申请日2010.06.03
公开(公告)日2012.05.09
IPC分类号C02F3/12; C02F3/10; C02F3/08
摘要
本发明涉及一种用于净化水的方法和装置，所述方法包括以下步骤：通过一个或多个入口管(1)或入口区将水供给到反应器(4)中，并将水和基材供给通过生物膜的载体元件(5)，该载体元件(5)具有大的保护表面(>200m2/m3载体元件)和大的孔体积(>60%)，且该载体元件(5)被流化以除去废污泥，其中正常负荷的载体元件(5)的装填比相当于与反应器(4)的湿体积的90%-100%、更优选92%-100%且最优选92%-99%相对应的量，在数次除去过剩污泥之间，所述载体元件(5)基本上保持静止或受阻碍运动;以及载体元件被流化以除去过剩污泥，所述载体元件(5)具有在0.8-1.4、更优选0.90-1.1、且最优选0.93-0.97的范围内的比重;以及将处理的水供给到一个或多个出口区(7)和一个或多个出口管(2)。本发明还包括用于进行该方法的反应器。
摘要附图
权利要求书
1.用于生物净化水的方法，其特征在于，通过一个或多个入口管(1) 或入口区将水引至反应器(4)中，且将水和基材引导通过生物膜的载体 元件(5)，所述载体元件(5)具有高度保护的表面(>200m2/m3载体元 件)和大的孔体积(>60%)，并且所述载体元件(5)被流化以除去过量 污泥，当在正常操作时所述元件(5)的填充度构成与所述反应器(4)的 液体体积的90%-100%、更优选92%-100%、且最优选92%-99%相对应的 量，其中在每次除去过剩污泥之间，所述载体元件(5)大致被保持静止 或被阻止运动，以及所述载体元件被流化以除去过量污泥，此时所述元件 (5)具有在0.8-1.4、更优选0.90-1.1、且最优选0.93-0.97的范围内的比 重，以及将处理的水引至一个或多个出口区(7)和一个或多个出口管(2)。
2.根据权利要求1所述的在生物净化水时除去污泥的方法，其特征 在于，所述元件(5)被流化，其中所述反应器(4)中的水位暂时被升高， 使得所述元件(5)的填充度变得小于所述反应器(4)的液体体积的90%、 更优选小于85%、且最优选小于80%，其中混合机构(6)在所述反应器 (4)中产生湍流，使得过剩污泥被所述元件(5)撕裂且使沉降的污泥悬 浮，且其中通过一个或多个入口管(1)或入口区将入口水引至所述反应 器(4)中且因此通过一个或多个出口区(7)和用于污泥的一个或多个管 (3)将污泥带出所述反应器(4)，且当已除去污泥时，降低所述反应器 (4)中的水位，其中处理的水通过一个或多个出口管(2)被引出，使得 在正常操作期间，所述元件(5)的填充度构成所述反应器(4)的液体体 积的相应的90%-100%、更优选92%-100%且最优选92%-99%。
3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，脏水通过一个或 多个入口管(1)或入口区被连续供应到所述反应器(4)中。
4.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，通过除去污泥， 经由一个或多个入口管(1)或入口区将一批不连续的脏水供应到所述反 应器(4)中，在所述反应器中的水位已经被升高之后，停止脏水的供应， 以及在混合机构(6)的帮助下提供湍流，以在所述反应器中产生湍流以 流化所述元件，使得过剩污泥被所述元件(5)撕裂且使沉降的污泥变得 悬浮，且其后通过一个或多个入口管(1)或入口区将入口水再引至所述 反应器(4)中，使得污泥能够通过一个或多个出口区(7)和用于污泥的 一个或多个管(3)被带出所述反应器(4)。
