废水处理方法及装置的制作方法

专利名称：废水处理方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及水和废水的处理，更为具体地说，是涉及一种处理家庭、城市和可进行生物降解的工业废水之新方法及装置。本发明特别涉及一种利用生物膜、充分的充气和搅动及将混合液中悬浮固体(MLSS)颗粒减小的方法对废水进行处理。
六十年代后期和七十年代初期，由于水资源迅速恶化，美国着手开始一项大规模改进城市废水处理的计划。这项计划旨在维持江河及溪流水的质量，阻止这些水资源进一步被污染，使子孙后代仍可享用这些资源。作为该计划的一部分，环境保护署(EPA)拨款数十亿美元给各市政府，用以帮助其改进城市废水处理技术。这些拨款大大地改进了整个美国废水处理的状况，随着江河及溪流水质量的改进，现在江河及溪流中的水生植物和有关环境正在得以新生。尽管如此，仍有相当数量的市政府或私人废水处理厂不能达到环境保护署污染排放许可标准，致使其每年所交罚金约计数百万美元。事实上，更为重量的是废水污染仍然存在。例如，在整个美国，每分钟大约有4.2万加仑的废水由厌氧菌处理槽流入地下。这是地下水被污染及带菌的一个重要来源。进一步说，此问题并非仅发生在美国，而是一全球性问题。此外，传统的废水处理方法造成相当数量的淤渣，而处理这些淤渣必须使用花费昂贵的方法，如污泥消化装置，或采用与固体废水一起掩埋，或注入土地层的方法。从下文的描述可知，本发明可解决这些问题。
由于政府资助，时至今日，越来越多的废水处理厂投入运作，而处理废水的工艺却在七十多年间无实质上的改进。传统的处理工艺在多方面被加以应用，但它们基本上无甚区别。
在所有处理家庭、城市、及可进行生物降解的工业废水的工厂中，其中80%以上采用活性污泥处理工艺，该工艺使用在水中游离的生物，以消化溶解在废水中或悬浮在废水中的有机物质。
这种活性污泥处理工艺有几项缺陷。废水处理的效果由于各种工艺过程不同而有很大区别，并导致极为不同的污染结果。进一步说，活性污泥处理工艺对温度极为敏感，在低温及温度急剧变化时运转不良。此外，这种工艺造成大量固体淤渣，如何处理这些淤渣也是一个严重的问题。使用额外的土地处理淤渣会增加城市废水处理对环境的影响。如果不使用这种处理方式，废水处理厂就不得不花费大量资金建立淤渣消化装置。
活性污泥处理工艺主要是使尽可能多的固体颗粒沉降，同时使用生物降解制剂(细菌)来消化废水中的有机物质。“污泥膨胀”是最常见的造成固体分离不好及废水处理不良的原因，它通常在生物固体不能迅速沉降凝结的情况下发生(见Rittman，1987，第132页)。一般认为这种情况是由于产生了大量丝状微生物造成的，它们增加了固体物沉降和絮凝的阻力。这些细微颗粒延缓了沉降速度。颗粒本身由小颗粒凝结为大颗粒的相互凝结作用也非常重要。同样，由于要处理的废水数量很大，沉降所需的时间亦很重要。好的沉降效果意味着大颗粒的固体物将不大可能会被带入下一步处理步骤或处理槽中。
采用活性污泥处理工艺所处理的废水中都含有一定量的有机或无机物质悬浮在废水中。这通常被称为混合液中的悬浮固体或“MLSS”。废水中的悬浮颗粒和溶解的有机物质在MLSS中相互混合。需氧菌用以处理废水中有机物质所需的氧气称为生化需氧量或BOD。处理后排放的废水质量部分由其中所含的悬浮体或“SS”，一般采用毫克/升单位，以及废水的BOD标准来测量。环境保护署对废水处理厂的BOD及SS均有规定标准。
为了去除和降低SS和BOD，人们发展了一种使用生化处理的方法。这种方法在废水处理过程中使用了多年，其有几种不同的名称，例如，随着生长、固定生化膜，或接触氧化工艺(见Rittman，1987)。生化膜是指生长在载体上并能够消化或分离废水中悬浮或溶解的有机物质的一层生物活性微生物或介质。这些生化介质可在载体上一直生长，直到形成一层膜或“生化膜”。如此，那些载体便又提供了更大的表面，以利于生物介质的生长和运作。生化膜是由在流动的河水和空气中的微生物自发地“接种”而成，一般生物膜的生长需几个星期。
生化膜工艺可以许多方式使用。例如可用在滴滤池中，生物介质包裹住水石子，废水经由石子的空隙滴下;也可用在旋转生化接触器中，生化介质包裹住活动的机械载体;也可用在充气池中的过滤垫中，生化介质可在其过滤材料上生长;同时也可用于充气池中的悬浮球上，这些球同样可在表层生成生化介质层。
这些工艺都有不少的缺陷。例如，过滤垫由于经常被堵塞，而产生了更换的问题，使该工艺的使用既不实用，而且浪费。生化膜包裹悬浮球的缺点是，球表面的生化膜不能保持在应有的厚度上，以最有效地消化有机物质和悬浮固体。同时，这种工艺同样产生大量的淤渣，而必须使用其它昂贵的办法，如淤渣消化池、脱水工艺，土地掩埋，或地下注入。
由于上述种种缺陷，人们又发展了一种称为生物接触氧化的新方法。这种方法是在充气池中铺上塑料管，以利生物膜在管内外生成(生化膜由流水和空气中的微生物产生)。这种方法是把活性污泥处理方法和生化膜方法结合在一起。当BOD浓度高时，生化膜生长所需的表面积也相应增加。这就需要较小直径的塑料管。但由于管直径的缩小增大了管子被堵塞的机会，这成为一个重要的问题。由此而产生了一个生化膜生成所需表面积的通用标准。如采用的是压缩空气或水面充气，管道堵塞会更加严重。此外，生化膜的生长也会加快管道堵塞。
当管道出现堵塞时，整个系统的效率便会降低，直到废水处理设备不得不停机进行清理。当设备清理后再次启动运行时，由于生物膜的缓慢形成，废水处理的效率会有一段迟滞，有时需三个星期之久，整个废水处理系统才能恢复正常运作。
生物接触氧化技术采用的是一种慢速循环水流和轻度搅拌工艺。使用这种工艺有许多原因。首先，由轻度搅拌而产生的慢速循环水流可以产生更完全的生化降解作用。第二，几种可能产生污泥膨胀的丝状微生物都对溶解氧有高度的亲合力。第三，在处理槽或处理池中的漫速水流减少了固体颗粒的破碎，这样就便于将大颗粒由水中分离出来，以降低水中悬浮固体(SS)的浓度。
然而，前面所述现有工艺中的MLSS颗粒的形成一般被认为是不理想的(见Rittman，1987)。使用生化膜载体结构确实增加了表层面积，因而产生了更多的生化介质来消化有机物质。但现有技术要求大多数处理方法需用轻柔水流和大颗粒有机物固体颗粒，而这两项都会造成使用中的生化膜载体结构堵塞，以及必须用昂贵的方法处理大量淤泥。
目前采用的处理方法还有一项难题，即经处理后释放到自然环境中或进行第三级处理的水中溶解氧(DO)的含量普遍太低。通常，废水的充气并不能使处理后的废水中溶解氧的含量达到环境保护署的要求。但溶解氧对维持许多水生物的生命非常必要，而且对以后进一步的水处理也很重要。这就说明或者要进一次充氧以增加溶解氧，这样会增加处理工艺的时间和花费;或者将未完全处理好的，含有许多对水中生物不利成分的废水倾入河流，除非采用昂贵的第三级处理才可以避免上述情形发生。在大多数地区，环境保护署有关污染物排放标准都要求溶解氧必须维持一定水平，但目前废水处理技术大多难以达到环保署有关标准。
