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CN107108291B - 使用外部选择处理废水的方法和设备 - Google Patents

使用外部选择处理废水的方法和设备 Download PDF

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Abstract

用于生物废水处理的方法和设备，其包含生物选择器和物理选择器。设备包含内部生物反应器，其中将废水和再循环生物质组合以提供高底物和高电子受体梯度，以产生相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的形态学生物质特征；以及外部重量选择器或外部筛选选择器，其对生物质废物流进行操作，以用于收集和保留致密化生物质聚集体包括致密颗粒选择，并用于废弃较轻的丝状物和絮状物。在方法和设备中，可以添加微粒以提供核心来促进形成包封所接种的微粒的聚集体。例如在生物反应器中，微粒可以作为多种材料添加，以起始或引发颗粒的形成，然后其可以通过外部重量选择器或外部筛选选择器分离或整合。此外，可以选择生物体以用于生物除磷、反硝化甲烷氧化剂、生物硫或硫化物的氧化、产甲烷。

Description

使用外部选择处理废水的方法和设备
在先申请的交叉引用
本申请要求2014年6月30日提交的题为“Method and Apparatus for WastewaterTreatment Using External Gravimetric Selection”的美国临时专利申请No.62/019,210的优先权及其权益，其全部内容通过引用并入本文，并因此在本文中充分阐述。
技术领域
本公开内容一般地涉及用于废水处理的方法和设备，更具体地涉及用于通过尺寸或重量选择进行废水处理的方法和设备。
背景技术
需氧颗粒状污泥工艺
用于废水处理的颗粒状生物质工艺最初限于厌氧处理，例如升流式厌氧污泥床法(upflow anaerobic sludge blanket，UASB)；其依赖于利用专业建造的升流式反应器建立的颗粒状生物质，以允许几种不同类型的微生物的共生生长，包括发酵、产酸、产乙酸和产甲烷(methogenic)微生物。另外的发展导致了需氧颗粒状污泥工艺早在1997年在文献中报道(Morgenroth E,Sherden T,van Loosdrecht MCM,Heijnen JJ,Wilderer PA.Aerobicgranular sludge in a sequencing batch reactor.Water Res 1997；31:3191-4)。这些工艺的特征在于具有比絮状生物质更高的密度和颗粒尺寸的生物质，并且迄今为止，全部在专业建造的反应器中完成，其主要与序批式反应器和升流式柱反应器或提供高剪切条件的反应器相关。颗粒状生物质具有约0.1至5mm的颗粒尺寸和小于35至50mL/g的污泥体积指数(SVI30分钟)以及类似于SVI30分钟的SVI5分钟。类似地，需氧颗粒具有>10m/小时的沉降速度，相比而言絮状生物质的沉降速度大约为1m/小时。颗粒状污泥相对于絮状生物质的改善的沉降性是根据本公开内容的方法和设备的重要益处之一。
需氧颗粒状污泥的一个关键优点是，它可以在颗粒内产生微条件(nichecondition)以用于分离的物理池体积中可能需要的任何条件。絮状物和常规活性污泥受到扩散阻力的作用(Shaw等人)，并且需氧颗粒状污泥可以利用颗粒内部和外部的相对扩散阻力来同时发育和生长不同的种群，而不是提升物理池构造内的这些条件。需氧颗粒状污泥所声称的益处是颗粒的尺寸导致产生颗粒内的底物和电子受体梯度，其允许聚磷积累性生物体(polyphosphorus accumulating organism，PAO)、糖原累积生物体(glycogenaccumulating organism，GAO)、厌氧氨氧化细菌(anaerobic ammonia oxidizingbacteria，anammox)和反硝化异养菌在颗粒中心附近的积聚，而需氧生物体在颗粒外部积聚，其包括硝化细菌和需氧异养菌。
下面进一步解释用于除磷的该方法的实例。
除磷
从废水中除磷通常通过使用铁或铝盐的化学沉淀或通过应用厌氧选择器以允许提供生物除磷的聚磷酸盐累积性生物体的积聚来实现。与本文公开的方法和系统相比，这两种方法都具有缺点，本文公开的方法和系统可以实现稳定和可靠的除去磷和氮，而不需要正式的厌氧选择器并且不需要化学沉淀。
化学除磷
用于通过形成沉淀物除去磷的化学品通常包括铝、三价铁和二价铁的硫酸盐或氯化物盐。这些化学品可以在初级澄清之前添加到生物过程本身(通常是活性污泥)中，或者在三级澄清或过滤过程之前添加到初级澄清过程中。然后将沉淀的磷分别与以下一起从废水流中除去：离开初级澄清器的固体流、废生物质、三级澄清器固体、或过滤器反冲洗废物(backwashwaste)。这种方法的问题包括需要购买化学品，由于添加这些化学品潜在地需要添加碱性物(alkalinity)所造成的碱性物的消耗和购买更多化学品，产生需要进一步处理和处置的额外污泥。
