去除废水中碳、氮、磷的废水处理系统与方法

专利名称：去除废水中碳、氮、磷的废水处理系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种新颖的去除废水中碳、氮、磷有机物的废水处理系统与方法，其主要是将甲烷菌应用于废水处理系统，可有效降低剩余污泥产量并减少动力耗损问题。
背景技术：
早期废水处理系统设计大多是以减少有机污染为目的，避免其排入水体后因微生物分解有机物消耗水中氧气，造成水体溶氧降低而影响水生生物生存。然而都市污水中除有机物外，也含有丰富的氮、磷，这些化合物是各种藻类生长必需的营养元素，在适当的温度与充分的日光照射之下，丰富的氮、磷将造成水体藻类滋长，对水体产生另一种危害。
传统都市污水多以活性污泥法处理，主要以去除污水中碳基质为目的，一般虽然可用初级处理去除约5-15％的磷(主要与固体物结合)，用传统生物处理方法移除约10-25％磷，并经由微生物硝化作用将氨氮转化为硝酸态氮，然而对整体氮、磷营养盐的去除能力仍有限。目前，国际间大多已对都市污水中氮、磷营养盐制定有严格的排放标准，我国虽然仅对排放废(污)水至水源水质水量保护区的公共下水道，制定有总氮浓度15mg/L、总磷浓度2mg/L的排放流水标准。然而为有效维护水体的生态平衡，防止地表承受水体优养化问题，且随着我国公共下水道建设普及化，严格管制氮、磷营养盐的排放，已逐渐成为必然的管制趋势。
都市污水中氮多以氨氮与有机氮形式存在，无论是好氧或厌氧生物处理，有机氮容易被代谢转化为氨氮。传统的生物脱氮程序，即是利用微生物在好氧条件下，将氨氮氧化成硝酸态氮，再在厌氧条件下，将硝酸态氮还原成氮气逸散出水体，达到污水脱氮的目的。
水中磷化合物则可以下列几种方式加强去除(1)化学沉淀通过添加Ca、Fe、Al等离子与控制pH产生沉淀，(2)微生物的磷的同化作用，(3)微生物累积蓄磷酸盐，(4)微生物控制的加强化学沉淀，其中微生物除磷为近年来开始广泛应用的技术。磷在细胞内是以蓄磷酸盐粒状物形式储存，可做为细胞能量与磷的来源。在污水处理系统中，有一类统称为蓄磷菌(Phosphate Accumulating Organism，PAO)的特殊微生物，在厌氧的状态下会释放磷，在好氧的状态下会超出生理需求的大量摄取水中磷酸盐。蓄磷菌在没有溶氧与结合氧的状态下，以菌体内聚磷酸盐粒状物分解获得能量，进行乙酸等低分子脂肪酸(来自兼性菌水解产物或原污水中即存在)吸收并聚合成聚-β-羟基丁酸盐(poly-β-hydroxybutyrate，PHB)储存于细胞内，聚磷酸盐粒状物分解将使磷释放至污水中。在好氧状态下，蓄磷菌以氧为电子受体，将储存在菌体内的PHB或外部碳源好氧分解产生能量，并利用此能量过量摄取污水中的磷酸盐，在菌体内转化成聚磷酸盐，再通过移除过剩污泥，即可达到污水除磷的目的。
为了达到同一废水处理系统中可同时脱氮除磷，废水系统中基本上需具有厌氧、缺氧与好氧三个不同氧化状态，厌氧·缺氧·好氧活性污泥法(Anaerobic-Anoxic-Oxide Activated Sludge Process，A2O)(参照图1所示)常用以处理含有机碳、磷与氮的废水，使废水经厌氧、缺氧、好氧等生物处理程序，达到同时脱氮、除磷效果。A2O处理程序的微生物以硝化菌、脱硝菌、蓄磷菌与降低化学需氧量(Chemical oxygen demand，COD)的异养菌为主。在厌氧池(或厌氧槽)中，当脱硝菌、蓄磷菌进行去磷脱氮过程，必须供应有机碳以进行生化代谢作用，而脱硝菌、蓄磷菌去磷脱氮过程代谢作用后剩余的有机物，则在好氧池(好氧槽)中利用异养菌进行分解，此时好氧池将扮演提供氨氮硝化与有机物矿化的场所，因此在传统A2O处理程序正常操作下会产生大量的剩余污泥，若设计或操作不当，很容易造成硝化菌流失而使脱氮功能不彰；Zenon公司将薄膜过滤技术与A2O程序结合，虽可解决硝化菌流失问题，但由于动力消耗大并产生大量污泥，因此仍无法有效克服脱氮不足的问题。
