專利名稱：去除廢水中碳、氮、磷的廢水處理系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新穎的去除廢水中碳、氮、磷有機(jī)物的廢水處理系統(tǒng)與方法，其主要是將甲烷菌應(yīng)用于廢水處理系統(tǒng)，可有效降低剩余污泥產(chǎn)量并減少動力耗損問題。
背景技術(shù)：
早期廢水處理系統(tǒng)設(shè)計大多是以減少有機(jī)污染為目的，避免其排入水體后因微生物分解有機(jī)物消耗水中氧氣，造成水體溶氧降低而影響水生生物生存。然而都市污水中除有機(jī)物外，也含有豐富的氮、磷，這些化合物是各種藻類生長必需的營養(yǎng)元素，在適當(dāng)?shù)臏囟扰c充分的日光照射之下，豐富的氮、磷將造成水體藻類滋長，對水體產(chǎn)生另一種危害。
傳統(tǒng)都市污水多以活性污泥法處理，主要以去除污水中碳基質(zhì)為目的，一般雖然可用初級處理去除約5-15％的磷(主要與固體物結(jié)合)，用傳統(tǒng)生物處理方法移除約10-25％磷，并經(jīng)由微生物硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸態(tài)氮，然而對整體氮、磷營養(yǎng)鹽的去除能力仍有限。目前，國際間大多已對都市污水中氮、磷營養(yǎng)鹽制定有嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，我國雖然僅對排放廢(污)水至水源水質(zhì)水量保護(hù)區(qū)的公共下水道，制定有總氮濃度15mg/L、總磷濃度2mg/L的排放流水標(biāo)準(zhǔn)。然而為有效維護(hù)水體的生態(tài)平衡，防止地表承受水體優(yōu)養(yǎng)化問題，且隨著我國公共下水道建設(shè)普及化，嚴(yán)格管制氮、磷營養(yǎng)鹽的排放，已逐漸成為必然的管制趨勢。
都市污水中氮多以氨氮與有機(jī)氮形式存在，無論是好氧或厭氧生物處理，有機(jī)氮容易被代謝轉(zhuǎn)化為氨氮。傳統(tǒng)的生物脫氮程序，即是利用微生物在好氧條件下，將氨氮氧化成硝酸態(tài)氮，再在厭氧條件下，將硝酸態(tài)氮還原成氮?dú)庖萆⒊鏊w，達(dá)到污水脫氮的目的。
水中磷化合物則可以下列幾種方式加強(qiáng)去除(1)化學(xué)沉淀通過添加Ca、Fe、Al等離子與控制pH產(chǎn)生沉淀，(2)微生物的磷的同化作用，(3)微生物累積蓄磷酸鹽，(4)微生物控制的加強(qiáng)化學(xué)沉淀，其中微生物除磷為近年來開始廣泛應(yīng)用的技術(shù)。磷在細(xì)胞內(nèi)是以蓄磷酸鹽粒狀物形式儲存，可做為細(xì)胞能量與磷的來源。在污水處理系統(tǒng)中，有一類統(tǒng)稱為蓄磷菌(Phosphate Accumulating Organism，PAO)的特殊微生物，在厭氧的狀態(tài)下會釋放磷，在好氧的狀態(tài)下會超出生理需求的大量攝取水中磷酸鹽。蓄磷菌在沒有溶氧與結(jié)合氧的狀態(tài)下，以菌體內(nèi)聚磷酸鹽粒狀物分解獲得能量，進(jìn)行乙酸等低分子脂肪酸(來自兼性菌水解產(chǎn)物或原污水中即存在)吸收并聚合成聚-β-羥基丁酸鹽(poly-β-hydroxybutyrate，PHB)儲存于細(xì)胞內(nèi)，聚磷酸鹽粒狀物分解將使磷釋放至污水中。在好氧狀態(tài)下，蓄磷菌以氧為電子受體，將儲存在菌體內(nèi)的PHB或外部碳源好氧分解產(chǎn)生能量，并利用此能量過量攝取污水中的磷酸鹽，在菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化成聚磷酸鹽，再通過移除過剩污泥，即可達(dá)到污水除磷的目的。
為了達(dá)到同一廢水處理系統(tǒng)中可同時脫氮除磷，廢水系統(tǒng)中基本上需具有厭氧、缺氧與好氧三個不同氧化狀態(tài)，厭氧·缺氧·好氧活性污泥法(Anaerobic-Anoxic-Oxide Activated Sludge Process，A2O)(參照圖1所示)常用以處理含有機(jī)碳、磷與氮的廢水，使廢水經(jīng)厭氧、缺氧、好氧等生物處理程序，達(dá)到同時脫氮、除磷效果。A2O處理程序的微生物以硝化菌、脫硝菌、蓄磷菌與降低化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand，COD)的異養(yǎng)菌為主。在厭氧池(或厭氧槽)中，當(dāng)脫硝菌、蓄磷菌進(jìn)行去磷脫氮過程，必須供應(yīng)有機(jī)碳以進(jìn)行生化代謝作用，而脫硝菌、蓄磷菌去磷脫氮過程代謝作用后剩余的有機(jī)物，則在好氧池(好氧槽)中利用異養(yǎng)菌進(jìn)行分解，此時好氧池將扮演提供氨氮硝化與有機(jī)物礦化的場所，因此在傳統(tǒng)A2O處理程序正常操作下會產(chǎn)生大量的剩余污泥，若設(shè)計或操作不當(dāng)，很容易造成硝化菌流失而使脫氮功能不彰；Zenon公司將薄膜過濾技術(shù)與A2O程序結(jié)合，雖可解決硝化菌流失問題，但由于動力消耗大并產(chǎn)生大量污泥，因此仍無法有效克服脫氮不足的問題。
