专利名称：脱除废营养素的方法和生物反应器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种关于水和污水净化的新方法和生物反应器系统。它用革新的固定化活细胞生物反应器技术从水和污水中有效去除氮、磷化合物，及一些可生物降解的固态和液态有机物。
一般来说，生物污水处理系统包括三个主要的组成部分1．活性生物量经研究发现很多微生物有去除不同污染物的特征，为了最大限度地提高生物处理系统效能，根据不同类型的污染物来选择不同的微生物进行处理是必不可少的。传统的做法之一是为了特殊的处理目的对特定的菌群进行适当的筛选和训化处理。很多特定的菌种可以从世界知名的微生物保存仓库中索取。
2．活性生物量的维护和处置方法对一个生物反应器来说，如果在各种不利的条件下其内还能维护高浓度的微生物，并使它们能健康的成长，那么反应器就能达到高效。用于水和污水处理中的活性生物量的处置方法大致分为二类悬浮法和固定法。
悬浮法被广泛应用于活性污泥(AS)系统以及生物转盘(RBC)系统的一部分，悬浮法有许多难以克服的自然缺陷。因而驱使人们不断地研究固定法生物系统。今天，固定化活细胞的技术作为处置微生物的一种方法逐渐得到越来越多的应用，特别是从污水中用生物脱除废营养素来说更是如此。
两种主要的固定法是“生物膜”法和微孔裹藏法，前者是让微生物生长在固体物质的表面，后者是让微生物生长于许许多多的微孔中。
在前三十年里，生物膜法被广泛应用于生物转盘(RBC)和传统的生物滤床中。在这种方法中，微生物固定是通过微生物细胞和相应材料表面之间互相粘附、互相吸引来完成的。用这种方法对活性生物量的固定相对比较弱，这些固定的生物量因死亡代谢，不断地从相应的固定材料表面脱落。老的微孔裹芷法有钙胶体法，多孔陶瓷法等。钙胶体固定法的主要局限性在于不能大规模的应用，因为这类胶体颗粒的制造非常昂贵，机械和化学稳定性极差，并且在胶粒内部传质效率又极低。
多孔陶瓷固定材料，曾得到大规模开发和应用，然而，在实践中却发现废水中的悬浮固体(TSS)和微生物细胞的增长，往往会将微孔堵死。微孔被堆塞后，孔内质量传递问题就出现了。仅有薄薄的一层生物膜，可长在陶瓷固定材料的表面，这样就出现了同样的局限性。
3．传质和流体动力学污水处理系统的效率取决于有效地对微生物提供足够的代谢养份和及时地移除代谢付产物。这些通常是通过反应器有效的传质机理和水力作用来达到的。
显而易见，生物污水处理系统的性能，灵活性、有效性和可靠性都依赖于以上三个部分的有效性。当今，正在广泛应用的生物系统，如AS、RBC、以及生物滤床，都因其中一个或几个部分或多或少存在一些弊端，而其效能受到限制。
传统生物污水处理系统都含有初沉池，或叫沉淀池，这一步通常设在生物处理系统的前部，并常应用化学絮凝剂，来强化其有效性，这一过程的主要作用是用来除去悬浮固体以避免其中主要处理单元-曝气池或生物滤床，承受不了过多的悬浮的固体物的冲击。
将含有磷和氮的复杂化合物，转化为简单的氮和磷的化合物，需一系列的生物化学反应来完成。这些生化反应需用到很多不同的微生物菌群，而这些菌群又需在不同环境下生长和繁殖，其相差极大。因此，对基本营养素及碳源竞争力差异很大。显然，要使生物处理系统高效，最理想的办法是选择性的培养不同的微生物菌种，并提供一个合适的生存环境以使每类菌群都能以高密度地生长于反应器中。
氮、磷化合物，在污水中有两种存在形式，有机和无机。两者共同构成污水中总N和总P的含量。污水中N和P化合物又可分为可溶和不可溶两种。在用微生物处理之前，通常需将其转换为简单的微生物可利用的形式。
厌氧生物处理方法能有效地将N和P的化合物转化为简单地NH3类和PO4盐类化合物。这个过程需许多不同的水解酶的作用。然而，这些能产生水解酶的微生物往往生长和繁殖慢，并需要一些特定的环境。
生物转化之后，大部分含N和P的物质都常可溶于水，但仅有一小部分被微生物利用来合成新的细胞，决大部分仍然会存在于溶液中。但是，废水处理的最终目标是减少N、P化合物的浓度，以让处理后的污水达到一个指定的排放和再利用标准。
现在普遍使用的生物处理方法大多来源于传统的活性污泥法，其处理过程，通常产生大量的废污泥。为了用传统的活性污泥法来从污水中脱除可溶解(P)，首先需要改进其曝气方式以给聚P菌提供一个选择性的生长环境，并能有效地维持其适当的高密度。这些聚P菌群的生长和代谢能将污水中的P聚集到其细胞内并贮存起来。PO4-P在聚P菌的细胞内达到最大容量后，通常的做法是将其从生物反应器中移除，并在它释放吸收的P之前将其处理掉。这种方法尽管从污水中减少，PO4-P，但只是一种转移过程，大量含高P的聚P菌需要进一步的处理。另外，脱P菌群的密度和生长状况受到污水和操作过程的影响极大，因而整个脱P过程很难控制，同时大量含P废污泥需要进一步处理，这也带来极大的负担。
