CN103415475A

CN103415475A - 以硫化合物作为电子载体以实现污泥产量最小化的污水生物处理及回用

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Publication number: CN103415475A
Application number: CN2011800579875A
Authority: CN
Inventors: 陈光浩; 徐浩光; 吕慧; 吴镝; 郝天伟; 江峰; 马里纳斯·科内利斯·马里亚·范卢斯德勒施特
Original assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Current assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: JP2014501609A; US9884779B2; HK1187594A1; CN103415475B; JP5923512B2; US20130256223A1; WO2012071793A1

Abstract

本发明提供了一种含有机碳的进水的生物污水处理方法，该方法通过利用硫或者硫化合物作为电子载体将有机碳氧化成二氧化碳，同时将硫或者硫化合物还原成硫化物来进行。该硫化物可以被氧气或者硝酸盐氧化。如有必要，氨可以被氧化成硝酸盐，然后被还原成氮气。本发明还提供了生物污水处理厂。该方法对含盐污水厂和不含盐污水厂都有效。

Description

以硫化合物作为电子载体以实现污泥产量最小化的污水生物处理及回用

背景技术

在20世纪初，有机污染物的排放使得水污染已成为一个主要的世界性环境问题，作为二级处理的生物除碳工艺应运而生。虽然其后的公共卫生研究者已经将焦点转移到发展生物去除营养物工艺来解决富营养化问题，并且有不少主管当局也制定了准则和标准来控制敏感水体氮磷排放量，但是并不能因此而忽视二级处理的优点。这些优点包括更短泥龄、更小的反应器、更简便的操作以及更少的起泡问题。

美国环保署（USEPA）1984年定义二级处理为30天平均出水的碳生化需氧量(CBOD₅)和悬浮固体(SS)分别不高于25mg/L和30mg/L。这些运行和经济上的优势使得二级处理仍然是世界上最受欢迎的水处理工艺的一种，特别是对于出水直接排放到像大海这样的较不敏感的水体以及污水回收成再生水。

再生水用于灌溉是二级处理出水常见应用之一。灌溉用水占世界水消耗量的70%。为了节约宝贵的水资源，许多城市都采用双供水系统供应淡水和再生水以满足不同需求，比如庄稼灌溉和景观灌溉。灌溉所要求的最低处理水平就是二级处理加消毒。基于灌溉的目的，二级处理优于生物营养物质去除。不仅因为处理成本低，而且可以保留养分作为肥料。

自从1914年引入活性污泥法，以二级处理去除污水中有机碳工艺中的生物反应程序几乎没变。图1就是一个描述传统生物污水处理工艺如何利用异养氧化反应器去除有机碳的工艺流程图。处理过程包括异养氧化有机碳成为CO₂并将剩余有机碳转化为污泥在二沉池加以去除。

为了控制富营养化，除氮是必须的。1960年代发展起来的生物除氮工艺通过引入自养硝化和异养反硝化步骤来修改处理工艺。图2是一个描述应用异养反硝化和自养硝化反应器去除碳、氮的一种传统生物处理工艺流程图。由于异养碳氧化和异养反硝化过程的污泥产率系数比较高，处理过程中剩余污泥的排除、处理及处置是不可避免的。

许多国家依靠中水回用来提供不同类型的再生水，比如清洗街道和汽车、冲厕、景观灌溉、环境用水和地下水回灌。图3展示了一个典型的污水处理和回收厂的处理流程。通常来说，这些类型的再生水的最低处理要求包括二级生物处理以及紧跟其后的砂滤或膜滤和消毒。如果有必要可再增加脱氮，即硝化反硝化工艺。

然而，在一些为节约水而利用海水冲厕的地区（比如香港）应用废水回用系统会相当困难。这是因为海水含盐约35000mg/L,当利用它来冲厕时，将形成含盐量7000-10000mg/L的废水。如此高的含盐量会直接影响到废水回用，比如灌溉或者补充地下水等。然而，由于海水同时也含有约2600mg/L的硫酸盐，它可以提供足够的硫酸根离子作为电子载体来形成一种新型废水处理工艺。这种利用硫酸盐的工艺为SANI工艺的特征。

发明内容

通过利用硫或者硫化合物作为电子载体来将有机碳氧化成为二氧化碳，并将所述硫或硫化合物还原为硫化物，从而实现含有机碳的进水的生物处理。之后该硫化物会被氧气或者硝酸盐氧化，如果是被硝酸盐氧化，则硝酸盐将会被还原成氮气。

附图说明

图1（现有技术）是利用异养氧化反应器除碳的传统生物污水处理工艺流程图。

图2（现有技术）是应用异养反硝化和自养硝化反应器去除碳的一种传统生物处理工艺流程图

图3展示了典型的污水处理和回收厂的处理流程。

图4是硫酸盐还原、自养反硝化、硝化一体化的处理工艺（SANI）的流程图。

图5描述了三循环SANI工艺的过程。

图6是硫化合物氧化的生物反应表述。

图7为描述了修改版的SANI工艺（简化版SANI工艺）的工艺流程图。

图8描述了硫还原颗粒污泥床反应器。

图9描述了异养氧化SANI工艺。

图10描述了简化版的异养氧化SANI工艺。

图11描述了延伸版的异养氧化SANI工艺。

图12描述了异养氧化SANI工艺可能的修改版。

图13描述了SANI工艺中试构筑物的设计。

图14展示了简化版SANI工艺的设计。

图15是展示上流式硫还原颗粒污泥床反应器进水、出水中化学需氧量（COD）和COD去除率的图表。

图16a到d是一组描述硫酸盐还原颗粒污泥形态的显微照片。a是第30天的污泥颗粒化状态；b是用X光衍射观察第30天污泥颗粒化的照片；c是第60天的污泥颗粒化形态，d是90天的污泥颗粒化形态。

图17a和b是描述驯化期五分钟污泥沉降指数（SVI5）和污泥颗粒尺寸的图表。

图18a和b描述了自养反硝化反应器的处理效果。a表述了进出水硝酸盐浓度和硝酸盐去除率；b表述了进出水的总有机碳（TOC）。

图19是一张展示自养反硝化反应器第65天污泥颗粒形态的显微照片。

图20描述了自养反硝化反应器中污泥颗粒的粒径分布。

图21展示了传统生物除氮和中水回用设施的运行流程。

图22展示了完整的异养氧化SANI工艺。

图23描述了简化版异养氧化SANI工艺。

具体实施方式

图4是硫酸盐还原、自养反硝化、硝化一体化的处理工艺（SANI工艺）的流程图。SANI工艺将硫还原和氧化引入到碳和氮循环，这样可以有效地把生物废水处理过程的污泥产量最小化。

