专利名称：净化污水的方法
技术领域：
本发明涉及一种活性污泥法净化家庭排水及工业排水的方法，并引入革新工艺来处理水流中所含氨合物和磷酸盐以及促进生物培养物的活化。这些方法可快速达到高度净化。其结果是能获得高纯度的循环水，所采用的是安装和操作费用低的设备。
用于净化污水的活性污泥法应用范围很广，且通常简称为污水的生物处理法。其采用一个初级沉淀池，一个曝气池和一个二级沉淀池。随着对该方法的开发，已引入多级系统，其中引入了两级或三级曝气。两级曝气法与仅存在于初级沉淀池中的细菌的生长状况及二级沉淀池中高级微生物(如原生动物及其它)生长状况相结合。该方法还要求对两池中的停留时间进行调节。更进一步地，还开发了处理污水中氨合物和磷酸盐的多级系统。
使用活性污泥法生物处理污水的工艺，其特征在于快速法和慢速法的停留时间。快速法中，停留时间为2.5小时，主要利于细菌的生长，而慢速法根据停留时间通常为4至6小时利于各种微生物的生长，主要是细菌和原生动物的生长。快速法耗氧量少，且生物培养物浓度低，在500kg/l数量级。其随温度升至45℃响应呈正向增高，达到高度纯化至70％，且耗能少。而慢速法在温度高于20℃时不会产生有利的变化，其在浓度为3000kg/l过量的生物培养物中进行操作，且与此相关的操作费用高。
我们知道，在气候温暖的地区，常常将污水或工业废水排放于温度高于30℃的曝气池中。由此，这些池中的空气溶解度是有限的。饱和氧含量在15℃时为10.4kg/l，在35℃时则降至6.6kg/l。因此，在这些地区需使用另外的充气装置。
通过上述分析推知，净化污水所采用的活性污泥法仍没被有效地开发及最优化。与其相关的实际问题列举如下
当污水温度升高时，存在特殊的适应性问题。
由于污水流和工业废水为复杂的物质，通常有毒，较高或较低程度地为有机毒物和重金属毒物的形式，所以处理方法更具有理论上的重要性。
这些有毒物质含各种成份，毒性大且抑制生物培养物的生长，降低生物处理的速度，因此具有严重的经济上和环境上的弊病。
考虑到上述以活性污泥法生物处理污水的优缺点，本发明人发明研究并使用了中试方案，其能成功地解决这些问题，并且大有益处。
本发明人已证明，使用活性污泥法生物处理污水的工艺能在两级曝气中优化操作，其中第一步在非酸性环境中操作，以除去硝酸盐并用于毒物分离。根据此方案，第一曝气池中的生物培养物还可用作重金属和毒物的吸附剂。将此培养物全部除去而不在该系统中进行循环。在污泥从第一曝气池中清除之后，还可进行磷酸盐的脱除，脱除程度大于70％。在第二曝气池中形成并保持活性污泥，在大量氧化剂存在条件下操作，促进氨合物氧化为硝酸盐，并使污泥循环，为两个曝气池提供所需污泥。
在两级曝气的净化工艺中，仅使用来自第二级的污泥。该污泥进入含有毒物的第一曝气池中，由此导致微生物间的生存竞争。因此，代表微生物生长中较高能量水平的最有恢复力和活性的细菌便会占据优势。这些操作条件被定义为生物培养物的嗜热活化作用。在整个净化系统中这种嗜热活化作用将呈现稳定状态，其中第一曝气池中生长状况由于有毒性物质而存在着物种的竞争，而在第二曝气池中活化的生物培养物的种子会被交换，且形成生物污泥的最佳条件会占据优势。
所开发的且用作毒物分离的快速与慢速法的结合即为一种初步的最优化方案，用于气候温暖地区。其还是能够大幅度除去硝酸盐及磷酸盐的高度原始简单的方案。已表明，在快速法中，非酸性环境下随着来自第二慢速曝气池(其中存在的氧化剂导致硝酸盐的形成)的污泥携带水的不断循环，硝酸盐的脱除率为60-80％。同时，随着来自第一曝气池的生物污泥全部扔掉，则大部分磷酸盐(总含量的60-80％)也被除去。
本发明人还发明研制并使用了从装置中脱除毒物的方案，这些装置用于活性污泥法净化污水。通过与提供的重金属选择性结合并进行初级沉淀使池中污染物负荷量减少而实现毒物分离。
离子形式的重金属与特殊类型的离子交换树脂结合，这些树脂由同一发明人发明并使用。将树脂装床，其中污水将通过此床。离子交换树脂为聚合物，呈macroplegmatic结构，Mc值为50,000交换产品。树脂中含有最大密度的磺基和羧基，离子交换比接近理论极限5.6-6.2。该树脂在水中可膨胀为其重量的250-350倍，孔隙度小，能快速结合所通过的水携带的全部金属离子。
将上述离子交换树脂加入曝气池中。因其在水中膨胀了250-350倍，其与可溶性金属离子结合，而由于其低孔隙度，污泥不能流进其中。