生物除磷
生物除磷(biological phosphorus removal，bioP)在废水处理领域是众所周知的，并且与化学除磷相比具有降低的化学成本、碱性物需求和污泥产生的优点，但遭受以下问题：需要确定的和正规的厌氧区或阶段且没有溶解氧或氧化形式的氮(亚硝酸盐和硝酸盐)的污染、就挥发性脂肪酸(VFA)浓度而言需要适当的废水特性，以及通常较差的工艺可靠性和干扰(upset)。BioP通常通过累积磷酸盐累积性生物体(phosphate accumulatingorganism，PAO)来实现，磷酸盐累积性生物体存储作为聚磷酸盐(聚-P)的磷以当作能量来源。在厌氧条件下，PAO从聚-P中切割磷酸基团，将磷酸盐释放到大量液体中，并从中获得摄取VFA所需的能量。VFA作为细胞内大分子如聚羟基丁酸酯(polyhydroxybutyrate，PHB)储存。在厌氧条件下PAO还从糖原降解中获得还原等价物。在有氧条件下，PAO摄取磷酸盐以重新形成细胞内聚-P库，并通过正常分解代谢和合成代谢途径降解储存的PHB用于生长和提供能量。糖原也在有氧条件下重新形成。因此，bioP的过程通过使通常絮状的生物质经历根据图1所示的示意图的厌氧或有氧条件来实现，该示意图表示通常称为A2/O或Phoredox的工艺，并且其能够进行bioP、硝化和反硝化。对该工艺的要求是具有充分的可降解有机材料的正式厌氧选择器区域，所述有机材料为乙酸酯形式，或者更通常为VFA。
在VFA与磷的适当比例的情况下，PAO能够摄取厌氧区中释放的所有磷酸盐和废水中存在的另外的磷酸盐，从而通过生物质废弃来实现磷酸盐的净去除。与如图1所示的A2/O工艺相关的一个挑战是存在于返回活性污泥(return activated sludge，RAS)流中的硝酸盐可以进入厌氧区，并且众所周知这破坏bioP过程。与本公开相关的另一方面是一些PAO反硝化(dPAO)的能力，其中硝酸盐而不是氧可以用作电子受体，允许在缺氧区中吸收磷。虽然已知dPAO的磷酸盐吸收明显慢于有氧条件下的吸收，但是使该代谢最大化的重要益处是在进入的废水中有效使用同一有机碳库以进行bioP和除氮。BioP工艺的局限性包括在符合低流出物总磷限度的一致性方面的可靠性差，以及严格依赖在进入的废水中适当量的VFA的可用性。
需氧颗粒状生物质的反应器构造
一种这样的反应器公开在美国专利5,985,150中，其似乎转让给BiothaneSystems International B.V.。在该专利中，公开了一种提供增强剪切的气升式反应器，其中颗粒状污泥用于处理废水。用向上流动的气体将颗粒状污泥携带到沉降区域中，所述沉淀区域施加相对溢流速率以辅助颗粒状生物质选择过程，同时底流返回反应器的经曝气部分。
美国专利No.US 6,566,119 B1描述了在序批式反应器中完成的需氧颗粒状污泥工艺，其以非常短的沉降和倾析时间操作，以选择具有优异沉降性质的颗粒状生物质。
美国专利No.US 6,793,822B2描述了一种需氧颗粒状污泥工艺，其中颗粒可以在序批式反应器中通过例如US 6,566,119 B1的方法产生，并且通过由扩散的气泡曝气系统的高表层气体速度提供的剪切而增强。
美国专利申请公开No.US 2006/0032815 A1公开了一种需氧颗粒状污泥工艺，其似乎已经作为Royal Haskoning DHV的全规模
Figure BDA0001195404450000041
工艺商业化。该序批式反应器需氧颗粒状污泥工艺的特征涉及从工艺本身中废弃缓慢沉降的生物质的部分，并以升流方式供给废水通过沉降颗粒的停滞层和厌氧层。这允许VFA扩散到其中建立PAO和GAO的颗粒中。然后该工艺曝气以同时进行硝化-反硝化和通过dPAO的反硝化。
PCT申请公开No.WO 2013/151434 A1，其似乎转让给Royal Haskoning DHV，其公开了将来自颗粒状污泥工艺(例如在US 2006/0032815 A1中公开的)的废生物质转移到絮状生物质工艺，例如常规的活性污泥工艺中，以便在活性污泥工艺中的沉降性和氮和磷去除方面获得益处。
尽管与US 2006/0032815 A1类似，但是PCT申请WO 2012/175489 A1似乎通过在厌氧条件下使颗粒床流化来改善这一工艺，并且在曝气之前的厌氧阶段期间提供进一步的混合。
PCT申请公开No.WO 2008/141413A1描述了一种序批式反应器，可以对其进行操作以促进成粒以及去除磷和氮，其具有以下附加特征：在厌氧磷释放阶段之后，可以将一部分反应器内容物从反应器中排出以进行磷酸盐的化学沉淀。
厌氧氨氧化(anammox)颗粒形成和积累的外部重量选择
美国专利申请公开No.US 2011/0198284A1描述了在该工艺中应用外部重量选择器用于形成和积累含有厌氧氨氧化细菌(anammox)的颗粒。在本公开内容中，似乎选择装置可以是水力旋流器(hydrocyclone)、离心机或高溢流速率重量沉降装置。本公开内容似乎证明了使用外部重量沉降装置在主流或侧流过程中选择厌氧氨氧化细菌生物质的有效性。