5.用于废水的需氧、缺氧或厌氧净化的反应器(4)，其特征在于， 所述反应器(4)包括：用于水和基材的一个或多个入口管(1)和一个或 多个入口区以及一个或多个出口区(7)和出口管(2);和用于污泥的一 个或多个出口管(3);和用于输送水和基材的一个或多个混合机构(6)， 并且在正常操作期间元件(5)的填充度构成与所述反应器(4)的液体体 积的90%-100%、且更优选92%-99%相对应的量，且因此在正常操作期间 所述元件(5)的填充度非常大，以致阻止所述元件(5)的自由运动，使 得通过经由管(3)除去污泥，水位被升高很多，以致在所述混合机构(6) 中的一个或多个混合机构的帮助下所述元件(5)能够自由运动。
6.根据权利要求5所述的反应器(4)，其特征在于，在所述出口区 (7)处设置有用于将所述元件(5)保留在所述反应器(4)中的设备。
7.根据权利要求5-6中任一项所述的反应器(4)，其特征在于，所述 反应器(4)包括用于在需氧工艺中输送水和基材以及供应氧的混合机构 (6)。
8.根据权利要求5-6中任一项所述的反应器(4)，其特征在于，所述 反应器(4)包括用于在厌氧工艺和缺氧工艺中输送水和基材的混合机构。
说明书
生物净化废水的方法和反应器
本发明涉及一种在具有一个或多个入口区和出口区的反应器中生物 净化水的方法，在该反应器中水和基材(substrate)与生物膜的载体元件 (carrier element)接触。本发明还涉及一种进行该方法以及分离生物膜污 泥的反应器。
反应器可布置成用于需氧净化、厌氧净化以及缺氧净化市政和工业废 水、处理水、来自水产养殖设施的水以及饮用水。该工艺基于在用于形成 生物膜的载体元件上建立生物质的原理。在出口部布置的帮助下，载体元 件被保持在反应器中的适当位置。反应器中的载体元件的填充度是如此 大，以致在正常操作期间，它们不能自由运动-阻碍的运动。可使用具有相 对接近水的比重的比重的所有已知类型的载体元件。与市场上许多其他生 物膜工艺相比，本发明将导致氧从空气泡中更好地输送到水中以及水和基 材更好地输送到生物膜中，这在某种程度上将导致更紧凑且更少能量需求 的设施。
机械净化水、化学净化水和生物净化水的许多方法是已知的。生物净 化需要使微生物培养物对水中的材料进行所期望的转化。基本上，将生物 净化结合机械净化方法和化学净化方法。
生物净化更多用于净化污染水。传统地，生物净化在用于除去有机材 料方面已处于完全主导地位，且近年来，生物净化在用于除去氮(硝化、 反硝化、厌氧氨氧化)方面也已成为主导，且在用于除去磷(除去生物-P) 方面已相对普遍。
需区别需氧生物工艺、缺氧生物工艺和厌氧生物工艺。在需氧工艺中， 微生物需要分子氧作为电子受体。对于缺氧工艺，取决于分子氧的缺少且 微生物将使用硝酸盐或硫酸盐作为电子受体。对于生物除去氮，结合将铵 盐氧化为硝酸盐的需氧工艺与将硝酸盐还原为分子氮气的缺氧工艺。厌氧 工艺在不存在氧下进行，且特征为水中的有机材料同时是电子供体和电子 受体。厌氧工艺对于高度浓缩的有机物质工业排放物是最相关的，且在完 全分解时，最终产物将是甲烷和二氧化碳的混合物(沼气)。
原理上，生物净化所需要的微生物可悬浮在生物反应器中的水相中， 或附着到生物反应器中的表面。具有悬浮微生物的工艺称作活性污泥工 艺。在活性污泥工艺中，微生物必须能够形成在下游反应器中与水分离且 返回到生物反应器的絮状物。可选择地，由于净化的水经由具有很小以致 可将微生物阻留在生物反应器中的孔口的膜而从反应器中被排放，所以悬 浮微生物可被保持在生物反应器中的适当位置。这称为膜生物反应器 (MBR)工艺。
其中微生物附着到表面的工艺称作生物膜工艺。用于净化水的生物膜 工艺的实例是滴滤池、生物转体(bio rotor)、浸没式生物滤池、移动床工 艺和流化床工艺。浸没式生物滤池包括具有相对敞开的塑料载体介质的滤 池和具有小直径载体介质(砂粒、Leca球、小的聚苯乙烯球)的滤池。具 有小直径载体介质的浸没式生物滤池将相对很快地被生物污泥堵塞，且必 须定期进行反冲洗操作来取出并且除去污泥。一直保持卧着的具有敞开的 载体介质的浸没式生物滤池可相对长时间之后用连续供应的水进行操作， 但经验表明甚至具有大的载体介质和敞开结构的滤池在一段时间之后也 将被堵塞。由于生物膜工艺中的微生物被固定在生物反应器中的载体材料 的表面上，所以生物膜工艺自身与下游污泥分离无关。
