專利名稱：在膜生物反應(yīng)器中處理廢水以產(chǎn)生低磷流出物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廢水處理方法，更具體地涉及應(yīng)用膜生物反應(yīng)器(″MBR″)和應(yīng)用生物和化學(xué)脫磷法進(jìn)行的活性污泥處理方法，所述方法適合于在性污泥處理方法中排除磷限制條件。
背景技術(shù)：
用來(lái)脫除生物營(yíng)養(yǎng)素如生化需氧量(″BOD″)、硝酸鹽和磷酸鹽的生物處理方法是公知的。一種典型的生物處理方法是活性污泥法，其中廢水是需氧的并與活性污泥一起攪拌，然后清除大量微生物。通常這種需氧步驟與厭氧步驟和缺氧步驟相組合，其中所述厭氧步驟是指在沒(méi)有誘導(dǎo)氧即溶解氧或者由亞硝酸鹽或硝酸鹽得到的氧(NOx)存在下進(jìn)行操作的步驟，而所述的缺氧步驟是指沒(méi)有氧但存在亞硝酸鹽或硝酸鹽的情況。在厭氧步驟中通過(guò)積累磷的生物體(″PAOs″)的存在而實(shí)現(xiàn)磷的脫除，其中作為積累用于細(xì)胞生長(zhǎng)的有機(jī)物(即揮發(fā)性脂肪酸)的方法的一部分將磷釋放入廢水中。在下游需氧或缺氧區(qū)中，生物體代謝所積累的有機(jī)物質(zhì)，并且作為生長(zhǎng)過(guò)程的一部分將所釋放的磷積累入細(xì)胞內(nèi)。許多現(xiàn)有技術(shù)的專利公開(kāi)了在各區(qū)之間具有一些循環(huán)物流的多區(qū)生物反應(yīng)器，這些循環(huán)物流用來(lái)保持各種有用的微生物的濃度，以及促進(jìn)生物營(yíng)養(yǎng)素的脫除。例如，Daigger的US 6,517,723，其內(nèi)容在這里作為參考引入。其它例子包括Daigger的US 5,480,548、Hawkins的US 5,601,719、Marsman的US 5,342,522、Strohmeier的US 5,798,044、Hong的US 5,650,069、Timpany的US 5,354,471、Wittmann的US 4,961,854、Nicol的US 4,787,978和Yang的US5,942,108。
在某些情況下，要求流出物中磷酸鹽的濃度非常低，在這種情況下，應(yīng)用化學(xué)沉積法進(jìn)行磷酸鹽或磷脫除。在化學(xué)沉積法中，向廢水中加入可溶性鹽，如氯化亞鐵/氯化鐵或硫酸鋁，以形成不可溶性金屬磷酸鹽。然后這種不可溶性金屬磷酸鹽通過(guò)重力分離或過(guò)濾與廢水分離，以產(chǎn)生總磷酸鹽(″TP″)濃度非常低的流出物。在這里，TP的下限被定義為低于0.25mg/L。
正如在Husain的US 6,406,629中所公開(kāi)的，一種稱為膜生物反應(yīng)器的生物處理可以與磷酸鹽沉積技術(shù)組合。Husain提出一個(gè)例子向與膜過(guò)濾器相連的需氧罐中加入使磷酸鹽沉積的化學(xué)物質(zhì)。但由于金屬沉積物的存在增加了膜結(jié)垢的速率或者迫使操作者在低效的污泥停留時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)下操作，所以這種組合受到批判。根據(jù)描述，該組合系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是如果系統(tǒng)包括在生物處理過(guò)程中很典型的活性污泥的循環(huán)，則在生物處理過(guò)程中，在超過(guò)支持活性污泥生長(zhǎng)所需要的化學(xué)計(jì)量量的條件下脫除磷將會(huì)降低生物處理方法脫除其它營(yíng)養(yǎng)物的效率。
