申请日2012.08.06
公开(公告)日2014.06.04
IPC分类号B01D33/70
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。用于处理污水的方法和装置可用由大体积空气驱动的、用于推动水和/或固体的气提装置来强化。该装置可用大气泡使水产生偶尔的浪涛式运动从而传输大量的液体，同时减少了氧气向周围液体的传递。同常规装置和/或工艺相比，本发明的装置和工艺能更加简便和有效地处理污水，降低了操作和维护费用。
权利要求书
1.一种处理水和污水的生物反应器，其中包含：
(a)一个具有一个进口和一个出口的池子;
(b)一种将所述池子分隔成一个混和区，一个好氧区，和一个静态区的 方法;
(c)所述混和区与池子的进口相连，并包含一种混和方法;
(d)所述好氧区包含一种将氧气传到该区，并混和该区的方法;
(e)所述静态区与池子的出口相连;
(f)所述混和方法由空气驱动，并能够使液体产生周期性浪涛式的提升 运动;
(g)一种将静态区污泥回流到所述混和区的方法。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于利用多个混和区，进水进入到第 一个混和区，污泥从静态区回流到所述多个混和区。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于利用多个混和区和好氧区组合， 进水进入到所有混和区，污泥则从所述静态区回流到最上游的混和区。
4.一种处理水和污水的生物反应器，其中包含：
(a)一个具有一个进口和一个出口的池子;
(b)一种将所述池子分隔成两个区，分别为一个交替反应区和一个静态 区的方法;
(c)所述交替反应区内包含一种混和方法和一种曝气方法;
(d)所述静态区与池子的出口相连;
(e)一种将所述静态区内污泥回流到所述交替反应区的方法;
(f)所述曝气方法循环性地开启和关闭;
(g)所述混和方法至少是在不曝气的时候启动;
(h)一种将进水泵到交替反应区的、至少是在不曝气的时段内一部分时 间运行的方法。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，在所述交替反应区和所述静态 区之间加一个好氧完善区。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述交替反应区的前面加一 个含有一种混和方法的混和区，以及一种将污泥从所述静态区回流到所述混和 区的方法。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，在所述交替反应区的前面加一 个含有一种混和方法的混和区，以及将污泥从所述静态区回流到所述混和区的 一种方法。
8.一种处理水和污水的生物方法，其中包括：
(a)一个具有一个进口和一个出口的池子;
(b)一种将所述池子分隔成一个混和区，一个好氧区，和一个静态区的 方法;
(c)所述混和区与池子的进口相连，并包含一种混和方法;
(d)所述好氧区包含一种将氧气传到该区，并混和该区的方法;
(e)所述静态区与池子的出口相连;
(f)所述混和方法由空气驱动，并能够使液体产生周期性浪涛式提升运 动;
(g)一种将静态区污泥回流到所述混和区的方法。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于利用多个混和区，进水进入到第 一个混和区，污泥从静态区回流到所述多个混和区。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于利用多个混和区和好氧区组合， 进水进入到所有混和区，污泥则从所述静态区回流到最上游的混和区。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于至少是利用好氧区出水中的 氨的浓度来控制曝气。
12.如权利要求11所述的方法，还包括根据好氧区内的溶解氧的浓度来控 制污泥排放的方法。
13.一种处理水和污水的生物方法，其中包含：
(a)一个具有一个进口和一个出口的池子;
(b)一种将所述池子分隔成两个区，分别为一个交替反应区和一个静态 区的方法;
(c)所述交替反应区内包含一种混和方法和一种曝气方法;
(d)所述静态区与池子的出口相连;
(e)一种将所述静态区内污泥回流到所述交替反应区的方法;
(f)所述曝气方法循环性地开启和关闭;
(g)所述混和方法至少是在不曝气的时候启动;
(h)一种将进水泵到交替反应区的、至少是在不曝气的时段内一部分时 间运行的方法。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述交替反应区和所述静 态区之间加一个好氧完善区。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述交替反应区的前面加 一个含有一种混和方法的混和区，以及一种将污泥从所述静态区回流到所述混 和区的方法。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述交替反应区的前面加 一个含有一种混和方法的混和区，以及一种将污泥从所述静态区回流到所述混 和区的方法。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于至少是利用好氧区出水中的氨 的浓度控制曝气。