海水含有2600mg/L硫酸盐和35000mg/L的盐。跟世界上利用淡水冲厕的地方不一样，香港为了节约用水而用海水冲厕。海水冲厕会使得污水含有大约600mg/L硫酸盐和约7000-10000mg/L盐，与海水（35000mg/L）相比约占20-30%。已经披露的技术是通过利用相关的硫酸根离子来实现有效处理这种含盐废水。处理非含盐废水可以通过引入海水或者工业废水中的硫酸盐，然后再利用这门技术进行处理也是行之有效的。

按照最原始的配置，SANI工艺就是依靠来自海水冲厕系统的硫酸盐作为电子载体来实现生物氧化除碳目的。这种工艺利用海水中的硫酸盐和硫酸盐还原菌来实现将有机碳氧化成二氧化碳和自养反硝化并将硫化物重新转化成硫酸根。相应地，碳和氮的去除都需要依赖于把由海水提供的硫酸盐以转化成硫化物。

本发明披露的是关于改进的硫酸盐还原、自养反硝化、硝化一体化（SANI）的工艺。仍然参考图4，在SANI工艺中，在第一个反应器中来自海水的硫酸盐会将有机碳氧化为二氧化碳，同时硫酸盐被硫酸盐还原菌还原为溶解性硫化物。另一方面，在第三个反应器里氨态氮被氧气氧化为硝酸盐，然后该硝酸盐被回流到第二个反应器与硫化物发生反应，这个过程硝酸盐将会被自养反硝化细菌还原为氮气同时硫化物被转化成硫酸盐。这三个主要生物化学过程均产生最小的污泥，反应过程如下面方程式所示：

异养硫酸盐还原：

100 gCOD + 150.2 g {SO}_{4}^{2 -} + 43.7 g H_{2} O &RightArrow; 53.2 g H_{2} S + 1.9 gSludge + 190.9 gHC O_{3}^{-}

方程式1

自养硫化物氧化和反硝化：

10 gN O_{3}^{-} + 0.59 gHC O_{3}^{-} + 3.59 g H_{2} S &RightArrow; 2.26 g N_{2} + 10.14 gS O_{4}^{2 -} + 0.22 gSludge

方程式2

自养硝化：

10 gN H_{4}^{+} + 0.73 g {CO}_{2} + 34.67 g O_{2} &RightArrow; 0.52 gSludge + 34.44 gN O_{3}^{-} + 1.11 g H^{+} + 9.8 g H_{2} O

方程式3

图5是一个三循环SANI工艺流程图。由于海水或者硫酸盐不是常有的，因此本发明披露的技术修改SANI工艺为三循环SANI工艺，这样它可以利用其它的硫化合物包括亚硫酸盐、硫代硫酸盐或者单质硫作为电子载体，以通过异养硫还原、自养反硝化和自养硝化将电子由有机碳转移到氧气。在三循环SANI工艺里，亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫氧化和还原循环被引入到碳、氮循环里。这些硫化合物被用作为电子载体以通过异养硫还原、自养反硝化和自养硝化将电子由有机碳转移到氧气。

如图5所示，三循环SANI工艺包括以下生物过程：

在第一个反应器里，电子通过硫酸盐还原菌由有机碳转移到硫。通过异养硫还原，硫化合物被还原成硫化物同时有机碳被氧化成二氧化碳，形成的硫化物随后将进入第二个反应器。

在第二个反应器中，电子通过自养硫氧化/反硝化细菌由硫化物转移到硝酸盐。通过自养反硝化，硫化物被氧化成硫酸盐同时硝酸盐被还原成氮气。

在第三个反应器中，电子通过自养硝化细菌由氨气转移到氧气。通过自养硝化氨气将会被氧化成硝酸盐，然后回流到第二个反应器参与自养反硝化过程。

通过三循环SANI工艺，不仅可以利用硫酸盐，而且可以利用亚硫酸盐、硫代硫酸盐或者单质硫来实现生物除氮和污泥产量最小化。

这个工艺充分利用了多价态硫的氧化和还原过程来完成硫的还原和自养反硝化。图6及方程式4表示在自养反硝化中的主要硫氧化生物代谢过程。而这些反应中的逆转过程，即氧化后的硫化合物的还原，是由硫还原细菌完成的。依反应器设计而定，三循环SANI工艺可利用各种不同的生物反应器以进行，例如活性污泥系统、利用接触生长生物滤床的分隔污泥系统、序批式反应器、膜生物反应器、上流式污泥床系统或者移动床反应器。

10 gN O_{3}^{-} + 0.59 gHC O_{3}^{-} + 3.59 g H_{2} S &RightArrow; 2.26 g N_{2} + 10.14 gS O_{4}^{2 -} + 0.22 gSludge

方程式4

其它已经披露的生物处理技术，主要是异养硫还原、自养反硝化和自养硝化，都具有很低的产泥率系数。三循环SANI工艺所产生的生物固体废物极少，在实际应用中可以节省污泥处置费，节约相当于污水处理成本的50%，同时可以减少约1/3的能源消耗和温室气体排放。

图4和图5显示原始SANI工艺和三循环SANI工艺的对比。正如它的名字所示，原始SANI工艺（图4）是依赖硫酸盐离子作为电子载体。与原始SANI工艺相比，三循环SANI工艺（图5）可以利用各种价态的硫化合物包括硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫作为电子载体来完成碳、氮的去除。这个发展大大拓展了原始SANI的应用，使其可以利用来自其它多种废水源的硫源，比如焚化炉烟气脱硫的废水。

一个修改版的三循环SANI工艺在不要求脱氮的场合里是非常有用的。图7就是被称为简化版SANI工艺的修改版SANI工艺的流程图。正如上文所说，由于脱氮并不总是必须的，因此开发了一个简化版的SANI工艺。在简化版SANI工艺里，硫氧化还原循环与碳氧化循环相结合。跟三循环SANI工艺相似，通过硫还原和自养硫氧化，不同价态的硫化合物比如硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫都可以被用作为电子载体，以将电子从有机碳传递到氧气。简化版SANI工艺可以用作生物除碳或者二级处理，同时可以使得污泥产量最小化。

如图七所示，在第一个反应器中，电子通过硫还原细菌由有机碳流向硫，硫化合物会被还原成硫化物同时有机碳被氧化成二氧化碳，产生的硫化物随后进入第二个反应器。在那里电子通过自养硫氧化细菌流向氧同时硫化物被氧化。

与SANI工艺相比，简化版SANI工艺不需脱氮部分。虽然没有反硝化反应器，但如果有必要去除有毒的氨，简化版的SANI工艺也可以在第二反应器中提供自养硝化来将氨转化成硝酸盐。

