专利名称：生物活性反应器以及废水处理方法
技术领域：
本发明涉及一种用于处理废水的生物活性反应器以及方法。更具体地说，本发明涉及一种用于对废水中的污染物进行生物学处理的浸没式充气反应器。
对于给定的触地(即滤池所要求的场地面积)，已经做过许多尝试来增加滤池的容量。这对于现存的污水厂尤其重要，因为这些污水厂得增加容量来满足日益增长的污染的需要，但却不能增加污水厂向外扩展的面积。预计将滤池变成柱形，从而滤池的高度可给出较大的滤池体积。滤池的向上扩展受到滤池的基底所能够支撑的重量的限制。
由于废物的生物氧化发生在过滤介质的表面上，因此通过增加介质中颗粒的表面积，可以在给定的滤池体积内处理大量的废物。这样，介质颗粒的平均尺寸被减小了，以便增大颗粒的表面积。而且，介质颗粒经常是由塑料材料形成的，这是由于业已发现这种颗粒是特别有益的。
还已经发现，被淹没的滤池介质通常会增加滤池的效率。穿过滤池的液流可以向上或者向下。空气被抽吸穿过淹没的滤池介质床。当然，重要的是确保空气出口不被堵塞，否则废物的氧化就会停止。当采用小介质(小于大约5mm的公称直径)时，固体被部分截留在介质床内并且得通过回洗来除去，因此对于滤池来说，需要昂贵的回洗设备和停机时间。较小的介质和截留颗粒造成较高的压头损失现象，该现象可限制处理容量。在通过回洗除去同体的情形中，滤池一般被称作生物充气滤池(BAF)。在这种情形中，通常不需要紧接滤池的澄清槽。
如果将较大的介质用于滤池中，那么固体不会截留在床内并因此被紧接滤池的澄清槽去除。在不需要回洗的情形中，滤池是作为滴滤池或浸没式充气滤池(SAF)而公知的。因为介质床被淹没并且氧气是从底部压入系统的，所以SAF与过滤床(滴滤池)不同。SAF优于生物过滤床(滴滤池)的地方是，它没有气味、由于被淹没而没有飞扬的污物、能够以非常高的装载速度来工作并且在现场只占据很小的场地面积。另外，SAF比其它滤池具有更好的氧传输性能。
大多数现存的浸没式充气滤池都采用塑料介质。已经使用了几种不同类型的塑料介质，包括松散地填入填充床内的无规则填充型，该填充床可包括较小的空心管或十字圆柱形的通常较大的类似于多支架的形式。更复杂的形状具有更大的表面积的优点，但是同时该表面积由于局部堵盖而减小。另一种塑料介质类型是填充堵塞型，这种类型与冷却塔介质的性质类似。它也能提供较高的表面积，但是其缺点是过程(process)空气可使其浮在浸没式滤池内并且该结构已经导致有记录的失败。
由于大城市地区的污染增加，因此对纯化水的需求增长了而废水滤池的有效占地却减少了。
虽然这种浸没式充气滤池在机械上简化了，但是滤池的每单位触地却具有更大的操纵容量。本发明的SAF与以前的SAF反应器相比，具有使介质床的深度增加到5米-9米的能力。然而，如果必需的话，SAF系统可以反过来再配合到现存的较小反应器上。因为可以更高地填充较大的介质颗粒，而不会产生明显的压头损失现象，所以介质的深度增大了。该浸没式充气滤池在机械上的复杂程度很小，但是在较小的储地上却保持了高容量处理的优点。本发明人已经发现，使用较大尺寸的过滤介质可改善滤池的效率，甚至在介质提供的表面积更小时也能做到这一点。效率的改善被认为是由于过滤介质很少发生堵塞。
本发明的另一个优点是，以前的BSF系统中所需要的回洗在本发明中不是必需的。回洗可干扰在生物介质床中展开的固定微生物膜。而本发明的浸没式充气滤池避免了这一点，从而使过滤处理过程不被中断。而且，由于构成过滤介质的颗粒尺寸较大，因此穿过滤池的流路不易被固体碎片堵塞。本发明改善了浸没式充气滤池填充的稳定性。
介质颗粒具有大于6mm的平均直径，例如在6mm至45mm之间，并且如果特定介质是石头、石子、浮石或高炉矿渣，则该直径是优选的。因此使滤池的生产成本减小了。而且，当用这些材料颗粒的形状不规则时，该直径可改善穿过滤池的流动性并增大滤池的表面积。当使用优选的介质组合物时，滤池的基底通常是由混凝土形成的，以便支撑介质的重量。优选的是，在滤池中采用US 4,923,606(其内容在此作为参考并入本文)中所述的形成基底的地下排水块(block)。
