专利名称：：生物除去污水和废水中的氮和磷的系统和方法
技术领域：
：本发明涉及生物除去污水和废水中氮和磷的一种系统和方法，更具体的说，涉及通过改良传统的仅被用来除去磷的Phostrip工艺和使所说的改良工艺适应生物污水和废水处理使之不仅能除去有机物质而且能除去氮、磷等营养素的系统和工艺。有机污水和废水通常在传统的活化污泥方法的二次处理过程中得以处理，从而把有机物质从污水和废水中除去。但是，由于在二次处理中末将足够量的氮、磷等营养素除去，处理水中含有大量的这些营养素并被从污水和废水处理工厂排放出来。因此，该处理水一旦流入封闭的水体如小湖和港湾中，处理水的营养素就在那里积累，营养素的这种积累可能引起封闭水体过营养化的严重问题。在传统的污水和废水处理工厂中，提出了各种各样的物理化学方法用来除氮，例如，通过PH控制将包含在废水中的水生氨型氮(NH3-N)脱气到大气中的空气解吸方法、用沸石选择性置换氨的离子交换方法和氯气注入方法。也提出了一种除磷的方法，该方法通过输入像硫酸铝、石灰和类似物之类的化学物质，把可溶的磷变成不溶的沉积物之后，在最终的沉清槽中除去废水中的磷。但是，上述除磷和氮的物理化学处理方法在操作和维护费用方面是非常昂贵的。因此，为了除去污水或废水中的磷和氮，近来主要采用生物处理方法，该方法比物理化学处理方法更经济。生物除氮方法的原理是在有大量的溶解氧气(DO)存在的好氧条件下，铵离子(NH+4-N)被氧化成亚硝态氮(NO-2-N)或硝态氮(NO-3-N)，然后在缺氧条件下通过细菌将之还原成氮气，和然后从处理水中将还原成的氮气除去。在所说的生物除氮的方法中，为了通过微生物把铵离子氧化成亚硝态氮和硝态氮，需要溶解的氧气，而在该除氮工艺的缺氧条件下还需要注入有机碳源(例如，甲醇)。但是，这种方法的操作和维护费用也很高。因此，已经开发出一种使用包含在污水或废水中的BOD(生物需氧量)组分代替甲醇作为有机碳源的便宜方法。其次，作为生物除磷主要工艺的厌氧-好氧工艺除磷的原理将在下文解释。在厌氧罐中，负责除磷的微生物吸收污水或废水中的有机物并且将之以PHB(聚羟-β-丁酸酯)的形式储存在细胞中。期间，通过水解细胞中的ATP获得所需的能量。在该过程中，细胞中的ATP以正磷酸盐(PO4----P)的形式释放出来。然后，在好氧罐中，微生物氧化储存在其细胞中的PHB并且吸收比从厌氧罐中的细胞排放出的磷量更多的磷，用于细胞的再合成。在生物二次处理中，磷被按化学计量吸收，细胞中包含的磷量为其干重的1.5～2％。但是，在厌氧处理后的好氧处理过程中，细胞中包含的磷量达到4～8％，比化学计量的量高得多，该量是传统生物二次处理中含磷量的2～4倍。根据上述生物除磷和氮的原理，有各种各样被推荐使用的工艺，尤其是Phostrip工艺被推荐为除磷效率极高的优选工艺。在Phostrip工艺中，流入废水中的有机物在曝气池中被除去，然后一部分从二级沉清槽返回到曝气池的污泥在长的滞留时间里留在作为重力增稠罐的磷分离器中。此时，在磷分离器中由微生物的细胞-分解作用产生的有机物被用作释放磷所需的有机物。把在磷分离器中释放出了磷的贫磷活化污泥再送入曝气池，所述贫磷活化污泥在那里吸收大量的磷。然后，通过化学处理除去富含磷的富磷上清液。