简化版SANI的设计和电子流动是通过以下生物过程实现的：

在第一个反应器，电子从有机碳流向硫。通过异养硫还原，硫化合物被还原成硫化物同时有机碳被氧化成二氧化碳，形成的硫化物随后进入到第二个反应器。

在第二个反应器中，通过自养硫氧化过程，电子从硫化物流向氧，同时硫化物被氧化。

图1和图7显示传统污水处理工艺和简化版SANI工艺的对比。与传统二级处理技术相比，简化版SANI引入硫循环来实现有机碳氧化。虽然简化版SANI工艺和原始的SANI工艺都是利用异养硫还原来将有机碳氧化成二氧化碳，但是硫化物的氧化却是两个完全不同路径。与原始SANI工艺相比，简化版SANI工艺减省了氮循环部分。在原始SANI工艺里，硫化物的氧化是通过自养反硝化实现的，在这个过程里电子从硫化物流向硝酸盐同时将硝酸盐转化为氮气，并通过自养硝化使电子直接流向氧气。在简化版SANI工艺里，硫化物的氧化是通过自养硫化物氧化过程直接由氧气氧化的，在这个过程里电子直接从硫化物转移到氧气，没有经过硝酸盐。

进一步修改所建议的三循环SANI工艺可以提供硫还原和自养硫化物氧化的颗粒污泥床反应器。

就像所有的废水生物处理过程，三循环SANI工艺和简化版SANI工艺的效率都高度依赖于反应器内的微生物浓度。为了提高反应器的效率和有效性，开发了上流式厌氧硫酸盐还原颗粒污泥床反应器和上流式自养反硝化颗粒污泥床反应器。这两个反应器是用来加快整个处理过程的效能。

图8是硫还原颗粒污泥床反应器的原理图。在这反应器里有机碳被氧化成二氧化碳同时硫化合物被还原成硫化物。如图6的反应所示，由于硫酸盐是硫还原过程的最高氧化态，因此这个反应器同样适用于还原其它价态硫化合物，如亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫等。

通过在反应器内维持高上升流速并保持人工湍流以充分搅拌及混合，这样反应器内的污泥会形成高密度颗粒。由于颗粒污泥的浓度要远高于传统完全混合反应器，所以应用颗粒污泥床可以明显减少处理设施的体积。

虽然颗粒化污泥床反应器已经应用在其它污水处理工艺上，但是这种颗粒化污泥床反应器是和其它颗粒化污泥床系统完全不同的。明显的不同是：（i）涉及的生物过程完全不同；（ii）涉及的微生物完全不同；（iii）在硫酸盐还原过程没有气体产生，然而其它的颗粒化污泥床反应器都牵涉到气体的搅动和混合。这些不同具体如下：

上流式厌氧污泥床（UASB）反应器进行的是厌氧发酵过程。UASB反应器内重要的反应过程是通过厌氧发酵生产甲烷气体。这些有机物质会通过不相称化学反应。而且，参与反应的细菌主要是发酵菌和产甲烷菌。在这反应器内，废水的混合和污泥的冲刷主要依赖于由甲烷气体的形成而带来的搅动。

厌氧降解过程：C₆H₁₂O₆→3CH_4(g)+3CO2

方程式5

颗粒化活性污泥反应器可以氧化有机碳。在反应器里通过加入空气实现有机碳的氧化。这个生物过程由异养碳氧化细菌完成。通过加入空气为系统提供一个强而有力的搅动，使系统混合充分同时冲刷污泥。

好氧降解过程：C₆H₁₂O_6(aq)+6O_2(g)→6CO_2(g)+6H₂O_(l)

方程式6

颗粒厌氧氨氧化反应器进行的是由厌氧氨氧化细菌主导的反应，反应过程产生大量的氮气，使得反应器内泥水充分搅动混合，同时冲刷里面的污泥。

厌氧氨氧化反应:NO₂ ^- _(aq)+NH_3(aq)+H⁺ _(aq)→N_2(g)+2H₂O_(l)

方程式7

硫还原颗粒污泥床反应器主要用于有机碳氧化。有机碳的氧化是通过硫还原细菌和投加的硫化合物实现的。由于反应涉及到将强酸（硫酸盐）转化成弱酸(硫化物)，所以反应后系统的pH值会提高，从而使得二氧化碳和硫化物均完全溶解。因此整个反应没有牵涉到气相，系统的混合完全由液相控制。而且，由于硫酸盐还原细菌的生长速率非常低，跟好氧污泥法或者发酵过程相比，不需要连续排泥。

硫酸盐还原过程：C₆H₁₂O_6(aq)+3SO₄ ^2- _(aq)→6CO_2(aq)+6H₂O_(l)+3S^2- _(aq)

方程式8

硫酸盐还原反应不牵涉到任何的气相反应，不像好氧氧化和厌氧产甲烷反应器依赖产生的气体使得反应器混合均匀。因此，硫还原反应器仅仅依赖液体流动将泥水混合，同时提供必要的湍流来冲刷污泥以形成颗粒污泥。而且由于没有气相的存在，没有必要像厌氧产甲烷颗粒污泥床系统那样设置一个三相（即气/液/固体）分离器。

在设计上流式硫还原颗粒污泥床反应器时引入了两个特殊功能，包括使用循环泵以提高反应器内的断面上升流速和使用流量限制装置制造反应器内的湍流。

在实验反应器里，沿着反应器周围会使用一个三角形挡板作为流量限制装备。引入这两大特殊功能可以将挡板处的上升流速提高到进水流速的五倍，这样可以明显加强反应器内污泥运动。除了可以给污水化学需氧量（COD）、硫酸根离子和污泥带来必要的混合外，这两大特殊功能还可以冲走结构松散的污泥，形成一个剪切力，从而强化污泥的成长，以便污泥向紧密厚实的颗粒污泥发展。

与硫还原颗粒污泥床反应器类似，自养生物硫化物氧化颗粒污泥床反应器的效率也是高度依赖于反应器内的生物质浓度和生物质活力。上流式自养硫化物氧化颗粒污泥床反应器就是用来实现这个目的。为了提高三循环SANI工艺和简化版SANI工艺的处理效率和有效性，开发了一款上流式自养硫化物氧化颗粒污泥床反应器。这款上流式自养硫化物氧化颗粒污泥床反应器使用了相同的设计来提升整个反应器的效能。这个反应器可以通过以下两个机理以实现自养硫化物氧化：（a）如方程式9所示，以氧气作为电子受体，和（b）如方程10所示，以硝酸盐作为电子受体。由于产生了氮气，在有必要时可在反应器的顶部加入一个三相（即，气-液-固）分离器。

虽然颗粒污泥床反应器已经应用在其它废水处理过程，但是这个处理工艺过程和其它的颗粒污泥床系统是不同的，主要如下：（i）涉及的生物过程完全不同；（ii）涉及的微生物完全不同。这些不同具体如下：

在自养硫化物氧化过程，涉及的生化反应如下：

在有氧气提供时：

S^2-+2O₂→SO₄ ^2-

方程式9

或者

在有硝酸盐提供时：

5S^2-+8NO₃ ^-+4H₂O→5SO₄ ^2-+4N₂+8OH^-

方程式10

在传统的处理工艺中，反硝化或者氧化过程是一个异养过程，即都是以有机碳作为电子供体。涉及的微生物是异养微生物，代谢的碳源是有机物。然而，在自养过程，硫化物作为电子供体，二氧化碳作为碳源，牵涉到的细菌为自养细菌。