按照第一方面，本发明提供了一种用于连续处理废水的生物活性反应器。有利的是，该反应器的结构相当简单。它包括具有多个直立壁的一个或多个小室(cell)，这些直立壁限定出至少一个间格和一个底板。间格包括由粗糙的矿物介质颗粒和生物活性微生物构成的介质床。一层地下排水块位于反应器的底部。将一个或多个空气支管布置在地下排水块之下，而空气支管与充气机相连。用于将废水输送到小室的一个或多个给水管位于小室底板附近。
本发明的第二方面是，反应器是具有一个或多个小室的上流生物活性反应器，其中小室具有限定出至少一个间格和一个底板的多个直立壁。间各包括具有直径大约在6mm至45mm之间的介质颗粒的介质床。较粗糙的介质减少了空气孔和管的阻塞。生物活性微生物存在于介质床内。一层地下排水堵块位于反应器的底部，而将一个或多个空气支管布置在其下。空气支管限定出多个空气孔，从而在介质床内提供多个向上的空气射流。这些空气射流在介质床内产生上升空气泡、微生物和废水流的多个上流区。空气支管与充气机相连。一个或多个给水管位于小室底板附近，以便将废水输送到小室中。
矿物介质颗粒包括石子、高炉矿渣或浮石。介质床包括一个或多个有氧区、一个或多个无氧区或者一个或多个有氧区与一个或多个无氧区的组合。
本发明的另一个重要和有益的方面是位于介质床内的第二排空气支管。这些空气支管产生了用于脱硝的无氧区以及用于硝化和BOD处理的有氧区。空气孔之间的距离在大约30cm到大约40cm的范围内。介质床具有大约5米至大约9米的深度，而介质之上的空间(freeboard)具有大约0.4米至大约2米的深度。
在本发明的又一方面，反应器还可包括底部冲洗系统，以避免在底板与地下排水块之间堆积淤渣。
本发明优选地提供了一种在上游生物活性反应器内对废水进行硝化并同时进行BOD氧化的方法。该方法包括将废水流供给上流生物反应器，该生物反应器包括具有多个直立壁的一个或多个小室，其中这些直立壁限定出至少一个间格和一个底板，一层地下排水块位于反应器底板附近，而给水管位于地下排水块之下。利用布置在另一排地下排水块之下的一个或多个空气支管给生物反应器充气。有利的是，氧化空气与流入的废水在地下排水块之下混合，然后使该流入的废水与氧化空气的混合物上升穿过间格。间格内的介质床包括直径在大约6mm-45mm范围内的介质颗粒和生物活性微生物，从而所附着的生物质氧化BOD和氨。该方法还包括利用位于介质床内的第二排空气支管给介质床的上部充气的步骤，以便产生无氧区和有氧区。
SAF是具有一个或多个小室20的上流生物活性反应器10，其中所述小室20具有限定出至少一个间格25和底板28的多个直立壁22。间格25容纳具有直径大约在大约6mm-45mm范围内的介质颗粒24的介质床26。在介质床内存在生物活性微生物。一层地下排水块32位于反应器的底板，而一个或多个空气支管36布置在地下排水块32之下。该空气支管限定出多个空气孔，以便在介质床内提供多个空气射流。这些空气射流在介质床内产生上升空气泡、微生物和废水流的多个上流区。空气支管与充气机37相连。一个或多个给水管位于小室底板附近，以便将废水输送给小室。
有利的是，与传统的生物充气滤池相比，该浸没式充气滤池使用粗糙的介质。介质颗粒24的平均直径在大约6mm-大约45mm的范围内(例如7mm-14mm)。在一优选实施例中，该平均直径大于11mm，而一方面，其大于20mm。一般来说，介质颗粒在整个介质床中的尺寸都是均一的。尺寸均一的介质可提供大的无限制的空隙空间，从而确保压头损失较低，而这对于本发明的SAF是重要的。由于不使用精细的介质，因此该浸没式充气滤池减小了由精细介质产生的高液压阻力和压头损失。也使空气和废物的分布问题以及一般与生物充气滤池有关的堵塞问题最少。需要昂贵设备的回洗在本发明中不是必需的。因此，本发明的浸没式充气滤池与一般的充气滤池相比，需要更少的装设仪器(与回洗设备有关)和更少的阀。虽然该浸没式充气滤池在机械上简化了，但是每单位滤池触地却有更大的操纵容量。可以更高地填充更大的介质颗粒，从而导致触地更紧密。
