申请日2012.04.03
公开(公告)日2014.01.29
IPC分类号C02F3/10; C02F3/12
摘要
一种生物净化反应器和方法，其中被处理水和含氧的气体以上升的同流方式被送入同一反应器，所述反应器包括作为生物过滤材料的填充床和一定体积的可运动的中空载体，该中空载体具有用于微生物膜的生长的受保护的表面区域。净化反应器(1)包括：用于膨胀和移除污泥的空间(2);气体注入系统(4);流体注入系统(3);生物过滤器，所述生物过滤器包括由穿孔的保持顶(6)保持在所述反应器的下部中防止向上运动的颗粒的填充床(5)，以及位于用于膨胀和去除污泥的所述空间(2)内的一定体积的可运动颗粒(10)。可运动的颗粒的密度比填充床的颗粒的密度大。净化方法还包括周期性地回洗的步骤。
权利要求书
1.一种生物净化反应器，包括
用于膨胀和去除污泥的具有体积V的空间2;
位于靠近用于膨胀和去除污泥的所述空间2的底部的下部区域中 的气体注入系统4;
位于用于膨胀和去除污泥2的所述空间的底部或位于所述底部之 上的流体注入系统3;
和生物过滤器，
其中，所述的生物过滤器包括颗粒的填充床5和一定体积的可运 动颗粒10，该填充床5由穿孔的保持顶6保持在所述反应器的下部中 防止向上运动，该一定体积的可运动颗粒10位于用于膨胀和去除污泥 的所述空间2内，且在用于膨胀和去除污泥的所述空间2的底部之上，
其中，所述填充床5的颗粒和所述一定体积的可运动的颗粒10 的颗粒是用于微生物膜的载体，
其中，所述可运动颗粒10的密度在900和1200kg/m3之间，优选 在920至980kg/m3之间，
其中，所述填充床5的颗粒密度低于900kg/m3，更优选低于 500kg/m3，
并且其中，所述可运动颗粒10是中空载体，所述中空载体包括受 保护的表面区域，所述受保护的表面区域被保护免于与其它载体元件 的表面相碰撞。
2.根据权利要求1所述的生物净化反应器，其中，用于膨胀和去 除污泥的所述空间2的体积V介于所述生物净化器的穿孔保持顶6下 方的总体积的30和80%之间，优选介于30和55%之间。
3.根据权利要求1或2所述的生物净化反应器，其中，使用所述 可运动的颗粒10填充用于膨胀和去除污泥的所述空间2的体积V的 20-70%，优选30-65%。
4.根据权利要求1-3所述的生物净化反应器，其中，所述的填充 床的颗粒是膨胀的颗粒，所述膨胀的颗粒的密度为15-100kg/m3，优 选为35-90kg/m3，更优选为60-90kg/m3，且颗粒尺寸为2-6mm，优选 为3-6mm。
5.根据权利要求1-4所述的生物净化反应器，其中，所述可运动 的颗粒10具有颗粒元件体积在500和1800m2/m3之间的总的比表面 积、优选范围为600至1400m2/m3，以及设计来允许水和气体良好地 流动穿过载体的流动通道。
6.根据权利要求1-5所述的生物净化反应器，其中，所述可运动 的颗粒10具有颗粒元件体积在300和1600m2/m3之间、并且优选范围 在500至1200m2/m3之间的高受保护表面区域。
7.根据权利要求1-6所述的生物净化反应器，其中所述可运动颗 粒10的长度和宽度的范围在10和70mm之间，优选在20至45mm 之间，其厚度的范围在1至30mm之间，优选在3至20mm之间。
8.根据权利要求1-7所述的生物净化反应器，其中，位于用于膨 胀和去除污泥的所述空间2的底部或位于所述底部之上的流体注入系 统3包括孔15，其中，所述孔15的尺寸被选择为小于所述可运动颗 粒10的选择的尺寸，以使得所述孔能保留所述可运动颗粒。
9.根据权利要求1-8所述的生物净化反应器，其中，第二气体注 入系统17位于颗粒的填充床5内。
10.一种用于对废水进行生物净化的方法，包括：
(i)提供权利要求1至9中任一项所述的生物净化反应器;
(ⅱ)使待生物净化的水向上通过所述反应器，并通过构成所述 生物过滤器的所述一定体积的可运动颗粒10和填充床5，并同时将气 体注入用于膨胀和去除污泥的所述空间2，并使得所述气体沿与所述 待生物净化的水同流的方向向上通过所述生物过滤器;
(ⅲ)通过使用处理并储存在所述反应器的上部7中的水的沿逆 流流动方向的快速流出来周期性地回洗所述一定体积的可运动颗粒 10和所述填充床5。
