用於處理廢水的方法和裝置的製作方法

2023-12-08 10:04:51 3

專利名稱：用於處理廢水的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種對廢水進行處理的方法，其中，使廢水在一個通常由兩個反應區 構成的反應器內進行處理。所述反應器被設置成能夠在一個反應器容積內既以缺氧/厭氧 的方式又以好氧的方式來對水進行處理。根據本發明，所述反應器特別適用於處理工業廢 水、生活汙水、農業廢水或其它的廢水。這就必須優選將大部分的懸浮固體從進料水中除 去，同時儘可能多地除去來自反應器的被處理的流出液中的全部生物物質。將根據本發明 的反應器設計成對來自反應器的被處理的流出液中的懸浮固體進行還原，從而減少對流出 液進行後處理操作(如物理/化學沉降)的需要，減少對反應器進行清洗和後處理過程中 的用水量，並顯著減少後處理所使用的化學藥品的量，還便於對反應器進行維護。從環境的 角度來看，減少水和化學藥品的用量是特別值得關注的。進一步將根據本發明的反應器構 造成用於減少過量的好氧汙泥的量以及因此減少對汙泥進行清理的後處理(如傳統的汙 泥脫水、傳統的汙泥穩定作用、化學消毒或其它的後處理技術)的需要。鑑於本反應器構思 的新穎性和創造性，本發明還能減少對水進行處理所需要的能量。
背景技術：
已經廣泛地採用生物學反應器或生物反應器來對汙染物進行生物降解，如處理系 統中的城市汙水和工業廢水中的可通過生物學進行消耗的有機物和無機物。商業上通常使 用兩種類型的生物學反應器i)活性汙泥反應器，和ii)生物膜反應器。採用傳統活性汙 泥反應器和生物膜反應器的生物學廢水處理系統的傳統設計需要汙泥或顆粒分離單元，以 在將廢水排到天然儲水池中之前從來自反應器的廢水中除去一些懸浮固體。若不需顆粒分 離單元，則能降低廢水處理系統的資金成本以及例如用電和化學藥品使用而產生的運行成 本。對傳統的生物學廢水處理系統的定期維護也會增加成本，還會使乾淨的流出液的 產量受到損失。此外，廢水處理系統中採用的活性汙泥和生物膜好氧生物學反應器必須包 括針對汙泥處理的額外管理，因此使汙泥處理系統的成本增加。這就需要對背景技術中的 來自好氧生物學反應器的過量汙泥進行適當的管理和充分的處理。流出液中懸浮固體的高濃度、流出液的高粘度以及在傳統好氧活性汙泥生物學反 應器中對過量汙泥進行的管理會造成操作上的困難，並產生額外的用於整個廢水處理系統 和清潔水生產系統的資金成本。本發明被構造成至少能解決由於進料水處理系統中高懸浮固體量和過量好氧汙 泥產量造成的一些問題，並因此極大地降低了生物學進料水處理系統的運行和維護成本。本發明提供了一種新型生物學反應器，該反應器被設計成能控制反應器內的懸浮 固體的量，以減少好氧消耗過程中產生的過量好氧汙泥的量，並使產生的流出液中的懸浮 固體的濃度較低。一般生物學背景廢水的組成可能因廢水產生地的不同而有差別，且還與水質、用途、保護性措施、培養特性(cultural attributes)、工業活動以及當地進行的各種工業處理有關。通過使原 廢水溢出到接受者(recipient)後造成的一個問題就是由於作為生物生長的限制因子的 營養物質(氮、磷和有機物)的引入，而使接受者發生富營養化。原廢水排入環境後會造成 病原微生物的蔓延以及各種重金屬發生富集和儲存的風險。用生物學反應器對處理系統內 的城市汙水和工業廢水中的有機物或無機物進行生物降解。厭氧/缺氧廢水處理是一種通常不需要提供空氣或氧元素的對廢水進行生物學 處理的方法。厭氧/缺氧微生物能將廢水中的有機化合物進行轉化，並產生含有大量甲烷 及一些二氧化碳的氣體(被稱為沼氣)。厭氧/缺氧細菌能在厭氧/缺氧環境下發生脫氮作用。無氧環境下的脫氮過程可 以將亞硝酸鹽/硝酸鹽轉化成為即使被排入大氣也是無害的氮氣。硝酸鹽是不希望存在於 廢水中的物質，它易於滲入地下水並在其中對富營養化過程產生重要的影響。在排水工程領域(wastewater engineering)中，可以通過用化學方法將其氧化所 需氧氣的量來測量其中的有機物。所述氧氣量稱為「化學需氧量(COD) 」，大體來說它是表 示有機物含量或濃度的度量。COD高的廢水可以通過生物降解而被轉化為汙泥，但除去這些 汙泥的費用高昂並需要進行後處理。好氧廢水處理設備基本上是「廢棄汙泥製造廠」。由於 對廢水進行曝氣而必須持續地提供氧氣，因此為了操作通風裝置而耗費大量的能量。在生物好氧區域內會發生硝化作用。硝化作用是指用氧氣將氨通過生物氧化成為 亞硝酸鹽，然後將該亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。本發明所解決的一個主要問題是，降低廢水中不期望的成分的量從而防止對排出 的流出液造成汙染。
背景技術：
