CN102753489B - 同时进行的缺氧生物除磷和氮以及回收能量 - Google Patents

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Abstract

提供用于处理污水以在除去氮、碳和磷的同时以甲烷和二氧化碳的形式回收能量的方法和系统。将含氨流导入预处理罐，该预处理罐产生剩余污泥、生物气和经预处理流。经预处理流具有比含氨流少至少45%的碳。然后将经预处理流导入缺氧罐，该缺氧罐促进磷的释放以及颗粒状和溶解的有机物的发酵。将混合液转移至具有低溶解氧溶度的曝气罐以促进磷-释放细菌的形成，该细菌最后通过回流活性污泥的方式被再循环至缺氧罐。在曝气罐中同时发生硝化、反硝化和磷释放。膜罐从膜罐中的活性污泥中分离经处理的流出物。

Description

同时进行的缺氧生物除磷和氮以及回收能量
相关申请的交叉参考
本发明要求美国申请号No.12/981,984，题目为“SIMULTANEOUSANOXICBIOLOGICALPHOSPHORUSANDNITROGENREMOVALWITHENERGYRECOVERY”(于2010年12月30日提交)的优先权，其是美国申请号12/886,321，题目为“SIMULTANEOUSANOXICBIOLOGICALPHOSPHORUSANDNITROGENREMOVAL”(于2010年9月20日提交)的部分继续申请并要求其优先权，其全部内容引用在此作为参考。
发明背景
除去污水中的多种成分，例如氮、碳和磷是艰难的和高成本的过程，在一些情况中需要向污水处理过程中加入碳源。另外，用于很多污水处理过程中的高溶解氧浓度主要导致了污水处理厂的高能量成本。可以在过程中在缺氧罐中加入碳源，例如甲醇以例如辅助反硝化。另外，曝气罐(aeratedtank)可能需要高浓度的溶解氧以促进生物需氧量(BOD)和氨的氧化。但碳源的添加以及高浓度溶解氧的需求是高成本的，极大增加了处理污水的费用。
发明内容
本发明的实施方案通过权利要求进行定义，而不通过以下概述进行定义。出于以下原因，在此提供本发明多个方面的高水准概述：提供本公开的概述，以及介绍将在下文中进一步详细介绍的概念精选。此处的概述不意在确定所要求的主题的关键特征或基本特征，也不意在用于辅助分离以确定所要求主题的范围。
在第一方面，提供用于处理污水以在除去有机物、氮和磷的同时回收能量(energyrecovery)的方法。该方法包括：在预处理罐(pretreatmenttank)中提供含氨流(stream)，所述预处理罐至少产生剩余污泥(excesssludge)、生物气和经预处理流。所述经预处理流具有比含氨流少至少45%的碳。另外，所述生物气至少包括甲烷和二氧化碳。所述方法另外包括使所述经预处理流和回流的活性污泥(returnactivatedsludge)流动至在缺氧条件下运行的缺氧罐(anoxictank)以及在所述缺氧罐中混合所述经预处理流和所述回流的活性污泥以形成混合液，从而引发磷的释放以及颗粒状有机物和溶解的有机物的发酵。另外，该方法包括转移所述混合液至在微需氧条件下运行的曝气罐。在所述曝气罐中的溶解氧的浓度为小于1.0mg/L混合液，该浓度可以有效促进同时进行的硝化、反硝化、磷释放和磷吸收。该过程还包括转移所述混合液至膜罐(membranetank)，该膜罐从含微生物的活性污泥中分离出经处理的流出物。第一部分的所述活性污泥作为回流的活性污泥被返回至所述缺氧罐。
在第二方面，提供用于减小流中的氨并回收能量的方法。该方法包括在预处理罐中提供含氨流，所述预处理罐包含和所述含氨流反应以生成生物气和经预处理流的厌氧微生物。另外，该方法包括在有效处理条件下使所述经预处理流与含氧流接触以形成第一产物流，所述经预处理流中的氨对所述含氧流中的氧的比率为约2.28gO2/gN-NH3(每克氮(在氨中)，2.28克的氧)或更小。该方法另外包括在比率为约0.57gCOD/gN-NH3(每克氮(在氨中)，0.57克化学需氧量)或更小的有效处理条件下使所述第一产物流暴露在有机物中。
在第三方面，提供用于处理污水以在除去有机物、氮和磷的同时回收能量的系统。该系统包括预处理罐，其接收工厂流入污水以及包含和所述工厂流入污水反应以至少生成含甲烷的生物气、剩余污泥和经预处理流的厌氧微生物，所述经预处理流具有比所述工厂流入污水少至少45%的碳。该系统还包括缺氧罐，其接收所述经预处理流和回流的活性污泥。所述缺氧罐在缺氧条件下运行以促进反硝化、磷释放以及颗粒状有机物和溶解的有机物的发酵。另外，该系统包括曝气罐，其接收来自所述缺氧罐的混合液。在所述曝气罐中的溶解氧浓度小于1.0mg/L混合液以有效促进磷-释放细菌的形成(development)。所述磷-释放细菌存在于接收到所述缺氧罐中的回流的活性污泥中。所述回流的活性污泥中的磷-释放细菌允许在所述缺氧罐中的磷释放和颗粒状有机物的发酵。该系统另外包括膜罐，其从活性污泥中分离工厂流出污水，所述活性污泥的一部分作为回流的活性污泥再循环至所述缺氧罐。
