CN102317215A - 用于从水性介质中去除不想要的物质的水下系统及方法 - Google Patents

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Abstract

提供从液体中去除不想要的物质的系统和方法。该系统可包括具有连续倾斜表面(14)的通气结构(10)，其经配置以提供气泡(22)在向液体顶部移动的同时针对基本上全长的连续倾斜表面(14)的相互作用。所述连续倾斜表面(14)可基本上浸没在液体中。不同细菌菌落(16)的生物膜排列在连续倾斜表面(14)上，并且高表面积-比-体积结构(102)位于通气结构(10)附近，在其上可形成细菌菌落(16)的生物膜。通气系统(18)与空气供应系统(26)偶联，其向连续倾斜表面(14)的底部释放气泡(22)，使得气泡(22)上升时沿连续倾斜的表面(14)移动，以(i)为生物膜(16)产生多种需氧-厌氧条件，和(ii)响应连续倾斜表面(14)的方向使气泡(22)参与连续混合用于生物膜(16)的微气候和(iii)提供水从通气结构底部到顶部的空运循环。

Description

用于从水性介质中去除不想要的物质的水下系统及方法
发明背景
废水处理池是美国最广泛使用的废水处理技术之一。废水池作为处理技术适合于小到中等大小的农村社区、动物饲养场运营、食品生产运营，以及一些一般工业。废水池的主要优势在于成本低并且易于操作。一般而言，只要废水池不是超负荷，它们可以有效去除有机物质和悬浮固体。
大多数类型废水池系统的一个缺点是其不能从废水流中去除一些不想要的化合物，如含碳、氮和磷的化合物以及其他不想要的物质。此外，难以降低废水池中的生化需氧量(BOD)和总悬浮固体量(TSS)。这些不想要的化合物增加了来自废水池系统的恶臭以及随后邻居的抱怨。通过分解此类化合物的细菌从废水池的废水流中去除不想要的化合物。
开放废水池的设计中固有的若干生物因素抑制了这些化合物的分解。还已知，来自某些藻类菌株的废物分泌物可降低想要的细菌的生长。
此外，滴滤池是废水处理的最古老形式之一。岩石和其他介质在水池中堆积，并且废水在介质上滴流。在岩石和其他底材的表面上产生了由微生物组成的薄生物膜，并且随着废水流过表面，其能够去除废水中的有机物质。生物膜的横断面厚度提供了适合于游离表面上需氧细菌的条件，并且在一些情况下，提供了适合于接近较少氧合的底材区的厌氧细菌的条件。由于具有利于不同类型微生物(其分解有机物)生长的各种区带，滴滤池可以从废水中有效去除化合物。固定的介质为细菌提供了附着的表面(细菌生物膜停留在适当位置，直至其变得太粘以至于不脱落)。在跨生物膜厚度的一些点上可以满足多种细菌菌落的氧需求。
滴滤池的主要缺点是建造过滤池的初期投资费用、将废水提升到过滤池顶部的泵送费用、过滤池顶部机械分配系统的维护、和过滤池内介质的最终处理及替换。
为固定化膜生长提供表面积的其他设计是旋转生物压缩机(RBCs)，以及将泡沫材料块和间隔或纤维材料置于废水下面的多种设计。RBCs需要机械旋转系统。达到滴滤池等同表面积的主要费用会相当高。
附图简述
图1是在废水中排列的一组通气水下生物膜嵌板的一个实施方案的侧视图。
图2是图1通气水下生物膜嵌板的正视图。
图3是废水处理池的横断面图，其在废水池底部的框架上装有多个通气水下生物膜嵌板。
图4是图3废水处理池的俯视图。
图5是通气水下生物膜嵌板的备选实施方案的侧视图，所述通气水下生物膜嵌板包含如此排列的多个平面嵌板，以阻断彼此之间的阳光。
图6A和6B分别是通气水下生物膜嵌板的实施方案的横断面图和俯视图，其中所述嵌板包含套装的半球体。
图6C是具有作为锚的底部的套装半球体的实施方案的横断面侧视图。
图7A和7B分别是通气水下生物膜嵌板的实施方案的横断面图和俯视图，其中所述嵌板包含套装的锥体。
图7C图解了第二个通气结构，其具有第二个通气结构的入口，该入口通过管道垂直连接本发明实施方案中第一个通气结构的出口。
图7D图解了第二个通气结构的俯视图，其具有第二个通气结构的入口，该入口通过水平连接本发明实施方案中第一个通气结构的出口。
图8是开放的流动处理池的俯视图，其中具有成组排列的多个半球形模块。
图9是管道化流动处理池的俯视图，其中具有连续排列的多个半球形模块。
图10图解了实施方案中的区域化通气系统。
图11图解了另一实施方案中的区域化通气系统。
图12图解了在实施方案中配置来为废水池或贮存槽提供通气的通气系统。
图13图解了实施方案中具有位于通气结构附近的加热器的通气系统。
图14图解了实施方案中具有位于通气结构内壁上或通气结构本身中的热源的通气系统。
图15图解了实施方案中构造用来使用多个倾斜导管或管道的通气系统。
图16图解了实施方案中构造用来使用多个套装倾斜导管的通气系统。
图17图解了实施方案中构造用来使用多个倾斜或水平套装导管的通气系统。
图18图解了实施方案中用于将空气和水通过不同的管道输出的转换机制。
图19是实施方案中气泡提升器的侧视横断面图。
图20是实施方案中图19的气泡提升器的俯视图。
发明详述
现在将参考附图中阐明的示例性实施方案，并且本文将使用特定的语言来描述这些示例性实施方案。然而应理解的是，不旨在限制本发明的范围。本文阐明的发明特征的改变和其他修改，以及如本文阐明的本发明原则的额外应用(其为相关领域技术人员所知并拥有该公开内容)被认为在本发明的范围内。
