具有整合了净化用植物和生物质移动载体的序批反应器的生物处理设备以及实施方法与流程

本发明涉及水(尤其是废水)处理以使其净化的领域。

更具体地，本发明涉及在序批反应器(réacteurséquentieldiscontinu)中的水处理的领域，该序批反应器在现有技术中也以英文术语“sequencingbatchreactor”(sbr)而为人知。

背景技术：

自二十世纪初以来，这种序批反应器(sbr)已被用于废水处理。这种类型的反应器在世界范围内广泛用于同时处理城市和工业废水。当可用空间有限时，sbr确实提供了在单个反应池中处理废水的机会，在该单个反应池中发生所有预期的生化反应，取代了要确保相同操作的多个池。这种特性使得能够以相对小的占地面积(empriseausol)构建废水处理系统。sbr因而构成了经典活性污泥法的一种变体。

sbr典型地按照四个不同步骤来实施：(1)反应器的装料、(2)生物反应、(3)沉降以及(4)排出。

在装料步骤期间，储罐接收原水，该原水通常仅经过预处理，例如除砂、脱油和脱脂。在此操作期间，可对所述水进行搅拌和/或曝气。

在生物反应阶段期间，细菌生物质通过生化反应消耗水中所含的可生物降解有机碳以及有机和无机氮(氨和硝酸盐)。向反应器中供氧促进了氧化的生化反应和由这些反应产生的细菌生长。曝气和非曝气的间歇循环使得能够进行氨氧化(曝气阶段)或硝酸盐还原(非曝气阶段)。第三个步骤是沉降阶段，在此阶段期间活性污泥沉积在池底部而没有任何机械作用。

最后，在最后一个步骤的过程中，将处理过的水排出反应器，该处理过的水不含在沉降步骤之后其所包含的悬浮物质的大部分。

这些水然后应当进行澄清，因为它仍含有一部分未沉降的生物质。在sbr下游澄清装置的使用因此是常规的。该装置的使用增加了设备的成本和占地面积。

同时，在生化反应阶段期间发展之后的过量污泥的提取和处理应当被实施。

因此，在沉降步骤和排出步骤期间，未向sbr供应待处理的原水。sbr方法因此具有有限的负载容量。因此，待处理的原水必须储存在位于sbr上游的缓冲池中，但通常这个缓冲池不足以存储进入的待处理水的全部流量，因此必须安装第二sbr线路。这个第二线路则与第一线路交替工作，并且因而使得能够连续处理到达该站的所有原始流入物。

因此需要解决sbr方法容量有限的问题，甚至是提高现有sbr的这种容量而不是构建新的sbr。

为此已经开发了利用净化用植物操作的sbr型方法，这些净化用植物通常被整合到温室中，它们的根被浸没到反应器中。根据这些方法，这些植物参与水的生物处理，作为活性污泥的补充。这些植物还参与处理站中气味的减少。目前存在许多根据这种配置操作的工业样本。

与现有技术相关的缺点尤其如下所述。

这些技术需要安装二次澄清器以降低排放的流出物中的悬浮物质浓度。这种澄清器增加了设备的占地面积。此外，其在不利条件下的使用可能导致污泥泄漏。生物池中的污泥浓度因此必须不断地进行控制，以保持这种高深度。

此外，在实践中，由于不易实施的脱硝(dénitrification)条件(硝化水的再循环，有机碳的外部来源的供应等)，难以获得低浓度的总氮(ngl)。

技术实现要素：

本发明的目的

本发明的目的在于提出一种在序批反应器中的水处理设备，其不具有如上所述的现有技术缺点中的至少一些。

特别地，本发明的目的在于描述整合了序批反应器的这种水处理设备，其在相同的处理容量和性能的情况下相比于现有技术设备具有减小的占地面积。

本发明的目的还在于提出一种水处理设备，其使得能够不需要使用二次澄清器来澄清从该设备中提取的处理过的水。

本发明的目的还在于揭示了一种使用这种设备的水处理方法，以降低其有机和无机污染物的含量。

本发明的目的还在于提出这样的方法，其不包括处理过的水的二次澄清步骤。

本发明的目的还在于提出这样的方法，其使得能够优化水的去污染。

本发明的描述

这些目的中的全部或部分根据本发明得以实现，而本发明涉及一种包括序批反应器(sbr)的用于生物处理水的设备，其特征在于，所述序批反应器容纳具有至少部分浸没到所述反应器中的根的净化用植物以及在其上生长生物质的硬塑料制成的移动中空载体。

