用于生物学污水净化处理的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于生物学污水净化处理的方法和装置，包括：有机负荷(Fracht)降解，所谓的生物化学需氧量(BSB)-降解；以及氮负荷氧化(Oxidation der Stickstofffracht)、硝化作用(Nitrifikation)，以及涉及对该方法和相应装置补充前置脱氮，用于去除从包含在污水中的氮化合物，转换成氮气。根据本发明的方法和装置基于使用尽可能固着的微生物，用于BSB-降解的所谓异养生物(Heterotrophen)；使用用于脱氮(Denitrifikation)的所谓脱氮剂(Denitrifikanten)的微生物；以及使用用于硝化作用的所谓硝化剂(Nitrifikanten)的微生物。

背景技术：

特别地，在具有厌氧(anoxischer)/需氧阶段和净化器部的生物学污水净化处理系统中，完成有机污染物的脱氮和硝化作用以及降解(确定通过生物化学需氧量的降解，BSB)，其中，除了固着生物量(Biomasse)而悬浮生长的活性污泥部分地被导回，且部分地被移除作为来自生物学系统的过剩泥浆。

基本上已知用于生物学污水净化处理的这种方法，其具有在使用固着微生物的情况下广泛的BSB-降解和硝化作用。在已知的方法中，在需氧阶段中利用共同的生物量工作，在其中特别地，异养生物和硝化剂共同被植入在支撑体上，二者需要氧用于转化来自污水的特定负荷。在该用于广泛的BSB-降解和硝化作用的已知方法中，必须确保硝化剂生长。因为BSB-降解的异养微生物的生长率对应于硝化剂生长率的大约4至6倍，“燃料：微生物”的比例[BSB:TS＝B0(mg BSB5/kg TS*.d)；BSB5：五天中的生物化学需氧量，TS：干燥剂，d：天]必须被降低，即，用于确保硝化作用的BSB5-负荷基本例如被降低至B0＝0.1–0.05(kgBSB5/kgTS*.d)。因此，所必须的硝化剂生长在具有共同生物量的系统中可仅通过这样的低泥浆负荷，即，通过相应大的反应器空间实现。

在异养生物的物质代谢反应中出现生物量，微生物团(过剩泥浆)，其中，BSB用作为碳和能量源。硝化剂利用碳源的CO₂和能量源的NH₄生长，且在共同生物量的情况下具有直至大致3％的份额。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于，通过装置(一个需氧反应器或两个彼此连接的需氧反应器)的需氧部分中的异养生物和硝化剂的尽可能局部分开生长，相对于混合的生物量，实现减小反应器空间和减小能量消耗。

特别地，根据本发明的目的将在相同或不同的基底材料或支撑体上通过将硝化剂生物薄膜与异养生物薄膜隔离开而实现。在此特别地，作为选择可利用微生物的不同类型生长，例如通过对应于每个给定的对微生物需求所匹配支撑体的表面。

因此，本发明可在需氧阶段的设计方案中提出，在分隔开的彼此连接的反应器中，基底材料或至少两种不同的基底材料(由不同材料和不同材料密度构成的两种支撑体)共同集成在反应器中，第一种用于硝化剂生物薄膜，且第二种用于异养生物薄膜。除了植入在支撑体上固着的生物量，在系统中也不可避免地出现少部分悬浮生长的生物量。

典型地，硝化剂很好地附在光滑表面上，且形成薄的生物薄膜(厚度为10μm至40μm)。相反地，异养生物形成厚的生物薄膜(厚度为0.25mm至0.50mm)。在此，这样厚度的生物薄膜需要提供免受水流冲刷保护的粗糙且成形的材料。

