[发明专利]水和污水处理的装置和方法

说明书

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。