專利名稱：用于同時脫除碳、氮和磷的液-固流化床廢水處理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流化床，更特別地，本發(fā)明涉及特別適合于廢水處理和同時脫除碳、氮 和磷的液_固和氣-液-固循環(huán)流化床設置。
背景技術：
自從二十世紀二十年代Winkler首次將流化技術應用于煤的氣化[1]，流化技術 已被開發(fā)近一個世紀。從那時起，流化床已用于許多不同的應用，比如氣_固、液_固、和 氣-液_固接觸器并作為化學和生物反應器進行多種不同處理。流化床應用于廢水生物處理過程起源于在流化床中使用活性碳從經過化學處理 的污水脫除有機化合物的同時觀察到的脫硝現(xiàn)象[2]。從那時起，生物流化床(BFB)已被研 究用于多種水和廢水的碳氧化、硝化、脫硝和厭氧處理[3，4，5，6]。和介質被固定的常規(guī)生 物膜反應器相比，固定于BFB中的顆粒上的介質懸浮于向上流動的廢水中。因此，BFB具有 增大液_固界面面積，增強液體和介質之間的接觸，并增大液體流速，以及增強氣體存在時 氣體和液體之間的接觸的優(yōu)勢。當用于需氧過程的系統(tǒng)中加入空氣時，生物流化床通常是液-固流化床或 氣-液-固流化床。液-固系統(tǒng)的流化通過液體流速控制[7，8]。對于給定的液-固系統(tǒng)， 起初在液體流速低于最小流化速度時將床固定。當液體速度超過最小流化速度時，床的運 行轉變成常規(guī)或顆粒液_固流態(tài)(PFR)。在液-固常規(guī)或顆粒流化床(PFB)中，固體顆粒 幾乎均勻地懸浮于液體中，因此和液相接觸良好，且因顆粒在液體中的連續(xù)移動和液體施 加的拖曳而具有優(yōu)異的界面?zhèn)髻|。隨著液體速度的進一步增大，一些顆粒開始被帶到床外。 此時，流化床從顆粒流態(tài)變成快速流態(tài)[7，8，9，10]。當液體速度足夠高時，一般當它高于流化床中的顆粒的極限速度時，大量顆粒被 帶至流化床外。此時，流化床進入快速流態(tài)(FFR)(有時，也稱為循環(huán)流態(tài))以形成快速流 化床(FFB)(有時，F(xiàn)FB也稱為上升流化床或簡稱為上升床(riser)，但術語上升床也可廣泛 地用于任何具有凈固體上流(netsolids upflow)的流化床，本申請即采用該定義)?？焖?流化床一般比顆粒流化床提供更高的液_固傳質效率和更高的液體通量。在FFB中，隨著 顆粒不斷被向上流動的液體帶出流化床(一般從頂部)，需要向FFB注入更多的顆粒(一般 在底部或底部附近)以保持液-固懸浮液。這些注入FFB底部的顆?？梢允切骂w粒，或者， 如果顆粒只需通過FFB —次則是來自上游過程的顆粒。
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如果顆粒應保持在FFB中延長的時間，從FFB頂部流出的顆粒則應再循環(huán)回并注 入FFB的底部。這樣的再循環(huán)可通過用于顆粒下流的豎管實現(xiàn)，或存在凈顆粒下流的常規(guī) PFB實現(xiàn)，但也可通過其他方式實現(xiàn)。當通過具有凈顆粒下流的顆粒流化床(PFB)實現(xiàn)這樣 的顆粒再循環(huán)時，包括FFB和PFB的整個系統(tǒng)形成顆粒流動環(huán)路，經常將它稱為循環(huán)流化床 (CFB) ο就氣_液-固(三相)流化床而言，一般在流化床的底部或底部附近將空氣或其 他氣體注入流化床中。這適用于FFB或PFB，或者它們兩者。氣體在與液體和固體顆粒相互 作用的同時以上升的氣泡通過流化床。從固定床，到常規(guī)顆粒氣-液-固(三相)流化床， 然后到快速氣_液-固(三相)流化床發(fā)生相似的轉變[11-13]。隨著氣泡向上流動，在常 規(guī)顆粒三相流化床中，實際上存在不止一種流態(tài)(比如分散的鼓泡態(tài)和合并的鼓泡態(tài))，但為了簡單起見，我們將它們統(tǒng)稱為顆粒流態(tài)(PFR)，相應的顆粒三相流化床稱為顆粒流化床 (PFB)。生物流化床(BFB)的優(yōu)勢可用于增大廢水處理過程的效率。傳統(tǒng)上，用于市政和 工業(yè)廢水處理的最常規(guī)和廣泛使用的設計是活性污泥(AS)過程，該過程采用初級澄清器 (primary clarifier)，曝氣池(aeration tank)，和次級澄清器。在這樣的過程中，僅將氮 從毒性更大的氨形態(tài)變成硝酸鹽，并通過加入化學品實現(xiàn)除磷。該過程歸為懸浮生長系統(tǒng) (suspended-growth system)，其中用于處理的微生物處于懸浮狀態(tài)。“固定膜”生物反應器 相對常規(guī)活性污泥過程具有一些優(yōu)勢。在固定膜生物反應器中，細菌膜固定在附著介質上 而不是保持在懸浮狀態(tài)。由于生物質固定在介質上，剪切造成的生物質損失是生物反應器 流出液中的生物固體脫離的唯一機制。脫落的生物質(sloughed biomass)主要是具有良 好的沉降特性并易于和液體分離的腐敗中的生物質[14]。固定膜相對懸浮生長系統(tǒng)最突出 的優(yōu)勢是單位體積的生物質密度更高，結果不僅生物反應器尺寸更緊湊，而且處理沖擊有 機負載(shockorganic loading)并減輕抑制和毒性沖擊的能力更好。其他優(yōu)勢包括生物 固體的保留增強，和可影響其他因素(比如次級澄清器的尺寸大小)的污泥沉降特性更好。 廢水處理中最常用的固定膜處理裝置是滴濾器，和旋轉生物接觸器(rotating biological contactors) (RBC) [15]。也使用厭氧過濾器[16]和充氣生物過濾器[17]，但比滴濾器和 RBC用得少。當把生物膜固定在流化床中的顆粒固體載體上時，可利用BFB的優(yōu)勢(比如 液-固界面面積增大及液體和介質之間的接觸增強)以進一步增大固定膜生物反應器的效 率[18]。應當注意，這樣的生物流化床固定膜生物反應器全部在常規(guī)顆粒流態(tài)下運行，液體 速度相對低。然而，這些過程(懸浮生長和包括固定膜BFB的固定膜生物反應器)僅可實現(xiàn)二 級排水質量(secondary effluent quality)，對于氮(N)和磷(P)脫除還需要另外的處理。 為了解決上述問題并適應因不斷變差的地表水質造成的越來越嚴格的流出液營養(yǎng)素標準， 生物營養(yǎng)素脫除(BNR)過程近來變得越來越流行[19]。在BNR過程中，可同時脫除氮和磷 [20，21]。圖1顯示了典型的BNR過程。這些BNR過程基本上是懸浮生長系統(tǒng)，采用厭氧、 缺氧和需氧懸浮生長生物反應器的組合，有或者沒有初級澄清。BNR過程涉及不同的微生物 群落，并利用所選的稱為聚磷菌(phosphorous accumulatingorganisms) (PAO)的微生物吸 收豐富的磷的能力，由此細胞中儲存的一些磷在厭氧條件期間釋放，并在需氧條件期間磷 吸收更大。此外，可從硝酸鹽得到氧的脫硝細菌減小需氧處理的有機負荷。
