废水处理方法和设备与流程

背景技术：

本发明涉及废水或污水处理领域。本发明特别针对废水中碳基和氮基污染的处理和回收。本发明在于两步处理，第一步利用氧气对水中所含的碳进行处理，第二步在第一步结束时对处理过的水中所含的氮进行处理。

随着世界人口的增加，水的消耗量也在增加。日益增长的城市化创造了新的生产和人类消费模式，为了保护环境，将生活和工业消耗产生的废水排入自然环境之前对其进行处理就变得相当重要。此外，在大多数国家，立法强加实行这种处理。

通常，废水处理厂主要设计成通过使用特定细菌的生化过程去除碳、氮和磷。

例如，在活性污泥系统中，废水中包含的有机物在生物氧化过程中被去除，其中有机物为电子供体，而氧气为电子受体。细菌负责反应的催化。生物氧化反应的例子可以用以下方式表示：

c10h19no3+6.25o2+0.25nh4⁺+0.25hco3^-→4co2+5.75h2o+1.25c5h7no2(公式1)

c10h19no3代表主要存在于废水中且需要去除的有机物；

c5h7no2代表生物质。

对于给定的反应，必须提供足够量的氧气来处理有机物。此外，还力求尽可能降低还原反应(reduction)和供应提供氧气的空气所需的能量消耗。为此，已经尝试使用污水中化学需氧量(通常称为cod)的测量值来控制进入活性污泥系统的空气流速。

该系统处理废水中的碳和部分氮。同样向其中增加氮处理也是公知的。第一步，有时称为步骤a，基本上利用氧气处理有机物，接着是第二步，有时称为步骤b，在步骤a结束时处理氮。

在处理有机物的第一步中，一直试图通过向所述处理提供处理最大量有机物所需的尽可能多的氧气来尽可能优化该处理。

氮的处理通常需要进行硝化作用，接着进行反硝化作用。硝化作用是通过自养细菌将氨态氮氧化成亚硝酸盐氮或硝酸盐氮的反应。反硝化作用是通过反硝化异养细菌将硝化反应中产生的亚硝酸盐或硝酸盐还原成氮气。文献ep0925258a1、us2015/0266759a1和ep1144318a1给出了通过硝化作用和反硝化作用进行氮处理的例子。

已经研制出了几种需要硝化作用/反硝化作用的方法。例如，一种被称为“硝酸盐分流”的方法试图阻止氮在亚硝酸盐(no2^-)阶段的氧化，从而避免产生硝酸。这种方法使得减少硝化作用和反硝化作用所需的氧和碳的量成为可能。在另一种称为全程自养脱氮(deammonificatio)的方法中，硝化作用可以是部分的。这种方法可以具有“厌氧氨氧化(anammox)”的名称，这是其名称“厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation)”的缩写。

通常在处理氮的方法中，氧的供应也很重要，并且可以基于使用亚硝酸盐no2^-传感器进行的测量或者基于氨nh4^-负载含量。

对于氮的处理，碳浓度和氨态氮浓度之间的比率很重要。在硝酸盐或厌氧氨氧化类型的分流方法中，这一比率使得控制自养细菌的数量成为可能。

目前，有机物和氮的a和b两步处理的顺序没有被优化。在现有的方法中，这两步处理被分别优化。在试图在步骤a中处理最大量的有机物时，步骤b可能没有所需的碳，特别是自养细菌所需的碳。

技术实现要素：

本发明旨在通过调节第一步的氧气供应同时考虑第二步中处理氮所需的碳来提高这两步处理顺序的效率。在碳然后氮的两步处理顺序的总体调节中，本发明的方法接受降低在第一步中进行的碳处理，以便保持足以在第二步中进行氮处理的量。

为此，本发明的主题是一种处理废水的方法，包括：

第一步，在第一反应器中利用氧气处理废水中所含的碳；

第二步，以氮气的形式去除处理过的水中所含的氮，其不同于第一步且在第一步结束时在不同于第一反应器的第二反应器中进行；

其特征在于，其还包括：

第三步，测定代表第一步和第二步之间水中碳浓度和氮浓度的比率的量；

第四步，控制第一步所需的氧气供应，以最小化在第三步中进行的测定和代表浓度比率的量的严格正设定点之间的差值。

第一步中氧气供应的优化有许多优点。它允许在第一步中最大限度地回收碳，同时为第二步保留足够的量。这使得减少氧气供应所需的能量成为可能。就排出的污水的质量而言，这使得尽可能优化第二步成为可能。

