CN103842047B - 水和污水处理的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于生物处理水和/或污水的方法和装置。用于处理污水的方法和装置可用由大体积空气驱动的、用于推动水和/或固体的气提装置来强化。该装置可用大气泡使水产生偶尔的脉动式运动从而传输大量的液体，同时减少了氧气向周围液体的传递。同常规装置和/或工艺相比，本发明的装置和工艺能更加简便和有效地处理污水，降低了操作和维护费用。

Description

水和污水处理的装置和方法

引用的相关申请

本申请要求的优先权：美国临时专利申请号61/515，855，提交于2011年8月6日；美国临时专利申请号61/515，967，提交于2011年8月7日；美国临时专利申请号61/521，653，提交于2011年8月9日；和美国临时专利申请号61/525，760，提交于2011年8月20日。

技术背景

含有有机污染物的污水通常用生物法处理。悬浮生长法，通常也被称为活性污泥法，是最广泛使用的生物法之一。例如，大多数市政污水处理厂在其二级处理阶段采用活性污泥法，去除污水中的有机污染物。传统活性污泥工艺包括一个悬浮生长生物反应器(若在好氧条件下运行则称之为曝气池)和一个沉淀池(通常称之为二沉池)。污水和从沉淀池回流的活性污泥进入曝气池。空气或氧气通过曝气系统供至曝气池。在曝气池中，污染物被降解或被吸附在活性污泥上。曝气池的混和液然后进入二沉池进行固-液分离。二沉池的上清液通过沉淀池的出口排出。沉淀池中沉淀的大部分污泥被回流到曝气池。剩余污泥被排放到污泥处置系统进行进一步的处理。排放的污泥或高浓度污水还可以采用厌氧法来生产沼气并同时降低污染负荷。

在大多数情况下，污水中还含有有机氮、氨和磷。因为它们能引起受纳水体中藻类的过快增长，他们也被称为污水营养物质。此外，有机氮和氨在收纳水体中被氧化时会消耗氧。这些污水营养物也可在生物反应器中被去除。在好氧条件下微生物可以将有机氮和氨转化为硝酸盐或亚硝酸盐。这个过程被称为硝化。如果生物反应器或者其中的一部分是在缺氧状态(无溶解氧(DO))，微生物可以将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气。这个过程被称为反硝化。如果生物反应器被维持在低溶解氧状态，可以实现同时硝化/反硝化。如果好氧污泥不断地流经生物反应器的厌氧区然后好氧区，则可以驯化出一类有利于磷吸收的微生物。

硝化/反硝化组合可经由多种方式实现。传统的方法包括一个生物反应器和一个二沉池。生物反应器由两个区或两个独立的池子组成：好氧区/池用于硝化，缺氧区/池用于反硝化。活性污泥从沉淀池回流到生物反应器中，以保持一定的微生物量进行硝化与反硝化。如果缺氧区是在好氧区的前面，它被称为“前缺氧”工艺。在这个工艺中，进水中的有机物用作反硝化反应的电子给体，从而在反硝化过程中也使得部分有机物得以去除。然而，该工艺依赖于最终污泥和/或混和液的回流向缺氧区提供硝酸盐。因此，只有在这些回流液中的亚硝酸盐/硝酸盐才能被去除。在好氧区中总有一部分硝酸盐/亚硝酸盐(取决于回流比)永远不会被回流到缺氧区，从而限制了反硝化的程度。如果好氧区是在缺氧区之前，它被称为“后缺氧”工艺。这一工艺不能利用进水中的有机碳进行反硝化。因此，反硝化速度通常非常缓慢，通常需用外加碳源来促进反硝化。外加碳源的方法增加了操作的复杂性和费用。

阶段进水/阶段曝气工艺也可以用来进行硝化和反硝化。在这一工艺中，生物反应器被分隔成几个缺氧/好氧段组合。在好氧段进行曝气以实现硝化。然而，进水需被分别送到每一个缺氧段，并与从前面的好氧段进来的硝化后的混和液混和进行反硝化。这个工艺利用进水中的有机物进行反硝化。然而，二沉池的污泥需回流到最前面的缺氧段，以提供足够的生物量来进行硝化和反硝化。