Husain描述了一種試圖解決上面所討論的問(wèn)題的方案。Husain提供了一種與常規(guī)的多級(jí)活性污泥生物處理方法并行的側(cè)線物流方法來(lái)脫除過(guò)量的磷。在第一個(gè)側(cè)線物流方法中，從來(lái)自活性污泥方法的厭氧步驟的厭氧混合液中提取出貧含固體但含有磷酸鹽的液體。從該混合液中沉積出磷酸鹽以生產(chǎn)貧磷液體，所述液體作為流出物離開(kāi)該過(guò)程或者返回缺氧或需氧區(qū)。在一個(gè)替換的側(cè)線物流方法中，需氧混合液被移至反應(yīng)區(qū)并進(jìn)行處理以形成富含不溶性磷酸鹽的液體。富含不溶性磷酸鹽的液體在液壓旋風(fēng)分離器中進(jìn)行處理以分離出不溶性磷酸鹽，并產(chǎn)生貧含不溶性磷酸鹽的液體。貧含不溶性磷酸鹽的液體返回缺氧區(qū)。雖然Husain提出的方法可以有效脫除磷，但其需要更多的過(guò)程，這就增加了處理費(fèi)用以及實(shí)施該處理過(guò)程所需的空間。另外，第一側(cè)線物流方法可能會(huì)導(dǎo)致厭氧區(qū)下游生物處理步驟磷不足。
本發(fā)明涉及克服上面所討論的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種從廢水中脫除生物營(yíng)養(yǎng)素以產(chǎn)生低磷(例如少于0.25mg/L)流出物的方法。提供含有活性污泥的串聯(lián)多級(jí)生物反應(yīng)器，所述生物反應(yīng)器包括在水力學(xué)上串聯(lián)的厭氧區(qū)和下游需氧區(qū)，其中每個(gè)區(qū)均具有上游入口和下游出口。提供廢水至厭氧區(qū)入口。向下游需氧區(qū)中加入足以使可溶性和顆粒狀磷沉積的一定量化學(xué)物質(zhì)，從而產(chǎn)生低磷流出物。處理后的水與活性污泥和沉積的磷分離，并將與處理后的水分離的活性污泥循環(huán)回厭氧區(qū)。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，通過(guò)浸沒(méi)式膜過(guò)濾器過(guò)濾處理后的水、活性污泥和沉積磷而使處理后的水與活性污泥和沉積磷分離，所述浸沒(méi)式膜過(guò)濾器與下游需氧區(qū)操作相連。多級(jí)生物反應(yīng)器可以進(jìn)一步包括在水力上串聯(lián)于厭氧區(qū)和下游需氧區(qū)之間的缺氧區(qū)?？商鎿Q地，多級(jí)生物反應(yīng)器可以包括上游缺氧區(qū)、上游需氧區(qū)和下游缺氧區(qū)，所述各區(qū)在水力上串聯(lián)于厭氧區(qū)和下游需氧區(qū)之間。也可以有多種循環(huán)選擇。例如，所返回的活性污泥可以首先循環(huán)至缺氧區(qū)的入口附近，然后從缺氧區(qū)的出口附近循環(huán)至厭氧區(qū)?？商鎿Q地，所返回的活性污泥可以首先循環(huán)至上游需氧區(qū)的入口附近，然后從上游需氧區(qū)的出口附近循環(huán)至上游缺氧區(qū)入口附近，然后再?gòu)纳嫌稳毖鯀^(qū)的出口附近循環(huán)至厭氧區(qū)。
本發(fā)明方法通過(guò)組合生物處理過(guò)程和化學(xué)磷脫除過(guò)程而得到低磷流出物。令人驚奇的是，所返回的包含殘余的磷沉積化學(xué)物質(zhì)的活性污泥的循環(huán)并不會(huì)造成釋放磷的充分沉積而抑制下游生物過(guò)程。厭氧區(qū)實(shí)際上用作磷緩沖液，以確保在下游需氧區(qū)中化學(xué)脫除磷的同時(shí)為下游生物過(guò)程供應(yīng)磷。因此，本方法允許在常規(guī)包含厭氧區(qū)的生物處理方法內(nèi)進(jìn)行化學(xué)磷的脫除，不但不抑制而且還會(huì)促進(jìn)下游生物區(qū)中強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)吸收。除了放松了在下游需氧區(qū)提供精確量的磷脫除劑這一要求外，本方法不再需要側(cè)線物流磷脫除過(guò)程或隨后的下游磷脫除和凈化，從而減少了空間需求和相應(yīng)的費(fèi)用。