11.根据权利要求10所述的方法，其中当使用根据权利要求9 所述的生物净化反应器时，在步骤(ii)中，通过第二气体注入系统 17将气体同时注入填充床5中。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，以30-100m/h的 水流出速率执行回洗的步骤。
13.根据权利要求10-12所述的方法，其中，以10-100m/h、优 选为10-40的气流速率依次执行气体注入的步骤，其中，这些依次注 入的气体可以与打开回洗水阀交替地注入，或在回洗水阀被打开时同 时注入。
14.根据权利要求10-13所述的方法，还包括以下步骤：周期性 地进行简短的小清洗冲洗操作，以使得所述一定体积的可运动颗粒10 和填充床5内的悬浮固体松动，并使得能在两个回洗周期之间进行更 长的操作。
15.一种水处理设备，包括根据权利要求1至9中的生物反应器 的1-10个组，其中，所述生物反应器中的每个组包括1-20个、更优 选4-14个并行运行的生物反应器。
16.根据权利要求14或15所述的污水处理设备，其中，每次对 每个组的一个生物反应器执行回洗操作。
说明书
改进的生物污水净化反应器和方法
技术领域
本发明涉及废水(特别市政污水、工业废水和待制成饮用水的配 给水)的生物净化领域。具体地涉一种净化方法，其中，待被处理的 水和含氧的气体以上升的同流方式被送到同一反应器或生物过滤器 中，所述反应器或生物过滤器包括作为生物过滤材料的填充床和一定 体积的可运动的载体。
背景技术
已知例如水的生物处理包括通过自由的或固定的并包含各种微生 物(如细菌、酵母、原生动物、后生动物等)的净化生物物质的作用 来降解有机杂质。在使用自由生物物质(如活性污泥)的方法中，具 有较小沉降能力的各种微生物的高浓度不可能因为通过沉淀获得生物 物质的浓度而实现。因此，该方法就能施加的BOD(生物需氧量)和 COD(化学需氧量)的负载方面受到限制。在具有固定的生物物质的 系统中，生物物质(具有细菌)的浓度是通过使细菌附着至载体介质 而达到。因而，沉降能力不再是重要标准，这种技术具有的净化潜力 远远大于标准方法。
在基于固定生物物质的净化的原理的最有效的方法中，我们特别 地可以举出那些由本申请人研发和获得专利的方法，其是颗粒床的单 一的上流式反应器，由两个具有不同的颗粒度和不同的生物特性的区 域构成(公开号No.2358362的法国专利No.7621246;公开号No. 2439749的法国专利No.7830282;公开号No.2604990的法国专利No. 8613675)。
在所谓的自由生物质的技术中，在此特别参考使用流化床的方法， 其中，根据现在已经为公众所知的方法(日期为1963年的法国专利 No.1363510;日期为1962年的英国专利No.1034076)，用作生物过滤 器的材料包括其密度小于1的产品(例如，膨胀聚合物)，其不同的 变型实施例已成为众多的发明专利(法国专利No.330652，2406664， 2538800;美国专利No.4256573，日本专利No.58-153590等)。
使用这些漂浮物和流化颗粒床本身是有前途的，但带来一些困难， 并经常显示缺点。例如，如果重于水的材料(如沙或类似材料)流化， 则需要相当大的能量输入来泵送液体，很难控制将材料保持在反应器 内。为了克服这个能量消耗的缺点，已经提出了使用密度比水低的轻 材料的流化床，并在床的基部吹入空气，但供应向下流的水(在此参 考美国专利No.4256573和日本专利No.58153590)。然而，根据水的 一定下流速度，气泡被困在材料内，或由液体流带走，不能使反应器 正确充气。
现有技术中的困难已被研发的一种系统克服，如本申请人的申请 EP0504065所公开的，其中，在具有上升的同流的水和气体的单个反 应器或生物过滤器中，所使用的过滤装置和细菌的支持介质是颗粒的 固定床，这些颗粒具有比水低的密度(密度为35至65kg/m3)。特别 优选的是，使用颗粒度尺寸范围为从2mm至6mm的发泡聚苯乙烯球。
EP0504065的反应器从底部到顶部包括：用于膨胀和去除介质的 污泥和沉淀松动的污泥的区域;至少一个空气注入装置;由一层上述 的轻材料构成的过滤材料的区域;由混凝土或其它穿孔材料制成的顶; 最后，在反应器的顶部具有洗涤水储存区，在储存区的端部具有用于 除去经处理的废水的装置。