有利地，在第四步期间，当在第三步中测定的代表浓度比率的量大于代表浓度比率的量的设定点时，增加供给第一反应器的氧气量。增加第一步的供氧量有助于在第一步中处理更多的碳，从而降低第三步中测定的浓度比率。

对于代表的量，以mg/l表示的碳浓度可以从化学需氧量(cod)的测量中得出，以mg/l表示的氮浓度可以是n-nh4⁺的浓度。代表浓度比率的量的设定点有利地在1和10之间。该设定点严格为正值，以便在第一步结束时保留一部分未处理的碳。为了避免第二步氮处理缺少碳的风险，保留了大于1的最小设定点。此外，最大设定点值取决于第二步中使用的氮处理装置。内部测试表明，设定点小于10使得在第二步处理氮成为可能，而不会有在两个步骤结束时有保留未处理碳的风险。设定点可以根据第二步中氮处理的性质来选择。

该方法有利地还包括：

第五步，在第二步结束时测定代表水中氮浓度的量，

第六步，修改代表浓度比率的量的设定点，以便将第五步中进行的测定和第二步结束时代表水中氮浓度的量的设定点之间的差值最小化。

设定点的变化使得有可能在第一步结束时将水中碳浓度和氮浓度之间的比率调整到在第二步期间进行的处理的实际情况。

可以用控制第一步所需的氧气供应的第七步代替第六步，以便将第五步中进行的测定和第二步结束时代表水中氮浓度的量的设定点之间的差值最小化。第七步的执行在第四步的基础上进行。

该方法还可以包括第八步，根据一个或多个变量，将第一步中使用的氧气供应初始化为给定值，其中至少一个变量是：

供应第一步的废水流速的测量值，

供应第一步的废水中化学需氧量或总有机碳的测量值，

第一步中水中溶解氧的测量值，

代表在第三步中测定的浓度比率的量。

初始化当然可以在方法开始时执行。在该方法中，初始化也是有价值的，以避免第一步中废水供应的任何变化扰乱整个方法。换句话说，初始化使得该方法在面对废水供应激增时更加稳健。用于初始化的不同变量使得有可能在第一步之前和之后防止废水的物理变化，特别是其流速以及其成分的变化。

有利地，该方法还包括第九步，该步骤限定了第一步中使用的氧气量的下限，该下限取决于第一步中对水中溶解氧的测量。这种限度测定对于限制第一步所需氧气量的调节幅度，特别是避免完全停止氧气供应是有价值的。

本发明的主题还是一种用于处理废水的设备，包括：

用于处理碳的第一反应器，供应有废水，

用于向第一反应器供应氧气的装置，氧气特别用于处理第一反应器中的碳，

第二反应器，用于在第一反应器的出口取水，以氮气形式去除废水中包含的氮，第二反应器不同于第一反应器，

其特征在于，其还包括：

用于测定代表第一反应器和第二反应器之间的水中碳浓度和氮浓度之比率的量的装置，

第一反馈回路，被配置为用于通过向第一反应器供应氧气的装置修改引入第一反应器中的氧气量，以便最小化一方面来自测定装置的代表量与另一方面代表浓度比率的量的严格正设定点之间的差值。

使用两个反应器，第一个专用于本发明方法的第一步，第二个专用于第二步，使得能够连续进行废水的完全(碳和氮)处理。

代表浓度比率的量的设定点可以是固定的。或者，该设备包括用于调节代表浓度比率的量的设定点的装置，以便使该设备更好地适应废水的处理，废水的成分可以变化。调节装置可以由操作器控制，或者可以根据在制备中测量的一个或多个参数自动控制。

用于测定浓度比率的装置可以例如包括用于测定化学需氧量和铵浓度的至少一个传感器和/或分析仪。化学需氧量很好地反映了碳的浓度。此外，废水中待处理的氮主要以铵离子的形式存在，因此具有测定铵浓度的价值。

该设备有利地还包括：

传感器，用于测量第一反应器中的溶解氧，以及

用于限定引入第一反应器的氧气量的下限的装置，该下限取决于用于测量第一反应器中溶解氧的传感器执行的测量。

有利地，该设备还包括：用于测定代表第二反应器出口处水中氮浓度的量的装置。根据所测定的代表氮浓度的量，该设备可以包括被配置为用于修改代表浓度比率的量的设定点的第二反馈回路，或者被配置为用于修改第一反应器的氧气量的第三反馈回路。第二回路和第三回路被配置，以将代表第二反应器出口处水中氮浓度的量和代表第二反应器出口处水中氮浓度的量的设定点之间的差值最小化。

