含磷酸盐污水净化和生物除磷方法以及实施该方法的设备
申请日期：1987.12.29
公佈（告）日期：1988.09.28
IPC分类编号C02F3/30；C02F3/28；C02F3/12
概括
生物除磷净化含磷废水的方法和设备一般只能达到75%左右的除磷率，且设备投资较大。为了提高厌氧条件下磷酸盐的再溶解，提高后续的磷酸盐吸收，厌氧条件下的处理可以在沉淀池中进行，其中进料未澄清的未处理污水和来自二沉池的回收污泥，允许污泥在其中停留时间长于水力停留时间。
权利主张
1.一种生物除磷净化含磷酸盐废水的方法，其中可沉淀和/或不可沉淀的废水组分在连续处理池中先进行厌氧处理再进行好氧处理，来自第二澄清池的活性循环污泥返回到厌氧操作步骤，其特征在于，厌氧条件下的处理在沉淀池中进行，且污泥在沉淀池中的停留时间超过水力停留时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：厌氧沉淀池连接有通气活化池，活化池供给来自沉淀池的上层液体和从沉淀池底部取出的浓缩污泥。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，向厌氧沉淀池供给含有大量可沉淀物质的未经处理的污水，这些污水在沉淀池顶部与循环污泥混合。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，将原污水和回收污泥的混合物进料到厌氧沉淀池的表面区域。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于供给好氧处理池的浓缩污泥取自厌氧沉淀池，其量为单位时间内从未处理的污水和循环污泥引入的固体物质的总量。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：仅将可沉淀的水组分送入厌氧沉淀池，而将不可沉淀的污水组分直接送入好氧处理池。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：仅将不可沉淀的废水组分送入厌氧沉淀池，而将可沉淀的废水组分取出。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在预澄清器中将污水分离成可沉降的污水组分即预澄清的污泥，和非沉降的污水组分即预澄清的污水。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于：将从厌氧沉淀池中取出的污泥分离成富磷水和贫磷污泥，富磷水送去石灰沉淀，沉淀后的污泥取出后上层水送去好氧处理池，贫磷污泥直接送去好氧处理池。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，通过离心将浓缩污泥分离成富含磷酸盐的水和缺乏磷酸盐的污泥。
11.根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于从厌氧沉淀池取出的浓缩污泥在进入好氧处理池之前要进行石灰沉淀。
12.根据权利要求1至11中任一项的方法，其特征在于，在曝气活化池之后直接设置第二澄清池，从该第二澄清池中取出活性污泥并将其分成循环污泥和剩余污泥。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，整个方法包括预反硝化、同时反硝化或交替反硝化。