提供系统和方法，以减少废水体中碳化合物和其他不想要的化合物的含量。尤其是，氨氮可以转化成亚硝酸盐和硝酸盐。硝酸盐在厌氧环境中可以被去除或还原成氮气，以防止藻类生长。在某些操作条件下，如果从系统中去除细胞群，含磷化合物也可被去除。可提供多种水下生物膜表面和条件，以使不同细菌菌落能够生长。通气系统产生了气泡，其随着气泡上升而靠近水下表面移动，产生利于生物膜菌落中需氧微生物的条件。尽管气泡大小会变化，但这些气泡尺寸一般较小，以使得能够与生物膜进行有用的相互作用。上升的气泡帮助污染的水沿水下表面循环，以刺激微生物的生长，并由此去除含碳的化合物，降低BOD和TSS，将氨氮转化成亚硝酸盐和硝酸盐，并且利用通气操作去除含硝酸盐和磷的化合物。污染水是含有一些量的不想要的化合物、不想要的物质、和/或不想要的有机化合物或无机化合物的液体。
可使用填充物或具有高表面积比体积和/或重量比值的其他材料来增加水下表面上生物膜生长可用的面积。系统产生了多个生物区域，其中需氧细菌建群在生物膜表面上，以利率用溶解的氧气(DO)并去除含碳化合物。在一些结构中，且利用某些操作，该系统还可以从废水中去除携带氮和磷的化合物。也可以产生缺氧和厌氧菌区域。
系统通过加入促进异养生物膜和其他细菌生长的改造的水下结构进行操作。异养菌需要若干基本条件来繁殖：用于附着的表面、充足的氧气供应、合适的温度，和营养物供应(例如，氮和磷)。除了上文那些基本条件，自养细菌是硝化细菌，并需要受到保护免于阳光照射，以使其功能最大化，将氨氮转化成亚硝酸盐和硝酸盐。
向水下生物膜表面供应空气，以增强向生物膜中细菌的氧转移。尽管所述系统和方法被讨论为与废水处理相关，所述技术可以用于处理任何污染水体，以去除含碳的化合物、将氨氮转化成硝酸盐，并吸收磷，不论认为污染水是否是废水。例如，该技术的其他应用包括处理：农业灌溉回收水、水族馆、厌氧消解上清液、食品加工废水、工业处理水、被污染的公共水路等。
在图1和2中显示了流体处理系统的一个实施方案。系统包括一个或多个嵌板10，其浸没在流体12，如废水之下。嵌板可由多种材料制成，只要该嵌板在污染水或废水环境中耐用。提供表面积的结构必须长年浸没在废水流之下时能够经受得住腐蚀。期望高的表面积比体积比，但优选避免介质的填塞。也期望嵌板是无毒的材料。合适的材料包括混凝土、塑料、金属等。甚至相信废弃材料，如再循环的汽车轮胎和再循环的塑料复合物可制造成合适的嵌板，以应用于本技术中。
在嵌板10的侧表面14上生长的是异氧细菌、自养细菌，可能还有其他细菌的膜16。异氧细菌分解有机碳化合物，以降低BOD和TSS，随后自养细菌在统称为硝化细菌的细菌存在下将氨氮转化成亚硝酸盐和硝酸盐，然后硝酸盐被转化成液体中存在的氮气。例如，多种硝化细菌物种可适合于本发明，如Nitrobacter agilis。建群在该生物膜上的所有物种是环境中天然发生的细菌。该技术中没有加入特定物种用于工作。相反，简单地配置该技术，以加强天然发生的过程。在一个实施方案中，首先用滴滤池流出水(已知富含“种子”细菌)的桶接种水下嵌板。
在各嵌板10的下端或边缘排列的是压缩空气管道18，其具有经配置来释放气泡22的开口20。嵌板中的压缩空气管道与一系列其他空气管道(图3、4中的24)相连，所述其他空气管道最终与压缩空气源26(图2)，如压缩机相连。压缩空气沿嵌板底部边缘释放，并且随着气泡上升，气泡与嵌板侧表面14上生长的生物膜16接触。因此用持续流的氧合污染水供应给生物膜和水。对于效率，希望为细菌的生物化学过程的需氧量提供有效的气泡大小和充足的空气，而不是通过提供多于需要的空气浪费能量。本领域技术人员为此目的能够确定合适的通气水平。
尽管图1(以及本文的其他图)中描述的嵌板10显示没有垂直表面，本发明的生物膜嵌板可以是垂直的或配置成具有垂直边。然而，优选具有倾斜或非垂直表面的嵌板，以不断迫使气泡22上升时沿着生物膜16的表面，而不允许气泡偏离那些表面。相对小的非垂直角度足以提供该功能。例如，图1中显示的嵌板10具有偏离垂直约2-3°的角度。相信甚至更小的角度仍然可以提供想要的气泡接触时间益处。同时，更大的角度(即，更接近于水平的表面)会趋向于减缓气泡上升的速度，因此增加气泡与生物膜的接触时间。对于较浅的废水池，或为了其他原因，这是想要的。
不规则的表面也可以帮助提供想要的气泡接触。例如，通气结构或嵌板在其整个结构中可以具有不平坦的表面、凹陷或空隙。当表面不规则或有缺陷时，那么缺陷可以在嵌板中提供小的微气候。例如，通过拥有与整个嵌板不同角度的小区域或通过在嵌板表面上提供小的非倾斜或非垂直区域来产生这些微气候。
上升的气泡22在污染水中也产生了箭头23表示的流型，将污染水沿生物膜表面16从污染水体底部拉起，并由此增强循环，以促进高水平的废水处理。因此，用富合营养物的污染水持续流(除所需氧气外)供应给生物膜。
通气结构也可以具有位于通气结构的空隙或中空区内的额外结构。可在通气结构附近提供高表面积-比-体积结构102，在此结构上可以形成生物膜层。通气系统提供的一些气泡可以穿过高表面积结构。高表面积结构可定位在或套装在第一个和第二个通气结构之间或第一个和第二个壁之间，如图解的。在不同的通气结构构型中套装高表面积-比-体积结构的备选构型会在下文进行讨论。
