用于降低废水中的氮含量的序批设备和方法与流程
本发明涉及用于在序批反应器中利用氮的氧化和还原化学反应处理包含铵形式的氮的排放物(effluents)的方法。
背景技术：
“序批”反应器是指旨在相继处理有限量的液体的反应器，这尤其与连续处理液体的设备相对。
这种方法是已知的，该方法包括：
-进料步骤，在该步骤过程中将待处理排放物体积引入到反应器中，
-至少一个曝气第一步骤，在该步骤过程中将氧或空气注入到反应器中以用于铵的氧化，
-缺氧第二步骤，在该步骤过程中通过中断氧或空气的注入，产生气态氮，
-沉降步骤，在该步骤过程中，污泥沉积在反应器的底部并且反应器的内容物在接近其表面处澄清，
-排出步骤，在该步骤过程中排放反应器的内容物中的经澄清部分，
所述排出和进料步骤同时进行。
但是，进行下述这样的处理是复杂的：该处理同时要足够快速以足以吸收进入反应器的排放物或废水的流量并且足够有效以足以处理排放物并且更特别地是铵形式的氮。
技术实现要素：
本发明的目标在于通过新处理方法完全地或者部分地克服以上的问题。
本发明的目标首先在于降低用于处理包含铵形式的氮的排放物的方法的持续时间并且改善其效率。
本发明的目标还在于改善序批反应器中处理氮的化学反应的调节和控制。这两种反应中的每一种反应都要求特定的条件以确保在具有高漂移(dèrive)风险的工业范围内的足够完全的处理。
本发明的另一个目标在于降低能量消耗，尤其是与氧供应有关的能量消耗。
本发明的再一个目标在于降低处理中产生的污泥的量。
另外，本发明的目标还在于减少甚至消除用于脱硝(dénitrification)的外部碳的使用。
根据本发明，之前限定类型的用于处理包含铵形式的氮的排放物的方法的特征在于，在进料步骤中，在接近反应器的底部引入待处理排放物体积，并且在排出步骤中，在接近反应器的内容物的表面的预定排放水平处排放反应器的内容物的经澄清部分。
优选地，根据本发明的方法使得在排出和进料步骤中保持反应器的内容物的水平基本上恒定。
优选地，在该方法中，可将待处理排放物体积引入到污泥床中，优选密切且均匀地，以利于污泥与排放物的均匀化。可经由引导向反应器底部的注入来引入待处理排放物体积，以产生在反应器底部发现的污泥床中的湍流。例如，可经由至少一个以朝向反应器底部的孔洞进行开孔的管子来引入待处理排放物体积。所述孔洞可配备有导流板(déflecteurs)，每个孔洞能够在反应器底部的基本上10m2上引起湍流。
根据本发明的另一特性，该方法使得能够在污泥床扩展到反应器中的参考水平之上时停止进料和排出步骤，该参考水平被选择在排放水平之下的预定距离处，在该排放水平处内容物在排出步骤中被取出。例如，当污泥床扩展到最大水平之上时，向监管报告警报信息。
优选地，反应器中污泥床的水平通过基本上置于该参考水平处的悬浮物质传感器来检测。悬浮物质传感器检测污泥浓度。当检测的浓度超过预定值时，同时中断排出和进料步骤。污泥浓度优选1-10g/L。
优选地，根据本发明，反应器底部的传感器检测污泥床的厚度和/或检测是否这个厚度超过预定阀值，并且当该厚度超过预定阈值时排放污泥。
根据本发明的另一特性，可将在排出步骤中排放的内容物送回进料中，如果排放的内容物具有基本上大于预定排放值的悬浮物质浓度的话。
根据本发明的另一个方面，提供用于处理铵形式的氮的排放物的设备，包括序批反应器、接近反应器底部的排放物体积的进料装置、接近反应器内容物的表面的反应器内容物的经澄清部分的回收系统、污泥提取系统以及曝气和混合装置，该反应器根据本发明布置和配备以用于实施所述方法。
附图说明
除了以上所述的配置之外，本发明还在于一定数目的其它配置，它们将在下文中涉及实施例时进行更为明确地讨论，这些实施例参考附图进行描述并且完全不是限制性的。在这些附图中：
-附图1以示意性的垂直剖面的形式在显示该方法的主要步骤的四个图中显示了具有序批反应器的本发明设备。
-附图2是显示在该方法步骤过程中随着在横坐标上给出的时间的污泥浓度以及N-NH4、N-NO2、N-NO3的浓度的变化的图。
具体实施方式