14.一种生物除磷净化含磷酸盐废水的装置，包括厌氧操作池、后续曝气活化池和二沉池，从二沉池中取出活性污泥，分成剩余污泥和循环污泥送至厌氧操作池，其特征在于厌氧操作池为沉淀池(1)，包括用于循环污泥和可沉淀和/或不可沉淀污水组分混合物的进水管(4)、与后续曝气活化池(2)连接的上清液排放管(5)和沉淀池(1)底部的浓缩污泥排放管(6)，浓缩污泥排放管(6)也与后续曝气活化池(2)连接，有时在沉淀池(1)和曝气活化池(2)之间连接另一个处理池，使上清液或上清液和浓缩污泥经过处理池后再进入曝气及活化罐(2)。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，用于循环污泥和污水组分混合物的进料管(4)通入沉淀池(1)的上部区域。
16.根据权利要求14或15所述的装置，其特征在于：沉淀池（1）为改进型常规预澄清池，其改进方式为：将原污水进水管与循环污泥进水管连接，将污泥排出管与后续活化池连接。
17.根据权利要求14至16任一项所述的装置，其特征在于：在厌氧沉淀池(1)前设置预澄清池(16)，其包括原污水进水管(19)、与活化池(2)连接的预澄清污水排放管(18)和与沉淀池(1)连接的预澄清污泥排放管(17)。
18.根据权利要求14至17任一项所述的装置，其特征在于：沉淀池(1)底部的浓缩污泥排放管(6)与离心机(20)连接，包括富磷水排放管(21)和贫磷污泥排放管(25)，富磷水排放管(21)与设有石灰添加装置的搅拌槽(22)、后续沉淀池(23)和后续活化槽(2)连接，贫磷污泥排放管(25)直接与活化槽(2)连接。
19.根据权利要求14至17任一项所述的装置，其特征在于：沉淀池(1)底部的浓缩污泥排放管(6)与设有石灰添加装置的搅拌槽(22)及后续的活化槽(2)相连。
手动的
本发明涉及一种通过生物除磷净化含磷酸盐废水的方法，其中可沉淀和/或不可沉淀废水组分在连续处理池中首先进行厌氧处理，然后进行好氧处理，来自第二澄清池的活性循环污泥返回到厌氧操作步骤。本发明还涉及实施该方法的装置。
相反，如果通过化学或生物化学反应将磷化合物从固态污水中分离出来，则只能将氮化合物从污水中分离出来。因此，从固态污水中分离磷酸盐的过程只能通过进入生物或化学沉淀的方式进行。
多年来，人们一直使用多级澄清设备进行化学磷沉淀。然而，最近，人们开发了生物或生物化学除磷方法。因此，在纯生物方法中，人们试图确定从剩余污泥中生物除磷的总量。相反，在生物化学方法中，生物作用以特定方式与特别经济的石灰沉淀作用相结合。
生物法是利用污水中所含的磷在污水与活性污泥接触的条件下，能从已知微生物中释放出来或与微生物结合的现象。污水中的磷实际上仅以磷酸盐的形式存在，大部分是可溶性磷酸盐，只有少部分是特定的缩合磷酸盐。在按活化法运行的生物净化装置中，如果活性污泥连续地处于厌氧条件(有溶解氧、亚磷酸盐和硝酸盐存在)和好氧条件(有溶解氧存在)下，则表明污泥在厌氧条件下释放磷酸盐，而在好氧条件下吸收磷酸盐。厌氧阶段磷酸盐的释放对应于好氧阶段磷酸盐的吸收。迄今为止在该领域进行的所有研究均表明，有氧条件下磷酸盐的吸收速率与厌氧条件下先前进行的磷酸盐再溶解速率直接相关。
生物除磷中一个极其重要的事实是磷酸盐的吸收程度总是高于之前发生的再溶解程度。由于废水净化后，在好氧阶段后立即将废水与生物污泥分离，因此排放中的净磷浓度较低，而澄清器中剩余污泥中的磷浓度较高。
因此，为了提高除磷效率，人们设法产生尽可能多的剩余污泥和（或）尽可能提高剩余污泥中的磷含量。
因此具体的剩余污泥产量可以通过污泥负荷来确定。
根据上述关系可以提高剩余污泥中的磷含量，更确切地说是通过提高磷的复溶性，从而提高后续的磷吸收率。
如果想通过改变生物澄清单元中磷的复溶度/磷的吸收度来影响除磷效果，还必须注意以下几个事实：