有利地，该设备还包括用于根据由以下至少一个进行的一个或多个测量或测定将引入第一反应器的氧气量初始化为给定值的装置：

供应第一反应器的废水的流速的传感器，

供应第一反应器的废水中化学需氧量或总有机碳的传感器或分析仪，

第一反应器的水中溶解氧的传感器，

用于测定代表第一反应器出口处水中碳浓度和氮浓度的比率的量的装置。

有利地，用于向第一反应器供应氧气的装置包括用于供应空气的装置。事实上，空气通常包含大约20％的氧气。向第一反应器供应空气易于实施。

附图说明

通过阅读以示例方式给出的实施例的详细描述，将会更清楚地理解本发明，并且将会出现其他优点，所述描述由附图说明，其中：

图1以框图的形式表示了本发明的第一实施方式；

图2以框图的形式表示了本发明的第二实施方式。

为了清楚起见，相同元件将在不同的附图中以相同的参考标记表示。

具体实施方式

图1以框图的形式表示了根据本发明的适用于处理废水10的方法和设备。术语“废水”是指任何类型的城市、工业或生活污水，其中其被期望处理碳基和氮基污染。废水经表示为a和b的两个连续步骤处理。在步骤a中，以有机物形式包含在废水10中的碳通过氧气12进行处理。由处理a得到的水14又在步骤b中被处理，以便从其中部分或全部去除其中包含的氮。在废水中，碳主要以有机物的形式存在，氮主要以铵根nh4+的形式存在。在步骤b结束时，处理过的水以参考标记16表示。步骤b出口处水中存在的铵根的最大浓度可以通过标准或在步骤b下游进行的其它处理来强制设置。步骤b的目的是提供水中含有浓度低于最大核准浓度的铵根或更一般地氮的处理过的水16。氮的去除是通过产生可自由逸出到周围空气中的氮气来实现的。

步骤a和b在两个不同的反应器18和20中进行，其中步骤a和b分别进行。反应器18和20是封闭的水槽或开放的水池。

步骤b可以要求两个子步骤亚硝化和/或硝化中的方法，其中铵被氧化成亚硝酸盐和/或硝酸盐；接着脱硝(denitritation)和/或反硝化，其中亚硝酸盐和/或硝酸盐被还原形成氮气。亚硝化和/或硝化以及脱硝和/或反硝化两个子步骤可以在单个反应器或两个单独的反应器中进行。对于本发明的要求，其中进行步骤b的反应器不同于反应器18。为了不使说明书负担过重，其中执行步骤b的反应器以参考标记20表示。

其中执行两个步骤a和b的设备22包括用于向反应器18供应氧气12的装置24。氧气12可以以纯形式提供。有利地，氧气以空气的形式提供，空气通常包含约20％的氧气。供应装置24可以由将空气引入反应器18的风扇或泵形成。为了提高第一反应器18中的碳生物氧化反应的效率，可以搅拌其中的水和空气。细菌负责生物氧化反应的催化。在反应器18中，有机物主要被氧化成生物质，这些生物质可以被去除或回收以便利用。例如，可以实施活性污泥类型的方法。

根据本发明，在步骤26期间，测定代表在第一步a结束时和开始步骤b之前水14中的碳浓度和氮浓度之间的比率的量。该比率随后被表示为c/n。这种测定可以通过两个传感器来实现，一个用于测量反应器18出口处水14中碳的浓度，另一个用于测量铵根的浓度。或者，也可以只进行一个测定c/n浓度比率的测量。例如，可以使用传感器来测量紫外辐射透射率。碳特定线和氮特定线被分析，并且它们的强度使得可以定义水14中的碳浓度和氮浓度，然后测定c/n浓度比率。

为了测量水14中的碳浓度，可以使用用于测量水14中的化学需氧量(cod)的传感器或分析仪17，这使得可以在碳浓度中找到它。还可以测量生物需氧量(bod)或总有机碳(toc)。某些测量，例如化学需氧量，有时是文献中争论的主题。然而，下文中将详细说明，碳浓度测量用于反馈回路。因此，即使测量因误差而受损，也有可能执行预期的反馈。