本發(fā)明申請人的TW第92132719號“含有機(jī)污染物的廢水處理系統(tǒng)”揭露了一種含有機(jī)污染物的廢水處理系統(tǒng)，包含一厭氧反應(yīng)槽、一好氧反應(yīng)槽、及一薄膜分離槽；其中所述好氧反應(yīng)槽是設(shè)置在厭氧反應(yīng)槽之后，所述薄膜分離槽是設(shè)置于好氧反應(yīng)槽之后，該系統(tǒng)是利用生物處理法去除廢水中的有機(jī)污染物，并以薄膜分離固液兩相。該含有機(jī)污染物的廢水處理系統(tǒng)主要可有效去除廢水中的有機(jī)污染物(例如有機(jī)生化代謝物)，解決薄膜表面結(jié)垢與積垢問題。然而廢水中所含的物質(zhì)除有機(jī)污染物外，大多同時還含有碳、氮、磷。因此，開發(fā)一廢水處理技術(shù)，可同時去除廢水中碳、氮、磷且改善傳統(tǒng)廢水處理系統(tǒng)動力消耗大并產(chǎn)生大量污泥的問題(例如A2O)，是目前業(yè)界值得研究的課題。

發(fā)明內(nèi)容
由前述可知，現(xiàn)有技術(shù)中的廢水處理系統(tǒng)在廢水除磷脫氮過程中由于化學(xué)需氧量過高，而加重好氧槽的處理負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致動力消耗量大增而剩余污泥也有過多的現(xiàn)象，因此本發(fā)明的主要目的在于提供一種能同時去除廢水中碳、氮、磷污染物的廢水處理系統(tǒng)與方法，以減少動力的消耗量，與降低剩余污泥的產(chǎn)生量。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供了一種去除廢水中碳、氮、磷污染物的廢水處理系統(tǒng)，包含第一槽，包含甲烷菌、蓄磷菌以及脫硝菌，所述脫硝菌具有脫硝作用能同時去除部分有機(jī)碳，蓄磷菌能吸附部分有機(jī)碳而釋出磷酸鹽，甲烷菌能代謝有機(jī)碳而產(chǎn)生甲烷氣體；第二槽，設(shè)置于所述第一槽之后，第二槽主要利用脫硝菌及蓄磷菌處理第一槽的出流水，所述脫硝菌具有將硝酸鹽脫硝的功能，蓄磷菌具有進(jìn)行釋磷作用的功能；第三槽，設(shè)置于所述第二槽之后，第三槽主要包含蓄磷菌、異養(yǎng)菌及硝化菌，其中蓄磷菌具有進(jìn)行攝磷作用的功能，異養(yǎng)菌具有進(jìn)行除碳作用的功能，硝化菌具有進(jìn)行硝化作用的功能；以及一薄膜，其設(shè)置于所述第三槽中或之后，能分離各種微生物與經(jīng)處理后的出流水。
本發(fā)明的去除廢水中碳、氮、磷污染物的廢水處理系統(tǒng)，主要是通過在去磷脫氮系統(tǒng)中，加入甲烷化功能，使其廢水處理系統(tǒng)同時具備微生物甲烷化、微生物去磷與微生物脫硝的功能，以甲烷菌取代傳統(tǒng)A2O系統(tǒng)中大部分好氧異養(yǎng)菌的功能，將去磷脫氮過程代謝作用后剩余的有機(jī)物在第一槽就進(jìn)行甲烷化，使好氧槽(即第三槽)主要扮演提供氨氮硝化作用的場所，以減少動力的消耗量，與降低剩余污泥的產(chǎn)生量。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施方案中，所述薄膜是設(shè)于第三槽中，當(dāng)薄膜設(shè)于第三槽中時，本發(fā)明的系統(tǒng)還設(shè)置有能使第三槽的混合液可回流至第一槽和/或第二槽處理的裝置。
在本發(fā)明的另一具體實(shí)施方案中，所述薄膜是設(shè)于第三槽之后，此時可增設(shè)一第四槽用于放置該薄膜。在本實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)還設(shè)有能使第四槽的混合液可回流至前述第一槽和/或第二槽處理，第三槽的混合液可回流至第二槽處理的裝置。
優(yōu)選地，所述第一槽為污泥床型式(sludge bed-type)，第二槽與第三槽皆為完全混合型式(complete mixing-type)。若第一槽的脫硝菌進(jìn)行脫硝過程的有機(jī)碳源不足，也可將部分原廢水直接導(dǎo)入第二槽進(jìn)行處理。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述薄膜可進(jìn)一步以氣體沖洗，該氣體包含生物產(chǎn)氣(biogas)或空氣；生物產(chǎn)氣包含氮?dú)?、甲烷、二氧化碳與氫氣。利用生物產(chǎn)氣沖洗薄膜可降低水中pH值0.2-1.0單位，進(jìn)一步防止結(jié)垢產(chǎn)生。