由于这些实施模式是完全非限制性的，因此可尤其考虑本发明的变化形式，所述本发明的变化形式仅包括与其它描述的特性分开的所描述特性的选择(即使这种选择是从包含这些其它特性的语句内抽出的)，如果这种特性选择足以赋予技术优势或者将本发明与现有技术区别开来的话。这种选择包括至少一种特性，其优选是功能性的而无结构细节，或者仅仅具有一部分的结构细节，如果这唯一的部分足以赋予技术优势或者将本发明与现有技术区别开来的话。
用于处理包含铵形式的氮的排放物的设备(附图1)包括序批反应器1，例如为槽的形式，向其中引入待处理排放物。
用于引入待处理排放物到反应器中的进料装置3包括泵，其吸取侧与反应器1的外部连接并且其排放侧流到进料管4中，进料管4在反应器底部之上的小距离处，优选在从底部开始的小于1m处通到反应器1中。
用于排出反应器1的内容物的经澄清部分的回收系统41包括一个或多个进入开孔，所述进入开孔位于反应器1中在反应器1的内容物的表面之下的尽可能小的距离处。
曝气装置11尤其通过扩散器形成，所述扩散器能够注入细和/或中等气泡到反应器1中，它们被置于反应器1中，优选接近反应器1的底部，或者任何其它氧供应系统。
过量污泥的提取系统51包括泵，其吸取侧被置于反应器1中，接近反应器1的底部。该泵的排放侧流到废料管中。
在反应器1中提供机械搅拌装置7。
该设备包括在反应器内部的至少四个传感器或探头，用于测量分别是铵N-NH4、亚硝酸根N-NO2、硝酸根N-NO3和悬浮物质HLB的浓度。
各种传感器被连接到由计算机或控制器构成的计算装置(未示出)，其实时处理测量结果并且使得能够以自动化模式控制处理方法的进展。
以此方式，反应器1被布置和配备以用于实施根据本发明的排放物处理方法。
该排放物处理方法由附图1和2示出。
图1示出了处于与排放物处理方法的不同步骤对应的四种不同状态的反应器1。箭头100指示各步骤的先后顺序的方向。
附图2的图显示了随着该方法的各步骤以及时间变化的铵、亚硝酸根、硝酸根和污泥的浓度。以分钟(min)表示的时间在横坐标上示出，而以毫克/升(mg/L)表示的浓度在纵坐轴上给出。铵、亚硝酸根、硝酸根的浓度以及污泥床的高度通过分别具有菱形、正方形、三角形和十字的曲线表示。
排放物处理方法包括进料2和排出40的双重步骤《alim vid》，在该步骤过程中引入包含氮的排放物体积(提高NH4的浓度)并且同时取出经澄清体积；曝气第一步骤10《aer》，在该步骤过程中进行所述铵的一部分的氧化以获得亚硝酸根(和/或硝酸根)；缺氧第二步骤20《anox》，在该步骤过程中所产生的亚硝酸根(和/或硝酸根)和剩余的铵(必要时)一起反应产生气态氮；沉降步骤30《dec》，在该步骤过程中亚硝酸根、硝酸根和铵继续被消耗，而污泥逐渐沉积在反应器1的底部。
由于亚硝化和脱氨化反应的处理铵的方法采用了以下给出的两个非常不同的有区别的反应。
亚硝化(nitritation)
铵向亚硝酸根的这种转化在非限制性氧存在下通过亚硝化细菌(AOB)按照以下反应式进行：
2NH4++1.695O2→1.13NO2-+0.87NH4+
其中：
产生的N-NO2/N-NH4的接受的比率基本上等于0.565
O2/产生的N-NO2的比率基本上等于3.43
脱氨化反应
这种转化根据以下反应式发生：
0.87NH4++1.13NO2-→0.89N2+0.22NO3-
其中：
产生的N-NO2/N-NH4的接受的比率基本上等于0.57
产生的N-NO3/N-NH4的接受的比率基本上等于0.110
产生的N-N2/N-NH4的接受的比率基本上等于0.890。
由所述反应式可以看出，第一反应将铵NH4转化成亚硝酸根NO2，而第二反应组合铵和亚硝酸根，以形成气态氮N2和硝酸根NO3。
第一反应的收率取决于多种因素，其中包括：
-所涉及的细菌的活性，
-氧的存在，
-NH4的浓度，以及
-不存在抑制剂。
第二反应的收率取决于多种因素，其中包括：
-所涉及的细菌的活性，
-介质条件，尤其是不存在游离氧，足够的碱度，
-两种底物NH4和NO2的浓度，以及
-不存在抑制剂。
关于两种底物NH4和NO2的浓度，一方面对于这些底物来说必须具有足够的浓度，另一方面它们应当具有令人满意的相对浓度以使得它们能够被完全去除。
