CN1258267A - 使用间歇式倾析延时曝气法处理废水的方法 - Google Patents

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Abstract

一种间歇式倾析延时曝气(IDEA)法,其特征在于,一个曝气阶段,一个沉降阶段和一个倾析阶段在一个单一的反应器中按此顺序连续重复进行,入流的废水在反应器的底部被横向输入并在反应器中缓慢地扩散,而提供一种在倾析阶段被间歇地排出的处理后的废水。根据本发明的方法,废水可被高效地处理而无须在干燥天气和潮湿天气条件以及暴雨天气条件下分流废水。

Description

使用间歇式倾析延时曝气法处理废水的方法
本发明涉及一种用于废水处理的方法，其目的在于除去废水中的氮、磷以及有机物。更具体地说，本发明涉及一种使用间歇式倾析延时曝气(IDEA)法处理废水的方法，该方法包括一个循环工艺，该循环工艺中曝气、沉降和倾析三个阶段在一个单一的反应器中按此顺序连续重复进行。
过去，废水处理厂通常致力于去除废水中的有机物和悬浮固体。因而在传统的废水处理中，许多无机养分如氮和磷并没有去除就被排放到湖泊和沼泽中。这导致湖泊和沼泽的富营养化，从而难以提供清洁的水源和保护生态系统。例如，在废水处理厂中，有机物的去除比例是80％或更多，而氮和磷却没有有效地去除从而与废水一同排出。这种排入湖泊和沼泽中的含有氮和磷的废水导致藻类的过分繁殖，从而难以提供高质量的水源。结果，废水处理的费用剧增，因而进一步需要一种净化废水的更为先进的处理方法。
椐此，本领域提出了多种去除废水中含有的各种养分的方法。它们可以大致地分为去除氮的方法、去除磷的方法以及同时去除氮和磷的方法。
一种废水处理的传统方法是用微生物的硝化和脱硝循环过程来去除氮，以及用厌气-好气法的原理去除磷(它是通过微生物好气性过量吸收在厌气和无氧条件下释放出来的磷来进行的)。
比如，有一种同时去除氮和磷的方法被称为Bardenpo法；而生物去除磷的方法被称为厌气-好气法(A/O法)和A2/O法。另外还有一种废水处理方法，例如用一种普通混凝剂如铝和石灰的化学沉淀法，以及氨的气提法。
然而，上述每一种传统方法根据其操作特点各有其缺点。这些缺点汇总在表1中：表1
    方法                  缺点
A2O -在寒冷的天气中运行不稳定-比A/O复杂
Bardenpo法 -需要许多内循环(泵的能量消耗和维护费用增加)-加入化学品的必要性不确定-与A2O相比，需要更大体积的反应器-由于初次沉淀物致使除氮和磷的效率降低-需要高BOD/P比率-不知道温度对操作性能的影响
UCT -需要许多内循环(泵的能量消耗和维护费用增加)-加入化学品的必要性不确定-不知道温度对操作性能的影响
VIP -需要许多内循环(泵的能量消耗和维护费用增加)-在低温下去除氮的效率降低
为消除上面表1中所描述的传统方法的缺点，并开发一种高效去除氮和磷以及有机物的方法，本发明是在进行了深入研究的基础上完成的。
因此，本发明的一个目的是提供一种使用间歇式倾析延时曝气(IDEA)法处理废水的方法，其特征在于，曝气、沉降和倾析三个阶段在一个单一的反应器中按此顺序连续重复进行，其中入流的废水在反应器的底部被横向输入并在整个工艺周期中在反应器中缓慢地扩散，而处理后的废水只在倾析阶段被间歇地排出。
本发明的另一目的是提供一种使用IDEA法的废水处理方法，其中曝气、沉降和倾析三个阶段在一个单一的反应器中按此顺序连续重复进行，其特征在于，所述的曝气阶段包括一个第一阶段，该阶段在输入外部碳源的同时通过少量氧气完成；以及一个第二阶段，该阶段通过大量氧气完成，氧气的量取决于对将要输入到曝气阶段的氧气量的控制。
通过阅读本说明书的剩余部分，本发明更进一步的目的和优点将更为明显。
图1是曝气阶段图。
图2是沉降阶段图。
图3是倾析阶段图。
图4是本发明反应器的平面图。
在传统的连续稳态生物法中，生物氧化和悬浮固体的分离这两个处理过程依次在各自的反应器中进行；与传统过程相反，本发明的方法包含一种间歇式倾析延时曝气(IDEA)法，该IDEA法包括一个由曝气，沉降和倾析三个阶段组成的循环工艺，其中生物氧化和悬浮固体的分离这两个处理过程每隔一段时间在一个单一的反应器中交替进行。