本發(fā)明還提供一種利用所述廢水處理系統(tǒng)去除廢水中碳、氮、磷污染物的處理方法，包含下列步驟(a)將廢水導(dǎo)入一第一槽，使第一槽中的甲烷菌、蓄磷菌以及脫硝菌分解、吸附廢水中的有機(jī)污染物與硝酸氮；(b)將第一槽的出流水導(dǎo)入第二槽，使第二槽中的脫硝菌及蓄磷菌處理所述第一槽的出流水，令所述脫硝菌將硝酸鹽脫硝，同時使蓄磷菌吸附有機(jī)物進(jìn)行釋磷作用；(c)將第二槽的出流水導(dǎo)入第三槽，使第三槽中的蓄磷菌進(jìn)行攝磷作用，使異養(yǎng)菌進(jìn)行除碳作用，使硝化菌進(jìn)行硝化作用；以及(d)將第三槽的出流水導(dǎo)入薄膜，利用薄膜分離各種微生物與經(jīng)處理后的出流水，同時，可利用排泥機(jī)制去除含磷微生物以達(dá)到磷的去除。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施方案中，所述薄膜是設(shè)于第三槽中，當(dāng)薄膜設(shè)于第三槽中時，第三槽的混合液可回流至第一槽和/或第二槽處理。
在本發(fā)明的另一具體實(shí)施方案中，所述薄膜可設(shè)于第三槽之后，此時是增設(shè)一第四槽用于放置該薄膜。在本實(shí)施方案中，第四槽的混合液可回流至前述第一槽和/或第二槽處理，第三槽的混合液可回流至第二槽處理。
本發(fā)明還提供一種去除廢水中碳、氮、磷污染物的處理方法，主要是包含利用甲烷菌、脫硝菌、硝化菌、蓄磷菌與好氧異養(yǎng)菌將廢水中碳、氮、磷污染物進(jìn)行去磷脫氮與除有機(jī)物等功能，其中所述甲烷菌可在脫硝菌、硝化菌、蓄磷菌在去磷脫氮過程中，參與其中代謝有機(jī)碳以進(jìn)行甲烷化，可同時達(dá)到微生物甲烷化、微生物除磷及微生物硝化與脫硝的功能。
本發(fā)明提供的改良傳統(tǒng)技術(shù)的去除廢水中碳、氮、磷污染物的處理系統(tǒng)與方法，利用加入甲烷菌使脫硝菌、硝化菌、蓄磷菌去磷脫氮過程中產(chǎn)生的有機(jī)碳進(jìn)行甲烷化，可使好氧槽主要扮演提供氨氮硝化作用的場所，能減少動力的消耗量、降低各反應(yīng)槽體積與降低剩余污泥的產(chǎn)生量。


圖1為傳統(tǒng)A2O廢水處理系統(tǒng)示意圖。
圖2為本發(fā)明的廢水處理系統(tǒng)的實(shí)施方案示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中廢水處理系統(tǒng)的示意圖。圖中，①表示原廢水(Raw water，RW)，②表示多功能反應(yīng)槽進(jìn)流水(MFR influent，MFRINF)，③表示多功能反應(yīng)槽出流水(MFR effluent，MEREFF)，④表示缺氧反應(yīng)槽出流水(Anoxic effluent，AxEFF)，⑤表示最終出流水(Permeate，PM)，⑥表示薄膜槽回流水(Membrane tank，MT)。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中各反應(yīng)槽平均COD濃度的變化情形。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例中各反應(yīng)槽平均含磷濃度的變化情形。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例中各反應(yīng)槽平均氨氮濃度的變化情形。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例中各反應(yīng)槽平均硝酸氮濃度的變化情形。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例中各反應(yīng)槽中微生物所含PHA的變化情形。
圖9為本發(fā)明實(shí)施例中多功能反應(yīng)槽中氣體組成的變化情形。
圖10為本發(fā)明比較例中本發(fā)明反應(yīng)槽總體積與傳統(tǒng)薄膜-A2O程序曝氣槽的體積比較。
圖11為本發(fā)明實(shí)施例中，以分子生物鑒定技術(shù)鑒定多功能反應(yīng)槽中的菌相結(jié)果。
圖12為本發(fā)明實(shí)施例中，以分子生物鑒定技術(shù)鑒定缺氧反應(yīng)槽中的菌相結(jié)果。
圖13為本發(fā)明實(shí)施例中，以分子生物鑒定技術(shù)鑒定好氧反應(yīng)槽中的菌相結(jié)果。
圖中主要符號說明1多功能生物反應(yīng)槽 2缺氧反應(yīng)槽 3好氧反應(yīng)槽 4薄膜分離槽具體實(shí)施方式
本發(fā)明所沿用的現(xiàn)有技藝，在此謹(jǐn)作重點(diǎn)式的引用，以助本發(fā)明的闡述。并且本發(fā)明中相關(guān)附圖并未按照比例繪制，其作用僅在表現(xiàn)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征。