本发明申请人的TW第92132719号“含有机污染物的废水处理系统”揭露了一种含有机污染物的废水处理系统，包含一厌氧反应槽、一好氧反应槽、及一薄膜分离槽；其中所述好氧反应槽是设置在厌氧反应槽之后，所述薄膜分离槽是设置于好氧反应槽之后，该系统是利用生物处理法去除废水中的有机污染物，并以薄膜分离固液两相。该含有机污染物的废水处理系统主要可有效去除废水中的有机污染物(例如有机生化代谢物)，解决薄膜表面结垢与积垢问题。然而废水中所含的物质除有机污染物外，大多同时还含有碳、氮、磷。因此，开发一废水处理技术，可同时去除废水中碳、氮、磷且改善传统废水处理系统动力消耗大并产生大量污泥的问题(例如A2O)，是目前业界值得研究的课题。

发明内容
由前述可知，现有技术中的废水处理系统在废水除磷脱氮过程中由于化学需氧量过高，而加重好氧槽的处理负担，导致动力消耗量大增而剩余污泥也有过多的现象，因此本发明的主要目的在于提供一种能同时去除废水中碳、氮、磷污染物的废水处理系统与方法，以减少动力的消耗量，与降低剩余污泥的产生量。
为达上述目的，本发明提供了一种去除废水中碳、氮、磷污染物的废水处理系统，包含第一槽，包含甲烷菌、蓄磷菌以及脱硝菌，所述脱硝菌具有脱硝作用能同时去除部分有机碳，蓄磷菌能吸附部分有机碳而释出磷酸盐，甲烷菌能代谢有机碳而产生甲烷气体；第二槽，设置于所述第一槽之后，第二槽主要利用脱硝菌及蓄磷菌处理第一槽的出流水，所述脱硝菌具有将硝酸盐脱硝的功能，蓄磷菌具有进行释磷作用的功能；第三槽，设置于所述第二槽之后，第三槽主要包含蓄磷菌、异养菌及硝化菌，其中蓄磷菌具有进行摄磷作用的功能，异养菌具有进行除碳作用的功能，硝化菌具有进行硝化作用的功能；以及一薄膜，其设置于所述第三槽中或之后，能分离各种微生物与经处理后的出流水。
本发明的去除废水中碳、氮、磷污染物的废水处理系统，主要是通过在去磷脱氮系统中，加入甲烷化功能，使其废水处理系统同时具备微生物甲烷化、微生物去磷与微生物脱硝的功能，以甲烷菌取代传统A2O系统中大部分好氧异养菌的功能，将去磷脱氮过程代谢作用后剩余的有机物在第一槽就进行甲烷化，使好氧槽(即第三槽)主要扮演提供氨氮硝化作用的场所，以减少动力的消耗量，与降低剩余污泥的产生量。
在本发明的一具体实施方案中，所述薄膜是设于第三槽中，当薄膜设于第三槽中时，本发明的系统还设置有能使第三槽的混合液可回流至第一槽和/或第二槽处理的装置。
在本发明的另一具体实施方案中，所述薄膜是设于第三槽之后，此时可增设一第四槽用于放置该薄膜。在本实施方案中，所述系统还设有能使第四槽的混合液可回流至前述第一槽和/或第二槽处理，第三槽的混合液可回流至第二槽处理的装置。
优选地，所述第一槽为污泥床型式(sludge bed-type)，第二槽与第三槽皆为完全混合型式(complete mixing-type)。若第一槽的脱硝菌进行脱硝过程的有机碳源不足，也可将部分原废水直接导入第二槽进行处理。
