通过需氧途径生物处理城市或工业废水的方法和设备与流程

本发明涉及通过需氧途径生物处理城市或工业废水的方法，以用于去除可生物降解含碳物质并且将铵氧化。

通过需氧途径的处理通过空气或氧供给确保。在下文中，为了简化起见，将仅提及空气供给，但这种表述被理解为也涵盖氧供给。

本发明涉及一种方法，根据该方法待处理水以活塞流(flux piston)的形式在入口和出口之间流动，并且空气供给在水流之下分布并且通过至少一个空气源供应，这个空气源的流量根据至少一个处理参数进行调整。

背景技术：

活塞流处理的配置导致在实施处理的生物槽或反应器(通常具有伸长型矩形形状)的入口和出口之间的铵和含碳污染物的浓度梯度。这明显不同于利用完全混合的处理，在所述完全混合中，槽的每个点的浓度均相同。

针对活塞流配置的空气供给的传统调节并不完全令人满意并且需要进行改进。该调节常常根据在处理区出口处测量的残余氧浓度来进行。

优化地，在处理时间的过程中提供的总空气供给应当对应于确保该处理的空气需求。在处理区的绝大部分中，供应的所有氧由生物质消耗，因而确保了碳的去除和铵的氧化。处理结束时的氧残余是空气供给充分且所有可氧化物质均能被处理的保障。

由此带来的困难是，可氧化物质的量连续变化，使得必须要连续调节所要提供的空气的量。传统上用于调节空气供给的处理结束时的氧浓度是一个随时间高度可变的参数，因为一旦可氧化物质已被完全处理，则氧浓度在数十分钟内从接近0的值达到8mg/L。

另外，根据可氧化物质的载荷的变化，存在按照处理槽的长度的氧浓度分布(profils)的风险，这是不能令人满意的。在低载荷的情况下，空气供给可能过高，这可表现为在多于一半的处理区上的高氧浓度；因而在提供氧方面存在无用的花费。

在高载荷的情况下，空气供给可能过低，这使得无法测量在处理区结束时的残余氧浓度。这种处理是不足的，并且使得无法去除大部分的可氧化物质。

因而看来，通常使用的调节并不是完全令人满意的，因为空气供给根据在处理结束时观察的残余氧浓度进行调节。这涉及的是后验(a posteriori)调节，其无法预测待处理载荷的变化。空气流量根据在排出水处观察到的残余氧进行调节。在处理结束时的高氧浓度变化还带来所需的空气流量的显著变化，这是一种会导致空气产生或分布波动的现象，尤其是在其中多个处理线从一个共同源供应空气的情况下。

技术实现要素：

本发明的目的首先在于提供一种活塞流生物处理方法，其不再具有或者在较小程度上具有以上所指出的缺陷，并且尤其使得能够更好地管理空气供给的变化以确保可生物降解含碳物质的去除和铵的氧化。实施该方法的成本与传统方法的成本相比还应当是可接收的。

根据本发明，其涉及用于通过需氧途径生物处理城市或工业废水的方法，以用于去除可生物降解含碳物质并且将铵氧化，根据该方法，待处理水在入口和出口之间以活塞流的形式流动并且空气供给在水流之下分布并且由至少一个空气源供料，并且这个源的流量根据至少一个处理参数调整，该方法的特征在于：

-待处理水的营养物(碳和/或铵)浓度在入口处连续测量，

-并且空气供给的流量根据营养物(碳和/或铵)浓度调整。

优选地，处理过程中水的营养物(碳和/或铵)浓度在处理进程中的点、尤其是在半程处测量，以对有效实现的去除率积分(intégrer)以用于调整空气流量。

空气流量的计算可根据公式(D1)来进行，该公式(D1)考虑了在活塞流入口处的营养物(碳和/或铵)浓度NutrEntrée和在处理点处、尤其是中间处的营养物(碳和/或铵)浓度NutrParcours：

D1→Qair＝Qmin+B*NutrEntrée+C(NutrParcours–E*NutrEntrée)