在图1中，高表面积结构图解为立方体型102结构，其中立方体内部部分含有延伸至立方体内并交织以提供大量表面积的塑料指状物。高表面积结构不限于立方体形状，并可以是任何其他合适的形状。例如，阐明了用于高表面积结构的三角形104。高表面积-比-体积结构可以是其中表面积是结构体积的2倍至高达150倍的结构。例如，一米的立方体结构可含有高达150平方米的表面积用于生物膜生长。
可用于提供高表面积-比-体积比值的材料类型可包括轻的塑料填充物、海绵、松弛的缠绕细丝、松弛的针织粗丝、或其他类似的高表面积材料。在一个实施方案中，可使用剁碎的塑料(例如，PVC)、剁碎的轮胎、模制再循环塑料、或其他材料。除了高表面积-比-体积材料，也可使用高表面积-比-重量填充介质。
高表面积-比-体积结构可由固定器固定在位。可使用的固定器的类型可包括，但不限于，网106或一个或多个凸缘108，如图1中图解。导网可以穿过高表面积结构，然后系到通气结构的一部分上，以将高表面积结构固定在位。如所提及的，在通气结构底部也可以是固定器结构，如多个凸缘或格栅结构。或者，可以具有从通气结构延伸出来的钉子，高表面积结构可以插入其中并悬挂在位。
使用具有相比较低体积的高表面积结构与通气结构组合提供了多种环境，其中可产生生物膜。一种类型的环境是通气系统使用气泡产生的需氧环境，所述气泡使得需氧细菌能够在高表面积-比-体积结构的生物膜游离表面上生长并且在靠近水下结构基底的生物膜的减少的氧合区域中促进厌氧菌生长。高表面积结构还可以是适当通气区域，因为一些气泡会容易地流经该区域，以提供氧气。最后，通气结构的内壁(或对面壁)附近的生物膜环境可以基本上缺氧，因为该区域不直接通气。在一些构型中，可产生厌氧区域。尤其是，形成具有变化氧含量的不同区域产生了：高度通气区域、中度通气区域和非通气区域。这些区域允许多种细菌在各区域中生长。
因为溶解氧在水下表面和填充介质内不均匀分布，所以产生了复杂的多通气系统，其允许不同的细菌类型在污染水中生长并消耗多种不想要的物质。尤其是，需氧区域具有可以消耗含碳物质并将碳转化成二氧化碳(CO2)的细菌。也可从废水中去除氨。首先，在需氧区域中发生需氧硝化。然后，发生缺氧脱氮作用，其输出氮气(N2)。因为气泡在污染水中垂直于通气结构移动，所以它们增强所希望的生物学过程。
水下通气结构可具有粗糙表面10，以促进生物膜生长。一个粗糙表面的实例是其中砂粒附着到或直接形成通气结构，以提供更大的表面积用于生物膜生长。当然若需要，可在通气结构上产生其他类型的不均匀表面或粗糙表面。也可将这些天然发生的细菌的起始菌落引入系统中，以增加生物膜成熟的速度。例如，起始细菌可涂布或埋入通气结构的表面或泵到通气结构体或污染水体内，以加速想要的生物学过程。此外，帮助促进细菌菌落快速生长的外部营养物可加入到废水中，以刺激细菌的形成。
可通过直射阳光抑制生物膜16中的硝化细菌。因此，在图1的实施方案中，可通过阳光屏障28覆盖水下嵌板10的组件。阳光屏障可以是屋顶、盖子(如在污染水表面上漂浮的盖子)，或任何相当的结构，其屏蔽水下生物膜免于阳光(由箭头30表示)照射。光屏蔽的环境促进硝化细菌的生长，并防止藻类生长。水下嵌板的其他实施方案也帮助屏蔽生物膜免于阳光照射，如下文所讨论。
嵌板10的大小可在宽范围内变化。在与图1和2一致的实施方案中，生物膜嵌板可以约2英尺高。然而，该系统可用于任何深度的污染水体，仅受细菌存活力的限制。例如，相信本系统可适合于利用适当的细菌处理盐水或海水。因此，可将嵌板制成需要延伸到想要的深度的任何大小。
在深废水池中，可使用长的嵌板，其中在嵌板中间深度使用空气出口99或氧合附着，可以仅氧合顶端部分，如图5中阐明。当然，空气出口可以更朝着嵌板的顶部或底部或如希望的中间的任何地方。该构型可促进嵌板较低部分上的缺氧条件，以及嵌板较高部分的需氧条件，其导致在单个嵌板上具有多种环境。因此，不同类型的细菌可在这些不同区域中生长。
然而，实际上，大多数废水处理在相对浅的废水池或贮水池，如图3和4中所示的废水池32中进行。在此类废水池中，下表面34通常由已经在废水中沉降下了的疏松沉积物和固体层36覆盖。一般想要将生物膜嵌板排列在该沉积物层上面。嵌板可延伸到污染水的上表面上，但却不需要这么做。在冬季冰覆盖废水池系统的地区，结构可以浸没在其中形成冰层的水平面之下，或可以足够重和/或强，当被风驱动的冰推动时仍然固定在位。污染水的循环也可阻止在通气结构及其顶部排气口周围形成冰。然而，废水池中的污染水水平可以波动，嵌板可配置成具有这样的高度，其对应于至少最小污染水的水平。
在图3和4中所示的废水池系统中，搁在废水池32底部34上的各框架或支架40上支撑水下生物膜嵌板10的多个组或多个模块38。这些嵌板组全部由导向压缩空气源26的压缩空气管道24相互连接。没有显示操作通气系统需要的电源、控制装置、压力调节器和其他组件，但是其用途和说明书在本领域技术人员的知识范围内。也显而易见的是，根据各嵌板下端的压缩空气管道18的浸入深度和用空气供应的通气结构的数量或大小，压缩机或其他压缩空气源能够提供合适压力和体积的空气。
多个模块38(各自包含生物膜嵌板10的一个装配支架40)可以期望的间隔置于现有废水池中，然后相互连接到压缩空气源26上，以开始操作。若需要，可用细菌装载废水池或各通气结构，然后细菌定居后，流经废水池的废水中的废物会被连续去除。
尽管图1-5中所示的生物膜嵌板10具有平面侧边的楔形构型，但也可以使用其他构型。嵌板可以是任何合适的几何形状，并不限于所阐明的实例，并包括具有垂直或非垂直排列的弯曲或扁平表面的任何几何形状，气泡系统用以提供气泡沿该表面移动。优选地，支撑生物膜的表面不是水平的，也不是垂直的，以便上升的气泡沿表面移动。