已知BNR過程和更常規(guī)的活性污泥過程相比具有幾個優(yōu)勢，即排水質量優(yōu)異，充 氣能量需求顯著降低(可能是由于利用形成的硝酸鹽脫除有機物)，污泥沉降特性改進，污 泥量減少(可能是由于缺氧池中的細菌產率降低)，和化學污泥消除/最小化。盡管和常規(guī) 活性污泥系統(tǒng)相比，BNR活性污泥系統(tǒng)需要更多的過程控制，但過程控制和數據記錄能力的 發(fā)展顯著降低了對人的要求，因此現(xiàn)在兩個系統(tǒng)需要的操作要求(operator attendance) 相當。因此，除了 BNR相對于常規(guī)活性污泥系統(tǒng)的優(yōu)勢和它們滿足嚴格的總氮和磷流出液 標準外，這些BNR過程顯著節(jié)約了資本和操作/維護成本。然而，另一方面，活性污泥BNR過程對流入液的數量和特性(即COD-化學需氧量， N，P，C0D/P和C0D/N比值))兩者的變化的可靠性已受到質疑，許多BNR工廠具有用于P脫 除的備用化學品投料系統(tǒng)。在BNR活性污泥系統(tǒng)中已觀察到脫硝不完全及食物和微生物的 比值(F/M)低引起絲狀膨脹(filamentous bulking)情況[22，23]。有時候，由于易生物降 解的有機物濃度低，可能需要外部碳源以實現(xiàn)P和N脫除。考慮到懸浮生長BNR過程的上述缺點，需要開發(fā)更有效的BNR廢水處理方法。如 果可以將BNR概念和固定膜BFB過程結合從而可以同時利用兩個過程的優(yōu)勢將是理想的。 迄今為止，還沒有BFB (不和BNR結合)能夠不使用一些化學方法的情況下實現(xiàn)有效的磷脫 除[24，25]。就我們所知，還未開發(fā)出同時實現(xiàn)生物磷和氮脫除的可靠的BFB固定膜BNR過 程。盡管通過在過濾器內交替含氧和缺氧條件已在生物過濾器內實現(xiàn)了通過同時硝化_脫 硝實現(xiàn)的氮脫除[26]，但實現(xiàn)的氮脫除率非常低( 20%流入的氮)。提供用于同時脫除碳、氮和磷酸鹽的高效生物流化床將是非常有利的。然而，最主 要的困難之一是如何在集成的流化床系統(tǒng)中設置三個不同的過程厭氧、缺氧和需氧過程。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施方案旨在提供用于碳、氮和磷脫除的使用雙(氣_)液-固流化床 (雙-LSFB或GLSFB)系統(tǒng)的固定膜生物營養(yǎng)素脫除(BNR)廢水處理系統(tǒng)。本發(fā)明的一個實施方案提供原廢水進料流中的生物營養(yǎng)素脫除方法，以從中脫除 碳、氮和磷，該方法包括下列步驟使原廢水進料流流進第一流化床，使第一流化流體流進第一流化床，并使上面涂 布了有效固定細菌的固體顆粒和第一流化流體通過保持在缺氧條件下的缺氧區(qū)，所述缺氧 條件適合于流過缺氧區(qū)的原廢水組分的脫硝；使所述固體顆粒和第一流化流體循環(huán)經過所述第一流化床中的保持在厭氧條件 下的厭氧區(qū)，所述厭氧條件適合于儲存的磷的釋放；將所述第一流化流體中的一部分和所述固體顆粒分離以形成回流(recycle stream)，并使所述固體顆粒和第一流化流體的剩余量循環(huán)進入第二流化床，其中所述第一 流化流體至少包括流進所述第一流化床的回流；用第二流化流體流使被轉移至第二流化床的顆粒循環(huán)經過第二流化床，所述第二 流化床具有保持在需氧條件下的需氧區(qū)，所述需氧條件適合于在氧的存在下，形成第二流 化流體的一部分的原廢水組分由固定細菌生物降解成二氧化碳、水和硝酸鹽，以從需氧區(qū) 產生硝化流出液；并隨著硝化流出液的一部分將固體顆粒 從所述第二流化床循環(huán)到所述第一流化床，并在所述第二流化床中將剩余的硝化流出液和所述固體顆粒分離，從系統(tǒng)中脫除該分離的 硝化流出液的一部分作為處理后的流出液，并使其余部分回到第二流化床的入口以形成第
二流化流體。本發(fā)明的一個實施方案提供雙液-固流化床系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上面涂布了有效固定細菌的固體顆粒；具有第一端和第二端的第一流化床，所述第一流化床是上升流化床并包括位于所 述第二端用于將第一流化流體引入所述第一流化床的入口；具有第一端和第二端的第二流化床，所述第二流化床是下降流化床；
連接所述第一流化床的所述第二端和所述第二流化床的所述第一端的第一連接 導管，所述第一連接構件包括將所述固體顆粒供給所述第二流化床的構件；連接所述第二流化床的第二端和所述第一流化床的第一端的第二連接導管；和構件，其通過所述第一連接導管將所述上面涂布了有效固定細菌的固體顆粒供給 所述第一流化床，并通過所述第二連接導管將所述固體顆粒供給所述第一流化床，其中所 述固體顆粒和所述第二流化流體在所述第二流化床中以對流關系流動，其中所述固體顆粒 和所述第一流化流體在所述第一流化柱中并流流動。通過參考下列詳細描述和附圖可進一步理解本發(fā)明的功能和有利方面。


聯(lián)系附圖，通過下列本發(fā)明優(yōu)選實施方案的詳細說明，其他特征、目的和優(yōu)勢將變 得明顯。其中圖1說明用于廢水處理的典型的現(xiàn)有技術懸浮生長生物營養(yǎng)素脫除方法；圖2顯示根據本發(fā)明的用于固定膜生物營養(yǎng)素脫除方法的過程的示意性框圖；圖3顯示雙液_固流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)的圖形，該圖形沒有顯示兩個耦合 柱之外的流體流動路徑的細節(jié)；圖4是根據本發(fā)明構造的雙液_固流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)的一般實施方案的 示意圖；圖5是設置用于使兩個流化床(上升柱和下降柱)在顆粒液-固(或氣_液-固) 流態(tài)下運行的雙液_固流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)的實施方案的示意圖；圖6是雙液-固流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)的另一實施方案的示意圖，其中一個 流化床是快速流化床，另一個是顆粒液-固(或氣_液-固)流化床，設置為上升床在快速 流態(tài)下運行，下降床在常規(guī)顆粒流態(tài)下運行；圖7是三床液_固流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)的示意圖。發(fā)明詳述總的來說，此處描述的系統(tǒng)涉及使用耦合的循環(huán)流化床裝置處理廢水并同時脫除 碳、氮和磷的設備和方法。盡管此處公開了本發(fā)明的實施方案，但公開的實施方案僅僅是示例性的，應當理 解，本發(fā)明涉及許多替代形式。此外，附圖未按比例繪制，且可能放大或縮小了一些特征以 顯示特定特征的細節(jié)，同時可能除去了涉及的元件以防止使新的特征不明顯。因此，此處公 開的具體結構和功能細節(jié)不應解釋為限制性的，應僅僅作為權利要求的基礎并作為使本領域技術人員以多種方式采用本發(fā)明的典型基礎。為了說明但不作限制，所述實施方案都針 對使用耦合的循環(huán)流化床裝置處理廢水并同時脫除碳、氮和磷的設備和方法的實施方案。當和顆粒的尺寸范圍或其他物理性質或特性一起使用時，此處使用的術語“約”指 的是包括顆粒的尺寸范圍的上下限可能存在的輕微變化，以免排除平均起來大多數尺寸均 滿足但統(tǒng)計尺寸可能落在區(qū)域之外的實施方案。本發(fā)明不希望將諸如這些實施方案排除在 外。當所述系統(tǒng)的構造使得兩個流化床按常規(guī)顆粒流化床(PFB)在顆粒流態(tài)(PFR)下 運行時，指的是每個流化床中的表觀液體速度低于從顆粒流態(tài)到快速流態(tài)的轉變速度，從 而顆 粒不大致被向上流動的液流向上帶走。當所述系統(tǒng)的構造使得上升床在快速流態(tài)下運行而下降床在常規(guī)顆粒流態(tài)下運 行時，指的是上升床中的表觀液體速度高于從顆粒流態(tài)到快速流態(tài)的轉變速度，從而上升 床中的顆粒主要被向上流動的液流向上帶走，而下降床中的表觀液體速度低于從顆粒流態(tài) 到快速流態(tài)的轉變速度，從而顆粒不大致被向上流動的液流向上帶走。本發(fā)明的實施方案提供用于碳、氮和磷脫除的使用雙(氣_)液-固流化床 (雙-LSFB或雙-GLSFB)系統(tǒng)的固定膜生物營養(yǎng)素脫除(BNR)廢水處理系統(tǒng)。如圖2中的框圖形式所示，此處公開了在新的雙液-固流化床系統(tǒng)(雙-LSFB)中 實現(xiàn)的新的固定膜BFB-BNR過程，在將空氣或其他氣體注入所述系統(tǒng)的至少一個流化床的 實施方案中，該系統(tǒng)也可稱作雙氣-液-固流化床系統(tǒng)(雙-GLSFB)。