在一优选实施例中，所述薄膜可进一步以气体冲洗，该气体包含生物产气(biogas)或空气；生物产气包含氮气、甲烷、二氧化碳与氢气。利用生物产气冲洗薄膜可降低水中pH值0.2-1.0单位，进一步防止结垢产生。
本发明还提供一种利用所述废水处理系统去除废水中碳、氮、磷污染物的处理方法，包含下列步骤(a)将废水导入一第一槽，使第一槽中的甲烷菌、蓄磷菌以及脱硝菌分解、吸附废水中的有机污染物与硝酸氮；(b)将第一槽的出流水导入第二槽，使第二槽中的脱硝菌及蓄磷菌处理所述第一槽的出流水，令所述脱硝菌将硝酸盐脱硝，同时使蓄磷菌吸附有机物进行释磷作用；(c)将第二槽的出流水导入第三槽，使第三槽中的蓄磷菌进行摄磷作用，使异养菌进行除碳作用，使硝化菌进行硝化作用；以及(d)将第三槽的出流水导入薄膜，利用薄膜分离各种微生物与经处理后的出流水，同时，可利用排泥机制去除含磷微生物以达到磷的去除。
在本发明的一具体实施方案中，所述薄膜是设于第三槽中，当薄膜设于第三槽中时，第三槽的混合液可回流至第一槽和/或第二槽处理。
在本发明的另一具体实施方案中，所述薄膜可设于第三槽之后，此时是增设一第四槽用于放置该薄膜。在本实施方案中，第四槽的混合液可回流至前述第一槽和/或第二槽处理，第三槽的混合液可回流至第二槽处理。
本发明还提供一种去除废水中碳、氮、磷污染物的处理方法，主要是包含利用甲烷菌、脱硝菌、硝化菌、蓄磷菌与好氧异养菌将废水中碳、氮、磷污染物进行去磷脱氮与除有机物等功能，其中所述甲烷菌可在脱硝菌、硝化菌、蓄磷菌在去磷脱氮过程中，参与其中代谢有机碳以进行甲烷化，可同时达到微生物甲烷化、微生物除磷及微生物硝化与脱硝的功能。
本发明提供的改良传统技术的去除废水中碳、氮、磷污染物的处理系统与方法，利用加入甲烷菌使脱硝菌、硝化菌、蓄磷菌去磷脱氮过程中产生的有机碳进行甲烷化，可使好氧槽主要扮演提供氨氮硝化作用的场所，能减少动力的消耗量、降低各反应槽体积与降低剩余污泥的产生量。


图1为传统A2O废水处理系统示意图。
图2为本发明的废水处理系统的实施方案示意图。
图3为本发明实施例中废水处理系统的示意图。图中，①表示原废水(Raw water，RW)，②表示多功能反应槽进流水(MFR influent，MFRINF)，③表示多功能反应槽出流水(MFR effluent，MEREFF)，④表示缺氧反应槽出流水(Anoxic effluent，AxEFF)，⑤表示最终出流水(Permeate，PM)，⑥表示薄膜槽回流水(Membrane tank，MT)。
图4为本发明实施例中各反应槽平均COD浓度的变化情形。
图5为本发明实施例中各反应槽平均含磷浓度的变化情形。
图6为本发明实施例中各反应槽平均氨氮浓度的变化情形。
图7为本发明实施例中各反应槽平均硝酸氮浓度的变化情形。
图8为本发明实施例中各反应槽中微生物所含PHA的变化情形。
图9为本发明实施例中多功能反应槽中气体组成的变化情形。
图10为本发明比较例中本发明反应槽总体积与传统薄膜-A2O程序曝气槽的体积比较。
图11为本发明实施例中，以分子生物鉴定技术鉴定多功能反应槽中的菌相结果。
图12为本发明实施例中，以分子生物鉴定技术鉴定缺氧反应槽中的菌相结果。
图13为本发明实施例中，以分子生物鉴定技术鉴定好氧反应槽中的菌相结果。
图中主要符号说明1多功能生物反应槽 2缺氧反应槽 3好氧反应槽 4薄膜分离槽具体实施方式
本发明所沿用的现有技艺，在此谨作重点式的引用，以助本发明的阐述。并且本发明中相关附图并未按照比例绘制，其作用仅在表现本发明的结构特征。