如前所述，在载体上的各种固定表面直接或间接附着生成的生物群被称为“生化膜(biofirm)”(见Rittman，1987)。多年来，人们一直致力于如何增强生化膜的生成，这成为各种工艺改进的一个课题。
诺顿公司(NortonCo.)的专利(GB1498360)和海德耐尔有限公司(HydronylLimited)的专利(GB1439745)均描述了可生成生化滤膜的各种载体，这些载体为生化膜的形成提供了大的表面积。另外一种可增大表面积以促进生物膜形成的方法在壳牌国际研究玛茨查皮哥公司(ShellInternationalResearchMaatschappigBV)的专利(GB1315129)中也有所描述。该方法采用多股合成有机聚合物为生化膜提供更大的表面积。还有一种类似的方法可见于欧洲专利EP301237，该方法采用一种对圆筒形滤器进行包裹的方法为生化膜的形成提供大面积的表层。
另外一种改进则集中于如何改变废水与生化膜的实际接触。例如，克拉吉斯特环境工程有限公司(KlargesterEnvironmentalEngineeringLimited)的专利(GB215497)描述了一种采用旋转圆筒形接触器的方法，该接触器基本上由一组在其表面生有生化膜的圆筒形物体组成，随着旋转，其表面的生化膜与废水进行接触。一种类似的采用旋转生化接触器的方法也可见于赛文特文特水厂有限公司(SevernTrentWaterLimited)的国际专利申请中(PCT/GB91/01177)。其它一些资料也描述了或者用机械方式使生化膜与废水进行接触，或将生化膜生成在静止的载体结构上而使废水循环于生化膜之间。这些方法确实增加了生化膜与废水间的接触，但仍解决不了堵塞的问题。同时，所有这些方法仍会产生一定数量的淤泥，这些淤泥或被处理掉，或其中一部分，甚至是大部分随水流放出工厂，从而增加了排出水的生化需氧量的淤泥，这些淤泥或被处理掉，或其中一部分，甚至是大部分随水流放出工厂，从而增加了排出水的生化需氧量(BOD)和悬浮体(SS)。
如何保持生化膜一直浸在废水中也是一个研究课题Wang(1991年)和Iwai(1990)等人均对此课题有所研究。二人均讨论了采用浸在水中的生化膜进行废水处理的问题。而Wang更描述了另外一种可增大生长生化膜表面积的生化膜载体结构。采用浸在水中生化膜的商用设备可在市场上见到(SciencoSystem，Inc.)。
这种设备同时采用浸在水中的生化膜工艺和活性污泥处理工艺。这种Scienco系统花费大且维修难度大。更重要的是这种系统产生大量的淤泥，其收集和处理都不得采用如前所述花费昂贵的方法。日本废水处理工厂所要达到的标准远高于美国环保署的要求，但公布的结果是他们并未达到其标准。此外，这些工厂花费大，而且维修难度高。同时，这些工厂根本不可能扩大其处理废水的能力。
废水处理中的充气工艺也是需研究改进的一个课题。目前为止，所讨论的各种处理工艺中大多数均采用了某种形式的充气，因为大多数微生物都需要一定量的氧气。大多数的充气方式是将压缩空气打入废水池中。当然，也有采用机械充气器的(见Rajendren专利4，844，843，及Haegeman专利4，540，528)。在废水处理方面，充气这一题目在书本中也有讨论。Banerji(1991)在书中描述了在水下生化膜环境中水下空气扩散装置的使用。将充气与生化膜载体结构联合使用也可见于专利(DE3900-153-A)和法国专利(FR2551-049-A)，此外，也可见于法国专利(FR2565-579-A)及其它专利。因此，如何在目前的废水处理工艺中改进充气方式及生化膜载体结构也成为发展新工艺的课题。但所有这些方法仍然需要分离和处理淤泥。
工艺上的其它改进包括推动废水流动的水下机械装置。例如，专利EB-478-408-A描述了一种采用水中叶片将生化膜载体附近的废水进行水平方向推动的方法。专利DE3619-247-A描述了一种充气器，它可在池中进行更好的充气。专利DE3715-023-A描述了一种可使废水池中产生水流的充气方式。但这种改进没有考虑到水下生化膜的效应。专利DE3718-191-A描述了一种用于流体搅动的机械装置，它不但可搅动水流，同时对水流进行充气。但上述发明均未涉及如何改变悬浮固体颗粒的大小，而仅涉及充气以及池中循环水流，而不涉及池中内容物的改变。
因此，虽然废水处理工艺在一些方面得到了不同程度的改进，但这些改进都仅孤立地研究废水处理的各个方面及步骤，而未真正地去研究并改进这些方面及步骤间的相互关系和作用。同时，这些改进均未象本发明一样涉及改进废水中颗粒的物理结构问题。本发明在一这方面使废水处理工艺有了很大改进。
本发明克服了综上所述的所有缺陷，采用的工艺与技术与现有废水处理工艺完全不同，但却比现有技术效率高，效果好。
本发明涉及一种采用静止的水下生化膜，并使用机械和生化方法将悬浮固体颗粒和有机物破碎为小颗粒，从而对水进行处理的方法。这种方法应在充气足够的状况下使用，以提供高浓度溶解氧，而使微生物可以完全地消化废水中的有机物质。
本发明基于如下发现即在比现有工艺氧气转换效率高的条件下，加上活性污泥处理工艺、或鼓风机工艺及机械性破碎，使悬浮固体(SS)颗粒减小的状态下，废水处理中的生化膜可被大大地强化。因此，本发明提供了对废水进行高效率充气，同时使用更有效消化有机物的方法，使废水处理更为强化，即经处理后的排出水含有高浓度的溶解氧。本发明同时也提供了不同于目前废水处理的方法，使用生物和机械方法减小悬浮有机固体颗粒的体积。这种联合使用可使处理后的排出水含有较低的悬浮固体(SS)及生化需氧量(BOD)，并可极大地减少城市、工业及私营污水处理系统对环境的污染。
另外，本发明的目的是提供一种废水处理方法，该方法使用高效率的氧气转换;减小悬浮有机固体颗粒的体积;及水下生化膜的生成。本发明的方法含有下列步骤1)将废水进行充气;2)在废水进入生化膜充气池之前或者之后减小废水中悬浮固体颗粒体积;3)在废水中形成水流并建成生化膜载体结构;4)在生化膜载体结构表面生成生化膜;5)生化膜将小颗粒的有机物和已溶解的有机物进行消化，而后再根据需要对废水进行更进一步的处理。
本发明另一目的是提供用于废水处理的生化膜充气设备。该设备可由下述几个方面组成1)一个预处理池，用于分离有机和无机固体物以利以后对其进行物理和生化处理;2)一个生化膜充气池，它包括一个充气装置，用于减小悬浮有机固体颗粒体积的装置，一个生长在静止的水下生化膜载体结构上的生化膜，该生化膜载体结构一直被浸没在混合水中，在池中，由于充气装置和减小颗粒体积的装置的动作，以及生化膜的消化功能，使有机物得以消化，而悬浮固体也由此得到最大程度的减少;3)一个沉淀池，在池中，剩余的固体颗粒和脱落的生化膜被沉淀出来，并被送回生化膜充气池中再次处理，以避免其随处理后的水流排放出该设备。