所述新的雙-LSFB/GLSFB技術利用流化床的高接觸效率，并將BNR的所有三個處 理區(qū)(厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和需氧區(qū))集成在單個單元(雙-LSFB/GLSFB)內。應當理解，在下 文中，當涉及液_固流化床系統(tǒng)(LSFB)和/或雙液-固流化床系統(tǒng)(雙-LSFB)時，也涉及 氣-液-固流化床系統(tǒng)(GLSFB)和/或雙氣-液-固流化床系統(tǒng)(雙-GLSFB)。參考圖3，本發(fā)明的實施方案將至少兩個液-固流化床直接集成以形成完全集成 的雙-LSFB系統(tǒng)(或GLSCFB)。包括LSCFB/GLSCFB的雙-LSFB/GLSFB系統(tǒng)的好處是它具有 兩個單獨的流化床，其中在相同的系統(tǒng)中可以容納兩個單獨的過程，比如需氧過程和缺氧 過程。在雙-LSFB的一個實施方案中，兩個流化床均按常規(guī)的顆粒流化床(PFB)在顆粒 流態(tài)(PFR)下運行。在流化床I中，液體和顆粒均向上移動；而在流化床II中，液體向上移 動而顆粒向下移動。然后顆粒通過兩個流化床頂端或頂端附近的導管從流化床I循環(huán)到流 化床II，并通過兩個流化床底端或底端附近的導管從流化床II循環(huán)回流化床I。在另一實施方案中，流化床I設置為在快速流態(tài)下運行的快速流化床，其中液體 和顆粒均以較高的速度向上移動。流化床II仍在顆粒流態(tài)(PFR)下運行，向下流動的顆粒 和向上流動的液體對流。再一次，顆粒通過兩個流化床頂端或頂端附近的導管從流化床I 循環(huán)到流化床II，然后通過兩個流化床底端或底端附近的導管從流化床II循環(huán)回流化床 I。對于這第二個選擇，整個系統(tǒng)也可稱作LSCFB和GLSCFB系統(tǒng)，可將該系統(tǒng)作為雙-LSFB 和雙-GLSFB系統(tǒng)的特例。LSCFB和GLSCFB是相對新型的化學和生物處理器，僅在最近被研究[7_13]。據 發(fā)明人所知，盡管LSCFB和GLSCFB提供許多和一些化學和生物過程不同的優(yōu)勢，但尚未將 它們用于任何包括BNR過程在內的廢水處理過程。包括LSCFB/GLSCFB的雙-LSFB/GLSFB系統(tǒng)的另外的優(yōu)勢在于它具有兩個單獨的流化床，在相同的系統(tǒng)中可以容納兩個單獨的過 程，比如需氧過程和缺氧過程。BNR-雙-LSFB (下面簡稱作BNR-LSFB)系統(tǒng)具有兩個流化床互相連接以形成固體 循環(huán)系統(tǒng)液體和顆粒均并流向上移動的流化床I，和向上流動的液體及氣流和向下流動 的顆粒對流的流化床II。一些顆粒通過流化床頂端或頂端附近的導管從流化床I循環(huán)到流 化床II，其他一些顆粒通過流化床底端或底端附近的導管從流化床II循環(huán)回流化床I。因 此，顆粒在兩個流化柱之間再循環(huán)。在上述情況下，流化床I是液-固流化床，而流化床II 是氣-液-固流化床。
下面更詳細地描述上面概述的多個實施方案。1) 一般系統(tǒng)參考圖4，以100表示的液-固流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)的實施方案由一對流化 床組成第一流化床10是上升柱或床，第二流化床30是下降柱或床，它們根據顆粒的移動 方向命名。流化床10和30在它們的相鄰端通過連接管路52和54互相連接，所述連接管 路52和54使固體和液體在兩個柱10和30之間循環(huán)。在第一流化床(上升柱)10中，涂布了細菌(solid bacteria)的固體顆粒50通 過底部連接管路52從第二流化床30轉移并從流化床10的下端12進入相鄰的第一床10， 它們和第一流化流體20 (比如原廢水進料22和來自第一流化床10頂部的回流24的混合 物)以并流關系向上流動，第一流化流體20通過流化床10的下端12附近的液體分布器 16進入流化床10并通過流化床10向上流動。所述第一流化床10是可以在常規(guī)顆粒流態(tài) (PFR)或快速流態(tài)(FFR)下運行的液-固流化床。任選地，也可將氣體進料(圖4未顯示) 注入流化床10的下端12以形成在PFR或者FFR流態(tài)下運行的氣-液-固流化床。第二流化床(下降柱)30是常規(guī)的對流流動液_固床，其中固體顆粒50 (例如，但 不限于，熔巖顆粒、沸石、樹脂、二氧化硅溶膠_凝膠或其他生物質載體)從流化床30的頂 部34附近的上連接管路54進入并向下流動，第二流化流體40(比如回收的流出液44)在 流化床30的下端32進入流化床30并相對于顆粒50以對流關系向上流動。通過氣體分布 器58可將另外的氣體56 (比如空氣)注入流化床30的底部。氣體在流化床30中形成氣 泡并和第二流化液流40并流向上流動。由于氣體注入，第二流化床在此情況下事實上是 氣-液_固流化床。如果沒有氣體注入，則第二流化床30將是液-固流化床。如上所述，來自上升床10的固體顆粒50連同來自上升床10的一些帶入液體通過 上連接管路54在下降床30的頂部34附近的位置38進入下降柱并通過流化床30向下移 動。在它們經過流化床30后，顆粒50連同一些帶入液體和脫落的生物質進入下連接管路 52，并被引入上升柱10。涂布了細菌的固體顆粒50的循環(huán)速率可通過位于底部回流管路 52的機械閥門或類似裝置(未顯示)控制。和圖3所示的相似，下降柱30包括需氧區(qū)，而上升柱10包括缺氧區(qū)和厭氧區(qū)。在 需氧區(qū)中，在來自輸入空氣的氧的存在下，有機物及氨豐富的廢水被主要固定在固體顆粒 上的細菌生物降解成二氧化碳、水和硝酸鹽等?？諝夂蛷U水的連續(xù)流動保證需氧生物質的 可持續(xù)性。在缺氧區(qū)中，流入的廢水和來自需氧區(qū)的回流硝化活性污泥流出液混合，主要進 行脫硝。來自下降柱30的需氧區(qū)的硝化流中的硝酸鹽用作氧源以滿足廢水的氧需求。廢水 進料和從需氧區(qū)生物膜脫落的腐敗中的生物質為脫硝提供碳源。當流入的可生物降解的廢水組分對缺氧區(qū)產生氧需求時形成厭氧區(qū)。由于該需求因缺氧/空氣流入而得不到滿足， 厭氧條件占優(yōu)勢。在厭氧區(qū)，儲存的磷被釋放，而揮發(fā)性脂肪酸被儲存用于需氧區(qū)中的進一 步降解。在運行期間，其上具有生物膜的生物質載體從上升柱10中的厭氧區(qū)流到下降柱 30的頂部區(qū)域。需氧過程后，下降床30中的其上具有生物膜的生物質載體通過底部回流管 路52被運輸至上升床10的基底，以形成沿著上升床10向上流動的顆粒50。底部連接管路 52可按移動填充床或密運輸床(dense transported bed)狀態(tài)運行，但也可在半流化或顆 粒流化態(tài)下運行。上連接管路54可作為稀運輸線(dilute transport line)運行，但也可 在半流化狀態(tài)下或作為密運輸床或移動填充床運行。在“稀運輸”線中，顆粒不均勻地懸浮 并被液體運載，在“密運輸”線中，顆粒懸浮但不被液體運載。在半流化狀態(tài)下，僅一些顆粒 懸浮而其他位于底部但可被液體流周期性地攪動。在移動填充床中，顆?；旧咸畛湓谝?起，但向著線的一個方向移動。來自上升床10頂部的流出液26回流形成第一流化流體20的一部分，其連同原廢 水進料22和來自管路52的需氧區(qū)的硝化流出液的一部分，和可能的來自下降床30的回流 流出液(effluent recycle) 44的一部分18然后通過上升床10隨著顆粒50并流向上流動。 在上升床的頂部區(qū)域，大部分第一流化流體20作為上升床流出液26脫除，其余則連同流過 上連接管路54的顆粒一起流進下降床30。如果將另外的氣體注入上升柱10的底部12，則 氣體將連同液體并流向上移動以流化固體顆粒50。這些氣體將在上升柱10的頂部被分離。在下降柱30中，在系統(tǒng)的下降(需氧)側，來自如上所述的下降床流出液46的回 流44形成第二流化流體40并在下降床30的底部進入。