附图说明
以下将参考附图对本发明的示例性实施方案详细地进行说明，其中：
图1示出了根据本发明一实施方案的污水处理方法的示意图；
图2示出了根据本发明一实施方案的备选污水处理方法的示意图；
图3示出了作为实施本发明实施方案结果的污水处理厂能量使用量的减小；
图4示出了当在污水处理厂中实施本发明实施方案时氨和磷酸盐两者的减小；
图5示出了表示每个罐中的磷、溶解氧和硝酸盐浓度的柱状图；
图6示出了根据本发明一实施方案具有能量回收的污水处理方法的示意图；
图7示出了根据本发明一实施方案利用升流式厌氧污泥床(UASB)反应器的污水处理方法的示意图；
图8示出了根据本发明一实施方案利用化学强化一级处理(CEPT)的污水处理方法的示意图；
图9示出了根据本发明一实施方案利用一阶段活性污泥系统的污水处理方法的示意图；
图10示出了根据本发明一实施方案利用一阶段活性污泥系统的污水处理方法的示意图；
图11示出了柱状图，其显示根据本发明一实施方案利用多种水处理系统的能量强度的比较；以及
图12示出了柱状图，其显示根据本发明一实施方案由生物气生成的能量的比较。
本发明的详细说明
在本文中具体说明了本发明的实施方案的主题以满足法定需求。但是说明本身不意在必要地限制权利要求的范围。所要求的主题可以其他方式实施以包括不同的步骤或本文中所说明的类似的步骤组合，结合其他现有技术或未来技术。术语不应该理解为在本文所述的多种步骤之间的任一特定次序，除非明确说明了单个步骤的次序。
图1示出了污水处理方法10的示意图。更具体地，该污水处理方法提供了能量和成本有效的方法用于同时除去工厂流入污水中的氮、磷和有机物。尽管很多系统需要外部碳源和高浓度溶解氧，而本发明的实施方案不需要外部碳源和高浓度溶解氧，事实上相比较通常用于污水处理系统中的溶解氧和碳的量而言，本发明实施方案需要非常少量的溶解氧和碳。例如，很多系统需要外部碳源用于除磷和除氮，但在本发明的实施方案中，除氮仅需要最小量的碳，因为其主要利用氨。另外，除磷利用存在于污水中的溶解的和颗粒状的碳(例如颗粒状有机物)，取代仅溶解的碳或外部碳源。在图1的实施方案中，三个独立的罐用于同时除去工厂流入污水12中的氮、磷和有机物。如本文中所使用的，工厂流入污水12是还未经处理因此还未进入污水处理系统的原污水，所述污水处理系统例如本文中所说明的污水处理系统。
图1所示的第一个罐是缺氧罐16，其接收至少两个流，包括工厂流入污水12和回流的活性污泥14。如本文中将进一步讨论的，回流的活性污泥14是活性污泥的一部分，该活性污泥来自第三个罐或膜罐20，再循环进入一个或多个其他罐，例如缺氧罐16。如本文中所使用的，活性污泥是已经和工厂流出物分开的流。该活性污泥流除含硝酸盐和溶解氧之外还包含微生物量(microbialmass)。微生物量包含大量生物成分，该生物成分包括细菌、真菌、原生动物以及轮形动物等。在活性污泥中寄生了异养和自养微生物，通常主要寄生了异养微生物。异养微生物从工厂流入污水中的含碳有机物中获取能量用于合成新细胞。然后这些微生物通过转化有机物至化合物例如二氧化碳和水而释放能量。活性污泥中的自养微生物通常还原经氧化的碳化合物例如二氧化碳用于细胞生长。这些微生物通过氧化氨至硝酸盐(已知的硝化)而获取它们的能量，这在下文中将进一步说明。
如上述，回流的活性污泥14是活性污泥的一部分，该活性污泥通过处理方法的最后的分离步骤(例如膜罐或膜生物反应器)而产生。回流的活性污泥14再循环至缺氧罐16中并向罐提供微生物量、残留氧、硝酸盐和亚硝酸盐。应该注意到磷释放通常不会在缺氧罐中利用含硝酸盐和溶解氧的回流的活性污泥发生，但是在本发明的实施方案中，磷释放在缺氧罐16中发生。发生磷释放是因为用于消耗磷的细菌也存在于回流的活性污泥14中。另外，发生磷释放是因为存在于流入污水中的颗粒状有机物的活性水解和发酵条件。如本文中所使用的，水解是通过微生物作用将聚合的有机物分解为单体。在一实施方案中，水解涉及化学反应，在该化学反应期间，水分子在化学机理过程中分解为氢阳离子和氢氧根阴离子。这种类型的反应用于分解一些聚合物。例如，代替仅利用溶解的有机物作为碳源来除磷，本发明的实施方案允许溶解的和颗粒状有机物两者作为碳源用于磷的去除。一般地，不能使用颗粒状有机物，但是因为它在本文中被发酵，它可以用作碳源从而省去了对外部碳源的需求。
在污水中，有机物以颗粒状有机物和溶解的有机物形式出现。使用三个主要测试用于测定污水中的有机物。这些测试包括生物需氧量(BOD)、总有机碳量(TOC)和化学需氧量(COD)。不同于溶解的有机物，颗粒状有机物以悬浮固体的形式存在于污水中。如本文中将进一步讨论的，当利用本发明的实施方案时，颗粒状有机物进行水解以转化颗粒至可溶固体，从而允许更大程度的除磷。