由于目前使用的处理工艺效率不高，本发明的另一目的是极大地简化现有的预处理工艺，并取消其沉淀池，而代之以一个单一的生化膜充气池进行废水处理。
本发明另一目的是将悬浮有机物颗粒减小，这至少可通过水下快速旋转的叶片来达到。在一优选实施例中，采用了一个快速旋转的吸气管，其旋转的尾部可作为叶片减小颗粒体积。在另一实施例中，减小颗粒体积是在预处理池中通过对有机物进行厌氧消化来达到的。
本发明另一目的是对待处理的废水进行足够的充气。可利用水下中空吸气管尾部的快速旋转形成一个压力差将空气吸入中空管，空气可从吸气管尾部的孔中极大地释放出来。此外也可采用将空气或氧气由水中管道压进水中进行充气，或采用其它方法。
本发明的另一目的是通过使用充气装置以及在某些实施例中联合使用机械方法将悬浮颗粒体积减小，并形成一个有效的水流。
本发明另一相关的目的是提供一个生化膜载体结构，该结构可以具有一个例如方形、长方形、圆环形、椭圆形、三角形、八角形、六角形、或任何一种可以增加供生化膜生长的表面积的格状形的横截面。
本发明另一目的是将已处理过废水中的悬浮固体物和生化膜在沉淀池中沉析出来。另一目的是将这些沉析出来的固体物和生化膜放回到生化膜充气池中进行再次处理。
本发明的另一个目的是使用至少一个吸气装置同时进行充气和减小悬浮颗粒。该吸气装置包括有一个中空吸气管，许多中空壁状杆，这些杆自中空管尾部呈放射状地伸出。每一中空臂状杆的头部有一个孔。中空吸气尾管与一中空管道相连，该管道通向外界空气，因而在吸气尾管中由于旋转形成的低压使空气因压差而被吸入管道。空气由管道进入并沿空心尾管，由呈放射状排列的臂状杆上的小孔排出。由此，该吸气装置可对废水进行充气，同时利用尾管的机械作用将悬浮颗粒体积减小。
本发明另一目的是促进生化膜微生物的生长。这些微生物可能是传统的生化膜处理工艺中的微生物的混合体，也可能是由于更好的充气及更高的溶解氧而产生的新的微生物的混合体。这些微生物也可以是人为地放入生化膜充气池中的微生物。
附图简要说明如下

图1是包括有预处理池，生化膜充气池及沉淀池的生化膜-充气处理设备的图解。
图2是几种供生化膜生长的竖直放置的塑料载体俯视图。
图3是本发明充气装置的图解。
图4是充气装置尾管的侧视图。
图5是充气装置尾管的仰视图。
图6是充气装置尾管的俯视图。
图7是本发明鼓风-生化膜实施例的侧视图。
图8是本发明鼓风-搅拌-生化膜实施例的侧视图。
图9是本发明充气-生化膜实施例的侧视图。
图10是本发明水面充气实施例的侧视图。
图11是水面充气装置的俯视图。
图12是水面充气装置的侧视图。
图13是本发明文丘里-生化膜实施例的侧视图。
图14是本发明文丘里-生化膜实施例中文丘里装置的侧视图。
图15是本发明管状充气-生化膜实施例的侧视图。
本文中“生化膜充气池”或等同词是指本发明可以应用的任何池，它可以是池或槽，或管等容器，既可为开放式，也可为加盖封闭式。该池大小可根据水流速度及待处理的废水量而定。例如，家庭废水池可以比城市废水处理工厂的池子小许多。池子的形状或其水平截面，可根据需要而定。池子也可用各种材料制成，如混凝土，聚氯乙稀(PVC)，聚乙稀，玻璃纤维，或其它材料。池子可以设计为在一处或几处，水面上安装用于减小颗粒体积的机械装置。或将池子设计为把机械装置伸入池中进行工作。此外，也可将池子设计为不必使用机械搅拌装置。例如，可在池中安上折流板和喷射口，其搅动作用已足够减小悬浮固体颗粒(MLSS)的体积，并推动水流循环。
“生化膜”或“生物群体(biomass)”，或等同词是指生长在载体表面的微生物。生化膜是一层微生物，它可在生化膜充气池中消化污水中的有机物质。
“生化膜载体结构”或等同词是指可支持本处理方法微生物生长的任何材料。本发明可使用多种固体载体介质，可用塑料、玻璃、陶瓷、金属、橡胶、聚合物，纤维素质材料等材料制成。同样，本发明也可使用多种结构的载体介质。一些可采用的结构见图2，但这仅为说明可能性的例子，并不是对所用结构的限定。凡具有与本发明所述结构相同效果的结构均在此定义范围内。
“减小颗粒体积”或等同词是指废水中悬浮有机物颗粒的大小比其进入废水处理设备时有所减小。如前所述，这种减小既可在预处理池通过厌氧消化产生，也可在生化膜充气池中通过机械装置，或联同使用各种其它方法产生。一般来说，肉眼应能看出水中颗粒的这种减小。
“水流”、“水流循环”或等同词是指池中废水的流动，其流动速度应足够对废水进行有效处理，并可以推动废水在生化膜载体结构之间流动。很明显，水流在整个生化膜充气池中没有必要固定不变。理想的水流应可以随着生化膜的不同而变化。例如，如果生化膜是由效率极高的微生物接种而成，水流的速度就可不同于自然生成化膜状态下的水流速度，或快或慢。一般水流速度应以不损害生化膜为准。
“水下空气管道”或等同词是指可提供给废水空气或氧气的管道。该管道可安置在生化膜充气池水下，并可在管道上设计一排出气口或仅有一个出气口。另一种方法是，管道在池的外部，而有一个或多个出气口装在池壁上。
“剪切刀”是用来形容由转动的吸气尾管上的臂状管或其它叶片，或其它机械性充气装置所产生的力，该力作用在废水中悬浮颗粒上，以机械作用减小悬浮颗粒的体积。
本发明涉及一种采用生化膜减小悬浮颗粒体积和对废水进行充气的废水处理方法。具体说，本发明采用减小普通悬浮固体颗粒(MLSS)体积、生化膜及水中静止载体结构、以及废水充气等方法对废水进行处理。
以下通过对附图的详解，描述一个优选的实施例。
图1是生化膜充气方法废水处理设备的侧面图。含有大量污染物的废水经由入水口1进入预处理池。废水可来自各种不同的地方，例如家庭下水道或城市下水系统。废水中大量有机和无机物在预处理池4中被沉析出来，并在池底停留一段时间，在这段时间中，可对其进行物理和生化处理。由于厌氧菌的作用，有机物被分离，因此在预处理池底积累起一层淤泥。这种厌氧作用同时也减小了有机物颗粒体积。随后，这些颗粒随水流进入生化膜充气池。含有(已减小的)悬浮颗粒和已溶有机物的废水由出口5流出预处理池。
经过沉淀和分离后的废水由预处池4流入生化膜充气池7，该池在此实施例中包括有塑料的生化膜载体结构12，其上覆盖有生化膜(有时也称为“生化群体”或“生化介质”)，以及一个水下机构式充气装置，流入的废水立即会混入正在池中进行处理的水中，其处方式是用一中空轴9与一电动机11(此例中电动机转速为3450转/分)相连的空心吸气尾管8的旋转来进行的。
由于吸气装置的旋转，在尾管上小孔处产生了一种曳力和压力差，空气因此经由通气孔盖22被吸入中空的空气管道9而进入吸气尾管8，空气由此排入废水中，并产生细小的气泡。气泡由吸气尾管8排出后迅速混合。这一高速机械旋转和空气排入方法便产生了很好的氧气转换。