本發(fā)明所提供的去除廢水中碳、氮、磷污染物的處理系統(tǒng)與方法，改善傳統(tǒng)A2O處理程序，在去磷脫氮系統(tǒng)中加入甲烷化功能，開發(fā)一個多功能生物反應(yīng)器，使其同時具備微生物甲烷化、微生物釋磷與微生物硝化與脫硝的功能，即以甲烷菌取代好氧異養(yǎng)菌，將去磷脫氮過程代謝作用后剩余的大部分有機(jī)物進(jìn)行甲烷化，使好氧槽主要扮演提供氨氮硝化作用的場所，以減少動力的消耗量，與降低剩余污泥的產(chǎn)生量。
更明確而言，本發(fā)明的去除廢水中碳、氮、磷污染物的處理系統(tǒng)10的一具體實(shí)施例，如圖2所示，包含多功能生物反應(yīng)槽1(即第一槽)，其中含有甲烷菌、蓄磷菌以及脫硝菌，且在該槽中進(jìn)行下列作用脫硝菌的脫硝作用同時去除部分有機(jī)碳，蓄磷菌吸附部分有機(jī)碳而釋出磷酸鹽，及甲烷菌代謝有機(jī)碳而產(chǎn)生甲烷氣體；缺氧反應(yīng)槽2(即第二槽)，設(shè)置于所述多功能生物反應(yīng)槽1之后，藉由脫硝菌與蓄磷菌處理所述第一槽的出流水，所述蓄磷菌吸附部分有機(jī)碳而釋出磷酸鹽，脫硝菌的脫硝作用同時去除部分有機(jī)碳；好氧反應(yīng)槽3(即第三槽)，設(shè)置于缺氧反應(yīng)槽2之后，藉由蓄磷菌將所述多功能反應(yīng)槽所吸附的有機(jī)碳進(jìn)行好氧代謝，硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸氮，與其它好氧微生物處理除去所述缺氧反應(yīng)槽2出流水殘余的有機(jī)污染物；以及薄膜分離槽4，設(shè)置于所述好氧反應(yīng)槽3之后，用以分離各種微生物與經(jīng)處理后的出流水。
多功能生物反應(yīng)槽1中的脫硝化菌會在厭氧狀態(tài)下先將廢水中的NO3-轉(zhuǎn)變?yōu)镹2；蓄磷菌會進(jìn)行釋磷作用，作用方式如下所示有機(jī)物+(poly-P)n+H2O--->PHB+PO4-3+(poly-P)n-1+......
由于所述脫硝釋磷作用會造成多功能生物反應(yīng)槽1中的磷酸鹽升高硝酸鹽降低，而脫硝釋磷作用所殘余的有機(jī)碳及水中含有的氨氮，可在好氧反應(yīng)槽3中進(jìn)行好氧異養(yǎng)菌的除碳代謝反應(yīng)與硝化反應(yīng)中去除。若水中含碳量過高，將使好氧反應(yīng)槽3的硝化效率降低。因此需要于多功能生物反應(yīng)槽1中，增加甲烷菌的甲烷化功能，以降低化水中的含碳量，使好氧槽的主要功能僅為提供氨氮硝化作用，而不需耗費(fèi)多余動力來處理剩余的有機(jī)碳，以減少動力的消耗量，同時可降低剩余污泥的產(chǎn)生量。
由于多功能生物反應(yīng)槽1的進(jìn)流水可包含薄膜分離槽4的回流水，回流目的在于回收微生物，因此多功能生物反應(yīng)槽1不需設(shè)置固氣液三相分離設(shè)備，且多功能生物反應(yīng)槽1的反應(yīng)槽型式優(yōu)選為密閉式污泥床反應(yīng)槽，其中主要功能細(xì)菌包含生化代謝會產(chǎn)生甲烷的甲烷菌、進(jìn)行釋磷作用的蓄磷菌，以及進(jìn)行脫硝作用的脫硝菌(其代謝有機(jī)物與硝酸鹽產(chǎn)生N2)，此處所產(chǎn)生的主要生物產(chǎn)氣包括CH4、N2與CO2。
所述缺氧反應(yīng)槽2的進(jìn)流水包含多功能生物反應(yīng)槽1出流水，還可進(jìn)一步包含好氧反應(yīng)槽3的回流水，回流目的在于回收硝酸鹽以進(jìn)行脫硝作用，缺氧反應(yīng)槽2的反應(yīng)槽型式為完全混合式機(jī)械攪拌槽，其主要功能細(xì)菌包括蓄磷菌的釋磷作用、脫硝菌的脫硝作用。
好氧反應(yīng)槽3的進(jìn)流為缺氧反應(yīng)槽2出流水，好氧反應(yīng)槽3的反應(yīng)槽型式優(yōu)選為完全混合式曝氣攪拌槽，好氧反應(yīng)槽3的主要功能細(xì)菌包括蓄磷菌的攝磷作用、硝化菌的硝化作用與好氧異養(yǎng)菌的除碳作用。
本發(fā)明的去除廢水中碳、氮、磷污染物的處理系統(tǒng)中的蓄磷菌在無氧環(huán)境具有釋磷作用，在有氧環(huán)境則具有攝磷作用；甲烷菌則需在絕對無氧(無硝酸鹽)的狀態(tài)下進(jìn)行甲烷化作用，在有氧(或有硝酸鹽)的狀態(tài)下則無法進(jìn)行甲烷化作用。
所述去除廢水中碳、氮、磷污染物的廢水處理系統(tǒng)10的另一實(shí)施方案，是在初始植種時，在所述多功能生物反應(yīng)器1與好氧反應(yīng)槽3分別植入?yún)捬跷勰嗯c好氧污泥，其中所述薄膜分離槽4還可包含將微生物回流至多功能生物反應(yīng)器1與缺氧反應(yīng)槽2中的裝置。