其中，

营养物(碳和/或NH₄)浓度以mg/L表示，

Qmin以Nm³/h表示，

Qmin是2-6Nm³/h/m²*曝气槽面积(以m²表示)，

B以Nm³/h/mg/L表示，

B是400-1000，有利地等于700(对于基于氮测量和欧洲城市废水的处理)，

C以Nm³/h/mg/L表示，

C是150-600，以Nm³/h/mg/L表示，取决于配置(对于基于氮测量和欧洲城市废水的处理)，

E为无单位的0.5-0.8。

空气流量的计算还可根据另一公式(D2)进行，该公式(D2)一方面考虑了在时间t-1应用的空气流量Qair-1，并且另一方面考虑了在活塞流入口处的营养物(碳和/或NH₄)浓度随时间的变化(pNutrEntrée)，以及营养物(碳和/或NH₄)去除率在进程中的点上、尤其是在活塞流的前半部分上的变化，

D2→Qair＝Qair-1+F*pNutrEntrée+G*p(NutrParcours-E*NutrEntrée)

其中：

Qair–1等于在t-1(t-1分钟，通常等于10分钟)应用的空气流量，

pNutrEntrée，在活塞流入口处的营养物(碳和/或氮)浓度的变化，

p(NutrParcours-E*NutrEntrée)，在进程中的点上、尤其是在活塞流的前半部分上的营养物(碳和/或氮)去除率的变化，

F以Nm³/h/mg/L/min表示，F为6000-12 000，有利地等于8000，(对于基于氮测量和欧洲城市废水的处理)，

G以Nm³/h/mg/L/min表示，G为1-10，有利地等于5，(对于基于氮测量和欧洲城市废水的处理)，

E是无单位的0.5-0.8。

空气流量的计算可根据操作者选择的两个公式(D1)和(D2)来进行，公式D2能够更好地调节供给的空气流量。

有利地，水的氧浓度在处理结束时测量并且空气流量的调节通过加入基于这个氧浓度的校正因子来补充。

氧浓度范围可被确定(Oxyg min/Oxyg max)并且当氧浓度的测量值在这个范围之外时(测量的O₂>Oxyg max或者测量的O₂<Oxyg min)，计算的空气流量Qair被校正：

当空气流量(Qair)根据公式(D1)计算时，可递增地应用0.0x的校正因子，尤其是应用到其中测量的O₂浓度<Oxyg min的每次测量，向校正因子k加入0.0x的增量，空气流量因而变为

Qair＝k[Qmin+B*NutrEntrée+C(NutrParcours–E*NutrEntrée)]

其中初始k＝1

k无单位

在其中测量的O₂>Oxyg max的情况下，校正因子k以0.0x递减。

当空气流量(Qair)根据公式(D2)计算时，可将固定校正因子应用于每次氧浓度测量，尤其是应用于其中测量的O₂<Oxyg min的每次测量，应用(1+0.0x)的校正，并且对于其中测量的O₂>Oxyg max的每次测量，应用(1-0.0x)的校正，空气流量因而变为：

Qair＝(1+0.0x)(或1–0.0x)*[Qair-1+F*pNutrEntrée+

G*p(NutrParcours–E*NutrEntrée)]

其中x无单位。

如果计算的空气流量(根据D1或D2)等于Qmin，不应用递减，并且同样地，如果计算的空气流量等于Qmax，不递增校正因子。

本发明还涉及用于实施如上限定的方法的通过需氧途径生物处理城市或工业废水的设备，包括通过需氧途径的活塞流反应器，用于去除可生物降解含碳物质并且将铵氧化，待处理水在入口和出口之间流动并且空气供给在水流之下分布并且由至少一个空气源供料，这个源的流量根据至少一个处理参数调整，

其特征在于，该设备在反应器/槽的入口处包括能够连续估计水的营养物(碳和/或NH₄)浓度的传感器，以及接收传感器的信息并且能够控制空气供给的流量的计算单元。

优选地，该设备在活塞流的进程上、尤其是在半程处包括传感器，所述传感器能够连续估计在进程中的此点处的水的营养物(碳和/或NH₄)浓度，该传感器连接到计算单元，以对有效实现的去除率积分以用于调整空气流量。