介质颗粒24是矿物介质颗粒，该颗粒可以是包括石子、浮石、高炉矿渣或石头的粒状或颗粒状物质，所有这些颗粒都易于使用并且来源经济。介质床26包括一个或多个有氧区、一个或多个无氧区或者一个或多个有氧区与一个或多个无氧区的组合。生物活性微生物包括形成附着到介质床26上的生物质的异养菌和自养菌。该生物质氧化BOD和氨并还原硝酸盐。该生物活性材料优选的是固定膜的形式，其在本文中定义为在支撑结构(例如介质)的膜上生长的微生物。
滤池小室20的壁22和底板28既可以是钢结构的也可以是混凝土结构的，既可以是矩形的也可以是环形的(或者其它适宜的形状)，这取决于制造者。滤池介质的支撑系统32是SAF的重要部分。为了支撑介质和生长，该支撑体必须均匀分布过程空气和废物，即确保流体的均匀施加和去除。许多系统都在送气空之上采用钢板或混凝土毛底板，流体通过喷嘴流到介质上。所示出的基底32是Tetra‘T’拼块底板，该底板包括一层联锁的塑料套层的混凝土地下排水块32(如US4,923,606所述)。也可以使用其它类型的基底。其它系统采用钢筛，它也位于送气室之上。滤池底部的损坏将导致介质损失并且在修理时需要完全卸下滤池。滤池底部的堵盖或部分堵盖将导致处理效率的减小。
滤池小室20限定出容纳介质床26的间格25。由于粗糙的介质，因此介质床可具有大约5米-大约9米的深度(例如为8米)，并且介质之上的空间具有大约0.4米-大约2米的深度。由于生物活性而不是过滤的结果，首先发生废水在SAF内的纯化。优选的是，最后的沉降器用于过滤固体废物。术语“浸没式充气滤池”是指介质床26浸没在废水中并借助于空气支管36进行充气。
SAF小室20的底板28上的下部结构包括在地下排水块32下面延伸的多个空气支管36。空气支管36与一个空气集气管相连，该集气管输送由充气机37、吹气机、气罐或一些其它氧源(未示出)供给的氧或空气。流入的废水31借助于流入管或通过底板槽进入生物反应器10，并且在生物反应器中进行处理之后，又通过位于反应器10顶部附近的流出管39流出。
一方面，空气支管36限定出多个空气孔27。压缩空气/氧气被抽入集气管35并穿过空气支管28，从而在介质床40内提供一个空气的向上射流。该实施例中的气流图如
图1所示。
空气孔27可被介质、固体废物或生物物质堵塞，借此使反应器10的产率下降。在本发明之前，通常使用的生物滤池中的空气孔之间的距离大约为11cm，并且经常发生空气孔的堵塞。本发明的一个优选实施例将空气孔27之间的距离增大到大约25cm-大约40cm，借此使每个支管36内的空气孔27的数目减少。任一支管36内的空气孔27的数目都是决定空气孔27之间的距离和支管36的长度(一般为反应器10的宽度)的一个因素。优选的是，空气孔27之间的距离在大约35cm-大约40cm的范围内，更优选的是37cm。由于本发明支管36内的空气孔27的数目减少了，因此穿过剩余空气孔27的压缩空气/氧气的速度增大了。增大穿过空气孔27的空气/氧气的速度可减少堵塞问题。
有利的是，本发明的SAF具有位于介质床内的第二排空气支管60。这排空气支管60产生用于脱硝的无氧区以及用于硝化和BOD氧化处理的有氧区。空气支管60限定出多个空气孔，从而在介质床内提供了空气的向上射流。该空气射流在介质床内产生上升空气泡、微生物和废水流的多个上流区。空气孔之间的距离在大约35cm-大约40cm的范围内。业已发现，另一个在有氧与无氧区之间再循环流出物的步骤是有益的。
经常从集气管施加过程空气，该集气管可位于紧紧在滤池底部28之上的介质内或者位于滤池附近。过程空气的速度足以维持有氧状态，但高得不足以洗刷聚集的生物膜。