二氧化碳為厭氧生物代謝的主要副產(chǎn)物，會導(dǎo)致系統(tǒng)中碳酸鹽濃度增高，若水中含有Ca、Mg、Fe或其它重金屬，容易在薄膜表面形成碳酸金屬結(jié)垢(scaling)導(dǎo)致薄膜阻塞。本發(fā)明的缺氧反應(yīng)槽2出流水進(jìn)入好氧反應(yīng)槽3后，好氧微生物可去除殘余有機(jī)污染物，并且因曝氣后的氣提作用可將水中的pH值提升1-2單位，使原溶于厭氧反應(yīng)槽1出流水的金屬離子，在高pH值下于好氧系統(tǒng)中形成碳酸金屬結(jié)晶物；該碳酸金屬結(jié)晶物并藉由好氧微生物的生物膠凝作用(bioflocculation)，而嵌入好氧微生物的膠羽中，降低金屬結(jié)晶物在薄膜分離槽4的薄膜上形成結(jié)垢的可能性。當(dāng)好氧反應(yīng)槽3出流水進(jìn)入薄膜分離槽4時，可以生物產(chǎn)氣進(jìn)行沖洗，使用生物產(chǎn)氣進(jìn)行沖洗可降低水中pH值0.2-1.0單位，能進(jìn)一步防止高pH值系統(tǒng)中碳酸金屬結(jié)垢的產(chǎn)生；此外，若有需要，也可以空氣進(jìn)行沖洗，并配合無機(jī)酸(例如HCl)以調(diào)降薄膜分離槽4的pH值，達(dá)到防止結(jié)垢產(chǎn)生的目的。
以下利用本發(fā)明的實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)及特點(diǎn)，然而這些實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。
實(shí)施例一、以本發(fā)明的系統(tǒng)去除廢水中的碳、氮、磷污染物本實(shí)施例所使用的廢水處理系統(tǒng)如圖3所示，其各槽是對應(yīng)圖2所示，其中脫硝槽為缺氧反應(yīng)槽、曝氣槽為好氧反應(yīng)槽。本實(shí)施例系統(tǒng)的微生物植種是在多功能反應(yīng)槽內(nèi)植入顆?；淄槲⑸铮欢撓醪?、曝氣槽與薄膜槽均植入懸浮性(無顆粒化)脫硝菌、蓄磷菌、硝化菌與一般除碳細(xì)菌。
各反應(yīng)槽流態(tài)在多功能反應(yīng)槽為污泥床型態(tài)(非完全混合型)，在脫硝槽、曝氣槽與薄膜槽均為完全混合型。系統(tǒng)操作方式包括(1)原廢水(合成廢水)由第一多管式泵P1抽取流量Q1與薄膜槽回流由第二多管式泵P2抽取流量Q3，兩股混合后，進(jìn)入多功能反應(yīng)槽；(2)多功能反應(yīng)槽出流水以重力方式流入脫硝槽；(3)脫硝槽的進(jìn)流有三股，分別為多功能反應(yīng)槽的出流水、薄膜槽回流水由第四多管式泵P4抽取流量Q2與Qby-pass(視需要而啟動，當(dāng)脫硝菌進(jìn)行脫硝過程的有機(jī)碳源不足時啟動)；(4)曝氣槽與薄膜槽連通視為一體，其進(jìn)流為脫硝槽的出流，其出流經(jīng)過薄膜以第三多管式泵P3抽取流量Q1排放。
系統(tǒng)監(jiān)測與控制方面，多功能反應(yīng)槽具有ORP與pH值測量計；脫硝槽具有ORP測量計；曝氣槽與薄膜槽具有DO與pH測量計，薄膜出流水以微壓計與電子天平監(jiān)測。
多功能生物反應(yīng)槽采用柱狀流(plug flow)設(shè)計，微生物呈污泥床分布，多功能生物反應(yīng)槽除可蓄積更大量的微生物外，反應(yīng)槽中微生物濃度呈現(xiàn)底部高、頂部低的分布，當(dāng)廢水從底部進(jìn)入后，微生物可快速將氧化態(tài)物質(zhì)去除，使環(huán)境轉(zhuǎn)成還原態(tài)以利甲烷化進(jìn)行，且因多功能生物反應(yīng)槽是以污泥床型式設(shè)計，本身具有過濾特性，廢水中的有機(jī)顆粒易被攔截，可增強(qiáng)有機(jī)物去除的功能。
本實(shí)施例的合成廢水以葡萄糖及醋酸(碳源)、氯化銨與磷酸二氫鉀配制而成，系統(tǒng)采用連續(xù)操作，同時偵測脫硝槽與多功能生物反應(yīng)器中的pH與ORP值，并偵測曝氣槽的DO、pH與ORP值。
經(jīng)過兩個月初步功能測試，多功能生物反應(yīng)槽進(jìn)流水的化學(xué)需氧量(COD值)約200mg/L，結(jié)果如圖4所示。圖4為多功能生物反應(yīng)槽進(jìn)流水(包含原水以及回流水)、多功能生物反應(yīng)槽出流水、脫硝槽(即缺氧反應(yīng)槽)出流水及薄膜槽出流水(最終出流水)的化學(xué)需氧量(COD)濃度關(guān)系圖。多功能生物反應(yīng)槽出流水COD濃度介于90-100mg/L之間，薄膜槽出流水，即薄膜過濾液(permeate)的COD濃度則介于10-20mg/L之間，這一結(jié)果顯示本發(fā)明的去除廢水中碳、氮、磷污染物的廢水處理系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)功能良好，多功能生物反應(yīng)槽中的甲烷菌可有效降低COD以減輕曝氣槽中好氧菌的處理負(fù)擔(dān)。