经进一步修改的三循环SANI工艺使用投加的可能来自海水的硫酸根离子。这个改进技术可以看成是一个异养氧化SANI工艺。

除了香港是使用海水冲厕外，世界上大多数地方还是使用淡水冲厕的。由于污水中不含海水，这些地区排放的废水含盐度不高。因此，他们的废水经过传统二级处理（学术上叫异养氧化）和后续的过滤、消毒程序就可以回收再用于不同用途，包括灌溉和补充地下水等。

使用淡水冲厕而不是海水冲厕的地方所产生的废水不含硫酸盐。由于SANI工艺依赖硫酸盐作为电子载体，因此有必要投加硫化合物到废水进水中来维持硫还原和氧化过程。然而投加硫酸根离子（主要通过投加海水）也许会污染处理后的再生水，因为这样会提高出水的盐度，同时也会导致出水无法回用到像灌溉和补充地下水等方面上。为了避免影响再生水回用的价值同时又可以利用SANI工艺处理生物废水并实现污泥产量最小化，开发了一个修改版SANI工艺，叫作异养氧化、硫酸盐还原、自养反硝化和硝化一体化（异养氧化SANI工艺）工艺。

在大部分污水回收的应用中，再生水的量约占进水总量的1/3。例如美国佛罗里达州是世界上污水回收再用最广泛的地方，它的污水回收用量也只占总污水处理量的约43%。因此，可以利用这两个量的不同将污水进水分成两个支流，即第一个支流（约占1/3）没有投加硫化合物，直接采用传统生物处理法以便污水回用，另一个支流（约占2/3流量）通过投加硫化合物（比如海水）采用SANI工艺以实现污泥产量最小化。两个支流的比例要根据污水回收再用的需求和处理成本最小化而定。

图9展示了异养氧化SANI工艺，它是一个传统异养氧化工艺加上一个利用外部硫源的SANI工艺。由于回收再用率只占总污水进水比例的低于1/3，因此将进水污水分成两个支流以分别处理是可行的。第一个支流（约占进水流量的1/3）进入到传统生物处理过程（如图1及图2所示），在没有投加硫化合物的情况下直接利用异养碳氧化处理，出水然后通过泵进入到再生水制造厂处理以满足不同用途的需要。来自第一个支流的初级和二级沉淀池的污泥被转移到另外一个支流，并汇集剩余的废水（即，占总流量的2/3）经SANI工艺处理。在这个过程可以通过抽取海水来获取SANI工艺的硫源，并与污水进水来混合。海水是一个可靠而且廉价的硫源。唯一的额外费用就是抽取海水时的能耗费。然而这些能耗费与节省的污泥处理费用相比是微不足道的。对于一些无法利用海水的地区，可以利用工业废水作为硫源，比如酸性矿山废水或者石化发电厂烟气脱硫废水。

异养氧化SANI工艺可以由第一支流产生不受硫源污染的废水以回收再用作不同用途，比如灌溉和补充地下水，同时利用硫循环在第二个支流实现污泥产量最小化。在废水处理方面，异养氧化SANI工艺的特征如下：

与传统污水处理技术相比，来自第一支流中异养氧化过程的一级处理和二级处理的污泥在硫酸盐还原反应器中发生消化作用，而不是通过产甲烷反应器消化或者焚化。

与SANI工艺相比，有三个主要变化：

（1）SANI工艺是设计用来直接处理废水的，而异养氧化SANI工艺也用来处理一级、二级污泥；

（2）SANI工艺利用来自海水冲厕系统的硫酸盐，即进水的硫源。在异养氧化SANI工艺里，硫酸盐通过外源投加，比如直接抽取海水。

（3）SANI工艺的出水还有高浓度的硫酸盐和盐度，直接限制了废水的回用，比如灌溉等；然而异养氧化SANI工艺可以生产部分含低浓度硫酸盐和盐分的出水以便回收再用于不同用途。

异养氧化SANI工艺将处理废水分成两个支流：废水回用和出水排放。这样可以适应不同的出水标准。因此可以根据不同处理要求优化两大支流处理工艺。比如在水回用支流可以省却脱氮过程，在出水排放支流增加脱氮过程；或者相反。

图10是简化版异养氧化SANI工艺流程图。当排水不要求脱氮时，可以通过省却反硝化步骤将第二支流的SANI工艺改成简化版SANI工艺。还可以通过去除第一支流的初沉池进一步简化异养氧化过程的设计，如图10所示；或者直接用膜生物反应器取代第一支流的反应器。

当有需要为再生水进行脱氮以满足某种要求时，比如补充地下水，就要增加传统脱氮工艺来深化第一支流的处理。另外，也可以增加除磷工艺。图11是拓展型异养氧化SANI工艺流程图。

与传统的生物处理过程相比，这些新的SANI工艺和设计充分利用硫化合物（包括硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫）作为电子载体将有机碳氧化成二氧化碳。由于硫还原和自养硫氧化过程有很低的污泥产率系数，SANI过程的产泥率比传统生物处理法要低很多，因此可以有效地最小化污泥产量，从而免除后续的污泥处理及处置要求。

污泥浓缩、消化、脱水和处置设施大概占整个污水处理厂基建费的40%-60%，及总运行费用的50%。由于SANI工艺可以有效免除污泥处理及处置，它可以节省总费用约50%。而且由于污泥脱水和焚烧是消耗能源的，因此与传统生物脱氮工艺相比，估计采用SANI工艺而免去污泥处理和焚烧过程可以节约1/3的能源和减少1/3的温室气体排放。

三循环SANI工艺、简化版SANI工艺和异养氧化SANI工艺都是新兴的生物处理技术，它们可以应用到不同的反应器设计中，比如活性污泥、膜生物反应器、序批式反应器、塔式生物滤池、好氧生物滤池或者移动床生物反应器。

此外，由于SANI工艺可使用包括上流式硫还原颗粒污泥床反应器和上流式硫氧化颗粒污泥床反应器或者好氧滤池来氧化硫，与传统生物处理相比，其可以免除初沉池和二沉池。然而，去除初沉池的不利之处是可能会延长整个SANI过程的水力停留时间。

三循环SANI工艺的优点

三循环SANI工艺拓展了原始的SANI工艺的应用，使得它不仅可以利用硫酸盐，还可以利用亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫作为电子载体。这使得SANI工艺的应用更加灵活，以致远离大海的人也可以应用。比如焚烧炉烟气脱硫的出水中的亚硫酸盐就很丰富了，很多工业的副产物单质硫也不贵，可以作为SANI工艺的电子载体。

如果不需要脱氮，可以用简化版的SANI工艺代替SANI工艺。和SANI工艺相比，简化版的SANI工艺省除了缺氧生物反应器，而在该反应器里自养反硝化细菌利用硫化物作为电子供体将硝酸盐还原成氮气。这样就可以减少1/4的总反应器数量，因此有效减少约25%的SANI工艺的运行费用和反应空间。

