专利名称：水的好氧生物纯化方法
技术领域：
本发明涉及在含有活性污泥的反应器中进行水的好氧生物纯化的方法，更具体地，本发明涉及纯化饮用水、工艺用水，以及更重要地，纯化废水。
欧洲专利申请24758披露了一种氧化生物纯化废水的方法，其中废水向上流经含有微生物的氧化室，微生物附着于不溶性的载体上。载体的作用是通过提供用于污泥生长和/或增加污泥-载体颗粒密度的表面而承载活性污泥。从加载的(supported)活性污泥中分离纯化的废水的过程发生在反应器的顶部，分离的污泥返回反应器。
在这些类型的反应器(也称作气升反应器)中，通过导入氧气、空气或富氧空气使悬浮体在氧化反应器中运动。在氧化室的顶部，由水、气和加载的污泥组成的三相混合物在一个三相分离器中分离。
一部分循环废水从加载的活性污泥中分离并作为流出液离开反应器。所有的或至少大部分污泥循环回到反应器，通常进入具有向下流动的流体的室中，该室可以是，但不是必须是厌氧或无氧区。
本发明的目的在于提供一种用于上述类型的废水的好氧纯化的改进的方法或系统。
本发明涉及在含有未加载的(unsupported)颗粒状活性污泥的反应器中进行废水的好氧生物纯化的方法。该方法包括下述步骤，将废水和含氧的第一气体导入反应器，第一气体导入反应器的位置是能使第一气体在反应器中产生混合作用，也称湍流。所述的方法还包括将纯化的废水从反应器中移走。
本发明的另一方面是用于上述方法的反应器。该反应器用于废水的好氧纯化，并包括至少一个第一区和用于产生流经第一区的向上的废水流的设施，以及至少一个第二区，该第二区具有流经该区的向下的废水流。反应器还具有将废水从第一区向位于反应器顶部的第二区转移的设施，以及将废水从第二区送回位于反应器底部的第一区的设施。另外，反应器具有一个分离器，优选为三相分离器，位于第二区，分离器具有通过重力将分离的污泥循环回到第二区的设施，以及将与污泥分离的水移走的设施。反应器还具有曝气、混合以及在第一区输送废水的设施。
参照附图将更易理解上述发明概述以及下述对本发明优选实施方案的详细描述。为描述本发明，附图示出目前优选的实施方案，但应理解的是，本发明不限于附图所示的精确的排列和手段。图中
图1是本发明的一个优选的反应器的示意图，该反应器带有一分离器；图2是图1的反应器的分离器及附近特征的放大示意图。
本发明涉及在含有未加载的颗粒状活性污泥的反应器中进行水的好氧生物纯化的方法，保持好氧环境所必须的氧气是以含氧气体的形式提供至反应器的某一位置，从该位置提供含氧气体至少应能部分提供反应器中必须的混合作用。
本发明基于下述惊人的发现，即未加载的颗粒状污泥能在气升反应器中用于好氧生物纯化。使用未加载的颗粒状污泥的一个重要优点是不必向反应器连续提供载体(support)材料，从所述材料的成本、操作性以及过量污泥的进一步加工的容易性方面考虑这一点是很重要的。除此之外，还可看到使用不加载的颗粒状污泥通常改善了反应器的纯化效率，使得可以采用较小的反应器系统。对于某些类型的污泥来说可能存在问题的污泥与载体的粘附将不再是一个问题。另外，还应注意到悬浮和混合污泥所需的能量通常小于基于砂、玻璃或玄武岩的传统系统所需的能量。最后，使用未加载的污泥的独特的优点是未加载的污泥较少腐蚀设备。
本发明属于好氧、生物纯化水，优选是纯化废水如工业和/或生活废水的领域。根据存在于废水中的杂质，特别是氮杂质，可以提供传统的生物氧化使有机杂质氧化成二氧化碳和水，或者也可以在反应器的无氧区进行硝化作用，也可选择性地将硝化作用与反硝化作用结合。根据废水的类型，未加载的颗粒状污泥中的微生物的组成可以相应变化。
本发明的一个重要方面是使用不加载的颗粒状污泥，如本领域所公知的，未加载的颗粒状污泥包括密度大于约1000kg/m3、不含或基本上不含外加载体材料的生物活性污泥颗粒。有多种方法确定反应器中的污泥是未加载的，其中一个容易的方法是起始加入加载的好氧污泥，通过不向反应器提供任何支持材料而仅简单循环部分污泥使这种污泥逐渐变成未加载的污泥。随着时间的延长，由于微生物的生长，支持体的数量将逐渐降低。或者，也可从现有系统中取得一定量的颗粒状厌氧污泥，通常由于好氧微生物量的增加，这种污泥将逐渐变得好氧。
当然，一旦使用本发明方法的一或多种系统已经建成，也可以从这种系统中取出未加载的、好氧的颗粒状污泥用于新建系统。