大量的現有水處理系統已投入使用，並是本領域所公知的。下面將對其中與本發 明最相關的進行描述。德國專利公開DE19758486A1，「以生物學方式將氮從廢水中除去的方法及裝置 (Method and device for biological removal of Nitrogen from wastewater)，，描述了 一種直立式罐式反應器，該反應器包括位於下部的厭氧反應區和位於上部的好氧反應區。 這兩個反應區被水平噴嘴板分開，水平噴嘴板的目的是防止汙泥從上部的好氧區域移動到 下部厭氧區。厭氧反應是在小尺寸顆粒的緻密濾材(filter)中進行的，該濾材被填充在所 述罐的整個直徑內，好氧反應是在大尺寸顆粒的不太緻密濾材中進行的，該濾材也被填充 在所述罐的整個直徑內。廢水由底部入口被泵送到下部厭氧區域的過濾器內。所述下部過 濾器收集廢水顆粒，並允許水與生成的氮氣向上進入上部好氧區內的疏孔過濾器中。空氣 管線將氧氣泵入罐中的上部過濾器之下。上部過濾器中發生的好氧過程產生了大量的汙 泥。為了除去來自下部過濾器和上部過濾器的廢物，需要暫停罐內的全部操作，並用上部的 乾淨儲水罐沿重力方向對整個系統進行衝刷，並通過底部入口(此時為出口)將罐內水排 出o1989年9月18日公布的日本專利JP 01231994摘要「汙水處理設備(Sewage treating equipment) 」也描述了一種能使廢水通過下遊厭氧反應濾床區域向上流動，然後 流經上部的好氧反應區的直立式罐。所謂的隔斷牆阻斷了下部厭氧反應區內可能形成的諸如氮和二氧化碳的氣體，所述隔斷牆是由同軸雙漏鬥形式形成於厭氧濾床上的裝置。氣體 通過氣體管線從漏鬥裝置上部排出罐外。來自下部厭氧反應區的水向上通過漏鬥形的隔斷 牆進入上部好氧濾床反應區內，該好氧濾床反應區由緊挨漏鬥形隔斷牆上方的氧氣管線從 下部向該反應區內提供氧氣。在好氧區域內，通過粘附在濾床材料內的懸浮物質上的好氧 微生物對水進行處理。所述濾床材料必須是可進行清洗或可替換的。位於上部濾床頂部的 防止濾床流出網防止懸浮的濾床材料流出。從該上方的上部防止網上收集到純淨水。1997年9月30日公布的日本專利JP 09253687摘要「廢水的厭氧和好氧處理以 及設備(Anaerobic and aerobic treatment and apparatus for waste water)，，中也描 述了一種直立罐式構造。水被從下部厭氧填充區引導至上層厭氧填充區，並在頂部設置有 純淨水的出口。曝氣裝置形成在上部好氧區和下部厭氧區之間的隔離帶。在下部填充床下 方設置了攪拌設備。2000年5月16日公布的美國專利US 6063273，「對廢水進行生物純化的設備 (Apparatus for the biological purification of waste water)，，中也描述了一禾中直立 罐式構造，該構造具有下部厭氧區、所謂的升流式厭氧汙泥床(UASB)-反應器和將下部與 上部好氧區分隔開的隔板。允許厭氧流出液向上通過隔板進入好氧反應區內。集氣裝置設 置在厭氧區域上方。在好氧反應器上安裝浮選分離器用於從純淨水中分離生物體。該美國 專利中描述的在好氧區域中產生的過量生物體將隨著多餘的水從好氧區底部流出，並通過 管線向上至浮選室，其中的氣泡將過量生物體碎屑帶入浮選室的水表面上。在表面上，生物 體碎屑能通過除沫器(skimmer)裝置流出，並通過安裝在中央的汙泥罐主管線排出系統。 US 6063273在第一欄第47-50行中特別指出「鑑於好氧反應器內的流動可能會相當湍急 的事實，厭氧生物體不能沉入厭氧反應器內，這會對淨化效果產生不利影響」。另外，我們引 用了第59-65行內容「隔板尤其確保了厭氧汙泥不會以進入好氧反應器而終結，而好氧汙 泥也不會沉入厭氧反應器內。」所引用的段落顯示出這兩個反應區被嚴格地分離開來，且它 們之間不會發生物體交換。為了除去淨化液體中產生的過量好氧生物體，在好氧反應器的 頂部安裝浮法分離設備。挪威專利N0 320361描述了一種經過改良的升流式汙泥床反應器，該反應器與上 述提及的UASB反應器相比具有更多的特徵——在厭氧區下方還具有供氧管線。增加的氧 氣管線的使用可以促進兼性生物體和好氧生物體的生長，因此能使反應器內的操作在厭氧 模式和好氧模式之間交替運行，這可以在一年中氣候變化時使用。上述提到的五種設備都普遍存在一些不足。在下部厭氧區產生的汙泥被單獨地從 罐的上部好氧區內產生的汙泥中除去。由於這兩個區域是分離的，且好氧區也並不是純淨 的，因此需要更多的氧氣，也即需要更多的能量。在背景技術中，通常將好氧區內產生的汙 泥從好氧區的頂部機械式地除去，或者必須經常對用於從純淨水中除去汙泥的濾材進行清 洗。還存在這樣的風險微生物會在管道中進行生長，而這是人們所不期望的。在其它因素中，背景技術的缺陷之一就是會產生懸浮固體和其它的化學物質。這 些成分可能會引起不期望的富營養化。
背景技術：