為確認(rèn)微生物在多功能生物反應(yīng)槽、脫硝槽以及曝氣槽所進(jìn)行的廢水處理狀態(tài)，針對多功能生物反應(yīng)槽進(jìn)流水、多功能生物反應(yīng)槽出流水、脫硝槽出流水及薄膜槽出流水的含磷濃度、氨氮濃度、硝酸氮濃度進(jìn)行例行性監(jiān)測，其結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。由圖5多功能生物反應(yīng)槽出流水具有較高含磷濃度可知，多功能生物反應(yīng)槽主要進(jìn)行釋磷功能；而由圖6脫硝槽出流水酸酸鹽濃度大量降低可知其脫硝作用具有實(shí)質(zhì)功能；由圖7的薄膜槽出流水的硝酸氮濃度增高可知曝氣槽的硝化菌具有實(shí)質(zhì)硝化作用，也可推知曝氣槽的含氧量可滿足好氧代謝所需。
由圖8的多功能生物反應(yīng)槽、脫硝槽(缺氧槽)以及曝氣槽(好氧槽)的PHA(Poly Hydrox Acid)含量變化，可推估各反應(yīng)槽磷蓄積菌的功能。厭氧環(huán)境下蓄磷菌的PHA合成主要由兩種反應(yīng)構(gòu)成，第一為糖解反應(yīng)，主要目的為制造足夠的還原能，第二部分則是攝取短鏈脂肪酸來合成PHA儲存于體內(nèi)，并消耗掉還原能，而攝取不同的短鏈脂肪酸會形成不同形式的PHA。在厭氧區(qū)磷蓄菌將體內(nèi)聚磷酸鹽斷鍵以產(chǎn)生能量，并大量攝取水中短鏈脂肪酸合成PHA儲存于細(xì)胞內(nèi)，而在好氧區(qū)磷蓄積菌將所儲存的PHA代謝獲取能量，將水中磷酸鹽過量攝取轉(zhuǎn)成聚磷酸鹽形式儲存于細(xì)胞內(nèi)。由圖8可知，多功能生物反應(yīng)槽的蓄磷菌合成大量PHA，在好氧槽蓄磷菌則將所儲存的PHA代謝獲取能量。
根據(jù)圖9顯示在本實(shí)施例實(shí)施期間，多功能反應(yīng)槽中的氣體組成中氮?dú)?N2)逐漸變多而甲烷(CH4)氣體逐漸減少，二氧化碳(CO2)則維持于低濃度，顯示本發(fā)明的去除廢水中碳、氮、磷污染物的廢水處理系統(tǒng)的生物產(chǎn)氣中甲烷氣體隨著甲烷菌代謝而減少，而氮?dú)鈩t在廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行脫氮作用中而升高。
本實(shí)施例同時也利用分子生物鑒定技術(shù)，設(shè)置不同的探針(probe)針對多功能反應(yīng)槽、缺氧反應(yīng)槽以及好氧反應(yīng)槽中的菌相進(jìn)行鑒定(各探針的具體信息可參見Raskin，L.，Stromley，J.M.，Rittmann，B.E.和Stahl，D.A.(1994)Group-Specific 16s Rrna Hybridization Probes to DescribeNatural Communities of Methanogens.Appl.Environ.Microbiol.601232-1240.)。其中，PAO探針可鑒定槽內(nèi)的蓄磷菌，MC1109(5’-GCAACATAGGGCACGGGTCT-3’，16S(1109-1128))、MSMX860(5’-GGCTCGCTTCACGGCTTCCCT-3’，16S(860-880))與MG1200(5’-CGGATAATTCGGGGCATGCTG-3’，16S(1200-1220))探針可鑒定槽內(nèi)的甲烷菌。其鑒定結(jié)果如圖11、圖12、圖13所示。系統(tǒng)中蓄磷菌的比例在多功能反應(yīng)槽、缺氧反應(yīng)槽與好氧反應(yīng)槽中分別為19.1％、20.2％與20.6％。此結(jié)果顯示，在整個系統(tǒng)中確實(shí)有蓄磷菌存在且其比例在三個反應(yīng)槽中大致相同。而在甲烷菌菌相比例方面，在多功能反應(yīng)槽中MC1109、MSMX860與MG1200探針?biāo)鶄蓽y到的比例分別為11.7％、9.2％與14.7％；在缺氧反應(yīng)槽中則分別為7.6％、10.2％與9.5％；在好氧反應(yīng)槽中則分別為10.7％、6.3％與10.3％。此結(jié)果也顯示，多功能反應(yīng)槽中由于含有顆粒化的甲烷菌，因此其甲烷菌存在比例稍高于其它兩個反應(yīng)槽。本研究經(jīng)過分子生物鑒定法鑒定之后，可以了解系統(tǒng)中確實(shí)存在所述的微生物且對于廢水中的特定污染物質(zhì)(碳與磷)有其相對的處理功效。
比較例比較本發(fā)明的系統(tǒng)與傳統(tǒng)A2O系統(tǒng)所需的反應(yīng)槽體積本比較例比較本發(fā)明與傳統(tǒng)A2O系統(tǒng)所使用的體積，首先假設(shè)不同有機(jī)物負(fù)荷下，磷酸與硝酸的負(fù)荷均分別維持20與40公斤，又假設(shè)多功能反應(yīng)槽的體積負(fù)荷為5kg COD/m3-day(屬中低效率)，曝氣槽的體積負(fù)荷為1.5kg COD/m3-day(屬高效率)。假設(shè)脫硝槽與薄膜槽的體積，本案與傳統(tǒng)薄膜-A2O程序相同，薄膜-A2O的厭氧槽體積忽略不計。