一旦系统在稳定状态下合适地运行，不必再需要特殊的操作以保持污泥处于合适的条件下。在这一点上，优选保持系统中的水的平均停留时间为0.3-20小时，优选0.5-10小时，最优选0.5-5小时。
应注意术语“未加载”不排除在颗粒污泥中存在小的固体杂质的可能性。由于其性质，废水可能被砂或其它小固体杂质污染，这些杂质可能被污泥捕获。然而，颗粒状未加载污泥的特征在于在大多数颗粒中不存在或基本上不存在分离的固体载体颗粒。在方法中没有外部支持体加入。
为正确地操作，优选的是存在于反应器中的污泥量为约5-100kg/m3、更优选为15-60kg/m3。污泥悬浮于液体中并通过在反应器的合适位置、通常为好氧区的底部导入含氧气体而基本保持悬浮。含氧气体优选为空气、氧气或富氧空气最优选是空气。
反应器通常至少分为两个区，各区在顶部和底部互相连接，在至少一个所述区(称作第一区)中，由于含氧气体的作用，废水有一向上的速度，在第一区的顶部悬浮液流入至少一个第二区，在第二区中废水有一向下的速度。第二区可以在非常低的溶解氧浓度下操作，但这不是必须的。
在现有技术中，废水从一个区向另一个区循环的方式通常是其流过位于两区之间的分离壁(separation wall)的顶部。在这种条件下，一旦废水的水平超过分离壁的顶部，循环率几乎随水的水平的提高呈指数增加。
本发明的反应器设有用于将废水从第一区(也称好氧区〕向第二区循环的设施，该设施的结构优选是使得当第二区水的水平恒定时，循环率与好氧区水的水平大致呈正比例关系。
建成符合正比例关系的循环率的反应器的一种容易的方式是，设置一分离壁，该分离壁沿高于相邻区的通常水平面延伸，并在分离壁上低于两个区的水平面的位置设置开口，该开口具有足够的截面积以提供合适的循环。
开口还可以低于第一区的水平面而高于第二区的水平面。反应器优选设有一分离器，有些时候也称为沉降器，例如，EP-A 90,450、EP-A 311,215、EP-A 311,216和/或EP-A 315,233所述。描述了用于本发明的一个优选分离器的EP-A 315,233的全部公开内容引入本文作参考。
分离器用于使气体、污泥和水彼此分离。分离的水部分循环，部分移走作为产品水。大部分未加载的颗粒状污泥通常优选循环到第二区中，在该区中废水具有一向下的速度。由于颗粒状污泥很容易被施加的过度剪切力扰乱，所以优选的是在重力的影响下循环污泥，例如使用EP-A 24,758披露的系统。
在一优选的实施方案中，分离器设在反应器的第二区，其中废水有一向下的速度。为防止在向下流动的水中出现捕获空气的问题，优选的是在这一区域废水的向下速度不超过约0.25m/s，优选不超过约0.20m/s。
分离器的实际构造，尤其是分离器的隔板数(见图2的特征12)至少部分取决于反应器的气体负荷。已发现在本类型的分离器的应用中，采用的隔板数应优选至少为1，当气体负荷超过3Nm3/m2.h时，隔板数应为P≥1+|V-3.03|]]>其中P是隔板数，V是分离器的气体负荷，以Nm3/m2.h表达。
根据一个实施方案，有利的是向第二区，该区中废水有一向下的速度，提供气体，例如含氧气体或氮。当提供含氧气体时，这种提供会改善系统的纯化效率，同时改善污泥分离效率。
根据一个优选的实施方案，从好氧区循环到第二区的废水被部分地导入位于第二区的分离器中。优选的是如此引导水流使得废水在进入分离器之前有一向上的趋向。这一点具有预料不到的令人惊奇的优点，即分离效率大大提高。
为了在主要是向下流向的第二区中获得废水的这一向上流动，可以在距第一和第二区之间的分离壁一段距离的某位置设置另外一个分离壁，优选基本平行于该分离壁并延伸至分离器入口之下的水平面，所述的另外的分离壁产生一个单独的向下流动室。
在另一个实施方案中，可以如此建造分离器使之产生一个独立的向下的流动室，即，例如使分离器延伸跨过向下流动室的整个宽度。应注意的是，现有的系统中分离器是如此建造的使水可以沿分离器周围流动并因此在水到达分离器的入口时有一向上的流动。
根据本发明，通过导入含氧气体可至少提供部分颗粒状未加载污泥的混合及悬浮。然而，还可以通过反应器的底部导入全部或部分废水，从而废水的向上流动有助于悬浮污泥并混合系统。最后，气升系统可以通过某些机械混合辅助。