第二流化流體40連同注入的氣體 56 (優(yōu)選但不限于空氣)流流化下降柱內的顆粒50并通過下降柱30和顆粒50以對流關 系移動，并在柱30的頂部作為下降床流出液46離開。流出液46的一部分作為已處理的水 48釋放，液流的一部分作為液流44循環(huán)回下降柱30的底部以維持過程的運行，可能另一 部分18回流至上升床10的底部和第一流化流體20匯合。如果采用這種方式，來自下降床 30頂部的回流18流到上升床10的底部，以模擬常規(guī)活性污泥型BNR系統(tǒng)中硝化的混合溶 液從曝氣池到缺氧池的再循環(huán)。在下降柱30的頂部稀區(qū)域中，大多數被帶入的顆粒50和在過程期間脫落的污泥靠重力往回沉降，將它們和下降床流出液分離。在下降床30的頂部 不會有消耗的空氣被分離出來。2)兩個流化床(上升柱和下降柱)都在常規(guī)顆粒流態(tài)下運行的系統(tǒng)的結構圖5顯示兩個流化床都按常規(guī)顆粒液-固(或氣_液-固)流化床運行的雙液_固 流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)的另一實施方案的示意圖。如圖5所示，本發(fā)明提供以200表 示的液_固流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)，其由一對流化床組成，包括第一流化床210 (上升 柱)和第二流化床230 (下降柱)，它們根據顆粒的移動方向命名。流化床210和230在下 端通過底部連接管路52在相鄰端互連，并在上端通過上連接管路54連接，使得固體在兩個 柱210禾口 230之間循環(huán)。第一流化床210是在顆粒流化流態(tài)下運行的常規(guī)液_固流化床，其中第一流化速 度低于轉變成快速流態(tài)的轉變速度。在第一流化床(上升床)210中，通過底部連接管路52 從第二流化床230轉移的固體顆粒50在流化床210的下端12附近進入流化床210，并和第 一流化流體20 (比如原廢水進料22和來自第一流化床210的頂部的回流液24的混合物)以并流關系向上流動，第一流化流體20在流化床210的下端12附近通過液體分布器16進 入流化床210并向上流過流化床210。如圖4中的系統(tǒng)100，固體顆粒50的循環(huán)速率可通過底部回流管路52中安裝的機 械裝置(比如泵或螺旋槳)51控制，以進一步控制從下降床230到上升床210的顆粒流速。第二流化床(下降柱)230是常規(guī)的對流流動液_固床，其中固體顆粒50 (例如， 但不限于，熔巖顆粒、沸石、樹脂、二氧化硅溶膠-凝膠或其他生物質載體)在流化床230的 頂部34附近從上連接管路54進入并向下流動，第二流化流體40(比如回流的流出液44) 在流化床230的下端32進入流化床230并相對于顆粒50以對流關系向上流動。通過氣體 分布器58可將另外的氣體56 (比如空氣)注入流化床230的底部。這樣的氣體在流化床 230中形成氣泡并和第二流化液體并流向上流動。由于氣體注入，第二流化床在此情況下事 實上是氣-液-固流化床。如果沒有氣體注入，則第二流化床將是液_固流化床。在頂部連接管路54中可以任選地安裝機械裝置(比如泵或螺旋槳)53以控制固 體顆粒50從上升床210到下降床230的循環(huán)速率。對于在常規(guī)顆粒流態(tài)下運行的液_固流化床(在此情況下的第一流化床210)和 氣-液_固流化床(在此情況下的第二流化床230)，第一和第二流化床都具有兩個區(qū)域 大多數顆粒所在的底部密相區(qū)62和72，以及僅存在少量從密相區(qū)帶入的顆粒 的頂部稀相 區(qū)64和74。在第一和第二流化床的每個流化床中，這兩個區(qū)域之間的邊界的相對位置將 取決于在每個流化床中存在的顆粒的量和每個流化床中的表層液體(和氣體，如果存在氣 體)的速度。另外，在稀相區(qū)64和74中的顆粒也具有沉降回密相區(qū)62和72的趨勢，因而 很少的顆粒從兩個流化床的頂部逸出。因而，在沒有液_固分離器的情況下，不發(fā)生顯著的 顆粒損失。在第二流化床230的頂部稀相區(qū)74，脫落的污泥也趨向于沉降回密相區(qū)72，但 考慮到脫落的污泥的密度比載體顆粒50小，污泥可能在第二流化區(qū)的密相和稀相之間的 界面處聚集，在那里可以安裝出口 70，以不時地除去污泥廢品。如上所述，來自上升床210的固體顆粒50連同來自上升床210的一些帶入液體通 過上連接管路54在下降床230的頂部34附近的位置42進入下降柱230并向下流過下降 床230。在它們經過流化床230后，顆粒50連同一些帶入液體和脫落的生物質進入下連接 管路52，并被引入上升柱210。來自需氧區(qū)的硝化的活性污泥，或者附著在載體顆粒上，或 者自身作為顆粒，也通過相同的下連接管路52從下降床流到上升床。如果想增大下連接管 路52內的液-固流中的固體負載(顆粒的濃度)，可在下連接管路52在下降床側的管口處 任選地增加如圖5所示的收集導管76，以在連接管路52的管口收集更多的顆粒。收集導 管76可具有漏斗形狀，頂部的截面比底部的大，以使一些顆粒在內部沉降。另外，可在下連 接管路52中安裝機械裝置51 (比如污泥泵或螺旋槳)以保證并控制從下降床230到上升 床210的液-固流。這樣的裝置51可以是簡單的螺旋槳裝置或蠕動泵、雙隔膜泵、或螺桿 泵，這適用于此處公開的系統(tǒng)的所有實施方案。加入這樣的控制裝置將增大系統(tǒng)的操作靈 活性。同樣，如果需要保證足量的固體顆粒50通過上連接管路54從上升床210運輸到 下降床230，以在兩個流化床之間提供最小固體循環(huán)，可在上連接管路54在上升床側的管 口任選地增加如圖5所示的收集導管66。優(yōu)選地，該收集導管66延伸進入第一流化床中顆 粒濃度高得多的密相，但它也可根據系統(tǒng)設置的特定應用延伸至其他區(qū)域。任選地，也可在上連接管路54中或在收集導管的某處安裝機械裝置53 (比如螺旋槳或泵)以增大并控制從上升床210到下降床230的液-固流。該裝置將顆粒從上升床210拉到下降床230，并保 持適當的固體流動，從而保持適當的操作穩(wěn)定性。如果第二流化床230 (下降床)中的收集導管76延伸更多，或者通過其他種類的 內部或外部導引結構，也可以從第二流化床(下降床230)的其他位置(例如從密相區(qū)的中 部)收集顆粒，并將它們循環(huán)進入第一流化床(上升床)。同樣，可將第一流化床210 (上升 床)中的收集導管66延伸至第一流化床210的其他位置以收集用于再循環(huán)進入第二流化 床230(下降床)中的顆粒。如前所述，下降柱230包括需氧區(qū)，而上升柱210包括缺氧區(qū)和厭氧區(qū)。在需氧區(qū) 中，在來自輸入空氣的氧的存在下，有機物及氨豐富的廢水被主要固定在固體顆粒上的細 菌生物降解成二氧化碳、水和硝酸鹽等?？諝夂蛷U水的連續(xù)流動保證需氧生物質的可持續(xù) 性。在缺氧區(qū)中，流入的廢水和來自需氧區(qū)的回流硝化活性污泥流出液混合，主要進行脫 硝。來自下降柱230的需氧區(qū)的硝化流中的硝酸鹽用作氧源以滿足廢水的氧需求。廢水進 料和從需氧區(qū)生物膜脫落的腐敗中的生物質為脫硝提供碳源。當流入的可生物降解的廢水 組分對缺氧區(qū)產生氧需求時形成厭氧區(qū)。由于該需求因缺氧/空氣流入而得不到滿足，厭 氧條件占優(yōu)勢。在厭氧區(qū)，儲存的磷被釋放，而揮發(fā)性脂肪酸被儲存用于需氧區(qū)中的進一步 降解。在運行期間，其上具有生物膜的生物質載體或顆粒50從上升柱210中的厭氧區(qū)流 到下降柱230的上部區(qū)域。需氧過程后，下降床230中的其上具有生物膜的生物質載體通 過底部回流管路52被運輸至上升床210的基底，以形成沿著上升床210向上流動的顆粒 50。底部連接管路52可按移動填充床或致密運輸床狀態(tài)運行，但也可在半流化或顆粒流化 態(tài)下運行。