和传统二级处理相比，目前布置的简化版SANI工艺包括硫酸盐还原上流式污泥床（SRUSB）和好氧生物滤池（AF），可省去初沉池和二沉池。此外，简化版SANI工艺可以免除污泥处理及处置，这样可以节约50%的费用。简化版SANI工艺还可以应用到其它的反应器，比如活性污泥、序批式反应器、塔式生物滤池、好氧生物滤池、膜生物反应器或者移动床生物反应器等。

硫还原颗粒污泥床反应器和自养硫化物氧化颗粒污泥床反应器对于提高处理效能是大有益处的。系统的效率高度依赖于反应器内的生物量浓度。颗粒污泥床反应器的优点就是可以提高反应效能，因此可以节省处理空间。和传统悬浮生长反应器或者絮凝污泥床反应器相比，颗粒污泥床反应器有更高的污泥浓度。反应器的效率因此大大提高，使得水力停留时间大大减少，如此只需要很小的反应空间就足够了。

由于颗粒污泥具有更优秀的沉降性能，更易与出水相分离，使得出水比絮凝污泥床系统或者悬浮生长系统更加清澈。这样也许可以不用二沉池。此外，由于颗粒污泥厚实坚固，它们可以抵抗更大的水力冲击负荷。

异养氧化SANI工艺的一个主要优点是可以利用SANI工艺实现污泥产量最小化的同时，还可以维持一个支流以生产未被污染的再生水用到不同用途上（比如灌溉、补充地下水）。如上所提，利用SANI工艺可以减少1/3的能耗和1/3的温室气体排放。唯一的额外费用就是抽取的海水的能耗。然而，这与节省污泥处理及处置的费用相比是微不足道的。

异养氧化SANI工艺的另一个优点是可以根据不同的要求选择不同的处理来优化处理过程。很多应用，比如冲洗街道和汽车、冲厕和灌溉，是不需要脱氮的。实际上，将氮保留在再生水里用来灌溉对于植物是有益处的。另一方面，为免受纳水体富营养化和藻类丛生，排放的出水是需要脱氮的。这两个要求有时候是矛盾的，而通常的做法是采用较高要求的处理技术，但是这样会增加运行费用。

在异养氧化SANI工艺里，第一支流可以采用生物除碳而不是脱氮来提供再生水以用于灌溉。脱氮可以放到第二支流的SANI工艺里。这种布置在传统的异养氧化处理过程有时是很困难的，除非有额外的碳源，比如投加甲醇。这是因为传统的反硝化过程在生物动力学上是由废水中的有机碳源所控制的。

另一方面，SANI工艺里的反硝化是一个自养过程。它不需要碳源。因此SANI工艺的反硝化潜力是传统生物脱氮工艺的两倍。异养氧化SANI工艺不需要额外投加碳源也可以实现完全的反硝化。图12展示了异养氧化SANI工艺的其它可能修改版本。通过减少第一支流的脱氮单元和初沉池，可以大大减少第一支流的处理空间和运行成本，同时并没有增加第二支流的处理空间和运行成本。当再生水的需求下降，第一支流中剩余的处理废水可以抽取到第二支流的自养反硝化反应器进行脱氮。通过这样布置不仅可以最小化反应空间和处理成本，而且可以保留营养物以用于灌溉。

通过以上技术，不仅可以将SANI工艺的应用推广到没有利用海水冲厕的沿海地区，而且可以提供更大范围的选择空间来满足排放水和再生水的要求，并优化SANI工艺的过程。

例子1-三循环SANI工艺

为了证实硫酸盐/硫化物/硫酸盐循环的处理效果，在香港东涌污水泵站开展了SANI中试，用来处理从机场和附近一个83,000人的小区所收集的污水。中试设施包括一个上流式硫酸盐还原污泥床(SRUSB)反应器和两个上流式好氧和缺氧生物滤池(AF)反应器。SRUSB是一个密封性的厌氧反应器，直径1.6m，高4.2m，有效体积6.8m³。AF填充了塑料载体（比表面积115m²/m³），直径1.6m，高4.4m，有效体积3.9m³。SRUSB和AF分别从当地一个二级含盐污水处理厂的厌氧消化池（MLSS8000mg/L）和活性污泥回流段(MLSS4000mg/L)接种。

SANI中试系统每天连续进水10m³进行。污水从污水井抽上来先经过6mm的幼筛过滤，然后在没有再经过其它的初级处理，便连续经进水泵流入SANI中试系统。图13是SANI中试设计图。中试设计和运行参数如表一：

表一中试水厂设计及运行参数

通过定期分析24小时混合污水样本确定进水成分，总结如表二。通过测试确定进水有机成分中有8.0%为挥发性脂肪酸（VFA），21.5%为可生物降解溶解性有机物，7.1%为不可生物降解溶解性有机物，50.5%为可生物降解粒子态有机物，12.9%为不可生物降解粒子态有机物。

表二SANI中试水厂平均进水水质（幼筛滤后）

如图4所示，利用来自海水中的硫酸盐作为电子载体，将有机碳通过三循环氧化成二氧化碳。

中试系统在稳定状态下运行了225天。没有经过初级沉淀，中试系统处理的进水水质为COD431mg/L，SS280mg/L,TN87mg/L,出水水质为COD54mg/L，SS36mg/L，NH₄-N3.4mg/L，NO₃-N16.8mg/L。COD和TSS去除率分别为87%和87%。但TN的去除率仅仅达到55%，其部分原因是由于来自工业源的溶解性不可生物降解的有机氮占很高(26%)的比例。

中试系统明显减少了污泥产量。在整个运行期间并没有为控制系统中的生物量而排过污泥。与传统生物处理法相比，中试系统实现了污泥减量90%，而其剩余的10%污泥产生量中有84%是无机物质。SRUSB中的MLVSS/MLSS稳定在0.7，平均污泥沉降指数(SVI)恒低于110ml/g。由于不需要初级沉淀池和污泥处理设施，SANI工艺可以为含盐污水处理厂提供更低成本的臭味控制解决方案。

例子2-亚硫酸盐/硫化物/硫酸盐循环的运行

如图5所示，三循环SANI工艺中的亚硫酸盐/硫化物/硫酸盐循环，可以利用来自焚化炉或者火力发电厂的烟气脱硫废水中的亚硫酸盐代替硫酸盐作为电子载体。由于例子1和例子2处理系统的主要分别是在硫还原反应器的布置；因此例子2只是以硫还原反应器来代表整个系统。上流式硫还原颗粒污泥床反应器的直径是8.8cm,高50cm,总体积3L，有效体积2.85L。反应器水力停留时间(HRT)为12h,内回流5倍的状态运行了7天，随后连续三天采水样本收集数据。