在按照本发明的一个优选方法处理废水的过程中，淤渣可堆积在地下排水块下面的“死区”。反应器10的底板28附近是底部冲洗系统65，以避免淤渣堆积在底板和地下排水块之间。在底部冲洗的一种方法中，利用介质床之上的集气管来冲洗滤池底部，从而无需额外的泵或设备。一个或多个给水管31也位于反应器底板28附近，以便将废水供给小室20。也可利用废物流入底板槽来输送给水。流入的废水通过堵块之下的槽或管31进入并上升穿过堵块之间的缝隙。
本发明的SAF反应器优选地是一上流系统。废水在上流生物活性反应器内硝化并同时进行BOD氧化的方法包括通过给水管31将废水流供给上流生物反应器。该生物反应器具有包括多个直立壁22的一个或多个小室20，其中这些直立壁限定出至少一个用于包容介质床的间格25和底板28。一层地下排水块32用作介质支撑系统，其位于反应器10的底板28附近，而给水管31位于地下排水块32的下面。
利用布置在另一排地下排水块32之下的一个或多个空气支管36给生物反应器10充气。由此在地下排水块的下面使氧化空气与流入的废水混合。使流入的废水与氧化空气的混合物上升穿过包括介质床26的间格。流体流过介质床并被高液位的堰隔离。带有固体的被氧化的流出液流过沉降槽，以便进行分离。
介质床26包括直径在大约6mm-45mm范围内的介质颗粒24和形成生物质的生物活性微生物。附着的生物质氧化BOD和氨。如果需要的话，SAF反应器可只进行硝化，以便氧化氨，或者不硝化而进行BOD氧化。该方法还包括利用位于介质床26内的第二排空气支管60给介质床上部充气的步骤，以便产生无氧区和有氧区。
一般来说，SAF系统上承载的容量污染物与常规生物滤池获得的相比，是相当高的，但是通常却少于BAF装置中承载的容量污染物。然而，因为SAF能容纳更深的介质床，所以其在一平方脚基(foot basis)上具有相似的处理容量。
显然，SAF的体积只需是被活化的淤渣反应器的1/2-1/5。这样就减少了所需的场地面积。当在充气装置上时无需返回到混合液中并因此减小了动力成本和安装的复杂程度，从而使操作更简化。该装置可容纳在地下。设计恰当的装置应该没有气味或飞扬的污物。
SAF装置与BAF设备相比，在结构上要简单得多。因为无需回洗SAF，所以取消了与BAF装置有关的自动阀和复杂控制的布置。这使得SAF具有比BAF更低的基建成本。维修的需要应该最少；所有的标准项目是给水和过程吹风机。如果使用气泡扩散器，那么就需要净化空气。由SAF装置产生的淤渣要比由同等活化的淤渣设备产生的高。
虽然既可以上流也可以下流的方式来使用该系统，但是图1所示的上流方式是优选的。为了减少泵送的需要，该反应器被埋在地里。从位于堵块下面的不锈钢支管施加过程空气。没有扩散器、喷嘴或其它孔造成堵塞或其它问题。
以上描述是对本发明优选实施例的阐释和说明，但是在尺寸、形状、材料和其它细节上的改变对于本领域的技术人员来说都是显而易见的。因此在后面所附的权利要求书的范围和精髓内所作出的所有这些变型和改进都包括在本发明中。
权利要求
1.一种用于处理废水的生物活性反应器，该反应器包括一个或多个包括多个直立壁的小室，所述直立壁限定出至少一个间格和底板，所述间格包括一个介质床，而所述介质床包括粗糙的矿物介质颗粒和生物活性微生物；一层位于反应器底部的地下排水块；一个或多个布置在另一排地下排水块下面的空气支管，所述空气支管与一充气机相连；以及一个或多个位于小室底板附近的给水管，所述给水管适于将废水流传送给小室。
2.一种用于处理废水的上流生物活性反应器，该反应器包括一个或多个包括多个直立壁的小室，所述直立壁限定出至少一个间格和底板，所述间格包括一个介质床，而所述介质床包括直径在大约6mm-45mm范围内的介质颗粒和生物活性微生物；一层位于反应器底部的地下排水块；一个或多个布置在另一排地下排水块下面的空气支管，所述空气支管限定出多个空气孔以便在介质床内提供一向上的空气射流，而所述空气射流在介质床内产生包括上升空气泡、微生物和废水流的多个上流区，所述空气支管与一充气机相连；以及一个或多个位于小室底板附近的给水管，所述给水管适于将废水流传送给小室。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于介质颗粒的平均直径在大约6mm大约45mm的范围内。