根据本发明的方法，入流废水在反应器的底部被横向输入并在整个工艺周期中缓慢地扩散，而处理后的废水被间歇地排出。这样，本发明的方法不同于贯序分批法或注排法(其中废水的输入是被间歇调节的，而且处理过程周期包括四个阶段：充灌、曝气、沉降和汲取)。
根据本发明的另一个实施方案，提供了一种处理废水的循环工艺，它包括曝气、沉降和倾析三个阶段，这三个阶段在一个单一的反应器中按此顺序连续重复进行，其中所述曝气阶段包括第一曝气阶段，该阶段在将外部碳源与废水一同输入的同时通过少量氧气完成；以及第二曝气阶段，该阶段通过大量氧气完成。
通常，在废水处理过程中，由于将硝酸盐或亚硝酸盐脱硝为N2、以及在厌气条件下促使磷的释放所需的碳源在生活废水中不够多，因此难以最优化地完成一个硝化和脱硝的周期。另外，在沉降和倾析阶段之后，当开始曝气阶段时很难直接将反应器的厌气条件转换为好气条件，这样反应器中的反应就会偏向于硝化或脱硝。因此，通过控制在曝气阶段加入氧气的量来实现瞬时曝气阶段并随后向反应器中加入外部碳源，就可以最优化地进行硝化-脱硝的一个循环过程。
根据本发明优选的实施方案，将包括控制氧气供应和加入外部碳源的本方法汇总于表2中。表2
                      阶段              备注
曝气(45-90分钟) 第一阶段(10-20分钟) 氧气量为第二阶段的30-50％ 如果需要加速脱硝过程，可以将外部的碳源与入流的废水一同加入
第二阶段(25-80分钟) 氧气供应装置100％运转 有机物氧化过程；硝化反应；过度吸收磷
污泥废弃阶段 去除含磷的污泥
沉降(60-90分钟) 有机物的淤积；在厌气条件下释放磷；如想促进磷的释放，可加入外部的碳源。
倾析(20-45分钟)
参照附图，将根据过程的每一阶段对本发明进行更详尽的描述。
(1)曝气阶段(参见图1)
通常，在此阶段，化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)是通过存在于反应器中的微生物对有机物的氧化而降低的，通过使用所供应的氧气也发生了游离氨的硝化和磷的过量吸收，这是去除氮和磷的中间步骤。
根据本发明优选的实施方案，曝气阶段包括第一和第二曝气阶段。
第一曝气阶段占整个曝气阶段的10％-40％。在此阶段，将用来促使有效脱硝的外部碳源与废水一同加入，而且提供占下述第二阶段30-50％的氧气。在这个阶段，整个氧气供应系统只有30％-50％进行操作。由于在前面的沉降和倾析阶段中有一个污泥的沉淀层维持在厌气状态，所以它花费或多或少的时间来使厌气状态转为好气状态。这样，在第一阶段中，由于反应器的内部状态保持在厌气状态，脱硝就可以在这样的厌气状态下在加入外部碳源的情况下积极地进行。优选地，所述外部碳源可从包括甲醇、乙醇、葡萄糖、醋酸和甲烷的这一组物质中选出。碳源的浓度以COD计算，优选为大约100到200mg/L。
在第二曝气阶段，外部碳源的供应被中断，整个氧气供应装置开始运转。结果反应器内部状态从无氧/厌气条件变为好气条件。当反应器的内部状态变为好气条件时，多磷酸盐淤积细菌(PAB)以正磷酸盐的形式摄取过量的磷，这些正磷酸盐是在沉降和倾析阶段中在厌气状态下被释放到沉淀的污泥层中，而磷就通过污泥的废弃而被去除。
同样，由于通过输入氧气来充分地完成废水的混合，因此不用附加的搅拌设备或者搅拌反应器、亦即不用无氧/厌气搅拌步骤就可以去除氮和磷。因而，根据本发明，可提供一种更经济的废水处理方法。
在第二阶段的好气条件下，COD和BOD是通过微生物利用供应到反应器中的氧气使有机物氧化而降低的，NH3-N被活跃地硝化成NO2-N和NO3-N。产生出的亚硝酸和硝酸可通过后续的沉降和倾析阶段中的脱硝作用，以及另一第一曝气阶段中的脱硝作用来去除。
可以使用一个曝气器和一个扩散器以使反应器中形成一个完全混合的均匀状态。如需要，也可以提供附加的搅拌装置。
另外，如现有技术中所知，化学混凝剂如石灰、钒、三氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁和硫酸亚铁被加入反应器中以使存在于废水中的磷成分沉淀，从而提高磷的去除效率。
污泥(反应后的微生物)的废弃可在曝气阶段连续进行，或只在指定的短阶段内进行。优选地，污泥的废弃可在曝气的第二阶段末期的一个短时段内(例如1到5分钟)进行，此阶段中污泥处于活性状态；而废弃的污泥可使用用于污泥浓缩和脱水的另外设备进一步处理。