磷释放和磷吸收涉及聚磷生物(phosphorusaccumulatingorganism，PAOs)在胞内颗粒体(intracellulargranules)中储存多磷酸盐(polyphosphate)作为能量储备的过程。在厌氧条件下，PAOs释放正磷酸盐，利用能量以聚集简单有机物(organics)和储存它们作为多羟基链烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHAs)。在好氧条件下，或在至少存在一些氧、亚硝酸盐或硝酸盐的条件下，PAOs基于所储存的有机材料生长，利用一些能量以吸收正磷酸盐和储存它作为多磷酸盐。如此，当PAOs储存碳用于未来生长时，PAOs也释放磷，有时是同时的。当PAOs利用所储存的碳时，它们吸收磷，优选使用亚硝酸盐作为电子受体。如本文中将进一步说明的，曝气罐具有低溶解氧浓度，但PAOs仍吸收磷。当氧、亚硝酸盐或硝酸盐存在时，PAOs可以从碳中得到能量。因此，当碳充足时，PAOs在它们的细胞中储存碳，等待存在电子受体的条件从而它们可以利用碳用于生长和吸收磷。然后磷酸盐被移至废活性污泥26中，其通常是不再循环至缺氧罐16的活性污泥。PAO种群的形成将在本文中进一步进行讨论。缺氧罐16在缺氧条件下操作，在所述缺氧条件下存在很少或不存在溶解氧，但是可以存有硝酸盐(例如NO2和NO3)。在缺氧罐中保持连续的氧不足。
缺氧罐16，在一实施方案中，包括混合器，其混合工厂流入污水12和回流的活性污泥14以形成混合液。混合液，如本文中所使用的，简单地是指工厂流入污水12和回流的活性污泥14的混合物。除了调节回流的活性污泥14的流速外，可以调节混合比率以控制缺氧罐16中的磷释放。应该要注意到在本发明的实施方案中避免添加外部碳源例如甲醇使得无需额外碳源进行本发明的实施方案。除磷释放之外，反硝化也在缺氧罐16中发生。反硝化是分解亚硝酸盐或硝酸盐以释放氮气，反硝化随着微生物消耗亚硝酸盐或硝酸盐中的氧而发生。更具体地，反硝化是经微生物促进的最终产生氮分子(N2)的异化硝酸盐还原(dissimilatorynitratereduction)过程，氮分子返回至大气中。硝酸盐和亚硝酸盐通过反硝化转化为氮气。反硝化通常响应电子供体的氧化作用还原氮的氧化形式，该电子供体如在此存在于回流的活性污泥14中的有机物。该过程主要通过异养微生物在氧耗尽或氧消耗超过氧供应速率的环境例如缺氧罐16和曝气罐18中进行。利用本发明的实施方案，反硝化也通过自养硝化细菌在低溶解氧的条件下在缺氧罐16和曝气罐18中进行。以下反应示例性说明反硝化过程，包括示例性氧化还原反应：
(1)NO3 -→NO2 -→NO+N2O→N2(g)
(2)2NO3 -+10e-+12H+→N2+6H2O
来自工厂流入污水12的颗粒状有机物和溶解的有机物在缺氧罐中发酵。在本发明实施方案中的缺氧罐中的条件包括颗粒状有机物高程度的水解和发酵，其提供多过反硝化反应所需的经发酵的有机物，允许同时释放磷和形成PHAs。颗粒状有机物的发酵使得额外的碳可以用于除磷。流入污水流在缺氧罐中的平均停留时间在一个小时至十个小时之间变化。在一实施方案中，缺氧罐中的溶解氧浓度小于0.3mg/L。在其他的实施方案中，缺氧罐中的溶解氧浓度小于0.2mg/L。在又一其他实施方案中，缺氧罐中的溶解氧浓度是0.1mg/L或更小。另外，回流的活性污泥的再循环速率可以在流入物流速的0.3至6倍之间变化。
将缺氧混合液转移到曝气罐18。在图1中示出了单个曝气罐18，也可以使用多个曝气罐，可以平行配置或串联配置。备选地，可以使用一个曝气罐，但是曝气罐可以包含多于一个腔室，其中混合液流动经过该腔室。包含多于一个腔室的目的在于改进经最小化的罐体积的整个过程的动力学条件。任选地，一部分活性污泥被转移进入曝气罐中以提供发酵颗粒状和溶解的有机物所需的额外微生物种群并促进磷释放。这在当膜罐中的硝酸盐浓度非常高的情况下是有利的。不同于很多曝气罐，本发明的实施方案中所提供的曝气罐18在非常低的溶解氧浓度例如微需氧条件下运行，这促进了用于磷释放和吸收的微生物种群(例如聚磷生物(PAO))的形成。通常地，这类细菌种群能够储存磷，例如以多磷酸盐的形式，以及代谢其用于生成能量和细胞合成，从而实现经过活性污泥除去系统中的磷。该特定的微生物种群在高溶解氧浓度时不能形成。由于该种特定细菌种群可以在曝气罐18中形成，它也存在于再循环至缺氧罐16的回流的活性污泥14中，从而允许在缺氧罐16中进行磷释放。磷吸收可以在曝气罐18中和磷释放同时发生。
除了磷释放和磷吸收，在曝气罐18中也发生硝化和反硝化。在一实施方案中，在曝气罐18中同时发生硝化、反硝化和磷释放。如前所述，反硝化是微生物促进的通过还原氮的氧化形式最终产生氮气的异化硝酸盐还原过程。硝化，从另一方面，是氨分解为硝酸盐和水。更具体地，硝化是氨和氧进行生物氧化为亚硝酸盐，之后亚硝酸盐氧化为硝酸盐。通常两种生物负责氧化氨至亚硝酸盐。这两种为氨-氧化细菌(AOB)和氨-氧化古细菌(AOA)。第二类是亚硝酸盐氧化细菌，NOB，其负责氧化亚硝酸盐至硝酸盐。以下方程式表示硝化过程：