圖1示意性描述了本發(fā)明處理廢水設(shè)備的第一個(gè)實(shí)施方案，其具有厭氧處理區(qū)和需氧處理區(qū)；圖2示意性描述了本發(fā)明處理廢水設(shè)備的第二個(gè)實(shí)施方案，其具有厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和需氧區(qū)；圖3示意性描述了本發(fā)明處理廢水設(shè)備的第三個(gè)實(shí)施方案，其具有厭氧區(qū)、上游缺氧區(qū)、上游需氧區(qū)、下游缺氧區(qū)和下游需氧區(qū)；和圖4示意性描述了圖3設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式
用于處理廢水以產(chǎn)生低磷流出物的膜生物反應(yīng)器設(shè)備10的第一個(gè)實(shí)施方案在圖1中表示。設(shè)備10由具有通過(guò)堰16分隔的在水力上串聯(lián)的厭氧區(qū)12和需氧區(qū)14的多級(jí)生物反應(yīng)器組成。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會(huì)理解通過(guò)管道連接的獨(dú)立的容器可以替代被堰16分隔的兩個(gè)區(qū)。膜過(guò)濾器18與下游需氧區(qū)14操作相連。如圖1所示，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，膜過(guò)濾器18浸沒(méi)在需氧區(qū)14中?？商鎿Q地，膜過(guò)濾器可以位于下游區(qū)中。需氧區(qū)14優(yōu)選配備以擴(kuò)散器形式存在的充氣裝置20，其與位于膜過(guò)濾器18下部的空氣供給裝置21相連，其不僅為需氧區(qū)14提供空氣，也幫助清除膜過(guò)濾器18上的粘附固體。循環(huán)管道22在需氧區(qū)14中配備入口而在厭氧區(qū)12的入口24附近配備出口，用來(lái)循環(huán)返回的活性污泥。優(yōu)選配備混合器25用來(lái)使混合液體中的懸浮固體保持懸浮狀態(tài)。可以提供泵26，來(lái)促使返回的活性污泥再循環(huán)。提供與需氧區(qū)14連通的化學(xué)物質(zhì)供給系統(tǒng)26，用來(lái)提供適合于在需氧區(qū)14中沉積磷酸鹽的化學(xué)物質(zhì)。適合于沉積磷酸鹽的合適化學(xué)物質(zhì)包括可溶性鹽如氯化亞鐵/氯化鐵或硫酸鋁。
在應(yīng)用中，通過(guò)入口24向厭氧區(qū)12提供廢水。在厭氧區(qū)12中，當(dāng)積累磷的生物體積累用于細(xì)胞生長(zhǎng)的脂肪酸時(shí)，它們向廢水中釋放磷。在需氧區(qū)14中，積累磷的生物體代謝所積累的有機(jī)物質(zhì)并作為生長(zhǎng)過(guò)程的一部分將所釋放的磷積累到細(xì)胞中。通過(guò)這種方式，磷從通過(guò)膜過(guò)濾器18過(guò)濾的流出物中脫除。為了得到低濃度(如少于0.25mg/L)的磷，設(shè)備14向需氧區(qū)添加可溶性鹽，用來(lái)使任何殘余磷形成不可溶性金屬磷酸鹽。這些鹽由供給系統(tǒng)26按需加入，從而得到低濃度的磷流出物。沉積的磷和活性污泥通過(guò)膜過(guò)濾器18從流出物中分離出來(lái)。所返回的活性污泥(其可能包含一些不溶性金屬磷酸鹽和可溶性磷沉積鹽)通過(guò)管道22循環(huán)回厭氧區(qū)12。大量的包含不溶性磷酸鹽的廢活性污泥通過(guò)管道28從需氧罐中脫除。