根据本发明，废水的停留时间通常为约0.2-2小时，而温度范围为5-65℃，优选为约20-45℃。反应器的负荷可以为约0.2-20kg COD/m3.d，任选地，与高至20kg Kjehldal-N/m3.d结合。
为完全除去有机和氮化合物，COD/N比优选至少为3。由于待纯化的废水不会总是符合最低值，所以可能必须外加COD源。这主要取决于需除去杂质的程度。有时添加营养成分以使系统中的污泥足够生长是有用的。外部COD源和/或营养成分可以各种形式加入，如固体、液体或气体形式。COD源可在各种位置加入，如在沉降器下面加入。
本发明还涉及一种适用于本发明方法的反应器，该反应器包括至少一个带有产生一个向上废水流的设施的第一室，也称好氧室，以及至少一个用于废水向下流动的第二室，所述的室设有用于将废水从好氧室向位于其顶部的第二室循环的设施，并设有用于将废水从第二室向位于其底部的好氧室循环的设施，以及用于曝气、混合及在好氧室输送废水的设施。反应器还包括一分离器，优选置于用于向下流动的室内，所述的分离器具有用于通过重力将分离的污泥向用于向下流动的室循环的设施，以及用于移走与污泥分离的水的设施。一个优选的反应器具有存在于(a)分离第一区和第二区的壁和(b)分离器壁之间的间隙。
根据一个优选的实施方案，分离器是一三相分离器，可以通过在好氧室和第二室之间的分离壁上开口来提供用于将废水从好氧室向第二室循环的设施。
当采用该实施方案时，其中当进入三相分离器时废水有一向上的流动，在用于将废水从好氧室向第二室循环的设施与分离器之间存在一另外的分离壁。
本发明采用的反应器优选在第二区，即具有向下水流速度的室，中具有分离器。其主要优点是分离器的功能不被或几乎不被带入反应器的大量的空气所干扰。另外，通过如上所述限制向下的速度，分离器的作用得以改善，因为第二室的液流将不被气体阻碍，由此使能耗降低。
本发明采用的反应器的高度与直径之比优选至少为约0.5，更优选为约1-25，最优选为约2-5。
图1示出一反应器1，具有两个室或区2和3。在室2的底部，空气由4导入。在室2中气体、污泥与废水的混合物由于在底部导入的空气的气升作用而具有一向上的流动。气体、污泥与废水的混合物流过位于室2和3之间的分离壁5的上缘。在另一种方案中，该混合物可以流过设置在壁5上低于两个室的水平面的位置的合适的开口。开口还可以低于第一区的水平面而高于第二区的水平面。
在室3中设置了一个三相分离器6，该分离器分离气体、污泥和水。一部分基本上无悬浮污泥的水作为流出液离开反应器1。
污泥从分离器6中移出并返回反应器的室3。在室3中污泥和废水具有一向下的流动方向。废水从管线3导入室3，产生的混合物由分离壁5的下边流到室2。另外，废水也可导入到室2。
图2示出适用于本发明的三相分离器6，分离器6设在具有一向下水流的室中。
分离器6具有由壁10和11隔成的小室15，其中壁10延伸穿过该室，使从室2向室3流动的气体/污泥/废水向下至分离壁5和室壁10之间。气体/污泥/水混合物沿壁10和导流板13流动，并在隔板12的上侧(图2的右侧)进入分离器6。混合物在隔板间向下流动，此时气体从气体/污泥/水混合物分离出。在隔板12的下端(图2的左侧)已发生了污泥与水/残渣的第一次分离。至少部分污泥由于重力作用沿导流板13的内侧向下移动并返回到室3。其余含污泥的混合物向上进入小室15。
当流出液流过壁11的顶部进入最终流出液收集槽14时，从分离器中回收流出液，从收集槽14处将流出液移出反应器。在上部的气体室收集气体并移出反应器(见图1)。
以下参照非限制性实施例更详细地描述本发明，其证明了本发明的优良性能。实施例将COD含量为725mg/l、流速为100m3/h的废水导入图1所示的、带有图2所示的沉降器的系统中。反应器高度为9.0m，容积为200m3。停留时间为2小时，反应器负荷为8.7kg COD/m3.d。反应器中的未加载的悬浮颗粒状污泥的浓度为约400m/l，或约35g/l。
为氧化导入反应器的COD需2500m3/h的空气。这一用量使室2的停留时间为6分钟，向上的速度为90m/h，在室3中，尤其在由分离壁5和分离壁10形成的通道中，向下的速度为约0.18m/s。分离器6中水的向上流速为约14m/h，从分离器中回收得到COD含量为50mg/l的纯化水，从上部气体室中回收的气体中的氧含量为19％(体积)。