本发明所提供的去除废水中碳、氮、磷污染物的处理系统与方法，改善传统A2O处理程序，在去磷脱氮系统中加入甲烷化功能，开发一个多功能生物反应器，使其同时具备微生物甲烷化、微生物释磷与微生物硝化与脱硝的功能，即以甲烷菌取代好氧异养菌，将去磷脱氮过程代谢作用后剩余的大部分有机物进行甲烷化，使好氧槽主要扮演提供氨氮硝化作用的场所，以减少动力的消耗量，与降低剩余污泥的产生量。
更明确而言，本发明的去除废水中碳、氮、磷污染物的处理系统10的一具体实施例，如图2所示，包含多功能生物反应槽1(即第一槽)，其中含有甲烷菌、蓄磷菌以及脱硝菌，且在该槽中进行下列作用脱硝菌的脱硝作用同时去除部分有机碳，蓄磷菌吸附部分有机碳而释出磷酸盐，及甲烷菌代谢有机碳而产生甲烷气体；缺氧反应槽2(即第二槽)，设置于所述多功能生物反应槽1之后，藉由脱硝菌与蓄磷菌处理所述第一槽的出流水，所述蓄磷菌吸附部分有机碳而释出磷酸盐，脱硝菌的脱硝作用同时去除部分有机碳；好氧反应槽3(即第三槽)，设置于缺氧反应槽2之后，藉由蓄磷菌将所述多功能反应槽所吸附的有机碳进行好氧代谢，硝化菌将氨氮转化成硝酸氮，与其它好氧微生物处理除去所述缺氧反应槽2出流水残余的有机污染物；以及薄膜分离槽4，设置于所述好氧反应槽3之后，用以分离各种微生物与经处理后的出流水。
多功能生物反应槽1中的脱硝化菌会在厌氧状态下先将废水中的NO3-转变为N2；蓄磷菌会进行释磷作用，作用方式如下所示有机物+(poly-P)n+H2O--->PHB+PO4-3+(poly-P)n-1+......
由于所述脱硝释磷作用会造成多功能生物反应槽1中的磷酸盐升高硝酸盐降低，而脱硝释磷作用所残余的有机碳及水中含有的氨氮，可在好氧反应槽3中进行好氧异养菌的除碳代谢反应与硝化反应中去除。若水中含碳量过高，将使好氧反应槽3的硝化效率降低。因此需要于多功能生物反应槽1中，增加甲烷菌的甲烷化功能，以降低化水中的含碳量，使好氧槽的主要功能仅为提供氨氮硝化作用，而不需耗费多余动力来处理剩余的有机碳，以减少动力的消耗量，同时可降低剩余污泥的产生量。
由于多功能生物反应槽1的进流水可包含薄膜分离槽4的回流水，回流目的在于回收微生物，因此多功能生物反应槽1不需设置固气液三相分离设备，且多功能生物反应槽1的反应槽型式优选为密闭式污泥床反应槽，其中主要功能细菌包含生化代谢会产生甲烷的甲烷菌、进行释磷作用的蓄磷菌，以及进行脱硝作用的脱硝菌(其代谢有机物与硝酸盐产生N2)，此处所产生的主要生物产气包括CH4、N2与CO2。
所述缺氧反应槽2的进流水包含多功能生物反应槽1出流水，还可进一步包含好氧反应槽3的回流水，回流目的在于回收硝酸盐以进行脱硝作用，缺氧反应槽2的反应槽型式为完全混合式机械搅拌槽，其主要功能细菌包括蓄磷菌的释磷作用、脱硝菌的脱硝作用。
好氧反应槽3的进流为缺氧反应槽2出流水，好氧反应槽3的反应槽型式优选为完全混合式曝气搅拌槽，好氧反应槽3的主要功能细菌包括蓄磷菌的摄磷作用、硝化菌的硝化作用与好氧异养菌的除碳作用。
本发明的去除废水中碳、氮、磷污染物的处理系统中的蓄磷菌在无氧环境具有释磷作用，在有氧环境则具有摄磷作用；甲烷菌则需在绝对无氧(无硝酸盐)的状态下进行甲烷化作用，在有氧(或有硝酸盐)的状态下则无法进行甲烷化作用。
所述去除废水中碳、氮、磷污染物的废水处理系统10的另一实施方案，是在初始植种时，在所述多功能生物反应器1与好氧反应槽3分别植入厌氧污泥与好氧污泥，其中所述薄膜分离槽4还可包含将微生物回流至多功能生物反应器1与缺氧反应槽2中的装置。