(3)NH3+CO2+1.5O2+AOA/AOB→NO2 -+H2O+H+
(4)NO2 -+CO2+0.5O2+NOB→NO3 -
(5)NH3+O2→NO2 -+3H++2e-
(6)NO2 -+H2O→NO3 -+2H++2e-
在本发明的实施方案中，由方程式(4)和(6)所表示的反应以最小的程度发生，从而降低氧的需求量以及显著节约能量的使用。在一些实施方案中，在混合液中存在非常少量的硝酸盐或不存在的硝酸盐，这是因为反应(4)和(6)占整个过程的百分比小，使得在上述方程式(1)中，主要是亚硝酸盐而非硝酸盐被转化至氮气。在方程式(2)中，需要小于10个电子以转化亚硝酸盐至氮气。在本发明的实施方案中，这些电子不是来自甲醇或其他外部碳源而是来自于氨。在本发明的实施方案中，PAO细菌也可以使用亚硝酸盐作为电子受体用于反硝化。这将在下文更详细地进行讨论。如以上反应(3)和(5)所示，氨用于转化亚硝酸盐至氮气。由于不需要外部碳源，一些氨用于反应(3)和(5)，但是一些氨也用作用于反硝化的电子还原源。这说明了硝化和反硝化在具有低氧浓度和不含额外碳源的系统中是如何发生的。
另外，微需氧(microaerophilic)条件允许颗粒状和溶解的有机物在曝气罐18中发酵，这在更高溶解氧浓度时通常是不会发生的。
如上所述，根据本发明的实施方案，硝化和反硝化在缺氧和曝气罐两者中发生。常规硝化-反硝化由以下反应(7)、(8)和(9)表示。反应(9)是反应(7)和(8)的净反应(net)。很多情况，该顺序的反应需要高溶解氧浓度和外部碳源。在这里，每克N-NH3需要约4.57克O2用于反应(7)以及每克N-NO3需要约2.86克COD-O2用于反应(8)。方程式如下：
(7)1NH3+2O2→1HNO3+H2O
(8)
以下反应(9)和(10)示例性说明了称作短程硝化的过程，其中初始反应或反应(10)仅驱动至亚硝酸盐，其导致需氧量和有机物两者的需求的节约。每克N-NH3需要约3.43克O2用于反应(9)以及每克N-NH3需要约1.71克COD-O2用于反应(10)。在一个实例中，当比较以上第一组反应(反应(7)-(8))和以下第二组反应(反应(9)-(10))时，需氧量减小了约25%(4.57gO2/gN-NH3-3.43gO2/gN-NH3=1.15gO2/gN-NH3)以及有机物的需求量减小了约40%(2.86gO2/gN-NO3-1.71gO2/gN-NH3=1.15gCOD/gN-NH3)。该组反应发生在缺氧罐和具有PAO细菌的曝气罐中，其中PAO细菌优选催化以下反应(10)。
(9)
(10)
以下标为(11)和(12)的反应组发生在缺氧罐和曝气罐中。在一些实例中，该组反应称作硝化-反硝化。如方程式(11)中所示，氨和氧转化至氮气、亚硝酸和水。有机物然后用于转化亚硝酸至氮气、水和二氧化碳。每克N-NH3需要约2.28克O2用于反应(11)以及每克N-NH3需要约0.57克COD用于反应(12)。当比较所述三组反应时，该第三组反应(反应(11)-(12))需要最小量的氧。当比较以下第三组反应所需的有机物量和第一组反应(反应(7)-(8))时，有机物的节约量为约80%(2.86gO2/gN-NO3-0.57gCOD/gN-NH3=2.29gO2/gN)。另外，第一组和第三组方程式之间所需的氧的节约量为约50%(4.57gO2/gN-NH3-2.28gO2/gN-NH3=2.28gO2/gN)。
(11)
(12)
回到图1，然后混合液从曝气罐18转移至第三个罐，其在此处显示为膜罐20，用于固体-液体分离步骤，在这里分离经处理的水中的微生物。在活性污泥法中，例如本文中所述的那些，溶解的有机污染物转化为水、二氧化碳和生物质，引起产生剩余污泥。膜罐20将这样的污泥从经处理工厂流出物22中分离。在一实施方案中，膜罐是膜生物反应器，其是膜方法(例如微滤、超滤、中空纤维、平板(flatsheet)、管状的(tubular))和悬浮生长生物反应器(suspendedgrowthbioreactor)的组合。生物反应器是指支持生物活性环境的设备。因为生物反应器必须联合分离单元以回收生物质和经纯化的液体，由于独立单元的低效性和不便利性，膜生物反应器用于提供相同或更好的结果，但是以单一单元的形式。膜生物反应器是生物反应器和错流过滤的联合。在一个实例中，对膜罐20进行曝气以提供水扰动用于清洗浸渍(submerged)的膜过滤器。在一实施方案中，膜过滤器利用微滤，但在另一实施方案中，使用超滤。