就此而言，在本发明的框架下，特别是在需氧装置部分中，由具有光滑表面的材料制成的支撑体可用作为硝化剂支撑体，且粗糙的支撑体可作为异养生物-支撑体。已证实球形的黏土或陶瓷部分适合作为硝化剂-支撑体，特别地，这样的支撑体的密度为1.0至1.2kg/dm3。在此，例如可使用德国Liapor GmbH&Co.KG公司商标提供的黏土球。例如，塑料模制品可作为异养生物-支撑体，如瑞典商标的Anox Kaldnes AB公司提供的，或也可以是具有更小密度的黏土或陶瓷球，例如商标的上述供应商提供的黏土球，具有0.8至0.9kg/dm3的小密度。

在实验过程中，支撑体上的硝化剂-生物薄膜的层厚是小的，且表面尽可能无外来植被(Bewuchs)。此外，通过有利的边界层更新，相对于较厚层的扩散速度明显提高。对此，仅在特殊情况下超过3至5mg/l被释放氧O₂的浓度是必须的。典型地，调节所释放的氧浓度取决于在生物薄膜中必要的扩散和水温以及待遵循的NH₄–N–排出值，且通常被设置在1.5与5mg/l之间。

基于在根据本发明的过程中，生物生长主要在基底材料上进行，相对于悬浮的生物量导致对净化器进行减负，以及导致明显减小其体积和占地面积。在确定的情况下，通过使用成本更加有利的过滤装置(Siebanlagen)放弃传统的净化器池在净化装置运行过程中，在对可过滤物质浓度要求更高的情况下，可补充进行沙或薄膜过滤。

在装置的正确尺寸和设计方案的情况下，影响硝化作用的生物量的大部分未离开硝化的装置部分，这有利于硝化作用过程。

为了防止泥浆从上游的脱氮反应器进入硝化装置部分，需要对脱氮反应器进行特别设计。根据本发明，该厌氧装置部分被构建成从下部供料和具有球形支撑体，该支撑体除了确保尤其是用于稳定流的由其提供用于脱氮微生物的生长面，且确保在反应器排气时未出现大量泥浆溢出。通过暂时运行的具有桨状搅动杆的搅拌机构避免生物量与基底材料粘合。以这样的反应器进行测试示出仅通过非常少的固体排除物在下游装置部分中很好地进行泥水分离。

在根据本发明的用于硝化作用的装置部分中，特别地，硝化作用容积大小不再单独根据活性污泥龄(Belebtschlammalter)或BSB5-负荷(kg BSB5/kg TS*.d)，而相反还根据水温、氧化潜在能力(Sauerstoffpotential)、pH-值、以及相应特定的硝化作用率(in mg(NH₄-N/m²*h)和停留时间(Verweilzeit)实现。

已知硝化作用率很大程度上取决于释放的氧浓度；该氧浓度在需要时可通过控制通风系统例如升高或降低，这使得可在引入氧时实现高的能量效率。为控制硝化作用过程，仅需要针对氧O₂的一般在线测量探针。在此，用于测量NH₄浓度的铵电极可是额外有利的。

通过本发明实现针对除碳和氮的装置的持续开发。例如，可通过简单的方式如下地呈现，即，使用两个彼此连接的分离反应器，即，用于脱氮的、特别具有基底材料的厌氧反应器，以及具有两种用于硝化作用和碳降解(BSB-降解)的不同基底材料的需氧反应器。然而，这也可通过使用阶梯瀑布式结构的装置实现，该阶梯瀑布式结构的装置具有用于脱氮、硝化作用以及用于碳降解(BSB-降解)的三个分离的反应器。