與需氧區(qū)14組合應(yīng)用厭氧區(qū)12能夠確保在需氧區(qū)14中得到足夠的磷來(lái)消化廢水24中的BOD、COD和其它營(yíng)養(yǎng)素。雖然磷沉積鹽降低了需氧區(qū)14中的磷含量，但區(qū)12中的厭氧過(guò)程通過(guò)向需氧區(qū)14中連續(xù)釋放磷而作為磷的緩沖液。厭氧區(qū)12也用作緩沖液來(lái)抗衡作為通過(guò)管道22循環(huán)回厭氧區(qū)12的返回活性污泥的一部分而循環(huán)的不溶性鹽。
圖2是產(chǎn)生低磷流出物的膜生物反應(yīng)器設(shè)備30的第二個(gè)實(shí)施方案。圖2的相似元件具有與上文圖1所述相同的參考標(biāo)記。圖2的設(shè)備30與圖1的設(shè)備10之間的主要區(qū)別在于在厭氧區(qū)12和下游需氧區(qū)14之間加入了上游缺氧區(qū)32。缺氧區(qū)32用作脫硝化區(qū)，在其中流出物中的硝酸鹽/亞硝酸鹽氮被轉(zhuǎn)化為元素氮。在缺氧區(qū)32中基本沒(méi)有溶解氧存在。之所以發(fā)生NOx向元素氮的轉(zhuǎn)化是因?yàn)樵谌毖鯀^(qū)32中微生物體通過(guò)使NOx化合物還原為氮?dú)舛枰酢Ｈ缓蟮獨(dú)饽軌蛱与x液相而進(jìn)入大氣。富氮循環(huán)管道(″NRCY″)34使返回的活性污泥從下游需氧區(qū)14循環(huán)至缺氧區(qū)32的入口附近。缺氧循環(huán)管道36使脫氮的混合液從缺氧區(qū)32的出口附近循環(huán)回厭氧區(qū)12的入口附近?？商鎿Q地，如圖中虛線所示，可以提供管道38來(lái)使懸浮有固體的混合液直接從需氧區(qū)14循環(huán)回厭氧區(qū)12的入口附近。圖2所示的實(shí)施方案實(shí)施了與圖1的實(shí)施方案相同的磷脫除和磷緩沖功能，但是包括上游缺氧區(qū)32來(lái)促進(jìn)脫硝化。
圖3是用于處理廢水產(chǎn)生低磷流出物的膜生物反應(yīng)器設(shè)備40的第三個(gè)實(shí)施方案。在第三個(gè)實(shí)施方案40中，對(duì)于相同的元件應(yīng)用與圖1和圖2所述實(shí)施方案中相同的參考標(biāo)記。第三個(gè)實(shí)施方案40在圖2所示設(shè)備30的上游缺氧區(qū)32和下游需氧區(qū)40之間包括上游需氧區(qū)42和下游缺氧區(qū)44。提供上游需氧區(qū)42和下游缺氧區(qū)44來(lái)強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)素的脫除。第三個(gè)實(shí)施方案40包括管道46，用來(lái)使返回的活性污泥從下游需氧區(qū)14循環(huán)至上游需氧區(qū)44的入口附近。NRCY管道48使NRCY從上游厭氧區(qū)42的出口附近循環(huán)至上游缺氧區(qū)32的入口附近。最后，ARCY管道50使活性污泥從上游缺氧區(qū)32的出口附近循環(huán)至厭氧區(qū)12的入口附近。
圖4描述了用于處理廢水產(chǎn)生低磷流出物的膜生物反應(yīng)器設(shè)備56的第四個(gè)實(shí)施方案。該實(shí)施方案與圖3描述的第三個(gè)實(shí)施方案40類似，同樣對(duì)相同的元件應(yīng)用相同的參考標(biāo)記。第三個(gè)實(shí)施方案40與第四個(gè)實(shí)施方案56的主要區(qū)別在于在厭氧區(qū)12的上游提供脫氣區(qū)58，并且提供RAS循環(huán)管道60使來(lái)自需氧區(qū)14的返回活性污泥循環(huán)回脫氣區(qū)58。可替換地，可以將厭氧區(qū)12放大，并且RAS循環(huán)管道60可以直接流入?yún)捬鯀^(qū)12。
