专利名称：同时去除碳、氮和磷的液固循环流化床污水处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及流化床，具体地，本发明涉及特别适合污水处理以及同时去除碳氮磷的液固和气液固循环流化床系统。
背景技术：
自从二十世纪二十年代Winkler首次将流化技术应用于煤的汽化，流化技术已经发展了近一个世纪[1]。自那时以来，流化床已用于许多不同的用途，如气固、液固以及气液固接触器等，并作为化工和生物反应器用于进行各种不同的工艺。
将流化床应用于生物污水处理工艺源于在利用活性炭在流化床中从经化学处理的污水去除有机物的过程中观察到了反硝化现象[2]。自此，人们已针对各种不同的水和废水研究了生物流化床(BFB)，用于进行碳氧化、硝化、反硝化以及厌氧处理[3、4、5、6]。传统的生物膜反应器中介质是固定的，而与此不同的是，生物流化床中被固定在颗粒上的介质被向上流动的污水所产生的曳力悬浮。因此，生物流化床具有增加液固接触面积、强化液体和介质间接触以及增加液体流速的优点。
生物流化床通常为液固流化床或向系统中加入气体用于好氧过程的气液固流化床。液固系统的流化由液体流速控制[7]。对于给定的液固系统，当液体流速低于最小流化速度Umf时，该床最初是固定的。当液体速度超过Umf，床的操作进入传统的散式液固流化方式。在传统的散式液固流化床中，固体颗粒近乎均一地悬浮在液体中，因此与液相接触良好，又由于颗粒在液体中连续运动，连同液体产生的曳力，造成极好的界面传质。当液体速度进一步加大，一些颗粒开始输送出该床。此时流化床处于由传统流化方式向循环流化方式转变[7、8、9、10]。当液体流速足够高时，大量颗粒被输送出床体。这时该床进入循环流化方式，形成循环流化床(CFB)。循环流化床较传统流化具有更高的液固接触传质效率和液体流量，也便于向床体输入和从床体输出固体颗粒。在气液固(三相)流化床中，通常在靠近床体底部注入空气或其它气体以帮助液体流化固体颗粒。气体以上升气泡的形式穿过流化床并同时与液体和固体颗粒相互作用。气液固三相床也会发生类似的转变，从固定床发展为传统气液固(三相)流化床，然后再到循环气液固(三相)流化床[11-13]。
生物流化床的这些优点可用于提高污水处理工艺的效率。传统上，大多传统的和广泛使用的用于城市和工业污水处理的设计为活性污泥工艺(AS)，其采用初沉池、曝气池和二沉池。除磷由添加化学药剂实现，而氮仅从毒性更大的氨转化为硝酸盐。该工艺分类为悬浮生长系统，其中负责处理的微生物处于悬浮状态。“固定膜”生物反应器较传统活性污泥工艺具有一些优点。在固定膜生物反应器中，细菌膜被固定在附加介质上，而不是它们自身保持在悬浮状态。由于生物量固定在介质上，因此剪切导致的生物量损失是生物颗粒从生物反应器出水中流失的唯一机制。脱落的生物量多为腐败的生物量，沉降性能好，易于与液体分离[14]。固定膜与悬浮生长系统相比最突出的优点是单位容积的高生物量密度，因此前者不但反应器大小紧凑，而且处理有机负荷冲击以及减轻抑制和毒性影响的能力也更强。其它优点还包括延长生物颗粒停留时间，污泥沉降性更好并因此改变二沉池的容积。在污水处理中最为广泛使用的固定膜工艺是滴滤池和生物转盘接触器[15]。也使用厌氧滤池[16]和好氧生物滤池[17]，尽管不如滴滤池和生物转盘接触器常用。当生物膜被固定在固体载体上，生物流化床(BFB)的诸如增加液固接触面积和强化液体和基质接触的优点可用来进一步提高固定膜生物反应器的效率[18]。值得注意的是，这样的生物流化床固定膜生物反应器都以传统散式流化方式操作，液体流速较低。
但是这些工艺(悬浮生长和包括固定膜生物流化床在内的固定膜生物反应器)只能获得二级出水水质，去除氮(N)和磷(P)还需要额外处理。为解决上述问题并针对因地表水水质恶化而日益严格的营养物排放标准，生物营养物去除(BNR)工艺近来得到了更多的关注。在生物营养物去除工艺中，氮和磷可以同时被去除。如
图1所示，这些生物营养物去除工艺实质上为悬浮生长系统，其采用厌氧、缺氧和好氧悬浮生长生物反应器的组合。生物营养物去除工艺涉及多种微生物群，并利用选定微生物的能力，如利用磷聚集微生物(PAO)大量吸磷，储存在细胞中的一些磷然后在厌氧条件下释放，而后又在好氧条件下更大量地吸磷。另外，能够从硝酸盐中提取氧的反硝化细菌降低了后续好氧处理的负荷。
生物营养物去除工艺较更传统的活性污泥工艺具有如下优点极好的出水水质、由于利用所生成的硝酸盐去除有机物而使所需的鼓气能耗显著减少、改善的污泥沉降性能、由于在缺氧池中较低的细菌产率而使污泥量降低以及去除/最小化化学污泥。尽管生物营养物去除工艺较传统活性污泥工艺需要更多的过程控制，但过程控制以及数据采集能力的进步已大大减轻了人员需求，因此两个工艺所需的操作人力相当。所以，这些生物营养物去除工艺除了优于传统活性污泥系统而能够达到严格的总氮和总磷出水标准的营养物去除工艺优点以外，投资和运行/维护费用也大大降低。