1.亚硝酸盐和硝酸盐的存在会阻碍磷的复溶，含有亚硝酸盐或硝酸盐的引水水流绝不能流入厌氧工厂。
2、使用易降解基质，可加速磷的溶解。
近些年发展起来的生物除磷方法，对这两个因素都以不同的方式加以考虑。在目前简化的所谓A/O法中(例如，DJ，Hong SN，Tracy KD的研究报告，phos-by-A/O.，Conf.“in the A/O.”，Juli 1985)，将一个不通风的充分搅拌槽或槽组与活化槽连接。循环污泥和未处理或预澄清的污水送入此槽，在槽中的停留时间为1-5h。在随后的活化槽中的停留时间约为2-5h。这种方法的应用仅限于负荷足够高的装置，在这些装置中不允许发生硝化作用(氨被微生物氧化成亚硝酸盐和硝酸盐)。这时，换言之，亚硝酸盐和硝酸盐将随循环污泥进入不通风的装置中，并阻止磷在其中溶解回流。
另一种所谓“反硝化”或改良法，是将循环污泥和未处理或预澄清的污水送入不通风的完全搅拌槽或槽组，与A/O法相同。但在后续装置中，除硝化外，还进行完全反硝化（亚硝酸盐和硝酸盐被微生物还原为分子氮，以气态从污水中释放出来），这样就不会有亚硝酸盐或硝酸盐随循环污泥进入厌氧装置。此法也是专门为生物脱氮除磷而设计的。在进行磷再溶解的第一个不通风的完全搅拌槽中，循环污泥停留时间为1.5小时。
另一种方法是所谓的UCT(of cape town)方法，该方法已在例如Erama GA，GR，Bilo-P-beim-in.，Seite 241 bis 249(1985)中发现。该方法的目的是避免完全反硝化所需的高消耗。该方法仅限于连续反硝化，因此原则上不可能实现100％去除亚硝酸盐或硝酸盐。由于循环污泥含有亚硝酸盐和硝酸盐，因此首先将其送至反硝化池。污泥从此池出来后，被送至一系列不通风的搅拌池中，磷在其中溶解回来。在该池中，与上述两种方法一样，污泥在完全搅拌条件下与未处理或预澄清的污水接触，污泥停留时间为1.5h。
以上三种方法是目前应用的三种主要的生物除磷方法，另一种所谓的方法，在磷的回溶方面与以上几种方法有根本的区别。
与上述方法的基本区别还体现在该方法中，该方法已见于Lerin GV，Topol GJ，AG，Full Scale Plant，JWPCF 47，577-590（1975）。该方法代表了一种将高效生物除磷与化学沉淀除磷相结合的方法。在该方法中，将部分循环污泥送至称为“沉淀池”的沉淀池。在池中厌氧滞留数小时后的磷再溶解期间，同时通过静态浓缩获得含磷酸盐的上清液。然后，将该含磷酸盐的上清液进行化学沉淀。
与其他方法不同，该方法还考虑到对污水分流进行化学沉淀的目的，以提取含磷成分，而这些成分无法通过纯生物作用从污水中去除。石灰沉淀（Ca-(OH)2）的特点是，与总污水流沉淀的情况一样，在污水分流中进行沉淀时可以节省大量石灰。
原则上，该方法的应用仅限于非反硝化和重负荷的活化设备，因为亚硝酸盐或硝酸盐可能随循环污泥进入介质。但可以采取相应的措施，并且已经实施。后面描述的这种方法经过多次改进，其中一次改进的目的是“加速介质中磷的溶解”（供给预澄清污水），但首先，它的目的是“进一步将磷酸盐转移到介质中”（供给预澄清污水、净化污水或化学处理的污水、循环污泥）。
目前纯生物除磷法（A/O、UCT）的除磷效率多数情况下不够高，由于各方法的前提条件不同，文献中列出的结果无法直接进行比较，所进行的研究也不完善，但有一点是肯定的，即总磷去除率很少超过75%。
该方法由于分流经过化学沉淀，可以达到较高的除磷率，但生物除磷组分占总除磷率的75%以下。
除 A/O 方法外，上述所有方法都具有很大的缺点，即它们很复杂，因此成本昂贵，而且只能由经过专门培训的人员操作。