在曝气步骤结束时希望的N-NH4浓度优选等于初始N-NH4浓度的一半。而且，除了曝气第一步骤10和缺氧第二步骤20的调节的重要性之外，要注意的是，铵即排放物的供应就象细菌的活性一样也是必要的。
本发明的目标还在于建立这种反应器的运行规则以及用于满足处理条件的调节设定值。该调节同时涉及进料步骤和排出步骤。
参考附图1，在序批反应器中使用亚硝化和脱氨化化学反应处理包含铵形式的氮的排放物的方法包括循环地进行的四个步骤的序列：
-进料2和排出40的组合步骤，在该步骤过程中，待处理排放物体积被引入到反应器1中并且同时反应器1的内容物的经澄清部分被排放，
-至少一个曝气第一步骤10，在该步骤过程中氧或空气被注入到反应器1中以用于部分氧化铵以得到亚硝酸根(和/或硝酸根)，
-缺氧第二步骤20，在该步骤过程中通过中断氧或空气的注入，使所产生的亚硝酸根与剩余的铵反应以产生气态氮，
-沉降步骤30，在该步骤过程中，脱氨化反应在污泥床中继续和/或污泥在反应器1的底部沉积并且反应器的内容物在接近其表面澄清。
遵循仅四个步骤的反应器1的运行使得能够降低处理方法的持续时间。优选地，所述四个步骤是非常短的：各自大约20-30分钟，但取决于要求可以更长或者更短(缩短)。例如，曝气第一步骤10和/或缺氧第二步骤20和/或沉降步骤30可被缩短以提高对这些群体(populations)的选择压力，以能够增大具有非常高沉降性的致密聚集体(其可一直达到“粒料(granules)”)。这种能力使得能够提高水力容量(也就是说处理非常高的排放物流量)以及设备的处理质量并且限制设备的尺寸。此外，为了便于这种反应器的运用，有利地针对每个步骤以固定的持续时间进行操作，这些持续时间根据处理目标而确定。
另外，同时进行的排出40和进料2的步骤使得有利地能够：
-供应少量的有机物质以消除在污泥床中存在的硝酸根(或亚硝酸根)，
-选择易于以致密絮凝物(簇)甚至粒料形式生长的群体，尤其是脱氨化和亚硝化群体，
-通过经由沉降污泥本体的过滤去除排放物和反应介质中的最细的颗粒。
而且，通过计算装置对该方法的调节使得能够连续优化亚硝化和脱氨化化学反应并且因而使得该方法更快速和更有效，尤其是通过恰在达到脱氨化所需的NH4/NO2化学计量的时刻停止曝气阶段来进行。
根据本发明，在进料步骤2中，待处理排放物体积在接近反应器1的底部被引入并且在排出步骤40中，反应器1的内容物的经澄清部分在反应器内容物的表面上的预定排放水平42处被排放。
优选地，反应器1的内容物的水平在排出40和进料2的步骤中保持基本上恒定。有利地，回收系统41在反应器1中可保持固定。
为此，借助于进料装置3，待处理排放物的各部分被传送，优选相继地进行。类似地，借助于回收系统41，各经澄清部分被排出，优选相断地进行。
根据另一实施模式，待处理排放物的各部分和/或各经澄清部分分别被一次传送和/或排出。
更特别地，在进料步骤2中，待处理排放物体积被引入到污泥床中，优选密切地且均匀地，以利于污泥与排放物的均匀化。
根据一种优选的实施模式，待处理排放物体积经由引导向反应器1的底部的注入而被引入，以产生在反应器1的底部发现的污泥床中的湍流。待处理排放物的体积经由至少一个以朝向反应器1的底部的孔洞进行开孔的进料管4来引入。
参考附图1，待处理排放物体积根据另一优选实施模式经过配备有导流板的朝向反应器内容物的表面的孔洞而被引入，以使得每个孔洞分别面对导流板。这些孔洞具有基本上环形的形状。优选地，每个导流板具有圆锥形状，其圆锥的顶指向反应器内容物的表面并且其底部指向孔洞。另外，每个圆锥旋转轴分别与每个孔洞的轴重合，以使得每个孔洞的轴分别与每个圆锥母线形成等于圆锥半角的角度。在经由孔洞引入排放物的一部分时，液体由于导流板而偏向反应器1的底部。
每个孔洞能够导致在反应器1的底部的基本上10m2上的湍流。更一般地，一至两个孔洞可用于导致反应器1的底部的基本上10m2上的湍流。
这些配置具有的优点是有利于污泥与排放物的均匀化并且使在污泥中存在和/或捕获的排放物(也就是说铵形式的氮)的最大量发生反应。因而可减少污泥的量。