如图5中所示，作为一个实例，基本上平面的生物膜嵌板42在组内可以定位在一定角度并套装在一起。各嵌板在其较低的远侧端包括空气管道44，允许气泡22释放，上升到嵌板的表面。这些单个嵌板可由类似于参考图3所示和所述的可沉入水中的框架支撑。可在通气结构附近提供高表面积-比-体积结构41、43，可在其上形成生物膜层。如阐明，高表面积-比-体积结构可以是松弛的区块43或这样的结构，形成所述结构以安装在通气结构41的层之间。
图5中所示的构型可以提供若干优点。首先，以间隔D放置水下嵌板42，所述间隔D足够的小，以允许各嵌板的上部分帮助阻断来自邻近嵌板表面的阳光30。此类构型可减少或消除额外光屏蔽的需要。此外，相信间隔D的充分减少可允许空气22氧合嵌板的向下表面46，并至少部分氧合邻近嵌板的对侧向上表面47。这可允许平面嵌板的两个表面支撑细菌的生物膜16，因此可能增加各嵌板的有效性。
或者，本发明的生物膜嵌板可以其它形状形成，如弯曲表面、椭圆形、伸长的外壳、抛物线外壳或其它弯曲倾斜的表面，其配置用于浸没在污染水中。例如，在图6A和6B所示的一个实施方案中，水下生物膜外壳包含半球体或部分圆顶48，其在顶部具有开口50，以允许气泡22逃逸。可配置半球体，以安置在废水池底部34上的支架52上，在外壳底部周围排列着压缩空气管道54以提供气泡。希望将半球体的底部置于废水池的底部上面，以允许污染水循环，如箭头23所示，并进入半球体的下端。可在通气结构附近提供高表面积-比-体积结构51，在所述结构上可形成生物膜层。
半球体48天然地保护其内表面56免于阳光30照射，以便细菌的生物膜16可在其上生长。空气管道54中释放的气泡22沿内表面向上移动，为细菌提供了氧气并帮助循环污染水，直至到达顶端开口50，在这里气泡自然地上升至污染水的表面58。外壳的使用对其中不实际或不想覆盖整个废水池来阻挡阳光的情况是令人期望的。可将多个外壳置于废水池中，并且其自身的几何形状为细菌的生长提供了适当的条件。
半球形外壳构型可包含模块59中的多个套装的集中排列的半球形外壳，如图6A和6B中所示。像其他外壳48，内壳48a和48b各自通过其自身的结构和邻近的外壳被屏蔽免于阳光30照射。尽管显示了仅两个内壳，显而易见的是套装外壳的数量不限于该数目。这些套装的外壳可支撑在同一支架52上，并且全部以与外部外壳相同的方式起作用来为细菌提供生长表面，并为细菌提供氧气。此外，因为具有图5的套装嵌板，可将套装外壳放置得足够接近，以至于硝化细菌可在内部套装外壳的外表面上繁殖，并增加系统的性能。
或者，套装外壳可支撑在如图6C中所示的闭合基底结构上。为了克服通气结构和高表面积-比-体积结构1640内气泡流产生的浮力，结构的一些实施方案可具有底部分1600，其直接位于废水池的底部，并且底部分可附着到较高部分1610上，并且底部分可作为锚定结构起作用。可用填定物1620，如沙、水泥砖、岩石、倾注水泥或其他相对重的物品来压低通气结构。该底部分或锚定结构可具有直径为一英寸或多英寸的洞1630，并且该洞可允许液体流经底部分。基底高度可以仅少许英寸，或高达期望的少许英尺。可以任何外壳形状(例如，锥体、半球体、立方体、导管等)应用闭合的基底结构。基底可通过任何已知的方法附着到外壳上。例如，可使用热焊接、机械扣件、螺钉、胶水或其他固定方法将基底附着到外壳上。此外，基底结构可制备成与外壳一体的单个结构或单个单元。搭接带可附着到基底上，然后附着到废水池地板上，以稳定通气结构。
除了弯曲的外壳，也可使用不弯曲的外壳。图7A和7B中显示的是锥形外壳60。像半球形外壳48，锥形外壳在其顶部包括开口62，以允许气泡逃逸，并且锥形外壳支撑在废水池32底部34上的支架64上，其中空气管道66排列在外壳的底部。外壳的外表面68阻挡了阳光30，允许硝化细菌的生物膜16在内表面70上生长。空气管道释放的气泡22上升至基本上平面的内表面上，如箭头23指示，为细菌提供了氧气并循环了污染水。
如具有半球形外壳模块59，锥形外壳模块69可包含套装的外壳，如图7A和7B所示。内部锥形外壳60a和60b各自通过其自身结构和邻近的外壳受到屏蔽免于阳光30。尽管显示了仅两个内壳，但套装外壳的数量不限于该数目。这些套装外壳支撑在支架64上，并以与外部外壳相同的方式起作用。如图7B显示，图解的锥形外壳可具有基本上正方形的平面形状，其可以使得它们比半球形外壳空间上更充足。包含基本上扁平的嵌板组分的这种形状也更易于制造并且更廉价。也可在通气结构附近提供高表面积-比-体积结构61，在其上可形成生物膜层。
尽管显示了两种形状的外壳和套装外壳，显而易见的是也可以使用其他形状。例如，可使用圆锥形外壳或一系列套装圆锥形外壳。也显而易见的是可使用非半球形弯曲外壳，并可选择这些对气泡22上升速度的影响。因为半球形外壳48提供弯曲的内表面56，气泡22上升的速度会随高度而发生改变。这可提供气泡与生物膜不同区域的不同接触时间。然而，可选择外壳的形状，来提供气泡不同的上升速度。例如，除了半球形外壳，也可使用椭圆形、抛物线形或双曲线弯曲的外壳。也可使用其他弯曲的和不弯曲的形状。
