的废水中固液分离微生物；

污泥返回线(sludge return line)13，用于根据循环曝气反应器中的微生物浓度的必须量，将沉降槽中沉降的污泥送回循环曝气反应器；

废污泥输送线14，用于将沉降槽中多余的污泥输送到污泥储槽(sludge storage tank)6；

污泥储槽6，用于排出多余的污泥；和

污泥储槽上清液返回线15，用于将污泥储槽的上层液体和所供应的废水一起送入循环曝气反应器。

此外，本发明提供用连续进料和循环曝气来处理市政废水的方法，包括以下步骤：

硝化步骤，在循环曝气反应器的有氧状态下，用从微生物控制槽中洗脱出来的微生物氧化氨水中的氮；

脱硝步骤，在循环曝气反应器停止氧气供应的缺氧状态下，还原被硝化的硝酸盐氮为氮气(N₂)；

通过PAOs以PO₄-P的形式洗脱磷的步骤，该PAOs在厌氧状态下将磷以多磷酸盐颗粒(Xpp)的形式聚积在细胞内，在厌氧状态下循环曝气反应器中的NO_X-N的浓度通过缺氧状态下的脱硝作用达到零；

连续曝气步骤，通过24小时连续供应的氧气来二次处理一些因连续注入而在循环曝气步骤中未被处理的有机物质；

沉降步骤，用于从已被处理的废水中固液分离微生物；

污泥返回步骤，用于根据循环曝气反应器中的微生物浓度的必须量，将沉降的污泥送回循环曝气反应器，以及将剩下的多余的污泥集中(concentrating)在污泥储槽中；

排放步骤，用于排出集中在污泥储槽中的污泥，以及将污泥储槽的上清液和所供应的废水一起送入循环曝气反应器中。

下文中，将参照附图更详细地描述本发明。

图1示出根据本发明采用连续进料和循环曝气的市政废水处理装置的实施例。

市政废水处理装置1用于处理从家庭排放的市政废水。

微生物控制槽5安装在循环曝气反应器2内，使得在供氧活化后通过固体加工和缓慢洗脱，选择培养的微生物可以长期保存。在微生物控制槽5中活化的微生物在循环曝气反应器中供应氧气的有氧状态下通过氧化作用将NH₄-N硝化为NO₃-N。

在循环曝气反应器停止氧气供应的缺氧状态下，利用注入的废水中的有机物质进行脱硝作用，被硝化的NO₃-N被还原为氮气(N₂)释放出来。

一旦脱硝反应在缺氧状态下完成，那么反应器就会变成厌氧状态。在厌氧状态下，磷通过PAOs以PO₄-P的形式被洗脱出来，而在再次供给氧气的有氧状态下，磷由于被过度摄取(luxury up-take)而再次被除去。

为了克服SBR反应器的缺点，即操作复杂，本发明的装置包含24小时连续曝气反应器3，借此，可能更好地处理在没有氧气供应的缺氧和厌氧状态下起初未经处理的有机物质。

接着，进行固-液分离，以从在沉降槽4中将生长的微生物从已处理的废水分离出来，并将沉降的污泥经污泥返回线13返回到循环曝气反应器2，以在循环曝气反应器2中获得稳定量的微生物。

为了将多余的污泥存放在污泥储槽6内，将沉降槽中的污泥通过废污泥输送线14输送到污泥储槽，且上清液与集中在污泥储槽6中的污泥分离。为了将废水处理得更完善，该分离的上清液通过污泥储槽上清液返回线15再次流入到处理装置1中。

下文将根据本发明的一个实施方案，更详细地描述本发明的连续进料和循环曝气型废水处理装置中各个槽的功能。

本发明的连续进料和循环曝气型市政废水处理装置1采用循环曝气曝气反应器2以同时除去有机物质和营养物质，如此运行反应池使得通过将空间概念转换为时间概念，在单一反应器中相继形成厌氧状态、缺氧状态和有氧状态。

在循环曝气反应器2的生物处理中最重要的是，通过将已处理的物质与微生物分离且用微生物将有机物质迅速除去，保持已处理的水的质量稳定。

因此，根据本发明，微生物控制槽5中充满有具有良好的有机物质的除去能力和高沉降效率的固化的(solidified)微生物。微生物控制槽5中的微生物主要是由土壤微生物和杆状菌类微生物组成。固化的微生物被流入的氧气活化并连续供应到循环曝气反应器2中。

为了周期性地形成有氧、缺氧和厌氧状态，可以通过定时器对循环曝气反应器2进行周期性曝气，该定时器在规定的时间间隔运行。在一个实施方案中，废水在循环曝气反应器中总的停留时间是例如6小时，其中空气供应时间为3.5小时，缺氧状态下的停留时间为1.5小时和厌氧状态下的停留时间为1小时。在反应器中各状态下的停留时间可以依据废水的状况和废水处理厂的规模来作适当选择。

为了形成有氧状态，通过由鼓风机定时器自动控制的鼓风机9将氧气供应到循环曝气反应器2中。在有氧状态下，使用连续供应的氧气通过在微生物控制槽5中被活化的微生物的新陈代谢作用来进行硝化。有氧状态下的硝化作用按以下所示的反应进行。

在上述反应中，参与由NH₄⁺生成NO^2-的氧化反应的微生物为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)的细菌如N.europaea和N.monocella，和亚硝化球菌属(Nitrosococcus)的细菌。

由NO₂^-生成NO₃^-的第二个氧化反应由Nitrobacter属微生物如N.agilis和N.winogradskyi，和Nitrosocystis属微生物进行。