顯示，很多用於廢水處理的反應器都利用了 UASB(升流式厭氧汙泥 床)-反應器，該反應器包括直立放置的分離的厭氧區和好氧區。UASB反應器的特徵在於， 具有兩個被障礙物而隔開的區域，從而能防止好氧區內的物質向下流入厭氧區中，所述障礙物可以為例如噴嘴板、隔斷牆、濾材或組合有多孔板的隔離區。US 6132602描述了一種處理廢水用升流式直立反應器。所述公布內容中描述了 進行劇烈攪拌以及隨後待處理的生物物質在廢水中的分布，由於通過泵入大量空氣並使其 以氣泡形式通過該系統，因此它同時還結合地對廢水進行了大規模的氧化作用。在處理區 內分布良好的生物物質允許增大生物處理劑和較重的氧化廢水之間的接觸面積。接下來， 處理後的水和生物物質應該從外部流下至主處理器中，因此，生物物質將會沉積並在汙泥 區中進行厭氧處理，而廢水則被再次循環。根據該美國專利的一個主要目的是將生物物質 以不會使其發生結塊的方式進行分布。us 6132602的一個主要缺陷在於，首先分布良好的 生物物質不易於沉積到汙泥區內。為了避免結塊而使生物物質進行的活性分布將抵制部分 懸浮固體的除去。因而這就需要有第二沉積區，從而使設計變得複雜。此外，即使有第二 沉積區也將無法充分地除去全部的懸浮物體，因此需要對流出液進行進一步處理。這種設 計進一步顯示出通過上述系統鼓入大量空氣氣泡存在的不足，因而耗能巨大。除此以外， US6132602需要在反應器的空間內安裝大量盤形元件和管道，因此增加了資本支出並減少 了可利用的反應器體積。W0 9416999涉及一種二級水處理系統，其中，提供了一個單獨的反應器並且其中 設置有多個反應區。反應器內有三個主區域，其中最下面的區域9為汙泥收集區，次下級區 域10為缺氧沉積區，其上方為進行混合和曝氣的區域11，通過該區域對廢水進行泵送，該 區域還提供有浮球17，該浮球為具有浮力的塑料球，且這些浮球17上附著有細菌介質。但 是，這些具有浮力的球僅能將罐界定成三個區域，其中，僅罐的最頂部的面積為發生反應的 區域。好氧區內的水直接向下流動，而厭氧活性汙泥不會對廢水的處理產生影響。另外，該 反應器會根據氣流上升的方法而發揮作用，由此能耗巨大。由於對廢水進行的劇烈的攪拌， 流出液中還會含有大量的懸浮固體。EP 0428537描述了一種通過活性汙泥法用於對廢水進行生物純化的方法，其中， 通過將廢水交替地引入所述處理區內來使廢水與微生物分別在缺氧處理區和好氧處理區 中與微生物接觸。但是該方法還必須在額外的獨立好氧處理區內進行後續處理，然後將水 引入澄清池中。因此EP 0428537需要四個獨立空間來對水進行處理，其中兩個為好氧處理 空間。W0 9111396涉及一種製備所謂的「生物膜載體」及隨後用其對廢水進行處理的系 統和方法。綜述文獻，如Rodgers和Zhan的「動介質生物膜反應器(Moving-medium biofilm reactors)，，，環境禾鬥學與生物技術綜述(Reviews in Environmental Science and Biotechnology) 2 :213_2242003，以及 Kalago 和 Verstraete 的「厭氧汙泥床(ASB) 反應器在國內廢水處理中的發展目的和前景(Development of anaerobic sludge bed (ASB)reactor technologies for domestic wastewater treatment :motives and perspectives)」，世界微生物與生物技術雜誌(World journal of Microbiology & Biotechnology) 15 =523-534,1999，公開了多個不同的對廢水進行處理的方法，這些方法或 者已投入使用或者待使用。有必要提到生物轉盤(Rotating Biological Contactors,RBC) 和Rodgers和Zhan所討論的直立式動生物膜反應器。這兩種方法與本發明中討論的反應 器差別很大。作者還對已知的移動床生物膜反應器的方法進行了討論，其中，通過載體進行使用(如W0 9111396中的討論)。Kalago和Verstraete討論了多種用於對廢水進行厭氧處理的方法，但這些方法 較少地涉及到對得到的流出液進行好氧後處理。其中討論的方法均採用了升流式厭氧汙 泥床反應器(UASB)和建立在同一基礎上的腐敗物(s印tic)、膨脹顆粒汙泥床(expanded granular sludge bed，EGSB)、升流式水解汙泥床(hydrolysis upflow sludge bed，HUSB) 及這些方法的變體。注意到這通常需要好氧系統來對流出液進行後處理以有效地除去營養 物和病原體。後處理系統常具有實質性，實例包括兼期塘(facultative lagoon)和氧化池。Goncalves等人在水科學與技術(Water Science and Technology)，卷38，8-9期， 1998年11月20日，189-195頁中提出了一種通過結合升流式厭氧汙泥床(UASB)反應器和 浸沒式生物過濾器來對廢水進行兩步處理的方法。所述浸沒式生物過濾器主要是用於對在 UASB中進行廢水處理後，對流出液進行拋光(polishing)的步驟，且所描述的方法闡述了 背景技術系統的複雜性。浸沒式生物過濾器並未形成為UASB反應器的一部分，而是需要對 汙泥進行單獨處理，並且在厭氧操作和浸沒式生物過濾器之間沒有循環。

發明內容