但是，另一方面，人们对活性污泥生物营养物去除工艺在进水水量和水质(即COD-化学需氧量、N、P、COD/P和COD/N比例)波动的情况下的可靠性仍有一定程度的疑问，因而许多生物营养物去除工厂均建有备用化学给料除磷系统。在生物营养物去除活化污泥系统中也观察到了不完全反硝化和低养料与微生物(F/M)比例导致丝状膨胀情况[19、20]。在一些情况下，由于易降解有机物浓度低，为了实现磷和氮的去除，可能还需要外加碳源。
基于上述悬浮生长生物营养物去除工艺的缺点，需要开发更为有效的生物营养物去除污水处理工艺。如果能将生物营养物去除的概念与固定膜生物流化床工艺相结合，使二者的优点同时得到发挥，就非常理想。另外，迄今为止，除非采用某些化学方法，尚没有生物流化床(不与生物营养物去除结合)实现了有效地除磷[21，22]。就发明者所知，能够同时完成磷和氮的生物去除的可靠生物流化床固定膜生物营养物去除工艺尚未开发出来。尽管通过滤池中交替的含氧和缺氧条件，氮能在生物滤池[23]中通过同时硝化-反硝化去除，但去除效率极低(约20％进水氮)。
如果能提供高效的生物流化床同时去除碳、氮和磷，则是非常有利的。但关键的问题之一是如何将厌氧、缺氧和好氧工艺的这三种工艺组合到一个流化床系统中。
发明概述本发明的目的是提供利用(气)-液-固循环流化床(LSCFB或GLSCFB)同时去除碳、氮和磷的固定膜生物营养物去除(BNR)污水处理系统。
如图2中所示，这里公开了新型的生物流化床生物营养物去除工艺，它由新的液固循环流化床系统(LSCFB)实现，当向系统中至少一个流化床注入气体时也可以称为气液固循环流化床系统(GLSCFB)。液固循环流化床系统和气液固循环流化系统为最近开发出来的较新型的化学和生物反应器[7-13]。就发明者所知，尽管液固循环流化床系统和气液固循环流化系统在化学及生物处理方面具有很多优点，但尚未在包括生物营养物去除工艺在内的污水处理工艺中应用。本发明中的新型的液固循环流化床/气液固循环流化技术利用了流化床的高接触效率，并将生物营养物去除的厌氧、缺氧和好氧三个区整合到一个系统中。应该指出的是，以下提到液固循环流化床系统(LSCFB)，也指气液固循环流化床系统(GLSCFB)。
液固循环流化床生物营养物去除系统(BNR-LSCFB)含有两个相互连接的流化床，以形成固体循环系统升流床中液体和颗粒同向上行，降流床中液体和气体上行而与下行的颗粒呈逆向流动。在以上的例子中，升流床为液固流化床，降流床为气液固流化床。液固循环流化床(包括气液固循环流化床)为近来开发出来的较新型的(生物)化学处理器[7、8、9、10、11、12、13]。发明人最近开发的用于污水处理的液固循环流化床生物营养物去除系统，建立了新型的固定膜生物营养物去除工艺。尽管液固循环流化床系统在许多化学以及生物工艺中展示了诸如更好的界面接触和减少返混的很多突出优点，但尚未在包括生物营养物去除工艺在内的污水处理工艺中得到应用。另外，液固循环流化床系统的另一优点它具有两个独立的流化床，便于将诸如好氧与缺氧过程的两个独立过程整合到同一系统中。
本发明的一方面提供了液固循环流化床系统，包括第一流化床，在其上涂覆有有效固定的细菌的固体颗粒从临近第一流化床的第一末端处进入第一流化床，第一液体从临近第一流化床的第二末端处进入第一流化床，第二末端远离一末端，以便固体颗粒与第一液体逆向流动。流化床系统还包括第二流化床，该第二流化床为升流床，其中引导固体颗粒进入第二流化床的装置和引导第二液体进入第二流化床的装置临近第二流化床的一个末端，以便引入第二流化床的固体颗粒和第二液体从所述一个末端向第二流化床的另一末端同向流经第二床，第二流化床的另一末端远离所述一个末端。该系统还包括气体注入装置，用于将气体注入所述第一和第二流化床之一或二者。第一装置经第一流化床的第二末端和第二流化床的所述一个末端连接第一流化床和第二流化床，所述第一连接装置包括将固体颗粒供入第二流化床的装置。该系统还包括第二装置，其从临近第一床的第一个末端和第二流化床的另一末端处连接第一和第二流化床，第二连接装置包括将固体颗粒供入第一流化床的装置。