本發(fā)明與薄膜-A2O程序的槽體體積比較如圖10所示，本發(fā)明的反應(yīng)槽總體積(圖中以空心圓圈表示)為多功能反應(yīng)槽與曝氣槽的總和，與傳統(tǒng)薄膜-A2O系統(tǒng)的體積(圖中以實(shí)心圓圈表示)相比較，當(dāng)有機(jī)廢水負(fù)荷為2000kg COD/m3-day時，本發(fā)明反應(yīng)槽的總體積為500m3而傳統(tǒng)反應(yīng)槽約為1200m3；而當(dāng)有機(jī)廢水負(fù)荷為4000kg COD/m3-day時，本發(fā)明反應(yīng)槽的總體積約為1100m3而傳統(tǒng)反應(yīng)槽約為2500m3，顯示本發(fā)明多功能反應(yīng)槽與曝氣槽的總體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)薄膜-A2O程序曝氣槽的體積。
本發(fā)明與TW第92132719號“含有機(jī)污染物的廢水處理系統(tǒng)”相比較，其差異處主要如下第一、目的不相同本發(fā)明是用于處理含有碳、氮、磷的有機(jī)廢水，其多功能反應(yīng)槽(即第一槽厭氧槽)中同時含有甲烷菌、蓄磷菌、脫硝菌進(jìn)行生物代謝作用，其生物產(chǎn)氣為CH4、N2與CO2；而后者的厭氧槽主要的功能菌僅含有甲烷菌，主要用于除去水中的碳，因此其厭氧槽主要生物產(chǎn)氣為CH4與CO2。第二、本發(fā)明與TW第92132719號相比較增加一缺氧槽用以進(jìn)行脫硝功能，可增進(jìn)整個廢水處理系統(tǒng)對于硝酸離子的處理效率，以達(dá)到本發(fā)明除去有機(jī)廢水中的氮的目的。第三、本發(fā)明的好氧反應(yīng)槽有蓄磷菌、脫硝菌與好氧異養(yǎng)菌，可同時攝磷、硝化以及除碳，而后者的好氧反應(yīng)槽主要功能菌僅有異養(yǎng)菌。因此，由上所述可知本發(fā)明與TW第92132719號中的廢水處理系統(tǒng)并不相同。
綜上所述，本發(fā)明的去除廢水中含碳、氮、磷污染物的廢水處理系統(tǒng)中，使用添加甲烷菌的多功能反應(yīng)槽進(jìn)行甲烷化作用可以預(yù)先在好氧槽作用之前，降低水中的含碳量，使得好氧槽可以主要扮演提供氨氮硝化作用的場所，以減少動力的消耗量、降低各反應(yīng)槽的體積與降低剩余污泥的產(chǎn)生量。
權(quán)利要求
1.一種去除廢水中碳、氮、磷污染物的廢水處理系統(tǒng)，包含第一槽，包含甲烷菌、蓄磷菌以及脫硝菌，所述脫硝菌具有脫硝作用能同時去除部分有機(jī)碳，蓄磷菌能吸附部分有機(jī)碳而釋出磷酸鹽，甲烷菌能代謝有機(jī)碳而產(chǎn)生甲烷氣體；第二槽，設(shè)置于所述第一槽之后，第二槽主要利用脫硝菌及蓄磷菌處理第一槽的出流水，所述脫硝菌具有將硝酸鹽脫硝的功能，蓄磷菌具有進(jìn)行釋磷作用的功能；第三槽，設(shè)置于所述第二槽之后，第三槽主要包含蓄磷菌、異養(yǎng)菌及硝化菌，其中蓄磷菌具有進(jìn)行攝磷作用的功能，異養(yǎng)菌具有進(jìn)行除碳作用的功能，硝化菌具有進(jìn)行硝化作用的功能；以及一薄膜，其設(shè)置于所述第三槽中或之后，能分離各種微生物與經(jīng)處理后的出流水。
2.如權(quán)利要求1所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述第一槽為污泥床型式。
3.如權(quán)利要求1所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述第二槽為完全混合型式。
4.如權(quán)利要求1所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述第三槽為完全混合型式。
5.如權(quán)利要求1所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述薄膜是可利用氣體沖洗。
6.如權(quán)利要求5所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述氣體包含生物產(chǎn)氣或空氣。
7.如權(quán)利要求6所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述生物產(chǎn)氣包含氮?dú)?、甲烷、二氧化碳與氫氣。
8.如權(quán)利要求6所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，使用所述生物產(chǎn)氣沖洗薄膜，降低水中pH值0.2-1.0單位，進(jìn)一步防止結(jié)垢產(chǎn)生。