本发明的目的在于提供一种生物除磷净化含磷酸盐废水的方法及实施该方法的装置，在改进生物除磷工艺的同时，能够大幅度降低或最小化设备成本。
在上述方法中，本发明的目的是通过使在沉淀池中进行厌氧条件下的处理，且污泥在沉淀池中的停留时间超过水力停留时间，或采用这样的设备来实现的，即厌氧操作池为沉淀池(1)，其包括用于循环污泥及可沉淀和/或不可沉淀的污水组分混合物的输入管(4)，与后续的曝气活化池(2)连接的上清液排出管(5)，沉淀池(1)底部的浓缩污泥排出管(6)也与后续的曝气活化池(2)连接，有时在沉淀池(1)与曝气活化池(2)之间连接另一个处理池，上清液或上清液和浓缩污泥经过该处理池后再引入曝气活化池(2)。
本发明是基于多年半工业化生物除磷设备使用经验的认识，认为以下两点对于提高除磷效率非常重要：
1.活性污泥的厌氧停留时间必须高于目前的试验方法，并且
2. 必须利用原污水中易分解底物的总体趋势来提供厌氧停留时间内磷酸盐的复溶速率。
针对上述第一点，在目前提供的全搅拌池中，污水与循环污泥接触时，污泥的厌氧停留时间总是太短。由于增加池体尺寸并不便宜，本发明采用分别控制污泥停留时间和液体停留时间的方法，这在沉淀池中很容易实现，污泥与污水接触后沉积下来。然后，只从沉淀池底部取出浓缩污泥，将其从固体物质平衡中挤出。如果浓缩效果好，可以实现很长的污泥停留时间，如5-30小时，在实践中10-24小时特别有利。
为了根据需要考虑上述第二点，特别有利的是使循环污泥与原污水在池顶接触。这使得可以放弃目前常用的预澄清步骤，并将澄清厂中大多数情况下使用的预澄清池转变为厌氧磷酸盐再溶解池，其中进行本发明方法的第一步。
因此，根据本发明，废水应理解为公共、商业或工业废水，如果需要，该废水已经过筛并经过预处理以去除砂砾和/或油脂，但尚未经过预澄清，因此仍然含有大量可沉淀成分。
本发明的方法，如下文结合附图和实施例详细说明的，其特点是工艺极其简单，可以利用现有的澄清设备，无需进行重大改造，即可进一步生物除磷。两个月的试运行表明该方法优于现有方法。原水中的磷浓度一般平均为8mg/l总量，而出水中的磷浓度平均可以达到1mg/l总量以下，磷去除率几乎达到90％。至于磷酸盐，其去除效率可以得到显著提高。因此，磷酸盐可以基本完全从活性污泥中分离出来，而出水中剩余的磷含量大部分来自特殊磷。
为了说明本发明方法突出的除磷效果，我们首先简单讨论一下本发明方法的理论基础。
众所周知，预澄清污泥经过一段时间的厌氧处理称为酸发酵。在此过程中，预澄清污泥中所含的某些微生物的作用，可以将脂肪、糖和其他可分解物质分解成低级有机脂肪酸，首先是乙酸。由于分解产物是有机酸，人们也将此过程称为甲烷发酵。分解产物分离后，再次分解。由于停留时间长（几天到几周），因此发生所谓的甲烷发酵。
初步试验表明，将上述分解产物添加到循环污泥中可显著加速相应装置中的磷再溶解。由于循环污泥中磷酸盐的释放和预澄清污泥中有机酸的释放需要相同的介质条件，即厌氧环境，因此在开发本发明时得出以下结论：这两个过程可以有利地结合在一个反应器中。这在沉淀池中进行，其中进行本发明方法的第一步，因此该池可称为组合发酵和磷再溶解池。新鲜的预澄清污泥通常在厌氧条件下与循环污泥一起浓缩，有机酸被释放并直接被循环污泥利用。有机酸从循环污泥中吸收，从而相应地确保磷酸盐的释放。根据如此建立的优化环境，磷酸盐的释放特别快，如果考虑到上述解释，即磷酸盐的吸收最好在活化槽中进行，这并不难得出。