发生于在膜罐20中的膜过滤得到至少两个出口流，其包括经处理的工厂流出物22和活性污泥24，活性污泥24的一部分再循环至缺氧罐16，在一些实施方案中，再循环至曝气罐18。如本文中所使用的，经处理的工厂流出物22是离开第三个罐的流，其已经处理除去了碳、氮、磷和其他不期望的成分。剩余活性污泥显示为活性污泥26。再循环至缺氧罐16的活性污泥14的量有所变化，在一些实施方案中，其为进入缺氧罐16的工厂流入污水12的量的50%至600%的范围中的任一量。如此，每加仑工厂流入污水12，可以向缺氧罐16中添加0.5至6加仑回流的活性污泥14。在备选的实施方案中，在图1的实施方案中的第三个罐(虽示为膜罐20)是澄清池。澄清池是用于分离、浓缩和再循环活性污泥的罐。通常地，澄清池具有比膜生物反应器大得多的占地面积。
关于图2，示出了备选污水处理方法的示意图。缺氧罐16a、曝气罐18a以及膜罐20a示出在图2的实施方案中且和图1中所述的那些类似地运行。在此，厌氧罐28添加在缺氧罐16a的下游或之后以及曝气罐18a的上游或之前。通常，厌氧罐28在厌氧条件或在没有氧时操作。厌氧罐28是非-曝气罐，从而没有添加的氧且不存在硝酸盐。在厌氧罐28中内含物进行混合，存有混合器。图2的实施方案或具体地、向系统中加入厌氧罐28的实施方案在以下条件时使用：存在于流入污水流中的有机物的特征使得需要额外的停留时间用于颗粒状有机物的水解和发酵两者。在一实施方案中，额外磷释放发生在厌氧罐28中。类似于图1中所说明的，工厂流入污水12a和回流的活性污泥14a在缺氧罐16a中混合。混合液首先被转移至厌氧罐28，之后至曝气罐18a，以及最后至膜罐20a。从膜罐20a离开的是经处理的工厂流出物22a和活性污泥24a。活性污泥24a的一部分作为回流的活性污泥14a被再循环至缺氧罐16a，以及任选地，一部分还再循环至曝气罐18a。在一实施方案中，处置废弃的活性污泥26a。
图3示出了显示作为实施本发明的实施方案的结果的污水处理厂能量使用量的减小的线形图300。如所述，当曝气罐中溶解氧浓度维持在最小值时，能量使用成本显著减小，因为添加溶解氧的成本可以占污水处理厂总能量成本的最多至50%。如“启动试验”所示，测试了本文所述的技术并发现能量成本显著减小，其至少部分是由于曝气罐中所需的溶解氧量小。如所示，在试验前，最高的能量使用为约64000kWh/月，而试验后的最高能量使用为约54000kWh/月，虽然在早先几个月，达到的量小得多。
关于图4，示出了柱状图400，其显示当在污水处理厂中实施本发明的实施方案时氨和磷酸盐两者的减小。如这里所示出的，氨的流入浓度为约72mg/L，但是在利用本文所述的处理方法处理工厂流入污水后降低至约1mg/L。另外，磷酸盐约74mg/L的流入浓度在利用本文所述的处理方法处理工厂流入污水后降低至约4mg/L。
实施例
以下实施例示例性说明了包含两个平行列的工厂，所述两个平行列包括第一列(列A)和第二列(列B)。在每列中的罐是相同的且在相同的位置上。但是罐中的条件是不同的。列A表示不使用本发明实施方案发生的传统方法，列B表示使用本发明的实施方案的方法，例如曝气罐中的低溶解氧浓度，如前所述的。例如，如在下表1中所示，在列A的曝气罐中的溶解氧浓度为1.3mg/L，而在列B的曝气罐中的溶解氧浓度是0.1mg/L。相比较列A而言，如在列B中的磷和硝酸盐/亚硝酸盐的去除程度所示，在曝气罐中的更低的溶解氧浓度允许除磷细菌在曝气罐中形成。这些除磷细菌然后存在于从膜罐回到缺氧罐的回流的活性污泥(未示出)中。在列B的缺氧罐中观察到磷释放，而在列A的缺氧罐中未观察到。在列B的曝气罐中发生净磷吸收，在列A的曝气罐中未发生。因此，在该方法中发生更高程度的磷吸收和除去。结果是列B的膜罐或工厂流出物中的磷的浓度为3.65mg/L，其比列A的膜罐中的浓度7.41mg/L小得多。类似地，硝化-反硝化在列B的曝气罐中同时发生，而在列A的曝气罐中仅发生硝化，其通过显著更大的硝酸盐浓度差别来反映。列B的膜罐中的硝酸盐/亚硝酸盐浓度为7.15mg/L，其小于列A的膜罐中的浓度8.31mg/L。
继续以上所述和示出在下表1中的实施例，图5示出了柱状图500，其显示了在每个罐中的磷、溶解氧和硝酸盐的浓度。在比较磷浓度时，例如，可见列B的膜罐中的浓度比列A中的小得多，这部分是因为曝气罐中的溶解氧浓度低。
表1.在传统方法(列A)和利用本发明实施方案的方法(列B)中的溶解氧、磷和硝酸盐的浓度
现在参考图6，其示出了根据本发明一实施方案具有能量回收的污水处理方法的示意图600。本文所述的本发明的实施方案涉及图6中的Anox-P过程620。在实施方案中的Anox-P过程620是指如图1中所述的系统，该系统包括缺氧罐、至少一个曝气罐和膜罐。但是，在图6的实施方案中，在Anox-P过程620之前向整个过程添加除碳预处理过程612。除碳预处理过程612的作用在于除去进入的工厂流入污水610中的大量的碳。通常，溶解的有机物和颗粒状有机物转化为不可溶的气体，其在本文中称作生物气614。由于本文所述的Anox-P过程620需要比其他系统更少的碳，工厂流入污水610中存有的碳量可能大于实际需要的碳量。其他污水系统需要更多碳(例如以除去氮)使得甚至不会考虑利用除碳预处理过程612，因为需要工厂流入污水610中的碳用于处理污水，而不是工厂流入污水610中存在多余的碳。通过在预处理过程中除去流入流中如此多的碳，使得在曝气罐使用更少的氧来除去碳。如此，如图6中所示的系统的主要优势是产生甲烷以及在Anox-P过程620中需要更少的空气或氧。额外地，相比较当碳不通过预处理过程除去时的Anox-P过程而言，可以减小Anox-P过程620所需的罐的尺寸。