但是，在上述的Phostrip工艺中，鉴于既除磷又除氮，当曝气池的操作条件被调整到不仅氧化有机物而且氧化氮时，释放磷所需的有机物被从二级沉清槽返回到磷分离器的污泥所包含的硝态氮消耗掉。因此，在磷分离器中磷的释放被恶化，结果，上述Phostrip工艺的除磷效率下降。为了解决上述问题，提出了一种不仅除磷而且除氮的改良的Phostrip工艺，通过仅除去曝气池中的有机物和然后在二级沉清槽后增设硝化和脱氮装置，或通过在二级沉清槽和磷分离器之间装置脱氮罐，该工艺可减少流入到磷分离器中的硝态氮。但是，前一种方法需要在二级沉清槽后面设置硝化和脱氮装置，使费用增加，并且由于与流入的废水相比，通过二级沉清槽的处理水中的有机物浓度非常低，必须向脱氮罐提供有机碳源，例如甲醇。在后一种方法中，在二级沉清槽和磷分离器之间仅需要脱氮罐，因此，施工费用较低，但是，滞留时间增加到8小时或更多，并且从二级沉清槽到脱氮罐的通过流速仅为大约30％，结果，总的除氮效率降低。因此，提出本发明以解决上述问题，本发明的基本目的在于提供一种生物除磷和氮的系统和方法，其中，仅在曝气池前设有脱氮罐，然后，使混合的液体悬浮污泥(MLSS)硝化并且在曝气池中达到高的硝态氮浓度。然后使被硝化的MLSS返回到脱氮罐中，通过把有机物浓度高的流入废水中的所有有机物用作碳源，而在脱氮罐中把包含在MLSS中的硝态氮除去，因此，整个系统的总除氮效率得到进一步的改善，结果，除磷效率比通过减少磷分离器中流入硝态氮浓度的传统方法的除磷效率更高一些。为了达到上述目的，本发明提供了一种使用改良的Phostrip工艺生物除磷和氮的系统，该系统包括脱氮罐，该脱氮罐把从一级沉清槽流入的废水和从曝气池返回的污泥混合，并且通过流入废水中的有机物而把混合液体悬浮污泥还原成氮气，然后把气体排放到大气中；曝气池，该曝气池接收从脱氮罐排放出的混合液体恳浮污泥，然后将有高浓度硝态氮的混合液体悬浮污泥返回到脱氮罐中；二级沉清槽，该槽接收从曝气池排放出的混合液体悬浮污泥，使污泥沉淀，然后将预定量的污泥返到上述的脱氮罐和磷分离器中；和磷分离器，该分离器通过重力增稠方法，接收硝态氮浓度低的、从二级沉清槽返回的污泥，并将之分离成固-液状态，然后将磷分离器中的污泥和上清液返到曝气池中。为了实现上述目的，本发明进一步提供了一种使用改良的Phostrip工艺生物结合除磷和氮的方法，该方法包括第一步混合步骤，即在脱氮罐中将从曝气池返回的污泥和从一级沉清槽流出的污水混合，然后将混合液体悬浮污泥排放到曝气池中；第二步是在曝气池中除去流入的有机物和硝化流入的TKN，然后将硝化的混合液体悬浮污泥返回到脱氮罐中；第三步是在脱氮罐中，通过使用流入污水中的所有有机物从硝化的混合液体悬浮污泥中除去硝态氮，由此增加了整个系统的除氮效率；第四步通过在二级沉清槽中分离固-液状态的微生物来沉淀曝气池中生长的微生物，然后将一些污泥返回磷分离器，其余的返回到脱氮罐中；第五步分离以固-液状态储存在磷分离器中的污泥，形成厌氧条件，然后再将贫磷的污泥和富磷的上清液返到处于好氧状态的曝气池中；第六步通过使微生物在曝气池中吸收足够的磷来除去从磷分离器返回的污泥中的磷。图1是根据本发明的生物除磷和氮系统的示意图。下文将参照图1描述根据本发明实施方案的生物除磷和氮的系统和方法。