由本申请人开发的另一个反应器被公开在EP0347296中，其中， 所述反应器配有用于过滤的下部流化床和上部固定床。床中的颗粒由 密度小于1的膨胀颗粒构成。固定床的颗粒比流化床的颗粒更小和更 轻。
在该系统中也使用具有水和含氧气体的上升的同流的单一反应器 或生物过滤器。对于上述的两种叠加的床的组合，根据EP0347296的 方法使用比水轻的材料，但其颗粒度测、密度、床高度这些特性不同， 以便在一方面在注入含氧气体的期间在上部床不具有明显扰动的情况 下获得下部床的流化，另一方面当使用逆流洗涤时在轻材料膨胀阶段 获得两层或两个床的“自动”再分层。
在静止时，这两层比水轻的材料粘在一起，这是因为它们的密度 不同。当使用逆流洗涤过滤器时保持这种分层。当空气被通过扩散装 置引入到过滤器的基部时，通过材料的空气和水的混合物也具有类似 于上述下层中的颗粒的密度。在这种情况下，下部床由含氧气体气泡 的上升运动而流化，这导致了气体、待处理的水和附着在床的颗粒上 的“生物膜”之间的强烈交换。
对于下流化床，颗粒度可以在3至15mm之间变化，体积质量一 般是在300和800g/l之间，床的高度范围为0.2至2m，这取决于所 用反应器的类型;在上固定床中，轻的颗粒的平均直径是从1到10mm， 而体积质量在从20至100g/l之间变化，高度可以在0.5-3米之间变化。 最后，在上述的变化的情况下，安装在上部床上方的上层包括从3到 20mm尺寸的颗粒，具有10-50g/l的体积质量和0.10-0.50米的高度或 厚度。
可用作过滤介质/细菌支持物的轻材料的颗粒是例如发泡塑料材 料、闭室材料(由聚烯烃、聚苯乙烯、合成橡胶的聚合物和共聚物等 制成);轻矿物材料(如粘土或膨胀页岩)或纤维素产品(如木材颗 粒)。这些材料的颗粒可以是各种形式，例如，有利地：球，圆柱豆 荚状物等。在实践中，为有效地执行方法，重要的是，在本发明的上 下文中使用的轻颗粒的密度从下层(流化床)到上层然后到前述支撑 层越来越低。例如，密度范围可分别为：0.5-0.8(流化床)，0.3-0.1 (固定床)和0.005-0.08(上支撑床)。
在另一个申请FR2741872中，本申请人公开了另一种水处理反应 器，其中固定床和流化床相结合。该反应器具有固定的三维结构的硬 质PVC材料的第一过滤区，以及填充有填充材料(例如像发泡聚苯乙 烯球，其具比水低的密度)的被固定的第二过滤区。由于这样的反应 器中的常见的问题是在回洗期间在逆流中的颗粒损失，因此该反应器 设置了两个区域之间的空间，所述空间在洗涤期间允许第二过滤区的 固定床膨胀。注入氧气的装置设置在该空间中。因而仅在第一区域(保 持缺氧)的上方注入氧。空气仅进入第二区域。在这种反应器中，两 个不同区域相结合，一个用于去硝化，一个用于硝化。
这些生物反应器中所用的颗粒对在颗粒上的生物膜的生长不提供 任何受保护的表面区域，这是因为所使用的颗粒是小球形颗粒。因而 生物膜仅可以在球形颗粒的表面上生长，其中没有被保护免于可能由 球形颗粒的碰撞导致的任何损害。
与此相反，如EP0750591中公开的载体较大，并为生物膜提供了 防止磨损的大表面，生物膜的更大(与可使用的小载体相比)的氧气 限制不显著减小方法的效率。
EP0750591中的大的载体元件具有类似于涡轮机叶轮的结构，其 中径向内部壁通过外圈而相互连接，并形成多个轴向通道。载体的内 表面的大面积从而被保护免于收到其它载体的表面的磨损。此外，流 动通道允许水良好地流动通过。EP1340720和EP05785314中描述了 其它合适的载体。
EP0750591的载体的元件的密度与水的密度接近，使得具有生物 膜的载体在反应器中在水中保持悬浮和运动。这避免了载体中的水保 持静止，并确保空气能够通过载体的内通道。
本发明的申请人组合了其先前的反应器的装置的优点与例如 EP0750591、EP1340720和EP05785314中公开的类型的载体的优点， 以提供显示高的产量提高的、改进的水净化方法。同时，本发明的目 的是提供不增加体积而提供高产量的反应器。
提供的方案是根据本发明的用于废水的生物净化的一种改进的反 应器和方法，其进一步描述如下。
发明内容