除碳预处理过程612可以利用多种可以除去流入流中大量碳的技术。在本文中列出以及说明了这些技术中的一些技术仅用于示例性的目的且不意在限制本发明的实施方案。例如，这些除碳技术中的一些可以包括厌氧方法，例如升流式厌氧污泥床(UASB)反应器、化学强化一级处理(CEPT)和一阶段活性污泥系统(有时也称作A/B方法中的“A”)。再次地，这些技术仅出于示例性的目的列出，为了简洁性，本文中未列出其他可获得的技术。本文将参考以下附图对这些示例性技术中的每种技术更详细地进行讨论。
在实施方案中，从工厂流入污水610中除去的碳呈甲烷(CH4)和/或二氧化碳(CO2)的形式。在一实施方案中，如形成时，生物气614包括甲烷和二氧化碳。生物气614一旦形成则导入不在本文中进行说明的其他过程中，但是总体地称作生物气利用装置616。该生物气614例如可以用于燃料电池、微型燃气轮机、发电机等中的能量以产生电能抵消水处理工厂所使用的部分电能或所有电能。在此，可以在用于这些系统之前将二氧化碳除去。备选地，可以处理(例如除去二氧化碳)和升级生物气614，例如通过除去大部分二氧化碳以产生天然气，其可以压缩形式用于产生压缩天然气，CNG，或备选地可以被液化以产生液化天然气，LNG。在一实例中，在工厂流入污水610中存有的碳的约60%通过发生在除碳预处理过程612中的过程和反应而除去从而使得在经预处理的流618中剩余碳的约40%。在另一实例中，在工厂流入污水610中存有的碳的约70%通过发生在除碳预处理过程612中的过程和反应而除去从而使得在经预处理的流618中剩余碳的约30%。在又一实例中，流入流中的低于60%的碳，例如45%的碳通过除碳预处理过程612被除去。在一实施方案中，生物气614自身包含多至80%的甲烷。生物气614的其他部分可以是不同比例的二氧化碳、氮和硫化氢的混合物。根据污水处理厂的操作条件，甲烷对其他部分的比例可以显著变化，因此本文所提供的实施例仅用于示例性的目的且不意在限制本发明的实施方案。例如，在一实施方案中的甲烷百分比可以是50%，但是在一备选实施方案中可以是80%。如所述，相比较传统污水处理系统而言，利用本文所述的实施方案需要将更少的碳以转化氨中的氮至氮气、水和二氧化碳。如此，除去工厂流入污水中的大百分比的碳是可行的，使得在Anox-P过程中仍可得足够的碳以转化氮至上文所列出的产物。利用其他系统类似地处理水时，不可能除去这样的碳量或不可能除去任何碳，因为除了在污水中存有的碳之外，这些系统通常需要加入碳。碳除去预处理和Anox-P过程的组合使得可以高效地进行从污水中除去碳、氮和磷、以及无需外部碳源进行颗粒状和溶解的有机物的发酵并以生物气的形式回收能量的方法。
在一实施方案中，除碳预处理过程612中的条件包括18℃或更高的温度。当温度低于所述温度时，可以得到相同的结果但是效率略低，例如代替接近于70%约40-60%的碳被除去。在一实例中，工厂流入污水610的一部分在进入除碳预处理过程612之前转向且和经预处理的流618混合。这会在当该流中存在高氨浓度或高含量的氮的情况时发生，例如在食品工业污水成分或一些水重复利用应用的原污水的情况。在进入Anox-P过程620之前，一些进入流可以绕过从而在经预处理的流618中存在更多的碳。当氨或氮浓度大体上较高时，在Anox-P过程620中需要更多的碳除去氮。
图7示出了根据本发明一实施方案的利用升流式厌氧污泥床(UASB)反应器的污水处理方法的示意图700。通常地，UASB反应器是至少产生甲烷的产甲烷消化器(methanogenicdigester)。UASB反应器是一种通常用于处理污水的厌氧消化器类型。利用UASB反应器的厌氧过程，其中形成颗粒状污泥床，其悬浮在罐中。通常地，污水向上流动经过污泥床从而通过厌氧微生物处理污水。在一些情况中，凝聚剂用于辅助污泥床的悬浮。产生包括甲烷(通常为高浓度)的副产物。如所述，可以捕获生物气且用作能源，例如抵消污水处理厂的能量需求。UASB反应器中的温度通常为18℃或更高。UASB反应器的另外条件包括水力停留时间为至少3至24小时，以及污泥停留时间为至少15天。另外，溢流速率(overflowvelocity)为约3英尺/小时或更小。通常的UASB反应器中的生物化学过程通常包括水解或增溶(solubilization)、产酸或产乙酸(acetogenesis)、以及产甲烷。水解的第一步通常需要10~15天用于溶解复杂有机体从而使得它们可以被吸收进入细菌细胞中，在细菌细胞中它们被内酶降解。产酸的第二步利用另外种类的生物以形成有机酸。产甲烷的第三步涉及产甲烷厌氧细菌以完成分解过程。