二氧化碳为厌氧生物代谢的主要副产物，会导致系统中碳酸盐浓度增高，若水中含有Ca、Mg、Fe或其它重金属，容易在薄膜表面形成碳酸金属结垢(scaling)导致薄膜阻塞。本发明的缺氧反应槽2出流水进入好氧反应槽3后，好氧微生物可去除残余有机污染物，并且因曝气后的气提作用可将水中的pH值提升1-2单位，使原溶于厌氧反应槽1出流水的金属离子，在高pH值下于好氧系统中形成碳酸金属结晶物；该碳酸金属结晶物并藉由好氧微生物的生物胶凝作用(bioflocculation)，而嵌入好氧微生物的胶羽中，降低金属结晶物在薄膜分离槽4的薄膜上形成结垢的可能性。当好氧反应槽3出流水进入薄膜分离槽4时，可以生物产气进行冲洗，使用生物产气进行冲洗可降低水中pH值0.2-1.0单位，能进一步防止高pH值系统中碳酸金属结垢的产生；此外，若有需要，也可以空气进行冲洗，并配合无机酸(例如HCl)以调降薄膜分离槽4的pH值，达到防止结垢产生的目的。
以下利用本发明的实施例详细说明本发明的技术及特点，然而这些实施例并非用以限定本发明，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。
实施例一、以本发明的系统去除废水中的碳、氮、磷污染物本实施例所使用的废水处理系统如图3所示，其各槽是对应图2所示，其中脱硝槽为缺氧反应槽、曝气槽为好氧反应槽。本实施例系统的微生物植种是在多功能反应槽内植入颗粒化甲烷微生物；而脱硝槽、曝气槽与薄膜槽均植入悬浮性(无颗粒化)脱硝菌、蓄磷菌、硝化菌与一般除碳细菌。
各反应槽流态在多功能反应槽为污泥床型态(非完全混合型)，在脱硝槽、曝气槽与薄膜槽均为完全混合型。系统操作方式包括(1)原废水(合成废水)由第一多管式泵P1抽取流量Q1与薄膜槽回流由第二多管式泵P2抽取流量Q3，两股混合后，进入多功能反应槽；(2)多功能反应槽出流水以重力方式流入脱硝槽；(3)脱硝槽的进流有三股，分别为多功能反应槽的出流水、薄膜槽回流水由第四多管式泵P4抽取流量Q2与Qby-pass(视需要而启动，当脱硝菌进行脱硝过程的有机碳源不足时启动)；(4)曝气槽与薄膜槽连通视为一体，其进流为脱硝槽的出流，其出流经过薄膜以第三多管式泵P3抽取流量Q1排放。
系统监测与控制方面，多功能反应槽具有ORP与pH值测量计；脱硝槽具有ORP测量计；曝气槽与薄膜槽具有DO与pH测量计，薄膜出流水以微压计与电子天平监测。
多功能生物反应槽采用柱状流(plug flow)设计，微生物呈污泥床分布，多功能生物反应槽除可蓄积更大量的微生物外，反应槽中微生物浓度呈现底部高、顶部低的分布，当废水从底部进入后，微生物可快速将氧化态物质去除，使环境转成还原态以利甲烷化进行，且因多功能生物反应槽是以污泥床型式设计，本身具有过滤特性，废水中的有机颗粒易被拦截，可增强有机物去除的功能。
本实施例的合成废水以葡萄糖及醋酸(碳源)、氯化铵与磷酸二氢钾配制而成，系统采用连续操作，同时侦测脱硝槽与多功能生物反应器中的pH与ORP值，并侦测曝气槽的DO、pH与ORP值。
经过两个月初步功能测试，多功能生物反应槽进流水的化学需氧量(COD值)约200mg/L，结果如图4所示。图4为多功能生物反应槽进流水(包含原水以及回流水)、多功能生物反应槽出流水、脱硝槽(即缺氧反应槽)出流水及薄膜槽出流水(最终出流水)的化学需氧量(COD)浓度关系图。多功能生物反应槽出流水COD浓度介于90-100mg/L之间，薄膜槽出流水，即薄膜过滤液(permeate)的COD浓度则介于10-20mg/L之间，这一结果显示本发明的去除废水中碳、氮、磷污染物的废水处理系统运转功能良好，多功能生物反应槽中的甲烷菌可有效降低COD以减轻曝气槽中好氧菌的处理负担。