本发明的另一方面提供了从污水供入流中去除碳、氮和磷的生物营养物去除方法，包括如下步骤使原始污水进料和再循环流流入第一流化床，使在其上涂覆有有效固定的细菌的固体颗粒和第一液体通过第一流化床，第一流化床包括维持在缺氧条件下的区域，适用于对流经的第一液体进行反硝化；使在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒和第一液体流经厌氧区，在此所储存的磷被释放；使部分所述第一液体与在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒分离，以形成所述再循环流，并将所述固体颗粒和第一液体的剩余部分输送进第二流化床，再使所述再循环流与所述原始污水进料在所述第一流化床的入口处混合；使在其上涂覆有有效固定的细菌的颗粒连同第二液体流通过第二流化床，第二流化床具有控制在好氧条件下的好氧区，用于在氧存在时通过固定的细菌对第二液体流的组分进行生物降解，生成二氧化碳、水和硝酸盐，以从好氧区产生硝化出水；以及从所述第二流化床中将在其上涂覆有有效固定的细菌的固体颗粒连同部分硝化出水输送进第一流化床，将剩余的硝化出水与在其上涂覆有固定的细菌的所述固体颗粒分离，将部分剩余的硝化出水作为经处理的出水从系统去除，并将硝化出水的剩余部分的其余部分再循环入第二流化床的入口，使其与第一液体的剩余部分混合形成第二液体，而部分硝化的流出物与原始污水供料和再循环流的混合物在第一流化床的入口处混合，形成第一液体。
附图简述本发明的其它特征、目的和优点将由以下结合附图对本发明优选实施方案的详细描述而变得明显，附图中图1显示用于污水处理的典型的现有悬浮生长生物营养物去除工艺；图2为显示本发明固定膜生物营养物去除工艺的实施方案的示意简图；图3为液固循环流化床生物营养物去除系统的示意图。
发明详述如图3所示，本发明提供了液固循环流化床生物营养物去除系统，其主要显示于100，由一对流化床构成，包括作为降流塔(好氧床)的第一流化床10和作为升流塔(缺氧和厌氧床)的第二流化床12，它们是根据颗粒的移动方向命名的；液固分离器46，位于升流床的顶部，另一个相似的沉降器76位于降流床10的顶部。该分离器46和沉降器76也对维持升流塔12和降流塔10之间的压力平衡起到关键作用。升流床12和降流床10在它们的临近端由连接管相互联接，使颗粒能在两塔体之间流动。
第一流化床10为传统的逆流液固流化床，更精确地说是气液固床，其中固体颗粒18(例如，但不限于火山岩石颗粒、沸石、树脂、硅溶胶凝胶或其它生物量载体)从靠近床体10顶部的顶部连接管19进入(如线17所示)并下行，诸如再循环出水20的第一流化液体从床体10下端24处的22进入床体10，如图所示，其以与颗粒18相反的流向上行。外加诸如空气的气体可从床体10底部通过气体分布器80进入，如图中82处所示。此气体在床体10中形成气泡，与第一流化液体同向上行。由于气体的注入，这时第一流化床实际上是气液固流化床。如果不注入气体，第一流化床为液固流化床。位于第一流化床10的顶部的沉降器76使得颗粒和随上行液体夹带的脱落污泥沉降返回到第一流化床10中，以最大限度地减小随出水流失的颗粒。
另一方面，第二流化床12为升流床，其中经由底部连接管42从床体10来的固体颗粒18经临近床体12下端26处进入床体12，并与第二流化液体28(例如原始污水进料72和来自位于升流床12顶部的液固分离器46的再循环74的混合物)同向上行。第二流化液体28在压力下通过临近床体12下端26的喷嘴30和入口32进入床体12的，并夹带颗粒18一起通过床体12，如图中所示。在此描述的第二流化床12为液固升流床，以液固循环流化方式运行。从运行方面讲，气体进料(图3中未示出)也可以通过床体12的下端26注入，形成以气液固循环流化方式操作的气液固流化床。
第二流化床包括位于其底端的分布器，该分布器将液体28的进水流(为进水72和再循环水74的混合物)分为两支流主水流60和辅助水流62。主水流60由喷嘴30引入第二流化床塔12。此设计增加了通过底部固体回流管42的压力降，使得系统更加稳定。辅助水流62通过多孔板进口32进入第二流化床12的底部26。辅助水流62的功能是在第二流化床12底部搅动颗粒18，使之在主水流60和辅助水流62的混合水流作用下在第二流化床中上行。两水流60和62也可以合并为单一水流，通过第二流化床12底端26处的单一分布器进入。
如上所述，固体颗粒18在入口17处进入降流塔10，下行通过床体10。在它们穿过流化床10后固体颗粒18进入下连接管42，连同一些夹带的液体进入第二流化床12。
塔10包括好氧区，而床体12包括缺氧区和厌氧区。在好氧区，在输入的空气中的氧存在下富含有机物和氨的污水主要由被固定在固体颗粒上的细菌生物降解为二氧化碳、水和硝酸盐。空气和污水的连续流动确保了好氧生物量的维持。在缺氧区，进水污水与来自好氧区的再循环硝化活性污泥混合，反硝化作用占优势。来自床体10好氧区的硝化流中的硝酸盐用作氧源，满足污水的氧需求。污水进水和从好氧区生物膜脱落下来的腐败生物量提供反硝化所需碳源。在缺氧区上方，进水中可生物降解组分产生氧需求，因而形成厌氧区。在厌氧区，磷被释放，挥发性脂肪酸被储存用于在好氧区进一步降解。