在同一反应器中具有悬浮微生物的工艺和具有固定微生物的工艺的 结合称为IFAS(综合性固定膜和活性污泥)工艺。IFAS工艺由与生物转 体、具有敞开的载体介质的浸没式生物滤池或移动床工艺结合的活性污泥 构成。
在全球范围内，尽管明显存在更多的具有悬浮微生物的生物净化装 置，但生物膜工艺变得越来越普遍。对此的一些原因是活性污泥工艺具有 许多缺点。活性污泥工艺通常难以保持对污泥分离的控制。这会导致污泥 的大的损失，且在生物工艺崩溃的更糟情况下，具有对接收器的相关联的 后果。另一个缺点是常规的活性污泥工艺对于反应器和对于在沉降池中污 泥分离需要非常大的体积。然而，常规活性污泥工艺的优点是在敞口反应 器中处理水，在敞口反应器中不存在反应器被阻塞的危险。
膜生物反应器工艺(MBR)是相对新的技术，其中使用具有非常小的 孔口的膜从水中分离活性污泥。通过该技术，可用比用于常规活性污泥工 艺的反应器体积显著更小的反应器体积来操作，因为可在反应器中保持显 著更高浓度的微生物。此外，净化的水将无悬浮物质。该工艺的缺点是其 仍是非常昂贵的，其需要对水进行大量预处理来除去会导致膜堵塞的材 料，必须定期洗涤膜以维持液压容量，且能量消耗相对高。
传统的滴滤池是首先投入用于净化废水的生物膜工艺。最初，滴滤池 填充有石头，但现代滴滤池填充有用于使生物膜在其上生长的具有更大表 面积的塑料材料。现代滴滤池是相对高的。水被泵送到滴滤池的顶部且在 整个表面上均匀分布。通过自然通风进行氧供应。难以调节滴滤池中的水 的量、物质的负荷和氧的自然供应，以致一切未能最佳运行。相对普遍的 是滴滤池的上部部分中的生物膜不能得到足够的氧。因此，滴滤池通常比 其他生物膜工艺具有更低的转化率且需要更大的反应器体积。为了避免堵 塞，生物膜介质必须是相对敞开的，且生物膜比表面积(m2生物膜/m3反 应器体积)变得相对小。这还有助于增大的反应器体积。即使具有敞开的 生物膜介质，滴滤池中的堵塞和通道形成是公知的问题，这是可监控的， 以确保滴滤池的每部分重复经历足够大以致冲洗颗粒物质且使生物膜变 松脱离滴滤池的液压负荷。在许多情况下，这意味着必须在滴滤池上方使 水循环。由于数米的高度，用于泵送的能量成本可能是相当大的。
生物转体是20世纪70年代变得非常流行的生物膜工艺。原理是具有 带波纹表面的圆盘，该圆盘固定到在水池中缓慢旋转的水平轴。该盘被部 分浸没在水中且生物膜建立在盘上，当盘旋转时，盘可选择地接收来自水 相的污染材料和来自空气的氧。生物膜转体系统的大的缺点是它们基于使 得系统非常不灵活的预组装的转体。所有水池必须适合生物转体的尺寸。 还发现生物转体存在相当大的机械问题，常常使得不能设法控制生物膜的 厚度，以致重量变得非常大且轴可能断裂或生物膜介质破碎。因此，在过 去的20年，极少生物转体装置被建。
具有相对敞开的生物膜介质的浸没式生物滤池原则上使用与现代滴 滤池的塑料材料相同类型的塑料材料。塑料材料是静止的，浸没在反应器 中，且经由反应器底部的扩散器曝气器(diffuser aerator)供应氧。这种类 型的浸没式生物滤池的问题已阻止生物质的生长和通道的形成。水和空气 占据最小阻力的路径，且在曝光反应器中形成生物质在其中积聚而导致厌 氧条件的区域。另一个缺点是在静止生物膜介质下面没有曝气器的入口。 为了维修或更换曝气器，首先必须从反应器除去生物膜介质。
具有小直径的载体介质(砂粒、Leca球、小的聚苯乙烯球)的浸没式 生物滤池具有非常大的生物膜表面积。在正常操作期间，载体介质是静止 的，但这种类型的滤池将被生物污泥堵塞，且必须定期进行反冲洗操作来 取出并且除去污泥。该工艺对废水中的颗粒敏感，且对于具有大量悬浮物 质的废水，每次冲洗之间的操作循环变得非常短。由于用于冲洗和将曝气 器放置到反应器底部的配件，这些类型的生物膜反应器建造复杂。这种类 型的生物膜反应器的共同名称是BAF(生物曝气滤池)，且最知名的商标 名称为Biostyr、Biocarbone和Biofor。