如图7中所示，工厂流入污水710被导入UASB反应器712中。作为在UASB反应器712中发生反应的结果，产生了生物气714，其通常包含甲烷、氮和二氧化碳。来自UASB反应器712的还有污泥718流，其被导入污泥加工726。在一些实例中，工厂流入污水710的一部分716绕过UASB反应器712导入经预处理的流720。这通常在以下情况中发生：当工厂流入污水710包含大量氨使得在Anox-P过程722中需要更多的碳时。经预处理的流720然后流动至Anox-P过程722，其产生工厂流出物724。
现在参考图8，其示出了根据本发明一实施方案的利用化学强化一级处理(CEPT)的污水处理方法的示意图800。通常地，CEPT涉及化学品，例如金属盐和/或聚合物，其在初步沉淀池之前添加从而通过化学品引起悬浮的颗粒通过凝结和絮凝集合在一起。这提供给颗粒更彻底和快速的聚集时间从而提高了处理效率。在很多情况中，在上层清液中不存在残留金属。用于CEPT的一些其他化学品可以包括氯化铁和硫酸铝。CEPT罐，例如沉淀罐可以用于CEPT过程中。当和传统处理类型进行比较时，CEPT相对于其他方法的优势包括费用更负担得起以及是有效的选择。通常地，CEPT过程包括条筛(barscreen)、沉砂池、固体-液体分离步骤例如沉降罐，其在一实施方案中是初级澄清池。也可以使用其他类型的固体-液体分离步骤例如筛选或溶解气浮选。
如图8中所示，工厂流入污水810进入CEPT812，其中来自CEPT812的污泥814首先导入浓缩816，之后污泥818导入厌氧消化820。厌氧消化820的结果是形成生物气822，其至少包含甲烷和二氧化碳。另外，将来自厌氧消化820的污泥824运送至污泥加工826。来自CEPT812，将经预处理的流出物828运送至Anox-P过程820，在此生成了具有大大减小量的氮、磷等的工厂流出物832。来自Anox-P过程830的剩余污泥834被运送至厌氧消化820用于稳定和额外的甲烷生成。
参考图9，其示出了根据本发明一实施方案利用一阶段活性污泥系统的污水处理方法的示意图900。两阶段活性污泥系统通常称作AB方法，其中第一个阶段或“A”阶段利用沉砂池(grittank)、生物反应器和中间澄清池进行COD还原，以及第二个阶段或“B”阶段用于硝化和除N以及通常包括生物反应器和二级澄清池。然而，在图9的实施方案中，仅利用了第一阶段，而第二阶段被本文所述的Anox-P过程取代。流出物导入Anox-P过程中用于进一步加工。在一些实施方案中，流入流中存有的多至90%的碳可以通过一阶段活性污泥系统除去。图9中所述的一阶段活性污泥系统可以具有的污泥停留时间(SRT)为0.5天。通常是高速率(high-rate)但小于1天的低SRT，以及有时小至0.5天。COD除去(碳的除去)为约70-80%。
如图9中所示，工厂流入污水910进入一阶段活性污泥系统912。来自这个系统的剩余污泥914流至浓缩916，然后污泥918流至厌氧消化。厌氧消化920的结果是形成生物气922以及可以包括甲烷和二氧化碳。来自一阶段活性污泥系统912的经预处理的流出物924进入Anox-P过程916，在此工厂流出物通过除去氮、磷等而形成。
图10示出了根据本发明一实施方案利用一阶段活性污泥系统的污水处理方法的示意图1000。图10示出了图9的一阶段活性污泥系统912的更详细的图。工厂流入污水1010导入沉砂池1012，它的流出物1014被运送至生物反应器1016。自生物反应器1016，流出物1018被运送至中间澄清池1020。中间澄清池1020标记为一阶段活性污泥系统的末端，使得经预处理的流出物1028被运送至Anox-P过程1030用于进一步加工。来自中间澄清池1020的污泥1022的一部分可以作为回流的活性污泥1026再循环至进入沉砂池1012的流中，以及一部分作为剩余污泥1024转向用于进一步处理。
现在参考图11，示出了根据本发明一实施方案利用多种水处理系统的能量强度比较的柱状图。比较了能量利用且示出在图11中。柱状图比较了传统硝化、反硝化过程(标记为“传统”)、来自能量中性污水处理厂(energy-neutralwastewatertreatmentplant)(Strass)的结果，以及最终利用组合了Anox-P处理的厌氧预处理，如本文所述(“厌氧预处理+AnoxP”)的结果。如所示，当和其他系统比较时，组合了Anox-P系统的厌氧预处理所需的能量得以减少。所述的一个原因在于虽然依然实现了完全的硝化-反硝化，甚至不利用外部碳源，但曝气所需的能量利用是其他系统的约50%。在一实施方案中，来自预处理过程的污泥和来自Anox-P过程的废弃活性污泥经受厌氧消化。可以利用来自消化过程的生物气用于现场的能量产生。