为确认微生物在多功能生物反应槽、脱硝槽以及曝气槽所进行的废水处理状态，针对多功能生物反应槽进流水、多功能生物反应槽出流水、脱硝槽出流水及薄膜槽出流水的含磷浓度、氨氮浓度、硝酸氮浓度进行例行性监测，其结果如图5、图6、图7所示。由图5多功能生物反应槽出流水具有较高含磷浓度可知，多功能生物反应槽主要进行释磷功能；而由图6脱硝槽出流水酸酸盐浓度大量降低可知其脱硝作用具有实质功能；由图7的薄膜槽出流水的硝酸氮浓度增高可知曝气槽的硝化菌具有实质硝化作用，也可推知曝气槽的含氧量可满足好氧代谢所需。
由图8的多功能生物反应槽、脱硝槽(缺氧槽)以及曝气槽(好氧槽)的PHA(Poly Hydrox Acid)含量变化，可推估各反应槽磷蓄积菌的功能。厌氧环境下蓄磷菌的PHA合成主要由两种反应构成，第一为糖解反应，主要目的为制造足够的还原能，第二部分则是摄取短链脂肪酸来合成PHA储存于体内，并消耗掉还原能，而摄取不同的短链脂肪酸会形成不同形式的PHA。在厌氧区磷蓄菌将体内聚磷酸盐断键以产生能量，并大量摄取水中短链脂肪酸合成PHA储存于细胞内，而在好氧区磷蓄积菌将所储存的PHA代谢获取能量，将水中磷酸盐过量摄取转成聚磷酸盐形式储存于细胞内。由图8可知，多功能生物反应槽的蓄磷菌合成大量PHA，在好氧槽蓄磷菌则将所储存的PHA代谢获取能量。
根据图9显示在本实施例实施期间，多功能反应槽中的气体组成中氮气(N2)逐渐变多而甲烷(CH4)气体逐渐减少，二氧化碳(CO2)则维持于低浓度，显示本发明的去除废水中碳、氮、磷污染物的废水处理系统的生物产气中甲烷气体随着甲烷菌代谢而减少，而氮气则在废水处理系统进行脱氮作用中而升高。
本实施例同时也利用分子生物鉴定技术，设置不同的探针(probe)针对多功能反应槽、缺氧反应槽以及好氧反应槽中的菌相进行鉴定(各探针的具体信息可参见Raskin，L.，Stromley，J.M.，Rittmann，B.E.和Stahl，D.A.(1994)Group-Specific 16s Rrna Hybridization Probes to DescribeNatural Communities of Methanogens.Appl.Environ.Microbiol.601232-1240.)。其中，PAO探针可鉴定槽内的蓄磷菌，MC1109(5’-GCAACATAGGGCACGGGTCT-3’，16S(1109-1128))、MSMX860(5’-GGCTCGCTTCACGGCTTCCCT-3’，16S(860-880))与MG1200(5’-CGGATAATTCGGGGCATGCTG-3’，16S(1200-1220))探针可鉴定槽内的甲烷菌。其鉴定结果如图11、图12、图13所示。系统中蓄磷菌的比例在多功能反应槽、缺氧反应槽与好氧反应槽中分别为19.1％、20.2％与20.6％。此结果显示，在整个系统中确实有蓄磷菌存在且其比例在三个反应槽中大致相同。而在甲烷菌菌相比例方面，在多功能反应槽中MC1109、MSMX860与MG1200探针所侦测到的比例分别为11.7％、9.2％与14.7％；在缺氧反应槽中则分别为7.6％、10.2％与9.5％；在好氧反应槽中则分别为10.7％、6.3％与10.3％。此结果也显示，多功能反应槽中由于含有颗粒化的甲烷菌，因此其甲烷菌存在比例稍高于其它两个反应槽。本研究经过分子生物鉴定法鉴定之后，可以了解系统中确实存在所述的微生物且对于废水中的特定污染物质(碳与磷)有其相对的处理功效。