自然界中的N很复杂，它可以7种氧化状态存在于自然界中。虽然自然界中很多菌种能改变氮的氧化状态，但它们通常生长速率慢，竞争能力低。另外，氮转化的生长过程，通常受生物反应速度控制。为了提高生物过程的效能，必须选择培养合适的菌群，并且让它们以高密度的生长，更须提供给这些微生物良好的生存环境，以最大发挥其去氮功效。
本发明的目的是提供一种集成化的生物处理工艺过程和特效生物反应器系统，以及它们的有机结合。它将一系列特效生物反应器系统有机地应用到集成化的生物处理过程从而达到从污水中同时去除有机杂质或者叫BOD，总悬浮物(TSS)，含N和含P化合物。
本发明的目的是这样实现的它的主体是一种生物污水处理方法及系统。该方法和系统首先利用兼(厌)氧过程来将悬浮和复杂的有机体转化为简单的有机物或简单的含P和N的化合物，主要有磷酸盐类，氨盐类和短链脂肪酸类(VFAs)等。VFAs通常可被处理系统中的微生物，特别是脱P微生物，吸收并贮藏起来，以便用来作生化反应中的碳和能量需要的来源。这个过程处理后的污水通常被送到脱氮过程。在脱氮过程中，NH3-N被转化为NO3-N，紧接着NO3-N被转化为N2从而从污水中被同时去除。脱氮过程通常在硝化和反硝化反应器中进行。脱氮过程同时可明显地降低污水中有机物，常用BOD来表示。脱氮后的污水再送到脱P生物反应器中以脱除不需要的含P化合物和残余的有机物。最后处理过的污水中的N、P和有机物极低，从而可完全达到直接排放于水体中或再利用的标准。
具体地说，本发明包括以下几方面内容一方面，本发明是关于一种生物脱P，脱N，脱除有机杂质(可溶性，不可溶性)集成化的生物处理工艺过程。它由以下主要部分组成a)将污水通过脱P能源再贮备(P-Recharge)反应器；其反应器固定有适当的聚P菌群，这些菌群将首先从含VFA的污水中吸取足够的养分(VFAs)以便以后用于脱P过程；b)将予处理过的污水流过磷脱除(P-removal)反应器，其中固定有吸饱养分(VFAs)的聚P菌群，该菌群可从废水中聚集和贮藏P；c)将脱P后的污水从磷脱除(P-removal)反应器中移去，然后添加P释放液，从而引起该菌群迅速释放已吸取的P；d)移去已含有高浓度P的释放液并清洗脱P菌群。
在实际应用时，上述过程之前可含一子生物过程让污水流过第一段厌氧生物反应器，其中固定的菌群可将复杂的有机物降解并转为VFAs，以使提供给脱P和脱N菌群用来作碳源和能源。
在上述过程之后，可进一步含有至少另一子生物过程用来处理来自于脱磷能源再贮备(P-recharge)生物反应器的出水，以便脱除至少一部分含N化合物和BOD或者COD。更确切地说，该子过程用来将氨类化合物转化为NO3-N化合物，接着又将其转化为N2。然后，至少含有另一子过程以用来进一步去除残余的氨类，悬浮物类以及相关的BOD。
实际应用时较好的方式是，至少有二组磷脱除(P-removal)生物反应器轮流使用在此过程中，其中一个用来重新从污水中吸附VFA，同时，另一个用来吸取来自于脱氮或其它适当反应器的污水中的含P化合物。
实际应用时最佳方式是，至少有三个磷脱除(P-removal)生物反应器轮流使用，以达到从废水中连续脱P。其中一个用于重新从废水中吸附VFA，同时，第二个用于吸取废水中的P，第三个则处于P释放阶段。
实际应用时，另一种情况是以上所述的过程进一步含一子过程，该子过程至少让一部分来自于厌氧反应器的污水流过严格厌氧生物反应器固定有甲烷菌群，这种甲烷菌群可利用VFA及其它有机物来产生甲烷气。
从另一方面来说，本发明是一个生物工艺过程用来去除可生物降解的固体物和复杂的有机物，它含有如下子过程a)让原污水流过第一段普通厌氧反应器固定有一菌群能产生多种酸化水解酶；这些水解酶能催化转化固体有机物成简单地可溶性有机物包括VFAs；b)让a)中所述的反应器的出水进一步流过第二段严格厌氧反应器固定有甲烷菌群。
采用上述过程，本发明中的集成化的生物过程可取消任何初沉池和化学絮凝剂等通常加在a)前用来去除有机固体的手段。从严格厌氧反应器中的出水将进行进一步处理以便去除以下其中一种和任何几种组合含P化合物，含N化合物，BOD/COD或悬浮物。
从第三方面来看，本发明含有脱氮的方法和装置a)一个贫氧(anoxic)反硝化脱N反应器，含有液体进口，出口和气体出口，并固定有菌群用来将NO3转化为N2；b)一个好氧硝化脱氨生物反应器，含有液体进口和出口，并固定有菌群可将氨氧化成NO3；c)联接反硝化脱氮反应器的出口到脱氨反应器的入口，以便有效地将反硝化脱氮反应器中的液体适当地输送到脱氨反应器中去；d)液体循环方法至少将一部分液体从硝化脱氨反应器中送到反硝化脱氮反应器中。
在实际应用时，该反应器还含有曝气或加氧系统。联接办法包括用预先确定的在反硝化脱N反应器中的液位来控制液体从脱氮反应器中输送到脱氨反应器中。
液体输送速率直接与反硝化生物反应器中的液位成正比，并随着液位的降低而降低。利用重力操作的虹吸系统可作为液体输送系统的一种。