为了测量铵根的浓度，可以使用铵根传感器或分析仪19，例如文献中熟知以其首字母ise命名的离子选择性电极。借助于使用两个传感器或分析器获得的测量值，通过将由传感器或分析器17执行的测量值除以由传感器分析器19获得的测量值，很容易测定c/n浓度比率。

此外，在步骤28期间，控制步骤a所需的氧气供应，以将代表在步骤26中测定的浓度比率的量和严格正设定点30之间的差值最小化。设定点30本身也是代表设定点c/n比率的量。设定点30的值使得有可能在步骤a期间不处理一部分碳，并且保存该部分碳以满足步骤b的要求。

步骤28可以通过比较器32和调节器34来执行。比较器32接收代表在步骤26中测定的c/n比率的量的值以及设定点30。比较器32计算代表c/n比率的量的值和设定点30之间的差值，并将其传送给调节器34，调节器34进而控制氧气供应装置24。调节器34可以是比例积分微分型调节器。调节器的各种系数可以在根据本发明的方法的整体实施过程中根据经验进行调整。各种系数特别考虑了废水10中有机物和氮浓度的可能变化。

代表c/n浓度比率的量的测定、比较器32和调节器34可以通过分立的电子元件或者通过为此目的编程的专用或通用计算机来实施。设定点30可以存储在该计算机中。

步骤26中使用的传感器以及步骤26和28中使用的组件或计算机形成第一反馈回路，该第一反馈回路被配置为用于修改引入反应器18中的氧气量qair。更具体地说，当反应器18出口测定的c/n浓度比率大于代表浓度比率的量的设定值30时，第一个反馈循回路被配置为用于增加供应给反应器18的氧气量。

设定点30的值可以是固定的，并且根据在步骤b中执行的处理类型预先定义。如上所述，代表c/n比率的量可能因误差而受损。为了改进反馈，有可能根据经验修改设定点30，以便补偿用于测定c/n比率的测量中的可能误差。

碳的浓度可以用mg/l表示，并且可以从化学需氧量cod的测量中得出，氮的浓度也可以用mg/l表示，可以是n-nh4⁺的浓度。换言之，氮的浓度是铵根离子的浓度，以每单位体积氮的重量表示。通过如此定义的参数，对于步骤b，当进行完全硝化然后反硝化或者甚至对于硝酸盐分流时，约5至10的高c/n比率是有利的。

在步骤b中进行全程自养脱氮的情况下，为了控制与氧化厌氧菌竞争的异养细菌的生长，较低的c/n比率是有利的。c/n比率在6至10的范围内导致异养细菌占优势。c/n比率在1至3范围内导致厌氧菌占优势，c/n比率在3至5范围内导致中间状态。更一般地，浓度比率设定点30有利地在1和10之间。

或者，可以改变c/n浓度比率设定点30。为此目的提供了调节装置。设定点30的调节可以由用户手动进行。设定点的调节也可以自动执行并且取决于在装置22中测量的参数。有利地，设定点30取决于步骤b的结果。更具体地，在步骤36期间，测定代表步骤b结束时水16中氮浓度的量，并且在步骤38期间，修改设定点30，以将代表步骤36中测定的氮浓度的量和代表步骤b结束时水中氮浓度的量的设定点44之间的差值最小化。设定点30的变化使得能够更好地调整c/n比率至步骤b中进行的处理的实际情况。

步骤36可以借助于水中存在的氮浓度的传感器37来执行，并且所确定的值可以是由该传感器测量的值。如前所述，该传感器可以是用于测量铵根浓度的离子选择性电极。也可以插入对传感器测量的值进行校正的计算机。

步骤38可以通过比较器40和调节器42来执行。比较器40接收在步骤36中测定的水16中的氮浓度值和氮浓度的设定点44，氮在水16中例如以铵根的形式存在。传感器37、比较器40和调节器42形成了用于调节设定点30的装置的例子。

比较器40计算在步骤36中测定的氮浓度值和设定点44之间的差值，并将该差值传送给调节器42，调节器42进而改变c/n浓度比率的设定点30。至于调节器34，调节器42可以是比例积分微分型调节器。调节器的各种系数可以在根据本发明的方法的全部实施过程中根据经验进行调整。这些系数考虑了例如调节器42的反应时间与调节器34的反应时间相比较。

在步骤36中进行的氮浓度的测定、比较器40和调节器42可以通过分立的电子元件或者通过为此目的编程的专用或通用计算机来实现。该计算机可以是已经用于步骤26和28的计算机。设定点44可以存储在该计算机中。

