申请日2014.04.25
公开(公告)日2014.11.12
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明描述了用于生物处理水和/或污水的方法和装置。该方法和装置间歇曝气以提高生物脱氮效果。有的方法和装置还含有前置混和区。根据间隙曝气区的工作状态，该前置混和区处于厌氧或缺氧状态。该混和区强化了脱氮效果，并通过培养聚磷菌增加了生物除磷功能。该方法和装置都可用脉动式混和装置混和。由于该脉动式混和装置由空气驱动，不含机械动件，混和力强，降低了整个处理装置的维护与管理要求以及能耗，并在有的应用中有效降低了滤膜的堵塞，以及强化填料的脱膜，提高了反应器的性能。
权利要求书
1.一种处理水和污水的生物工艺，其中包含：
(a)一个具有进口和出口的反应池与后面一个对该反应池出流进行固液 分离的沉淀池;
(b)所述反应池内含有混和装置与曝气装置;
(c)所述曝气装置间歇性地开启与关闭;
(d)所述混和装置至少在所述曝气装置关闭时工作;
(e)所述混和装置由空气驱动，并能够使反应池内的液体产生脉动式的 提升运动;
(f)一种将所述沉淀池污泥回流到所述反应池的方法。
2.一种处理水和污水的生物工艺，其中包含：
(a)一个具有进口和出口的反应池与后面一个对该反应池出流进行固液 分离的沉淀池;
(b)一种将所述反应池分割成一个混和区和一个间歇曝气区的方法;
(c)所述混和区内含有混和装置;
(d)所述间歇曝气区内含有混和装置和曝气装置;
(e)所述间歇曝气区内的曝气装置间歇性地开启与关闭;
(f)所述间歇曝气区内的混和装置至少在所述曝气装置关闭时工作;
(g)一种将所述沉淀池污泥回流到所述反应池的方法。
3.如权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述混和装置由空气驱动， 并能够使反应池内的液体产生脉动式的提升运动。
4.如权利要求2所述的工艺，其特征在于，在所述间歇曝气区内含有一 种将混和液回流到所述混和区的方法。
5.一种处理水和污水的反应器，其中包含：
(a)一个具有进口、出口和间歇曝气区的的池子;
(b)所述间歇曝气区内含有曝气装置、混和装置和保留微生物的方法;
(c)所述曝气装置间歇性地开启与关闭;
(d)所述混和装置至少在所述曝气装置关闭时工作。
6.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述混和装置由空气驱动， 并能够使液体产生脉动式的提升运动。
7.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述保留微生物的方法是 滤膜。
8.如权利要求7所述的反应器，还包括一个在间歇曝气区的上游并含有 混和装置的混和区，以及一种将间歇曝气区内的混和液回流到所述混和区的方 法。
9.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述保留微生物的方法是 固定或悬浮填料，并且还包括一个沉淀池用于去除所述反应器出流的固体。
10.如权利要求9所述的反应器，还包括一个在间歇曝气区的上游并含有 混和装置的混和区，以及一种将间歇曝气区内的混和液回流到所述混和区的方 法。
11.一种处理水和污水的方法，其中包含：
(a)一个具有进口、出口和间歇曝气区的的池子;
(b)所述间歇曝气区内含有曝气装置、混和装置和保留微生物的方法;
(c)所述曝气装置间歇性地开启与关闭;
(d)所述混和装置至少在所述曝气装置关闭时工作。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述混和装置由空气驱动， 并能够使液体产生脉动式的提升运动。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述保留微生物的方法是 滤膜。