4.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于介质颗粒的平均直径在整个介质床内都是大致均一的。
5.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于矿物介质颗粒包括平均直径大于11mm的粒状或颗粒状物质。
6.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于矿物介质颗粒包括平均直径大于20mm的粒状或颗粒状物质。
7.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于矿物介质颗粒包括石子。
8.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于矿物介质颗粒包括高炉矿渣。
9.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于矿物介质颗粒包括浮石。
10.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于介质床包括一个或多个有氧区、一个或多个无氧区或一个或多个有氧区与一个或多个无氧区的组合。
11.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于生物活性微生物包括异养菌和自养菌。
12.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于地下排水块是塑料套层的混凝土地下排水块。
13.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于第二排空气支管位于介质床内。
14.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于空气支管限定出多个空气孔，以便在介质床内提供一个向上的空气射流，空气支管还限定出空气孔之间的距离，而该空气射流在介质床内产生上升空气泡、微生物和废水流的多个上流区。
15.如权利要求14所述的反应器，其特征在于空气孔之间的距离在大约35mm-大约40mm的范围内。
16.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于介质床具有大约5米-大约9米的深度，而介质上面的空间具有大约0.4米-大约2米的深度。
17.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于还包括一底部冲洗系统，以避免在底板和地下排水块之间堆积淤渣。
18.一种用于处理废水的上流生物活性反应器，该反应器包括一个或多个包括多个直立壁的小室，所述直立壁限定出至少一个间格和底板，所述间格包括一个介质床，而所述介质床包括直径在大约6mm-45mm范围内的介质颗粒和生物活性微生物；一层位于反应器底部的地下排水块；一个或多个布置在交替的地下排水块下面的空气支管，所述空气支管与一充气机相连；以及一个或多个位于地下排水块之下、与空气支管交错的给水管，从而一排地下排水块覆盖空气支管，而邻近一排地下排水块覆盖给水管，所述给水管适于将废水流传送给一个或多个小室。
19.一种在上流生物活性反应器内对废水进行硝化并同时进行BOD氧化的方法，包括以下步骤将废水流供给上流生物反应器，该生物反应器具有包括多个直立壁的一个或多个小室，所述直立壁限定出至少一个间格和底板；一层位于反应器底板附近的地下排水块；位于地下排水块下面的给水管；利用布置在另一排地下排水块之下的一个或多个空气支管给生物反应器充气，使地下排水块下面的氧化空气与流入的废水混合；使流入的废水与氧化空气的混合物上升穿过包括介质床的间格，所述介质床包括直径在大约6mm-45mm范围内的介质颗粒和生物活性微生物，从而附着的生物质可氧化BOD和氨。