因此，根据本发明，生物膜在净化用植物的至少部分浸没的根上以及在中空移动载体上同时形成。

通过将生物质的一部分固定到移动中空载体上并且将另一部分固定到根上，大大减少了游离生物质的量。因此，在沉降(décantation)阶段之后获得的水所负载的颗粒状物质不多。因此，根据本发明的设备不需要包括二次澄清器来处理在沉降阶段之后从反应器中提取的水。根据本发明的设备因此优选不包括在序批反应器下游的二次澄清器来处理在沉降阶段结束时从反应器中提取的水。当然，根据本发明的设备因此在相同的处理容量和质量的情况下相比于现有技术设备具有减小的占地面积。特别是，它的成本更低。

要指出，根据本发明，序批反应器的净化用植物的根是至少部分浸没的。因此，它们在水的生物处理中的作用得到优化。在这方面要指出，本领域技术人员本来不愿意在这些根下提供移动载体，以免损坏这些根并因此对这种作用造成伤害。

为了保护这些根，根据本发明的一种变体，该序批反应器可配备有至少一个栅网(grille)，该栅网使得能够将所述移动载体与所述至少部分浸没的根分离。

根据本发明的另一种变体，所述移动载体通过静水段(tranche)与所述至少部分浸没的根分离。在实践中，当待处理的水存在于反应器中时，在净化用植物的至少部分浸没的根的下端与移动中空载体之间提供静水层(lame)，以致即使当使得这些载体运动时，这种运动也不会使它们与净化用植物的根接触。这些根以及它们的功能因而得以保持。

根据本发明使用的净化用植物可选自本领域技术人员已知并且在水处理范围内使用的那些。物种的选择和调整根据以其生长所需条件(例如湿度、温度水平等)为特征的地理区域来进行。它们可以在同一反应器内由不同物种的净化用植物的混合物构成。有利地在反应器的上方提供温室(serre)以保护这些植物尤其免受低温和温度变化。

术语“移动中空载体”应理解为是指呈独立元件形式的载体，其表面的一部分受到保护免受冲击和摩擦。当在装料阶段或生物处理阶段期间搅拌反应器的内容物时，可发生这种冲击或摩擦。这些元件是可商购的，特别是来自公司。

构成这些移动中空载体的材料的密度使得当它们接收生物膜时，它们不会漂浮，而是相反地沉到反应器的底部。在实践中，这种密度将接近水的密度。

根据本发明的一种变体，根据本发明的设备包括在所述序批反应器中的压载物分配装置(moyens)。这使得能够压载未固定到移动载体上的颗粒状物质，并且有利于其沉降。这种压载物可由在此范围内常规使用的任何材料(例如微砂(micro-sable))构成。从反应器中提取的沉降的污泥可被处理，以便能够再循环这种压载物。

根据本发明的一种特别有益的变体，所述序批反应器(sbr)具有第一隔室，所述第一隔室容纳净化用植物并且与容纳净化用植物的第二隔室连通，移动中空载体至少在所述第二隔室中提供。

根据一种变体，所述序批反应器(sbr)的所述第一隔室还容纳由塑料制成的生物质的移动载体。

同样有利地，所述序批反应器(sbr)包括用于将所述第二隔室中所含的水向所述第一隔室再传送的装置。

本发明还涉及在序批反应器中的水处理方法，所述方法包括以下步骤：用待处理的水向所述反应器装料，对存在于所述反应器中的所述水进行生物处理，沉降在所述反应器中生物处理的水，并且从所述反应器中排出处理过的水，其中所述生物处理步骤部分地通过在所述反应器中存在的净化用植物的至少部分浸没的根上生长的生物质并且部分地通过在所述反应器中存在的移动中空载体上生长的生物质来进行。

这种方法可在只有单一隔室的本发明反应器中实施。它则能够通过在生物处理阶段期间交替曝气和非曝气阶段来处理碳污染(bod5、cod)，并在必要时进行脱硝。

根据一种特别有益的变体，所述序批反应器具有与第二隔室连通的第一隔室，并且所述生物处理步骤部分地通过在所述第一隔室中以及在所述第二隔室中存在的净化用植物的至少部分浸没的根上生长的生物质并且部分地通过至少在所述第二隔室中存在的移动中空载体上生长的生物质来进行，所述反应器包括将该第二隔室中所含的水向所述第一隔室再传送的步骤。