如图1所示，根据本发明的系统包括脱氮罐2，该脱氮罐接收来自一级沉清槽的流入废水1，然后将在曝气池4中循环期间含有高浓度硝态氮并从曝气池4返回的混合液体悬浮污泥，通过使用流入废水中的有机物还原成氮气，随后将所形成的氮气排放到大气中；曝气池4，该曝气池接收从脱氮罐2排放的MLSS3以及将在曝气池4中循环期间变成含有高浓度硝态氮的MLSS5返回到脱氮罐2中；二级沉清槽7，该二级沉清槽用于接收来自曝气池4的排放废水6，在此沉降废水6中的污泥，然后将预定量的污泥返回到脱氮罐2和磷分离器11中；和磷分离器11，该磷分离器用于接收硝态氮浓度低并来自二级沉清槽7的排放污泥，通过重力增稠方法将污泥以固-液状态分离，然后将污泥13和上清液12送到曝气池4中。脱氮罐2配有混合器2a，该混合器用于将流入废水1、从曝气池4返同的污泥5和从二级沉清槽7返回的污泥8混合均匀，使脱氮罐2成为一个好氧罐，以便通过消耗掉排放废水1中的所有有机碳来提高整个系统的除氮效率，所述的排放废水1仅由失效专利(decertifying)工艺中的一级沉清槽排放。根据图1所示的过程，下文将详细描述本发明的操作。在脱氮罐2中，把来自一级沉清槽(未显示)的排放废水1、二级沉清槽7的第三返回污泥10和含有高浓度硝态氮并且从曝气池4返回的第一返回污泥5混合，通过使用自一级沉清槽排出的排放废水1中的有机物，将第一返回污泥5中的硝态氮还原成氮气，并将该氮气排放到大气中。本发明脱氮罐2的功能和传统改良的Phostrip工艺中除氮装置的功能有几点差别。在传统改良的Phostrip工艺中，由于把除氮装置的除氮工艺安排在二级沉清槽之后，然后用已除去了有机物的处理废水作为碳源，整个系统的除氮效率变低，因此流入磷分离器的硝态氮含量变高。结果，从磷分离器中释放出磷是困难的。但是，在本发明中，脱氮罐2被安置在曝气池4之前，该脱氮工艺通过消耗流入废水中的所有有机物，使整个系统的除氮效率进一步提高。由于在脱氮罐中大部分的流入有机物被消耗了，即使其在曝气池中的水力学滞留时间(HRT)短，也能达到高的除氮效率。此时，根据从一级沉清槽流入的量，在脱氮罐2中的水力学滞留时间优选被确定在1～2小时的范围内，并且脱氮罐2内装有使流入废水和返回污泥的混合物混合均匀的混合器2a。如上所述，本发明有不同于传统Phostrip工艺的脱氮装置的特征。曝气池4接收通过了脱氮罐2的含有混合污泥的排放废水3和在磷分离器11中释放出磷后的贫磷污泥。在曝气池4中，把已经通过了脱氮罐的流入废水中的有机物氧化，把其中的氨型氮氧化成硝态氮，并且通过用来除去磷的微生物吸收其中的大量的磷。为了提供硝化微生物生长的优选条件，曝气池4的有机物进料速率优选确定在0.1kgBOD/kgMLVSS·d～0.3kgBOD/kgMLVSS·d范围内，其水力学滞留时间(HRT)被适当地确定为大约4小时。把在曝气池4中被硝化和变成含高浓度硝态氮的混合污泥返回到脱氮罐2中并且在那里硝化，然后又使它流回到曝气池4中。曝气池4与脱氮罐2间的污泥返回比确定在1～4倍的排放废水量的范围内确定，并且脱氮罐2中硝态氮的上料速率优选定为使所述的返回比大约相当于流入废水COD的1/4。把在曝气池4中生长的微生物分离成固-液状态并使之在二级沉清槽7中沉降，然后将大约为50％沉降污泥的第三返回污泥返回到脱氮罐2中以及将大约为10～15％沉降污泥的第二返回污泥返回到磷分离器11中。来自二级沉清槽7的第二返回污泥9在重力增稠罐的磷分离器11中分离成固-液状态。