18.如权利要求17所述的方法，还包括根据好氧区内的溶解氧的浓度控制 污泥排放的方法。
19.一种用于处理有机废物或污水的装置，其中包括：
(a)一个具有一个进口，一个出口，一个气体出口，以及一种混和方法 的池子;
(b)所述混和方法由气体驱动，并能使池内的成分产生周期性浪涛式的 提升运动。
20.如权利要求19所述的装置，还包括将所有气体导入所述混和方法的方 法，和/或将沼气回流到所述混和方法的方法，将固体滞留在池子内因此降低 出流中固体含量的方法，使所述混和方法振荡的方法。
21.如权利要求19所述的装置，在同一个池子内还包括多种混和方法。
22.一种用于处理有机废物或污水的方法，其中包括：
(a)一个具有一个进口，一个出口，一个气体出口，以及一种混和方法 的池子;
(b)所述混和方法由气体驱动，并能使池内的成分产生周期性浪涛式的 提升运动。
23.如权利要求22所述的方法，还包括将所有气体导入所述混和方法的方 法，和/或将沼气回流到所述混和方法的方法，将固体滞留在池子内因此降低 出流中固体含量的方法，使所述混和方法振荡的方法。
24.如权利要求22所述的方法，在同一个池子内还包括多种混和方法。
25.一种用于提升液体和/或液体中固体的装置，其中包括：
(a)一个引导液体和/或液体中固体的提升管;
(b)一个用于收集和合并气体的容器;
(c)一个连接所述提升管与所述容器的、能使气体从所述容器一次性导 入所述提升管的三路通道;
(d)一种气源。
26.一种用于提升液体和/或液体中固体的装置，其中包括：
(a)一个引导液体和/或液体中固体的提升管;
(b)一个包含至少一部分所述提升管的、收集和合并气体的容器;
(c)一个与上部提升管重叠的下部提升管，其中在下部提升管的内壁与 上部提升管的外壁之间形成一个通道;
(d)一种气源。
27.一种用于提升液体和/或液体中固体的方法，其中包括：
(a)一个引导液体和/或液体中固体的提升管;
(b)一个用于收集和合并气体的容器;
(c)一个连接所述提升管与所述容器的、能使气体从所述容器一次性导 入所述提升管的三路通道;
(d)一种气源。
28.一种用于提升液体和/或液体中固体的方法，其中包括：
(a)一个引导液体和/或液体中固体的提升管;
(b)一个包含至少一部分所述提升管的、收集和合并气体的容器;
(c)一个与上部提升管部分重叠的下部提升管，其中在下部提升管的内 壁与上部提升管的外壁之间形成一个通道;
(d)一种气源。
说明书
水和污水处理的装置和方法
引用的相关申请
本申请要求的优先权：美国临时专利申请号61/515，855，提交于2011年8 月6日;美国临时专利申请号61/515，967，提交于2011年8月7日;美国临时专 利申请号61/521，653，提交于2011年8月9日;和美国临时专利申请号61/525， 760，提交于2011年8月20日。
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。传统活性污泥工艺包 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(通常称之为二沉池)。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，污染物被降解或被吸附在活 性污泥上。曝气池的混和液然后进入二沉池进行固-液分离。二沉池的上清 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。排放的污泥或高浓度污水还可 以采用厌氧法来生产沼气并同时降低污染负荷。
在大多数情况下，污水中还含有有机氮、氨和磷。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，有机氮和氨在收纳 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然后好氧区，则可以驯化出一类有利于磷吸收的 微生物。
硝化/反硝化组合可经由多种方式实现。传统的方法包括一个生物反应器 和一个二沉池。生物反应器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/或混和液的回流向缺氧区提供硝酸盐。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。如果好氧 区是在缺氧区之前，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。