實(shí)施例已經(jīng)進(jìn)行了小試試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證參考上文圖3所述的第三個(gè)實(shí)施方案的膜生物反應(yīng)器(″MBR″)以及處理廢水的方法的營(yíng)養(yǎng)素脫除能力。小試試驗(yàn)程序包括多個(gè)目的。程序的總體目的是確定MBR能否達(dá)到表1所示的流出物的限制目標(biāo)。
表1-處理目標(biāo)

aCOD極限可通過(guò)用活性碳對(duì)MBR流出物進(jìn)行后處理而實(shí)現(xiàn)。
小試試驗(yàn)程序所用的廢水由社區(qū)的城市污水組成。廢水源主要是天然的家用水(即很少有工業(yè)水)。表2總結(jié)了原廢水源以及來(lái)自初步處理設(shè)施的用作膜生物反應(yīng)器試驗(yàn)輸入的流出物的典型特征。
表2-典型的廢水特性

對(duì)于磷脫除，小試試驗(yàn)設(shè)備按圖3所示的構(gòu)造操作了112天。為了使氮的脫除達(dá)到最大化，在整個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)在添加甲醇(補(bǔ)充碳源)的條件下進(jìn)行操作。試驗(yàn)期間甲醇劑量為平均約52mg/L。
在第1-51天中不加入明礬，以確定只通過(guò)生物活性可以脫除的磷的基準(zhǔn)量。在52-112天中加入明礬，以使反應(yīng)器中的磷脫除量最大化，并驗(yàn)證該過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)流出物濃度的總磷(TP)為0.1mg/L。明礬劑量在23-73mg/L間變化，明礬劑量平均為43mg/L。
表3總結(jié)了小試試驗(yàn)過(guò)程上述各時(shí)間段的結(jié)果。對(duì)小試試驗(yàn)的膜生物反應(yīng)器部分來(lái)說(shuō)，在表3中包括的有流出物的總氮、總磷以及化學(xué)需氧量(COD)的平均、最大和最小值，其中化學(xué)需氧量是處理效率的另一個(gè)重要指標(biāo)。測(cè)量COD而不測(cè)生化需氧量(BOD)是因?yàn)楹笳咭驯幻摮浇咏鼨z測(cè)極限。
為了簡(jiǎn)化描述，給出了整個(gè)操作過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括能夠引起隨后處理變化的化學(xué)物質(zhì)劑量的變化、循環(huán)流率的變化等(未表示)。從磷脫除角度來(lái)看，試驗(yàn)數(shù)據(jù)清楚地表明可以實(shí)現(xiàn)流出物磷的低濃度。從整體上說(shuō)，小試試驗(yàn)的設(shè)備能夠滿足表1中所列的所有目標(biāo)。需要用活性炭對(duì)MBR流出物進(jìn)行后處理以使其符合流出物的COD要求即10mg/L。
在不加明礬的情況下，流出物的TP平均為2.76mg/L，其最小值為1.88mg/L。與不用生物或化學(xué)磷脫除的常規(guī)裝置的能力(通常為約4mg/L)相比，這些值要更低。
在加入明礬的情況下，流出物的TP平均為0.24mg/L，其最小值為0.02mg/L。操作過(guò)程中有幾天流出物的TP值低于表1中所列的處理目標(biāo)值0.1mg/L。在TP極低(低于0.1mg/L)的那幾天內(nèi)，對(duì)BOD、TSS、COD、TN、TP、濁度和大腸菌的控制目標(biāo)均得到實(shí)現(xiàn)。
表3-小試試驗(yàn)程序的流出物數(shù)據(jù)