比较例比较本发明的系统与传统A2O系统所需的反应槽体积本比较例比较本发明与传统A2O系统所使用的体积，首先假设不同有机物负荷下，磷酸与硝酸的负荷均分别维持20与40公斤，又假设多功能反应槽的体积负荷为5kg COD/m3-day(属中低效率)，曝气槽的体积负荷为1.5kg COD/m3-day(属高效率)。假设脱硝槽与薄膜槽的体积，本案与传统薄膜-A2O程序相同，薄膜-A2O的厌氧槽体积忽略不计。
本发明与薄膜-A2O程序的槽体体积比较如图10所示，本发明的反应槽总体积(图中以空心圆圈表示)为多功能反应槽与曝气槽的总和，与传统薄膜-A2O系统的体积(图中以实心圆圈表示)相比较，当有机废水负荷为2000kg COD/m3-day时，本发明反应槽的总体积为500m3而传统反应槽约为1200m3；而当有机废水负荷为4000kg COD/m3-day时，本发明反应槽的总体积约为1100m3而传统反应槽约为2500m3，显示本发明多功能反应槽与曝气槽的总体积远小于传统薄膜-A2O程序曝气槽的体积。
本发明与TW第92132719号“含有机污染物的废水处理系统”相比较，其差异处主要如下第一、目的不相同本发明是用于处理含有碳、氮、磷的有机废水，其多功能反应槽(即第一槽厌氧槽)中同时含有甲烷菌、蓄磷菌、脱硝菌进行生物代谢作用，其生物产气为CH4、N2与CO2；而后者的厌氧槽主要的功能菌仅含有甲烷菌，主要用于除去水中的碳，因此其厌氧槽主要生物产气为CH4与CO2。第二、本发明与TW第92132719号相比较增加一缺氧槽用以进行脱硝功能，可增进整个废水处理系统对于硝酸离子的处理效率，以达到本发明除去有机废水中的氮的目的。第三、本发明的好氧反应槽有蓄磷菌、脱硝菌与好氧异养菌，可同时摄磷、硝化以及除碳，而后者的好氧反应槽主要功能菌仅有异养菌。因此，由上所述可知本发明与TW第92132719号中的废水处理系统并不相同。
综上所述，本发明的去除废水中含碳、氮、磷污染物的废水处理系统中，使用添加甲烷菌的多功能反应槽进行甲烷化作用可以预先在好氧槽作用之前，降低水中的含碳量，使得好氧槽可以主要扮演提供氨氮硝化作用的场所，以减少动力的消耗量、降低各反应槽的体积与降低剩余污泥的产生量。
权利要求
1.一种去除废水中碳、氮、磷污染物的废水处理系统，包含第一槽，包含甲烷菌、蓄磷菌以及脱硝菌，所述脱硝菌具有脱硝作用能同时去除部分有机碳，蓄磷菌能吸附部分有机碳而释出磷酸盐，甲烷菌能代谢有机碳而产生甲烷气体；第二槽，设置于所述第一槽之后，第二槽主要利用脱硝菌及蓄磷菌处理第一槽的出流水，所述脱硝菌具有将硝酸盐脱硝的功能，蓄磷菌具有进行释磷作用的功能；第三槽，设置于所述第二槽之后，第三槽主要包含蓄磷菌、异养菌及硝化菌，其中蓄磷菌具有进行摄磷作用的功能，异养菌具有进行除碳作用的功能，硝化菌具有进行硝化作用的功能；以及一薄膜，其设置于所述第三槽中或之后，能分离各种微生物与经处理后的出流水。
2.如权利要求1所述的废水处理系统，其中，所述第一槽为污泥床型式。
3.如权利要求1所述的废水处理系统，其中，所述第二槽为完全混合型式。
4.如权利要求1所述的废水处理系统，其中，所述第三槽为完全混合型式。
5.如权利要求1所述的废水处理系统，其中，所述薄膜是可利用气体冲洗。
6.如权利要求5所述的废水处理系统，其中，所述气体包含生物产气或空气。