通常，上述污泥的废弃有下面三个主要作用。首先，由于曝气阶段中的污泥含有摄入过量磷的微生物，磷可随污泥一同除去。其次，污泥的废弃可在本发明方法的操作设计和控制参数中调节固体停留时间(SRT)。再次，通过调节要除去的污泥的量，就可避免在反应器中形成活性污泥的聚集物。
曝气的第一和第二阶段通常可以基于入流废水的性质和位置状况-特别是反应器中污泥的沉降特性-通过对本过程的设计来确定。可以确定所供氧气的量，从而使溶解于水中的氧气的浓度在曝气的第一阶段维持在0.3-0.5mg/L，在曝气的第二阶段维持在1.5-3.0mg/L。
(2)沉降阶段(参见图2)
反应器中的曝气阶段随着沉降过程的开始而中断。活性污泥开始均匀地沉降，然后溶解氧的浓度缓慢地下降，使反应器由好气条件变为厌气条件。结果，微生物通过使用入流废水作为有机碳源、使用在曝气阶段中产生的NO2和NO3作为电子受体进行脱硝。优选地，在此阶段，随着沉降阶段的进行，将挥发性脂肪酸如醋酸、丙酸、戊酸和葡萄糖作为碳源加入到将要进入污泥层的废水中，以通过特别易挥发的脂肪酸的作用使从PAB微生物中释放磷更加容易。待加入的碳源浓度以COD计算可以为大约150到300mg/L。优选地，在沉降阶段和倾析阶段的后期将挥发性碳源与入流的废水一同加入，使微生物释放的磷最多。
沉降阶段的目的是脱硝和在污泥层中释放磷，并在沉降层之上形成澄清的上清液，以使在随后的倾析阶段中易于排出处理后的废水。
(3)倾析阶段(参见图3)
沉降阶段完成后就形成了一层澄清的上层清水。倾析上述经过处理的澄清的废水可通过使用出流倾析器来完成，设计该倾析器是用于去除残渣和悬浮在废水中的浮渣。典型地，倾析阶段从将出流倾析器投入水平面以下开始。然后，上层清水流入倾析器，而倾析器以合适的速度和高度放入，以排出经过计算的给定量的处理后的废水。
出流倾析器持续投入，直到这个阶段完成。当倾析阶段完成时，水表面的高度恢复到曝气阶段前的水位，然后另外一个曝气阶段开始进行。
同时，因为在这个倾析阶段中废水的入流和外部碳源的加入持续进行，污泥的沉降层中的微生物能够保持其活性，而且污泥的沉降层可作为阻隔屏障，防止处理后的废水被微生物释放的磷和入流的废水所污染。
另外，在本发明的反应器中可提供一些局部直立挡板(partialstanding walls)以使废水缓慢流动并扩散入反应器中，如图4所示。
同时，在上面所描述的三个阶段中，最高水位(top water level，TWL)和最低水位(bottom water level，BWL)是设计和控制本发明方法的极为关键的参数。这些参数可以在工艺设计的过程中加以确定。同样，在设计的过程中可以根据入流废水的性质、废水处理厂的位置条件等因素确定每一阶段的长度和反应器的形状、大小与结构。
另外，根据本发明，只要改变工艺中每一阶段的长度，所提供的方法就可正常操作，甚至在暴雨天气、干燥和潮湿天气也不必对废水进行分流。以下将进一步描述在特定气候条件下本发明方法的操作。
1)干燥天气流量下的操作
在此操作循环中，应该确定曝气、沉降和倾析三个必要阶段以得到良好的出流水。在工艺循环中，曝气阶段的确定应基于供给每天所需的氧气量的整个曝气阶段，以满足该工艺中所需的氧气量。沉降和倾析阶段时间的确定应使污泥能沉降到一个合适的深度以便排出澄清水流而无污泥的泄漏。
2)潮湿天气流量和暴雨流量下的操作
由于本方法是通过间歇式倾析废水进行操作的，除倾析阶段外，在整个过程中水位持续升高。如果在潮湿天气流量和暴雨流量下水位在曝气阶段过分上升，反应器中的废水将溢出，以至一部分悬浮的固体将流出。然而，按照本发明的方法，可缩短操作循环的阶段从而避免发生上述现象。据此，仅仅通过控制操作循环的阶段，本工艺就能应付潮湿天气和暴雨流量而不必改变其它因素。这样，就不必对入流废水进行分流。
优选地，在本发明的方法中使用电子水位感应系统以确定循环的恰当阶段。亦即，当废水水位超过一个特定水位时，程序控制的沉降和倾析阶段就会通过一个暴雨开关检测器的操纵开始运转。在这种情况下，最好将沉降阶段保持60分钟以上以免污泥与出流水一起流出。
以下将通过实施例对本发明进行更加详细的描述，但本发明并不限于这些实施例。实施例1
本实验使用的实际废水取自KIST居民公寓(韩国，汉城)。使用的废水的性质如下面表3所述。特别地，如表3所示，此废水含有低浓度的碳源。