此外，还有一种交替好氧-缺氧工艺用于去除总氮。该工艺的生物反应器不分段，而是在同一体积内，在不同时间分别创造好氧和缺氧条件。曝气用于创造好氧条件进行硝化。然后停止曝气以创造缺氧条件。在缺氧条件下开始进水并进行反硝化。这一工艺仍需要用二沉池进行固-液分离，并需要一套独立的污泥回流系统为生物反应器接种进行生物反应。

同时硝化/反硝化工艺也在同一个池子内实现硝化和反硝化。在该工艺中，整个池子内要保持很低的溶解氧，使活性污泥的絮体内部保持缺氧条件，进而使扩散到絮体内部的硝酸盐/亚硝酸盐被反硝化。然而，保持精确的低溶解氧浓度需要一个复杂的控制系统。此外，低溶解氧降低硝化速率。这一工艺也需要用二沉池进行固-液分离，并需要一套独立的污泥回流系统为生物反应器接种。

序批式反应器(SBR)可以在同一个池子内进行硝化、反硝化和固液分离。在曝气期间进行硝化，在进水和混和期间进行反硝化。污泥在沉淀期间沉淀并被保留在池内。然而，在新的进水周期开始之前，硝化后上清液中的部分硝酸盐必须被撇出。出水中的硝酸盐浓度取决于进水中的总氮浓度和一个处理周期内进水体积所占池子总体积之比。因此，只有在撇除上清液后存留在池内的部分硝酸盐才可被反硝化。由于SBR工艺使用机械撇水装置，不太可能对上清液进行频繁但小体积的撇除-尽管这对降低出水硝酸盐的浓度是必须的，因此，出水中总的硝酸盐浓度不能够保持在所希望的低水平。此外，上清液撇除过程中使用许多机械动件；它们可能会出问题并影响操作。

图1展示了传统的用于去除总氮的前缺氧工艺。它有一个用于反硝化的缺氧区和后面一个用于BOD降解和硝化的好氧区。好氧区混和液被强制回流到缺氧区以提供硝酸盐。混和液从好氧区流到二沉池进行固-液分离；二沉池中沉淀的污泥被回流到缺氧区以提供生物处理所需的微生物。二沉池的上清液排出。缺氧区通常通过机械设备进行连续混和。

图2展示了用于深度硝化和反硝化的传统分段进水工艺。它包括几段或区来交替进行反硝化和硝化。类似于前缺氧工艺，它有一个独立的二沉池，污泥从二沉池回流到第一个缺氧区，并且所有的缺氧区通常用机械装置进行连续混和。进水被分配到多个缺氧区内，以降低后续好氧区产生的硝酸盐的量，并且提供碳源进行反硝化。这一工艺可以达到更好的总氮去除效果。

图3展示了在美国专利号6，787，035所公开的，含有内沉降装置(24，26，28，30)以便自动将污泥回流到好氧区(18)的生物反应器。这个系统使用一个好氧区(18)去除BOD和进行硝化，同时回流一部分混和液到前面的缺氧区(16)进行反硝化。补充污泥还可从最终沉淀池(36)，通过一个污泥回流装置(38)，回流到所述生物反应器。在正常操作期间，污水连续地进入生物反应器，曝气装置(22)连续对生物反应器充氧。

厌氧消化池已在世界许多地区被广泛利用，将人畜粪便、高浓度污水、以及污泥转化成沼气，用于做饭、取暖和发电。厌氧消化池的主要部件是一个池子。该池子接收并在厌氧条件下消化有机物质。在消化过程中微生物将有机物经过多次代谢后转化为甲烷气体。

高效厌氧消化池和传统厌氧消化池之间的主要区别在于是否有混和。适当的混和可以显著提高消化性能，因为它使得微生物和有机物之间的的接触更好，防止了污泥沉积，并打碎了浮泥。大型设施通常使用高效厌氧消化池。机械混和与气体混和等方法通常被用于高效消化池。这些混和方法通常需要从外部输入能量和定期维护。例如，机械混和装置需要用叶轮和电机。混和强度相对较轻的气体混和也需要一个气体压缩机从池子的顶部将气体回流到池子的底部。对于小型设施(例如那些在家庭和小型社区使用的设施)，这些混和方法都不经济。特别是，这些混和方法不能在没有电的地区使用。因此，只能用大体积的没有混和装置的传统厌氧消化池来生产沼气。