本领域熟练技术人员应理解的是可以在不背离宽的发明概念的条件下对上述实施方案作出改动。因此，本发明不限于所披露的具体的实施方案，而是包括在所附权利要求书限定的本发明的实质和范围内的所有改进。
权利要求
1.在含有未加载的颗粒状活性污泥的反应器中进行废水的好氧生物纯化的方法，包括如下步骤，将废水和含氧的第一气体导入反应器，其中第一气体在能使其在反应器中产生混合作用的位置导入反应器，以及将纯化的废水从反应器中移出。
2.根据权利要求1的方法，其中反应器中的污泥量为约5-100kg/m3。
3.根据权利要求1的方法，其中反应器中的污泥量为约15-60kg/m3。
4.根据权利要求1的方法，其中所述的第一气体选自氧气、空气和富氧空气。
5.根据权利要求1的方法，其中反应器设有至少一个第一区和至少一个第二区，其中至少一个第一区和至少一个第二区在反应器的顶部和底部均处于流体相通状态，废水在每一个第一区均有一向上的速度，而在每一个第二区均有一向下的速度。
6.根据权利要求5的方法，其中至少一个第二区在无氧条件下操作。
7.根据权利要求5的方法，其中所述的向上速度至少部分地由第一气体的导入而提供。
8.根据权利要求5的方法，进一步包括与反应器流体相通的分离器，所述的分离器用于连续地将纯化水从颗粒状污泥中分离出来，所述的颗粒状污泥随后至少部分地进行循环。
9.根据权利要求8的方法，其中未加载的颗粒状污泥循环回到第二区。
10.根据权利要求9的方法，其中未加载的颗粒状污泥在重力的影响下循环。
11.根据权利要求8的方法，其中分离器位于反应器内并是一种三相分离器。
12.根据权利要求8的方法，其中分离器位于反应器的第二区。
13.根据权利要求8的方法，其中含有未加载的颗粒状污泥的废水在进入分离器时具有一向上的速度。
14.根据权利要求5的方法，其中在第二区中废水的向下速度不超过约0.25m/s。
15.根据权利要求5的方法，其中在第二区中废水的向下速度不超过约0.25m/s。
16.根据权利要求5的方法，其中向至少一个第二区供入第二气体。
17.根据权利要求16的方法，其中第二气体是含氧气体。
18.根据权利要求5的方法，其中在废水在第一区有一个第一高度，在第二区有一个第二高度，并且反应器的建造方式是使得废水以大致与第一和第二高度之差直接呈比例的速率进行循环。
19.适用于权利要求1的方法的、用于废水的好氧纯化的反应器，所述的反应器包括至少一个第一区，一种用于产生流经第一区的向上废水流的设施，至少一个具有流经其中的向下废水流的第二区，一种用于在反应器顶部将废水从第一区输送至第二区的设施以及一种用于在反应器底部将废水从第二区输送至第一区的设施，一个位于第二区的分离器，所述的分离器具有用于通过重力将分离的污泥循环至第二区的设施以及用于移走与污泥分离的水的设施，所述的反应器进一步具有用于曝气、混合及在第一区输送废水的设施。
20.根据权利要求19的反应器，其中分离器为三相分离器。
21.根据权利要求19的反应器，其中用于将废水从第一区输送至第二区的设施是通过在分隔第一区和第二区的壁上的开口而提供的。
22.根据权利要求19的反应器，其中在分隔第一区和第二区的壁与分离器壁之间存在一间隙。
23.根据权利要求19的反应器，还包括一种设施，用于在低于分隔第二区和第一区的壁的最低部分的水平将第二气体导入第二区。
24.根据权利要求19的反应器，反应器的高度与反应器的直径的比值至少为0.5。
25.根据权利要求24的反应器，其中所述的比值为约1-25。
26.根据权利要求24的反应器，其中所述的比值为约2-5。
全文摘要
本发明涉及在含有未加载的颗粒状活性污泥的反应器中进行废水的好氧生物纯化的方法。在反应器中维持好氧环境所需的氧气是以含氧气体的形式提供，该含氧气体优选在如此的位置导入反应器以使含氧气体至少能在反应器中提供某些混合作用。本发明还提供了适用于本方法的反应器。
文档编号C02F3/22GK1150127SQ96107189
公开日1997年5月21日 申请日期1996年7月11日 优先权日1995年7月11日
发明者亚伯拉罕·艾萨克·韦斯普雷尔, 迪尔克·扬·库特 申请人:拜奥塞恩系统国际公司