根据这种特别有益的变体，所述生物处理包括：

对所述第一隔室中的水进行一部分碳污染的减少、脱硝以及必要时的除磷(déphosphatation)，这通过将其所含的生物质交替置于厌氧(anaérobie)和缺氧(anoxie)条件下来进行；并且

对第二隔室中的水进行硝化和碳污染的减少，这通过将其所含的生物质置于需氧(aérobie)条件下来进行。

要指出，在这样的缺氧和厌氧条件下，由净化用植物排出的氧量不会干扰脱硝以及必要时的除磷的动力学，这些量相比于脱硝和除磷的细菌所允许的生化极限是低的。

根据一种变体，所述序批反应器的所述第一隔室不包括移动中空载体。

根据一种有益的替代方案，所述序批反应器的所述第一隔室包括移动中空载体。根据这种变体，在相同的处理水平和容量和性能的情况下，第一隔室的尺寸可小于其中第一隔室不包括移动中空载体的设备的尺寸。

为了使移动载体在所述生物处理步骤期间不损坏净化用植物的根，将移动中空载体与所述净化用植物的至少部分浸没的根保持一定距离。根据一种变体，所述移动载体保持在受控流化下，设置静水段而无所述净化用植物的所述至少部分浸没的根延伸到其中的移动载体。在实践中，这种静水段可优选具有约0.5m-2m的厚度。

根据另一变体，所述移动载体通过栅网与净化用植物的至少部分浸没的根保持一定距离。

根据一种变体，该方法还包括将压载物注入所述序批反应器中的步骤，以便压载未固定到载体上的颗粒状物质并加速其沉降。

附图说明

从下面参考附图给出的本发明实施方案的描述中，将更清楚地理解本发明及其所具有的优点，在附图中：

-图1表示根据本发明的设备的第一实施方案的示意图，其中sbr反应器仅具有一个隔室；

-图2表示在本发明范围内可使用的移动载体的实例；

-图3表示本发明的第二实施方案的示意图，其中sbr反应器仅具有一个隔室；

-图4表示本发明的第三实施方案的示意图，其中sbr反应器具有两个隔室。

具体实施方式

参考图1，根据本发明的设备包括顶置有温室6的序批反应器(sbr)类型的反应器1。

这种反应器1同时包括净化用植物2和移动中空载体4。将净化用植物置于能够保持它们并使其根生长到达液体介质的环境中。如上所指出的，这些净化用植物2可以由在水处理范围内常规使用的本领域技术人员已知的任何植物构成。根据本发明的一个基本特征，这些净化用植物3具有至少部分浸没在待处理水中的根3。通过温室6保护这些植物免受低温和温度的剧烈变化。

净化用植物2覆盖反应器1中存在的水的整个表面，除了该表面的一部分由用于在沉降阶段之后排水的装置占据。这种装置由与处理过的水的排出管道8相连的浮槽(déversoirflottant)7构成。

在本实施方案的范围内使用的移动中空载体4是在商业上可获得的常规用于《移动床生物反应器》(mbbr)的载体。这种类型的载体如图2所示。这些移动中空载体由硬塑料制成并且具有密度为0.9-1.2。它们具有高空隙率和高比表面积。要指出，在其他实施方案中，可以使用除图2中所示类型的载体之外的载体，尤其是anoxkaldnes的载体k1、k3、k5biofilmchip^tmm、biofilmchip^tmp或f3。

非强制性地，反应器1还配备有包括叶片式搅拌器的搅拌装置10和/或包括曝气坡道(rampe)的曝气装置11。这些不同的装置可允许在反应器中存在的水中根据所需的生物处理产生需氧、缺氧或厌氧条件。

还要指出，反应器1的高度被设计成设置静水段h，当搅拌装置10被发动以流化中空移动载体4的床时，不会使移动载体4穿透到该静水段h中。这个高度h避免了在此流化过程期间在这些载体4和净化用植物2的根3之间可能损坏这些根3的任何相互作用。

可提供在沉降步骤之后的反应器1的排出装置。这些装置包括污泥排放管道9。

最后，可提供筛网(未示出)以防止载体4被从反应器中提取的水夹带走。

这种设备旨在根据所述水的序批处理方法来实施，所述方法包括以下步骤：用待处理的水向所述反应器装料，对存在于所述反应器中的所述水进行生物处理，沉降在所述反应器中生物处理的水，并且从所述反应器中排出处理过的水。