在上述方法中，涉及一个有机组结而成合起来的反硝化和硝化脱氮生物反应器。该反应器通常为圆柱形(但不仅限于园柱形)，脱氨生物反应器是同心圆柱形，环围着脱氮反应器。在脱氮反应器中的流型更接近于平行流状态。
再从另一个应用方面来看，该发明涉及一个单元式的生物反应器组合体，用来同时去除有机固体，BOD和含氮化合物，该反应器组合体主要有a)第一段厌氧发酵单元，含有液体入口和出口，并固定有兼氧菌群；b)一个组合式BOD/N脱除生物反应器单元；在此单元中，从上到下固定有三组菌群，第一组(上部)固定有异养菌群，主要用于降解BOD，第二组(中部)固定有脱氨菌群，第三组(下部)固定有反硝化脱氮菌群，主要用于将NO3转化为N2。
此单元中每个区的高度，以及从一个区向另一个区的转移受控于水中BOD、NO3和NH3的浓度以及相对BOD/N的比例。
上述的生物反应器，还可配有溶解氧系统，以增加并保持BOD/N单元的中上部有足够的溶解氧的浓度。这种气体溶解系统也可同时将臭氧溶于水中以便使用于消毒、脱色、除臭。
上述的生物反应器中，第一组和第二组菌群在中上部占主导地位，第三组菌群在底部占主导地位。厌氧生物反应器单元的出水通常直接流入底部BOD/N生物反应器单元。
在另一种应用情形下，生物反应器组合体配有一虹吸系统将BOD/N单元中的液体输送到精处理(Polishing)单元，液体循环系统将精处理(Polishing)单元中的液体送回到BOD/N的顶部。精处理(Polishing)单元的液位可由一液位控制仪来控制。
本发明中的集成化生物处理过程包括厌氧、严格厌氧、贫氧(anoxic)及一般好氧和严格好氧等一系列生物处理过程。本发明将这些单一生物过程有机地结合成一个集成化的生物处理过程。从而使一个过程的处理出水或付产品(固体、液体或气体)可被另一个或其它过程应用，并增强其效率。更加适合的安排是，整体过程的安排使得一个过程变成为整个另一后续过程的预处理过程。从而前一过程为下一过程作好准备。因而一个过程的处理效率和可靠性得以大大加强。
本发明的另一个主要特点是整个过程的安排能减少反应器之间的相互污染问题，特别是菌群间的相互污染问题，从而提高每一生物反应器的处理效率和稳定性。在所含的一种较佳的应用情形下，用氧化还原电位(ORP)与水力停留时间和养分浓度等条件可控制和选择性固定所需要的菌群。让原污水通过第一个厌氧反应器，然后通过那些根据本发明所择取的一系列反应器后，即可将污水高效地处理到予定根据本发明所择取的一系列反应器后，即可将污水高效地处理到予定的标准。
为了进一步清楚地理解本发明的具体细节，以下对每个过程和其中主要部分的解释将参照以下有关插图及其部件号码。
图1为示意性地表明本发明中的整体生物处理过程和固定化活细胞反应器系统的流程图。
图2是本发明中生物反应器系统的一个平面图。
图3是图2中组合式脱氨生物反应器的垂直剖面图。
图4是表明本发明中较佳的脱P反应器的构成和操作程序。
图5示意性表明本发明在改进现有几种传统生物处理系统中的应用范例。
图6A表明一单元的组合式生物反应器的流程图，图6B表明其垂直剖面图。
图7A是生物填料的电子扫描显微镜照片。
图7B是生物填料的结构示意图。
图8是菌群固定于图7A中的生物填料中的电子显微镜照片。
图9是用固定化活细胞反应器在三个不同浓度情况下和140分钟时间内来脱P的生物动力学。
图10表明BOD(或者VFA)浓度对脱P的影响。
图11厌氧处理前后可生物降解固定颗粒的分布情况的比较。
图12表明固定化活细胞反应器对废水中COD的降解作用。
图13表明固定化活细胞反应器对废水中对TSS的脱除效果。
图14表明固定化活细胞反应器对废水中脱氨效果。
本发明提供一种新的工艺方法、装置及其有机地组合方式，以便有效地来固定特定的菌群来脱除污水中的废营养素。
名词解释厌氧(anaerobic)过程－生物处理过程发生在没有溶解氧的情况下。兼氧(facultative)生物过程是一生物处理过程，其菌群在有氧和无是一生物过程中菌群只能在完全没有氧分子的情况下才能正常工作。
贫氧(anoxic)过程－一种生物处理过程其中的菌群在没有自由溶解氧和很低溶解氧的情形下才能正常进行。这个生物过程通常用于生物脱氮即将NO3转变为N2。
氮或N表示有机和无机含氮化合物包括可溶性和以悬浮态的化合物，可被生物降解并逐渐地去除。在脱氨过程中，N可指NH3-N，在脱氮过程，氮可指NO3-N、NO2-N的形式。
磷或P－表示有机或无机P，溶解于液体或程悬浮固体形态。可被生物降解成PO4并可通过生物过程进行脱除。在脱P过程中Pi指PO4-P。
生物脱除废营养素－指脱除溶解性和悬浮固态状的可生物降解的有机杂质，含N和含P化合物。
生物反应器－封闭的或者是部分封闭的室体。在本发明中，通常含有生物载体或生物填料来固定和维护活性菌群及其生长。
VFAs－指短链有机脂肪酸，通常可作为微生物的良好养分。特别是脱P和脱N菌群。