有利地，该计算单元被编程以根据至少两个公式D1、D2计算空气流量。

优选地，该设备在活塞流的出口处包括用于测量水中的氧浓度的探测器，这个探测器连接到控制单元，以使得空气流量的调节通过加入基于这个氧浓度的校正因子(k)来补充。

营养物(碳和/或NH₄)浓度的传感器可以是ISE传感器。

本发明使得能够确保基于待处理载荷的活塞流的曝气的先验(a priori)调整。

尤其是，ISE(离子选择性电极)传感器的发展使得能够连续估计水的营养物(碳和/或NH₄)浓度。此信息的使用使得能够预测一部分待处理载荷(含氮载荷)并且用于调节空气。可使用其它任何连续或半连续测量营养物(碳和/或NH₄)的装置。

附图说明

除了以上所述的布置之外，本发明还包括一定数目的其它布置，这些布置将在以下参考附图所描述的完全非限制性的实施例中更清楚地说明。在这些附图中：

图1是活塞流废水生物处理槽的平面示意图。

图2是示出了在y轴绘制的含碳污染物和营养物(碳和/或NH₄)浓度随在x轴绘制的入口和出口之间的活塞流进程的变化。

图3是用于实施本发明方法的设备示意图。

图4是表示本发明方法以及在y轴绘制的在处理开始时的营养物(碳和/或NH₄)浓度、在处理结束时的氧浓度、计算的空气流量以及供应的空气流量随在x轴绘制的时间变化的图。

图5是与图4类似的图，不过是在基于处理结束时的氧浓度的传统调节的情况下。

图6是表示在y轴绘制的可氧化物质浓度随在x轴绘制的活塞流进程的变化以及在空气供给充足的情况下氧浓度的变化的图。

图7是在过高空气供给情况下的与图6类似的图，并且

图8是在具有过低空气供给的高可氧化物质载荷情况下的与图6类似的图。

具体实施方式

参考附图的图1，可看到槽1的示意表示，所述槽1具有伸长型矩形的一般形状，用于通过需氧途径实施的城市或工业废水的活塞流生物处理。待处理水经由入口2进入槽1并且经由出口3排放，如箭头所示。槽1中的水的进程是基本上直线型的，如箭头4所示，流动路线均平行于这个箭头，截面运动彼此平行，正如在其中流体通过活塞推动的情况一样，但没有沿着槽1的纵向的分级区域之间的混合。

空气供给在槽1的底部中在活塞流之下分布，在图3中由沿着该槽的长度分布的喷嘴5表示。喷嘴5平行地连接到同一个管6上，所述管6沿着槽的长度取向并且由来自于源A(尤其是加压器)的空气管路7供料。提供管路7的空气流量调节。这个调节可通过以合适方式控制的阀8来确保。作为一种变化形式，该调节可通过调整来自源A的流量得到确保。

该调节整体上确保针对所有喷嘴5，因为每个喷嘴5的分别控制会导致设备的复杂性和过高的运营成本。

在槽1的入口和出口之间移动的水的含碳污染物和铵浓度如图2的曲线9所示意性示出，在该图上污染物浓度在y轴绘制，而沿着槽的长度的位置在x轴上绘制。在入口2处为最大值的浓度在借助于空气供给的需氧处理的作用下逐渐降低，所述处理使得能够去除可生物降解含碳物质并且氧化营养物(碳和/或NH₄)。在活塞流处理中，因而观察到在水的进入点和出口之间的浓度梯度，如曲线9所示。

活塞流处理的困难在于要确保所有污染物的处理而无论在槽1的入口处的废水的载荷如何，同时避免过量空气供给导致无用的花费。污染物处理结束的信号对应于水中氧浓度的提高。这是因为，一旦可氧化物质已经被完全处理，则氧浓度从接近0的值在数十分钟内变为8mg/L。这在图6的示意图中示出，在该图上以曲线10表示在y轴绘制的污染物浓度根据曲线10随沿着反应器1的长度的位置的变化。水的氧浓度的变化由曲线11示出。

图6的示意图显示了要达到的目的，而无论载荷如何：氧浓度仅在活塞流出口的附近增加，并且可氧化物质的浓度已经达到了被认为是最小的值。在这种情况下，空气供给恰足以处理所有污染物。