水下吸气尾管8的旋转速度以足够将一般悬浮固体颗粒(MLSS)的体积减小为宜。已经发现吸气尾管的转速以20英尺/秒(609.60厘米/秒)或更高的速度便可达到目的。由吸气机尾管旋转以及排出空气上升而形成的水流使已减小的颗粒得以在生长有生化膜的生化膜载体结构12之间循环流动，废水的这种循环是由生化膜充气池中吸气机尾管8的旋转以及由空气经空心的吸气机尾管呈放射状排入废水形成水流而产生的。
处理工艺中使用的生化膜载体结构的数量及形状很重要。数量太多，以及空隙太小，很容易造成堵塞。而太少的生化膜又不能完全处理废水。已经发现，生化膜结构占整个生化膜充气池总量的10%至99%之间，再加上本发明所述的其它装置，可以有效地进行废水处理。此外，生化膜之间的孔径也非常重要。因为如果孔径太小，随着生化膜的生长很容易造成堵塞。已发现孔径在0.5英尺(1.27厘米)，或更大一点时较适于本发明。
废水由于吸气机的快速旋转产生的水流在生长有生化膜的管状结构间流动。因此小颗粒的悬浮固体和已溶有机物便被管壁表面上的生化膜吸收。生化膜中的微生物处于一个富有氧气和营养的环境，因此有机物及污染物便被生化膜消化。废水因生化膜的这种消化作用而被净化。
未被生化膜消化的大颗粒有机物，以及从生长有生化膜管壁表面老化脱落的生化膜重新混入废水中，并马上被吸气机尾管的快速运动破碎为小的颗粒。它们再一次循环流过正在进行消化的生化膜管状结构。经过本发明方法处理后的废水含有极少量的悬浮颗粒，这与目前使用的各种生化消化处理工艺有很大区别。
当生化膜充气池7中大部分水流在循环运动时，水量会由于不断从预处理池中流入的废水而增加，这时一部分已处理过的废水会经由池壁14和折流板15之间的空隙流向沉淀池16。在沉淀池16中沉淀的所有固体，包括小片的脱落生化膜和较大的悬浮颗粒，均会由于生化膜充气池中循环水流所产生的回流力而返回生化膜充气池7。
本发明的一个实施例是利用池子的形状以产生该回流力。图1中的档板14和15为平行装入，挡板14可使生化膜充气池中高速流动的水流可顺挡板流下，并转回该池，因而将沉淀池16中的沉淀物也一起卷回生化膜充气池7，以进行再次处理。挡板可有不同形状，任何能够使生化膜充气池水流和沉淀物进行再循环以减小颗粒体积和进行消化工艺的挡板形状都可使用。
沉淀池16的上层清液可通过排水管20排出。
图2是生化膜载体结构实施例的俯视图。生化膜载体的形状可以有很大不同，但均可在本发明中有效地应用。对载体的一个基本要求是，它应能在生化膜充气池中提供较大的表层面积以利生化介质，或生化膜在其上面生长，从而消化悬浮的有机物颗粒。生化膜孔径必须能够满足生化膜的正常生长周期(即生长和老化脱落)，由于生化膜可正常生长，在老化脱落后掉入池底，因此生化膜载体结构才不会被堵塞。生化膜孔径为0.5英寸(1.27厘米)或更大将很适于本发明。
图3描述了本发明的充气装置。该装置含有一个电动机11，其转述可达3450转/分。此外该装置还含有一个通气孔盖，空气经由此通气孔盖被吸入中空的充气管道9。本发明含有一个吸气装置8，其4个臂状尾管中每一个在其尖端都均有一个小孔。但使用其它形式的尾管也是可能的。无庸置疑，本发明也可采用不同形状的尾管。已经发现，臂状尾管转动速度大于20英尺/秒(6.096m/s)时比较适用于将颗粒破碎减小。
图4是吸气装置的侧面图。其吸气尾管50是一中空部件，有臂状尾管55、60、65由吸气装置的空心中部伸出。每一臂状尾管均为空心且在其尖端部有一排放空气的小孔70。
图5是吸气装置的仰视图，可以看到空气是由臂状管55、60、65排出。
图6是吸气装置的俯视图，可以看到吸气机臂状管55、60、65、75。通向吸气装置的管道也是中空的，由于吸气尾管的旋转，空气经由接口80被吸入吸气装置。
图7是本发明鼓风-生化膜实施例的图解。空气由鼓风口70压入管道72，并由较低处的、含有排气孔的扩散器74进入生化膜充气池。该扩散器含有至少一个带有排气孔的管，但通常都含有一组带孔的排气管，这种装置被称为管状扩散器，逸出的空气形成气泡升向水表面，从而带动了生化膜充气池(图中阴影部分)循环水流。当废水流经生化膜载体结构处76时便会得到如前所述的生长在载体上的生化膜的消化处理。请注意池中鼓风管道的位置是可以改变的，只要能够在生化膜载体结构间产生水流以利废水处理。
图8是鼓风-搅动-生化膜处理设备的侧视图。在本实施例中，空气经由鼓风口80压入空气管道82，并由管道扩散器84排出。这可产生一股上升的气泡，从而带动整个生化膜充气池中的水流处于循环状态。本实施例中也装有一个搅动装置86，利用其快速旋转的物理作用，更有效地减小颗粒体积。该搅动装置可以是叶片式装置，螺旋式装置，或其它可以快速运动的搅动装置。废水由此流入生化膜载体结构88，由那里的生化膜进行消化处理。图中生化膜充气池中水流的方向由点状箭头所表明。在这种条件下，池中经充气和搅动的废水不断循环流动，并持续流经生化膜之间。
图9是本发明充气-生化膜实施例的图解。在本实施例中(参见图1)，采用了一个转动的吸气装置92，该转动的吸气装置产生的压差使空气经由通向外间空气的开口90吸入空气管道96。此后，吸入的空气下移至吸气尾管被排放出，从而在池中产生气泡并形成如图中点状箭头所示的水流。废水因此流经生化膜载体结构94，由生长的生化膜进行处理。在本实施例中，旋转充气装置可以是一种吸气装置，也可以是一种叶片装置，或其它具有相同机械充气作用的装置。该装置同时取得了充气及颗粒减小两种功效。
图10是本发明水面充气实施例的图解(水面充气-生化膜设备)。一个快速旋转的充气装置100和一个螺旋式推动器104可将生化膜充气池中的废水推升起来，废水由水面充气装置的机械运动得到充气，使有机物颗粒得以减小。水面充气装置的运动在池中产生一种水流使废水可以流经生化膜载体结构102由生化膜进行处理。在本实施例中，水面充气装置可置于水面或略低于水面。图中点状箭头表明了水流的流向。
图11是水面充气装置的俯视图。该水面充气装置含有一个带有叶片的圆盘110，其叶片由圆盘冲铣而成且向下弯折与废水接触。这些叶片112、114、116、118可以由圆盘本身冲铣而成，也可由其它的叶片铆装在圆盘内表面。当充气装置旋转时，这些叶片不停地击打废水，从而将颗粒体积减小，并将整池废水搅动，使其充气。
图12是水面充气装置的侧视图，图中显示图11A-A截面的剖示图，可见本实施例中的四个叶片中的两个114，118。
图13是本发明文丘里-生化膜实施例中的侧视图。本实施例含有一个水泵130，它将废水吸入后泵入管道132和文丘里泵头134。在泵头134内具有较高速度的废水形成一个低压状态，而文丘里泵头又与一通向外间空气的空气管道136相连。泵头134内的低压状态将空气吸入气管136，而吸入的空气便与泵入的废水一起由文丘里泵泵头喷出。这种状态下，废水的充气便在其由泵头喷出之前已在文丘里泵头中得以进行。整个过程形成了图13中点状箭头所示的水流。在此状态下，充气后的废水流经生化膜载体结构进行处理。本实施例的其它功能与前面所述的功用相同。