用于沉降性改进的外部重量选择
美国专利申请公开No.US 2014/0144836A1描述了在悬浮生长生物废水处理工艺中使用外部重量选择器来选择颗粒状生物质，以获得改善生物质沉降性的益处。在本公开中，似乎选择装置可以是水力旋流器、离心机或高溢流速率重量沉降装置。这一公开内容似乎证明了使用外部重量沉降装置选择具有优良沉降特性的生物质的有效性。
通过鸟粪石沉淀去除氮和磷
由于高水平的磷酸盐和氨以及有限但足够的镁含量，通常在厌氧消化阶段和在污泥管道、脱水设备和污泥脱水液体管道中形成鸟粪石。低pH通常也会限制鸟粪石沉淀。可以使用鸟粪石沉淀和回收来实现氮和磷的去除，并且这已经使用具有镁和碱添加的升流式流化反应器完成，如例如美国专利No.US 7622047 B2中所公开的。此外，通过添加碱性物或通过曝气以除去过量的二氧化碳和增加pH来从厌氧消化的污泥中除去过量的镁和磷，并随后回收沉淀的鸟粪石，可以降低无意识的下游鸟粪石规模放大的风险和程度并降低相关维护需求。
该选择装置或方法还可以是基于尺寸而不是重量选择来进行选择的过滤器或筛(screen)。
发明内容
根据本公开内容的一些方面，已知可以在专门目的建造的反应器中实施颗粒状污泥工艺以实现有效的生物除磷，并且外部重量选择器可以应用于悬浮的生长活性污泥工艺以实现生物质的致密化和/或造粒，因此，外部重量选择器的应用可以通过在活性污泥工艺中的致密化或造粒来实现或增强生物除磷。重量选择器可以是水力旋流器、离心机、重力沉降装置或可基于密度选择的任何重量法装置。尺寸选择器可以是筛、过滤器或膜。此外，外部选择器可以提供致密化生物质聚集体和颗粒状污泥的积聚，其实现底物和电子受体的浓度梯度，这允许在颗粒中心附近积累用于诸如PAO和dPAO的生物体的厌氧空间，从而允许有效地实现例如生物除磷的过程，而无需故意地构造具有厌氧和有氧选择器区或时间次序的池。正式厌氧区的含义是存在最小量的溶解氧和氧化形式的氮，但是存在高浓度的VFA。然而，颗粒和致密化生物质聚集体的形成很好地与厌氧反应器隔室的应用相结合，因为需要厌氧环境的增强工艺变得不易受通过返回活性污泥(RAS)或内部混合的液体循环(mixedliquor recycle，MLR)流引入该区域的氧或硝酸盐的影响。
根据本公开内容的一个方面，公开了一种用于生物废水处理的设备。该设备包含生物选择器和物理选择器。该设备包含：内部生物反应器，在此处将废水和再循环生物质组合以提供高底物和高电子受体梯度，以产生相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的形态学生物质特征；以及外部重量或尺寸选择器，其对生物质废物流进行操作，以用于包括致密或较大颗粒选择的致密或较大生物质聚集体的收集和保留，并用于废弃较小或较轻的丝状物和絮状物。
重量选择器可以包括水力旋流器、离心机、外部重力沉降装置或用于分离致密污泥聚集体的任何重量法设施。
尺寸选择器可以包括用于分离大污泥聚集体的筛、过滤器或膜装置。
外部物理选择促进收集和去除经沉淀磷或如在聚磷酸盐累积性生物体情况下的细胞内聚磷酸盐。
重量选择器可促进致密化生物质中的电子受体和底物梯度，以便产生厌氧或缺氧核心以发展用于生长特定生物体的微环境(niche environment)。
环境可以选择生物体用于生物除磷、包括需氧和反硝化聚磷酸盐累积性生物体，糖原累积，反硝化缺氧甲烷氧化剂，反硝化生物硫或硫化物氧化，以及产甲烷。
由于所述致密化聚集体提供的生物选择，不需要正式的厌氧选择器来实现除磷，但是包含正式的厌氧选择器将进一步提高除磷性能和可靠性。
前置缺氧(pre-anoxic)选择器或区域足以实现除磷，并且生物质的致密化聚集体结构为硝酸盐渗透到核心提供传质阻力(mass transfer resistance)。
根据本公开内容的另一方面，公开了一种使用重量选择在有或没有补充添加镁或钙或碱性物的情况下用于从厌氧消化后或消化中固体分离呈鸟粪石或磷酸钙固体形式的沉淀磷的设备，该设备包含重量选择器。重量选择器可以包括水力旋流器、离心机、外部重量沉降装置或用于分离稠密污泥聚集体的任何重量设施。尺寸选择器可包括筛、过滤器或膜装置，或任何用于分离大聚集体的其它尺寸选择方法。
外部重量选择器可以用于优先回收聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate)、聚磷酸盐、无机含磷矿物质或藻酸盐。
外部尺寸选择器可以用于优先回收聚羟基烷酸酯、聚磷酸盐、无机含磷矿物质或藻酸盐。
该设备还可以包括沉降器和曝气池，其中内部生物选择器配置在位于沉降器和曝气池之间的隔室中，并且沉降的污泥例如通过在池底部的排水管从沉降器再循环到在其中引入废水的选择器隔室，并且从该接触区域将混合的液体例如通过在池底部的分配管道分配到活性污泥池。