本發明試圖克服上述有關減少反應器流出液中過量好氧汙泥的量和高固體濃度 的問題，以及本發明包括一種如隨附獨立權利要求1的裝置所限定的用於對汙染水進行 生物學處理的反應罐。本發明還包括隨附方法獨立權利要求11所限定的用於對汙染進料 水流進行處理的方法。本發明還包括如分別在權利要求20、21、22和23中所限定的用於對 城市汙水、工業廢水、農業廢水和水產養殖廢水進行處理的所述反應罐的使用方法。一般認為，用於啟動生物學反應器的常規方法也可以用於啟動根據本發明的反應 器，即，在反應區內接種或者通過使廢水以設定的運行條件進入反應罐來進行調節。已經存 在於廢水中的厭氧/缺氧微生物將在下部厭氧/缺氧區內生長，而廢水中的好氧微生物將 存在於好氧區內。隨著厭氧/缺氧操作和好氧操作的建立並進行物質交換，緩慢地將廢水 通入到該系統中，該方法的整體效果是品質良好的流出液從好氧區流出，而過量的好氧汙 泥在厭氧/缺氧區內被收集，汙泥廢物將從該處被清除掉。本發明的優勢及對存在於現有技術中的一些問題的解決方法本發明的第一個優勢在於，主要通過在一個反應器容積內既在缺氧/厭氧條件進 行水處理，又在好氧條件下進行水處理。進料水和流出液中的大部分懸浮固體將通過生物 學和水動力學的方式被除去。在本發明中，上部好氧區內產生的生物物質能暴露於下部的 厭氧/缺氧區，從而減少了產生的好氧汙泥質量的總量，這相悖於背景技術中的裝置，在背 景技術中，要防止好氧區內產生的有機物落入缺氧/厭氧區內。在本發明中，好氧允許產生 於上部好氧區的生物物質暴露於下部的厭氧/缺氧區，因此減少了所產生的總汙泥質量。 大量的生長於好氧區內的生物體被向下引導至厭氧/缺氧區內進行再操作，最終產生汙泥 廢物。本發明的第二個優勢在於，本發明能更有效地降解進料水中的有機化合物，結果 能減少產生的汙泥廢物的量並由此減少了對環境的汙染。這將在反應器內造成較少的堵塞 問題，並因此減少了對汙泥處理進行的後處理(如傳統的汙泥脫水、傳統的汙泥穩定作用、 化學消毒或其它的後處理技術)的需要。
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本發明的優於背景技術的第三個優勢在於，最終的汙泥的除去步驟發生在厭氧/ 缺氧區，這解決了需要從上部好氧區除去汙泥的問題。本發明的第四個優勢在於，主要減少了無機化學物和有機化學物，以及廢水中的 固體顆粒，降低了使接受者發生富氧化的風險。本發明的第五個優勢在於增加了汙泥在厭氧/缺氧反應區內的停留時間，並因此 可以有更多的時間用來使淤泥進行重力壓縮和穩定化，因此減少了得到的汙泥的體積。本發明的第六個優勢在於減少了對氧的需求，從而減少了用於將空氣泵送為泡沫 分散劑從而在好氧區下方釋放氧氣氣泡所需的能耗。本發明的第七個優勢在於實現了改善水質的同時使用了較少的能量。本發明的第八個優勢在於，當分離結構引導於好氧區內產生的生物體顆粒向下落 入厭氧/缺氧區時，同一分離結構引導水從厭氧/缺氧區向上流入好氧區內，並防止氧氣擴 散到厭氧/缺氧區內。本發明的第九個優勢在於，鑑於流出液的良好品質與低懸浮固體濃度有關，因此 能根據流出液的目標用途而極大地減少對後處理的需要。由於減少了對用於後處理操作中 的化學藥物的需要，使得後處理操作的資金成本也降低了。本發明的第十個優勢在於，即使生物體在上部好氧反應區內產生，該生物體也可 以在重力作用下被運輸至下部厭氧/缺氧反應區內，從而能在厭氧/缺氧區內主要用於對 過量好氧生物體的降解並產生汙泥廢物。可以通過定期或連續地將汙泥從下部厭氧/缺氧 區內除去來控制生物體與汙泥在下部反應區內的停留時間，且有利於有足夠的時間使汙泥 壓縮和穩定化。這將產生較少的汙泥廢物體積，並由於減少了進行後處理的需要，以及由 於減輕了汙泥廢物的質量從而減少了對汙泥廢物進行運輸的要求，從而減少了後處理的成 本。本發明還具有的優勢是，與背景技術(需要用於在上部好氧區產生汙泥的汙泥出 口)不同的是，本發明不需要從好氧區除去汙泥的出口。本發明的反應器被構造成在一個反應器容積內同時對水進行厭氧/缺氧和有氧 處理。
背景技術：
描述的對依次進入處理區內的廢水進行生物淨化的單向流動法與本發明的 區別在於，本發明的反應器在一個容器內進行整合操作，並且其中，好氧區內的生物體被引 導至厭氧/缺氧區內，以通過有利的自驅動水動力學循環裝置進行進一步的處理。根據現有技術對廢水進行的好氧處理可能是個耗能過程，其中形成了大量的好氧 汙泥。厭氧/缺氧汙泥處理可能需要較少的能量。通過在同一個反應器容積內結合這兩種 好氧和厭氧/缺氧系統，並利用重力使被選擇的組分在選擇的方向上進行運輸，人們可以 在獲得環境上優勢的同時減少各系統的不足。


通過附圖對本發明進行說明，這些附圖不在任何方式上限制本發明的範圍，所述 範圍僅由權利要求書所限。圖1描述了根據本發明的反應器的一種實施方式。所示的進料水入口 1包括後方 的進料水流分布器11。還示出了可能的厭氧/缺氧區的汙泥廢物出口 21。示出了具有好氧 區的上部分頂部的流出液出口 22。下部缺氧/厭氧反應區31中可以含有活性汙泥和/或