磷被从形成了厌氧条件的磷分离器中的污泥层中释放出来，然后释放出磷后的贫磷污泥被返回到曝气池4中，该池处于好氧状态，利用那里的微生物吸收大量的磷。在传统的Phostrip工艺中，磷分离器中含有充足磷的上清液12是在其中的磷被化学处理除去之后排放的。但是，在本发明中，大部分的上清液被返回到曝气池4中，因为它对通过硝态氮释放磷没有影响。通过把细胞分解产生的有机物作为碳源来平稳地释放磷，所需的合适的污泥滞留时间(SDT)为8～12小时，从二级沉清槽7返到磷分离器11的返回污泥的流速为流入液流速1的大约10～15％，从磷分离器11转移到曝气池4的转移污泥的量大约为磷分离器11流入液流速的50％，该磷罐中的上清液12大约为磷分离器11流入液流速的50％。在传统的Phostrip工艺和改良的Phostrip工艺中，从二级沉清槽7到磷分离器11的返回比通常高达曝气池流入液流速的30％。但是，在本发明中，当在脱氮罐中使用流入废水中的有机物处理在曝气池4中产生的硝态氮时，由于提高了除氮率，从二级沉清槽到磷分离器的返回比可以确定在流入液流速的10％～15％的范围内。在下面这个具体实施方案的实验中，把生活污水和废水用作流入水。在磷和氮的浓度固定和仅改变流入有机物的浓度的同时，这个实验进行了大约六个月。如表1所示，在各条件下流入废水的特性和状态是相同的，并且这个实验是在处理水的能力为20m3/天的中试工厂中进行的。表1(单位毫克/升)其中，COD和BOD分别代表化学需氧量和生物需氧量，SS代表悬浮固体，TKN、T-N和T-P分别代表总克氏氮、总氮和总磷，NH3-N和NO3-N(NOx-N)分别代表氨型氮和硝态氮。用供应的自来水稀释流入的废水，从而使有机物的浓度如废水处理工厂的流入废水的质量、化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)等等得以降低，然后加入尿素(ureal)肥料和磷肥料以便防止氨型氮(NH3-N)和总磷(TP)的浓度被降低。该实验系统由脱氮罐2、曝气池4、二级沉清槽7和磷分离器11组成，它们是由3.2毫米厚的钢板制造的。脱氮罐2的尺寸大约为1.7m2，根据流入液流速的滞留时间大约为2小时，混合器2a被安装在脱氮罐2中，该混合器的转速为90rpm以便于把从曝气池4返回的污泥5和从二级沉清槽7返回的污泥10均匀混合。曝气池4的体积大约为3.4m3，该曝气池配有三个隔板并且形成四个室，为了给曝气池4提供氧气和将氧气完全混合，用鼓风机供给150升/分钟的空气。二级沉清槽的体积大约为3.3m3，在沉清槽7中沉淀的一部分污泥被直接返回到脱氮罐中，其余部分通过泵被返回到磷分离器中。磷分离器11的体积为3.3m3，为了吸收磷，该分离器中的污泥和上清液都被返回到曝气池4中。在该实验中，各反应罐的实验条件列于下表2。表2</tables>下文的表3列出了二级沉清槽排出的排放废水质量的结果，该结果是固定表2的实验条件，在表1的各条件下分别进行实验之后分析出的。表3(单位毫克/升)·总氮(T-N)总克氏氮(TKN)+亚硝态氮(NOx-N)·总磷(T-P)悬浮固体(SS)+可溶性磷为了与根据本发明的方法作对比分析，在与本发明具体实施方案相同的实验条件下，本发明人进行了传统的用于除磷的改良Phostrip方法的实验。