本发明涉及一种生物净化反应器，包括用于膨胀和去除污泥的具 有体积V的空间;位于靠近用于膨胀和去除污泥的所述空间的底部 的下部区域中的气体注入系统;位于用于膨胀和去除污泥的空间的底 部或位于所述底部之上的流体注入系统;和生物过滤器。所述的生物 过滤器包括由穿孔的保持顶保持在所述反应器的下部中防止向上的运 动的颗粒的填充床，以及位于用于膨胀和去除污泥的所述空间内的且 在用于膨胀和去除污泥的所述空间的底部之上的一定体积的可运动颗 粒。
所述填充床的颗粒和所述一定体积的可运动颗粒的颗粒是微生物 膜的载体。
可运动颗粒的密度在900和1200kg/m3之间，优选在920至980 kg/m3之间。填充床的颗粒的密度低于900kg/m3，更优选低于500 kg/m3。
可运动颗粒是中空载体，所述中空载体包括受保护的表面区域， 所述表面区域被保护免于与其它载体元件的表面相碰撞。
在本发明的另一实施例中，可运动的颗粒具有颗粒元件体积的在 500和1800m2/m3之间、优选范围为600至1400m2/m3之间的总的比 表面积，以及设计来允许水和气体良好地流动穿过载体的流动通道。 本文所使用的术语“每颗粒元件体积的表面面积”指的是可运动颗粒的 表面被除以颗粒本身的体积。在本申请中它不是指在这种载体的特征 的商业说明中所通常使用的术语“每颗粒毛体积的表面面积”。
而且可运动的颗粒优选具有颗粒元件体积的在300和1600m2/m3之间、优选范围为500至1200m2/m3之间的高受保护表面面积。它们 的长度和宽度介于10和70mm之间，优选在20至45mm之间。其厚 度在1至30mm的范围之间，优选在3至20mm的范围之间。
在本发明的一个优选实施例中，用于膨胀和去除污泥的所述空间 的体积V介于所述生物净化器的穿孔保持顶下方的总体积的30和 80%之间，优选介于30和55%之间。在一个实施例中，使用所述可 运动的颗粒填充该体积V的20-70%，优选30-65%。
在另一优选实施例中，所述的填充床的颗粒是膨胀的颗粒，其密 度为15-100kg/m3，优选为35-90kg/m3，更优选为60-90kg/m3，且 其颗粒尺寸为2-6mm。且颗粒尺寸优选大于3mm以避免填充床的颗 粒堵塞可运动颗粒。
在另一优选的实施例中，流体注入系统包括孔。所述孔的尺寸被 选择为小于所述可运动颗粒的选择的尺寸，以使得颗粒不能穿过所述 孔并由流体注入系统保持。
在一个优选的实施例中，生物净化反应器包括第二气体注入系统， 所述第二气体注入系统位于颗粒的填充床内。
本发明还涉及一种用于对废水进行生物净化的方法，包括提供上 述生物净化反应器的第一步骤。
本发明的方法的第二步骤包括：使待生物净化的水向上通过所述 反应器，并通过构成所述生物过滤器的一定体积的可运动载体和填充 床，并同时将气体注入用于膨胀和去除污泥的空间，并使得所述气体 沿与待生物净化的水同流的方向向上通过所述生物过滤器。
本发明的方法的第三骤包括：通过使用处理并储存在所述反应器 的上部中的水的沿逆流流动方向的快速流出来周期性地回洗所述填充 床和一定体积的可运动载体。
在本发明的方法的一个实施例中，当生物净化反应器包括位于颗 粒的填充床内的第二气体注入系统时，通过第二气体注入系统将气体 同时注入填充床中。
在所述方法的优选的实施例中，以30-100m/h的水流出速率执行 回洗的步骤。可能的是，在回洗期间，气体能被注入以改善对多余生 物污泥的松动。以10-100m/h(优选为10-40m/h)的气流速率依次执 行气体的注入，其中，这些依次注入的气体可以与打开回洗水阀交替 地注入，或在回洗水阀被打开时同时注入。
在一个优选的实施例中，该方法还包括以下步骤：周期性地进行 简短的小洗涤冲洗操作，以使得所述一定体积的可运动颗粒和填充床 内的悬浮固体松动，并使得能在两个回洗周期之间进行更长的操作。
本发明还涉及一种水处理设备，其包括一组或多组上述生物反应 器。每组生物反应器包括并行运行的1-20个生物反应器。优选地，为 了顺利运行，在并行运行中在一组中应用4-14个生物反应器。
根据本发明的水处理设备可以包括在1到10之间的生物反应器的 组。
在另一实施例中，一次对于每组一个生物反应器执行水处理设备 中的回洗操作。虽然一次只能回洗每组的一个生物反应器，但是使用 多个组允许一次回洗操作多于一个生物反应器。