9生物膜介質51。上部好氧反應區32中含有生物膜介質52。分離結構4位於上部好氧反應 區和下部厭氧/缺氧反應區之間。在所示的實施方式中，設置上部篩和下部篩6以界定出 上部好氧反應區32。氣泡擴散裝置7安裝在分離結構4的上方以向上部好氧反應區32釋 放氣體。還可以設置循環管線8。標出了進料水的流動方向，與分離結構形成傾斜角(0)。 已將流動方向標出，從而顯示反應器內的一些流動模式。圖2為根據本發明一種具有與反應罐0的中心軸同心安裝的錐形分離結構4的實 施方式的沿A-A』線的縱向截面圖和橫向剖面圖，圖3與圖2非常相似，不同的是將分離結構設置成不對稱式的，將它放置成位於比 較接近一側的直立壁，圖4顯示了拱形的分離結構，以及圖5顯示了包括多個小分離結構的分離結構。
具體實施例方式結合附圖對本發明進行描述，本發明的範圍僅受隨附權利要求書的限制。本發明提供了一種反應器，其中，該反應器的容積允許對進料水的缺氧/厭氧處 理和好氧處理在所述容積內同時進行。所述反應罐0包括待處理進料水入口 1，和流出液出 口 22和汙泥出口 21。應該將所述進料水入口 1設置在反應罐0的下部的底部，因此進料水 能穿過汙泥或可能設置在該處的生物膜介質51。由於進料水向缺氧/厭氧反應區31提供 碳，因此這是有利的。結果，首先在下部缺氧/厭氧反應區31內對進料水進行處理。在本發明的一種實施方式中，進料水通過進料水流分布器11進行分布，從而能在 流經下部缺氧/厭氧反應區31之前使進料水流得到較好的分布。在進料水含有將在下部 反應區31內被缺氧/厭氧微生物物質分解消耗的有機碳和營養物質的實施方式中能使有 機碳和營養物質的分布情況較好。下部缺氧/厭氧反應區31可以含有活性汙泥、生物膜介質51或用來對進料水進 行缺氧/厭氧處理以及用於汙泥穩定化和使來自上部好氧反應區32的生物體沉積的其它 生物試劑。在本發明的一種具體實施方式
中，可以設置有用於對進料水和汙泥進行缺氧/ 厭氧處理的活性汙泥和生物膜介質51的混合物。下部缺氧/厭氧反應區31的反應機理是 本領域公知的，因此在本申請中不再贅述。有多種處理方式，它們可以被用於例如對在下部 反應區31內的汙泥進行的缺氧/厭氧脫氮。在脫氮過程中，進料水中含有的有機碳如上文 所述起到用於反應的碳源的作用。由此將下部反應區31設置成用於消耗並收集從反應器上部反應區32沉積下來的 過量汙泥。可以通過定期或連續通過汙泥出口 21對汙泥進行清除來控制汙泥在下部反應 區31內的停留時間，且有利於有足夠的時間使汙泥穩定化。這會產生較少的汙泥體積，從 而進一步減少了汙泥體積使與汙泥處理有關的後處理成本更低。進料水在通過缺氧/厭氧反應區31之後將通過分離結構4，其中，該分離結構4具 有多種功能，包括保持下部缺氧/厭氧反應區31與上部好氧反應區32相隔離，防止氧氣從 上部好氧反應區32擴散至下部缺氧/厭氧反應區31，以及用於將上部反應區32沉積的生 物物質引導至下部反應區31中。在上述分離結構4上方設置有前述上部好氧反應區32，進料水在其中進行好氧生物處理。在上部好氧反應區32內對進料水進行的處理包括通過設置在厭氧反應區32內的 生物物質對進料水進行生物處理。所述好氧反應區32可以包括多個通過使用粗孔篩6進行固定的曝氣生物膜介質 52、包括生物膜介質的流化床、含有介質的固定床、或其它任意的適於負載生物膜的方法， 這些方法全部都應歸於本申請的範圍內。這種生物膜介質為本領域內公知的，而並不是本 發明的目的所在。當上部反應區32內進行對進料水的處理時，生物膜將在生物膜介質52 上生長。達到足夠尺寸後，得到的生物膜將落下或者從載體52上被剪下，此時浮遊生物物 質將向反應器下部分發生沉積。所述分離結構4被構造成用於引導生物物質向下部缺氧/ 厭氧反應區31沉積，其中，所述生物物質將成為其中含有汙泥的一部分。本發明中的分離結構4可能因此具有更多的功能。它能保持下部缺氧/厭氧反應 區與上部好氧反應區分離，防止氧氣從上部好氧反應區擴散到下部缺氧/厭氧反應區內。 另外，它能引導來自上部反應區的生物物質向下部反應區的沉積。部分開口的隔板連接了 好氧區和厭氧/缺氧區，並對本發明的生物反應器內的水動力流動進行控制。由於允許缺 氧/厭氧區內的厭氧/缺氧活性汙泥的過程互相作用，並進一步對厭氧/缺氧區沉積的好 氧生物物質進行進一步的厭氧/缺氧消耗/降解處理(其中，厭氧汙泥將沉積的好氧生物 體用作生物活動的物質/營養)，因此，生物厭氧生物體生產率顯著地低於好氧汙泥的產生 率，由此極大地降低了反應器和流出水中產生的汙泥和固體物質的淨重。在本發明一種具體實施方式
中的下部缺氧/厭氧反應區31內的微生物作用過程 包括脫氮過程。這會使得進料水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽被還原生成氮氣。顯然根據本發明， 可以在下部反應區31內進行其它生物缺氧/厭氧反應過程。其它的實例可以包括對微量 有機汙染物進行生物降解，這通常是水處理工藝中的難題。在本發明一種具體實施方式
中的上部好氧反應區32內的微生物作用過程可以包 括對進料水中的化合物進行硝化作用，例如氨nh3反應生成亞硝酸鹽和硝酸鹽。顯然根據 本發明，可以在上部反應區32內進行其它生物好氧反應過程。可以根據進料水的組成以及期望進行的反應以及流出液的質量來自由地選擇下 部反應區31與上部反應區32的體積比。因此，在通過上部反應區32後，進料水在同一個反應器容積內同時進行缺氧/厭 氧反應和好氧反應。為了對上部好氧反應區32進行曝氣，設置了氣泡擴散器(bubble diffuser)7用 於釋放含氧氣泡，從而滿足進料水的生物需氧量，並發生好氧反應。氣泡擴散器7可以具有 任何合適的構成方式，其多個實例已見於本領域。在本發明的一種具體實施方式