上連接管路54可按稀運輸線運行或者在顆粒流化態(tài)下運行，但也可在半流化態(tài) 下或按密運輸床或移動填充床運行。在上下連接管路52和54中安裝機械裝置(比如泵、 螺旋槳或類似裝置)時，這兩個連接管路趨向于在顆粒流化態(tài)下運行，具有良好的液-固懸 浮流。來自上升床210的頂部的流出液26回流以形成第一流化流體20的一部分，其連 同原廢水進料22和來自管路52的需氧區(qū)的硝化流出液的一部分，加上可能的來自下降床 230的頂部的下降床回流流出液44的一部分18，然后通過上升床210隨著顆粒50并流向 上流動。在上升床的上部區(qū)域，大部分第一流化流體20作為上升床流出液26被除去，其余 則連同流過上連接管路54的顆粒流進下降床230。如果將另外的氣體注入上升柱210的底 部12，則氣體將連同流體并流向上移動以流化固體顆粒。這些氣體將在上升床210的頂部 被分離。在系統(tǒng)的下降床(需氧)側，來自如上所述的下降床流出液46的回流44形成第 二流化流體40并在下降床230的底部進入。第二流化流體40連同注入的氣體(最可能是 空氣)流56在下降柱內流化顆粒并通過下降柱230和顆粒50以對流關系移動，并在下降 柱230的頂部作為下降床流出液46離開。流出液46的一部分作為已處理的水48釋放，其 中的一部分回流到下降柱230的底部以維持過程的運行，另一部分18可能回流至上升床的 底部以成為第一流化流體20的一部分。如果采用這種方式，來自下降床230頂部的回流18 流到上升床210的底部以模擬常規(guī)活性污泥型BNR系統(tǒng)中硝化的混合溶液從曝氣池到缺氧池的再循環(huán)。在下降柱230的上部區(qū)域，大多數被帶入的顆粒50和在過程期間脫落的污泥 靠重力往回沉降，將它們和下降床流出液分離。本領域技術人員可以認識到，兩個流化柱的作用可以顛倒，即第一流化床(上升 床)210可用于需氧過程，第二流化床(下降床)230可用于厭氧和缺氧過程。3)上升床在快速流態(tài)下運行，下降床在常規(guī)顆粒流態(tài)下運行的系統(tǒng)的結構圖6顯示雙液_固流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)的實施方案的示意圖，其中第一流 化床是快速流化床，第二流化床是常規(guī)顆粒(氣_)液-固流化床，因而所述系統(tǒng)是(氣_) 液_固循環(huán)流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)。參考圖6，本發(fā)明提供以400總體表示的液_固循環(huán)流化床生物營養(yǎng)素脫除系統(tǒng)， 該系統(tǒng)由一對流化床組成，包括第一流化床412 (上升柱)(缺氧和厭氧床)，第二流化床 410 (下降柱)(需氧床)，位于上升床頂部的液-固分離器446，和位于下降柱410頂部的相 似的澄清器476，第一流化床和第二流化床根據顆粒的移動方向命名。分離器446和澄清 器476都是任選的，但可以有助于防止流出液顯著地帶走顆粒。流化床410和412通過連 接管路在它們的相鄰端互相連接，連接管路使固體在兩個柱之間循環(huán)。 第一流化床412是上升流化床，其中固體顆粒50通過底部連接管路442從第二流 化床410轉移并在流化床412的下端426附近進入流化床412，和第一流化流體428 (比如 原廢水進料流472和來自位于上升床412頂部的液-固分離器446的回流液474的混合 物)以并流關系向上流動，第一流化流體428在所示的結構中通過和流化床412的下端426 都相鄰的噴嘴430和入口 432進入流化床412，并在其液流中運載顆粒50向上流經流化床 412。顆粒50的上面固定了細菌。如上所述的第一流化床412是在液-固快速流態(tài)下運行 的快速液_固流化床。任選地，也可將氣體進料(圖6未顯示)注入到流化床412的下端 426，以形成在氣-液-固快速流態(tài)下運行的氣-液-固流化床。第一流化床412包括在其底端的分配器，分配器將進入的流體428 (可以是進料流 472和回流液474的混合物)的液流分成兩個支流主流460和輔流462。主流460通過噴 嘴430引入，噴嘴430插入第一流化床柱412中。這個設計非常有利地增大底部固體回流 管路442上的壓力下降，并使系統(tǒng)更穩(wěn)定。輔流462通過穿孔板入口 432引入第一流化床 412的底部426。輔流462的作用是在第一流化床412的底部攪起顆粒50，以通過主輔液流 460和462的組合將顆粒50帶上第一流化床。也可將兩個液流460和462結合成一個液流 并通過位于第二流化床410的底端426的單個分配器供給。通過下連接管路442從第二流 化床410流動的涂布了細菌的顆粒50在第一流化床412的底端426流進第一流化床412。另一方面，第二流化床410是常規(guī)的對流流動液-固床，其中涂布了細菌的固體顆 粒50 (例如，但不限于，熔巖顆粒、沸石、樹脂、二氧化硅溶膠_凝膠或其他生物質載體)從 流化床410頂部附近的上連接管路419進入(如管線417所示)并向下流動，第二流化流 體420 (比如回流的流出液444)在流化床410的下端424進入流化床410 (如422示意)， 并相對于顆粒50以對流關系向上流動。通過氣體分布器480可將另外的氣體482 (比如空 氣)注入流化床410的底部。這樣的氣體在流化床410中形成氣泡并和第二流化液體并流 向上流動。由于氣體注入，第二流化床410在此情況下事實上是氣-液-固流化床。由于 第二流化床410在常規(guī)顆粒流態(tài)下運行，它將具有兩 個區(qū)域大多數顆粒50所在的底部密 相區(qū)490，和僅存在少量從密相區(qū)490帶入的顆粒50的頂部稀相區(qū)492。另外，稀相區(qū)492中的顆粒50也具有沉降回密相區(qū)490內的趨勢，因此極少顆粒50從第二流化床410的頂 部逸出。因而，在沒有液-固澄清器的情況下不發(fā)生顯著的顆粒損失。盡管如此，可在第二 流化床410的頂部加入澄清器476，以進一步保證較多的被向上流動的流體帶入的顆粒和 脫落的污泥沉降回第二流化床410內，以使流出液帶走的顆粒50損失最小。如上所述，涂布了細菌的固體顆粒50在入口 417進入下降柱410并向下經過流化 床410。在它們穿過流化床410后，顆粒50連同一些帶入的液體進入下連接管路442，并被 引入第一流化床412。柱410包括需氧區(qū)，而柱412包括缺氧區(qū)和厭氧區(qū)。在需氧區(qū)中，在來自輸入空氣 的氧的存在下，有機物及氨豐富的廢水被主要固定在固體顆粒50上的細菌降解成二氧化 碳、水和硝酸鹽等。空氣和廢水的連續(xù)流動保證需氧生物質的可持續(xù)性。在缺氧區(qū)中，流入 的廢水和來自需氧區(qū)的回流硝化活性污泥流出液混合，主要進行脫硝。來自下降柱410的 需氧區(qū)的硝化流中的硝酸鹽用作氧源以滿足廢水的氧需求。廢水進料和從上升柱412的需 氧區(qū)中涂布了生物膜的顆粒50脫落的腐敗中的生物質為脫硝提供碳源。術語“脫落”表示 分離，指在流出液中帶走的松散的生物質，而不是顆粒上的生物質。當流入的可生物降解的廢水組分對缺氧區(qū)產生氧需求時形成厭氧區(qū)。由于該需求 因缺氧/ 空氣流入而得不到滿足，厭氧條件占優(yōu)勢。在厭氧區(qū)，儲存的磷被釋放，而揮發(fā)性 脂肪酸被儲存用于需氧區(qū)中的進一步降解。 在運行期間，來自需氧過程的上面具有生物膜的生物質載體通過底部回流管路 442被運進第一流化床412的基底，以形成被沿著第一流化床412帶上的顆粒50。底部固 體回流管路442大部分時間按填充活動床運行，但也可在半流化或常規(guī)流化態(tài)下運行。在本發(fā)明的生物營養(yǎng)素脫除液-固循環(huán)流化床(BNR-LSCFB)廢水處理系統(tǒng)中，固 體顆粒50的循環(huán)速率可通過位于底部回流管路442的蝶形閥470或另一種機械閥門控制。 