应用范例如附图1所示，它总结性地描述本发明所涉及的方法。本发明主要包括三个主要反应器和一个集成化的工艺处理过程厌氧生物反应器(12)、脱磷反应器(14)、脱N反应器(16)和生物脱P、脱N集成化生物工艺处理过程。
所述的工艺处理过程的第一步是将珊滤过的污水直接送入第一段厌氧反应器(12)的底部。较好的实施方案是在第一段厌氧反应器(12a)之前加有缓冲和贮存池。
在第一段厌氧反应器(12a)中，所固定的兼氧性(facultative)菌群可将悬浮固态和复杂的有机物水解并转化为VFAs和其它简单的化合物。同时，复杂的含N化合物中的N和复杂含P化合物中的P也被转化为简单的N和P的化合物，以便在其后生物反应器里脱除。所产生的VFA可被固定在以后的生物反应器里的菌群用来脱磷和脱N，从而消除或减少外加碳源。因为在传统生物处理中为了达到有效地生物脱P和脱N，经常有必要外加过量的甲醇或其他有机物到脱P和脱N反应器中。
如前所述在厌氧反应器(12a)中溶解于或悬浮于液体中的可生物降解物被生物转化为VFAs。图11表明厌氧处理对悬浮物的颗粒大小和分布的影响。
图11中的结果表明，几乎90％的大颗粒悬浮物被转化为小于50mesh，多于70％的有机物小于100mesh，并且决大部分被转化为VFAs。厌氧处理导致处理后的废水含极低浓度的悬浮物，并将复杂的含N和P的化合物转化为简单的化合物象NH3和PO4类等。
生物反应器(12a)中的pH值最好保持在5到6.5之间，ORP在-250mv到0mv之间，最好能大于-200mv。这种条件有利在厌氧反应器中选择性固定所需要的菌群，保持并加强它的竞争能力，从而达到高密度和高效率。
厌氧处理后的出水(Pa)直接流入脱P反应器(14)中，固定在脱P反应器中的脱P菌群有效地吸收并将过剩的VFA贮存于其细胞中。以下称此过程为脱磷能源再贮备(P-recharge)过程。
在脱磷能源再贮备(P-recharge)后，含有残余VFA和其它营养素的出水(Pb到Ca)直接流入脱氮反应器(16a)中的贫氧(anoxic)区。
假如对所要处理的污水没有脱P要求，那么厌氧反应器(12a)处理后的出水可常常通过流道(Cb)直接地送入反硝化脱氮反应器(16a)中的anoxic区。
在反硝化反应器(16a)中，anoxic菌群用污水中残余的VFA作为碳和能量的来源，将所有的NO2和NO3一并转化为N2。然后，处理后的出水再流入硝化反应器(16b)。在硝化反应器(16b)中硝化菌群将NH3氧化成NO3。同时残余的有机物(溶解和悬浮的)也被进一步去除。一部分处理后的出水被循环回到反硝化生物反应器(16a)中，将新产生的NO3进一步转化为N2，以便最终去除。
硝化反应器(16b)处理后的出水(从Fb到Pc)可直接流入拥有已经吸饱VFA的聚P菌群的脱磷生物反应器(14A、B、C)中，在高浓度溶解氧状态下，已经吸饱VFA的聚磷菌有效地从液体中将PO4-P大量地聚集到其细胞内并适当地贮存起来。在经过脱磷反应器后，原来的废水经过了所有必要的处理过程，其中TSS、BOD、N和P均已被脱除，因而可直接排放入水体甚至可以被再利用。
脱氮反应器系统处理出水(Ca)通过液体分布系统(17)被送入anoxic反硝化反应器(16a)的底部。反硝化反应器(16a)中的ORP通常控制在-250mv到50mv之间，最好在-100mv到0mv之间。pH最好控制在7.0～8.5之间。这种ORP和pH可有效地加强其竞争性并保持其主导地位。在反应器进水中残余的VFA更能进一步加强其反硝化效率。
一旦在反硝化反应器(16a)中的液体达到预先设置的高度，虹吸系统将自动地将经反硝化处理后的出水通过顶部分布系统送到硝化室(16b)，并均匀地分布到其顶部的生物填料区。对处理常规的城市废水，最顶部的硝化室(16b)通常被脱除BOD和TSS的菌群所占据。这部分菌群起着最后脱除BOD和TSS的把关作用。在硝化室(16b)中，从上中部到下部，因残余的BOD越来越低，BOD菌群变得难以生存，硝化菌逐渐占主导地位。从而在溶解氧丰富，低BOD和TSS，高NH3的环境中，硝化菌能有效地将NH3转化为NO3。在一种引含的方法中，硝化室中的液体通常占40％的硝化反应器的高度，从而中上部的菌群可高效地无限制地利用气体中的氧气来保证有效地进行硝化过程。因此，在硝化室(16b)中，液体首先流过顶部的BOD区，然后流入硝化区，最终加入到底部的有水区。这样中底部的硝化菌就能占主导地位并极有效地去除NH3。
虹吸系统(20)不仅减少输送液体的能量消耗，更重要的是极大地减少系统的机械故障，并加强硝化反应器的稳定性和效能。这是因为，在虹吸开始初期，虹吸速率较高，同时硝化菌处于饥饿状态，因而其代谢速率也较高，这样生物反应器的效率也较高。通过调整循环比，虹吸周期可以被调整到最佳状态，从而使硝化反应器达到最佳效率。
图2和图3介绍的方法中，反硝化和硝化反应器是两个分开的反应器，对于熟练的技术人员，完全可以将其并入一个反应器中就象图6中所示的那样，将其分离为不同的区，并利用不同的主导菌群，达到同样的目的。