中，氣泡擴 散器7可以釋放出直徑非常小的氣泡，因此能將其設置成不對上部反應區32中包括的生物 膜產生過大的剪切效應。此外，比起採用較大氣泡的情況，它將提供更大的氧-生物膜接觸 面積。如有必要，還應將氣泡擴散器7設置成能定期地提供大量氣泡從而使上部好氧區內 的生物膜介質能使過量生長的生物膜脫落，並使發生剝離的過量生物膜向下移動至下部厭 氧/缺氧區內。空氣氣泡通過上部反應區32後還會進一步導致上部反應區32內發生能確保反應 區32內存在流體循環的混合，因此使混合得以進行。這對確保以有效的方式使用反應器體 積是非常重要的。
所述分離結構4具有如上所述的多個功能。分離器的形狀對確保其充分發揮各種 功能具有重要影響。所述分離器應該具有朝上的錐形或圓拱形，因此不會使生物物質堆積 在所述反應器的上部表面上。所述分離結構4的傾斜角可以根據從上部反應區沉積下來的 生物碎屑的大小以及分離結構4周圍產生的水流形態而改變。根據本發明的一種具體實施 方式，所述分離結構4的角度可以在約20°至約70°之間改變。所述分離結構4還應該阻 礙缺氧/厭氧汙泥向好氧反應區32的移動。如果下部反應區31內含有的汙泥被帶入上部 好氧反應區中，則反應器的功能將顯著降低，並且這將不盡人意地增加流出液中的懸浮固 體濃度。因此，所述分離結構4應該具有能阻止缺氧/厭氧汙泥移動的大小和形狀。相應 地，所述分離結構4應該能阻止氧從上部好氧反應區32向下大量擴散到下部缺氧/厭氧 反應區31內。這必然會存在一些向下部反應區31的流動，而將氧帶入缺氧/厭氧反應區 內，但由於分離結構4的形狀將能減少氧氣的擴散。因此，所述分離結構4起到下部反應 區31和上部反應區32之間的水動力學分離器、氧擴散控制、以及防止汙泥上升至上部好氧 區32的汙泥擋板的作用。在多種可採用的形狀中，分離結構4可以為向上的錐形屋頂形 狀，或向上的圓錐體、向上凸出的圓拱形，以及其它具有上部不透水表面的通常能使生物物 質從上方被弓丨導流向側邊或下方同時允許下部厭氧區內的流體向上通過至所述分離結構4 的上部表面的結構。但是，應認為所有合適的分離器幾何構形在本發明的範圍內，只要它 能將生物物質引導向下流至厭氧/缺氧區的同時防止氧氣擴散到厭氧/缺氧區，同時能引 導流體從厭氧/缺氧區向上流動。在本發明的一種具體實施方式
中，分離結構4被構造為 在反應器中軸上(參見圖1和圖2)，儘管也可以將其構造成比罐的第二側壁(即對側壁) 更接近第一側壁(參見圖3)。在本發明的其它具體實施方式
中還可以使用拱形分離結構， 如圖4所示。在本發明的其它具體實施方式
中，可以使用多個在同一反應器內平行排列的 分離結構。分離結構之間(若平行使用多個)或分離器與罐壁之間的間隙d應該足夠大 (經驗值為大於7mm)以允許向下移動的好氧生物和水以及其它向上流動通過分離器的流 體發生交換。所述分離結構可以覆蓋反應器橫截面積的70-90%或者更多。所述間隙d也 不應過大，對於實驗室進行試驗所用的小型罐來說，它應該低於反應器寬度的25%，而對於 大直徑罐來說它的取值則更低。假設反應器功能化，其中不同反應區3之間的混合應當減 少，更清楚的是，本發明中應該使用較低的表面上升流速。因此所述表面上升流速應該為約 0. 001-3. 5cm/min，儘管可以設想採用更高的流速。人們應該更加致力於降低流出液中的生物物質的量，因為根據本發明這可能是流 出液中全部懸浮固體的主要來源。流動速度過快或泡沫作用過於激烈會由於從生物膜介質 夾帶生物物質，造成流出液內懸浮固體的總量上升。事實上，反應器內的流動模式在一定程度與使水從反應器下部到位於反應器上 部的流出液出口的簡單流經方式更加複雜。由於好氧生物物質的沉積運動將會發生返混 (backmixing)，因此在分離器周圍存在複雜的流動模式，其中流經分離結構4的進料水將 會靠近反應器側壁流過，而來自反應器上部的回水將沿分離板向下流入下部反應區31內。 上部反應區32和下部反應區31內也均發生了混合。反應器內的混合和返回流將使進料水 在成為經過處理的流出液被排出之前能經過多次從下部反應區31至上部反應區32之間的 通過。如有必要，可以進一步設置循環管線8，從而使流出液循環回進料水入口 1處再進行 處理。待循環的流出液的百分數可以根據需要和根據對進料水的期望處理程度而變化。在