將供給第一流化床412的進料流分成兩個液流460和462 (第一液流使上升床的底部區(qū)中 的顆粒移動)形成另一液壓閥，該液壓閥也可控制固體顆粒50的循環(huán)速率。還有其他可能 的液壓閥種類，比如環(huán)封(loop seal)等(未顯示)。機械閥或液壓閥或兩者都可用于控制 固體顆粒50的流速。一般，機械閥相對于液壓閥是優(yōu)選的，因為機械閥通常在回流管上442 提供更高和更穩(wěn)定的壓力下降，因此使系統(tǒng)更穩(wěn)定并使之更易于在兩個流化柱之間保持壓 力平衡。如果和機械閥共同使用，輔助液流462提供另外的對固體顆粒50的循環(huán)速率的控 制。來自流出液444的回流420在第二流化柱410的底部進入，連同注入的氣體(主 要可能是空氣)一起流動以和顆粒50對流的關系經過下降柱410，并在流化柱410的頂部 離開，如444所示。在流化柱410的上稀液區(qū)492中，在氣體和流體流出流化柱之前，帶入 的顆粒50和脫落的污泥逐漸回到流化柱410的底部致密區(qū)490。如果安裝澄清器476，則 在第二流化床410頂部的澄清器476進一步分開帶入的顆粒50和過程期間形成的脫落的 污泥，并將它們返回到流化床410的下部。澄清器476也周期性地通過一個出入口(或多 個出入口)445排出脫落的污泥。在444從流化柱410流出的流體是流出液，其中的一部分 作為已處理的水排出，一部分作為第二流化流體420再回流到下降柱410的底部以維持過 程的運行。第一流化流體428(原廢水進料472，加上來自上升柱412的出口(或，如果安裝分離器的話，來自上升柱412頂部的液-固分離器446)的回流474，加上來自第二流化柱 回到第一流化柱412的回流流出液444的一部分(作為硝化流出液回流418)的組合)，和 顆粒50，連同來自需氧區(qū)的來自管路442的硝化流出液的一部分，以并流關系向上經過流 化床412，然后進入液-固分離器446 (比如沉降器)，該分離器446具有頂部流體溢出出口 452 (通過所述出口 452，大部分第一流化流體428被脫除)和分離器446底部附近的出口 450 (通過所述出口 450，顆粒50和來自流化床412的流體的一部分進入上連接管路419)。 這些來自分離器446的固體顆粒50，連同上述帶入的液體的一部分，在上連接管路419中向 下流到下降柱410的入口 417。如果將另外的氣體注入上升柱412的底部426，則氣體將連 同流體并流向上移動以流化固體顆粒。這些氣體將在頂部分離器446中被分離。
在處理后的流出液流(比如圖6所示的實施方案中的液流444)中，可能有顆粒材 料(比如膠狀和懸浮的生物質)以及可能的少量細載體顆粒?？扇芜x地加入除澄清器476 之外的另一澄清器以進一步剝離這些顆粒物質。污泥將在這樣的澄清器中積聚，然后被取 出，一般從澄清器的底部或底部附近取出。最終流出液一般作為澄清器的溢出物排出，盡管 也可制造許多其他裝置。本發(fā)明的應用下面將就廢水處理進一步描述本發(fā)明的應用，但本發(fā)明也可用于其它應用，例如 許多工業(yè)過程的流出液處理。下面通過下列非限制性實施例說明本發(fā)明。
實施例圖2顯示了一個流程圖，該流程圖說明使用本發(fā)明的雙-LSFB系統(tǒng)200 (圖5)的 固定膜BNR過程。聯(lián)系圖5，下降床230中發(fā)生需氧過程，在上升床210的密相區(qū)的下部發(fā) 生缺氧過程，在上升床210的密相區(qū)的上部發(fā)生厭氧過程。原廢水22( —次流入液或一次 流出液)先和來自上升床210頂部的缺氧/厭氧流出液回流24混合，然后注入上升床210 的底部，在那里，再循環(huán)固體顆粒上負載的活性污泥連同來自下降床230中的需氧過程的 一些之前被硝化的廢水也和原廢水22和缺氧/厭氧流出液回流24混合。含有原廢水22、 流出液回流24、之前硝化的廢水和負載微生物的固體顆粒的流體在彼此接觸的同時并流向 上流過上升床210。上升柱210在液-固顆粒流態(tài)下運行并在液體和顆粒上的生物膜之間 提供優(yōu)異的界面?zhèn)髻|。在上升床210的密相區(qū)的下部區(qū)，有助于脫硝的缺氧條件占優(yōu)勢。在上升床的下半部中用于脫硝的碳源可以是廢水進料的一部分，或從下降床生物 膜脫落的腐敗中的生物質，或者它們兩者。然后，廢水進一步向上流入上升床的密相區(qū)的上 部維持的厭氧區(qū)，在那里，儲存的磷被釋放，揮發(fā)性脂肪酸被儲存用于需氧區(qū)中的進一步降 解。厭氧區(qū)的硝酸鹽上游的消除將大大增強磷釋放和需氧下降床230中的后續(xù)吸收。需要 重點注意的是，由于液-固分離和后續(xù)的固體回流至下降床230在缺氧相后立即發(fā)生，也可 能在需氧的下降床中發(fā)生增強的磷吸收。在上升床210的上部的稀相區(qū)中，負載了微生物的固體顆粒被從液流中分離，并 連同一些流出液通過上連接管路54被引入下降床230的頂部。來自上升床210的再循環(huán) 固體加入下降床230的上稀相區(qū)并沿著下降床230向下流。來自下降床230頂部的流出液 46的一部分形成流出液回流44，剩余部分48作為處理后的流出液離開系統(tǒng)。回流44的大部分(相當于廢水進料速度的約2-15倍)回流到下降床230的底部，可能流出液回流44的另一部分18再回流至上升床210的底部?；亓饕后w44主要用于流化下降床230，從而將它從底部空氣(或含氧氣體)注入 口附近引入下降床230。通過在下降床230提供空氣并控制空氣流速，和通過控制回流液體 流速，可在下降床230中較好地將需氧區(qū)維持在常規(guī)氣-液-固三相顆粒流態(tài)下。附著了 生物質的固體靠重力流到下降床230的底部，然后通過底部連接管路52流到上升床210的 底部。在過程期間形成的脫落的污泥的一部分在下降床230的密相區(qū)72和稀相區(qū)74的界 面或界面之上通過出口 70從需氧區(qū)周期性地排出。所述系統(tǒng)可以設計為從下降床到上升 床18底部的流體流動具有合適的回流流速(例如，流入液流速的4倍)，以模擬常規(guī)活性污 泥型BNR系統(tǒng)中從曝氣池到缺氧池的硝化混合液的再循環(huán)。也可聯(lián)系圖6用圖2說明使用本發(fā)明的LSCFB系統(tǒng)的固定膜BNR過程。聯(lián)系圖6， 在下降床410中發(fā)生需氧過程，在上升床412的下部發(fā)生缺氧過程，而在上升床412的上部 發(fā)生厭氧過程。一個替代方案是在上升床412的下部進行缺氧過程，在上升床412的上部 進行厭氧過程。在此情況下，原廢水472 (—次流入液或一次流出液)先和來自上升床頂部 的液_固分離器446的缺氧/厭氧流出液回流474，加上從下降床410回到上升床412的回 流流出液444的一部分(作為硝化流出物回流418)混合，然后注入上升床412的底部，在 那里，再循環(huán)固體顆粒上負載的活性污泥連同來自下降床410中的需氧過程的之前硝化的 廢水的一部分也和原廢水472和缺氧/厭氧流出液回流474混合。含有原廢水、流出液回 流474、之前硝化的廢水和負載了微生物的固體顆粒的流體在彼此接觸的同時并流向上流 經上升床412。上升柱412在液-固快速流態(tài)下運行，并在液體和活性污泥之間提供優(yōu)異的 界面?zhèn)髻|，因而顯著增強處理強度。在上升床412的下部，有助于脫硝的缺氧條件占優(yōu)勢。 在上升床的下半部用于脫硝的碳源可以是廢水進料的一部分，或從下降床生物膜脫落的腐 敗中的生物質，或者它們兩者。然后，廢水進一步向上流到上升床的上半部保持的厭氧區(qū)， 在那里，儲存的磷被釋放，揮發(fā)性脂肪酸被儲存用于需氧區(qū)中的進一步降解。厭氧區(qū)的硝酸 鹽上游的消除將大大增強磷釋放和需氧下降床410中的后續(xù)吸收。需要重點注意的是，由 于液_固分離和后續(xù)的固體回流至下降床410在厭氧相后立即發(fā)生，也可能在需氧的下降 床中發(fā)生增強的磷吸收。