图7的示意图显示了其中空气供给过高的情况，例如是因为待处理废水中的可氧化物质低载荷的原因。曲线12表示污染物浓度的变化，而曲线13表示氧浓度的变化。氧浓度大致在槽的半程处提高，而污染物浓度已经几乎达到了其最小值。在这种情况下，过高的空气供给会导致无用的花费。

图8显示了其中空气供给不足以使得在活塞流槽出口处完成污染物处理的情况。污染物浓度曲线14在槽的出口处保持相对高的水平，而氧浓度曲线15保持在接近0的水平，因为并不是所有的可氧化物质都被处理。这种情况可对应于可氧化物质高载荷的情况。

作为例示，待处理水在数小时之内通过槽或反应器1。

根据本发明，能够连续估计水的营养物(碳和/或NH₄)浓度的传感器16被安装在活塞流槽的入口2处。由传感器16提供的信息使得能够预测一部分待处理载荷(含氮载荷)并且用于进行空气调节。可使用其它任何连续或半连续测量营养物(碳和/或NH₄)的装置。传感器16有利地是ISE(离子选择性电极)类型的。根据本发明，空气供给根据待处理载荷进行先验调节。

如图3所示的传感器16所提供的信息被传送到计算单元17，尤其是控制器或微型计算机，其输出18指令传送到线路19，线路19将来自于输出18的信息转换为控制调节空气供给的阀8的信号。

优选地，用于水的营养物(碳和/或NH₄)浓度的另一传感器16a被布置在槽1中的处理进程上与入口1的一定距离处，大致在处理的半程处，也就是在槽1的一半长度处。由传感器16a在此点测量的营养物(碳和/或NH₄)浓度使得能够对有效实现的去除率积分。

控制单元17被编程以先验确定必需的空气流量。

所用的参数如下所示：

-在入口处的营养物浓度(mg/L)：NutrEntrée

-在路径中的点处的营养物浓度(mg/L)：NutrParcours

-在出口处的氧浓度(mg/L)，

-所应用的空气流量(Nm³/h)：Qair。

单元17被编程以使用至少两种必需的空气流量计算模式。

取决于情况的不同，空气需求的这种先验(a priori)确定可通过后验(a posteriori)校正来补充，该后验校正基于在处理结束时由布置在出口2周围的探测器21所测量的水的氧浓度。探测器21的信息以氧浓度定值22的形式传送到单元17。

可用于先验确定必需的空气流量Q的两种计算模式如下所述。

根据第一公式D1:

D1→Qair＝Qmin+B*NutrEntrée+C(NutrParcours–E*NutrEntrée)

其中，

Qmin(最小流量)，以Nm³/h表示，

B以Nm³/h/mg/L表示，

C以Nm³/h/mg/L表示，

E无单位。

根据第二公式D2:

D2→Qair＝Qair-1+F*pNutrEntrée+G*p(NutrParcours-E*NutrEntrée)

其中Qair–1，在时间t-1(t-1分钟，通常是10分钟)应用的空气流量，

pNutrEntrée，在活塞流入口处的营养物浓度的变化，

pNutrEntrée对应于斜率，即显示在入口处的浓度随时间的变化的曲线的倾斜角α(图4)的正切，

p(NutrMilieu-E*NutrEntrée)，营养物(碳和/或NH₄)NH₄去除率在活塞流的第一进程上的变化，

F以Nm³/h/mg/L/min表示，

G以Nm³/h/mg/L/min表示，

E无单位。

优选地，对于D1和D2，NutrParcours在路径的中间处测量并且变为NutrMilieu。

取决于要求，空气需求的这种先验确定可通过基于在处理结束时测量的氧浓度的后验校正来补充。该调节的目的在于先验确定空气需求并且根据残余氧调节这种估算–与公式D1和D2的不同字母对应的调节系数所选的值针对此目的进行调适。

要应用的空气流量的计算模式的选择由操作者来进行，公式D2给出了所供应的空气流量的更好调节。

氧浓度范围根据处理所需的曝气条件(Oxyg min/Oxyg max)来确定，例如在处理出口处的0.75mg/L的最小浓度和2mg/L的希望的最大浓度，并且当氧浓度的测量值在这个范围之外时(测量的O₂>Oxyg max或者测量的O₂<Oxyg min)，计算的空气流量Qair(根据上面的两个公式D1、D2之一)因而被校正：