14.如权利要求13所述的方法，还包括一个在间歇曝气区的上游并含有 混和装置的混和区，以及一种将间歇曝气区内的混和液回流到所述混和区的方 法。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述保留微生物的方法是 固定或悬浮填料，并且还包括一个沉淀池用于去除所述反应器出流的固体。
16.如权利要求15所述的反应器，还包括一个在间歇曝气区的上游并含 有混和装置的混和区，以及一种将间歇曝气区内的混和液回流到所述混和区的 方法。
17.一种处理水和污水的生物工艺，其包括权利要求1-4中的任一技术特 征或技术特征的任意组合。
18.一种处理水和污水的反应器，其包括权利要求5-10中的任一技术特 征或技术特征的任意组合。
19.一种处理水和污水的方法，其包括权利要求11-16中的任一技术特征 或技术特征的任意组合。
说明书
水和污水的处理方法和装置
引用的相关申请
本申请要求2013年5月10日的美国专利申请号13/891，830的优先权。
技术背景
含有有机污染物的污水通常用生物法处理。悬浮生长法，通常也被称为活 性污泥法，是最广泛使用的生物法之一。例如，大多数市政污水处理厂在其二 级处理阶段采用活性污泥法去除污水中的有机污染物。传统活性污泥法包括一 个悬浮生长生物反应器(若在好氧条件下运行则称之为曝气池)和一个沉淀池 (通常称之为沉淀池)。污水和从沉淀池回流的活性污泥进入曝气池。空气或 氧气通过曝气系统供至曝气池。在曝气池中，污染物被降解。曝气池的混和液 然后进入沉淀池进行固-液分离。沉淀池的上清液通过沉淀池的出口排出。 沉淀池中沉淀的大部分污泥被回流到曝气池。剩余污泥被排放到污泥处置系统 进行进一步的处理。
在大多数情况下，污水中还含有各种型态的氮和磷。因为它们能引起受纳 水体中藻类的过快增长，他们也被称为污水营养物质。此外，有机氮和氨在受 纳水体中被氧化时会消耗氧。这些污水营养物也可在生物反应器中被去除。在 好氧条件下微生物可以将有机氮和氨转化为硝酸盐或亚硝酸盐。这个过程被称 为硝化。如果生物反应器或者其中的一部分是在缺氧状态(无溶解氧(DO))， 微生物可以将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气。这个过程被称为反硝化。如果生 物反应器被维持在低溶解氧状态，可以实现同时硝化/反硝化。如果好氧污泥 不断地流经生物反应器的厌氧区，则可以驯化出有利于磷吸收的微生物，通常 称之为聚磷微生物(PAO)。磷会随着排放污泥被去处。
生物硝化与反硝化可经由多种方式实现。生物反应器或工艺可由两个区或 两个独立的池子组成：好氧区(池)用于硝化，缺氧区(池)用于反硝化。活 性污泥从沉淀池回流到生物反应器中，以保持一定的微生物量进行硝化与反硝 化。如果缺氧区是在好氧区的前面，它被称为“前缺氧”工艺。在这个工艺中， 进水中的有机物用作反硝化反应的电子给体，从而在反硝化过程中也使得部分 有机物得以去除。然而，该工艺依赖于最终污泥和混和液的回流向缺氧区提供 亚硝酸盐/硝酸盐。因此，只有在这些回流液中的亚硝酸盐/硝酸盐才能被去除。 在好氧区中总有一部分硝酸盐/亚硝酸盐(取决于回流比)永远不会被回流到 缺氧区，从而限制了反硝化的程度。如果缺氧区是在好氧区之后，它被称为“后 缺氧”工艺。这一工艺不能利用进水中的有机碳进行反硝化。因此，反硝化速 度通常非常缓慢，通常需用外加碳源来促进反硝化。外加碳源的方法增加了操 作的复杂性和费用。
此外，还有一种交替好氧-缺氧工艺(AAA)用于硝化与反硝化以去除总 氮。该工艺的生物反应器不分段，而是在同一体积内，在不同时间分别创造好 氧和缺氧条件。曝气用于创造好氧条件进行硝化，然后停止曝气以创造缺氧条 件进行反硝化。