在移动床反应器中，生物膜在反应器周围自由浮动的载体材料上生 长。载体材料是泡沫橡胶或小的塑料元件。使用泡沫橡胶部件的工艺已知 为名称Captor和Linpor。泡沫橡胶部件的缺点是有效的生物膜面积太小， 因为在泡沫橡胶部件的外部上生长堵塞孔且阻止基材和氧进入到泡沫橡 胶部件的内部部分。此外，必须使用防止泡沫橡胶部件离开反应器的筛网， 且必须具有定期泵送泡沫橡胶部件远离筛网以阻止这些筛网阻塞的系统。 因此，已经建立使用泡沫橡胶作为载体材料的极少装置。
然而，近些年，已建具有其中载体材料为小的塑料部件的移动床工艺 的一系列净化装置。塑料部件正常均匀分布在整个水体积中且在实践中， 用具有多达约67%的生物膜介质填充度来操作装置。筛网将塑料部件保持 在反应器中的适当位置。反应器被连续地操作而不需要反冲洗。专利第 172687 B3号描述了用30%至70%填充度来操作装置且颗粒自由运动。载 体应具有0.90-1.20的比重。该专利还陈述了装置具有混合设备，以确保反 应器内容物的良好混合。重要的是必须存在到达后续分离工艺的所产生的 污泥的稳定流，使得颗粒负荷比用于活性污泥分离的颗粒负荷变得更小。 还指出与具有定期反冲洗的生物膜工艺相比，这是连续工艺。该工艺关于 生物反应器的形状是非常灵活的。生物膜比表面积比滴滤池和生物转体的 生物膜比表面积大，但比在BAF工艺中的生物膜比表面积显著小。然而， 基于总体积，已发现具有小的塑料部件的载体材料的移动床工艺与BAF 工艺一样有效，当考虑到额外体积时，需要扩大滤池床和冲洗BAF工艺中 的蓄水池。用小的塑料部件作为载体材料的移动床工艺的供应商的实例是 Anox Kaldnes、Infilco、Degremont和Hydroxyl Systems。
在流化床工艺中，生物膜在小的砂粒粒子上生长。操作原理基于以使 得砂粒流化的如此高的速率将水泵送至反应器的底部。在这样的系统获得 非常大的生物膜表面积，且在需氧工艺中存在供应充足氧的问题。通常， 将水循环许多次以得到足以流化砂粒的高的流速，且通过用空气或纯氧饱 和循环水流来供应氧。泵送成本可能是大的。在工业装置中，具有以使得 整个砂粒床流化的方式来分配水的问题。还具有这样的问题：由于生物膜 改变砂粒粒子的比重，使得具有更多生物膜的砂粒粒子比具有更少生物膜 的砂粒粒子以显著更低的水循环速度流化。因此，变得难以操作装置，使 得不能松动砂粒和生物质。
本发明包括这样的生物膜工艺：其中微生物的生长表面由紧密装填以 致在正常操作时它们不能自由运动、且它们不具有运动或具有阻碍运动的 载体元件构成。理想的载体元件具有大的保护表面积和大的孔体积，使得 水可流过载体元件并且确保水、基材和生物膜之间的良好接触。可使用具 有相对接近水的比重的比重的所有已知类型的载体元件。
载体元件的填充度大于移动床工艺中的填充度。由于增大的填充度和 因此载体元件的无运动或阻碍运动，生物膜和水之间的速度梯度将增大。 因此，生物膜上的静止水层的厚度减小，扩散阻力减小，基材和氧的输送 提高，且转化率提高。期望的是生物膜元件具有大的孔体积，使得在必须 将过量污泥从反应器洗掉之前，孔体积在生物膜元件上和生物膜元件中可 储存尽可能多的污泥。因此，在每次洗涤之间可得到长的操作周期。
从CN 100337936C已知用于生物净化水的反应器。该反应器容纳生物 膜的载体元件且这些元件具有0.7-0.95的比重，且元件的填充度为反应器 有效体积的20%-90%。
从上述第172687号中，已知用于净化水的方法和反应器。水被供给 到填充有生物膜的载体的反应器中。这些载体具有在0.90-1.20kg/dm3的范 围内的比重和反应器体积的30%-70%的载体填充度。此外，该反应器还具 有混合装备且还具有用于保持反应器中的载体的以筛板形式的设备。
第314255号描述了与水的净化有关的载体元件的应用。载体元件被 置于其中水的入口在反应器顶部的反应器中。载体自由悬浮且具有 0.92-1.40kg/dm3的比重。