-如果Qair根据公式D1来计算，则以逐增的方式应用校正因子。例如，在其中测量的O₂浓度<Oxyg min的每次测量时，将0.0x的增量加入到校正因子k。空气流量因而变为：

Qair＝k[Qmin+B*NutrEntrée+C(NutrParcours–E*NutrEntrée)]

其中初始k＝1

k无单位。

如果测量的O₂浓度>Oxyg max，则从校正因子k中减去0.0x作为减量。

-如果Qair根据公式D2计算，则将固定校正因子应用于氧浓度的每次测量。

例如，在其中测量的O₂浓度<Oxyg min的每次测量时，应用(1+0.0x)的校正，并且对于其中测量的O₂>Oxyg max的每次测量，应用(1-0.0x)的校正。空气流量因而变为：

Qair＝(1+0.0x)(或1–0.0x)*[Qair-1+F*pNutrEntrée+

G*p(NutrParcours–E*NutrEntrée)]

其中x无单位。

如果计算的空气流量(根据D1或D2)等于Qmin，则不应用减量，并且同样地，如果计算的空气流量等于Qmax，不递增校正因子。

试验在现有站上在15℃下进行，处理具有190mg/L的DBO和36mg/L NTK(Kjekdahl氮)平均值的城市废水。处理区的体积是1700m³，由1/3体积的缺氧区和2/3体积的曝气区组成。在该区上允许的平均流量是2700m³/h的原水并且MES(悬浮物质)浓度是4g/l。

下面的参数用于进行根据第一计算模式的调节：

Qmin＝9000Nm³/h对应于保持生物质悬浮的空气需求。它是大约2-6Nm³/h/m²曝气槽。

B＝700根据计划数据确定(允许的载荷和工作体积)-其数值根据所采用的配置为400-1000，

C＝400根据计划数据确定(允许的载荷和工作体积)-其数值根据所采用的配置为150-600，并且

E＝0.8对应于在活塞流的第一部分中未处理的营养物(碳和/或NH₄)的部分。它根据计划数据确定[允许的载荷(浓度和DCO/NT比率或总氮)以及工作体积]；其值根据所采用的配置为0.5-0.8。

x＝0.02，即先验计算的空气流量的2％的调整，以及在处理结束时在每次氧测量时大约200Nm³/h的变化。

在使用公式D2的情况下的参数F和G将如下取值：

F＝8000，根据计划数据确定(允许的载荷和工作体积)-其数值根据所采用的配置为6000-12 000，

以及G＝5，根据计划数据确定(允许的载荷和工作体积)-其数值根据所采用的配置为1-10。

所考虑的实施例的结果在图4中示出。曲线23对应于在反应器的入口处的铵NH₄浓度的演变。铵浓度在左侧y-轴刻度上绘制，以mg/L为单位。在x轴上绘制的时间以分钟表示。较低的曲线24对应于在反应器1的出口处的氧浓度，也以mg/L表示。

曲线25对应于根据右侧y-轴刻度的以Nm³/h表示的所供应的空气流量，并且虚线曲线26对应于通过根据本发明的调节计算的空气流量。

要指出，该调节使得能够正确地监测要处理的载荷的变化而不产生空气需求的波动，因为该变化是平缓的。

图5示出了对于相同的待处理水的实施例来说利用基于在处理槽的出口3处的水的氧浓度的传统调节获得的曲线。铵浓度的演变的曲线23与图4的曲线相同。相反，空气流量的曲线25a显示出剧烈的变化，对应于波峰27和波谷28、29的形式的波动。在反应器的出口处的氧浓度的曲线24a也具有基本上对应于曲线25a的氧浓度的波动。

这种剧烈变化对设备是有害的并且对处理也是有害的，而本发明能够避免这些。

本发明的解决方案尤其提供以下优点：

●设备和启动的简化–基于尺寸数据确定有限数目的参数，

●空气需求逐渐变化，这使得空气生产设备(加压器、调节阀、空气压缩机)能够容易地通过限制堵塞或过压和减压的条件来运行，主要是当多个线路平行运行并且以“无序”方式使这些设备运转时，

●空气需求基于待处理载荷确定(先验调节)，这使得能够预测所述需求并且因此限制流量波动和耗能。