通过加入碱水，将初级沉淀池中的pH调节至8.3。在该条件下，沉淀出最大部分的悬浮物，导致环境负荷量减少了约40-50％，使用钙离子与磷酸盐全部结合。由此，开发出在生物处理装置高强度操作的情况下减少污染物负荷的条件。通过在嗜热区域厌氧消化过程中处理污泥，形成碱水。该工艺过程述于本发明人提交的专利90117377/3/10中。
本发明提出的对活性污泥处理污水方法的改进使得这些装置能以有效简便的方式进行工作，根据说明书得到高速净化，且操作费用低。
由本发明开发的净化污水的装置能完全除去毒性物质，达到高度进步，并具有低廉的操作费用。其可在没有初级沉淀池的情况下操作，特别是当悬浮于污水流中的固体物质浓度低于5000kg/l时。整个工艺过程能达到的净化程度为BOD减少了98％，并且该工艺能与用于脱除附带的硝酸盐、磷酸盐和污染物的水生植物生长装置相结合。这种结合的安装费用和操作费用很低，并能生产出满足说明书要求的高纯度循环水及具有能使生物生长的质量。总之，本发明描述和开发的是一种用于改进净化污水装置的先进方法，具有重要的经济、科学及环境上的意义。
实施例1附图
所示的中试装置，其位于大雅典(the Greater Athens)地区的中心污水管末端，污水流入速率为20l/h，我们研究了水净化工艺的效率流入的污水流BOD值为320+/-100，悬浮固体浓度为520+/-140，其含有的重金属浓度为200kg/l，氨合物为100kg/l，磷酸盐为60kg/l。根据下列操作参数操作中试装置45天，没有出现问题第一曝气池中悬浮固体480+/-50kg/l第二曝气池中悬浮固体5300+/-150kg/l第一曝气池中充入空气1-1.1m3/h第二曝气池中充入空气1.4-1.7m3/h流出水流的BOD值为30+/-5，COD值为45+/-10。第一曝气池中被结合的重金属为65+/-5％，脱除了82％的硝酸盐，其中扔弃的污泥中结合的磷酸盐约为72％。
实施例2使用另一中试装置，其含有相当于第一装置的两个池大小的单一曝气池，也进行20l/h的污水处理。根据排出水的BOD减少值研究两种装置的相关操作性能。
结果总结如下附图所示的中试装置 涉及单级曝气的第二种中试置24小时60+/-10 180+/-5048小时40+/-5 150+/-6072小时25+/-5 150+/-60实施例3在附图所示的中试装置中，将50g的离子交换树脂放于悬浮在曝气池中的包中。树脂在水中膨胀至300倍，脱硬度能力(dehardening ability)为5.2度。实验中加入树脂的结果是使金属全部脱除。进一步地，第二池中的生物培养物形成，而没有任何干扰，从而使净化速率和程度大大改善。在相似于实验1的条件下将该装置运作25天的过程中，从操作的第一天起流出水流BOD稳定保持于15+/-5，消耗空气为2.3m3/min。
在实验之后，离子交换树脂呈现出降低的离子交换能力。将树脂移去，浸泡于盐水(海水)中重新活化，并再次使用。在这些条件下，我们研究了停留时间对净化程度的影响，结果如下流速l/h 流出BOD 空气耗量m3/h2018+/-5 2.22320+/-6 2.32620.5+/-62.33019.8+/-82.3我们发现，流速增加50％，将净化系统调至最佳操作条件，净化程度保持稳定。
实施例4在附图所示的中试装置中，实验1中的污水混合物流入速率为20l/h，我们研究了速率和循环时间对两个曝气池净化程度的影响；曝气池1污泥产量3750+/-200kg/h污泥循环量和速率自身存在的污泥％ 来自池2污泥 流出BOD1-48/小时 100％ 0 290+/-101-48/小时 50％ 50％ 220+/-201-48/小时0100％ 140+/-101-48/小时0100％ 290+/-10曝气池2污泥产量4000+/-300kg/l流出BOD 充气量 m3/h160+/-83.8 注示a)130+/-63.2 注示b)
35+/-5 2.7 注示c)25+/-5 2.2 注示d)a)操作5小时后，曝气池没有呈现生物活性b)曝气池操作呈现降低的生物活性c)曝气池中污泥具有一些活性及浅色d)含有离子交换树脂的包加入第二曝气池之后实施例5将BOD值20-100的来自净化装置的排出水通过一个水生植物(水生风子信(aquatic hyacinths)，水生芹菜(aquatic celery)等)生长的池子，在温室中用透明聚合物覆盖以允许阳光通过的条件下进行实验。水生植物能快速生长，最终流出水的BOD低于2，硬化因子为10。所以，此为高质量的循环水。可将水生植物切断并转移至厌氧消化装置中或用于制备动物饲料。
权利要求