图14是文丘里泵头的侧视图。该泵头134含有第一个喷嘴140，用于接收文丘里水泵(图中未示)打入的废水。该喷嘴使泵入的废水以较快速度喷向第二个喷嘴142。这种快速度可以形成一个低压区，空气由此低压区而被吸入空气管136，吸入的空气与由第一个喷嘴泵入的废水搅和后，一同从第二个喷嘴142喷出。
图15是本发明管状充气-生化膜实施例的侧视图。一个快速旋转的推动器150安装在由高速电机158带动旋转的中空管152的底部。中空管与一空气通管154相联，该通管通过开口156与外间空气相通。推动器150的高速旋转产生一个低压区、空气因此由开口156被吸入空气通管154，并流向中空管152。推动器150和空气的运动使生化膜充气池废水得到充气和循环。
在一优选实施例中，使用的由“混合液”所混合并得到稀释了的废水，这种废水是指已被处理过而正在用本发明再次进行处理的废水。因此本发明可在“连续使用”模式中使用。这种方法在社区城市废水处理中特别有用，并可作为饮用水处理一个重要步骤。
在另一实施例中，废水未与已处理过的水进行混合稀释，因此本发明也可用于“分批处理模式(batchmode)”中。
在一优选实施例中，载体结构由塑料制成。在另一实施例中，载体由任何可生长生化膜的化合物制成。已经发现，许多不同的载体制作材料均可达到相同效果，本发明中载体可采用由玻璃、陶瓷、金属、橡胶、聚合物、纤维素质材料及其它材料制成。
已经发现，系统装置的几种不同构型在本发明也可以达到相同效果。例如，在一优选实施例中，采用的是一种水下机械式充气装置，该装置的作用是对废水充气，并同时将颗粒减小。
在一优选实施例中，机械式充气装置含有一个联接一中空管道的高速旋转电动机。中空管道的另一端安装有一个吸气尾管。该尾管以及中空管道的一部分浸入水中，并由电动机带动高速旋转。这种运动具有两种不同的功用。第一，由旋转的中空吸气尾管产生的压力差使空气经由中空管道头部的入口吸入中空管道。吸入的空气沿中空管道降至吸气尾管，并由尾管排出至废水中。本发明所述的由此产生的排气水泡大小可以不同，但均可产生充气效果。然而，气泡越小，效果越好。气泡呈发射状排入废水中，因而将氧气带入废水。这些氧气加强了生化膜的效率和作用，也增加了废水中溶解氧(DO)。充气后的废水由循环水流带入生化膜载体结构的塑料管道。该循环水流由吸气装置的旋转和气泡的上升而产生。第二，吸气装置尾管的快速旋转也以机械作用将有机物颗粒或小。
在一些实施例中，吸气装置和管道的构造以能够将大量空气排入废水为标准。例如，可使用压缩机使空气能够经由软管或管道进入吸气装置。
在一些实施例中，废水充气和有机颗粒的减小可通过不同的装置来达到。例如，充气装置可安装在充气池的一面和几面池壁上，而用于减小有机颗粒(MLSS)的装置可采用一个或几个机械式叶片。
此外，也可用一个水下空气管及扩散器装置进行废水充气。该空气管可安装在生化膜充气池一面池壁上，该管可以有一个或一组空气排出孔，或一套管状扩散器。该管也可安在池外，但其空气排出孔应安在池壁的水下部分。
另一方法是池子本身建成一个可产生足够水的流动的充气水池。例如，可在池中安装各种档板。
在另一实施例中，水面充气装置可安装在池中略低于水面的地方。在此种方式下，尽管对于在生化膜-充气池底部而言是在生化膜-充气池的最上部，也可达到如前文所述的充气及颗粒减小效果。这种构造同样可以得到较好的颗粒减小，高量溶解氧(DO)和水流。
另一实施例使用一个有角度的中空管，该管底部安装有一个快速旋转的推动器或叶片。同样地，空气将由中空管吸入与废水混合，并因此将废水充气而产生前文所述的必需的水流和颗粒的减小。
另一实施例是在池中使用一个文丘里泵，该泵与外界空气或压缩空气相通。文丘里泵产生的压力差将空气由空气管道吸入水泵与废水混合。水泵和空气因此在生化膜充气池中产生了必不可少的水流以使废水可在生化膜载体结构之间循环流动。
在一优选实施例中，生化膜由废水及空气中存在的微生物生成。在一些实施例中，某些品种的微生物可被引进生化膜充气池中以形成不同成份的生化膜。例如，法国专利(FRNO.2612-915-A)中描述了采用微生物假单胞菌和芽孢杆菌(PseudomonasandBacillus)对二羟乙基胺废水进行处理(见Rittman1987，132页。该文描述了不同种类微生物在各种溶解氧浓度中的生长)。因此，本发明可采用种类繁多的微生物。
在一实施例中，在废水处理前或处理中可加入某些化合物。例如，螯合剂;在废水pH值与生化膜不匹配的情况下加入缓冲剂;可影响废水中有机物颗粒(MLSS)的大小，或影响氧气转换，或影响颗粒与生化膜之间相互反应的表面活性剂;可以将废水颗粒或组成物酶化破裂的各种酶;废水处理所需的各种化合物;以及其它有利于废水处理及后续过程的各种合成物。
在另一实施例中，诸如铁和其它化合物等营养物也可加入废水中以增加生化膜的生长及活力，并可改变其组成。
本发明比目前使用的城市废水处理方法有以下几个优点1、悬浮固体颗粒(MLSS)含量极低在一般情况下，现有水下生化膜处理工艺中的悬浮颗粒(MLSS)含量在100毫克/升到5000毫克/升之间。这样便产生了大量淤渣。一般情况下，使用本发明，悬浮颗粒(MLSS)含量只有不到18毫克/升。这样低含量的悬浮颗粒(MLSS)在沉淀池中只会形成极少量淤渣，因此本发明避免了生化膜充气池和沉淀池中的淤泥积累。这一点是本发明一重要特点，因为淤渣的处理不论以金钱计算，或以对环境的影响来计算，其代价都是极昂贵的。此外，悬浮固体排放标准要求低于30毫克/升(如NSF一级标准和环境保护署对废水处理厂的二级标准)的废水处理厂，使用本发明可完全免去修建二次沉淀池，从而节省了处理工厂建设费用。
2、生化膜生成时期短现有方法中，生化膜从开始生长到可用肉眼观察到，一般需用的三个星期。这一情况在处理工厂每一次关闭以清理堵塞管道后都会发生。在本发明中，生化膜的生长三天后即可观察到，并会继续茁状生长。此外，本发明至今未发生堵塞现象，因而也节省了由于清理而花费的时间。这一点也使采用本发明的处理设备可以更长久地运行，即使不得不进行清理时，处理设备也会比采用现有的设备更快地投入全面运作。
3、消灭设备的堵塞本发明又一优点是池中水流及减小的颗粒控制了生化膜的厚度，使其一直保持在不致引起堵塞的厚度上。生化膜的生长也更容易。因此会在一固定水域内产生更强的作用，但并不会导致堵塞。在两部使用现有水下生化膜工艺的设备，由于废水悬浮颗粒大，以致生化膜变厚，但并不密实，使竖直的塑料载体堵塞，不得不每隔一段时间关闭设备以清理堵塞。但是，由于本发明而产生的低含量悬浮颗粒(MLSS)，密实的生化膜层，良好的水流循环，以及废水中高浓度的溶解氧，生化膜充气池以及塑料制成的生化膜载体结构均得以正常运行，而不至被堵塞。