20.一种在上流生物活性反应器内对废水进行硝化的方法，包括以下步骤将废水流供给上流生物反应器，该生物反应器具有包括多个直立壁的一个或多个小室，所述直立壁限定出至少一个间格和底板；一层位于反应器底板附近的地下排水块；位于地下排水块下面的给水管；利用布置在另一排地下排水块之下的一个或多个空气支管给生物反应器充气，使地下排水块下面的氧化空气与流入的废水混合；使流入的废水与氧化空气的混合物上升穿过包括介质床的间格，所述介质床包括直径在大约6mm-45mm范围内的介质颗粒和生物活性微生物，从而附着的生物质可氧化氨。
21.一种在上流生物活性反应器内对废水进行BOD氧化的方法，包括以下步骤将废水流供给上流生物反应器，该生物反应器具有包括多个直立壁的一个或多个小室，所述直立壁限定出至少一个间格和底板；一层位于反应器底板附近的地下排水块；位于地下排水块下面的给水管；利用布置在另一排地下排水块之下的一个或多个空气支管给生物反应器充气，使地下排水块下面的氧化空气与流入的废水混合；使流入的废水与氧化空气的混合物上升穿过包括介质床的间格，所述介质床包括直径在大约6mm-45mm范围的介质颗粒和生物活性微生物，从而附着的生物质可氧化BOD。
22.如权利要求19、20或21任一项所述的方法，其特征在于还包括利用位于介质床内的第二排空气支管给介质床上部充气的步骤，从而产生无氧区和有氧区。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于还包括在有氧和无氧区之间再循环流出物的步骤。
24.如权利要求19、20或21任一项所述的方法，其特征在于还包括底部冲洗的步骤，以避免在底板和地下排水块之间堆积淤渣。
25.一种用于处理废水的生物活性反应器，该反应器包括一个或多个包括多个直立壁的小室，所述直立壁限定出至少一个间格和底板，所述间格包括一个介质床，而所述介质床包括粗糙的矿物介质颗粒和生物活性微生物，所述介质床具有大约5米-大约9米的深度；一层位于反应器底部的地下排水块；一个或多个布置在另一排地下排水块下面的空气支管，所述空气支管与一充气机相连；以及一个或多个位于小室底板附近的给水管，所述给水管适于将废水流传送给小室。
26.如权利要求25所述的反应器，其特征在于所述介质床具有大约8米的深度。
27.如权利要求25所述的反应器，其特征在于还包括底部冲洗系统，以避免在底板和地下排水块之间堆积淤渣。
28.如权利要求25所述的反应器，其特征在于在介质之上还包括在0.4米-大约2米范围内的空间。
全文摘要
本发明提供了一种生物活性反应器和一种用于连续处理流过反应器的废水的方法，以便减少空气支管中的空气孔的堵塞并促进废水与生物有机体之间的混合。该生物活性反应器包括一个或多个具有多个直立壁的小室，所述直立壁限定出一个间格和底板。所述间格含有包括粗糙的矿物介质颗粒和生物活性微生物的介质床。一层地下排水块位于反应器底部，而空气支管布置在另一排地下排水块下面。所述空气支管与一充气机相连。一个或多个给水管位于小室底板附近，以便将废水流传送给小室。以上所述的在上流生物活性反应器内对废水进行硝化和/或BOD氧化的方法包括将废水流供给生物反应器，其次利用布置在另一排地下排水块之下的空气支管给生物反应器充气，并且使地下排水块下面的氧化空气与流入的废水混合，然后使流入的废水与氧化空气的混合物上升穿过包括介质床的间格，从而附着的生物质可氧化BOD和氨。
文档编号C02F3/04GK1398795SQ0212981
公开日2003年2月26日 申请日期2002年8月15日 优先权日2002年8月15日
发明者朗德尔 申请人:泰特拉处理技术塞温塔兰托服务公司