在硝化反应器(16b)中，溶解氧通常维持在1.25～3mg/L，最好在1.75mg/L左右。溶解氧可用常见的曝气系统(22)来控制。
假如原废水中的总氮和有机物的浓度较高，在硝化反应器(16b)的底部的部分液体可被循环回到顶部以提高处理效率，循环比通常在0.25～2.5之间，它取决于有机物和总N的比例。部分液体同时通过分流(26)循环到反硝化生物反应(16a)中，以进一步连续地降低NO3的浓度。以达到预设的处理要求。
在硝化反应器(16b)的底部的一小部分是污泥室，用于接收一些逐渐聚集在生物反应器中的难生物降解的有机和无机固物。总的来说，硝化反应器自身的污泥产量极低，但是其难降解部分随着废水而变，因而其污泥率和清理周期也随着废水的情况而变。清理出的污泥通常可送到第一段厌氧反应器中与其残留固体一并排除。
脱磷生物反应器系统从硝化反应器(16b)中的出水(Pc)可直接送入到其中之一的三个脱磷反应器(14)中，在此之前，该反应器中的聚磷菌应该已经先吸饱VFA。该脱磷生物反应器(14)中的溶解氧(DO)通常控制在3.0到5.5mg/L之间，最好在3到4mg/L之间，同时最好使用氧气浓度高的气体，一般在90％左右。该反应器中的聚磷菌将其中的液体中溶解的PO4-P聚入其细胞内并贮存起来。在脱磷反应器中，部分残余的BOD和TSS可同时被进一步去除。因此，脱磷反应(14)的出水中的BOD、TSS、总N和总P都比较低，可直接排放和再利用。如有必要，在脱磷之后，可加上消毒过程。
脱磷后的反应器(14)中的聚磷菌含大量的磷，需要再生才可继续使用，因此。在脱磷后，首先将其中的处理后的水移除。然后，加入P-释放液，并提供anoxic/anaerobic环境让其放出聚集的磷。因为在此环境下，聚P菌有效地将细胞内贮存的P释放到释放液中，以使回收再用。
在较佳应用情形下，如在图2和图4中所示，有三个相同的脱P反应器(14A、14B、14C)这三个反应器以轮流形式运行，这样当反应器14A处于脱磷阶段，另一个则在释P阶段，第三个则处于吸取VFA阶段。整个过程可连续运行。对于处理城市废水，三个反应器的运行模式通常如下a)脱P能源再贮备(P-recharge)(吸取VFA)Ta=37.5分钟b)磷脱除(P-removal)(聚P过程)Tb=50分钟c)P-release和washing(P释放和清洗)Tc=25分钟d)回到脱P能源再贮备(P-recharge)。
在以上方法中，时间Tb和Tc可根据污水水质和处理要求进行调节。然后用Ta=(Tb+Tc)/2来计算Ta值。但是，在较好的情形下，Ta应该不小于最低允许recharge时间。例如计算的Ta小于最小时间，应该适当调整Tb和Tc以使Ta满足要求。
P释放液可以是任何一种改进P从细胞中释放出来的溶液，包括清水。一种较佳的P释放液用于这个发明所含的方法是含有Tween20和第一段厌氧反应器的处理出水。作为浓缩的P-释放液，以下列出浓缩液的配方比例1．第一段厌氧反应器的处理出水；2．0.01％(W/V)的Tween20试剂。
3．pH=5.5～5.7(用HCl调整)将以上浓缩液稀释至5％，即可配成常用的P释放液。
显然，对于熟练的技术人员来说，完全可以根据此发明的道理加以修改和演变以达到用此发明的目的。
时间Ta通常随着VFA的浓度，总P含量，温度等条件而变，对总磷TP＜15mg/L,BOD/TP＞15的情形，Ta通常在25～30分钟左右，聚磷菌的聚磷过程动力学取决于初始磷的浓度，VFA/TP的比例以及VFA/M的比例等。菌量、温度等对脱磷也有相当大的影响。
图9表明接触时间和初始P浓度对脱P过程的影响。图9中的测试结果表明，初始P浓度的不同对脱P动力学的影响是相似的，但是脱P速率随着初始P的浓度的增加而迅速增加。另外，在头30分钟时间内，通常脱P速率无较大变化，在头30～60分钟内，脱P速率逐渐减少。在60分钟后，脱P速率明显减少。因此，在此发明中接触时间可以定在30到70分钟，以便达到较佳脱P效率。
图10表明VFA/TP比例对脱P的影响。图10中的结果表明BOD/TP比小于15时，脱P速率随着BOD/TP的增加而增加，但是当BOD/TP高于15后，其增加不再明显，因此，BOD=10～20，完全可以保持较佳脱P效率。如原污水含有相对低的BOD和相对高浓度的磷(P),BOD/P可设在12左右，可保持较佳的脱P效率。这主要是因为固定化活细胞的生物反应器优点允许较低的BOD/TP比例。
图12、13、和14表明用该发明的方法处理啤酒厂废水的测试结果。这些结果表明，适当应用这些方法和反应器系统可有效地脱除COD、BOD、TSS，含N和含P化合物。并且其工艺过程性能稳定可靠。这些方法的流程已在图2和图3中表明。
象图1、2和3表明，如污水含有较高浓度的有机物，可将以下一个和几个厌氧生物反应器加入其处理方法中。