4、对突然超载荷的自动反应突然超载荷可在流入的废水量非常大或其有机物含量非常高的情况下发生。这种情况下，整个处理系统由于水流量非常大或水中悬浮有机物含量非常高而难以承受。在本发明中，由于池中悬浮颗粒(MLSS)含量极低，而生化膜数量及活力很大，因而不会发生处理后废水仍含有大量有机物的情况。因此，在出现突然超载荷时，本发明可以很快恢复正常运作。故只有高质量的经处理后的水流不断地排放出去，不会有不合格的污水排放出去。在一个突然超载的试验中，进水量是设计负荷能力的一倍(100%)。使用本发明的排放水的质量甚至更好，完全低于环境保护署最严格的标准。在一个200%超载荷试验中，其结果也低于环境保护署30悬浮颗粒(SS)/130生化需氧量(BOD)标准。
5、高浓度溶解氧吸气装置的尾管通过放出空气产生细小气泡，有效地搅动水流并减小颗粒体积，并同时在废水中产生了高浓度溶解氧。生化膜充气池中的生化膜因此得以在相当高的溶解氧状态下运作。在载体装置表面生成的生化膜(其同时也生成在池中的静止水面)得以在如此有利的环境中迅速成长，并高效率地作用于池中的有机物质和有机颗粒。这种生化膜的额外生成是本发明的又一特点。在一个217天持续运行的试验中，生化膜充气池中的溶解氧(DO)含量为7.7毫克/升。基于环境的要求，环境保护署(EPA)对溶解氧的要求是6毫克/升或更高。当溶解氧(DO)含量不够时，废水处理工厂必须采用另一工艺将氧气注入排放水中。本发明消灭了这种旨在提高排放水溶解氧(DO)含量的二次充气程序，因而节省了这种排放前充气程序所必须的花费。
6、排出水质量稳定附着在载体管壁生长的生化膜应有一个良好的结构，因而不会由于生长过厚而堵塞管道。厚度的控制是通过生化膜载体结构之间的水流、细小的有机物颗粒，以及有利生化膜生长的充足氧气来达到的。当一片老化的生化膜自生化膜载体上脱落下来时，会立刻被卷入经过的水流，并被吸气装置尾管的机械运动破碎为极小的颗粒，随水流再次靠近新生的生化膜，并被其消化。因此排出水会象某些效率不佳的处理工艺那样受老化的生化膜的影响。
7、消灭了淤渣在传统的活性污泥处理工艺中，必须将大量淤渣定期从各种处理池中取出，另用大体积的昂贵的消化装置进行处理。此外，还必须不停地测量废水中悬浮固体(MLSS)的含量，并不断对处理工艺进行调整。如果没有及时测量，排出水的质量可能有改变。这种工艺所造成的大量淤渣必须由淤泥消化池、或淤泥收集池加以处理。
在本发明中，不需每天取出淤泥。由于处理池中低含量的悬浮固体(MLSS)，本发明几乎不产生淤渣。这一点是本发明区别于任何现有技术的一个标志。因此，为处理淤渣而必须的土地填埋及消化装置花费也由于本发明而消失。
8、易于操作维修本发明的一个实施例的唯一运动部件包含有一个高速电机和一个吸气装置。因为没有通常的淤渣积累和空气流的不断调整，以及水面物清除装置的二次沉淀池，该运动部件极易安装运行。事实上，在目前已得到的试验结果中，生化膜充气池之后的沉淀池并非必要，因此，将淤渣返回处理池的装置也可以节省。故本发明相对于同样处理能力的现有技术更易操作。这是本发明又一特点。而本发明另一实施例甚至不需采用吸气装置，因此其操作更为简单。
9、废水滞留时间短由于生化膜的结构，增加的溶解氧、及生化膜的有效作用，废水在池中的滞留时间大大缩短，因而增加了整个设备处理能力。由于本发明效率如此之高，处理废水所需时间，以及废水在池中滞留时间相对减小，对于任何一个处理设备来说，较短的滞留时间意味着更大的处理能力，这是一个很重要的优点，已由试验厂的结果得以证实。该试验厂注入高于普通流入量50%到100%的废水以测定所需的额外处理时间。一般设备需15个月的时间处理这一超量负荷。而本发明只需几个1小时！直至今日，该设备仍在继续排放高质量排出水，其运行未受任何影响。
这一优点也可在前文所述的突然超载情况下得以证实。短的滞留时间表明处理的工作效率极高，这同样表明本发明在突然超载情况下有足够的能力处理废水中增加的有机物。因此，处理池中良好的水质可在突然超载情况下有效地处理新流进的废水。这是本发明又一特点。
10、对温度不敏感本发明不象传统的活性污泥方法那样对温度敏感。天冷时，传统的活性污泥工艺在池中积累更多的淤渣。当热天来临，如在春天，冷天积累起来的淤渣便会突然活跃起来，这种现象称为“春天效应(SpringTurnover)”，它可造成排出水中悬浮体(SS)的突然增加，这是因为该方法没有应付污泥突然增加的生化反应能力而造成的。在春天效应出现时，其排出水质量明显下降。
本发明克服了这些随温度而来的难题。由于没有淤渣形成，所以根本没有春天效应现象。由于处理池中的悬浮固体颗粒(MLSS)含量一直很低，因此不会出现针形凝结物，这是本发明又一特点。
11、设备设计简化由于生化膜处理池中悬浮固体颗粒含量低，沉淀池以及淤渣返回装置便可以省去。其结果是可以大大节省新设备建设费用，本发明也可以使现有设备增加处理能力，并节省为处理更多废水所需增添的设备。值得注意的是本发明在设计能力之内，处理后的水质量可一直保持良好，通常与现有技术中进行了再处理的排出水的质量相等或更好。由于处理池的效率，预处理池可以省去，从而更进一步地节省了设备的费用。去掉预处理池和沉淀池而仅保留生化膜处理池，处理设备的建设便由此大大简化。
12、工厂小型化由于本发明提供了效率更高的废水处理方法，本发明使建设小型的处理工厂成为可能，并具有与采用现有技术的大工厂相同的废水处理能力。这一点与前面所述的设备设计简化是相辅相成的。
13、饮用水的处理由于本发明可有效地除去水中污染物及有机物质，本发明也可作为饮用水处理的有效步骤，用以取代或减少饮用水处理中的其它步骤。本发明可以非常有效地除去水中污染物，因而可以简化饮用水的其它处理步骤。本发明更适用非发达国家，因为这些国家的饮用水缺乏应有的纯度。
14、能量消耗减少本发明可以更有效地利用能源。这对发达国家固然重要，但对那些短缺电力和燃料的国家更为重要。由于本发明设备只需较短的处理时间，少需或不需第二个处理步骤，整个处理工厂便可节省由于额外处理时间及第二步处理所需的能源。本发明简化了工厂的设备，只需较少的能源用于运作和维持，也减少了用于建筑的土地。
15、总费用的节省本发明使废水处理的总费用得以节省。工厂的建造、操作及维持更简单，花费更少。整个过程均可节省开支。排出水由于水质良好而省去第二步处理。采用本发明可以达到环境保护署的标准，而省去了所需交纳的罚金。最后，至使每加仑处理水的开支大的减少。
16、可使用其它消毒灭菌方法紫外线可用于处理水。由于混沌的废水影响了紫外线的使用，紫外线因而不能穿透水层。本发明使排出水十分清沏，穿透力强，因此完全可以使用紫外线消毒。