根据本公开内容的另一方面，公开了一种将生物和物理选择器组合的用于生物废水处理的方法，所述方法包括：在内部生物反应器中将废水和再循环生物质组合以提供高底物和高电子受体梯度，以产生相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的形态学生物质特征；和对生物质废物流进行外部重量或尺寸选择器操作，以用于收集和保留致密化生物质聚集体或大生物质聚集体包括致密颗粒选择，并用于废弃较轻的丝状物和絮状物。
该方法还可以包括实施外部物理选择以促进对沉淀的磷或细胞内多磷酸盐的收集和去除，如在聚磷酸盐积累性生物体的情况下。
该方法还可以包括实施重量或尺寸选择方法以促进致密生物质或大生物质中的电子受体和底物梯度，以便产生厌氧或缺氧核心以发展用于生长特定生物体的微环境。
环境可以选择生物体用于生物除磷、包括需氧和反硝化聚磷酸盐累积性生物体，糖原累积，反硝化缺氧甲烷氧化剂，反硝化生物硫或硫化物氧化，以及产甲烷。
还根据另一方面，公开了一种使用重量选择，在有或没有补充添加镁或钙或碱性物的情况下，从厌氧消化后或消化中固体分离呈鸟粪石或磷酸钙固体形式的沉淀磷的方法。
还根据另一方面，公开了一种用于生物废水处理的设备，其包含生物选择器和物理选择器，其中所述设备包含：内部生物反应器，其中将废水和再循环生物质组合以提供高底物和高电子受体梯度，以产生相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的形态学生物质特征；以及外部筛选选择器(external screen selector)，其对生物质废物流进行操作以从废物流中收集和保留较大尺寸的污泥聚集体，其有利于不可压缩颗粒选择；以及废弃可压缩的丝状物和絮状物。
该形态促进电子受体和底物梯度，以便产生厌氧或缺氧核心以发展用于生长特定生物体的微环境。
该形态促进电子受体和底物梯度，以便允许邻近底物或代谢物跨越微环境转移。
该选择促进经沉淀磷的收集和去除。
根据本公开内容的又一方面，公开了一种用于在添加或不添加镁或钙或碱性物的情况下，通过外部筛选选择器从厌氧消化后或消化中固体分离呈鸟粪石或磷酸钙固体形式的经沉淀磷的设备，所述设备包括：外部筛选选择器，其从废物流中收集和保留较大尺寸的污泥聚集体，其有利于不可压缩颗粒选择；以及其废弃可压缩的丝状物和絮状物。
环境选择用于生物除磷、反硝化甲烷氧化剂、生物硫或硫化物氧化、和甲烷产生的生物体。
附图说明
图1示出了对于已知的A2/O系统的工艺流程图的一个实例。
图2示出了根据本公开内容的一个方面的具有水力旋流器形式的外部重量选择器的A2/O系统的一个实例。
图3示出了根据本公开内容的另一方面的具有水力旋流器形式的外部重量选择器的MLE系统的一个实例。
图4示出了根据本公开内容的又一方面的具有水力旋流器形式的替代性外部重量选择器的MLE系统的一个实例。
图5示出了具有厌氧选择器和水力旋流器形式的外部重量选择器之组合的整合澄清器-生物活性污泥系统的一个实例。
图6示出了根据本公开内容之原理的水力旋流器操作对bioP的影响以及从主要化学P沉淀到生物除磷的转变的一个实例。
图7示出了根据本公开内容之原理的水力旋流器操作对bioP的影响和逐步减少金属添加以将化学除磷降低至零给料速率的一个实例。
图8示出了根据本公开内容之原理的水力旋流器操作对bioP的影响的实例，其中，在主流(mainstream)中的活性污泥生物质中的P含量占到混合的液体挥发性悬浮固体(mixed liquor volatile suspended solid，MLVSS)的2.8至4.5％，其在侧流法(sidestream process)中占到1.3至2.3％。
图9A至9C示出了可包括用于尺寸选择的筛选设备以代替本公开内容的外部重量选择器的一个示例性实施方案的三个透视图。
具体实施方式
参考在附图中描述和/或示出的并且在下面的描述和附文中详细描述的非限制性实施方案和实例，更充分地解释本公开内容及其多种特征和有利细节。应当注意，附图和附文中所示的特征不一定按比例绘制，并且如本领域技术人员将认识到的那样，一个实施方案的特征可以与其他实施方案一起使用，即使在本文中没有明确说明。可省略对众所周知的组件和处理技术的描述，以免不必要地模糊本公开内容的实施方案。本文使用的实例仅旨在便于理解可以实践本公开内容的方式，以及进一步使本领域技术人员能够实践本公开内容的实施方案。因此，本文的实例和实施方案不应被解释为限制本公开内容的范围。此外，应注意，在附图的几个视图中，相同的附图标记表示相似的部件。
除非另有明确说明，如在本公开内容中使用的术语“包括”、“包含”及其变型意味着“包括但不限于”。
除非另有明确说明，否则在本公开内容中无量词修饰的名词意指“一种/个或更多种/个”。
除非另有明确说明，彼此连通的设备不需要彼此连续连通。另外，彼此连通的设备可以直接或间接地通过一个或更多个中介进行连通。
尽管可以以顺序次序描述工艺步骤、方法步骤、算法等，但是这样的工艺、方法和算法可以被配置为以交替的顺序工作。换句话说，可以描述的步骤的任何顺序或次序不一定指示以该次序执行步骤的要求。本文所描述的工艺、方法或算法的步骤可以以实际的任何次序执行。此外，可以同时执行一些步骤。