步骤36中使用的传感器、步骤38中使用的部件或计算机形成第二反馈回路，该回路被配置为用于根据第二反应器20出口处水中氮的浓度来修改c/n浓度比率设定点30。

在该方法开始时或在该方法期间，执行用于初始化50步骤a中使用的氧气供应的步骤是有利的。在该方法中，当废水10的供应中的不规则性在步骤a之前出现时，这种初始化是特别有利的。这些不规则性可能涉及废水的流量、成分，甚至环境条件：温度和压力。另外在该方法中，根据干预反应器18或甚至反应器出口的变量来初始化氧气供应会是有利的。例如，如果在步骤26中测定的c/n浓度开始偏离，将氧气供应初始化为给定值例如通过以给定的氧气流速调节氧气供应是有利的。

氧气供应的初始化可以根据一个或多个变量来执行，其中至少一个变量是：

供应步骤a的废水10的流速的测量值，

供应步骤a的废水10中化学需氧量(cod)或总有机碳(toc)的测量值，

步骤a期间水中溶解氧(do)的测量值，

代表在步骤26中测定的c/n浓度比率的量。

对于这些变量中的每一个，氧气供应可以被初始化为预定的量或流速。包含与变量一样多的条目的表格可以根据每个保留值的值来预定义氧气供应。该表可以基于对该方法进行的测试根据经验定义，特别是通过测试进入步骤a的废水中物质浓度的各种波动。

供应步骤a的废水10的流速的测量可以通过放置在向反应器18供应废水10的管道中的流量计52来进行。化学需氧量cod的测量也可以通过适当的传感器54在向反应器18供应废水10的管道中进行。cod的测量可能不精确，并且更容易实时进行的总有机碳toc的测量可能优于cod的测量。通过放置在反应器18中的传感器56来测量步骤a中水中的溶解氧do。传感器56可以使用电极，并且可以执行电化学类型的测量。或者，也有通过荧光进行测量的光学探针。关于用于初始化的溶解氧do的值，可以改变溶解氧do的期望值58，并将溶解氧的测量值与期望值进行比较，以便决定是否初始化氧的供应。为此目的设想了比较器60。

氧气供应的初始化步骤50可以通过分立的电子元件或者通过为此目的编程的专用或通用计算机来执行。该计算机可能是已经用于步骤26和28的计算机。设定点58可以存储在该计算机中。

在该方法中，执行步骤62是有利的，该步骤限定了在步骤a中使用的氧气量的下限，以避免调节器34完全停止氧气供应。下限可以独立于任何参数预先定义和固定。下限的值可以基于对该方法进行的测试根据经验定义，特别是通过测试进入步骤a的废水中的各种物质浓度。可选地，下限的值可以是可变的，并且可以根据在装置22中执行的测量来调整。有利的是，下限取决于步骤a中水中溶解氧do的测量。事实上，如果反应器18中的溶解氧增加，有可能降低下限的值。连接下限和溶解氧测量的函数可以凭经验例如通过标准建立，例如使得处理的结果保持最佳，特别是使得第二反应器20出口处的水中氮的浓度保持在期望的公差内。

这里，同样，定义氧气量下限的步骤62可以通过分立的电子元件或者通过为此目的编程的专用或通用计算机来执行。该计算机可以是已经用于步骤26和28的计算机。

图2表示本发明第二实施方式。在图2中也存在这两个步骤a和b，它们连接在一起用于处理废水10。也存在步骤28和26，其确保根据c/n比率控制步骤a的氧气供应。也存在初始化步骤50和限度测定步骤62。

与借助图1描述的实施方式不同，在图2的实施方式中，代表c/n浓度比率的量的设定点30保持固定，并且在步骤b结束时测定水16中氮浓度的步骤36不用于修改设定点30。在图2的实施方式中，在步骤70期间，根据氮浓度测定步骤36来修改步骤a所需的氧气供应。除了在步骤28中进行的调节之外，还进行氧气供应的调节。更具体地，这里寻求将步骤36中执行的测定和设定点44之间的差值最小化。

比较器40和调节器42在此用于执行步骤70。操作器72，例如加法器，使得耦合调节器34和42的输出成为可能，以便控制供应装置24。

步骤36中使用的传感器和步骤70中使用的组件或计算机形成第三反馈回路，该第三反馈回路被配置为用于在除了第一反馈回路之外修改引入反应器18中的氧气量qair。