根据一种优选实施模式，排出步骤40通过回收系统41来进行，所述回收系统41位于反应器1中，优选地在与反应器1的内容物的表面尽可能小的距离相对应的预定排放水平42处。一旦沉降步骤30进行，观察到污泥浓度梯度：反应器1的底部充满污泥，而反应器1的内容物的表面具有基本上清澈且经处理的水。回收系统41包括例如输料槽(goulotte)或者开孔管以排放清澈且经处理的水。
优选地，使用表面传感器43以用于检测反应器的内容物的表面。在进料2和排出40的组合步骤的过程中，调节排出流量和/或进料流量以在反应器1中保持基本上恒定的水平。
排放物向着反应器底部的引入产生湍流，所述湍流产生温和的污泥向上移动，或者甚至污泥床的略微扩展。当污泥床过度扩展时，也就是说污泥浓度在反应器1中的参考水平32处达到预定值时，则停止进料2和排出40的步骤。参考水平32被选择在排放水平42之下的预定距离处，在该排放水平42处，内容物在排出步骤40中被取出(或者报告污泥部分损失的风险的警告)。优选地，尤其在其中排放水平42在反应器1的底部之上大约3-5米的反应器中，参考水平32位于排放水平42之下的大约50cm处。以此方式限制了看到污泥渗入回收系统41中的风险。
根据一种特定的实施模式，设备被确定尺寸(尺寸和排放物的流量)，使得污泥床考虑到其沉降速率而并不扩展超出参考水平32。
反应器1中的污泥床的水平通过被置于参考水平32处的悬浮物质水平传感器33进行检测，以在污泥床的不正常高的水平的情况下警告操作者。悬浮物质水平传感器33检测污泥浓度；污泥浓度优选为1-5g/L，或者任选地更多，如果该系统利用粒状污泥操作的话。
在该方法中，污泥浓度出于以下的目的而在反应器1中被保持：
-避免可引起污泥的不充分沉淀性的过量浓度，
-避免不足的浓度，而该不足的浓度无法确保维持亚硝化和脱氨化生物质所需的污泥龄。
反应器底部的传感器23检测污泥床的厚度，并且污泥在该厚度超过预定阈值22时被排放。
污泥浓度通过经由污泥提取系统51的有规律提取而被保持。污泥提取系统51被安装在反应器1上并且包括泵和阀。它能够在曝气第一步骤10、缺氧第二步骤20(参见附图1中的箭头52)和沉降步骤30并且甚至进料2和排出40的步骤的过程中操作。
尽管如此，在反应器出口处排出的排放物中存在过量污泥或过量悬浮物质的情况下(尤其是在进料阶段开始时)，在排出步骤40中排放的内容物被送回进料中，如果所排放的内容物具有基本于大于预定阈值如5g/L的污泥浓度的话。根据另一实施模式，在要求经处理水的非常低悬浮物质浓度的情况下，表面过滤类型的第三分离系统可被安装。
根据另一种实施模式，提供排放物处理设备，其包括多个并行使用的反应器。例如，当进料2和排出40的步骤在一个反应器中进行时，其它步骤可以正在进行的过程中，一个步骤是沉降步骤30，另一个步骤是曝气第一步骤10并且再另一个步骤是缺氧第二步骤20。优选地，该排放物处理设备包括四个反应器。以此方式，可处理高流量的输入排放物。该方法可被调适到更大或更小数目的反应器。
在由于任何问题而关闭反应器的情况下，该方法可被加速，这使得能够在氮浓度最大时以效率的略微改变来继续排放物的处理。
根据又一实施模式，该方法使用少量产生硝酸根的化学反应(原水的氮的大约10％，即一般3-10mg N-NO3-/L)。如果在经处理水中硝酸根的存在被判断是过量的，则考虑将硝酸根再循环到反应器的入口(当水力流量能够使其进行或者通过在设备的水平设计中考虑这种再循环时)。另外可选地，考虑在反应器1的上游再循环硝酸根。
另外，在反应器1的上游提供悬浮物质和可溶有机物质的至少一个预处理步骤，例如“在缺氧下”。根据另一实施模式，考虑在这个预处理步骤之前再循环硝酸根。
取决于所希望的收率，硝酸根的再循环可被调节(对于例如硝酸根的50％去除来说，平均100％的再循环)。
当然，本发明并不限于刚刚描述的实施例，并且可对这些实施例进行许多的调节而不背离本发明的范围。
例如，本发明可涉及任何包含铵的排放物(或者降低的氮)。
当然，本发明的各种特性、形式、变化形式和实施模式可根据各种组合而彼此结合，只要它们不是不相容的或者彼此排斥的。尤其是，以上所述的所有变化形式和实施模式可彼此组合。
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