序批式生物反应器(SBR)可以在同一个池子内进行硝化、反硝化和固 液分离。在曝气期间进行硝化，在进水和混和期间进行反硝化。污泥在沉淀期 间沉淀并被保留在池内。然而，在新的进水周期开始之前，硝化后上清液中的 部分硝酸盐必须被撇出。出水中的硝酸盐浓度取决于进水中的总氮浓度和一个 处理周期内进水体积所占池子总体积之比。因此，只有在撇除上清液后存留在 池内的部分硝酸盐才可被反硝化。由于SBR工艺不太可能对上清液进行频繁但 小体积的撇除，因此，出水中总的硝酸盐浓度不能够保持在所希望的低水平。 此外，上清液撇除过程中使用许多机械动件;它们可能会出问题并影响操作。
如果需要同时去除氮和磷，则必须使用更复杂的工艺。这些工艺应当有厌 氧条件以培养聚磷微生物，缺氧条件进行反硝化，和好氧条件以氧化有机污染 物和进行硝化。
图1展示了传统的用于去除总氮的前缺氧工艺。它有一个用于反硝化的缺 氧区和后面一个用于去除生物耗氧量(BOD)和硝化的好氧区。好氧区连续曝 气。好氧区混和液被强制回流到缺氧区以提供硝酸盐。混和液从好氧区流到沉 淀池进行固-液分离。沉淀池中沉淀的污泥被回流到缺氧区以提供生物处理所 需的微生物，上清液则排出。缺氧区通常通过机械设备进行连续混和。
图2展示了传统的用于去除总氮与磷的厌氧-缺氧-好氧(A2O)工艺。它 在图1所示的前缺氧工艺之前加了一个厌氧区，用以培养PAO。因此，该工艺 又具有除磷功能。
附着生长工艺，也称之为生物膜法，若填料全部浸没在水中还被称为接触 氧化工艺，也被用于污水处理。它采用固定的或移动的填料以维持反应器内的 微生物。附着生长工艺通常不需要从沉淀池回流污泥来维持生物反应器的生物 量。图3展示了传统的附着生长工艺。填料可以是固定的，也可以是悬浮的。 若采用悬浮填料，在反应器的出口须用一个隔网防止填料虽出流进入沉淀池。 反应池需要连续曝气，利用填料表面附着的生物膜降解进水中的污染物。混和 液从反应池流到沉淀池进行固-液分离。沉淀池的上清液排出。沉淀池沉淀 的剩余污泥通常无需回流到前面的反应池。
膜生物反应器(MBR)利用滤膜将污泥截流在反应器中，降解进水中的污 染物。图4展示了传统的膜生物反应器。它通常在连续好氧条件下运行。处理 过的水在压力或抽力的作用下经过滤膜过滤后直接排放。活性污泥固体被滤膜 截流在反应器内。它能保持较高的污泥浓度，因此可以承受较高的体积负荷。
发明简述
本发明所公开的一个实施例包括一个缺氧和好氧交替运行(间歇曝气)的 生物处理装置与方法，以实现在有氧和无氧条件下的生物反应。在曝气/好氧 阶段反应器内的BOD被转化为二氧化碳，氨氮/有机氮被转化为硝酸盐或亚硝 酸盐。在不曝气/缺氧阶段，反应器内的硝酸盐或亚硝酸盐被转化为氮气。反 应器内的活性污泥由沉淀池回流。在缺氧阶段由脉动式提升装置进行混和。该 混和装置由空气驱动，不含任何机械动件，低能耗。当缺氧混和的时间延长后 会发生厌氧状态，这会促进反应器内聚磷微生物的生长，实现生物除磷。
本发明所公开的又一实施例是含有混和区与间歇曝气区的生物处理装置。 该混和区在厌氧或缺氧条件下运行，因此能培养聚磷菌，实现生物除磷。反应 器内的活性污泥来源于回流的沉淀池污泥。某些情况下需将间歇曝气区内的混 和液回流到混和区，强化处理效果。混和区与间歇曝气区可由脉动式提升装置 进行混和。
本发明所公开的又一实施例包括间歇曝气的膜生物反应器与方法。它的上 游还可增加一个混和区，以提高生物处理效果。反应器可由由空气驱动的脉动 式提升装置进行混和。该脉动式提升装置的强力紊动可降低膜的堵塞。
本发明所公开的又一实施例包括间歇曝气的接触氧化法反应器。它可采用 固定或悬浮填料。它的上游可增加一个混和区，以提高生物处理效果。反应器 可由脉动式提升装置进行混和。该脉动式提升装置还可强化脱膜，促进填料表 面的更新。