在上升床412頂部的液-固分離器446中，負載了微生物的固體顆粒從液流中分 離，連同也從液_固分離器446分離的一部分流出液，通過上連接管路419被引入下降床 410的頂部。和來自上升床412的再循環(huán)固體一起處理后的廢水在下降床410的頂部入口 417和來自下降柱410向上流經下降床410的回流流出液結合。組合的液流444的一部分 (相當于廢水進料速度的約5到15倍)作為第二流化流體420回流進入下降床410，剩余 部分444作為處理后的流出液離開系統(tǒng)?；亓饕后w420也用于流化下降床410，從而優(yōu)選 將它從底部空氣(或含氧氣體)注入口附近引入下降床410。通過在下降床410提供空氣 并控制空氣流速，和通過控制回流液體流速，可在下降床410中較好地將需氧區(qū)維持在常 規(guī)氣-液-固三相顆粒流態(tài)下。附著了生物質的固體靠重力流到下降床410的底部，然后 通過底部傾斜連接管路442流到上升床底部。在過程期間形成的脫落的污泥的一部分通過 澄清器476中的出口 445周期性地從需氧區(qū)排出。所述系統(tǒng)可以設計為從下降床到上升床 412底部的流體流動具有合適的回流流速(例如，流入液流速的4倍)，以模擬常規(guī)活性污泥型BNR系統(tǒng)中從曝氣池到缺氧池的硝化混合液的再循環(huán)。另一個替代方案是在第一流化床412中使上部的缺氧區(qū)位于厭氧區(qū)之上。在這種 情況下，直接在流化柱412的中部的點416將所有的廢水進料流472供給或注入到上部區(qū)， 如圖2和圖6中的虛線(478)所示。在這種情況下，來自流化床412的流出液回流474仍 然回流至上升床412的底部，以流化上升床的底部部分。任選地，上升床流出液回流474的 一小部分可在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)之間流進第一流化床412，上升床流出液回流474的剩余部 分仍然在厭氧區(qū)之下在第一流化床412的底部或底部附近流進第一流化床412。這個固定膜生物營養(yǎng)素脫除(BNR)雙-LSFB過程在單個單元內結合了懸浮生長 BNR過程和固定膜的優(yōu)勢。對于污泥沉降能力而言，以及因此對用于液-固分離的澄清器的 尺寸的減小，除固定膜過程的優(yōu)勢之外，LSFB再循環(huán)附著介質的沉降速度高，因此僅需要小 的液-固分離池，而不需要單獨的澄清器。此外，由于流化，BNR-LSFB可以處理可溶的和帶 有顆粒的廢水，因此不需要初級澄清器。更具體地，相對于廣泛采用的常規(guī)活性污泥系統(tǒng)和 近來開發(fā)的懸浮生長BNR系統(tǒng)，此處公開的BNR-LSFB系統(tǒng)具有下列優(yōu)勢。1)由于每單位生物反應器體積的生物質密度更高，且消除了初級澄清器和次級澄 清器，因而反應器的面積小得多，且尺寸非常緊湊；
2)使操作的勞動力需求最小，消除了常規(guī)任務，比如曝氣池中的固體分析和活性 污泥的返回、澄清器堰洗滌槽(clarifier weir launder)的清潔、污泥的排除(wasting sludge)、化學品投放的控制和化學品進料系統(tǒng)的維持；3)由于生物固體保留更好，因而過程穩(wěn)定性增強；4)由于顆粒懸浮在流化床內，因而能夠同時處理可溶解廢品和顆粒狀廢品；5)由于毒劑和生物質的比值比懸浮生長中的低，因而毒劑和抑制物質的沖擊負載 的易損性更小；6)用于除磷的化學品加入的最小化/消除；7)和活性污泥系統(tǒng)相比，由于缺氧池中的細菌產率更低，因而產生的污泥顯著減 少，且化學污泥最小化；和懸浮生長BNR系統(tǒng)相比，由于其運行時的固體停留時間更長，因 此生物質腐敗速率高得多，因而生物污泥最小化；8)需氧量顯著減少，因而能量需求節(jié)約較多；9)由于流化床俘獲更好引起的顆?；椎睦迷鰪?，以及腐敗的生物膜作為碳 源，因而營養(yǎng)素脫除所需的有機碳可能減少?？傊?，和現(xiàn)有技術相比，該過程提供了以顯著的成本(資本和運行/維護成本)節(jié) 約實現(xiàn)高處理程度的流出液質量的可能性，且過程穩(wěn)定性優(yōu)異。另外，當該固定膜BNR LSFB 過程用于任何市政廢水處理應用時，可有利地將它用于經常具有空間限制和特殊需要的工 業(yè)的廢物處理。例如，該技術可用于處理工業(yè)廢水的特定濃縮流，以及用于對全部廢水提供 管端(end-of-pipe)處理。由于本發(fā)明技術提供大幅降低的成本、空間、和能量需求，該技 術的其他潛在主要應用可能是資金有限的小團體和新技術開發(fā)。在發(fā)明人進行的研究中，在變化的COD負載率下獲得的流出液中的可溶解的COD 濃度在4到20mg/L的范圍內；在25°C到28°C的溫度范圍內，在最小2. 2小時的總液壓停留 時間(HRT)下，氨氮脫除效率平均超過99%。通過增大硝化液體回流速率(recycle rate), 實現(xiàn)了小于5mg/L的流出液硝酸鹽氮濃度。無論在缺氧床還是在需氧床，均未觀察到硝酸鹽聚積。看來BNR-LSFB不僅是常規(guī)活性污泥型BNR技術的優(yōu)異替代方案，也能夠處理高得 多的負載并適用于工業(yè)應用。應當理解，本發(fā)明的設備和方法不局限于下降柱具有需氧區(qū)，上升柱具有缺氧區(qū) 和厭氧區(qū)；它們可以相反，從而注入氣體的需氧區(qū)可以位于上升柱中，缺氧區(qū)和厭氧區(qū)可以 位于下降柱中。也應理解，對相同的固定膜生物營養(yǎng)素脫除(BNR)過程也可以使用多于兩個流化 床，有時候這是有益的。例如，圖7顯示了一起組合三個流化床的實施方案，流化床I用于 缺氧過程，流化床III用于厭氧過程，流化床II用于需氧過程。 本領域技術人員理解，上升床和下降床的相對尺寸取決于廢水特征和處理目標， 因此若特定的需求需要不同的相對尺寸，則該技術可以容易地調整，以具有需氧上升床和 缺氧/厭氧下降床。此處使用的術語“包含”和“包括”應理解為包括在內和開放性的，而不是排他性 的。具體地，當說明書包括權利要求書使用術語“包含”和“包括”以及它們的變體時，表示 包括了指定的特征、步驟或組件。這些術語不應解釋為排除其他特征、步驟或組件的存在。上面的描述給出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，以說明本發(fā)明的原理，但不將本發(fā)明 限制于所說明的特定實施方案。本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同的范圍內所包括的所有 實施方案限定。參考文獻1. 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權利要求
用于原廢水進料流中的生物營養(yǎng)素脫除的方法，該方法用于脫除碳、氮和磷，該方法包括下列步驟使原廢水進料流流進第一流化床，使第一流化流體流進第一流化床，并使上面涂布了有效固定細菌的固體顆粒和第一流化流體通過保持在缺氧條件下的缺氧區(qū)，所述缺氧條件適合于流過缺氧區(qū)的原廢水組分的脫硝；使所述固體顆粒和第一流化流體循環(huán)經過所述第一流化床中的保持在厭氧條件下的厭氧區(qū)，所述厭氧條件適合于儲存的磷的釋放；將所述第一流化流體中的一部分和所述固體顆粒分離以形成回流，并使所述固體顆粒和第一流化流體的剩余量循環(huán)進入第二流化床，其中所述第一流化流體至少包括流進所述第一流化床的回流；用第二流化流體流使被轉移至第二流化床的顆粒循環(huán)經過第二流化床，所述第二流化床具有保持在需氧條件下的需氧區(qū)，所述需氧條件適合于在氧的存在下，形成第二流化流體的一部分的原廢水組分由固定細菌生物降解成二氧化碳、水和硝酸鹽，以從需氧區(qū)產生硝化流出液；并隨著硝化流出液的一部分將所述固體顆粒從所述第二流化床循環(huán)到所述第一流化床，并在所述第二流化床中將剩余的硝化流出液和所述固體顆粒分離，從系統(tǒng)中脫除該分離的硝化流出液的一部分作為處理后的流出液，并使其余部分回到第二流化床的入口以形成第二流化流體。
