[发明专利]脱除废营养素的方法和生物反应器系统

说明书

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。