9.如權(quán)利要求1所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述薄膜設(shè)于第三槽中，該系統(tǒng)設(shè)置有能使第三槽的混合液回流至所述第一槽及/或第二槽處理的裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述薄膜設(shè)于第三槽之后，該系統(tǒng)增設(shè)有第四槽。
11.如權(quán)利要求10所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)設(shè)置有能使第四槽的混合液回流至所述第一槽及/或第二槽處理，使第三槽的混合液回流至第二槽的裝置。
12.如權(quán)利要求1所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)設(shè)置有能使原廢水直接導(dǎo)入第二槽的裝置，當(dāng)所述第一槽的脫硝菌進(jìn)行脫硝過程的有機(jī)碳源不足時，可將原廢水直接導(dǎo)入第二槽進(jìn)行處理。
13.一種利用權(quán)利要求1所述的廢水處理系統(tǒng)去除廢水中碳、氮、磷污染物的處理方法，包含下列步驟(a)將廢水導(dǎo)入第一槽，使第一槽中的甲烷菌進(jìn)行有機(jī)物甲烷化作用、使脫硝菌分解廢水中的有機(jī)污染物與硝酸氮，同時使蓄磷菌吸附有機(jī)物進(jìn)行釋磷作用；(b)將第一槽的出流水導(dǎo)入第二槽，使第二槽中的脫硝菌及蓄磷菌處理所述第一槽的出流水，令所述脫硝菌將硝酸鹽脫硝，同時使蓄磷菌吸附有機(jī)物進(jìn)行釋磷作用；(c)將第二槽的出流水導(dǎo)入第三槽，使第三槽中的蓄磷菌進(jìn)行攝磷作用，使異養(yǎng)菌進(jìn)行除碳作用，使硝化菌進(jìn)行硝化作用；以及(d)將第三槽的出流水導(dǎo)入薄膜，利用薄膜分離各種微生物與經(jīng)處理后的出流水，同時，利用排泥機(jī)制去除含磷微生物以達(dá)到磷的去除。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，當(dāng)所述薄膜設(shè)于第三槽中時，使第三槽的混合液回流至所述第一槽及/或第二槽處理。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，當(dāng)所述薄膜設(shè)于第三槽之后時，增設(shè)一第四槽。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，使所述第四槽的混合液回流至所述第一槽及/或第二槽處理，第三槽的混合液回流至第二槽。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述第二槽的脫硝菌進(jìn)行脫硝過程的有機(jī)碳源不足時，將原廢水直接導(dǎo)入第二槽進(jìn)行處理。
18.一種去除廢水中碳、氮、磷污染物的處理方法，包含利用甲烷菌、脫硝菌、硝化菌、蓄磷菌將廢水中碳、氮、磷污染物進(jìn)行去磷脫氮而去除有機(jī)物，使所述甲烷菌在脫硝菌、硝化菌、蓄磷菌在去磷脫氮過程中參與其中代謝有機(jī)碳以進(jìn)行甲烷化的過程。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其可同時達(dá)到微生物甲烷化、微生物除磷及微生物硝化與脫硝的功能。
全文摘要
一種去除廢水中碳、氮、磷的廢水處理系統(tǒng)，包含第一槽，具有甲烷菌、蓄磷菌及脫硝菌，脫硝菌具脫硝作用可去除部分有機(jī)碳，蓄磷菌吸附部分有機(jī)碳而釋出磷酸鹽，甲烷菌代謝有機(jī)碳而產(chǎn)生甲烷氣體；第二槽，設(shè)于第一槽后，利用脫硝菌與蓄磷菌處理第一槽的出流水；第三槽，設(shè)于第二槽后，利用蓄磷菌將第一槽與第二槽所吸附的有機(jī)碳進(jìn)行好氧代謝，硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸氮，與其它好氧微生物處理除去第二槽出流水殘余的有機(jī)污染物；一薄膜，設(shè)于第三槽中或之后，以分離各種微生物與經(jīng)處理后的出流水。本發(fā)明還涉及利用上述系統(tǒng)去除廢水中碳、氮、磷的處理方法，可降低剩余污泥產(chǎn)量并減少動力耗損問題。
文檔編號C02F3/30GK101050024SQ20061007276
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者游惠宋, 張冠甫, 張盛欽, 彭淑惠, 徐樹剛 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院