首先，可加入第二段严格厌氧反应器(12b)，以从废有机物中回收甲烷气体为能源。这个严格厌氧反应器(12b)中固定有高效甲烷菌，可有效地将来自于第一段厌氧反应器(12a)的VFA(来自于原有机物)转换为甲烷。第二段厌氧反应器(12b)的处理出水可直接送到BOD反应器(20)。
对这种高浓度有机废水的处理，可在以上所含工艺过程中加入单独的BOD生物反应器(20)来进一步脱除从厌氧反应器(12b)出水中的BOD，以便让以后硝化和反硝反应器对其进一步处理。其中一部分出水(AN)可送到反硝化反应器中，其中残余的VFA可被反硝化菌群用作碳源。
另外，在一定情形下，可将最后精处理(Polishing)生物反应器加入到此方法中以确保出水达到最高级的排放标准。
所有固定化生物反应器都需周期性的再生和清理，以将部分被死亡的生物量占据的生物填料表面和局部的微孔进行再生。生物反应器的清理频率随反应器而不同。通常来说，厌氧(12)＞脱P(14)＞反硝化(16a)＞硝化(16b)＞Polishing(18)。从试验结果估计，硝化反应器(16b)大约每3到5年需要清理一次，这主要取决于污水和运行操作情况。
具体实施例以上发明可用于处理不同性质的污水。既可设计成全新的处理系统或用于改进现有生物处理系统的性能。
例如，图5表明利用本发明可将现在常用的三种生物处理系统有效地改成新型的生物处理系统，包括同时去除可生物降解的含磷，含氮的化合物和有机物。更准确地说，如图解2和3中所示，可很容易地将生物脱氮反应器(16)加入传统生物处理系统中的二沉池后面。根据处理程度的要求，最后可加上精处理(Polishing)生物反应器(18)以保证处理后的出水达标。对含低浓度N的特种污水，脱氮生物反应器可以不用。同样的，脱磷生物反应器可作为系统中可选择的部分。既可以添加，也可以去除，这些可根据具体污水水质情况和处理要求而定。这些可选择性和可变动性也进一步说明，在废水处理领域里有经验的技术人员很容易修改并用于其它处理工艺。
比如，在图5中的活性污泥应用一例，可用本发明中的生物填料将其曝气池转为固定化活细胞生物反应器。另外，可将初沉池转化成第一段固定化厌氧生物反应器(12a)。该反应器(12a)用于液化可生物降解的悬浮固体物和大分子有机物，并能将其进一步转化成小分子易生物降解的有机物(VFAS)以便有效地在下一级曝气池中被去除。根据废水水质和现有系统的设计情况，可将二沉池转为脱氮生物反应器。
图6A和6B表明另一种应用实例。这种应用将所有生物反应器集中装于一个简单的反应池子里形成一组合式单元反应器。该反应池分隔成4个部分第一部分(102)用于接受污水并减少冲击负荷。这个部分可将一些大的难生物降解物节留于此。其余废水将直接流入厌氧生物反应器(104)。在104中，有机悬浮物和大分子有机物首先转化为小分子有机物象VFAs。同时兼氧性菌群可进一步降解其50～70％的小分子有机物。在好氧部分(106)集聚的气体周期性也送入上部厌氧反应器(104)中。其中残余的氧将保证(104)成兼氧状态。
厌氧处理后的废水沿着隔离板(106a)流入好氧区(106)底部的兼氧区。废水中的有机物首先被兼氧微生物用来将NO3转化成氮气。然后，含有残余有机物的污水送到反应器的上部。固定在上部反应器中的活性微生物迅速地将其剩余的有机物去除。因上部生物填料通常是直接与空气接触，因而菌群可直接从空气中吸取氧气。另外，在(108)中的泵周期性地将其中液体泵回到(106C)。在泵送液体过程中，在线曝气系统有效地将空气中(或富氧空气中)的氧气迅速地溶于水中，并一同送到(106C)中，因而始终保持(106C)中有足够的溶解氧以保证其活性微生物高效地去除残余有机物。根据调节有机物负荷，循环比例以及溶解氧的程度，从顶部到底部形成三个主要区--BOD区(106c)，硝化脱氨区(106b)和反硝化脱氮(106a)区。通过改变操作条件，象有机物负荷，氮的浓度和溶解氧的浓度等，可以很容易地改变每一区的高度以达到所要求的处理目的。整个系统只要求一只泵和二个水位控制器来有效地工作。如有必要，可用高级的曝气氧化系统同时将臭氧和氧气一并溶于水中以便消毒和最终排放。
在另一种设计中，处理后的出水(106)可泵到(TE)上部精处理(Polishing)(114)区进行进一步的生物最后处理，然后，再与臭氧接触来进行消毒。
虹吸收系统(116)可根据(106)水位的高低周期性将处理出水从(106)自动地虹吸到114中。虹吸的频率可以用水力负荷和循环比例来调节。回过来，虹吸频率和循环比例可控制(106)的水位高低和厌氧区(104)的混合程度。
以上描述在图6中的工艺过程和生物反应器系统最适合用于就地生物废水处理系统，或者是叫整套包装系统。同时也很容易的用于改进现有简单的包装系统，包括简单的老式化粪池(Septic tank)系统。