合成废水的贮备液成分如表三。贮备液的总COD为60000mg/L，COD:N:P=150:17:1。并使用亚硫酸钠代替海水中的硫酸根离子作为电子载体。

表三合成废水浓液及微量溶液组成

需要测定的指标包括进出水TOC、TN、pH、碱度及亚硫酸盐，和出水的硫酸根、硫代硫酸盐及硫化物。平均进出水TOC分别为120mg/L和21mg/L，说明TOC平均去除率可以达到83%。平均的进水SO₃ ²-S为178mg/L，平均出水的SO₃ ^2--S为14mg/L，S₂O₃ ^2--S6mg/L，SO₄ ^2--S29mg/L，S^2--S132mg/L，说明平均硫平衡为102%。通过粗略估计葡萄糖中的COD：TOC为2.67，实验COD平衡可以做到约75%。这实验充分说明了亚硫酸盐可以作为电子载体氧化有机碳同时把亚硫酸盐转成硫化物。

例子3-简化版SANI工艺的应用

简化版SANI系统实验是利用仿真香港含盐污水成分的合成废水进行的。配制合成废水的储备液成分如表三。储备液的总COD为60000mg/L，COD:N:P=150:17:1。储备液与海水（硫酸盐浓度为2700mg/L，氯离子浓度为19000mg/L）混合，然后用自来水稀释以获得所需的COD浓度（400mg/L）。

通过如图7所示的碳、硫循环，简化版SANI工艺利用海水中的硫酸盐氧化有机碳。除了来自海水的硫酸盐，其它类型的硫化合物也可以作为电子载体。比如来自蔗糖废水或者酸性矿山废水的硫酸盐和来自石化发电厂烟气脱硫废水的亚硫酸盐都可以作为电子载体。

简化版的SANI工艺设计如图14。测试中的SRUSB反应器内径为5.4cm,高度44cm,总体积1L。它的水力停留时间为3hr,内回流为4。好氧生物滤池（AF）反应器内径5.4cm,高度32cm,有效体积400ml。好氧生物滤池（AF）反应器的HRT为1.2hr,没有内回流。

硫酸盐还原反应器在有机负荷为3.2kg COD/m³/天的条件下运行可以取得89.3%的平均COD去除率。出水的溶解性硫化物浓度为114.7mg S^2--S/L，同时进出水硫酸盐相差128mg SO₄ ^2--S/L，因此反应器达至89.6%的硫平衡。

在自养硫氧化反应器中，硫还原反应器产生的硫化物将会被氧化成硫酸盐。除了硫化物被氧化，部分进水的氨会被硝化成硝酸盐，使得出水氨氮浓度为15.4mg/L,硝酸盐浓度为25.4mg NO₃ ^-N/L.

总体上简化版SANI实验反应器的最终出水COD为25.2mg/L，SS为47.2mg/L,COD去除率可以达到93.7%。最终出水在波长254nm下的UV光透射率为75%。在整个实验室测试中，反应器没有剩余污泥需要排除。

例子4-简化版SANI工艺中试运行

这个实验是利用香港的实际污水进行的一个处理水量达10m³/天的中试，实验证明简化版SANI工艺运行令人满意，没有剩余污泥产生。如图十四所示，这个简化版SANI工艺中试在香港（以海水冲厕）东涌污水泵站进行，其实验设计与例子1类似。中试设计由一个上流式厌氧硫酸盐还原污泥床和一个自养硫化物氧化的好氧生物滤池组成，整个中试在稳态条件下运行了100天。

SRUSB和AF反应器的设计、进水和污泥的接种的布置都跟例子1一样。经过一个月的驯化期后，简化版SANI中试进入稳态条件运行，具体参数如表四：

表四稳态下SANI中试水厂操作条件

在有机物负荷为0.63kg COD/m³/天条件下，SRUSB在稳态条件下COD平均去除率达到77.1%，出水溶解性硫化物浓度为124.1mgS^2--S/L，同时进出水硫酸盐浓度差值为130.3mg SO₄ ^2--S/L，表示相应的硫平衡可以达到95%。

SRUSB产生的硫化物在AF会被氧化成硫酸盐。除了硫化物被氧化外，部分进水的氨会被硝化成硝酸盐，使得出水氨的浓度为25.8mg NH₄-N/L，硝酸盐浓度为18.8mg NO₃-N/L。

总体来说，简化版SANI工艺最终出水水质为COD63.4mg/L并且SS为42.1mg/L，相应的COD和SS平均去除率分别可以达到85%和85%。最终出水在波长为254nm下UV光透射率为75%，说明出水可以利用UV进行消毒。在这个中试过程中，简化版SANI工艺不需要排放剩余污泥。

由于异养细菌通常比自养细菌产生更多的泥，所以污泥产量分析主要集中在SRUSB反应器。SRUSB的平均MLVSS浓度为约3500mg/L，MLVSS/MLSS的平均比值为0.7，污泥沉降指数（SVI）低于110mL/g。SRUSB的表观污泥产率系数为0.02kg VSS/kg COD，与传统二级处理相比，减少了90%的污泥产量。同时也证实没有剩余污泥需要往外排放。

处理厂的运行和污泥处理是消耗能源和排放二氧化碳的两大源头。据估计，简化版SANI工艺由于没有剩余污泥需要排放，与传统二级处理相比可以减少1/3的能耗和温室气体排放。

例子5-硫酸盐还原颗粒污泥床反应器的运行

这个实验利用了如例子2所用的硫酸盐还原颗粒污泥床进行。上流式硫还原颗粒污泥床反应器直径为8.8cm，高50cm，总体积3L，有效利用体积2.85L。图展示了上流式硫酸盐还原颗粒污泥反应器进出水COD浓度和去除率。图表展示了上流式硫酸盐还原颗粒污泥床运行130天的处理效果。

进水COD浓度大约300-350mg/L，出水COD浓度大约30mg/L。经过80天运行后COD去除率稳定在90%，即使当水力停留时间为1hr。同时大部分的硫酸根离子（约70%）被还原为硫化物。

图16a到d是一组描述硫酸盐还原颗粒污泥形态的照片。a是第30天的污泥颗粒化状态；b是用X光衍射观察第30天污泥颗粒化的照片；c是第60天的污泥颗粒化形态，d是90天的污泥颗粒化形态。显微观察表明两个月内反应器内的所有污泥呈颗粒化。这些颗粒形状呈球形而且有非常清晰的轮廓，平均直径约2毫米。

图17a和b是描述驯化期的五分钟污泥沉降指数（SVI₅）和污泥颗粒尺寸。接种污泥的五分钟污泥沉降指数为80mL/g，粒径为44微米。在开始的15天内大部分污泥成絮凝状。运行30天后开始形成颗粒污泥。经过驯化期后，五天污泥沉降指数逐渐下降，粒径增大，经过60天运行后反应器运行转为稳定。