本发明方法的应用并不局限于非硝化高负荷装置，由于厌氧沉淀池中还原趋势很大，因此循环污泥反硝化可以在不显著影响磷酸盐复溶性的情况下进行。已知方法采用充分搅拌的池进行操作，其中随循环污泥带入的硝酸盐立即扩散到池内的每个角落，完全阻止了磷酸盐的复溶。与此不同，在本发明方法的沉淀池中，循环污泥带入的硝酸盐在与未处理的污水一起引入时，仅漂浮在池的顶层，并迅速还原。因此，避免了对下层磷酸盐的复溶性产生不利影响。只是在硝酸盐还原过程中消耗了易分解的基质，会在一定程度上削弱磷酸盐的复溶程度。但由于未经处理的污水中溶解的易分解基质完全用于还原硝酸盐，因此发酵得到的有机酸可完全用于磷酸盐的复溶。
因此，也保证了澄清器稳定的除磷效率，澄清器在临界范围内运行，硝化作用只是偶尔进行。因此，本发明的方法可以顺利地与单独进行的脱氮操作相结合，反硝化可以串联、同时或交替进行。原则上，这种组合对于存在不需要固定在载体上的移动活性污泥的各种方法都是可能的。
必要时，可对厌氧沉淀池中取出的浓缩污泥进行额外的厌氧停留。这可以在另一沉淀池或混合池中进行。如果由于液体负荷较大，厌氧沉淀池中的混合污泥无法浓缩到足够的厌氧停留时间，则应采取这一措施。
本发明的另一个方面是，仅将可沉淀的废水成分送入厌氧沉淀池，而将不可沉淀的废水成分直接送入好氧处理池。将预澄清器连接到厌氧沉淀池也是有利的，其中可沉淀的废水成分（也称为预澄清污泥）和不可沉淀的废水成分（也称为预澄清污水）彼此分离。在该实施例中，厌氧沉淀池中的水力负荷降低，污泥浓度提高，从而增加了厌氧停留时间。当然，缺点是溶解的污水成分不能有效增强厌氧条件下磷的再溶解，因为预澄清污水直接送入好氧处理步骤。但是，另一方面，污泥的高厌氧停留时间可以促进磷在处理池中进一步再溶解，从而增强磷的吸收。可提高磷的去除效率。
预澄清污泥还可以进行额外的处理，将粗颗粒与细颗粒分离。例如，这可以使用离心机来完成。来自离心机的含有粗颗粒并以高度浓缩的状态沉降的污泥可以直接送往污泥处理。中间大量的细颗粒被送往厌氧沉淀池。
本发明的另一实施方案是仅将不可沉淀的废水成分送入厌氧沉淀池，并除去可沉淀的废水成分。在前面的预澄清池中，可沉淀的废水成分即预澄清污泥再次与不可沉淀的废水成分即预澄清废水分离。当预澄清废水以这种方式送入厌氧沉淀池时，特定基质的分解甚至不起作用，但与完全搅拌系统相比，高厌氧停留时间是有效的。通过该实施方案，还可以避免放弃预澄清步骤可能带来的不利影响，例如高需氧量、沉淀和堵塞。
上述实施例在污水成分不利时（磷酸盐浓度高，BSB浓度低）可达到其效率范围。在这种情况下，根据本发明，可以设想在添加少量石灰的情况下通过污水分流沉淀实现高磷酸盐负荷的化学凝结。在这种情况下，从好氧沉淀池中取出的污泥可以分离成富磷酸盐水和富磷酸盐污泥，例如使用离心机。富磷酸盐水在pH值约为9时用石灰处理，其中沉淀的污泥被去除，上层水被送至好氧处理池。富磷酸盐污泥直接送至好氧处理池。少量的污水分流和高的溶解磷酸盐浓度为磷酸盐的化学沉淀提供了理想的先决条件。去除的磷酸钙沉淀污泥也可以送回再利用。
本发明还可以将厌氧沉淀池中取出的浓缩污泥直接送去石灰沉淀，产生的pH值在9左右的沉淀污泥与有机污泥一起送往好氧处理池，由于pH值降低，部分沉淀污泥又重新进入其中的溶液中，但大部分沉淀污泥仍会以所谓的“磷酸盐晶体”的形式以固态形式残留，使工艺系统出现剩余污泥，生物结合的磷酸盐也应加入到化学结合部分中，因此除磷效率有所提高。
根据底层工艺原理，只需少量设备分流即可实现磷酸盐的富集，本发明实施例在分流采用石灰沉淀时也可利用这一事实。采用石灰沉淀时，除磷效率取决于可提高的pH值。少量污水中磷酸盐的富集也意味着仅需加入极少量石灰即可达到与总污水流沉降相同的效率。因此，节省的石灰量与污水分流与总流量的比例成正比。