当在本文中描述单个装置或制品时，将显而易见的是，可使用多于一个装置或制品来代替单个装置或制品。类似地，在本文描述多于一个装置或制品的情况下，将显而易见的是，可使用单个装置或制品来代替多于一个装置或制品。装置的功能或特征可以替代地由未明确描述为具有这样的功能或特征的一个或更多个其他装置体现。
图1示出了已知的A2/O活性污泥处理系统100(和工艺)的一个实例。系统100包括初级澄清器110、厌氧区120、缺氧区130、需氧区140、分离器或二级澄清器150和多个泵160、170、180。
系统100可以包括预处理(未示出)，其可以包括棒条筛(bar screen)(未示出)、砂砾去除器(grit remover)(未示出)、预处理室(未示出)和流入泵(未示出)。系统100可以从外部源(未示出)(例如，污水系统)接收废水105，并且在预处理阶段处理废水105以从废水105中去除较大的物体，例如罐、破布、棒、塑料袋等。预处理阶段还可以包括预处理室(未示出)，其可以包含例如砂或砂砾室，以调节进入的废水105的速度，从而允许例如砂、砂砾、石头、碎玻璃等的沉降。预处理阶段还可以包括用于去除例如脂肪、油脂等的池(未示出)。
在预处理阶段(未示出)之后，剩余的固-液混合物105(其包括含有累积固体的过量废水)可以被送到初级澄清器110用于重力沉降。初级澄清器110可以包括池(例如，澄清池、沉淀池等)，其可以具有多种形状之一，例如矩形、锥形、圆形、椭圆形等。初级澄清器110可以具有添加的化学或压载物质(ballast material)以改善固体去除。初级澄清器110从固液混合物105中沉降较重的固体。所得到的底流(未示出)可以从初级澄清器110输出，并且被送至固体处理以用于进一步处理，例如增稠、稳定化、调节、脱水、污泥处理等，如本领域普通技术人员所已知的。来自初级澄清器的所得输出物115可以在作为流145进料到分离器150之前进料到厌氧区120，缺氧区130和需氧区140用于进一步处理。来自需氧区的输出端145可以由MLR泵160经由MLR泵输出端165泵送到缺氧区130。来自分离器150的底流可以由RAS泵170经由RAS泵输出管线175反馈到厌氧区的输入端。底流还可以是分离器150的输出，由WAS泵180进料和送出至例如用于进一步处理的固体处理，例如增稠、稳定化、调节、脱水、污泥处理等，如同本领域普通技术人员所已知的。
系统100能够进行生物除磷、硝化和反硝化。由于将存在于返回活性污泥流175(RAS)中的硝酸盐转移到厌氧区120，该系统(和工艺)中的bioP可靠性可能是有问题的。
图2示出了根据本公开内容之原理的A2O活性污泥处理系统200(和工艺)的实例。除了图1所示的系统100之外，系统200包括重力选择器260，重力选择器260经由泵250和管线245、265与需氧区140流体连通。重量选择器的输出285可以连接到其他处理部件(未示出)，用于进一步处理，例如固体处理，包括例如增稠、稳定化、调节、脱水、污泥处理等。
如图2所示，废物流245可以直接从需氧区140(例如，直接从反应器池(未示出))取出并且经由泵250施加到外部重量选择器260，用于颗粒状致密化生物质的生产。重量选择器260可以包括例如水力旋流器等。更致密且更大的颗粒265可以从重量选择器285返回到需氧区(例如，反应器(未示出))，并且代表废弃固体的较轻成分285可以从系统200中取出。包括并实施重量选择器260增强了bioP性能并且提高了系统100(图1所示)的可靠性。
图9A至9C示出了作为外部尺寸选择器并且可以包括在本公开内容的外部重量选择器260中的筛、过滤器或膜装置10的一个示例性实施方案的三个透视图。
参考图9A至9C，重量选择器260可以包括例如配置成接收废物流1(或图2中的废水流245)的筛、过滤器或膜装置10，并通过内部颗粒/固体分离器2将流分离成待输出到废物流3的废物成分(或图2中的WAS 285)和待保留的那些废物成分4(或图2中的265)。筛、过滤器或膜装置10可以基于尺寸和相对于致密化的可压缩性来分离流。
可以添加使用气体、液体或物质的一些组合的任选的筛洗涤5，以进一步辅助筛选过程。该筛洗涤5可以以多种不同的方式朝向筛2，其不同地影响固体保留时间，所述朝向包括但不限于沿着垂直轴(图9A)、直接垂直于筛的角度(图9B)，或沿着水平轴(图9C)。
在系统100(图1所示)或系统200(图2所示)中，可以添加微粒以提供核心以促进包封所接种微粒之聚集体的形成。例如，在生物反应器中微粒可以以多种材料加入，以起始或引发颗粒的形成，然后可以通过外部重量或外部筛分离或整合。
此外，可以在系统100(或200)中选择生物用于生物除磷、反硝化甲烷氧化剂、生物硫或硫化物氧化、和产甲烷。
美国专利申请公开No.US 2014/013273(其通过引用整体并入本文)公开了用于在活性污泥工艺中选择和保留固体以使用筛改善废水处理的方法和设备的实例，其可以用在本公开内容的重量选择器260中。