1.一种使用活性污泥法净化污水的方法，其包括a)分别于快速和慢速条件下操作的两级曝气系统b)一种用于转移生物污泥的系统，使一级曝气池中产生的污泥被弃去，同时除去70-80％所含的磷酸盐，并且使该净化系统充满了第二曝气池中产生的污泥的生物培养物c)一种两级曝气系统，其中第一步是在非酸性条件下操作，而第二步是在氧化剂条件下操作，如此使得硝酸盐脱除率达70％d)一个使用特定离子交换树脂的系统，树脂在水中可膨胀200-350倍，并能与存在的全部金属离子结合e)一种用于水生植物生长的装置，用于高纯度循环水的产生，通过上述方法，净化污水的装置操作时生物培养物不断被活化而没有任何来自所供毒物的影响。
2.根据权利要求1的方法，其中为该系统提供的毒性物质被第一曝气池弃去的污泥所吸附，第一曝气池中充有来自第二曝气池循环的污泥，这些生物选择性条件产生于生物培养物的不断活化。
3.根据权利要求1的方法，其中当放入可在水中膨胀至350倍的离子交换树脂且全部金属离子被结合时，第二曝气池便在最优化的生物条件下操作，不含以重金属形式提供的毒物。
4.根据权利要求1，2和3的方法，其中所供不同程度的有毒物质对生物污泥产生不同强度的毒性，形成物种竞争的条件，保持系统的稳定功能。
5.根据前述权利要求的方法，其中净化系统趋于稳态操作，第一曝气池环境条件用于选择所选嗜热细菌的生物活性，这些细菌呈颗粒或生物活化复合体形式被转移至另一曝气池，在第二曝气池中在最优化条件下它们生长很快。
6.根据权利要求2，4和5的方法，其中通过对一定范围内的嗜热微生物进行嗜热性选择，而相应地促使生物培养物的活化，由此提高了污水净化系统的速度和有效性。
7.根据权利要求1的方法，其中在要净化的污水流中含高比例的金属离子的情况中，或提供的水源有这类有毒的物质存在时，通过在金属离子提供过程中或净化系统的初级沉淀池内放入可在水中膨胀的离子交换树脂，达到结合所述金属离子的条件。
8.根据权利要求1，2，3和5的方法，其中第一曝气池在非酸性条件下操作，通过脱硝使硝酸盐转化为氮，而第二曝气池在氧化剂存在条件下操作，使氨合物转化为硝酸盐，这些硝酸盐又和污泥一起不断循环返回第一曝气池，由此，该净化系统使70-75％的含氮物质被结合，在从第一曝气池除去污泥后，可除去60-75％的磷酸盐。
9.一种根据权利要求1-8的净化污水的方法，其中对一个含两级曝气的以活性污泥法操作的生物处理系统提供污水，可以使用或不使用初级和二级沉淀，在该工艺中第一曝气池用作毒物分离，也可除去硝酸盐，当池中磷酸盐含量达总量60-75％之后将该池中产生的污泥扔掉。第二曝气池的活性污泥循环入第一曝气池。由此，由于毒物存在第一曝气池中产生生物压力，导致要被活化的微生物的生存竞争。在污水净化系统的第二曝气池中形成嗜热生物培养物，在第二曝气池中或金属离子流动的过程中使用适量的在水中膨胀因子为300的特殊的离子交换树脂，可以结合存在的有毒重金属离子，由此该污水净化系统以最快速度以一个稳定和最佳方式进行操作。该系统需要较少的装置费和操作费。使用用于水生植物生长的简单的新式装置后，该系统能生产高纯度循环水。
全文摘要
本发明涉及一种初步方案，用于活性污泥法处理的污水净化，包括a)分别于快速和慢速条件下操作的两级曝气系统，其中第一级在非酸性条件下操作，以促进脱硝，第二级在氧化剂存在条件下操作，以除去70％的硝酸盐；b)用于转移生物污泥的系统，其中第一曝气池中产生的污泥被全部扔掉，第二曝气池中的污泥循环入第一曝气池中。通过从第一曝气池中除去污泥，能脱除70-80％的磷酸盐成分，并且该系统能脱除掉毒物；c)一个使用了封于包中的特殊离子交换树脂的系统，该树脂在水中可膨胀，膨胀因子为200-350，其具有很高的离子交换容量，可结合存在的全部金属离子；d)在生物处理过程中，通过将培养物循环入第一曝气池使生物培养物热活化，其中与生物压力相关的有毒物质会在培养物上形成，由此促使热活化和物种选择；e)随后，净化污水的装置会以说明书所述的高且稳定的产率进行操作，污水净化程度为BOD减少了95％，以简捷便宜的方式选择使用用于水生植物生长的三级净化装置，所得循环水BOD＜5，硬度＜10。该生物处理工艺确实使以活性污泥法工作的污水净化装置达到最优化。其最适于安装在气候温暖地区，那里由于污水温度高，曝气池供氧能力减弱，最需要水的循环利用。
文档编号C02F1/42GK1138847SQ95191194
公开日1996年12月25日 申请日期1995年9月13日 优先权日1994年9月13日
发明者G·N·瓦卡那斯, G·V·阿波斯托罗斯 申请人:伊诺沃管理有限公司