生物填料生物填料众所周知。最适用的生物填料可能由多孔的高聚物，水流结构和微生物载体结构组成。高聚物通常会有许多的微孔结构。微孔可有效地固定各种菌群或菌体，并提供适当的生存环境。从而以提高效率并达到降低污泥的目的。适合的生物填料，还可提高菌群的活性期和去除效率。并能保证减少周围环境对菌群的有害影响和保护菌群不被冲洗出反应器。
图7a示意性表示用于该发明的一种适合的微孔结构和内部将许多微孔联起来的微型通道(202)。这些通道对输送有关的基质象溶解氧和代谢后的废物非常重要。
图7b示意性表示水流通道结构(204)及其与微型通道(202)的联结方式。
图8是扫描电子生物显微镜的图片。它显示了固定在微孔中高浓度的生物菌群和如何保护它不受冲洗和其他不良影响。这个结构表明，即使有不良影响只要时间不很长，只有外层的菌群可能被影响或杀死，但相对的内部菌群很可能存活下来。从而作为菌种保留在生物反应器中。一但环境变得有利，这些保留下来的菌种即可很快重新生长起来，从而恢复生物反应器的性能。这种概念与传统的活性污泥法相反。因为在活性污泥法中，菌群生长在完全混合的曝气池中。这种活性污泥法设计是为了让菌群中每一员菌种都能有同等获取基质的机会。显然，一旦不良环境发生，所有菌种都有同等曝露于这种不良环境的机遇，从而有可能所有菌种都受到同等程度的影响。比如常见的冲洗影响，当水力负荷突然增加后，大量的菌群很可能被冲洗出生物反应器。在冲洗后，象生长慢的脱氨菌种可能很难一时恢复起来。
显然，有经验的技术人员可将以上要领进行适当修改，调整以后变成另一种应用，但不超脱本发明的范围和思想。
权利要求
1.一个集成化的生物处理工艺过程，其特征是该过程主要由以下部分组成a)让液体流过“脱磷能源再贮备(P-Recharge)”生物反应器；该生物反应器固定有生长好的聚磷菌群；在生物反应器维护的特定的环境下，菌群能很快的从液体中吸取碳源基质并将大量过剩部分贮存于细胞内部作为脱P过程的能源；b)让a)中的液体流过“磷脱除(P-removal)”生物反应器，其中聚磷菌群在特定的环境下，利用预先从a)中贮存的碳源基质作为能源来从液体中聚集大量的磷并将其贮存于细胞中；c)将液体从“磷脱除(P-removal)”生物反应器中移除，并同时添加P-释放液，从而让已吸饱P的菌群释放出已吸的磷；d)从“磷释放(P-release)”生物反应器中移除含P的液体。
2.如权利要求1所述的生物处理工艺过程，其特征是该工艺过程进一步含有一子过程，让液体首先流过一个固定化厌氧反应器；该固定化厌氧反应器固定有一组特定的菌群，它可以将有机物转换成短链的脂肪酸(VFA)以让脱P、脱N菌使用。
3.如权利要求1所述的生物处理工艺过程，其特征是该工艺过程进一步含有一子过程，让液体从“脱磷能源再贮备(P-Recharge)”生物反应器流过至少另一个生物反应器，此生物反应器至少可从污水中去除部分含氮的化合物，悬浮物和BOD或者COD。
4.如权利要求3所述的生物处理工艺过程，其特征是至少含有另外一个生物反应器系统，该生物反应器系统用来从污水中脱氮；这个生物反应器通常含有硝化和反硝化菌群，它们可将氨转化为硝酸氮(NO3-N)，并进一步转化为N2。
5.如权利要求3所述的生物处理工艺过程，其特征是至少含另外一个好氧生物反应器，该反应器可脱除部分BOD。
6.如权利要求3所述的生物处理工艺过程，其特征是至少含有另外一个好氧生物反应器系统，可进一步去除残余的氨，BOD或悬浮固体物。
7.如权利要求1所述的生物处理工艺过程，其特征是b)过程是在高度好氧条件下进行的。
8.如权利要求7所述的生物处理工艺过程，其特征是溶解氧(DO)浓度大于2mg/L。
9.如权利要求8所述的生物处理工艺过程，其特征是最佳溶解氧(DO)浓度应在3到4mg/l之间。
10.如权利要求1所述的生物处理工艺过程，其特征是P-释放液含有一种适当的活性剂和充足的碳源。
11.如权利要求10所述的生物处理工艺过程，其特征是活性剂最好是Tween20，碳源最好是短链脂肪酸类。
12.如权利要求3所述的生物处理工艺过程，其特征是至少含有两个“磷脱除(P-removal)”生物反应器；该生物反应器以轮流操作模式运行，一个处于Recharge阶段，一个处于P脱除阶段。
13.如权利要求12所述的生物处理工艺过程，其特征是含有三段磷脱除(P-removal)生物反应器系统；三个生物反应器以轮流模式运行，但将同时处于不同操作阶段；第一个处于Recharge阶段，第二个处于脱磷阶段，而第三个则处于P释放阶段。
14.如权利要求2所述的生物处理工艺过程，其特征是该过程进一步含有一子过程，它让至少一部分从第一段厌氧反应器(12a)中流出的液体通过另一个高度厌氧反应器(12b)，该反应器固定有一组特定的甲烷菌群，它可将VFAs及其它有机物转化成甲烷气体。
15.如权利要求14所述的生物处理工艺过程，其特征是该过程进一步含有一子过程，让从高度厌氧生物反应器(12b)中流出的液体再通过一好氧生物反应器，以去除残余的部分悬浮物和有机物BOD或COD。