即，曝气池和磷分离器与具体实施方案中设置的大小相同，把有滞留时间为8小时的脱氮罐安装在二级沉清槽和磷分离器之间，然后在同样的周期和同样的条件下进行该对比实验。实验结果列于表4，该结果是用Phostrip方法处理过的流出废水的水质分析。参照表4，如生物需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、悬浮固体(SS)等有机物的除去效率，以及总克氏氮(TKN)、氨型氮等的硝化效率与本发明的类似。但是，只有被安置在二级沉清槽和磷分离器之间的脱氮罐的功能，除氮率未能达到获得本系统优选操作效率所需的除氮率。因此，整个系统的总除氮效率很低，而且，归因于流入到磷分离器的硝态氮，总除磷效率与本发明的相比也低。表4单位毫克/升)为了与根据本发明的方法作对比分析，在与本发明具体实施方案相同的实验条件下，发明人也作了除磷和氮的A2/O方法的实验。即，安装与具体实施方案大小相同的曝气池和脱氮罐，将用来排放磷的另一个厌氧罐安装在脱氮罐前，然后在如表1所示的根据本发明的具体实施方案的条件I和II下进行实验。其结果如表5所示，该结果是A2/O方法处理过的排放废水的水质分析。参照表5，与本发明相比，在A2/O方法的情况下，除氮率随着流入废水中的有机物浓度的变化而明显波动。但是，在本发明中除磷和除氮率是稳定的并且优于A2/O方法。表5单位毫克/升)根据传统的Phostrip工艺与本发明处理效率的对比，在传统的Phostrip方法的情况下，由于除氮的过程安排在二次沉降过程之后，并且该过程通过把在曝气池中氧化之后剩余的少量的有机物作为碳源来进行，整个系统的除氮率低。另一方面，在本发明的情况下，如图1所示，曝气池中硝化的硝态氮被返回到安置在曝气池前的脱氮罐2中，此时，通过把有机物浓度高的流入废水作为碳源，来除去硝态氮浓度高的第一返回污泥5中的硝态氮，因此，改善了整个系统的除氮效率。由于大部分的流入有机物在脱氮罐2中被除去，曝气池4的体积可以减小到比传统方法的小一些。由于在脱氮罐2中硝态氮的除去率很高，从二级沉清槽7流入到磷分离器11的第二返回污泥9中的硝态氮的浓度很低。结果，即使在二级沉清槽7和磷分离器11之间没有除氮的过程而使污泥直接从二级沉清槽7返回到脱氮罐2中，由于在磷分离器2中没有硝态氮的影响，在磷分离器11中释放磷很容易进行，并且在曝气池4中吸收磷很容易进行，因此，除磷效率是稳定的。如上所述，根据本发明，通过曝气池之前的脱氮罐中的脱氮过程消耗掉流入废水中的所有有机物，可以改善整个系统的除氮效率。结果，通过使流入磷分离器中的硝态氮最少，在磷分离器中释放磷容易进行，与传统的方法相比，除磷和氮的效率大大地得以改善。因此，应理解的是，本发明不局限于本文所公开的预计作为实现本发明最佳方式的特定实施方案，但是本发明也并不局限于除所附权利要求限定之外的在本说明书中描述的特定的具体实施方案。权利要求1.污水和废水处理工艺中生物除氮和磷的系统，该系统包括脱氮罐，该罐将来自一级沉清槽的流入废水和返回污泥混合以形成混合液体悬浮污泥，用流入废水中的有机物把所述的混合液体悬浮污泥还原成氮气，然后把所形成的氮气排到大气中；曝气池，该池接收从脱氮罐排出的混合液体悬浮污泥，然后将硝态氮浓度高的混合液体悬浮污泥返回到脱氮罐中；二级沉清槽，该槽接收从曝气池排出的混合液体悬浮污泥，沉淀其中的污泥，然后将预定量的污泥返回到脱氮罐和磷分离器中；和磷分离器，该分离器接收硝态氮浓度低的、从二级沉清槽返回的污泥，并通过重力增稠方法将之分离成固-液态，然后将磷分离器中的污泥和上清液返回到曝气池中。