该过程控制在下述方面不同于传统阶梯瀑布式结构系统，即，通过使用不同的生物薄膜支撑体(支撑体具有不同的基底材料)。根据本发明生物量由下述不同的三组微生物构成：异养生物(BSB-降解的)、硝化剂(硝酸脂和氮氧化剂)以及脱氮剂(用于硝酸脂反应成为N₂)，分开地被包含在三个生物学装置部分中，其中，该分开例如针对需氧微生物也在共同的反应器中，通过特别地在纵向分层的层而实现。在此例如，通过针对每个微生物所构建的特定及不同的支撑体的不同密度，实现用于硝化剂生长或用于针对BSB-降解的异养生物生长的层，然而，也可通过在反应器的竖直区域中的至少一种支撑体的机械支持，例如借助于笼等实现。特别地，在竖直分层中，针对硝化剂生长构建特定的支撑体被这样地设计，使得该支撑体布置在反应器的竖直的下层中，或在此被机械地阻拦(zurückgehalten)，针对用于BSB-降解的异养生物生长而特定构建的支撑体被铸造优先安排对应于反应器竖直的更高位置。这在下述情况下特别有效，即，含有氧或氧气的气体混合物(例如空气)从底部进入反应器的情况下。出现具有高需氧量的硝化剂、高浓度的氧，而相应地通过消耗硝化剂减少氧含量提供用于BSB-降解的异养生物，使得该微生物不在这种程度上倍增，该微生物可将硝化剂基本抑制在特别是针对后者特定构建的支撑体上。

根据本发明特别有利的是，在分隔的基底材料上形成生物薄膜。根据材料的粘附特性匹配该材料的表面条件，这对于在硝化剂及异养生物中的微生物最佳的隔离是非常有益的。因此，用于去除有机负荷(除碳)和脱氮(除氮)的进一步污水净化处理的根据本发明生物学的过程，其基于分隔的异养生物的和自养固着的微生物。在此，通过可能的方式针对悬浮的生物量，可以舍弃必要的选择器，因为活跃的泥浆生长在基底材料上，且形成泥浆膨胀是未知。

为了脱氮，被硝化的污水在上游脱氮反应器中再循环，即，通过循环率，根据再循环污水的量QR与引入污水的量QZ的比例确定，例如QR大致＝2*QZ。在此，特别是在实验室中，脱氮速度可通过脱氮反应器中的生物量混合物的需氧呼吸测量值(Respirationsmessung)进行计算。在此，通过呼吸行为的实验室测量值确定经验值，该经验值作为针对脱氮运行的支持。

根据本发明，具有硝化剂的支撑体可以，而且具有其他微生物的其他支撑体也可以，通过诸如线圈架的笼式框的形式布置，这样框的高(H)、宽(B)和长(L)为H x B x L＝1.0m x 1.5m x 1.5m，从而防止与在相同反应器中的其他支撑体混合，且针对在所涉及的反应器中的维护工作可简单地取出具有微生物的支撑体。针对硝化剂的该笼式框的布置在下述情况下是有利的，即，当该框被布置在需氧阶段的通风系统上时。因为底部通风区域中的高氧浓度，使得硝化剂获得更多的需氧量，且由此确保高的硝化作用率。

根据本发明，基底材料从反应器出口部(Reaktorablauf)分开可独自通过设置有相应小的入口横截面，例如，横向锯开或切开的溢流管实现，该溢流管被布置在水平面高的反应器表面上。通过相应地布置的溢流管或排出管，确保在单个反应器体积中的生物薄膜支撑体均匀分布。在此，这种排出装置形成在反应器的表面上，从而在排出污水前均匀分隔具有生物薄膜的基底材料，且仅分离出在净化器中悬浮生长的生物量，或在需要时返回到脱氮阶段。生物量生长在根据本发明的需氧装置部分中，主要在每个所选择的、适合特定微生物的基底材料上生长，使得仅少部分的生物量以悬浮形式存在。当生物量未返回脱氮反应器中时，该生物量可作为过剩泥浆从净化器池或过滤装置中移除。

特别地，本发明的特征还在于，现有净化装置可以以极少的成本被改造，从而进一步除氮，且在满足对“将污水导入合理区域中”的权利要求保护的条件下实现进一步的BSB-降解，这可单独通过使用在生物学反应器中适合的基底材料实现。

