专利名称：生物净化废水并同时分解有机化合物和含氮化合物的方法
技术领域：
本发明涉及生物净化含有有机化合物及含氮化合物的废水的方法，其中在纵向穿流的反应器中，在有固定于载体材料上的生物材料存在的条件下用空气和/或纯氧对废水进气，并接着在后澄清装置中分离成净化水和淤泥，并至少部分地将所分离的淤泥再次送回该反应器中，而且在该反应器中引入在废水中可自由运动的量的载体颗粒作为微生物的载体材料。
背景技术：
在与载体有关的废水净化方法中，由微生物形成的生物材料一部分以悬浮的淤泥团块(活性淤泥)的形式存在，而一部分固定在可于反应器中自由运动的载体材料上。作为载体材料例如可使用块状多孔的泡沫材料颗粒。废水和悬浮的生物材料从反应器流出，进入后澄清装置中，于其中将它们以机械方式分离，例如通过沉降法。分离后的生物材料一部分作为回流淤泥送回反应器中，而一部分作为过量淤泥排出和清除。固定的生物材料则通过机械截止载体颗粒的办法(例如利用筛壁)而被阻止流出反应器。
EP 0 233 466 B1公开了此类方法。其中所述方法消除了传统方法的缺点，即、为了生物清除有机内容物和含氮化合物需要很大的反应器体积。这是因为生物清除以铵的形式存在的氮的过程需要在两个相继的生物化学反应中进行，而且这两个反应要求不同的反应条件。
首先，在硝化作用中，铵(NH4+)通过特殊的细菌在通入氧气的条件下被氧化成硝酸盐。接着该硝酸盐在其他细菌的反硝化作用下被还原成元素氮(N2)，且其中优选使包含在导入的废水中的有机物起到还原剂的作用。
因为硝化作用是需氧的氧化反应，意味着需要导入足够的氧，而绝氧的反硝化作用的前提却是无氧，至少是缺氧的反应条件，所以用于生物除氮的设备需要具有提高的溶解氧的体积容量以及尽可能少的溶解氧的体积容量。
传统的设备(参见ATV-DVWK-Regelwek工作手册A131)需要在各自分离的反应器中维持相反的反应条件，或者通过接通和关闭通气而交替地调节反应条件，并且相应地要求大的反应器体积，而根据EP 0 233466 B1的氮消除过程需要以大规模同时在一个反应器中实现。
为此目的，需要在一个反应器(活化槽)中在流动方向上设置具有不同含量的溶解氧的区域。这可通过各自不同地导入空气或氧气来实现。在氧含量高的区域内优选进行硝化作用。在氧含量低的区域内则至少部分地实施反硝化作用，而无需为该部分设置独立的槽体积。
虽然毫无疑问地节省了反应器体积，但根据EP 0 233 466 B1的设备具有一系列操作技术上的缺点若例如根据实施例，在流动方向上首先设置氧含量低的区域，即导入少量氧，则此处所期望的反硝化作用就意味着需要从氧含量高的区域送回足够多的硝酸盐，这是因为只有在该区域内才能形成。
低氧浓度伴随着充分混合的程度小，并且低氧浓度会导致载体颗粒由于在反硝化作用中形成的氮气泡的浮力作用而漂浮起来。作为漂浮覆盖层而积聚起来的载体颗粒不再参与物质转换。
在氧含量低的区域之后的需氧区域内，虽然可实现高的硝化作用速率，却在很大程度上抑制反硝化作用。在活化槽中由强烈通气而产生的能量密度会导致载体材料堆积在能量密度低的区域内，并且会强化飘浮覆盖层在那里形成。此外，该抑制作用导致硝化作用能力的下降，这是因为固定在该载体材料上的硝化细菌不能进行硝化作用。
虽然后序的重新具有低氧含量的区域从在前的强烈需氧的区域中得到含有硝酸盐的导入流，但反硝化作用仍受到限制，这是因为在前的区域使作为还原剂所需的有机碳化合物在很大程度上发生分解。因为由氧需求量低而导致混合能低，所以载体材料漂浮起来的趋势特别高。
发明内容
本发明的目的在于改进上述的方法，使得可以不必提高硝酸盐从强烈通气的区域送回通气较弱的区域内的回流量，并且可以避免在反硝化过程中由于载体材料浮起以及在硝化过程中由于载体材料从能量密度高的区域排出而引起的产量损失。
根据本发明，该目的可通过以下方法加以解决，通过维持反应器中的以下进气特性和流量特性而针对性地同时实施有机化合物和含氮化合物的分解1)在反应器底部上的至少一个纵向沿着流方向分布的进气面上方保持沿着该流方向延伸的连续进气，2)形成至少一个不进气的、在所述流方向的垂直方向上与进气面相邻的自由面，及3)使运动的反应器内容物形成辊式流，其中所述流在进气面上方是向上的，在反应器内容物的表面上是水平地朝向自由面的方向的，在自由面的上方是向下的，而在反应器底部是水平朝向进气面的。