權(quán)利要求
1.一種從廢水中脫除生物營(yíng)養(yǎng)素以產(chǎn)生低磷流出物的方法，所述方法包括a)提供含有活性污泥的串聯(lián)多級(jí)生物反應(yīng)器，所述生物反應(yīng)器包括在水力學(xué)上串聯(lián)的厭氧區(qū)和下游需氧區(qū)，其中每個(gè)區(qū)均具有上游入口和下游出口；b)提供廢水至厭氧區(qū)入口；c)向下游需氧區(qū)中加入一定量化學(xué)物質(zhì)，其加入量足以使可溶性和顆粒狀磷沉積，從而產(chǎn)生低磷流出物；d)使處理后的水與活性污泥和沉積的磷分離；和e)將通過(guò)浸沒(méi)式膜過(guò)濾器與處理后的水分離的返回活性污泥循環(huán)回厭氧區(qū)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中步驟a)進(jìn)一步包括提供包括缺氧區(qū)的多級(jí)生物反應(yīng)器，其中所述缺氧區(qū)在水力學(xué)上串聯(lián)于厭氧區(qū)和下游需氧區(qū)之間。
3.權(quán)利要求1的方法，其中步驟c)的分離通過(guò)與下游需氧區(qū)操作相連的浸沒(méi)式膜過(guò)濾器的過(guò)濾而實(shí)施。
4.權(quán)利要求1的方法，其中步驟a)進(jìn)一步包括提供具有上游缺氧區(qū)、上游需氧區(qū)和下游缺氧區(qū)的多級(jí)生物反應(yīng)器，其中所述各區(qū)在水力學(xué)上串聯(lián)于厭氧區(qū)和下游需氧區(qū)之間。
5.權(quán)利要求2的方法，其中在步驟d)中返回的活性污泥首先循環(huán)至缺氧區(qū)的入口附近，然后從缺氧區(qū)的出口附近循環(huán)至厭氧區(qū)。
6.權(quán)利要求3的方法，其中在步驟d)中返回的活性污泥循環(huán)至上游缺氧區(qū)的入口附近，然后從上游缺氧區(qū)的出口附近循環(huán)至厭氧區(qū)。
7.權(quán)利要求6的方法，其中在步驟d)中返回的活性污泥首先循環(huán)至上游需氧區(qū)的入口附近，然后從上游需氧區(qū)的出口附近循環(huán)至上游缺氧區(qū)的入口附近，并從上游缺氧區(qū)的出口附近循環(huán)至需氧區(qū)。
8.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟c)中低磷流出物低于0.25mg/L。
9.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟c)中低磷流出物低于0.1mg/L。
全文摘要
從廢水中脫除生物營(yíng)養(yǎng)素以產(chǎn)生低磷(例如低于0.25mg/L)流出物的方法，包括提供含有活性污泥的串聯(lián)多級(jí)生物反應(yīng)器，所述生物反應(yīng)器包括在水力學(xué)上串聯(lián)的厭氧區(qū)和下游需氧區(qū)，其中每個(gè)區(qū)均具有上游入口和下游出口。提供廢水至厭氧區(qū)入口。向下游需氧區(qū)中加入足以使可溶性和顆粒狀磷沉積的一定量化學(xué)物質(zhì)，從而產(chǎn)生低磷流出物。處理后的水與活性污泥和沉積的磷分離，并將與處理后的水分離的活性污泥循環(huán)回厭氧區(qū)。
文檔編號(hào)C02F3/12GK1845879SQ200480025254
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2004年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月2日
發(fā)明者G·T·戴格爾, E·J·弗萊舍, A·M·沃爾曼 申請(qǐng)人:西圖法人公司