可在多种情况中使用合并水下通气生物膜模块的系统，以从污染水中去除不想要的化合物。如下文中更详细地描述，该技术可适合于分批处理应用，其中包含固定体积的污染水并对其进行处理一段时间。然而，相信也许最常用的应用会是在恒流废水处理池中，尤其是最初设计为非通气废水池的废水池中。可将此类废水池配置成图3和4中显示的土制废水池32。或者，具有垂直侧壁的混凝土衬砌的废水池，甚至地上贮水池、槽或盆可适合于处理本发明的污染水。实际上，本发明可应用到任何污染水体中。
图3和4的废水池是流通或恒流系统的一部分，其中流入液通过入口72进入废水池中，并且流出液通过出口74连续流出。通常控制此类废水池的大小，以允许污染水位于废水池中用于期望的处理。本领域的技术人员将能够计算具有给定流速的废水池需要的水下通气生物膜模块的量。
图7C阐明了第二个通气结构70，其具有通过管道74垂直连接第一个通气结构75的出口的第二个通气结构的入口72。这使得污染水能够使用空气提升作用以垂直方式循环通过两个通气结构。
图7D图解了第二个通气结构的俯视图，其具有水平连接第一个通气结构77的出口78的第二个通气结构76的入口。因为污染水移动通过废水池，那么污染水可连续移动通过这些邻接的通气结构。箭头79指示污染水通过图7D中的通气结构的整体运动。
在图8和图9中显示了备选的恒流处理构型。图8显示的是水下通气生物膜处理系统，其包含在开放流动废水池或贮水池80中排列的多个水下半球形模块59。污染水通过入口82进入废水池中，并随着向出口84移动而逐渐流向并流经水下生物膜模块。水下模块面向出口分组，以提供面向入口的沉降区域86。该沉降区域提供了这样的区域，其中悬浮的固体和有机物质可在碰到水下生物膜模块之前沉降出污染水。这帮助降低污染水到达水下模块时污染水中有机物质的水平。
图9图解了包含具有一系列挡板92的槽形废水池90的备选恒流处理系统，所述挡板迫使污染水沿蜿蜒途径从入口94流向出口96。水下半球形模块59顺序排列通过废水池，因此引起污染水随着经过废水池而穿过各模块。像图8的开放流动废水池80，槽形废水池90在其入口附近包括沉降区域98，以提供这样的区域，其中悬浮的固体和有机物质可在碰到第一个水下生物膜模块之前沉降出污染水。所阐明的通道可以是沿流线的可变宽度，以调节通气设备中及其周围的滞留时间。
回路通道也可包括通气系统，其在污染水体中形成通气区域。在一个实施方案中，多个通气结构1014可定位在回路通道中，如图10所阐明。至少一部分回路通道可具有形成通气区域的通气系统1010。此外，也可具有回路通道的至少第二部分，其将没有通气系统1012。当然，还具有多个通气区域和多个非通气区域，如所希望的。通常具有若干通气区域和非通气区域，以允许发生合适的细菌过程。因为污染水以低速穿过回路通道，那么各区域中不同类型的细菌将会消耗污染水中含碳、含氮和含磷的化合物，如先前讨论。
多个通气区域的使用提供更需氧的区域和缺氧的非通气区域。具有通气系统的回路通道的部分可形成细菌区域，其中需氧菌建群在生物膜表面上以利用溶解氧(DO)。没有通气系统的回路通道的部分可形成这样的区域，其中厌氧菌形成菌落。
在系统的一个实施方案中，通气区域可具有不同量的(溶解氧)DO。例如，回路通道的第一部分可以是高度通气的，而回路通道的第二部分可具有中等量的DO。然后回路通道的第三部分可具有少量的DO。最后，回路通道的第四部分可是缺氧的或甚至厌氧的。
因为溶解氧在各区域之间不均匀分布，这帮助产生复杂的多区域系统，其允许不同的细菌在不同的区域中生长，并分解不想要的物质。区域变化也可与通气结构自身内的不同区域组合工作。更尤其是，通气区域中的这些变化可与定位在通气结构和各通气结构内表面和外表面中的高表面积-比-密度结构组合工作，如先前所描述。
在图10的废水池使用的备选过程中，区域可以是移动的通气区域。这表示通气可以与污染水整体穿过通道或蓄水池的相同速率穿过区域。或者，通气区域可以比整体污染水运动速率快或慢的速率移动。这样，当整体污染水到达系统末端时，出水可含有减少的污染物或高浓度的污染物。
在图11中图解了具有区域的通气系统的备选构型。这图解了没有回路系统的通气区域。尤其是，通气区域1110和非通气区域1112没有分隔区域的壁，但是随着污染水缓慢地从入口1114流向废水池或贮存槽的出口1116，其经过这些不同区域。图解的区域一直通气或一直不通气。这样，污染水的整体运动用于移动污染水通过通气的和非通气的区域，因此不同的污染物可在不同的区域中被消耗。
可在废水池或贮存槽的出口1116加入再循环通道1120，其将系统的输出物直接再循环至废水池的入口1114。使用再循环通道增加了细胞再循环和停留时间。如果处理废水池或通道经历意外的毒性休克(其损坏了生物膜并且大多数细菌受到抑制)，这可以帮助系统恢复。换言之，再循环系统可帮助加速生物膜从毒性休克的恢复。此外，可通过再循环稀释污染物的水平。尤其是，再循环通道允许污染水被系统再处理，并且这可导致每次污染水经过系统时水更清洁。该再循环结构可应用到本文描述的任何废水池或通道结构中。
图12图解了这样的实施方案，其中配置通气系统，在第一时间期限内向废水池或贮存槽1220提供通气，然后在第二时间期限内关闭通气系统。在该构型中，同时打开或关闭废水池的所有通气系统。打开通气系统使得通气结构1222上的生物膜从废水中有氧吸收磷酸盐化合物。在有氧期间处理的污染水可通过主要的排出管道1224排出。污染水体中的通气系统关闭后不久，磷酸盐化合物从生物膜中流出，并可通过第二个排出管道经过阀1226进行转向，并保持在单独的驻留废水池1228或蓄水池中。