来自这三个公布的已知的载体处于自由运动状态。
从JP 5068991 A已知如何将载体元件装填在网袋中，以阻止载体之间 的运动。载体元件具有0.95-0.98的比重。这种具有载体的网袋可用于许多 处理废水的反应器中。
US 6,383,373 B1描述了用于净化水的生物过滤装置。该过滤装置包括 被载体元件紧密装填的容器，在其上，这些是中空的，且具有1.01-1.2g/ml 的比重。将被处理的水被引导穿过容器顶部处的一个或多个入口。
从这两个公布已知的载体完全不移动。
本发明包括一种用于生物净化水的方法，该方法的特征在于向反应器 连续或间歇地供应水和用引入的水间歇地洗涤，以从生物膜元件中除去污 泥。
该方法的特征为通过一个或多个入口管或入口区将水引至反应器中， 且将水和基材引导通过生物膜的载体元件，该载体元件具有高度保护的表 面积(>200m2/m3载体元件)和大的孔体积(>60%)，其中在每次除去 过量污泥之间，载体元件大致保持为静止或具有受约束的运动，并且载体 元件被流化以除去过量污泥，当在正常操作时元件的填充度构成与反应器 液体体积的90%-100%、更优选92%-100%、且最优选92%-99%相对应的 量，其中在每次除去过量污泥之间，载体元件大致保持为静止或具有受约 束运动，以及载体元件被流化以除去过量污泥，元件具有在0.8-1.4、更优 选0.90-1.1、且最优选0.93-0.97的范围内的比重，以及将处理的水引至一 个或多个出口区和一个或多个出口管。
元件优选地被流化，在于反应器中的水位被暂时提高，使得元件的填 充度变得小于反应器液体体积的90%、更优选小于85%、且最优选小于 80%，其中混合机构在反应器中产生湍流，使得过量污泥被元件撕裂且使 沉降的污泥悬浮，并且通过一个或多个入口管或入口区将入口水引至反应 器中且因此通过一个或多个出口区和用于污泥的一个或多个管将污泥带 出反应器，且当除去污泥时，反应器中的水位降低，在于处理的水通过一 个或多个出口管被引出，使得在正常操作期间，元件的填充度为反应器液 体体积的90%-100%、更优选92%-100%、且最优选92%-99%。
优选通过一个或多个入口管或入口区将污染水的连续流供应到反应 器。
该方法的另外的特征为，在除去污泥时，通过一个或多个入口管或入 口区将未处理的水的不连续流供应到反应器中，在反应器中的水位升高之 后，停止供应未处理的水，且在混合设备的帮助下提供湍流，以在反应器 中产生湍流以用于流化元件，使得过量污泥被元件撕裂且使沉降的污泥重 新悬浮，且其后通过一个或多个入口管或入口区再将入口水引至反应器 中，使得污泥可通过一个或多个出口区和用于污泥的一个或多个管被带出 反应器。
在正常操作期间，生物膜元件的填充度(松散体积)是非常大的，以 致不具有生物膜元件的运动或具有生物膜元件的非常受限制的运动。在正 常操作期间，液体体积中的填充度将取决于所使用的生物膜元件的类型， 但将通常为90%-100%。在洗涤以除去污泥期间，反应器中的水位被充分 提高，以使所有生物膜元件自由运动。在洗涤期间所需要的哪个填充度和 多大湍流将再次取决于所使用的生物膜元件的类型。生物膜元件的比重应 当在0.85至1.25之间。
本发明还包括一种用于废水的需氧处理、缺氧处理或厌氧处理的反应 器，所述反应器的特征在于，所述反应器包括用于水和基材的一个或多个 入口管和一个或多个入口区以及一个或多个出口区和出口管，和用于污泥 的一个或多个出口管，和用于输送水和基材的一个或多个混合设备，并且 元件的填充度在正常操作期间构成与反应器液体体积的90%-100%、且更 优选92%-99%相对应的量，且在正常操作期间填充度从而非常大，以致它 阻止元件的自由运动，使得通过经由管除去污泥，水位被升高很多，以致 在所述混合设备中的一个或多个混合设备的帮助下元件可自由运动。
优选地，在出口区设置了用于将元件保留在反应器中的设备。
优选地，本发明还包括用于在需氧工艺中输送水和基材以及供应氧的 混合机构或用于在厌氧工艺和缺氧工艺中输送水和基材的混合机构。