例子6-自养硫化物氧化颗粒污泥床反应器

为了展示使用颗粒污泥实现自养硫化物氧化的优点，构建了一个实验规模的自养脱氮（AD）颗粒污泥床反应器。这个自养脱氮颗粒污泥床反应器直径为6.2cm，高33.5cm，总体积0.95L，有效利用体积0.85L。反应器接种污泥采自当地一个含盐废水处理厂的厌氧污泥消化池。

实验使用两种分别含有硝酸钠30mg N/L和硫化钠60mg S/L的合成废水。在前60天（即，阶段1）的运行中，按照表五所示，两种类型的废水都被投加进去以满足所需的负荷。在第61天到第130天期间（阶段2），转而利用例子5的硫酸盐还原颗粒污泥床反应器出水代替合成硫化物废水。

表五自养反硝化反应器操作条件

图18a和b描述自养反硝化反应器的处理效果。图18a展示了进出水硝酸盐浓度和硝酸盐去除率。进水硝态氮大约为15mgNO₃ ^--N/L，出水硝态氮从10mg/L逐渐降至1mg/L，使得硝酸盐去除率从一开始的30%到第二阶段后期提高到超过90%。如上所述，开始的六十天反应器是处理合成废水的，从第60天开始到第二阶段结束，反应器利用硫酸盐还原反应器的含有硫化物和硫酸盐的出水运行。硫化物被硝酸盐氧化成硫酸盐。图18b展示了出水的总有机碳（TOC）。由图18b可以看出，在这个试验中，进出水的总有机碳基本不变，说明这个反硝化反应是自养而不是异养的。

在第65天从反应器中采集污泥样品以进行显微镜分析和粒径分布分析。图19是一张展示自养反硝化反应器第65天污泥颗粒形态的照片。图20描述自养反硝化反应器污泥颗粒粒径分布。颗粒污泥数据如图表所示，平均直径为约0.5mm.

例子7-异养氧化SANI工艺的运行

图21展示了传统生物脱氮和生产再生水设施的运行流程。异养氧化SANI工艺的应用可以通过工程计算来说明。目前正在考虑的是一个既需要提供生物脱氮来满足出水要求又需要提供1/3的处理水作为再生水以用于清洗街道和汽车以及景观灌溉的再生水处理厂。污水处理过程包括初级沉淀池、生物除碳脱氮过程、二沉池、污泥浓缩、污泥消化、污泥脱水和污泥焚烧。紧跟着还有生产再生水的设备包括过滤和消毒单元。

图22是一个完整的异养氧化SANI工艺流程图。由于冲洗街道和汽车以及景观灌溉不需要脱氮，在污水回用支流可以免除脱氮过程。SANI工艺采用上流式污泥床作为硫酸盐还原反应器和生物滤床作为自养硝化和反硝化反应器。由于SANI工艺不需要沉淀池，因此可以减少2/3的初沉池和二沉池体积。但也许需要安装一台水泵来抽取海水提供SANI工艺所需的硫酸盐。

假设进水的COD为400mg/L，为保证所有的有机碳都会通过硫酸盐的还原而被氧化，需要往污水投加600mg/L SO₄ ^2-。根据海水的盐度，海水大约含有2600mg SO₄ ^2-/L。因此，所需投加的海水的量大约为0.25m³/m³待处理污水。这相当于增加1/4总流量进入系统，但这还是远低于污水处理厂的标准峰值的，所以属于可以接受的范围。假设从海边抽取海水到污水处理厂的进水位的水压损失是15m，每抽取1m³海水的能耗将会达到0.06kWh。由于每处理1m³污水仅仅需要0.25m³海水，因此每处理1m³污水大约会消耗0.015kWh能源。

由于污泥脱水和焚烧消耗大量的能量，而SANI工艺省掉了污泥处理和焚烧过程，和传统生物脱氮工艺相比可以节约1/3能量和减少1/3的温室气体排放。因此和传统活性污泥法脱氮过程相比，SANI工艺每处理1m³污水相当于节约了约0.15kWh能量，这是用异养氧化SANI工艺处理1m³污水时抽取海水的能耗的十倍。

总的来说，采用异养氧化SANI工艺可以节约2/3的初沉池和二沉池、用更加简单的生物除碳过程代替1/3的生物脱氮过程，并且可以省掉大部分的污泥处理及处置设施。同时可以用SANI工艺代替2/3的传统脱氮过程，而只需增加一个泵水系统来提供海水。根据粗略的估计，这样可以节约50%成本和减少约30%能耗和温室气体排放。

例子8-简化版异养氧化SANI工艺的运行

图23是简化版异养氧化SANI工艺流程图。异养氧化SANI系统由传统生物污水处理及回用设施和一个修改版SANI工艺组合而成。对于第一支流，像异养碳氧化、二级沉淀和再生水处理设施是标准的污水处理及回用的设计，所以没有必要作单独的测试来证明其适用性。对于第二支流，它利用修改版的SANI工艺来降解污水及第一支流的初级和二级污泥。如例子1所示，SANI工艺已成功降解了包含了初级污泥的原污水。然而，二级污泥在硫酸盐还原反应器是否可以有效被降解需要进一步确认。一旦二级污泥在硫酸盐还原反应器中被降解，在自养氧化阶段再次将硫化物氧化成硫酸盐将不成问题了。

为了测试异养氧化SANI工艺的可行性，实验用了一个上流式硫酸盐还原颗粒污泥床反应器以同时降解二级污泥和原污水。在这布局下，实验所用的上流式硫还原颗粒污泥床反应器的直径为8.8cm，高50cm，总体积3L，有效体积2.85L。反应器先在HRT12小时，内回流5倍的条件下运行14天，随后进行连续三天的水样本分析。

为了模拟上述的降解过程，进水的配制混合了表三的贮备液和采自当地一个处理含盐污水的二级污水处理厂的二级污泥，以使进水的总COD达到约500mg/L，其中70%的COD（350mg COD/L）来自储备液，剩下30%的COD（150mg COD/L，即100mg VSS/L）来自二级污泥，并以来自海水冲厕系统的海水提供硫酸盐作为电子载体。

检测指标包括进出水溶解性COD和粒子态COD、VSS、硫酸盐、VFA、PH、碱度和出水硫化物。进出水平均水质如表六所列。

表六硫还原颗粒污泥床反应器处理人工合成废水效果

参数	进水	出水	去除
				总COD(mg/L)	502	169	333(66%)
溶解性COD(mg/L)	250	98	152(61%)
				颗粒COD(mg/L)	252	70	182(72%)
TSS(mg/L)	351	107	244(71%)
				VSS(mg/L)	252	59	163(77%)
碱度(mgCaCO₃/L)	165	699
				硫酸盐(mgSO₄ ^2--S/L)	293	127	166(57%)
硫化物(mgS^2--S/L)		142