本发明是基于如下考虑，通过选择合适的进气方法可调节特定的水力剖面，从而在反应器中实现同时分解有机化合物和含氮化合物。为此，将符合需氧量而要求的进气元件(如细或粗的管式、板式或盘式通风机、喷射器、静态混合通风机)设置在例如作为活化槽的反应器的底部上，作为沿着流动方向的基本上连续的进气面，而该进气面例如可作为通气区域。在与该通气区域相平行、相邻处以及位于该通气区域之间，于槽底部上具有未被覆盖的面，这些面的宽度优选为至少0.5m，且最大与该通气区域的宽度相符。该排列方式可在导入空气或氧气时使运动的槽内容物(废水、活性淤泥、载体材料)形成垂直于流动方向的封闭的辊式流，其在该通气区域上方具有向上的流，而在槽底部的非活化部分上方具有向下的流。因此，通气区域和自由面发挥螺旋形穿流过槽的作用。
该水力性能对生物分解过程发挥以下作用，在通气区域上方的上升流中，由于溶解氧的含量提高，而通过悬浮和固定的生物材料为硝化作用充分营造出有利的前提条件。
相反地，在下降流中以及在槽底部回到通气区域的流中，导入氧气的中断导致溶解氧含量的减小，而这些氧基本上被悬浮的生物材料和固定在载体材料表面上的生物材料消耗掉了。在优选使用具有特别位于载体材料内部的微生物的内外生长面的载体颗粒时，这是有利于反硝化作用的。
垂直于流动方向的辊式流使槽内物料均匀彻底混合，其中槽内容物在滞留时间内可多次在溶解氧含量提高和溶解氧含量降低的区域之间转换。
与根据EP 0 233 466 B1的方法不同，以此方式可避免由漂浮的载体材料形成的飘浮覆盖层，并且避免载体材料从能量密度高的区域排出，从而可避免由于不参与反应的载体材料部分而导致的产量损失。
如上所述，通过优选使用具有微生物的内外生长面的载体颗粒而有利于在反应器中同时进行硝化作用和反硝化作用。其中可使用的载体颗粒例如可具有网格结构，该网格结构能够将废水内容物导入载体颗粒的内部区域中。特别优选使用具有多孔结构的载体颗粒，该多孔结构优选具有微孔和大孔，由此可形成微生物的内外生长面，并且足以将废水内容物导入该内生长面。该载体颗粒可由不同的材料制成，例如可由多孔的烧结材料或塑料构成。
根据本发明的一个特别优选的具体实施方案，作为载体颗粒使用多孔泡沫材料颗粒。它们优选由开孔的聚氨基甲酸酯泡沫材料构成，且粒径为2至50mm，比重为20至200kg/m3。孔直径优选为0.1至5mm。
为支持最佳的水力性能，优选在反应器中装入占反应器体积15至35％的载体颗粒。
为了特别有效地净化废水并同时分解碳化合物和氮化合物，额外推荐在反应器中调节至0.4至2.5kg/m3×d的BSB5-体积负载和0.1至0.8kg/m3/d的TKN-体积负载。
此外，优选调节进气量，使向上流的区域内保持1至4mg/L的溶解氧含量。
根据本发明构想的另一个具体实施方案，在多个相互平行且沿着流方向延伸的反应器底部上的面上方保持连续地进气，其中垂直于该流方向的中间面则保持不进气。由此产生多个垂直于该流方向的辊式流。
根据本发明的另一个具体实施方案，将基于反应器通量的20至100％的部分从反应器末端送回反应器开端，并在此处导入向下流中。
下面根据附图中所示的实施例更详细地阐述本发明。
图1所示为具有活化槽的活化设备的俯视图，其中形成了流辊。
图2所示为垂直于流动方向的活化槽的横截面。
图3所示为垂直于流动方向且带有两个反向流动的辊式流的活化槽的横截面。
图4所示为垂直于流动方向且带有两个外侧不通气区域和一个中间通气区域的活化槽的横截面。
具体实施例方式
图1中的标记1表示作为充分混合的活化槽的反应器，其中如小方块9所示，存在着可自由运动的由聚氨基甲酸酯泡沫材料构成的多孔小方块形式的微生物载体材料，其占据了15至35％的反应器体积。待处理的废水经由导入口2导入活化槽1中，而由已处理的废水和活化淤泥构成的混合物经由设置在活化槽上部区域内的流出口3导入作为沉淀池的后澄清装置中，而所述流出口3之前设置有用于阻挡各种载体材料颗粒的诸如筛壁形式的分离装置4。澄清后的废水从那里流出装置，而沉降的淤泥则部分地经由淤泥排出口8排出。如图1和2所示的活化槽的底部有超过50％的宽度覆盖着通气区域11，而最多50％宽度的剩余面积不被覆盖。来自通气区域11的上升的空气泡和/或氧气泡使运动的槽内容物于如箭头10a所示的向上流中移动，而该流在与对面槽壁水平的表面处拐弯(如箭头10b所示)。在自由的槽底部上方得到向下流(如箭头10c所示)。通气区域11上方的上升气泡在槽底部处有效产生的吸入作用形成了如箭头10d所示的水平流。