在运行过程中，来自好氧过程的附着生物膜的生物量载体通过底部回流管42被输送到第二流化床12底部，以补充沿着第二流化床12被夹带上行的颗粒18。底部固体回流管42时常以填充移动床形式运行，但也可能处于半流化状态或传统流化状态。
在本发明的液固循环流化床污水处理系统中，固体颗粒18的回流率可由位于底部回流管42上的蝶阀70控制。至升流床的进水流分为两水流60和62，第二水流流化升流床底部的颗粒，这形成能控制固体颗粒18回流率的另一液压阀。也可能还有其它类型的液压阀，如环封(loopseal)等。无论是机械阀或水力阀还是二者，都能用于控制固体颗粒18的流动速率。一般地，机械阀优于水力阀，因为机械阀通常为回流管42提供更高也更稳定的压力降，因此使得系统更加稳定，也使得维持两个塔之间的压力平衡更为容易。如果与机械阀一同使用，辅助水流62会对固体颗粒18的循环率提供另外的控制。
如前所述，来自出水44的再循环流20从床体10底部进入，连同注入的气体(多为空气)流以与固体颗粒18流向相反的方向穿过降流塔10，在塔10的顶部离开，如44处所示。位于第一流化床10顶部的沉降器76在气液排出塔之前分离出夹带的固体颗粒18和脱落污泥，并将其返回到床体10中。沉降器76也周期性地通过孔口45排出脱落污泥。塔10在44排出的液体为出水，其中一部分出水作为经处理水排放，部分再循环回降流塔10底部以维持该过程。
第二流化液体28(为原始污水进料72加上来自升流塔12顶部液固分离器46的再循环流74)和颗粒18以及一些来自好氧区通过回流管42流入的硝化出水同向穿过床体12，进入液固分离器46(例如沉降槽)，在此有大部分第二流化液体28的液体出口48和颗粒18的出口50，并且一些来自流化床12的液体位于至上连接管19的底部开口处。来自分离器46的颗粒18和夹带的一些液体经上连接管19流向降流塔10中的进口17。如果有附加气体从升流塔12底部26注入，气体将与液体同向上行，以流化固体颗粒。该气体将在顶部分离器46中分出。
本发明的应用本发明与污水处理相关的应用将在下面描述，但它也可用于其它用途，例如处理来自大量工业过程的出水。
本发明通过以下非限制性实施例加以描述。
实施例图2中描述了用在本发明液固循环流化床100(图3)中的固定膜生物营养物去除工艺的流程图。参见图3，好氧过程发生在降流床10中，缺氧过程发生在升流床12的下部，且厌氧过程发生在升流床12的上部。也可以使缺氧过程发生在升流床的上部，厌氧过程发生在升流床的下部。但此时大部分来自好氧区的硝化出水需要在升流床中部供至缺氧区底部。原始污水72(初级进水或初级出水)首先与来自升流床顶部的液固分离器46的缺氧/厌氧出水再循环流74混合，然后供入升流床12的底部，在此来自降流床10好氧过程的携带在再循环固体颗粒上的活性污泥连同部分先前硝化的污水还与原始污水72和缺氧/厌氧出水再循环流74混合。含有原始污水、出水再循环流74、先前硝化的污水和附着有微生物的固体颗粒的液体在升流床12中相互接触着并流上行。升流塔12以液固循环流化方式运行，并在液体和活性污泥之间提供良好的界面传质，因而显著提高了工艺强度。在升流床12的下部，有助于反硝化的缺氧条件占优势。在升流床的下半部反硝化所需的碳源可以为部分原始污水进料或从降流床生物膜脱落的腐败生物量，或二者。接着，污水继续向上流至维持在升流床上半部的厌氧区，在此，储存的磷被释放且挥发性脂肪酸被储存以便进一步在好氧区降解。在厌氧区，硝酸盐的去除大大强化了释磷，进而强化了好氧降流床10中的吸磷。值得注意的是，由于液固分离和后续的固体再循环至降流床10是在厌氧段后马上发生，好氧降流床中的强化吸磷也就很可能发生。
在升流床12顶部的液固分离器46中，附着有微生物的固体颗粒从液体流中分离出，连同来自液固分离器46的部分出水液体，经上部连接管19引入降流床10的上部。伴随来自升流床12的再循环固体的经处理污水在降流床10的顶部进口17与向上流经降流床10的再循环出水汇合。相当于约5-15倍的污水进料速率的部分汇合水流20再循环进降流床10，剩余部分44作为经处理出水排出。再循环液体20也用于流化降流床10，因此有必要将其从靠近气体(或含氧气体)注入口的底部进入降流床10。通过将气体供入降流床和控制气体流速，以及通过控制再循环液体流速，可以很好地将好氧区以传统的气液固三相流化方式维持在降流床10中。附着有生物量的固体靠重力流向降流床10的底部，然后通过底部倾斜的连接管42进入升流床底部。部分过程中形成的脱落污泥周期性地从好氧区通过沉降器76中的出口45排出。系统也可以被设计为使从降流床10流向升流床12底部的液体以适当的再循环率(例如4倍的进水流速)流动，以模拟传统活性污泥型营养物去除系统中从好氧池到缺氧池的硝化混合液再循环。