COD总去除量为333mg/L（或66%）同时VSS去除率达到77%。出水总硫浓度为269mg/L，意味着硫平衡达到92%。由于1mg SO₄ ^2--S转化成1mg S^2--S等于消耗2mg COD，硫平衡说明去除大约284-332mgCOD，相当于总体92%-100%的COD平衡。这个数值比反应器中溶解性COD的去除高很多。这表明二级污泥被有效降解，而不是在反应器内积累。这个实验充分证明以硫酸盐还原反应器处理污水和二级活性污泥的可行性，同时也证明应用异养氧化SANI工艺处理生活污水的可能性。

可以理解的是，在本发明的原则和如随附权利要求书所限定的范围内，本领域技术人员可对细节、材料、步骤和布置另做改动，本文中所描述并示出的这些细节、材料、步骤和布置被用以说明主题的本质。

Claims

1.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理方法，该方法包括：

利用硫或者硫化合物将所述有机碳氧化成二氧化碳，同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物；

利用氧气将氨氧化成硝酸盐；以及

利用硝酸盐将所述硫化物氧化成硫酸盐，同时将所述硝酸盐还原成氮气。

2.权利要求1所述的方法，进一步包括：

利用硫或者硫化合物，通过硫化合物还原细菌将所述有机碳转化成二氧化碳；

利用自养反硝化硫氧化细菌，通过硝酸盐将所述硫化物氧化成硫酸盐；以及

通过自养硝化将所述氨氧化成硝酸盐。

3.权利要求1或2所述的方法，其中所述硫或者硫化合物包括选自亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫所组成的组的物质。

4.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理方法，该方法包括：

利用硫或者硫化合物将所述有机碳氧化成二氧化碳，同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物；以及

利用氧气将所述硫化物氧化成硫酸盐。

5.权利要求4所述的方法，其中所述硫或者硫化合物包括选自硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫所组成的组的物质。

6.权利要求4或者5所述的生物废水处理方法，进一步包括：

利用所述硫或者硫化合物，通过硫化合物还原细菌将所述有机碳氧化成二氧化碳；

利用氧气，通过自养硫氧化细菌将所述硫化物氧化成硫酸盐。

7.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理方法，该方法包括：

在上流式颗粒污泥床反应器中，利用硫或者硫化合物将所述有机碳氧化成二氧化碳，同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物；以及

利用氧气或者硝酸盐将所述硫化物氧化成硫酸盐。

8.权利要求7所述的方法，其中所述硫或者硫化合物包括选自硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫所组成的组的物质。

9.权利要求7或8所述的生物污水处理方法，其中所述上流式污泥床反应器进一步包括内回流泵和流速限制装置来增加反应器内的湍流。

10.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理方法，该方法包括：

在上流式颗粒污泥床反应器中，利用氧气或者硝酸盐通过自养硫氧化将所述硫化物氧化成硫酸盐。

11.权利要求10所述的方法，其中所述硫或者硫化合物包括选自硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫所组成的组的物质。

12.权利要求4至11中任一项所述的方法，进一步包括利用硝化细菌将氨氧化成硝酸盐。

13.权利要求4至12中任一项所述的方法，进一步包括使用了含有大量盐分的进水。

14.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理方法，该方法包括：

提供并行支流用于生物处理，结合如下：

在第一支流中，利用氧气或者硝酸盐将所述有机碳氧化成二氧化碳；及

在第二支流中，利用硫或者硫化合物，通过硫还原细菌将所述有机碳氧化成二氧化碳，同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物，该硫化物随后被氧气或者硝酸盐氧化成硫酸盐。

15.权利要求14所述的方法，进一步包括利用额外处理步骤来实现所述第一支流的处理出水回用，其中该额外处理步骤选自过滤和消毒所组成的组。

16.权利要求14或15所述的方法，进一步包括：

收集所述第一支流所产生的污泥；以及

在所述第二支流将所述污泥和进水混合共同处理。

17.权利要求14所述的方法，其中所述硫或者硫化合物包括选自硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫所组成的组的物质。

18.权利要求14至17中任一项所述的方法，进一步包括在所述第一支流和所述第二支流中的一者或两者中，利用硝化作用将氨氧化成硝酸盐。

19.权利要求14至18中任一项所述的方法，进一步包括使用了含有大量盐分的进水。

20.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理厂，包括:

利用硫或硫化合物将所述有机碳氧化成二氧化碳，并同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物的反应器；

用来将所述硫化物氧化成硫酸盐并同时将硝酸盐还原成氮气的反应器；以及

用来将氨氧化成硝酸盐的反应器。

21.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理厂，包括:

利用硫或者硫化合物将所述有机碳氧化成二氧化碳，同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物的途径；

利用硝酸盐将所述硫化物氧化成硫酸盐，同时将所述硝酸盐还原成氮气的途径；以及

将氨氧化成硝酸盐的途径。

22.权利要求20或者21所述的生物污水处理厂，其中所述硫或者硫化合物包括选自亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫所组成的组的物质。

23.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理厂，包括：

利用硫或硫化合物将所述有机碳氧化成二氧化碳，并同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物的反应器；以及

利用氧气将所述硫化物氧化成硫酸盐的反应器。

24.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理厂，包括：

利用硫或者硫化合物将所述有机碳氧化成二氧化碳，同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物的途径；以及

利用氧气将所述硫化物氧化成硫酸盐的途径。

25.权利要求23或者24所述的生物污水处理厂，其中所述硫或者硫化合物包括选自硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫所组成的组的物质。

26.权利要求23至25中任一项所述的生物污水处理厂，进一步包括将氨氧化成硝酸盐。

27.权利要求23至26中任一项所述的生物污水处理厂，进一步包括使用了含有大量盐分的进水。

28.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理厂，包括：

利用氧气或硝酸盐将所述有机碳氧化成二氧化碳的反应器；

利用硫或者硫化合物将有机碳氧化成二氧化碳，并同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物的反应器；以及

利用氧气或者硝酸盐将所述硫化物氧化成硫酸盐的反应器。

29.一种处理含有机碳的进水的生物污水处理厂，包括：

利用氧气或者硝酸盐将所述有机碳氧化成二氧化碳的途径；

利用氧气或者硝酸盐将所述硫化物氧化成硫酸盐的途径。

30.权利要求28或者29所述的生物污水处理厂，进一步包括利用硫或者硫化合物将来自于氧气或者硝酸盐氧化有机碳过程的污泥和进水污水联合处理，以将所述有机碳氧化成二氧化碳，并同时将所述硫或者硫化合物还原成硫化物。

31.权利要求28至30中任一项所述的生物污水处理厂，其中所述硫或者硫化合物包括选自硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和单质硫所组成的组的物质。

32.权利要求28至31中任一项所述的生物污水处理厂，进一步包括污水回用系统，即对于经氧气或者硝酸盐氧化所述有机碳而产生的处理出水，通过额外处理步骤来实现该处理出水的回用，其中该额外处理步骤选自过滤和消毒所组成的组。

33.权利要求28至32中任一项所述的生物污水处理厂，进一步包括将氨氧化成硝酸盐的设施。

34.权利要求28至33中任一项所述的生物污水处理厂，进一步包括使用含有大量盐分的进水的设施。