在氧气供给被鼓风机定时器阻止(blocked)时的缺氧状态下，脱硝细菌利用已处理的水中的有机物质作为碳源，按照下列反应式将在有氧状态下硝化的硝酸盐氮(NO_X-N)还原，氮以氮气的形式释放到大气中去。

搅拌器8和循环曝气反应器安装在一起以充分混合反应器中的物质且使脱硝细菌(denitrifying bacteria)在有氧状态下和碳源以及NO_X-N接触。尽管乙酸、柠檬酸、甲醇等是用作脱硝反应的给电子体的外部碳源，但是考虑到经济因素，设计反应器以利用已处理的物质中的有机物质作为内部碳源。

在厌氧状态下，其中循环曝气反应器中存在的NO_X-N的浓度通过缺氧状态下的脱硝作用达到零，磷被PAOs以PO₄-P的形式洗脱出来，PAOs将磷以多磷酸盐(poly-p)颗粒(Xpp)的形式聚积在细胞内。在再次供给氧气的有氧状态下，磷通过过度摄取被再次除去，从而微生物消耗更多的磷。

经过循环曝气反应器2的已处理的水被供应到连续曝气反应器3中，该反应器通过24小时连续吹入空气而保持在有氧状态下。在循环曝气反应器2的缺氧和厌氧状态下，一些有机物质可能以未被处理的状态排放出去。为了更完全地处理排出的废水中的这类未被处理的有机物质，水被输入到连续曝气反应器3中，向该反应器3中通过鼓风机11连续供应氧气，以保持有氧状态24小时，且有机物质可以在这里得到二次处理。

经过连续曝气反应器3的已处理的水和污泥被输送到沉降槽4中。从连续曝气反应器3中排出的水包含微生物和已处理的水。微生物形成絮凝物(flocs)，且该絮凝物由于重力作用而沉降在沉降槽4的底部，而已处理的水从沉降槽的顶部排出。一些已沉降的污泥通过污泥返回线13返回到循环曝气反应器2中，以在循环曝气反应器中得到合适量的微生物，而沉降槽中多余的污泥则通过废污泥输送线14输送到污泥储槽6。

集中在储槽6中的污泥可以通过污泥处理系统处理，该系统根据废水处理厂的规模进行选择。如果是大规模的废水处理厂，就需要在处理厂里安装脱水器以处理在工厂自身内的污泥，这使污泥处理的费用更为经济。同时，将集中的污泥定期输送到污泥处理厂并在那里处理这些污泥也是经济上有效的。为了建立更完善的废水处理，污泥储槽6中的上清液通过上清液返回线15再次流入到处理装置1。

现在描述本发明的优选实施方案。该实施方案用于说明本发明的实施例，而不限制本发明。

实施例

实施例中所用的缩写表示下列含义：

BOD代表生物需氧量。

T-N(总氮)指氮的总量，包括废水中的有机氮和无机氮NO₂-N和NO₃-N。

T-P(总磷)指废水中的可溶性磷和不溶性磷的总量。

图1所示的实验室规模的市政废水处理装置用透明的聚丙烯材料(acryl substance)来构建。进行实验以处理取自位于朝鲜共和国的Gyeong-gi省的一家市政废水处理厂的源废水(source wastewater)。该实验所用的装置和反应器的类型和尺寸归纳于下面的表1中。

                          表1

  反应器和装置    尺寸  其他  循环曝气反应器    5.0L(Φ＝17cm，H＝25cm)  圆杆型，市政废水  消化污泥  连续曝气反应器    1.7L(Φ＝10cm，H＝25cm)  圆杆形  沉降槽    2.5(Φ＝20cm，H＝25cm)  圆锥型，料斗的倾  斜度保持为60°  微生物控制槽    0.2(Φ＝0.7cm，H＝18cm)  圆杆形  pH计    Orione 250A  pH，温度测定  输送泵    Master-flex泵  双头(2 head)  搅拌器    Panasonic M6GA30M  60rpm  鼓风机    Koreadakkasi^TM SPP-200GJ-H  容量(capacity)40  升/分

使用pH计来测定循环曝气反应器和连续曝气反应器等中的pH值和ORP(氧化还原电位)。设置鼓风机来将空气送入循环曝气反应器和连续曝气反应器中。在循环曝气反应器中，废水在反应内的总停留时间为6小时，使用鼓风机定时器来自动控制每段停留时间使得空气供给时间为3.5小时，缺氧状态保持1.5小时且以及厌氧状态的保持时间为1小时。

运行所构建的装置处理废水6个月，处理效率作为实验室运行得到的平均值归纳在表2中。

                                  表2

    BOD    T-N(总氮)    T-P(总磷)    浓度   (mg/l)  去除效  率(％)   浓度  (mg/l)  去除效  率(％)  浓度  (mg/l)  去除效  率(％)  原料废水    117    -    44    -    4.1    -  排放水    4.8    95.9    12    72.7    1.5    63.4

如表2所示，根据本发明的处理完成后所得的水呈现出很好的质量。也就是说，氮和磷的除去效率分别为72.7％和63.4％，BOD为4.8mg/l，这意味着有机物质的除去效率非常高，达到95.9％。因此，本发明的方法对有机物质和营养物质都有很高的除去效率。

因此，可以注意到采用本发明的装置处理的废水满足了从市政废水处理厂排放水(effluent water)的要求。

基于以上的结果，本发明的用于处理市政废水的装置，不仅易于操作，而且在除去有机物质和营养物质方面均有很高的效率，所以它既可以应用到大规模的废水处理厂，也可以应用到小规模的处理厂。