2.如权利要求1的系统，它还包括将流入废水和从二级沉清槽及曝气池返回的污泥混合的装置，所说的混合装置被安装在所述的脱氮罐中。3.如权利要求1或2的系统，其中所说的脱氮罐是一种缺氧罐，该缺氧罐允许一级沉清槽的所有流入废水仅在脱氮过程中被消耗，以改善整个系统的除氮效率。4.污水和废水处理工艺中生物除氮和磷的方法，该方法包括第一步，在脱氮罐中将从曝气池返来的返回污泥和来自一级沉清槽的排放废水混合，然后将所形成的混合液体悬浮污泥排放到曝气池中；第二步，在曝气池中除去流入的有机物并硝化流入的TKN，然后将硝化过的混合液体悬浮污泥返回到脱氮罐中；第三步，在脱氮罐中通过使用流入废水中的所有有机物，把硝化过的混合液体悬浮污泥中的硝态氮除去，由此增加整个系统的除氮效率；第四步，在二级沉清槽中，通过把在曝气池中生长的微生物分离成固一液态而把它们沉淀下来，然后将一部分的污泥返到磷分离器中并将余下的部分返到脱氮罐中；第五步，分离在磷分离器中以固-液状态储存的污泥，并形成厌氧条件，然后将贫磷污泥和富磷上清液返到处于好氧条件的曝气池中；和第六步，通过使微生物在曝气池中吸收足够的磷来除去来自磷分离器的返回污泥中的磷。5.一种如权利要求4的方法，其中在第二步提供了微生物生长的优选条件，该条件为有机物的上料速度在0.1kgBOD/kgMLVSS·d～0.3kgBOD/kgMLVSS·d的范围内和水力学滞留时间在4～5小时的范围内。6.一种如权利要求4的方法，其中在所说的第三步，在脱氮罐中流入废水被用作除去硝态氮所需的碳源。7.一种如权利要求4或6的方法，其中在所说的第三步中，来自一级沉清槽的所有排放废水仅允许在脱氮过程中被消耗。8.一种如权利要求4或6的方法，其中在所说的第三步和所说的第四步中，通过用流入废水中的所有有机物来处理在曝气池中生成的硝态氮，使从二级沉清槽返回到磷分离器中的污泥中所包含的硝态氮得以还原，这样磷分离器中磷的释放便不受硝态氮的影响。9.一种如权利要求4的方法，其中在所说的第五步中，在预定污泥滞留期间，细胞分解产生的有机物被用作释放磷所需的有机物。10.一种如权利要求4或9的方法，其中所说的第五步包括使从二级沉清槽返回的一些污泥在磷分离器中滞留5～8个小时的过程，从而把细胞分解产生的有机物用作释放磷所需的有机物。全文摘要本发明提供了生物除去污水和废水中氮和磷的系统和方法,它包括:混合来自一级沉清槽的排放废水和从曝气池返回的污泥并将混合液体悬浮污泥还原成氮气的脱氮罐,接收从脱氮罐排放的混合液体悬浮污泥水然后返回硝态氮浓度高的污泥到脱氮罐的曝气池,接收从曝气池排放的混合液体悬浮污泥并且沉淀其中的污泥然后返回预定量的污泥到脱氮罐和磷分离器的二级沉清槽,和接收及分离从二级沉清槽返回的污泥成固—液状态然后把来自磷分离器的污泥和上清液返回到曝气池的磷分离器。文档编号C02F3/30GK1186050SQ97116878公开日1998年7月1日申请日期1997年9月3日优先权日1996年12月21日发明者金广洙,李相垠,安在焕,池在成,赵亨来,金昌会申请人:韩国建设技术研究院