12所有其它的測量方法中，參數中的氨含量和需氧量影響循環的程度。已經記載了整個上部反應區和下部反應區3 (如本申請圖1所示)。雖然圖中顯示 的是直立式，但顯然所述反應器可以傾斜放置，只要有足夠的直立反應器的傾斜度以使生 物體能從上部反應區32沉積到下部反應區31內即可。為了構建一種如上所述的傾斜式反 應器，顯然也應對分離結構4進行改進以適於改變後的反應器設計。根據對進料水進行處理的操作說明，可以使本發明所述反應器在間歇處理模式或 連續處理模式下運行。綜上，本發明描述了處理汙染進料水的反應器和方法，從而該進料水能夠隨後被 處理成高標準的、適於進行二級或三級處理或符合廢水利用標準的排放水。本發明的示例性實施方式已用實驗室規模的生物學反應器通過實驗對懸浮固體控制程度和減少過量好氧 汙泥的量進行評價，來對根據本發明的反應器進行驗證。用高級別的透明丙烯酸構造所述 生物學反應器和分離結構。將由HDPE(高密度聚乙烯)製成的生物膜介質裝入上部好氧區 內，其生物膜介質的填充分數約為腔室內體積的50%，得到有效比表面積為250m2/m3。將生 物膜介質製成短柱形，其內部為十字形，外部為波紋形。生物膜室內進行曝氣的空氣流速為 lL/min。生物膜室被多孔板密封，該多孔板上設置有5mm直徑的孔以持留所述介質。將厭 氧活性汙泥填入下部室內。厭氧活性汙泥中的懸浮固體總濃度在6. 2-8. 7g/L的範圍內，固 體停留時間(solid retention time, SRT)為21天。本發明中的好氧生物膜室和厭氧活 性汙泥區的有效體積分別為約1.61^和約2.21^。理論上，本發明的好氧生物膜室和厭氧活 性汙泥區分別影響了整個水力停留時間的33%和66%。廢水流體在厭氧活性汙泥室內停 留了更長的水力停留時間。本發明直立式生物反應器內的流體表面流速約為0. 05-0. Icm/ min0相分離的板構成了用於根據本發明的實驗中的分離結構4，其佔據了反應器橫截面積 的88%，並且為與水平線成38°角斜面的屋頂形。分離結構邊緣與反應器的壁之間的間隙 為 7mm。本實驗的目的在於研究控制懸浮固體濃度的方法。測量上升流速度和水力停留時 間(hydraulic retention time, HRT)對懸浮固體濃度產生的影響。使用重力沉降槽對來 自Trondheim地區的城市汙水進行預處理，然後將來自沉降槽中的流出流泵入生物學反應 器內。用MasterFlex電腦化的能將速度控制為士0.25%的蠕動泵來控制廢水的流速。用 國家儀器 DAQ 卡(National Instrument DAQ card) :USB 6210 和 LabVIEW8. 2 來收集實驗 數據。上升流流速和水力停留時間(HRT)對直立式生物學反應器中的流出液質量的影 響來自本發明的生物學反應器的流出液中的總懸浮固體(TSS)濃度與殘留有機 物特徵與本發明中的上升流流速有關。採用了較低的液體表面上升流速(superficial liquid upflow velocity) 0. 099 cm/mi η (HRT 為 5· 2 小時)和 0· 06 2 cm/mi η (HRT 為 8· 3 小 時)。表1顯示了直立式生物學反應器在HRT為5. 2小時和8. 3小時的流出液和廢水的平 均特性。HRT為8. 3小時的流出液總懸浮固體濃度、FCOD和濁度均顯著低於HRT為5. 2小時 的情況。HRT為8. 3小時或上升流速為0. 062cm/min時，平均TSS濃度降低到14. 3mg/L，這 與生物膜反應物的典型流出液的約為200mg/L以及具有顆粒沉降槽的活性汙泥生物學反應器的典型流出液的350mg/L的濃度要低很多。HRT為5. 2小時和8. 3小時的流出液中的 色度、D0C、氨、總氮和UV吸光度的消除非常相似。HRT為8. 3小時能達到更高的懸浮固體和 濁度消除速率，在本發明的生物學反應器中的懸浮固體排出量和濁度排出量分別為87. 5% 和92%。根據本發明的反應器在HRT為8. 3小時的流出液比HRT為5. 2小時的更加澄清。 表1中的導電性顯示了厭氧部分主要除去了廢水流內的無機鹽。HRT為8. 3小時的流出液 的 SUVA0254 以及在 436nm 下的比吸光度(specific spectral absorbance)與 HRT 為 5. 2 小時的流出液中的情況不同。SUVA的增加表示本發明的生物學反應器內進行生物降解後改 變了 一些分子中的有機物質。表1.流入廢水平均特徵以及從直立式生物學反應器中流出的流出液在HRT為5. 2 小時和8. 3小時的脫除率
權利要求
一種用於對進料水進行生物處理的反應罐(0)，該反應罐(0)包括 一個或多個進料水入口(1)，通常將所述進料水入口設置在所述反應罐(0)的下部， 一個或多個流出液出口(22)，所述流出液出口位於所述反應罐(0)的上部， 其中，所述反應罐(0)包括一個反應器容積，其中，進料水在下部缺氧/厭氧反應區(31)和上部好氧反應區(32)內進行處理，所述下部缺氧/厭氧反應區(31)和上部好氧反應區(32)被分離結構(4)部分隔離， 所述上部好氧反應區(32)中設置有曝氣的生物膜介質(52)，以形成用於生長和釋放生物物質的底物， 所述分離結構(4)被設置成允許流體從下部厭氧/缺氧反應區(31)向上進入上部好氧反應區(32)，同時能至少部分防止氧氣進入所述厭氧/缺氧反應區(31)，其特徵在於 所述分離結構(4)還具有通常傾斜的上表面，該通常傾斜的上表面被設置成能引導所述被釋放的生物物質從所述上部好氧區(32)到所述下部厭氧/缺氧反應區(31)，以對所述生物物質進行進一步處理並能收集汙泥。