随时间流逝，厌氧和需氧条件之间交替的循环(打开空气/关闭空气)可触发多磷酸盐积累生物(PAOs)在需氧条件下从污染水中吸收并去除磷。更尤其是，随着污染水通过管道化的系统，通过在需氧条件和厌氧条件之间循环来触发PAOs以去除磷。稍后当强加厌氧条件时，相同的生物体会排出磷酸盐化合物。当满足某些条件时，因为之前从磷饥饿，这些生物体可以贪婪的吸收方式吸收额外的磷。这可导致甚至更大量的磷从系统中被去除。
通过在厌氧期间将含有排出的磷化合物的流出物转向收集废水池中，同时在需氧吸收期间允许流出物正常地排出，来将这些时序应用到整个废水池系统中。
或者，时序可应用到废水池系统的部分中，通过管道壁和阀系统控制所述废水池系统。例如，这允许废水池的一半被通气，而另一半不被通气。因此，这允许废水池的一部分分流到磷收集废水池中，同时废水池的其他部分以通气模式继续。然后该过程会转换到相反的边。
吸收和去除磷的这些时序可在几天或几周内发生。例如，通气发生的时间期限可以是一周，然后从蓄水池中去除磷的时间期限可以是一天。或者，通气期限可以是3到4天，磷去除期限可以是8小时。可改变这些期限，以优化通气和去除期限，如期望。
在一个实例中，需氧循环可以是通气和需氧6-12小时的许多循环，和非通气6-12小时的许多循环。循环时间的其他实例是3小时循环、18小时循环或24小时循环，其取决于处理水的污染程度。当基于污染物的浓度经过适当数量的通气和非通气循环时，细菌微气候经历从需氧到缺氧多次的改变。最后，厌氧循环可延长至整个24小时。这导致磷酸盐化合物的流出，其然后如描述被分流。
废水池和水下斜面和填充材料的(i)滞留时间，(ii)通气分布，和(iii)有机填充物的量和空间分布的变量直接影响氮、磷和碳化合物的污染物的去除。可在期望去除的化合物基础上修改这些变量的每一个。
图13图解了从液体中去除不想要的物质的系统。在该实施方案中，加热器可定位在通气结构附近，配置所述加热器以为生物膜提供较温暖的环境。该加热器可以是定位在通气结构底部的水加热器1002。可配置水加热器以加热水，其会向上通过通气结构并促进生物膜生长。
图14图解了可将热源置于通气结构1102的内壁表面上。为描述性目的，已经夸大了热源厚度的这种说明，但加热器可以是带状线加热器、扁平陶瓷加热器或另一有些扁平的加热器，其可置于通气结构上。或者，电加热元件1104可嵌入通气结构的材料中，并可配置来加热通气结构，依次加热周围的污染水。在一个实施方案中，空气供应系统中的空气热源可提供加热的气泡，其穿过通气结构内的通道，促进生物膜生长。以类似的方式，空气通道可刻到通气结构的表面中，以引导促进生物膜生长的加热气泡。该加热作用也可抑制通气结构顶部的冰形成。
在备选实施方案中，也如图14所阐明，热源可以是与太阳热能收集结构1106连接的太阳能加热器。太阳热能收集结构1106可以附着到，或定位在这样的区域附近，其邻近通气结构1102。这允许太阳能加热器加热通气结构附近的污染水，以提高污染水的整体温度，而不会将阳光指向通气结构自身上，其会杀死细菌。
此外，太阳加热的污染水可穿过在通气结构下面通行的卷曲管道。这使得污染水能够以环境友好的方式被加热。类似地，光电太阳能收集装置可用于收集电，其然后会用于驱动气泵。同样，风车可用于向空气供应系统提供动力，以在连续倾斜的表面底部注射压缩空气。
图15图解了配置成在一个实施方案中使用多个倾斜导管或管道的通气系统。空气被泵入通过多头导管1202，并且可从多个喷口离开进入导管或管道的第一个末端1204。可使用多种斜面或对斜面的修改。导管或管道可具有θ(θ)的倾斜角度，并且导管的倾斜可以从0度变化至90度。气泡可对着具有生物膜包被的导管或管道的倾斜表面移动，然后气泡可从导管的对面末端1206离开。
图16图解了配置成在本发明的实施方案中使用多个套装倾斜导管的通气系统。套装的倾斜导管以图15中描述的类似方式运行。可将空气导向各套装导管，或者空气输出量可展开，然后随着气泡被各导管捕获，空气输出物穿过导管。导管的倾斜角度θ(θ)可从0度变化至90度。
图17图解了配置成使用多个倾斜或水平套装导管的通气系统。在该实施方案中，显示了导管的上半部分，但也可以使用满半径导管。可提供具有一组洞1402的区域1404，以从导管中释放气泡。或者，可在这样的位置中切出多种大小或长度的一个或多个洞，其中显示了为气泡提供逃逸的洞。如先前所述，使用定位在通气结构的两个或多个壁之间的具有高表面积-比-体积和/或重量比例的材料1406增加水下表面上可用于生物膜生长的区域。套装导管的倾斜角度θ(θ)可从0度变化至90度。
图18图解了在本发明的实施方案中，指导空气和污染水通过不同途径从通气结构中离开的转换机制。指导开关1502可为气泡以及气泡移动的污染水提供两条或多条途径。在第一种构型中，开关可允许气泡直接逃逸到表面1504。在第二种构型中，离开的气泡和污染水可进行再循环，并回到同一个通气结构1506中。在第三种构型中，离开的气泡和污染水可导向另一水下装置的入口，或单独的废水池或流出物通道中。多个开关结构允许操作者指导离开的污染水和气泡直接进入大气中，进入同一个通气结构中用于额外的处理，进入姊妹通气单元中，或转移处理的空气、污染水和细菌细胞到其他结构1508中，并且这可帮助控制气味。指导开关可以是被动开关，其使用被动空气提升器来移动空气和污染水通过开关，或者指导开关可以含有电机驱动的机械泵(例如，涡轮)来驱动污染水通过另一通气结构或将污染水再循环回到同一结构中。