图3示出了根据本公开内容的原理的MLE活性污泥处理系统300(和工艺)的示例。除了图2所示的系统200之外，系统300不包括厌氧区120。因此，来自初级澄清池110的输出流115直接进料到缺氧区130。在没有重量选择器260的情况下，系统300仅能够进行硝化和反硝化，并且bioP活性可能有限或不存在。利用系统300中的重量选择器260(例如，在图3所示的配置中)，该系统提供颗粒状生物质生产，其中将更致密和更大的颗粒265返回到需氧区140(例如反应器(未示出))，并且较轻部分285代表取自系统300的废弃固体。系统300通过例如在颗粒化生物质颗粒的中心附近提供微生态位(ecological niche)(其中PAO和dPAO能够被积累)来提供可靠和一致的bioP活性。
图4示出了与图3所示的系统300类似的具有所有相同优点的系统400的一个实例，但是与需氧区140(例如，需氧区140中的曝气池生物质(未示出))相反，外部重量选择器260应用于返回活性污泥流175。
图5显示了具有厌氧选择器和水力旋流器形式的外部重量选择器之组合的整合澄清器-生物活性污泥工艺的一个实例。所添加的外部重量选择器通过将经由使用标准厌氧选择器的生物选择与经由外部重量选择器的新颖应用的物理选择相结合来提高bioP性能。
图6示出了例如在系统300(或200或400)中的外部重量选择器的影响的一个实例。特别地，图6示出了水力旋流器重量选择器对Strass废水处理厂的bioP的影响，其使用如图3所示的MLE工艺，包括水力旋流器生物质废弃系统(biomass wasting system)。数据显示，随着生物除磷效率和可靠性的逐渐增加，对化学除磷的依赖性降低。完全消除了用于化学除磷的铝酸钠的添加。
图7示出了使用用于生物质废弃的系统200(或300或400)在Strass废水处理厂中减少铝酸钠给料的一个实例。
图8示出了使用例如系统200(或300或400)的Strass废水处理厂的水力旋流器操作对bioP的影响的一个实例。在实验期间，所收集的生物质样品中的P含量增加到常规bioP厂的通常值。这是重要的，因为Strass厂没有安装厌氧选择器。常规的非bioP生物质预期含有约1.5至2.0％的P/MLVSS。图8中的数据显示在侧流工艺中在主流中的活性污泥生物质中的P含量在2.8至4.5％P/MLVSS的范围内。
因此，从上述显而易见的是，对于没有厌氧选择器的厂，外部重量选择器可以导致产生bioP。然而，对于已经具有厌氧选择器并且设计用于bioP(具有生物选择)的厂，添加外部重量选择器可以提高bioP的可靠性和效率。
本公开内容提供了可以将生物(具有厌氧选择器)和物理选择(具有外部选择器)组合的系统。
根据本公开内容的原理，由于外部重量选择器导致的更致密颗粒的选择为dPAO和PAO提供了良好的微环境，其本身由于聚磷酸盐颗粒而更致密，因此通过外部重量选择器形成颗粒提供了另一种积累和物理选择PAO和dPAO的能力，并且PAO和dPAO由于聚磷酸盐颗粒而具有更高的密度，因此重量选择器(例如，水力旋流器)可以更有效地选择这些生物体。
与例如图1所示的系统100相比，外部重量选择器提供了比PAO更好的dPAO选择，因为在曝气期间或在曝气区域中，颗粒的内部受到保护而免于大体积DO，但硝酸盐可作为通过硝化生产并扩散到颗粒内部的结果存在。这使得硝酸盐可用于dPAO，提供了VFA用于去除氮和磷的益处，这导致比常规方法更有效地使用废水碳来去除氮和磷，常规方法中dPAO活性通常为PAO活性的小部分。
在根据本公开内容的原理在WWTP Strass厂进行的实验中，主要生物处理以低污泥保留时间(sludge retention time，SRT)在上游A阶段(未示出)中提供高速碳去除，并且主要在下游低SRT系统(B阶段，未示出)中除氮。B阶段由2个处理通道组成，每个具有2个串联的旋转式池，这些池都装有扩散器。根据在活性污泥池中的流出物处在线测量的氨和硝酸盐浓度，控制曝气以实现一定的DO-设定点和硝化效率。串联的第二池(未示出)主要经曝气以便向正在硝化的生物质供应氧气，并且串联的第一池(未示出)大部分未曝气以向异养生物质提供缺氧环境，以反硝化再循环的硝酸盐(MLE模式)。当氨浓度增加接近极限值时，第一池可以曝气并用作具有额外硝化能力的摆动区。
在WWTP Strass厂的初始设计依赖于通过金属给料的化学除磷并且未打算生物除磷，因为没有实施厌氧区，并且大多数有机酸已经在A阶段中被去除，因此缺乏任何生物除磷活性。最近，为了提高除氮工艺的效率，已经从用于污泥液体的侧流处理系统(
Figure BDA0001195404450000131
工艺)中增加了厌氧氨氧化颗粒，并通过使用根据美国专利申请No.US 2011/0198284 A1的公开内容的水力旋流器保留在主流系统中，该专利申请通过引用全部并入本文。如公开的专利申请中所述，旋流器不仅可以用于保留厌氧氨氧化颗粒，而且可以用于产生和选择更致密的活性污泥絮状物，以便为PAO和DPAO提供环境生态位并提高生物除磷活性。然后金属给料速率可以逐步降低(例如，如图6所示)，同时保持低流出物氨浓度低于例如1mg P/L的极限值。在至少一个实验中，将给料速率设定为零，由于重量选择器的连续操作，仅通过生物过程导致浓度降低，由约5mg P/L降至仅1mg P/L。测量指示在生物量的VSS中P含量为3％至4.5％(例如图8所示)，清楚地证实了高的磷积累能力。