2.根據權利要求1所述的反應罐(0)，其中，該反應罐(0)包括汙泥出口(21)，該汙泥 出口(21)位於包括所述厭氧/缺氧反應區(31)的所述反應罐(0)的下部。
3.根據權利要求1所述的反應罐(0)，其中，所述下部厭氧反應區(31)中含有用於對 來自上部好氧反應區(32)的生物物質或生物體進行厭氧/缺氧降解的活性汙泥。
4.根據權利要求1所述的反應罐(0)，其中，通過氣泡擴散器(7)注入空氣來向所述曝 氣的生物膜介質(52)提供氧氣，所述氣泡擴散器(7)被設置在所述好氧反應區(32)的下 方。
5.根據權利要求1所述的反應罐(0)，其中，所述生物膜介質(52)被設置成當生物膜 介質(52)上的生長周期完成後，所述生物膜介質(52)以基本向下的方向釋放所述生物物質。
6.根據權利要求5所述的反應罐(0)，其中，所述生物膜介質(52)被設置成在所述上 部好氧反應區(32)內流化的形式。
7.根據權利要求6所述的反應罐(0)，其中，所述生物膜介質(52)被設置成以機械的 方式固定，從而持留在所述上部好氧反應區(32)內。
8.根據權利要求4所述的反應罐(0)，其中，所述氣泡擴散器(7)被設置成用於釋放直 徑較小的氣泡。
9.根據權利要求1所述的反應罐(0)，其中，設置有循環管線(8)用於將至少部分來自 所述反應罐(0)上部的流出液循環至所述反應器的下部。
10.根據權利要求1所述的反應罐(0)，其中，所述分離結構(4)包括組裝的兩個或更 多的次級分離結構(41)。
11.一種用於對反應罐(0)內的進料水進行生物處理的方法，該方法包括 -通過一個或多個位於所述反應罐(0)下部的進料水入口(1)接收所述進料水， -使流出液通過一個或多個位於所述反應罐(0)上部的流出液出口(22)流出， -在下部缺氧/厭氧反應區(31)和上部好氧反應區(32)內對所述進料水進行處理，所述下部缺氧/厭氧反應區(31)和上部好氧反應區(32)被分離結構(4)部分隔離，2_對提供有生物膜介質(52)的所述上部好氧反應區(32)進行曝氣，以形成用於生長和 釋放生物物質的底物，_所述分離結構(4)能使來自所述下部厭氧/缺氧反應區(31)的流體向上流入所述上 部好氧反應區(32)內，並至少部分地防止氧氣進入所述厭氧/缺氧反應區(31)內， 其特徵在於_所述分離結構(4)的上表面引導從所述上部好氧反應區(32)釋放的生物物質進入所 述下部厭氧/缺氧反應區(31)內，在該下部厭氧/缺氧反應區(31)內對所述生物物質進 行進一步處理。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，該方法允許汙泥聚集在所述下部厭氧/缺氧反 應區(31)內，並通過汙泥出口(21)從所述反應罐(0)的下部排出所述反應罐(0)。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，所述生物處理包括在所述好氧反應區(31)內 的硝化處理，以及在所述缺氧/厭氧反應區(32)內的脫氮處理。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，所述下部厭氧反應區(31)中含有活性汙泥。
15.根據權利要求11所述的方法，其中，該方法包括通過氣泡擴散器(7)對所述上部好 氧反應區(32)進行曝氣。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述氣泡擴散器(7)釋放具有較小直徑的氣泡。
17.根據權利要求11所述的方法，其中，所述好氧生物膜介質(52)在所述上部好氧反 應區(32)內循環。
18.根據權利要求11所述的方法，其中，所述缺氧/厭氧反應區內的液體表面上升流速 為約0. 0005cm/秒至約4cm/秒。
19.根據權利要求11所述的方法，其中，至少部分所述流出液體流通過循環管線(8)進 行循環以在所述反應罐(0)內進行進一步處理。
20.權利要求1所述的反應器在對城市汙水流進行處理中的應用。
21.權利要求1所述的反應器在對工業廢水流進行處理中的應用。
22.權利要求1所述的反應器在對農業廢水流進行處理中的應用。
23.權利要求1所述的反應器在對水產養殖業廢水流進行處理中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種用於對廢水進行處理的反應器，用於使廢水在一個反應器容積內既進行缺氧/厭氧又進行好氧處理。通過分離器使缺氧/厭氧反應區與好氧反應區隔離，該分離器在兩個反應區之間還起到水動力學分離器的作用。所述反應器能使流出水具有較低的懸浮固體含量，並使其比對比反應器產生更少的汙泥。所述反應器還比現有技術的反應器具有更高的能效。可以平行設置多個根據本發明的反應器，從而以模塊的方式對流入的廢水進行處理，並由此有利於對裝置進行維護。
文檔編號C02F3/30GK101977853SQ200980109689
公開日2011年2月16日 申請日期2009年1月28日 優先權日2008年1月28日
發明者J·帕他那維, T·O·萊科尼斯 申請人:Ntnu技術轉移股份有限公司