参考图12，其示出了根据本发明一实施方案的来自生物气的能量产生的比较的棒状图。在一实施方案中，图12中所示的能量产生来自多种方法的污泥的厌氧消化。图12示例性说明了来自所生成的甲烷中的能量转化至电能的能量转化效率。
所示出的多种成分的很多不同设置以及未示出的成分是可能的，而不偏离权利要求的范围。已经说明了技术的实施方案，其意在示例性说明而非限制性的。备选的实施方案对于本公开文的阅读者来说是显而易见的。另外，备选的执行上述的手段可以完成而不偏离权利要求的范围。一些特征和亚组合是有效的，可以不参考其他特征和亚组合进行使用以及意在权利要求的范围之内。

Claims (19)

1.用于处理污水以在除去有机物、氮和磷的同时回收能量的方法，该方法包括：
在预处理罐中提供含氨流，所述预处理罐至少产生剩余污泥、生物气和经预处理流，其中所述经预处理流具有比含氨流少至少45％的碳以及其中所述生物气至少包括甲烷和二氧化碳；
使所述经预处理流和回流的活性污泥流动至在缺氧条件下运转的缺氧罐；
在所述缺氧罐中混合所述经预处理流和所述回流的活性污泥以形成混合液，从而引发磷的释放以及颗粒状有机物和溶解的有机物的发酵；
转移所述混合液至在微需氧条件下运转的曝气罐，其中在所述曝气罐中的溶解氧的浓度为小于1.0mg/L混合液，该浓度可以有效促进在曝气罐中同时进行的硝化、反硝化、磷释放和磷吸收；
转移所述混合液至膜罐，该膜罐从含微生物的活性污泥中分离出经处理的流出物，其中第一部分的所述活性污泥作为回流的活性污泥被返回至所述缺氧罐,
其中所述含氨流通过转化氨至氮气和水来处理。
2.权利要求1的方法，其中所述含氨流是工厂流入污水，其待通过转化氨至氮气和水的处理来处理。
3.权利要求1的方法，其中所述生物气包含60％的甲烷。
4.权利要求1的方法，其中所述预处理罐是升流式厌氧污泥床(UASB)反应器。
5.权利要求2的方法，其中对所述生物气进行了处理使得它能够用来通过弥补污水处理厂的能量需求的方式向污水处理厂提供能量，所述污水处理厂处理所述工厂流入污水。
6.权利要求1的方法，其中在所述曝气罐中的所述微需氧条件促进所述混合液中的颗粒状有机物的发酵以及允许用于除去磷的微生物群体的形成。
7.权利要求1的方法，其中一部分所述含氨流绕过所述预处理罐并被导入到所述缺氧罐中。
8.权利要求1的方法，其中所述预处理罐利用化学强化一级处理(CEPT)。
9.权利要求1的方法，其中所述预处理罐利用一阶段活性污泥系统。
10.用于减小流中的氨并回收能量的方法，该方法包括：
在预处理罐中提供含氨流，所述预处理罐包含和所述含氨流反应以生成生物气和经预处理流的厌氧微生物；
在有效处理条件下使所述经预处理流与含氧流接触以形成第一产物流，所述经预处理流中的氨对所述含氧流中的氧的比率为2.28gO2/gN-NH3(每克氨中的氮，2.28克的氧)或更小；
在比率为0.57gCOD/gN-NH3(每克氨中的氮，0.57克化学需氧量)或更小的有效处理条件下使所述第一产物流暴露在有机物中，
其中在缺氧罐和曝气罐中进行所述经预处理流与含氧流接触和使所述第一产物流暴露在有机物中。
11.权利要求10的方法，其中所述生物气包含至少45％的存在于所述含氨流中的碳。
12.权利要求11的方法，其中在缺氧罐中发生磷释放。
13.权利要求11的方法，其中在曝气罐中同时发生硝化、反硝化、磷释放和磷吸收。
14.权利要求11的方法，其中在曝气罐中的溶解氧浓度小于1.0mg/L流体。
15.用于处理污水以在除去有机物、氮和磷的同时回收能量的系统，该系统包括：
预处理罐，其接收工厂流入污水以及包含和所述工厂流入污水反应以至少生成含甲烷的生物气、剩余污泥和经预处理流的厌氧微生物，所述经预处理流具有比所述工厂流入污水少至少45％的碳；
缺氧罐，其接收所述经预处理流和回流的活性污泥，其中所述缺氧罐在缺氧条件下运行以促进反硝化、磷释放以及颗粒状有机物和溶解的有机物的发酵；
曝气罐，其接收来自所述缺氧罐的混合液，其中在所述曝气罐中的溶解氧浓度小于1.0mg/L混合液以有效促进磷-释放细菌的形成，所述磷-释放细菌存在于被接收到所述缺氧罐中的回流的活性污泥中，以及其中所述回流的活性污泥中的磷-释放细菌允许在所述缺氧罐中的磷释放和颗粒状有机物的发酵；以及
膜罐，其从活性污泥中分离工厂流出污水，所述活性污泥的一部分作为回流的活性污泥再循环至所述缺氧罐。
16.权利要求15的系统，其中所述曝气罐包括一个或多个曝气罐。
17.权利要求15的系统，其中所述曝气罐在微需氧条件下运行。
18.权利要求17的系统，其中在所述曝气罐中同时发生硝化、反硝化、磷释放和磷吸收。
19.权利要求15的系统，其中在所述缺氧罐中的所述溶解氧浓度小于0.3mg/L混合液。
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