通过生物量不同程度的移居(Ansiedlung)和创新的净化系统的结合，特别地，相对于具有悬浮生物量的传统系统产生下述优点：

·通过使用特定支撑体及在反应器中该支撑体的布置减小用于生物学污水净化处理的反应器空间，

·根据需要及通过风扇调整相应高的氧浓度优化硝化作用率。这允许大幅降低通风能量，

·由于在基底材料上的长时间-生物薄膜，测量值独立于自养泥浆龄，

·避免不期望的需氧泥浆固化导致低BSB5-负荷，该BSB5-负荷获取生物量中的硝化剂是必要的，且同时利用由此可行的能量节省，在具有消解泥浆(Schlammfaulung)的净化装置中积极改进泥浆的使用，

·避免泥浆膨胀

·在净化中降低回程泥浆量，且由此尤其是通过使用基底材料降低能量成本，

·针对作为沉降池的净化器的较小的体积和较小的占地面积，或通过成本更有利的精细过滤替代沉降(Sedimentation)，

·在装置处，在具有较大昼夜温差的环境区内，由黏土或陶瓷制成的生物薄膜支撑体具有温度补偿作用。

附图说明

本发明其他的优点和特征可在下文对图1至图3的描述中得出。

图1示出根据本发明装置的示意性结构，该装置用于在使用两种不同基底材料的情况下在反应器中进行硝化作用和BSB-降解；

图2示出根据本发明装置的示意性结构，该装置用于在分别具有特定基底材料的两个彼此连接的反应器中进行BSB-降解和硝化作用；

图3a示出对应于图3b的根据本发明的脱氮反应器的示意性俯视图；

图3b示出具有基底材料的根据本发明的向上运行的脱氮反应器的示意性横截面。

具体实施方式

附图为用于转化本发明布置的示意性视图。附图和下文中的描述单独用于对本发明进行详细的示例性说明，且不限制根据确定的权利要求的一般保护范围。

图1示出具有净化器的用于硝化作用和用于BSB-降解预净化污水的反应器。通过耙(Rechen)、除沙槽和细滤网，进入部1机械地引导预处理的污水，当通过污水处理仅力争获取氮氧化物时，或如果需要去除氮，则在所述机械地预处理之后额外进行被处理污水脱氮。污水通过进入部1进入需氧反应器2的池区域(Sohlbereich)，且在此借助于进入部管和进入部喷口被引导至反应器2中分布在反应器底部4上。被引导的污水首先流过具有支撑体7的下方反应器部分，该支撑体具有平滑的表面，在该表面上尤其移居有由硝化微生物作为生物薄膜。通过该生物薄膜完成硝化作用，铵氧化物转换成亚硝酸盐和硝酸盐。通过金属丝框3避免支撑体7与支撑体6混合，该支撑体6在时间上随后流经、且相比于支撑体7具有粗糙表面和较小密度。支撑体6用于促进BSB-降解的异养微生物的生长。

在反应器2中，通过氧供给部15使得可以进行氮氧化和BSB-降解的过程。在反应器高度上由于微生物需氧导致产生相应的浓度梯度，使得首先提供具有更高氧浓度的完成硝化的微生物，这相对于异养微生物满足更高的需氧量。

通过防止支撑体(6,7)被冲刷的被开槽的溢流管5，污水流入反应器流出部8，且进一步通过用于净化器9的进入部进入净化器10。净化器10可被构建为沉降装置或还可被构建成过滤装置。被净化的污水经过净化器11的流出部离开净化器10。

在必要去除氮的过程中，污水从反应器流出部8通过回流管12流出返回到在反应器2上游的反应器中，如在图3中进一步描述的。再循环率的大小由通过去除氮所需要的程度得出。在净化器中减少的或聚集的泥浆在装置需要去除氮的情况下通过泥浆导回管3被导回上游的脱氮阶段中(参见图3)。在需要氮氧化的情况下无需泥浆导回管13。所产生的过剩泥浆将通过过剩泥浆管14被引导进行进一步泥浆处理。