根据本发明，生物处理步骤部分地通过在净化用植物2的至少部分浸没的根3上生长的生物膜并且部分地通过在移动中空载体4上生长的生物膜来进行。

由于用于此步骤的生物质因此被固定，因此由浮槽7和管道8排出的生物处理的水仅含有非常少的固体物质，使得不需要这些水的任何后续澄清。

在水的沉降步骤之后，存在于反应器中的间隙污泥本身通过管道9从反应器1中排出。

参考图3，其示出了根据本发明的设备的另一实施方案。此设备与图1中所述设备的区别仅在于以下特性：根据该特性提供栅网5以将移动载体4与净化用植物2的至少部分浸没的根3分离。这种栅网具有将移动载体4保持在反应器1的下部并且同时允许水通过的网孔。

图1和图3中所示的设备可被实施用于通过在生物处理步骤期间交替需氧、缺氧和厌氧条件(在实践中通过坡道11分配空气或不分配空气)来减少水中的碳污染，以及必要时的氨氮以及磷。

参考图4，其示出了根据本发明的设备的第三实施方案。

根据这种实施方案，所述序批反应器包括两个隔室1a、1b，它们通过管道13彼此连通。

第二隔室1b对应于参考图1和3描述的反应器1。

第一隔室本身包括净化用植物2，但不包括任何曝气装置。

还提供将水从第二隔室向第一隔室再循环的装置。这些装置包括再循环管道12。

使用的净化用植物2在第一和第二隔室中是基本相同的。

可以提供筛网(未示出)以防止载体4被从第一和第二隔室中提取的水夹带走。

在此设备的实施过程中，水的一部分碳污染的减少、脱硝以及必要时的除磷在第一隔室1a中通过将其所含的生物质交替置于厌氧条件和缺氧条件下来进行。然后则可以实施第一隔室1b的搅拌装置10，以便以受控的方式使移动载体流化，使得它们不会穿透到该静水段，并且因此不会损坏植物2的根3。

水的硝化和碳污染的减少在第二隔室1a中通过将生物质置于需氧条件下来进行。通过管道12进行水从第二隔室1a到第一隔室1b的再循环。

本发明人已经注意到，在缺氧或厌氧条件下，由植物排出的氧差不会干扰脱硝或除磷的动力学，这些动力学相比于脱硝和除磷的细菌所允许的生化极限是低的。

在需氧条件下，植物排出的氧改善了生物膜的生长条件，因为氧直接扩散到生物膜中并且变得更容易被细菌接近。

在现场进行了试验以估计根的生物膜对碳和氮污染消耗的影响。

这些测试在于验证浸没在原水中的生物膜的异养细菌的生物活性，该生物活性通过反应介质中的氧消耗来测量。

根据这些测试，将取样的根浸入装有原水的2升烧杯中。将溶解氧探针引入烧杯中，并使用曝气装置和搅拌装置来搅拌和曝气烧杯中的内容物。因此测量显示细菌活性的氧衰减。

使用相同的操作程序来评价硝化作用。在监测氧衰减的同时，还分析了nh4和no3。以与上述相同的方式，观察到固定在根上的生物质确实显示出硝化活性。

这些结果在根据图5的图中合成，其表明生物膜具有生物活性(与生物膜的呼吸相关的氧衰减)。

温室内的气氛也是研究的目标。实际上，由于温室仅在气候条件(温度和风)允许的白天通气，因此该气氛则可能含有化合物如氨(nh3)、硫化氢(h2s)或各种硫醇(硫化合物)。温室中安装的用于测量nh3、h2s和硫醇的传感器表明这些不同化合物的浓度非常低。然后取样空气进行分析，这外包给专业实验室。在该取样中分析的参数是nh3、h2s、硫醇。安装气体分析仪以监测在39小时过程中的氧气和二氧化碳的浓度，在此周期期间温室未通气。关于有气味化合物的分析，所测量的化合物均未达到高于定量阈值的浓度。

进行测试以表征移动中空载体上存在的生物质(其以载体浸入其中的水中的游离生物质的形式被发现)，以及固定到浸没的植物的根上的生物质。

这些测试表明：

-曝气、缺氧和厌氧区域的至少部分浸没的生物质在细菌物种的组成方面与在传统《移动床生物反应器》(mbbr)的载体介质上发现的那些相似，

-固定在植物根部的生物质与移动中空载体上存在的生物质相似。