阶段进水/阶段曝气工艺也可以用来进行硝化和反硝化。在这一工艺中， 生物反应器被分隔成几个缺氧/好氧段组合。在好氧段进行曝气以实现硝化。 然而，进水需被分别送到每一个缺氧段，并与从前面的好氧段进来的硝化后的 混和液混和进行反硝化。这个工艺利用进水中的有机物进行反硝化。然而，二 沉池的污泥需回流到最前面的缺氧段，以提供足够的生物量来进行硝化和反硝 化。
此外，还有一种交替好氧-缺氧工艺用于去除总氮。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。在缺氧条件下开始 进水并进行反硝化。这一工艺仍需要用二沉池进行固-液分离，并需要一套 独立的污泥回流系统为生物反应器接种进行生物反应。
同时硝化/反硝化工艺也在同一个池子内实现硝化和反硝化。在该工艺中， 整个池子内要保持很低的溶解氧，使活性污泥的絮体内部保持缺氧条件，进而 使扩散到絮体内部的硝酸盐/亚硝酸盐被反硝化。然而，保持精确的低溶解氧 浓度需要一个复杂的控制系统。此外，低溶解氧降低硝化速率。这一工艺也需 要用二沉池进行固-液分离，并需要一套独立的污泥回流系统为生物反应器 接种。
序批式反应器(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工艺使用机械撇水装置，不太可能对上 清液进行频繁但小体积的撇除-尽管这对降低出水硝酸盐的浓度是必须的， 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。
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BOD降解和硝化的好氧区。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二沉池进行固-液分离;二沉池中沉 淀的污泥被回流到缺氧区以提供生物处理所需的微生物。二沉池的上清液排 出。缺氧区通常通过机械设备进行连续混和。
图2展示了用于深度硝化和反硝化的传统分段进水工艺。它包括几段或区 来交替进行反硝化和硝化。类似于前缺氧工艺，它有一个独立的二沉池，污泥 从二沉池回流到第一个缺氧区，并且所有的缺氧区通常用机械装置进行连续混 和。进水被分配到多个缺氧区内，以降低后续好氧区产生的硝酸盐的量，并且 提供碳源进行反硝化。这一工艺可以达到更好的总氮去除效果。
图3展示了在美国专利号6，787，035所公开的，含有内沉降装置(24，26， 28，30)以便自动将污泥回流到好氧区(18)的生物反应器。这个系统使用一 个好氧区(18)去除BOD和进行硝化，同时回流一部分混和液到前面的缺氧区 (16)进行反硝化。补充污泥还可从最终沉淀池(36)，通过一个污泥回流装 置(38)，回流到所述生物反应器。在正常操作期间，污水连续地进入生物反 应器，曝气装置(22)连续对生物反应器充氧。
厌氧消化池已在世界许多地区被广泛利用，将人畜粪便、高浓度污水、以 及污泥转化成沼气，用于做饭、取暖和发电。厌氧消化池的主要部件是一个池 子。该池子接收并在厌氧条件下消化有机物质。在消化过程中微生物将有机物 经过多次代谢后转化为甲烷气体。
高效厌氧消化池和传统厌氧消化池之间的主要区别在于是否有混和。适当 的混和可以显著提高消化性能，因为它使得微生物和有机物之间的的接触更 好，防止了污泥沉积，并打碎了浮泥。大型设施通常使用高效厌氧消化池。机 械混和与气体混和等方法通常被用于高效消化池。这些混和方法通常需要从外 部输入能量和定期维护。例如，机械混和装置需要用叶轮和电机。混和强度相 对较轻的气体混和也需要一个气体压缩机从池子的顶部将气体回流到池子的 底部。对于小型设施(例如那些在家庭和小型社区使用的设施)，这些混和方 法都不经济。特别是，这些混和方法不能在没有电的地区使用。因此，只能用 大体积的没有混和装置的传统厌氧消化池来生产沼气。
在小型设施中安装传统的厌氧消化池代价较高。大批量安装这类传统消化 池的主要障碍是他们的大体积。大体积的池子需要占用大的面积以及更高的建 造成本，并且在大多数情况下需要在现场建造。大池子也更容易泄漏-沼气 的泄漏是沼气池失败的首要因素。由缺乏适当的混和，因此反应速率低，必需 要用大的体积。池中只存在由小沼气气泡上升造成的非常轻微的混和。
过去的一些厌氧消化池采用在池内安装螺旋桨类的混和装置混和，也可在 厌氧消化池内安装导流管混和器来改善混和性能。导流管混和器通常包含一个 螺旋桨搅拌器，将消化液从池子上部的液体表面以下，引到池子的底部。如果 一个池子内有一个以上的导流管，这些导流管的出口以特定的方式排列，可在 消化池内形成涡流。这样做有两个重要的功能：首先，如前所述，反应器内部 的紊流增加了微生物和基质的接触，从而增加了代谢活性和产气率;第二，表 面的搅动可以打碎浮泥，并将其重新引入到混和液中。过多的浮泥能影响厌氧 消化池的操作，如降低产气量和堵塞出流管道。