根据本公开内容的原理，即使没有任何专用的厌氧反应器区域，通过重量选择器(例如，水力旋流器)选择的更致密的污泥聚集体的生物除磷活性也可以显著提高。此外，重量选择器与厌氧区的组合(用作生物选择器)进一步增强了生物除磷活性，其中例如更致密的生物质聚集体可以直接与来自下水道或者来自于预处理过程的浓缩废水接触。厌氧VFA摄取和储存促进更致密生物质的产生，其还允许这些聚集体通过物理选择过程从废物流中累积。这种厌氧区可以上游实施，例如在生物处理的前端，在那里废水被进料到活性污泥系统中(例如，如图2所示)。
或者，例如，如图5所示，可将厌氧区配置在例如位于沉降器和一个或更多个曝气池之间的隔室中。沉降的污泥可以从沉降器再循环，例如通过设置在池底部的排水管。沉降的污泥可以通过例如排水管供给到厌氧隔室，在那里可以引入废水，并且可以从该接触区域将混合的液体例如最终通过在箱底部的分配管(例如，如图5所示)分配到活性污泥池。该实施可以与例如PCT/AT00/00322和/或PCT/AT2011/000001中所描述的BIOCOS工艺兼容，这两个申请通过引用并入本文，其已经包括配置的交替沉降池，所述交替沉降池具有在沉降器的污泥循环管和向这些排水管提供吸入压力的气升泵(大型泵(mammoth pump))。
另外，该系统可以包括沉降器和曝气池之间的多个壁(例如，双壁)，以便提供单独的隔室，在那里增稠的污泥可以与进料和例如气升泵(未示出)的压力头(未示出)接触，所述气升泵其可以用于将混合的液体分配到曝气池的底部。在不运行气升式泵的循环阶段期间，可以将连续进料流引入到接触隔室并将底物供应到高固体液。
虽然已经根据示例性实施方案描述了本公开内容，但是本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求的精神和范围内对本公开内容进行修改。这些示例仅仅是说明性的，并且不意味着是本公开内容的所有可能的设计、实施方案、应用或修改的详尽列表。

Claims (20)

1.用于生物废水处理的设备，所述设备包含：
内部生物反应器，其将废水和再循环生物质组合，并输出生物质废物流，所述废水和所述再循环生物质在所述内部生物反应器中组合以提供底物和电子受体梯度，以产生相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的形态学生物质特征；以及
分离器，其设置为接收从所述内部生物反应器输出的所述生物质废物流，所述分离器具有含致密化生物质聚集体的底流；
外部选择器，其包含水力旋流器或筛选设备，所述外部选择器设置为接收来自所述分离器的所述底流并对所述底流进行操作以收集颗粒状生物质聚集体并废弃丝状物和絮状物；以及
返回活性污泥(RAS)泵和管线，其设置为使所述分离器的所述底流返回所述内部生物反应器，包括所收集的来自所述外部选择器的致密化生物质聚集体，
其中所述再循环生物质包括所收集的致密化生物质聚集体，并且
其中所述内部生物反应器接收所述返回活性污泥(RAS)管线中的所收集的致密化生物质聚集体，以促进生物质颗粒的进一步形成，所述生物质颗粒具有相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的底物和电子受体浓度梯度，并且
其中所述内部生物反应器包括厌氧区。
2.权利要求1所述的设备，其中所述致密化生物质聚集体收集并去除经沉淀磷或如在聚磷酸盐积累性生物体情况下的细胞内聚磷酸盐。
3.权利要求1所述的设备，其中所述颗粒状或致密化生物质包含具有形成用于特定生物体的微环境的厌氧或缺氧核心的颗粒。
4.权利要求3所述的设备，其中所述微环境从生物体选择所述特定生物体用于生物除磷、包括需氧和反硝化聚磷酸盐累积性生物体，糖原累积生物体，反硝化缺氧甲烷氧化剂，反硝化生物硫或硫化物氧化生物体，以及产甲烷生物体。
5.权利要求1所述的设备，其还包含厌氧选择器。
6.权利要求1所述的设备，其还包含：除磷的前置缺氧选择器或区域，其中所述颗粒状生物质包含为硝酸盐渗透到所述核心提供传质阻力的聚集体结构。
7.一种用于生物废水处理的设备，所述设备包含：
内部生物反应器，其将废水和再循环生物质组合，并输出生物质废物流，所述废水和所述再循环生物质在所述内部生物反应器中组合以提供底物和电子受体梯度，以产生相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的形态学生物质特征；
分离器，其设置为接收从所述内部生物反应器输出的所述生物质废物流，所述分离器具有含致密化生物质聚集体的底流；以及
外部选择器，其包含水力旋流器或筛选设备，所述外部选择器设置为接收来自所述分离器的所述底流并在所述底流上并操作以收集颗粒状生物质聚集体并废弃丝状物和絮状物；以及
返回活性污泥(RAS)泵和管线，其设置为使所述分离器的所述底流返回所述内部生物反应器，包括所收集的来自所述外部选择器的致密化生物质聚集体，