另一种方案是在升流床的中部向厌氧区供入污水，如图2和图3中虚线(78)所示。在此情况下，部分升流床出水需要再循环至升流床底部，以流化升流床底部的缺氧区。
该液固循环流化床生物营养物去除工艺集悬浮生长营养物去除工艺的优点和固定膜工艺的优点于一体。除了具有固定膜工艺中污泥沉淀性能好的优点并因此减少了用于液固分离的沉降器的体积之外，液固循环流化床再循环具有较高沉淀速度的附着介质，因此只需小的液固分离池，而不是分离沉降器。再者，由于流化，液固循环流化床生物营养物去除系统可以处理可溶性和携带颗粒的污水，因此无需初沉池。更具体地，这里所公开的液固循环流化床生物营养物去除系统较广泛应用的传统活性污泥以及最近开发出的悬浮生长营养物去除系统提供了如下优点1)由于单位生物反应器容积的生物量密度更大以及无需初沉池和二沉池，因此有更小的占地面积且非常紧凑的反应器大小；2)最小化操作人力需求，去除了诸如曝气池固体分析、活性污泥返回、沉降器堰洗涤槽的清理、废污泥、化学药剂控制以及维持化学药剂添加系统的常规工作；3)由于更好的生物固体保留性，强化了工艺稳定性；4)在流化床中颗粒呈悬浮状态，因此具有同时处理溶解性污染物和颗粒态污染物的能力；5)较悬浮生长工艺具有较低的有毒物/生物量比，因此抗有毒物和抑制物的冲击能力强；6)最小化/消除了除磷所需的化学药剂；7)由于缺氧池的低细菌产量，因此较活性污泥系统污泥产量明显减少且化学污泥最小化；由于延长了固体停留时间并由此提高了生物量腐败率，因此较营养物去除工艺使生物污泥最小化；8)需氧量大大减少，因而大量节能；9)由于流化床中更好的截流以及腐败的生物膜作为碳源强化了颗粒状底物的利用，因而可使营养物去除所需的碳源减少。
总之，与现有技术相比，该工艺在显著节省投资和运行/维持费用情况下提供了实现高质量出水水质且工艺稳定性好的可能性。此外，该液固循环流化床固定膜生物营养物去除工艺适于任何城市污水处理用途，对具有空间限制和特殊要求的工业废水处理尤其有利。例如，该技术可以用来处理特别浓缩的工业废水流，以及对综合废水进行终端处理。由于显著减少成本、空间和能耗，该技术的其它可能的重要应用还在于经济条件有限的小社区和新开发区。
在发明者进行的研究中，在不同的COD负荷范围内，可以获得COD在4-20mg/L之间的出水；在15C°-30C°范围内，在最小总水力停留时间(HRT)为2.2小时时，平均氨氮去除率超过99％。通过增加硝化液再循环率，出水硝酸盐氮浓度低于5mg/L。在缺氧床和好氧床中均未发现亚硝酸盐积累。液固循环流化床生物营养物去除系统看来不仅为传统活性污泥型生物营养物去除工艺的极好替代，还可以承受更高负荷并适用于工业应用。
需要说明的是，本发明的装置和工艺并不限于使好氧区处于降流塔10和使缺氧区和厌氧区处于升流塔12中，而是可以置换，可使带有气体注入的好氧区位于升流塔12中，且缺氧区和厌氧区位于降流塔10中。
本领域技术人员应理解的是，升流床12和降流床10的相对大小依赖于污水的特征和处理目的，因此，特定的要求需要不同的相对尺寸，该技术可容易地改为用升流床于好氧过程，用降流床于缺氧/厌氧过程。
这里所使用的术语“包括”及“包含”是以开放的形式包括和包含，而非排它性的。确切地说，当用在本说明书和权利要求中时，包括、包含及其变体指某种特征、步骤或组份包括在内。这些术语不应解释为排除其它特征、步骤或组份。
前文对本发明的优选实施方式的说明是为了解释本发明的基本原理，而非是将本发明限定在所描述的具体实施方式
中。本发明的范围由下面的权利要求书中及其等同替换的所有具体描述来限定。
参考文献1.Kunii，D.and Levenspiel，O.，Fluidization Engineering(流化工程)，Butterworth-Heinemann，Stoneham，MA，USA(1991).
2.Weber，W.J.，Hopkins，C.B.and Bloom，R.，Physical-chemicaltreatment of wastewater(污水的物理-化学处理).J.Wat.Pollut，Control Fed.，42，83-88(1970).
3.Jeris，J.S.and Owens，R.W.，Polit-scale high-rate biologicaldenitrification(中试规模的高速生物反硝化)，J.Wat.Pollut.Control Fed.，47，2045-2057(1975).
