[发明专利]生物净化废水的方法和反应器

说明书

本发明涉及一种在具有一个或多个入口区和出口区的反应器中生物净化水的方法，在该反应器中水和基材(substrate)与生物膜的载体元件(carrier element)接触。本发明还涉及一种进行该方法以及分离生物膜污泥的反应器。

反应器可布置成用于需氧净化、厌氧净化以及缺氧净化市政和工业废水、处理水、来自水产养殖设施的水以及饮用水。该工艺基于在用于形成生物膜的载体元件上建立生物质的原理。在出口部布置的帮助下，载体元件被保持在反应器中的适当位置。反应器中的载体元件的填充度是如此大，以致在正常操作期间，它们不能自由运动-阻碍的运动。可使用具有相对接近水的比重的比重的所有已知类型的载体元件。与市场上许多其他生物膜工艺相比，本发明将导致氧从空气泡中更好地输送到水中以及水和基材更好地输送到生物膜中，这在某种程度上将导致更紧凑且更少能量需求的设施。

机械净化水、化学净化水和生物净化水的许多方法是已知的。生物净化需要使微生物培养物对水中的材料进行所期望的转化。基本上，将生物净化结合机械净化方法和化学净化方法。

生物净化更多用于净化污染水。传统地，生物净化在用于除去有机材料方面已处于完全主导地位，且近年来，生物净化在用于除去氮(硝化、反硝化、厌氧氨氧化)方面也已成为主导，且在用于除去磷(除去生物-P)方面已相对普遍。

需区别需氧生物工艺、缺氧生物工艺和厌氧生物工艺。在需氧工艺中，微生物需要分子氧作为电子受体。对于缺氧工艺，取决于分子氧的缺少且微生物将使用硝酸盐或硫酸盐作为电子受体。对于生物除去氮，结合将铵盐氧化为硝酸盐的需氧工艺与将硝酸盐还原为分子氮气的缺氧工艺。厌氧工艺在不存在氧下进行，且特征为水中的有机材料同时是电子供体和电子受体。厌氧工艺对于高度浓缩的有机物质工业排放物是最相关的，且在完全分解时，最终产物将是甲烷和二氧化碳的混合物(沼气)。

原理上，生物净化所需要的微生物可悬浮在生物反应器中的水相中，或附着到生物反应器中的表面。具有悬浮微生物的工艺称作活性污泥工艺。在活性污泥工艺中，微生物必须能够形成在下游反应器中与水分离且返回到生物反应器的絮状物。可选择地，由于净化的水经由具有很小以致可将微生物阻留在生物反应器中的孔口的膜而从反应器中被排放，所以悬浮微生物可被保持在生物反应器中的适当位置。这称为膜生物反应器(MBR)工艺。

其中微生物附着到表面的工艺称作生物膜工艺。用于净化水的生物膜工艺的实例是滴滤池、生物转体(bio rotor)、浸没式生物滤池、移动床工艺和流化床工艺。浸没式生物滤池包括具有相对敞开的塑料载体介质的滤池和具有小直径载体介质(砂粒、Leca球、小的聚苯乙烯球)的滤池。具有小直径载体介质的浸没式生物滤池将相对很快地被生物污泥堵塞，且必须定期进行反冲洗操作来取出并且除去污泥。一直保持卧着的具有敞开的载体介质的浸没式生物滤池可相对长时间之后用连续供应的水进行操作，但经验表明甚至具有大的载体介质和敞开结构的滤池在一段时间之后也将被堵塞。由于生物膜工艺中的微生物被固定在生物反应器中的载体材料的表面上，所以生物膜工艺自身与下游污泥分离无关。

在同一反应器中具有悬浮微生物的工艺和具有固定微生物的工艺的结合称为IFAS(综合性固定膜和活性污泥)工艺。IFAS工艺由与生物转体、具有敞开的载体介质的浸没式生物滤池或移动床工艺结合的活性污泥构成。

在全球范围内，尽管明显存在更多的具有悬浮微生物的生物净化装置，但生物膜工艺变得越来越普遍。对此的一些原因是活性污泥工艺具有许多缺点。活性污泥工艺通常难以保持对污泥分离的控制。这会导致污泥的大的损失，且在生物工艺崩溃的更糟情况下，具有对接收器的相关联的后果。另一个缺点是常规的活性污泥工艺对于反应器和对于在沉降池中污泥分离需要非常大的体积。然而，常规活性污泥工艺的优点是在敞口反应器中处理水，在敞口反应器中不存在反应器被阻塞的危险。

膜生物反应器工艺(MBR)是相对新的技术，其中使用具有非常小的孔口的膜从水中分离活性污泥。通过该技术，可用比用于常规活性污泥工艺的反应器体积显著更小的反应器体积来操作，因为可在反应器中保持显著更高浓度的微生物。此外，净化的水将无悬浮物质。该工艺的缺点是其仍是非常昂贵的，其需要对水进行大量预处理来除去会导致膜堵塞的材料，必须定期洗涤膜以维持液压容量，且能量消耗相对高。