其中所述再循环生物质包括所收集的致密化生物质聚集体，并且其中所述内部生物反应器包括厌氧区，并且所述内部生物反应器连接至所述返回活性污泥(RAS)管线以接收所收集的致密化生物质聚集体，以在有或没有补充添加镁或钙或碱性物的情况下，促进从厌氧消化后或消化中固体分离呈鸟粪石或磷酸钙固体形式的经沉淀磷，其中生物质颗粒具有相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的底物和电子受体浓度梯度。
8.权利要求1或权利要求7所述的设备，其中所述外部选择器优先回收聚羟基烷酸酯、聚磷酸盐、无机含磷矿物质或藻酸盐。
9.权利要求1所述的设备，还包含：沉降器和曝气池，其中所述生物选择器配置在位于所述沉降器和所述曝气池之间的隔室中，其中沉降的污泥通过在所述曝气池底部的排放管从所述沉降器再循环并供应到引入所述废水的所述隔室，并且从所述隔室通过分配管将混合的液体分配至活性污泥池。
10.用于生物废水处理的方法，所述方法包括：
向内部生物反应器添加粒状材料以引发包封粒状材料的生物质颗粒的形成；
在所述内部生物反应器中将废水和再循环生物质组合以提供高底物和高电子受体梯度，以产生相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的形态学生物质特征；
从所述内部生物反应器输出包含致密化生物质聚集体的生物质废物流，并将所述生物质废物流供应至分离器；
从所述分离器输出包含所述致密化生物质聚集体的底流；
将所述底流供应至返回活性污泥(RAS)管线，并供应至包含水力旋流器或筛选设备的外部选择器；
在所述底流上对包含所述水力旋流器或筛选设备的所述外部选择器操作，以用于收集和保留致密化生物质聚集体，其提高相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的底物和电子受体浓度梯度，并废弃丝状物和絮状物；以及
通过操作泵，经由所述返回活性污泥(RAS)管线将所收集的致密化生物质聚集体供应至所述内部生物反应器，
其中所述再循环生物质包括所收集的致密化生物质聚集体。
11.权利要求10所述的方法，其中所述致密化生物质聚集体收集和去除经沉淀磷或在聚磷酸盐积累性生物体情况下的细胞内聚磷酸盐。
12.权利要求10所述的方法，其中所述致密化生物质聚集体包括具有形成用于特定生物体的微环境的厌氧或缺氧核心的颗粒。
13.权利要求12所述的方法，其中所述微环境从生物体选择所述特定生物体用于生物除磷、包括需氧和反硝化聚磷酸盐累积性生物体，糖原累积生物体，反硝化缺氧甲烷氧化剂，反硝化生物硫或硫化物氧化生物体，以及产甲烷生物体。
14.权利要求10所述的方法，其还包括操作厌氧选择器以改善除磷性能和可靠性。
15.权利要求10所述的方法，其还包括借助实现除磷的前置缺氧选择器或区域和所述生物质的致密化聚集体结构为硝酸盐渗透到颗粒核心提供传质阻力。
16.一种用于生物废水处理的方法，所述方法包括：
将废水和再循环生物质在内部生物反应器中组合，以提供底物和电子受体浓度梯度，以产生相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的形态学生物质特征；
从所述内部生物反应器输出包含颗粒状或致密化生物质的生物质废物流；
将包含所述颗粒状或致密化生物质的所述生物质废物流从所述内部生物反应器供应至选择器；
从所述分离器输出包含所述颗粒状或致密化生物质的底流；
将所述底流供应至返回活性污泥(RAS)流，并供应至包含水力旋流器或筛选设备的外部选择器；
对所述底流操作包含所述水力旋流器或筛选设备的所述外部选择器以收集颗粒状或致密化生物质，其提高底物和电子受体浓度梯度以产生相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的形态学生物质特征，并废弃丝状物和絮状物；以及
将所收集的颗粒状或致密化生物质供应至所述返回活性污泥(RAS)流；以及
通过操作泵和管线将包含所收集的颗粒状或致密化生物质的所述返回活性污泥(RAS)流作为再循环流供应至所述内部生物反应器以提供所述再循环生物质；其中所述内部生物反应器包括厌氧区。
17.权利要求16所述的方法，其中所述颗粒状或致密化生物质在所述内部生物反应器中促进从厌氧消化后或消化中固体分离呈鸟粪石或磷酸钙固体形式的经沉淀磷。
18.权利要求10或权利要求16所述的方法，其中所述外部选择器回收聚羟基烷酸酯、聚磷酸盐、无机含磷矿物质或藻酸盐。
19.权利要求1所述的设备，其中所述内部生物反应器接收粒状材料以引发包封所述粒状材料的生物质颗粒的形成，其中所述生物质颗粒具有相比于絮状物和丝状物形成有利于颗粒形成的底物和电子受体浓度梯度。
20.权利要求1所述的设备，其还包含粒状材料，所述粒状材料包括灰分、藻类、植物种子、藻酸盐、鸟粪石或磷酸钙固体。
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