对于同样的产气量，高效完全混和式厌氧消化池具有较小的体积。能够进 行高效厌氧消化的便携式厌氧消化池通常具有相似反应器同样的组件(即，流 入管，流出管，排泥管等)。这样的反应器可以使用单个或多个叶轮将固体从 反应器的底部提升，分配到反应器的上部，同时打碎浮泥。其他类型的常规混 和装置，诸如导流管，注气，抽真空，搅拌叶片等，也可用于消化池的混和。 消化池的出流口通常位于消化液表面的下面，以减少浮泥可能造成的堵塞。虽 然这种类型的反应器单位体积的产气量比传统的无混和的反应器高，但由于需 要从外部输入能量进行混和，使得整个反应器的净能量输出反而降低。
流体或流体状物质经常用机械装置传输;这包括提供正、负位移的装置(例 如，隔膜泵)，或直接将动能加到流体的装置(例如，离心泵)。这些类型的装 置通常有许多机械运动部件，因此，需要不断维护。
传统的气提泵也可用于传输与混和流体。同机械泵相比，传统气提泵的优 势在于它没有机械动件，不存在机械磨损而引起的问题。由于用气体驱动气提 泵，使得泵本身容易维护或无维护问题。此外，相比于机械泵，气提泵不易损 坏，重量轻，便于安装和运输。在传统气提泵中，当空气引入提升管后，管内 流体的密度降低，从而使液体和固体从提升管的底部传输到顶部。
传统的气提泵也有缺点。最大的缺点是它无法对流体施加高水头或压力。 此外，气提泵只局限于相对较小的管径，因此不能达到高流量。如果气提泵的 管径较大，管内气泡相对分散，不能以大气泡的形式存在。因此，提升力随着 管径的增加而减小。
如果有一种方法和装置，能够在管道内形成大气泡来提升液体，泵的性能 会得到改善。另外，泵不会因管径的增大而失去提升力，从而达到更高的流量。 大气泡引起的强大提升力也可用于混和各种类型反应器内的流体。
有的用以改善气提泵效率的方法是通过将空气引入到气提泵，使气体在液 面下的一个容积内累积。一旦气体达到预定体积，气体会通过一个通道进入到 泵的提升管。这样的装置可以被看作是“浪涛式提升”装置，因为它们在收集 到的气体后达到预定体积后，能在一次“浪涛”中释放以提高泵的性能。当气 泡膨胀并充满整个提升管时，产生了比传统气提泵内小气泡更大的提升力。也 有其他的方法，通过添加一根供气管，将气体连续供给到提升管，使得气提泵 在两次大气泡浪涛之间能够以传统气提泵的方式运转，有效地提高流量。所有 这些先前的用于增加气提泵效率的方法都用弯头将空气从气室引到提升管。在 某些应用中，这类引入空气的方法能被堵塞，导致泵不工作。
发明简述
本发明所公开的一个实施例是一种悬浮生长法生物反应器和方法，其中包 括一个或多个在厌氧或缺氧条件下工作的混和区，一个用于硝化和去除BOD的 好氧区，一个用于污泥沉降和浓缩的、底部开放或封闭的静态区，一种将污泥 从静态区回流到一个混和区或者几个混和区的液体输送装置;该液体输送装置 还可能是一种将生物从静态区自动回流到好氧区的方法。还可用一系列混和区 以增加反硝化和/或除磷效果。在不同的区域内的混和由空气驱动的浪涛式提 升装置来完成。
本发明所公开的另一个实施例是一种以污泥内回流取代传统的污泥从终 沉池回流的悬浮生长法生物反应器和工艺，并在该反应器的单一反应区内交替 运行不同的条件，使微生物在不同的时间段实现特定的功能。它包括一个在交 替混和/好氧条件下运行的交替反应区以去除污染物，一个静态区将污泥沉降 和浓缩，和一种将生物固体从静态区回流到交替反应区的方法。混和可以通过 用气体驱动的浪涛提升装置来实现。
本发明所公开的又一实施例包括一个混和和好氧交替运行的生物反应器， 以实现在有氧和无氧条件下的生物反应。在好氧阶段反应器内的BOD被转化为 二氧化碳和生物，氨氮/有机氮被转化为硝酸盐或亚硝酸盐。在缺氧阶段的进 水进入反应器后，提供反硝化所需的碳源，将硝酸盐或亚硝酸盐转化为氮气。 在缺氧阶段由混和装置进行混和。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包括在交替反应区的上游增加一个厌氧区，以 提高生物处理效果。在某些情况下需包括一种将生物固体从静态区传输到厌氧 区或者厌氧区同交替反应区的方法。此外，静态区中的固体也可以通过回流装 置回流到交替反应区，而不是通过反应器内自然的水力方式进行污泥回流。
本发明所公开的另一个实施例描述了一种方法和装置，能够在泵的管道内 形成大直径气泡(如气动提升泵)，以产生比传统气提泵更高的提升能力。这 个特定的实施例包括一个气体收集室和一种将气体传输到泵的管道的方法。气 体收集室收集的小气泡不断合并，在达到一定体积后，排放到泵的提升管。其 结果是，在泵的提升管内的大气泡利用气体的浮力推动泵提升管中的液体向上 流。
本发明所公开的又一实施例描述了一种方法和装置，通过厌氧消化有机 物，例如动物和人的粪便、生物固体、污水等，产生沼气。这个特定的实施例 包括一个池子和一个自动混和装置。在池子下部所产生的沼气气泡被收集与合 并。在达到一定体积后气体被一次性释放到提升管，在提升管内产生很强的吸 力，将池子底部的固体和液体提升到池子的上部，有效地混和了池子。该混和 也降低了在池底积泥的可能，同时打碎了池内的浮泥。池内的污泥在进料时通 过出口被置换排出。