图2示出相对于图1用于硝化作用和BSB-降解的预净化污水替选的处理进程。预处理的污水通过进入部1被导入用于BSB-降解的反应器16的池区域(Sohlbereich)。经过进入部管和进入部喷口完成对分布在反应器底部4上的反应器16供料。污水向上流经具有支撑体6的反应器空间。支撑体6通过其粗糙表面用于BSB-降解的异养微生物的生长。除了在支撑体6上的固着微生物，完成BSB-降解的微生物的部分悬浮地在反应器中。通过氧供给部15完成对需氧微生物的供氧。

污水通过开槽的溢流管5进入反应器流出部8，且进一步通过反应器进入部17进入硝化作用反应器18。在此完成反应器装料，如在用于BSB-降解的上游反应器16中的情况。污水向上流经具有支撑体7的反应器空间。支撑体7具有平滑的表面，且优先用于自养微生物、硝化剂的生长，及用于铵氧化。通过氧供给部15完成对硝化剂供氧。如在上游反应器16中，污水通过开槽的溢流管5至反应器流出部8，且进一步通过用于净化器9的进入部进入净化器10中。净化器10可被建造为沉降装置或还可被建造为过滤装置。被净化的污水通过净化器部10的流出部11流出。

在装置要求去除氮的过程中，污水从硝化作用反应器18的反应器流出部8经过回流管12被导入反应器16上游的反应器中，如在图3中进一步描述的。导回量取决于氮去除所需要的程度。

在需要去除氮的情况下，洒落或聚集在净化器中的泥浆通过泥浆导回管13被导回上游的脱氮阶段中(参见图3)。在氮氧化方面装置功率的限制下，不需要导回管13。所产生的过剩泥浆通过过剩泥浆管14进行进一步泥浆处理。

图3示出用于通过机械预净化的污水进行脱氮的反应器20。图3a为俯视图，图3b为反应器20的纵剖面。在补偿容器和泵坑19(Pumpensumpf)中，机械预处理的污水通过进入部1、硝化回流水通过回流水管12以及来自净化器的泥浆通过泥浆导回管13被引导到一起。泵用于通过反应器进入部17对在圆形横截面中的脱氮反应器20供料。带孔的进入部管27用于将待进入的污水分配到反应器横截面上。通过在反应器20中球形的支撑体23促使在反应器20中的竖直流转向，即，该支撑体23对所述流施加稳定作用。该支撑体23具有下述目的，即，提供针对用于有意向脱氮的异养微生物的生长面，且此外，避免在反应器20的下部部分中形成大量的泥浆底。借助于具有水平搅动杆25的竖直搅拌机构24，同样预防止形成大量的泥浆底。此外，搅拌装置确保元素氮的气体顺利地析出，而泥浆不会大规模的膨胀。

从反应器20中清空泥浆，将从反应器20的漏斗(Trichter)，经过由石材料构成的排放层21和泥浆流出部26实现。避免支撑体23进入排放层21提供反应器20的相应可透过的金属丝底部或颗粒的精细排放部22。在泥浆阻塞排放层的情况下，使用泥浆流出管26用进入部1的污水进行回冲。

通过具有支撑体23和泥浆的下方的反应器空间形成悬浮(suspensarme)污水层，从该层在反应器表面附近，环形、开槽的溢流管5引导污水进入反应器流出部8。反应器流出部8对应于在图1和图2中的进入部1。

附图标记说明

1 进入部

2 需氧反应器

3 用于自养生物薄膜支撑体的金属丝笼

4 可透过的反应器底部

5 溢流管

6 具有异养生物的支撑体

7 具有硝化剂的支撑体

8 反应器排出部

9 用于净化器的进入部

10 净化器

11 净化器部的流出部

12 回流管

13 泥浆导回管

14 过剩泥浆管

15 氧供给部

16 用于BSB-降解的反应器

17 反应器进入部

18 硝化作用反应器

19 补偿容器和泵坑

20 脱氮反应器

21 用于泥浆的排泄部

22 多孔的金属丝底部或细颗粒的排放部

23 用于脱氮剂的支撑体

24 搅拌机构

25 搅动杆

26 泥浆流出部或冲刷管

27 多孔的进入部管