7.如权利要求6所述的废水处理系统，其中，所述生物产气包含氮气、甲烷、二氧化碳与氢气。
8.如权利要求6所述的废水处理系统，其中，使用所述生物产气冲洗薄膜，降低水中pH值0.2-1.0单位，进一步防止结垢产生。
9.如权利要求1所述的废水处理系统，其中，所述薄膜设于第三槽中，该系统设置有能使第三槽的混合液回流至所述第一槽及/或第二槽处理的装置。
10.如权利要求1所述的废水处理系统，其中，所述薄膜设于第三槽之后，该系统增设有第四槽。
11.如权利要求10所述的废水处理系统，其中，该系统设置有能使第四槽的混合液回流至所述第一槽及/或第二槽处理，使第三槽的混合液回流至第二槽的装置。
12.如权利要求1所述的废水处理系统，其中，该系统设置有能使原废水直接导入第二槽的装置，当所述第一槽的脱硝菌进行脱硝过程的有机碳源不足时，可将原废水直接导入第二槽进行处理。
13.一种利用权利要求1所述的废水处理系统去除废水中碳、氮、磷污染物的处理方法，包含下列步骤(a)将废水导入第一槽，使第一槽中的甲烷菌进行有机物甲烷化作用、使脱硝菌分解废水中的有机污染物与硝酸氮，同时使蓄磷菌吸附有机物进行释磷作用；(b)将第一槽的出流水导入第二槽，使第二槽中的脱硝菌及蓄磷菌处理所述第一槽的出流水，令所述脱硝菌将硝酸盐脱硝，同时使蓄磷菌吸附有机物进行释磷作用；(c)将第二槽的出流水导入第三槽，使第三槽中的蓄磷菌进行摄磷作用，使异养菌进行除碳作用，使硝化菌进行硝化作用；以及(d)将第三槽的出流水导入薄膜，利用薄膜分离各种微生物与经处理后的出流水，同时，利用排泥机制去除含磷微生物以达到磷的去除。
14.如权利要求13所述的方法，其中，当所述薄膜设于第三槽中时，使第三槽的混合液回流至所述第一槽及/或第二槽处理。
15.如权利要求13所述的方法，其中，当所述薄膜设于第三槽之后时，增设一第四槽。
16.如权利要求15所述的方法，其中，使所述第四槽的混合液回流至所述第一槽及/或第二槽处理，第三槽的混合液回流至第二槽。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二槽的脱硝菌进行脱硝过程的有机碳源不足时，将原废水直接导入第二槽进行处理。
18.一种去除废水中碳、氮、磷污染物的处理方法，包含利用甲烷菌、脱硝菌、硝化菌、蓄磷菌将废水中碳、氮、磷污染物进行去磷脱氮而去除有机物，使所述甲烷菌在脱硝菌、硝化菌、蓄磷菌在去磷脱氮过程中参与其中代谢有机碳以进行甲烷化的过程。
19.如权利要求18所述的方法，其可同时达到微生物甲烷化、微生物除磷及微生物硝化与脱硝的功能。
全文摘要
一种去除废水中碳、氮、磷的废水处理系统，包含第一槽，具有甲烷菌、蓄磷菌及脱硝菌，脱硝菌具脱硝作用可去除部分有机碳，蓄磷菌吸附部分有机碳而释出磷酸盐，甲烷菌代谢有机碳而产生甲烷气体；第二槽，设于第一槽后，利用脱硝菌与蓄磷菌处理第一槽的出流水；第三槽，设于第二槽后，利用蓄磷菌将第一槽与第二槽所吸附的有机碳进行好氧代谢，硝化菌将氨氮转化成硝酸氮，与其它好氧微生物处理除去第二槽出流水残余的有机污染物；一薄膜，设于第三槽中或之后，以分离各种微生物与经处理后的出流水。本发明还涉及利用上述系统去除废水中碳、氮、磷的处理方法，可降低剩余污泥产量并减少动力耗损问题。
文档编号C02F3/30GK101050024SQ20061007276
公开日2007年10月10日 申请日期2006年4月7日 优先权日2006年4月7日
发明者游惠宋, 张冠甫, 张盛钦, 彭淑惠, 徐树刚 申请人:财团法人工业技术研究院