4.Hoyland，G.and Robison，P.J.，Aerobic treatment in OXITRONbiological fluidized bed plant at Coleshill(在Coleshill的OXITRON生物流化床工厂中的好氧处理)，Wat.Pollut.Control，82，479-493(1983)5.Cooper，P.F.and Williams，S.C.，High-rate nitrification in abiological fluidized bed(生物流化床中的高速硝化)，Wat.Sci.Tech.，22，431-442(1990).
6.Semon，J.，Sadick，T.，Palumbo，D.，Santoro，M and Keenan，P.，Biological upflow fluidized bed denitrification reactor demonstrationproject(生物上行流化床反硝化反应器示范项目)-Stanford，CT，USA，Wat.Sci.Tech.，36，139-146(1997).
7.Zhu，J.，Zheng，Y.，Dimitre G.Karamanev and Amarjeet S.B.，(Gas-)Liquid-solid circulating fluidized beds and their potential applicationsto bioreactor engineering((气-)液固循环流化床和它们的潜在生物反应器工程应用).Can.J.Chem.Eng.，78，82-94(2000).
8.Liang，W.G.，Zhang，S.L.，Zhu，J.X.，Yu，Z.Q.，Jin，Y.and Wang，Z.W.，Flow characteristic of the liquid-solid circulating fluidized bed(液固循环流化床中的流动特征)，Power Technol.90，95-102(1997).
9.Zheng，Y.，Zhu，J.X.，Wen，J.Z.，Bassi，A.S.and Margaritis，A.，Theaxial hydrodynamic behaviour in a liquid-solid circulating fluidized bed(液固循环流化床中的轴向流体力学行为).Can.J.Chem.Eng.77，284-290(1999).
10.Zheng，Y.，Zhu，J.-X.，Marwaha，N.S.and Bassi，A.S.，“Radialsolids flow structure in a liquid-solids circulating fluidized bed(液固循环流化床中的径向固体流动结构)”，Chem.Eng.J.，88(2)，141-150，2002.
11.Liang，W.-G.，Wu，Q.-W.，Yu，Z.-Q.，Jin，Y.and Bi，X-T.，Flowregimes of the three-phase circulating fluidized bed(三相循环流化床的流动方式)，American Institute Chem.Eng.J.，41，267-271(1995).
12.Liang，W.-G.，Yu，Z.-Q.，Jin，Y.，Wang，Z.-W.，and Wu，Q.-W.，Phaseholdups in a gas-liquid-solid circulating fluidized bed(气液固循环流化床中的相含率)，Chem.Eng.J.& Biochem.Eng.J.，58，259-264(1995).
13.Liang，W.-G.，Wu，Q.-W.，Yu，Z.-Q.，Jin，Y.and Wang，Z.-W.，Hydrodynamics of a gas-liquid-solid three phase circulating fluidized bed(气液固三相循环流化床的流体力学)，Can.J.Chem.Eng.，73，656-661(1995).
14.Robinson JA，Trulear AG，and Characklis WG，Cellular Reproductionand Extracellular Polymer Formation by Pseudomonas aeruginosa inContinuous Cultures(在连续培养中Pseudomonas aeruginosa的细胞繁殖和细胞外聚合物形成)，Biotechnol.& Bioeng.，XXV，1409，(1984).
15.Metcalf and Eddy，Wastewater EngineeringTreatment，Disposal，and Reuse(污水工程处理、处置和再生)，McGraw Hill Publishing Co.，3vol.Edition P，604，(1991).
16.Chian ES，and DeWalle FB，Treatment of High Strength AcidicWastewater with a Completely Mixed Anaerobic Reactor(用完全混合厌氧反应器处理高强度酸性污水)，Water Research，11，295-304，(1977).
17.Rogalla F.，Payradeau M.，Bacquet G，Bourbigot，MM and Sibony J，Nitrification and Phosphorus Precipitation with Biological Aerated Fillers(采用生物疏松填料的硝化作用和磷沉淀)，Water Environ.Res.，62(2)，169-176，(1990).
18.Switzenabum MS，and Jewel WJ，Anaerobic attached-film expandedbed reactor treatment(厌氧附着膜膨胀床反应器处理)，J.Water PollutionControl Fed.52，1953-1965.
19.Casey TG，Wentzel MC，Ekama GA，Lowenthal RE，and MaraisGVR，“A Hypothesis for the Causes and Control of Anoxic-Aerobic(AA)Filament Bulking in Nutrient Removal Activated Sludge Systems(在营养物去除活性污泥系统中缺氧-好氧(AA)丝状膨胀的原因和控制假说)”，WaterSci.Tech.，29(7)，203-212，1994.
20.Musvoto EV，Casey TG，Ekama GA，Wantzzel MG and Marais GVR，The Effect of Incomplete Denitrification on Anoxic-Aerobic(Low F/m)Filament Bulkng in Nutrient Removal Activated Sludge Systems(在营养物去除活性污泥系统中不完全反硝化对缺氧-好氧(低F/m)丝状膨胀的影响)，Water Sci.Tech.，29(7)，295-299，1994.