16.一个去除生物降解的悬浮物和有机物的生物处理工艺过程，其特征过程如下a)让废液流过兼氧性的生物反应器(12a)；该生物反应器固定的微生物菌群，可产生细胞外酸化水解酶，这些水解酶可将悬浮固物和复杂的有机物转化为短链的脂肪酸类有机物；b)让至少一部分来自于兼氧生物反应器中的液体流过一个高度厌氧生物反应器其中固定有甲烷发酵菌群。
17.如权利要求16所述的生物处理工艺过程，其特征是该过程中在a)前面不需要含有沉淀池或固体分离系统。
18.如权利要求16所述的生物处理工艺过程，其特征是该过程含有一子过程，处理从高度厌氧反应器出来的液体，这一子过程将去除其中一种或几种污染物含P化合物，含N化合物或者BOD,COD，悬浮物。
19.如权利要求18所述的生物处理工艺过程，其特征是该过程和生物反应器系统固定有兼氧菌群，可将复杂的含P和/或含N化合物转化成比较简单的P、N化合物以便在下一子过程中去除。
20.如权利要求16所述的生物处理工艺过程，其特征是产生的甲烷气可适当收集并利用。
21.如权利要求18所述的生物处理工艺过程，其特征是从严格厌氧反应器中出来的液体流入BOD生物反应器，并去除残余有机物。
22.如权利要求18所述的生物处理工艺过程，其特征是从BOD生物反应器中的排出物流入精处理(Polishing)生物反应器，该反应器可进一步去除残余的氨和悬浮物。
23.一种脱氮生物反应器装置，其特征是它包括a)一个贫氧的脱氮生物反应器，它含有一个液体入口，液体出口，一个气体出口和固定化菌群，可将NO3转化为N2；b)一个好氧生物反应器，它含有入口和出口，并固定有菌群，可将氨氧化成NO3；c)一种方法，将脱氮反应器的出口与脱氨反应器的入口有机的结合起来，从而可以有效地将液体转送到脱氨反应器中；d)一种方法，至少将一部分脱氨液体循环回到反硝化脱氮反应器中。
24.如权利要求23所述的脱氮生物反应器装置，其特征是该装置还包含有曝气氧化系统，以便在脱氨反应器中提供溶解氧(DO)。
25.如权利要求23所述的脱氮生物反应器装置，其特征是该装置含有一种有效的液体传送系统，当脱氮反应器中液体升到预先设定的高度，可以将脱氮反应器中的液体输送到脱氨反应器中。
26.如权利要求23所述的脱氮生物反应器装置，其特征是该装置可按比例地降低液体输送速率，这种比例与脱氮生物反应器中的液位有关。
27.如权利要求23所述的脱氮生物反应器装置，其特征是联接系统利用虹吸原理工作。
28.如权利要求23所述的脱氮生物反应器装置，其特征是该装置中的脱氮生物反应器最好是园柱体，脱氨生物反应器是同心园柱体，环围着脱氮反应器。
29.如权利要求23所述的脱氮生物反应器装置，其特征是脱氮生物反应中的流型接近平行流反应器性能。
30.如权利要求23所述的脱氮生物反应器装置，其特征是脱氨生物反应器的入口分布系统装在反应器的顶部；液体通过分布系统均匀地分布于顶部，然后逐渐从上到下流过生物反应器。
31.一个组合式单元生物反应器系统，用它从污水中去除有机悬浮物，BOD和/或者含N化合物，其特征是它包括以下部分a)兼厌氧发酵区，有入口和出口，并固定有兼氧菌群，工作在低度厌氧条件下；b)组合式BOD/N去除区；固定有三组菌群，一组是复合异养菌群以去除残余有机物，第二组是好氧脱氨菌群，第三组是贪氧脱氮菌群；随着污水中的BOD,NO3和NH3的浓度的变化，菌群比例可以自动调节。
32.如权利要求31所述的组合式单元生物反应器系统，其特征是该系统还包含一个在线氧气溶解系统，并可将溶解氧送到BOD/N反应器的顶部。
33.如权利要求31所述的组合式单元生物反应器系统，其特征是该系统的曝气氧化系统，可同时加入O3，以便进行消毒，脱色、除臭等。
34.如权利要求31所述的组合式单元生物反应器系统，其特征是BOD/N生物反应器中，上部主要固定有第一和第二组茵群，第三组主要在底部。
35.如权利要求34所述的组合式单元生物反应器系统，其特征是从厌氧反应器中的出水流入BOD/N区的底部，然后向上逐渐流动。
36.如权利要求31所述的组合式单元生物反应器系统，其特征是含有一个虹吸系统，该系统将BOD/N中的液体转输送到处理出水区，而循环系统则将部分处理出水区的液体送回到BOD/N生物反应器的顶部。
37.如权利要求31所述的组合式单元生物反应器系统，其特征是液位由一个液位控制器和泵来调节循环和排放的操作。
全文摘要
集成化的生物处理工艺过程和特效生物反应器系统及其有机结合是本发明的关键组成部分。更确切地说,该发明将一系列特效生物反应器系统有机地应用到集成化的生物处理过程从而达到从污水中同时去除有机杂质或者叫BOD,总悬浮物(TSS),含N和含P化合物的目的。
文档编号C02F9/14GK1311164SQ0010307
公开日2001年9月5日 申请日期2000年2月28日 优先权日2000年2月28日
发明者毛华中, 蔡之凯 申请人:毛华中