图19是本发明实施方案中气泡提升器的侧面横断面图。提供空气供应1606以向十字头导管1602、1604供应气泡。空气供应可进入导管1608弯头处或其附近的导管中或可在导管的出口处提供气泡环1610。该空气提升器为十字头导管提供了一类抽吸作用，并且可使得污染水能够通过导管被抽起。尤其是，可从导管入口抽出污染水，所述导管位于通气结构不同距离和角度。当然，如果需要，也可在导管入口导入空气。
在图20中图解了导管可被称为十字头导管的原因，所述图20是图19空气提升器实施方案的俯视图。设置十字头导管的入口位置远离通气结构，以使得能够将额外的污染水抽进通气结构中，并且这可以向通气结构中带入额外的营养物和接种细菌。这些十字头导管帮助从多个地方供应污染水，以接种通气结构。导管的水平部分也可用于使用在水平导管中形成的细菌菌落捕获磷化合物。尤其是，水平导管部分中的碳源和厌氧环境可提供这样的环境，其中细菌希望吸收磷化合物。此外，污染水提升器利用气泡程序，其已应用于产生在废水池或通道中混合的额外水。
十字头导管也可用于从废水池的其他地方抽取污染水。例如，十字头导管可从通道或废水池的末端抽取污染水，以将水再循环回到通道或废水池的开始端。或者，十字头导管可在通道或废水池的末端具有入口，以允许细菌菌落从该区域中被吸取，这使得在处理过程开始时更快地吸取细菌菌落。
如上指出，水下模块的通气系统引起模块周围的污染水以较低的水平被抽取，并在模块顶部被放出。该特征有利地帮助促进污染水的彻底处理，而不是允许污染水的一部分与出口短路而没有得到彻底处理。即，随着给定体积的污染水通过水下模块，与该模块相关的气泡上升运动产生的底部-至-表面流会趋向于混合并循环所述体积的污染水，以便最终将大部分污染水抽提到模块中，并将其与细菌接触。将混合并分散给定模块实际没有处理的这部分体积，从而可能通过随后的模块进行处理。因此，随着污染水流向出口，整个体积在途中被处理的可能性很高。特别设计管道化的废水池构型来增加污染水被彻底处理的可能性。无论如何，随着时间流逝，未处理水的体积变成整个体积的小百分比。
废水池系统的一个优点是低维护和操作成本。水下生物膜模块非常适合该操作方案。它们基本上是被动装置，其一旦就位，很少需要进行维护，除了空气供应。因为它们是模块化的，可向废水池中一次加入少数装置，直至达到想要的处理水平。
本发明在几个方面是有益的。首先，有气味的氨水浓度降低了，并且被更温和的硝酸盐代替，所述硝酸盐最终转化成无毒的氮N2。极大降低了废水的生化需氧量(BOD)。在废水池中发生混合，其减少垂直成层，并使得污染物去除更连贯。通过其通气系统天然产生水循环的物理屏障(水下模块)的存在，也可简单地降低废水从入口到出口的短路。对于动物操作，当处理的废水池水返回用于车库冲洗，更清洁的废水池流出物会提高空气质量，并降低对新鲜加价水的需要。
本发明可用于处理许多类型的污染水体。例如，该系统可用于处理来自养鱼场、水族馆、贮水池、河口、氧化沟渠、饲育场澄清池、垃圾场(即，垃圾场浸出液)、收集废水(市区的和工业的)的各容器的污染水或液体，或其他液体。此外，系统和装置可用作一系列线性过程和构型的部分。这表示因为大量多样的潜在可用细菌，该系统和方法能够提高几乎任何污染水体的质量。
应理解的是上文参考的安排仅为说明本发明原理的应用。可设计许多修改和备选安排，而不背离本发明的精神和范围。尽管已经在附图中显示了本发明，而且上文利用与目前认为是本发明最实用和优选的实施方案相关的特性和细节完全描述了本发明，对本领域技术人员显而易见的是可进行许多修改，而不背离本文阐明的本发明的原理和概念。

Claims (33)

1.从液体中去除不想要的物质的系统，其包含：
具有连续倾斜表面的通气结构，所述倾斜表面经配置以提供气泡在向液体顶部运动的同时针对基本上全长的连续倾斜表面的相互作用，所述连续倾斜的表面基本上浸没在液体中；
在连续倾斜表面上排列的细菌的生物膜；
通气结构附近的高表面积-比-体积结构，在其上可形成细菌的生物膜；
可偶联空气供应系统的通气系统，其被配置成向连续倾斜表面的底部释放气泡，使得气泡上升时沿连续倾斜的表面和高表面-比-体积结构移动，以便(i)为生物膜产生多种需氧-厌氧条件，和(ii)产生底部-至-顶部循环模式以提供选择性的空气混合，以为暴露的表面上的生物膜维持微气候。
2.权利要求1的系统，其中形成第二个通气结构，该第二个通气结构套装在所述第一个通气结构内并且高表面积-比-体积结构位于第一个通气结构和第二个通气结构之间。
3.权利要求1的系统，其中高表面积-比-体积结构通过固定器保持在通气结构附近，所述固定器选自：网、导网、通气结构底部的固定器、通气结构底部上的多个凸缘和格栅。
4.权利要求1的系统，其中高表面积-比-体积结构还包含高表面积-比-重量填充介质。
5.权利要求1的系统，其中需氧细菌在高表面积-比-体积结构的生物膜的暴露表面上生长，并且厌氧细菌在接近高表面积-比-体积结构底材表面的区域中得到促进。
6.权利要求1的系统，其中气泡的移动在连续倾斜表面附近的至少一部分液体中循环并通过高表面积-比-体积结构。
7.权利要求1的系统，其中通气结构外壁表面上的生物膜可具有需氧环境，高表面积-比-体积结构上的生物膜可具有中等需氧环境，与通气结构外壁相对的内壁的外表面上的生物膜基本上是缺氧环境。