21.Van Dijk，J.C.and Braakensiek，H.Phosphate removal bycrystallization in a fluidized bed(在流化床中通过结晶去除磷酸盐).Wat.Sci.Tech.，17，133-142(1985).
22.Battistoni，P.，Pavan，P.，Cecchi，F.and Mata-Alvarez，J.Phosphateremoval in real anaerobic supernatantsModelling and performance of afluidized bed reactor(在实际厌氧上清液中的磷酸盐去除流化床反应器的模拟和性能).Wat.Sci.Tech.，38，275-283(1998).
23.Zweger B，Arnold E and Wildever PA，Nutrient Balances forCombined Nitrification and Denitrification in Biofilters(生物滤器中组合的硝化和反硝化的营养物平衡)，Water Sci.Tech.，4(4)，91-95，2000.
权利要求
1.液固循环流化床系统，包括第一流化床，在其上涂覆有有效固定的细菌的固体颗粒从临近所述第一流化床的第一末端处进入所述第一流化床，第一液体从临近所述第一流化床的第二末端处进入所述第一流化床，所述第二末端远离所述第一末端，以便所述固体颗粒与所述第一液体逆向流动；第二流化床，所述第二流化床为升流床，其中引导固体颗粒进入所述第二流化床的装置和引导第二液体进入所述第二流化床的装置均临近所述第二流化床的一个末端，以便引入所述第二流化床的所述固体颗粒和所述第二液体从所述一个末端向所述第二流化床的另一末端同向流过所述第二床，所述一个末端远离所述第二流化床的所述另一末端，气体注入装置将气体注入所述第一和第二流化床之一或二者；第一装置，其经所述第一流化床的所述第二末端和所述第二流化床的所述一个末端连接所述第一流化床和所述第二流化床，所述第一连接装置包括将固体颗粒供入所述第二流化床的装置；以及第二装置，其经所述第一床的第一个末端和所述第二流化床的所述另一末端连接所述第一和所述第二流化床，所述第二连接装置包括将所述固体颗粒供入所述第一流化床的装置。
2.如权利要求1所述的液固循环流化床系统，其中所述气体注入装置与所述第一流化床相连，以及其中所述第一流化床包括好氧区，用于在氧存在时主要由被固定的细菌对污水进行生物降解。
3.如权利要求1或2所述的液固循环流化床系统，其中所述第二流化床包括用于反硝化的缺氧区和用于释磷的厌氧区。
4.如权利要求1、2或3所述的液固循环流化床系统，其中所述气体注入装置与所述第二流化床相连，以及其中所述第二流化床包括有好氧区，用于在氧存在时主要由被固定的细菌对污水进行生物降解。
5.如权利要求1、2、3或4所述的液固循环流化床系统，其中所述第一流化床包括用于反硝化的缺氧区和用于释磷的厌氧区。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的液固循环流化床系统，其中所述第一连接装置适于在所述第一和第二流化床之间形成第一水力密封；所述第二连接装置适于在所述第一和第二流化床之间形成第二水力密封。
7.如权利要求6所述的液固循环流化床系统，其中所述第一水力密封为第一移动填充床，所述第二水力密封为第二移动填充床。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的液固循环流化床系统，其中所述第一流化床为以传统流化床方式运行的逆流流化床。
9.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的液固循环流化床系统，其中所述第二流化床为以循环流化方式运行的升流床。
10.如权利要求1至9任一权利要求所述的液固循环流化床系统，其中注入所述第一流化床的所述气体含有氧气。
11.如权利要求1至10任一权利要求所述的液固循环流化床系统，其中注入所述第二流化床的所述气体含有氧气。
12.如权利要求1至11任一权利要求所述的液固循环流化床系统，其中所述第一和第二流化床基本上是垂直塔。
13.如权利要求12中所定义的液固循环流化床系统，其中所述第一流化床的所述第一末端为顶端，所述第一流化床的所述第二末端为底端；所述第二流化床的所述一个末端为底端，所述第二流化床的所述另一末端为顶端。
14.如权利要求13中所定义的液固循环流化床系统，其中在所述第一流化床中，所述第一液体基本上上行并且所述固体颗粒基本上下行以形成逆流流动，以及其中在所述第二流化床中，所述第二液体和固体颗粒基本上同向上行。
15.如权利要求14中所定义的液固循环流化床系统，其中所述第二流化床还包括位于其顶端的液固分离器装置，用于从液体中分离固体颗粒并排放这种分离的液体以提供分离的固体颗粒。
16.如权利要求15中所定义的液固循环流化床系统，其中所述分离器装置包括液体循环装置，用于使至少部分与所述固体颗粒分离的排放液体循环回所述第二液体流化床的底端。
17.如权利要求15中所定义的液固循环流化床系统，其中所述分离器装置包括液体循环装置，用于使至少部分与所述固体分离的排放液体循环回所述第二液体流化床的中部。
18.如权利要求15、16或17中所定义的液固循环流化床系统，其中所述第一液体流化床还包括位于其第一末端的沉降器装置，用于固体颗粒从液体中分离并将这种分离的液体排放以提供沉降回第一流化床的分离的固体颗粒，以便最小化经由出水的颗粒损失。