在一个最大工作容积为17升、底部直径为20厘米的圆底反应器中，接入取自Kwangdongli污水处理厂(韩国，Kyungi道，光州市)的曝气池的临时样品，并加入上述废水。反应器的循环操作由一个Master-K3OH程序逻辑控制器(韩国，LG电子公司，PLC)控制。
每天注入反应器的废水为10升，曝气阶段、沉降阶段和倾析阶段分别确定为48分钟、72分钟和24分钟；每个循环耗时144分钟(2.4小时)，即每天10个循环。为控制污泥的停留时间，根据所需的SRT，将活性污泥在曝气阶段的最后几分钟废弃。在曝气阶段，通过水族馆型扩散石(diffuser stone)向反应器中供应空气。供给速率由Dwyer流量计控制。供给空气量一般在0.1到1.0L/min范围内。
从同一循环全部倾析的流出物中收集流出废水样品，每周收集2-4次并进行分析。用于确定可溶成分的样品在取样后立即用0.45μm滤纸进行过滤，并冷却到4℃以防止进一步的污染。所有样品的分析均按照标准方法操作(APHA，1992)。
废水处理结果列于表3。实施例2
本实施例中使用与实施例1相同的反应器。操作条件也与实施例1完全相同，不同的是48分钟的曝气阶段被分为15分钟的第一曝气阶段(FAP)，和接下来的33分钟的第二曝气阶段(SAP)，在FAP过程中加入甲醇，在沉降阶段的最后24分钟和整个倾析阶段中向反应器中加入醋酸。
以基于废水总量的COD计，所加入甲醇和醋酸的量分别为200mg/L和300mg/L。
废水处理结果列于表3。表3
项目 入流废水 实施例1 实施例2
出水浓度(mg/L) 效率(％) 出水浓度(mg/L) 效率(％)
COD  75.8  17.3  77.2  19.5  74.3
BOD  48.5  12.3  74.6  14.2  70.7
SS*  67.2  11.9  82.3  12.3  81.7
T-N**  73.1  51.2  30.0  11.2  84.7
NH3/NH4 +  62.8  31.2  5.65
NO2 -  0.59  0.23  0.35
NO3 -  2.31  16.8  4.70
T-P**  7.03  6.22  11.5  1.91  72.8
PO4 3+  5.88  5.75  1.72
*：悬浮固体**：氮的总量***：磷的总量
如上面的结果所示，在处理没有足够碳源的生活废水时，对总氮量和总磷量的去除实施例2比实施例1更为有效。

Claims (11)

1.一种使用间歇式倾析延时曝气法(IDEA)处理废水的方法，该方法包括一个循环工艺，该循环工艺中曝气阶段、沉降阶段和倾析阶段在一个单一的反应器中按此顺序连续重复进行，入流的废水在反应器的底部被横向输入并在该过程的全部时间内在反应器中缓慢地扩散，而处理后的废水仅在倾析阶段期间被间歇地排出。
2.权利要求1的方法，其中曝气阶段包括
a)一个通过输入氧气进行的第一曝气阶段，以使溶解氧浓度维持在0.3-0.5mg/L，以及
b)一个通过输入氧气进行的第二曝气阶段，以使溶解氧浓度维持在1.5-3.0mg/L。
3.权利要求2的方法，其中在第一曝气阶段将从包括甲醇、乙醇、葡萄糖、醋酸和甲烷的这一组物质中选出的一种外部碳源与入流的废水一同加入到反应器中。
4.权利要求2的方法，其中在沉降阶段的后期和倾析阶段将从包括醋酸、丙酸、戊酸和葡萄糖的这一组物质中选出的一种挥发性脂肪酸与废水一同加入到反应器中。
5.权利要求1或2的方法，其中废水的生物氧化和污泥的好气稳定化在反应器中同时进行。
6.权利要求1的方法，其中污泥在所述曝气阶段中被废弃。
7.权利要求2的方法，其中污泥在所述第二曝气阶段被废弃，由此除去氮和磷。
8.权利要求1或2的方法，其中通过改变曝气、沉降和倾析每一阶段的时间，本方法可在干燥天气和潮湿天气以及暴雨天气情况下使用而无须对入流的废水进行分流。
9.权利要求1或2的方法，其中倾析阶段通过出流倾析器完成，该倾析器配有用于去除残渣和悬浮在废水中的浮渣的设备。
10.权利要求1或2的方法，其中反应器包括一些局部直立挡板。
11.权利要求1或2的方法，其中在曝气阶段向反应器中加入从包括石灰、矾、三氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁和硫酸亚铁的这一组物质中选出的化学混凝剂。
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