2.根據權利要求1的方法，其中所述第一流化流體還包括和所述回流混合的原廢水進 料流，且其中所述缺氧區(qū)位于注入所述第一流化流體的入口之上，其中所述厭氧區(qū)位于缺 氧區(qū)之上。
3.根據權利要求1的方法，其中在所述第一流化流體的入口之上基本上位于第一流化 床中間位置的點將原廢水進料流注入第一流化床，其中缺氧區(qū)位于厭氧區(qū)之上。
4.根據權利要求2的方法，該方法包括將所述硝化流出液的剩余量的其余部分和所 述回流及所述原廢水進料流混合以產生第一流化流體，并在入口將第一流化流體注入所述第一流化床。
5.根據權利要求1到4任意一項的方法，其中所述第一流化床和第二流化床在常規(guī)顆 粒流態(tài)下運行。
6.根據權利要求1到6任意一項的方法，該方法包括向所述第二流化床的下端注入 氣體以形成氣-液-固流化床。
7.根據權利要求1到4任意一項的方法，其中所述固體顆粒和所述第一流化流體并流 流過所述第一流化床，并且其中所述固體顆粒和所述第二流化流體對流流過所述第二流化床。
8.根據權利要求1到4任意一項的方法，其中所述第一流化床按快速流態(tài)運行，所述第 二流化床在常規(guī)顆粒流態(tài)下運行。
9.根據權利要求8的方法，該方法包括向所述第二流化床的下端注入氣體以形成氣-液-固流化床。
10.根據權利要求1到4任意一項的方法，其中所述第二流化床中處于需氧條件下的需 氧區(qū)通過向所述第二流化床中注入含氧氣體而形成。
11.根據權利要求1到10任意一項的方法，其中所述第一流化床和第二流化床基本上 是豎直柱，其中所述第二流化流體向上流動，所述固體顆粒向下流動，以與所述第二流化流 體以對流關系流過所述第二流化床。
12.根據權利要求1到11任意一項的方法，其中所述第二流化床在適合于得到顆粒流 態(tài)的條件下運行，使得固體顆粒在重力下流到第二流化床的底部。
13.根據權利要求10的方法，其中所述第一流化床和第二流化床基本上是豎直柱，其 中所述第一流化流體向上流動，所述固體顆粒向上流動，以在所述第一流化床內并流流動。
14.根據權利要求13的方法，其中所述缺氧區(qū)位于所述厭氧區(qū)之下，其中所述第一流 化流體在缺氧區(qū)之下的入口流進所述第一流化床。
15.根據權利要求1到14任意一項的方法，其中使所述固體顆粒和第一流化流體的剩 余量循環(huán)進入所述第二流化床的步驟包括在所述第一流化床和第二流化床之間形成移動 填充床。
16.根據權利要求1到14任意一項的方法，其中隨著硝化流出液的一部分將所述固體 顆粒從所述第二流化床循環(huán)到所述第一流化床的步驟包括在所述第二流化床和第一流化 床之間形成移動填充床。
17.根據權利要求1到16任意一項的方法，該方法包括從所述第一流化床和/或第二 流化床除去在廢水處理期間形成的脫落的污泥的步驟。
18.根據權利要求1到17任意一項的方法，該方法包括從所述第二流化床中的預選位 置提取固體顆粒并將它們循環(huán)到所述第一流化床的步驟，和/或包括從所述第一流化床中 的預選位置提取固體顆粒并將它們循環(huán)到所述第二流化床的步驟。
19.雙液-固流化床系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上面涂布了有效固定細菌的固體顆粒；具有第一端和第二端的第一流化床，所述第一流化床是上升流化床并包括位于所述第 二端用于將第一流化流體引入所述第一流化床的入口 ；具有第一端和第二端的第二流化床，該第二流化床是下降流化床；連接所述第一流化床的所述第二端和所述第二流化床的所述第一端的第一連接導管， 所述第一連接構件包括將所述固體顆粒供給所述第二流化床的構件；連接所述第二流化床的第二端和所述第一流化床的第一端的第二連接導管；和構件，其通過所述第一連接導管將所述上面涂布了有效固定細菌的固體顆粒供給所述 第二流化床，并通過所述第二連接導管將所述固體顆粒供給所述第一流化床，其中所述固 體顆粒和所述第二流化流體在所述第二流化床中以對流關系流動，其中所述固體顆粒和所 述第一流化流體在所述第一流化柱中并流流動。
20.根據權利要求19的雙液-固流化床系統(tǒng)，該系統(tǒng)設置用于原廢水進料流的生物 營養(yǎng)素脫除，以從中脫除碳、氮和磷，所述原廢水進料流通過廢水進料流入口注入第一流化 柱，所述廢水進料流入口可以和位于所述第一流化柱的所述第二端的入口相同或不同，包 括和所述第二流化床連接的氣體注入構件，其中所述第二流化床包括用于在氧的存在下主 要通過固定細菌生物降解廢水的需氧區(qū)，其中所述第一流化床包括用于脫硝的缺氧區(qū)，和 用于磷的釋放的厭氧區(qū)。
21.根據權利要求19或20的雙液-固流化床系統(tǒng)，其中所述第一流化床設置為第一流化流體的液體速度低于從顆粒流態(tài)到快速流態(tài)的轉變速度。
22.根據權利要求19或20的雙液-固流化床系統(tǒng)，其中所述第一流化床設置為第一流 化流體的液體速度高于從顆粒流態(tài)到快速流態(tài)的轉變速度。
23.根據權利要求19到22任意一項的雙液-固流化床系統(tǒng)，其中所述第一流化床還包 括位于其第二端的流體_固體分離構件，該分離構件用于將固體顆粒和流體分離并排出這 樣分離的流體以提供分離后的固體顆粒，所述分離后的固體顆粒的供給通過從流體-固體 分離構件供給到第二流化床的構件來進行，其中所述第一流體循環(huán)構件將分離后的流體循 環(huán)至第一流化床的第一端；所述系統(tǒng)包括位于所述第二流化床的第一端的澄清器構件，該 澄清器構件用于將固體顆粒和流體分離并取出這樣分離后的流體作為處理后的流出液以 提供分離后的固體顆粒，所述分離后的固體顆粒沉降回第二流化床以使流出液造成的顆粒 損失最小，其中所述澄清器構件包括用于排出在過程期間形成的脫落的污泥的污泥取出構 件，其中所述第二流體循環(huán)構件將處理后的流出液的一部分循環(huán)至第二流化床的第二端作 為第二流化流體。
24.根據權利要求19到23任意一項的雙液-固流化床系統(tǒng)，其中所述第一連接導管和 第二連接導管包括用于在所述第一流化床和第二流化床之間輔助移動流體和固體顆粒的 泵和螺旋槳的任意一種。
25.根據權利要求19到24任意一項的雙液_固流化床系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第三導管和第 四導管，第三導管從所述第二導管延伸進入所述第二流化床中的預選位置，用于從所述第 二流化床中的所述預選位置提取固體顆粒并將它們循環(huán)至所述第一流化床，第四導管從所 述第一導管延伸至所述第一流化床中的預選位置，用于從所述第一流化床中的所述預選位 置提取固體顆粒并將它們循環(huán)至所述第二流化床。
全文摘要
由于規(guī)定越來越嚴格，旨在除去含碳基質、營養(yǎng)素和磷的廢水處理中生物營養(yǎng)素脫除(BNR)近來在全世界越來越流行。可潛在地用于BNR處理的生物流化床(BFB)技術可提供一些優(yōu)勢，比如高效率和緊湊的結構。本發(fā)明在雙液-固流化床(LSFB)中結合固定膜生物流化床技術和生物營養(yǎng)素脫除，以非常有效的方式實現(xiàn)了有機碳、氮和磷的同時消除，空間要求非常緊湊。BNR-LSFB具有兩個流化床，按缺氧/厭氧和需氧過程運行，以實現(xiàn)同時硝化和脫硝，并脫除含碳基底、營養(yǎng)素和磷，通過缺氧/厭氧床和需氧床進行連續(xù)的液體和固體再循環(huán)。新的BNR-LSFB系統(tǒng)不僅是常規(guī)活性污泥型BNR技術的優(yōu)異替代方案，也能處理高得多的負載并適合于工業(yè)應用。
文檔編號C02F3/30GK101842323SQ200880113568
公開日2010年9月22日 申請日期2008年8月27日 優(yōu)先權日2007年8月28日
發(fā)明者G·納克拉, 崔玉波, 祝京旭 申請人:西安大略大學