19.如权利要求18中所定义的液固循环流化床系统，其中所述沉降器装置包括液体回流装置，用于使至少部分与所述固体颗粒分离的液体循环回所述第一液体流化床的所述第二末端，并至少将部分与所述固体颗粒分离的剩余液体从系统中作为处理过的出水排放。
20.如权利要求18中所定义的液固循环流化床系统，其中所述沉降器装置包括污泥排除装置，用于排放处理过程中所形成的脱落污泥。
21.从污水供入流中去除碳、氮、磷的生物营养物去除方法，包括如下步骤使原始污水进料和再循环流流入第一流化床，使在其上涂覆有有效固定的细菌的固体颗粒和第一液体通过所述第一流化床，所述第一流化床包括维持在缺氧条件下的区域，适用于对流经的所述第一液体进行反硝化；使在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒和所述第一液体流经厌氧区，在此所储存的磷被释放；使部分所述第一液体与所述在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒分离，以形成所述再循环流，并将所述固体颗粒和所述第一液体的剩余部分输送进第二流化床，再使所述再循环流与所述原始污水进料在所述第一流化床的入口处混合；使在其上涂覆有有效固定的细菌的颗粒连同第二液体流通过所述第二流化床，所述第二流化床具有控制在好氧条件下的好氧区，用于在氧存在时通过所述被固定的细菌对所述第二液体流的组分进行生物降解，生成二氧化碳、水和硝酸盐，以从所述好氧区产生硝化出水；以及从所述第二流化床中将在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒连同部分硝化出水输送入所述第一流化床，将剩余的硝化出水与在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒分离，将部分剩余的硝化出水作为经处理的出水从系统排放，并将所述硝化出水的剩余部分的其余部分再循环入所述第二流化床的入口，使其与所述第一液体的剩余部分混合形成所述第二液体，而所述的部分硝化出水与所述原始污水供料和所述再循环流的混合物在所述第一流化床的入口处混合，形成所述第一液体。
22.如权利要求21所述的方法，其中在其上涂覆有有效固定的细菌的固体颗粒以与所述第一液体同向流动的方式流经所述第一流化床，以及其中在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒以与所述第二液体逆向流动的方式流经所述第二流化床。
23.如权利要求21或22所述的方法，其中所述第一流化床以循环流化方式运行，强化了所述第一液体和固体颗粒之间的界面传质。
24.如权利要求21、22或23所述的方法，其中通过向所述第二流化床中注入含氧气体，在所述第二流化床中形成可控好氧条件的好氧区。
25.如权利要求21、22、23或24所述的方法，其中所述第一和第二流化床基本上为垂直塔，以及其中所述第二液体上行，所述固体颗粒以与所述第二液体逆流的方式下行，流经所述第二流化床。
26.如权利要求21、22、23、24或25所述的方法，其中所述第二流化床在适于传统流化方式的条件下运行，以便所述固体颗粒在重力作用下流向所述第二流化床的底部。
27.如权利要求25或26所述的方法，其中所述缺氧区位于所述厌氧区之下，并且原始污水和所述再循环流从所述缺氧区之下进入所述第一流化床。
28.如权利要求25或26所述的方法，其中所述缺氧区位于厌氧区之上，所述的再循环流和部分原始污水从厌氧区之下流入所述第一流化床；以及其中原始污水的剩余部分和来自所述好氧区的硝化出水在所述厌氧区和所述缺氧区之间流入所述第一流化床。
29.如权利要求21、22、23、24、25、26、27、28或29所述的方法，其中将所述固体颗粒和所述第一液体的剩余部分输送至第二流化床的步骤包括在所述第一和第二流化床之间形成移动填充床。
30.如权利要求21、22、23、24、25、26、27、28或29所述的方法，其中将在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒连同部分所述硝化出水从第二流化床转移至所述第一流化床的步骤包括在所述第二和第一流化床之间形成移动填充床。
31.如权利要求21、22、23、24、25、26、27、28、29或30所述的方法，包括去除污水处理期间形成的脱落污泥的步骤。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述脱落污泥从所述第二流化床中排放。
全文摘要
由于不断严格的管理，在城市污水处理中，能够去除碳底物、营养物和磷的生物营养物去除(BNR)日益得到全世界的重视。可能用于生物营养物去除工艺的生物流化床(BFB)能提供诸如效率高与结构紧凑的优点。本发明将固定膜生物流化床技术和生物营养物去除工艺整和到一个液固循环流化床中，在高效、占地极少的情况下，达到了同时去除碳氮磷的目的。液固循环流化床生物营养物去除系统含有两个流化床，分别以缺氧/厌氧和好氧过程运行，通过缺氧/厌氧床和好氧床之间的连续固液再循环，完成同步硝化/反硝化并去除碳底物、营养物和磷。该新型的液固循环流化床生物营养物去除系统不仅是传统活性污泥型生物营养物去除技术的极好替代方，还可承受高负荷并适于工业应用。
文档编号B01J47/10GK1922111SQ200580005561
公开日2007年2月28日 申请日期2005年2月22日 优先权日2004年2月24日
发明者乔治·纳赫拉, 祝京旭, 崔玉波 申请人:西安大略大学