17、不受废水流量影响本发明对废水流入量不甚敏感。此优点可见于突然超载荷情况(可以是超量，也可是不足量)，排出水的质量并不因废水流入量的改变而受影响。实际上，在一个超载达到100%的试验中，发现排出水的质量竟比低流入量情况下的水质更好。其它超载200%的试验也证明本发明仍能达到环境保护署30/30的标准。这表明本发明有处理高流入量废水的应急能力，而其它处理设备则根本不可能。
18、不受生化需氧量(BOD)的影响就象本发明不受高流入量废水影响一样，本发明对生化需氧量(BOD)的升高也不甚敏感。在本发明中，生化膜可在很宽的生化需氧量(BOD)浓度之内起有效作用，并仍能取得良好结果。
实施例下述实施例及实验均基于相同的处理设备模式。所有处理池具有相同尺寸和相同的内外构型，以及相同的500加仑/日(1892.5升/日)的设计能力和处理能力。总之，下述所有数据均力求准确。在本发明实施例以及活性污泥工艺中采用的是基线工艺。
实施例1下述表格是采用活性污泥处理设备(AS)，使用一充气装置，但无生化膜，日处理500加仑/日(1892.5升/日)的试验。这些设备具有相同的大小和构型，并处理相同的废水流。设备的设计与图1相同，但没有壁15，生化膜载体结构12，及其支撑物12a。这些试验是在流入废水温度10℃至24℃之间进行的。
试验设备试验地点试验流量BODSSMLSSDO天数(加仑(毫克/升)/日)充气喷嘴/NSF(1990)775003560106活性污泥工艺充气喷嘴/NSF(1990)98500335397活性污泥工艺充气喷嘴/NSF(1991)1335004510778活性污泥工艺充气喷嘴/NSF(1992)203500374159活性污泥工艺从上可看出经活性污泥设备处理后的排出水中生化需氧量(BOD)在35到45之间，悬浮体(SS)在41到107之间，悬浮颗粒在59到106之间。这与环境保护署标准BOD＝10，SS＝10，相去甚远，甚至不能达到较松的环保署30BOD/30SS的二级标准。
实施例2下表数据是本发明几个不同类型实施例的比较。鼓风-生化膜，充气-生化膜，鼓风-搅拌-生化膜及水面充气生化膜等均具有同样的500加仑/日(1892.5升/日)的设计能力。这些实施例处理设备构型在图7-10中描述。这些实验在靠近俄亥俄州克里夫兰市附近进行。其中NSF试验是指在国家环境卫生中心(NationalSanitationFoundation)进行的试验。该中心是密执安州的一个工业实验机构。
试验设备试验地点试验流量BODSSMLSSDO天数(加仑(毫克/升)/日)鼓风-生Geauga955001011136化膜鼓风搅动Geauga955001213226.1-生化膜充气喷嘴Geauga955001111178.1-生化膜水面充气Geauga9550098148.2-生化膜充气喷嘴NSF2105001512187.6-生化膜上述试验结果表明本发明优于活性污泥处理方法，并表明不受温度影响。生化需氧量(BOD)和悬浮体(SS)含量低而溶解氧(DO)含量高，因此第二步处理完全不必要。这些实际结果均接近于严格EPAO/O标准，并轻易地达到EPA30/30标准。
实施例3下表所列的是本发明的两个实施例的结果，一个实施例采用了吸气装置(见图9)，而另一个未采用(见图7)，两个均采用了静止水下生化膜工艺，其日流量为750加仑/日(2838.75升/日)，即50%大于设计能力500加仑/日(1892.5升/日)。同样，这两个实施例均采用与前述活性污泥处理设备的相同构型的处理池，只是根据本发明的特点，作了些改动。实验均在9℃到14℃的温度下进行。
试验设备试验地点试验流量BODSSMLSSDO天数(加仑(毫克/升)/日)鼓风-生Geauga32750974405化膜(1992)鼓风喷嘴Geauga327501411198.5-生化膜(1992)从表中看到本发明实施例中的BOD和SS含量均大大低于活性污泥处理方法，并低于或近似于EPA10/10一般标准。本发明的优势显而易见。
实施例4下表是本发明另外两个实施例的结果。一为水面充气加生化膜方式，另一为鼓风-生化膜方式。二者流量均为1000加仑/日(3785升/日，即100%超出设计能力500加仑/日，1892.5升/日)。同样，处理池的设计与活性污泥对照一样，只在某些方面根据本发明作出一些改动。
试验设备试验地点试验流量BODSSMLSSDO天数(加仑(毫克/升)/日)鼓风-生Geauga3210001917185.9化膜(1993)充气喷嘴Geauga4110006669.7生化膜(1993)从中可看出水面充气加上生化膜方式更优于鼓风-生化膜方式。两种方式的结果均优于较低载荷下的活性污泥处理处理，并完全达到EPA30SS/30BOD的标准。
实施例5下表是本发明充气喷嘴-生化膜实施例(图9)在流量超额达200%(即1500加仑/日，5677.5升/日)，于1993年元月(即低温情况下)在密执安州NSF所作8天试验的结果。
试验设备试验地点试验流量BODSSMLSSDO天数(加仑(毫克/升)/日)充气喷嘴NSF815002122249.9-生化膜同样可再一次看出本发明可产生符合EPA30/30标准的排出水，同时也表明8天时间已足够应付各种紧急情况(如处理系统中其它部位停止工作)。
由上述实施例可知，本发明已发现一种高效率的废水处理方法和设备。该行业技术人员对本发明可能会联想到一些改动及其它有关方法。随后的权利要求书将使这些改动及有关方法包含在本发明范围内。
权利要求
1.一种用于城市、家庭和可进行降解的工业废水及饮用水的处理方法，它包括以下步骤(1)在生化膜充气池中将废水充分搅动以促进生化膜生长，(2)将废水中的悬浮体及已溶有机物颗粒减小，(3)在废水中形成水流，使废水得流经具有上下两部分的生化膜载体结构，(4)生化膜在生化膜载体结构壁上生长，该载体结构处于水下静止状态，在其表面上生长生化膜，(5)由于生化膜的作用，将已变小的悬浮体颗粒及已溶有物颗粒消化。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于使用至少一个水下叶片装置将已溶有机物颗粒减小。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于所述的充气步骤是通过将空气注入至少一个水下空气管道，并由联接在空气管道另一端的管状扩散装置逸出，以形成水下充气。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于所述的水流的形成步骤是通过废水充气和减小颗粒的方法进行的。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于所述的生化膜载体结构由各种管状体组成，其横截面可为方形、长方形、圆环形、椭圆形、三角形、八边形或六边形截面，或平行设置的表面。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于在需要的情况下，将所述生化膜充气池中已经处理过的水进行后续处理。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于其所述的后续处理包括在沉淀池中将水中所保留的悬浮固体及生化膜沉析出来。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于其所述的减小悬浮体和已溶有机物颗粒的步骤和充气步骤可通过采用至少一个旋转吸气装置同时进行。