8.权利要求1的系统，其中通气结构具有粗表面以促进生物膜生长。
9.权利要求1的系统，其中通气结构具有沙粒形成的粗表面，以促进生物膜生长。
10.权利要求1的系统，其还包含第二个通气结构，其具有水平连接第一个通气结构出口的第二个通气结构的入口。
11.权利要求1的系统，其还包含第二个通气结构，其具有垂直连接第一个通气结构出口的第二个通气结构的入口。
12.从液体中去除不想要的物质的系统，其包含：
具有连续倾斜表面的通气结构，所述倾斜表面经配置以提供气泡在向液体顶部运动时针对基本上全长的连续倾斜表面的连续相互作用，所述连续倾斜的表面基本上浸没在液体中；
在连续倾斜表面上排列的细菌的生物膜；
通气结构附近的高表面积-比-体积结构，在其上可形成细菌的生物膜；
位于通气结构附近的加热器，所述加热器经配置以为生物膜提供较温暖的环境；和
偶联空气供应系统的通气系统，其经配置以向连续倾斜表面的底部释放气泡，使得气泡上升时沿连续倾斜表面移动，以便(i)在生物膜产生多种需氧条件，和(ii)响应连续倾斜表面的方向使气泡参与连续混合用于生物膜的微气候，(iii)使用气泡提升器将水从底部循环到顶部。
13.权利要求12的系统，其中加热器是位于通气结构底部的水加热器，所述水加热器经配置以加热水而通过通气结构向上移动，并促进生物膜生长。
14.权利要求12的系统，其中加热器位于通气结构的内壁表面上。
15.权利要求12的系统，其中加热器是位于通气结构内壁表面上的电阻电加热器，并且配置其来加热通气结构和部分液体。
16.权利要求12的系统，其中加热器是包埋在通气结构内的电阻电加热器，并且配置其来加热通气结构。
17.权利要求12的系统，其还包含空气供应系统内包括的空气源加热器，以提供促进生物膜生长的加热的气泡。
18.权利要求12的系统，其还包含空气供应系统内包括的空气源加热器，以提供穿过通气结构内通道以促进生物膜生长的加热的气泡。
19.权利要求12的系统，其还包含附着在通气结构附近的太阳能收集结构，以为通气或加热提供能量。
20.权利要求12的系统，其中空气供应系统包含为空气供应系统提供能量的风车，以在连续倾斜表面的底部注射压缩空气。
21.从液体中去除不想要的物质的系统，其包含：
具有连续倾斜表面的多个通气结构，所述倾斜表面经配置以提供气泡在向液体顶部运动时针对基本上全长连续倾斜表面的相互作用，所述连续倾斜表面基本上浸没在液体中，其中基本上整个连续倾斜表面处于斜面上；
在连续倾斜表面上排列的用于分解有机物质的细菌菌落的生物膜；
在液体中形成的回路通道，其中多个通气结构位于所述液体中；和
偶联空气供应系统的通气系统，其经配置以在需要时向连续倾斜表面的底部释放气泡，使得气泡上升时沿连续倾斜的表面和高表面-比-体积结构移动，以(i)为生物膜产生多种需氧-厌氧条件，和(ii)产生底部-至-顶部循环模式，以提供营养物和空气混合，来为暴露表面上的生物膜维持微气候。
22.权利要求21的系统，其还包含具有通气系统的回路通道的第一部分和没有通气系统的回路通道的第二部分。
23.权利要求21的系统，其中通气系统经配置以在第一时间期限提供通气，然后在第二时间期限内关闭通气系统。
24.权利要求23的系统，其中打开通气系统使得生物膜能够从需氧期间处理的液体中需氧吸收含磷化合物，通过主要的排出管道排出所述化合物。
25.权利要求24的系统，其中关闭液体中的通气系统预定时间，以允许含磷化合物从生物膜中排出，以通过第二个排出管道转向并保持在单独的驻留液体中。
26.权利要求22的系统，其中具有通气系统的回路通道部分还包含这样的区域，其中需氧细菌建群在生物膜上以硝化氨氮。
27.权利要求22的系统，其中没有通气系统的回路通道的部分还包含这样的区域，其中厌氧细菌建群在生物膜上对来自液体中的亚硝酸盐和硝酸盐脱氮。
28.权利要求21的系统，其还包含高度通气的回路通道的第一部分，具有中等通气的回路通道的第二部分，和不通气的回路通道的第三部分。
29.从液体中去除不想要的物质的方法，其包括：
指导部分液体流过使用液体中至少一个引导壁形成的回路通道；
在回路通道中浸入多个通气结构，所述通气结构在液体中具有连续倾斜的表面，并且基本上各通气结构的完整连续倾斜表面位于斜面上；
使得多种生物膜细菌菌落排列在连续倾斜表面和高表面-比-体积结构表面上；
使用偶联空气供应系统的通气系统在连续倾斜表面的确定点上释放空气，使得形成气泡并在气泡上升时沿连续倾斜的表面移动，以(i)为生物膜产生多种需氧和厌氧条件和(ii)产生底部-至-顶部循环模式，以提供营养物和空气混合来为暴露的表面上的生物膜维持微气候。
30.权利要求29的方法，其还包括将通气系统置于回路通道的第一部分，并提供没有通气系统的回路通道的第二部分。
31.权利要求29的方法，其还包括在一段时间期限内激活通气系统来提供通气，并在一段时间期限内使通气失活。
32.权利要求29的方法，其还包含：
激活通气系统，使得需氧生物膜从废液中捕获含磷化合物并当通气活化时排出流体；并
停止通气系统以便从生物膜中排出含磷化合物而将来自液体的流体转向以保持在单独的驻留池中。
33.权利要求30的方法，其中连续倾斜表面上的确定点还包含连续倾斜表面的底部、连续倾斜表面的中点，或连续倾斜表面的顶点。
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