如此在垂直于流动方向上形成了整个封闭的辊式流。活化槽包括其他的回流导管11，经由该导管在阻挡装置之前或之后将取出的含有硝酸盐的槽内容物传送到导入区域内的向下流部分中。
图3所示为垂直于流方向且带有两个反向流动的辊式流的活化槽的横截面，其中在位于槽边缘处的两个通气区域11之间设置有不通气的中心区域12。
根据图4，两个外侧不通气区域12设置有中心通气区域11，这同样会同时产生两股反向流动的辊式流。
权利要求
1.生物净化含有有机化合物及含氮化合物的废水的方法，其中在纵向穿流的反应器(1)中，在有固定于载体材料(9)上的生物材料存在的条件下用空气和/或纯氧对废水进气，并接着在后澄清装置(5)中分离成净化水和淤泥，且至少部分地将所分离的淤泥再次送回该反应器(1)中，而且在该反应器(1)中引入在废水中可自由运动的量的载体颗粒作为微生物的载体材料(9)，其特征在于，通过维持反应器(1)中的以下进气特性和流动特性而针对性地同时实施有机化合物和含氮化合物的分解1)在反应器底部上的至少一个纵向沿着流方向分布的进气面(11)上方保持沿着该流方向延伸的连续进气，2)形成至少一个不进气的、在所述流方向的垂直方向上与进气面(11)相邻的自由面(12)，及3)使运动的反应器内容物形成辊式流(10a、b、c、d)，其中所述流在进气面(11)上方是向上的，在反应器内容物的表面上是水平地朝向自由面(12)的方向的，在自由面(12)的上方是向下的，而在反应器底部是水平朝向进气面(11)的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所用的所述载体颗粒(9)具有微生物的内外生长面。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，使用多孔泡沫材料颗粒作为所述载体颗粒(9)。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述载体颗粒(9)的装入量为反应器体积的15至35％。
5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在所述反应器中调节至0.4至2.5kg/m3×d的BSB5-体积负载和0.1至0.8kg/m3/d的TKN-体积负载。
6.如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，调节进气量，使向上流的区域内保持1至4mg/L的溶解氧含量。
7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在多个相互平行且沿着流方向延伸的反应器底部上的进气面(11)上方保持连续进气，其中垂直于该流方向的进气面(11)之间相邻的自由面(12)则保持不进气，由此产生多个垂直于该流方向的辊式流(10a、b、c、d)。
8.如权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，将基于反应器通量的20至100％的部分从所述反应器末端送回所述反应器开端，并在此处导入向下流中。
全文摘要
本发明涉及生物净化含有有机化合物及含氮化合物的废水的方法，其中在纵向穿流的反应器1中，在有固定于载体材料9上的生物材料存在的条件下用空气和/或氧气对废水进气，并接着在后澄清装置5中分离成净化水和淤泥。为了能够在反应器1中同时实施有机化合物和含氮化合物的分解，推荐通过合适的进气方法使运动的反应器内容物在反应器1内形成垂直于流动方向的辊式流10。为此，在反应器1的流动方向上设置基本上连续的进气面11，并且垂直于流动方向设置相邻的不进气的面12。从而在进气面11上方的上升流中得到有利于硝化反应的前提条件，而在不进气的面12上方的下降流中则有利于反硝化作用。
文档编号C02F3/10GK101028953SQ200610100610
公开日2007年9月5日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年3月3日
发明者安东·杰尔, 曼弗雷德·莫珀尔 申请人:林德-Kca-德累斯顿有限公司