9.根据权利要求7的方法，其特征在于所述的在沉淀池中沉析出来的悬浮体和生化膜可送回生化膜充气池中再次进行颗粒减小及生化膜消化步骤。
10.根据权利要求8的方法，其特征在于其所述的吸气装置包含有一个中空吸气尾管，该尾管并包含有中空的臂状杆，由中心部分向外呈放射状伸出，且在每一臂状杆另一端顶部有一小孔，该尾管以一足够减小悬浮体和已溶有机颗粒的速度旋转，该尾管另一端联接一通向外间空气的管道，由于尾管旋转产生的低压将外间空气吸入，并顺管道而下直至吸气尾管，由吸气尾管臂状杆上的小孔排出。
11.根据权利要求2或10的方法，其特征在于叶片或吸气装置尾管的转速至少为20英尺/秒(609.60cm/s)。
12.根据权利要求1或5的方法，其特征在于生化膜载体结构占整个处理池体积10%和99%之间。
13.根据权利要求5的方法，其特征在于生化膜载体结构之间的孔径至少为0.5英寸(1.27cm)。
14.根据权利要求1的方法，其特征在于所述减小颗粒的步骤在废水注入生化膜充气池前可通过生化膜厌氧消化有机物开始进行。
15.根据权利要求1的方法，其特征在于所述充气步骤可采用文丘里水泵进行，该泵一端联接一通向外间空气的管道装置，文丘里水泵产生一种压差而使外间空气吸入空气管道，并在文丘里泵中与废水混合后喷出，在水中形成足够带动废水流经生化膜载体结构间的水流。
16.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述充气步骤可采用水下中空管道，在管道外安装一推动器，该推动器的旋转产生压差使空气吸入管道，并在废水中排出，在充气同时，也产生可使废水流经生化膜载体结构间的水流。
17.根据权利要求1的方法，其特征在于所述充气及颗粒减小步骤可通过在处理池废水表面安装一旋转的水面充气装置来进行。
18.根据权利要求2或10的方法，其特征在于叶片或吸气尾管安装在至少与生化膜载体结构下部相等的高度。
19.根据权利要求3的方法，其特征在于减小悬浮颗粒及已溶有机物的步骤由至少一个水下旋转的叶片进行。
20.一种处理废水的生化膜-充气设备，它包括(1)一个预处理池，用以沉淀出废水中的有机和无机物固体，和(2)一个与预处理池相联的生化膜充气池，该池包含有一个充气装置，将悬浮固体及已溶有机物颗粒减小的装置和生长在水下生化膜载体结构上的生化膜;在池中，废水中悬浮固体颗粒及有机物的降解和消化是通过充气装置，将悬浮固体颗粒减小的装置，以及生化膜消化功能和降解作用共同完成的。
21.根据权利要求20的设备，其特征在于它包含有一个沉淀池，用于将处理后水流中存在的固体颗粒及生化膜在水排出该设备前沉析出来。
22.根据权利要求20的设备，其特征在于所述的悬浮固体和已溶有机物颗粒的减小可采用至少一个旋转的水下叶片进行，该片以一足够减小废水中悬浮固体颗粒的速度旋转。
23.根据权利要求20的设备，其特征在于所述充气装置包含有至少一个水下空气管道和至少一个联接空气管道的管状扩散器，空气由气泵压进空气管道，并由含有至少一个孔的扩散器将压入的空气排入池中废水。
24.根据权利要求20的设备，其特征在于所述的充气装置包含有一个水下吸气装置，该装置有一中空吸气尾管，中空的臂状杆由尾管中心部位呈放射状伸出，每一臂状杆头部有一小孔，该尾管的旋转在外间空气与尾管部之间产生压差，该压差使外间空气吸入水下吸气尾管并由此排入池中废水。
25.根据权利要求24的设备，其特征在于所述吸气装置的旋转不但造成充气和颗粒的减小，也同时在池中形成足够带动废水流经生化膜载体结构的水流。
26.根据权利要求20的设备，其特征在于所述的生化膜载体结构由各种管状体组成，管状体的横截面可为方形，长方形、圆环形、椭圆形、三角形、八边形或六边形。
27.根据权利要求20的设备，其特征在于所述的生化膜载体结构及其表面的生化膜在生化膜充气池中水下生成，并处于静止状态。
28.根据权利要求22或24的设备，其特征在于所述的叶片和吸气尾管的转速至少为20英尺/秒(609.6厘米/秒)。
29.根据权利要求22或26的设备，其特征在于所述的生化膜载体结构占整个处理池体积的10%至99%。
30.根据权利要求20的设备，其特征在于所述的颗粒减小通过在预处理池中对有机物进行厌氧消化来进行。
31.根据权利要求20的设备，其特征在于，所述的充气装置采用文丘里水泵，该泵一端联接一通向外间空气的管道装置，文丘里泵产生一种压差而使外间空气吸入空气管道，并在文丘里泵中与废水混合后喷出，在水中形成足够带动废水流经生化膜载体结构间的水流。
32.根据权利要求20的设备，其特征在于所述的充气装置包含一中空管道，在管道外安装一旋转的推动器，其旋转将空气吸入管道并排入废水，因此对废水进行充气和搅动。
33.根据权利要求20或12的设备，其特征在于所述的颗粒减小装置安装在废水的水面处。
34.根据权利要求20的设备，其特征在于所述的悬浮固体颗粒及已溶有机物颗粒的减小装置是一个吸气尾管，臂状管由尾管呈放射状伸出，吸气尾管的旋转速度以足够减小水中悬浮固体颗粒及已溶有机物颗粒为准。
35.根据权利要求34的设备，其特征在于吸气尾管同时也对废水进行充气。
36.根据权利要求20、22、24或35的设备，其特征在于所述的颗粒减小装置安装在至少与生化膜载体结构下部相同的高度。
37.根据权利要求23的设备，其特征在于悬浮固体及已溶有机物颗粒的减小采用至少一个水下叶片，该叶片以足够减小废水中悬浮固体颗粒的速度旋转。
全文摘要
一种去除有机物，悬浮固体及其它污染物的废水处理设备，它包含有一个预处理池、一个生化膜充气池、及一个沉淀池。生化膜生长在生化膜充气池中静止不动的水下生化膜载体结构上。水下及水面的充气加上悬浮固体减小的装置在生化膜充气池中形成有效的水流。水流以及减小的颗粒使生长在生化膜载体结构上的生化膜得以有效地消化有机物及污染物。
文档编号C02F3/10GK1090556SQ9311729
公开日1994年8月10日 申请日期1993年9月20日 优先权日1993年2月1日
发明者戴维S·麦克拉伦, 汤年发 申请人:杰特公司