在小型设施中安装传统的厌氧消化池代价较高。大批量安装这类传统消化池的主要障碍是他们的大体积。大体积的池子需要占用大的面积以及更高的建造成本，并且在大多数情况下需要在现场建造。大池子也更容易泄漏-沼气的泄漏是沼气池失败的首要因素。由缺乏适当的混和，因此反应速率低，必需要用大的体积。池中只存在由小沼气气泡上升造成的非常轻微的混和。

过去的一些厌氧消化池采用在池内安装螺旋桨类的混和装置混和，也可在厌氧消化池内安装导流管混和器来改善混和性能。导流管混和器通常包含一个螺旋桨搅拌器，将消化液从池子上部的液体表面以下，引到池子的底部。如果一个池子内有一个以上的导流管，这些导流管的出口以特定的方式排列，可在消化池内形成涡流。这样做有两个重要的功能：首先，如前所述，反应器内部的紊流增加了微生物和基质的接触，从而增加了代谢活性和产气率；第二，表面的搅动可以打碎浮泥，并将其重新引入到混和液中。过多的浮泥能影响厌氧消化池的操作，如降低产气量和堵塞出流管道。

对于同样的产气量，高效完全混和式厌氧消化池具有较小的体积。能够进行高效厌氧消化的便携式厌氧消化池通常具有相似反应器同样的组件(即，流入管，流出管，排泥管等)。这样的反应器可以使用单个或多个叶轮将固体从反应器的底部提升，分配到反应器的上部，同时打碎浮泥。其他类型的常规混和装置，诸如导流管，注气，抽真空，搅拌叶片等，也可用于消化池的混和。消化池的出流口通常位于消化液表面的下面，以减少浮泥可能造成的堵塞。虽然这种类型的反应器单位体积的产气量比传统的无混和的反应器高，但由于需要从外部输入能量进行混和，使得整个反应器的净能量输出反而降低。

流体或流体状物质经常用机械装置传输；这包括提供正、负位移的装置(例如，隔膜泵)，或直接将动能加到流体的装置(例如，离心泵)。这些类型的装置通常有许多机械运动部件，因此，需要不断维护。

传统的气提泵也可用于传输与混和流体。同机械泵相比，传统气提泵的优势在于它没有机械动件，不存在机械磨损而引起的问题。由于用气体驱动气提泵，使得泵本身容易维护或无维护问题。此外，相比于机械泵，气提泵不易损坏，重量轻，便于安装和运输。在传统气提泵中，当空气引入提升管后，管内流体的密度降低，从而使液体和固体从提升管的底部传输到顶部。

传统的气提泵也有缺点。最大的缺点是它无法对流体施加高水头或压力。此外，气提泵只局限于相对较小的管径，因此不能达到高流量。如果气提泵的管径较大，管内气泡相对分散，不能以大气泡的形式存在。因此，提升力随着管径的增加而减小。

如果有一种方法和装置，能够在管道内形成大气泡来提升液体，泵的性能会得到改善。另外，泵不会因管径的增大而失去提升力，从而达到更高的流量。大气泡引起的强大提升力也可用于混和各种类型反应器内的流体。

有的用以改善气提泵效率的方法是通过将空气引入到气提泵，使气体在液面下的一个容积内累积。一旦气体达到预定体积，气体会通过一个通道进入到泵的提升管。这样的装置可以被看作是“脉动式提升”装置，因为它们在收集到的气体后达到预定体积后，能在一次“脉动”中释放以提高泵的性能。当气泡膨胀并充满整个提升管时，产生了比传统气提泵内小气泡更大的提升力。也有其他的方法，通过添加一根供气管，将气体连续供给到提升管，使得气提泵在两次大气泡脉动之间能够以传统气提泵的方式运转，有效地提高流量。所有这些先前的用于增加气提泵效率的方法都用弯头将空气从气室引到提升管。在某些应用中，这类引入空气的方法能被堵塞，导致泵不工作。

发明简述

本发明所公开的一个实施例是一种悬浮生长法生物反应器和方法，其中包括一个或多个在厌氧或缺氧条件下工作的混和区，一个用于硝化和去除BOD的好氧区，一个用于污泥沉降和浓缩的、底部开放或封闭的静态区，一种将污泥从静态区回流到一个混和区或者几个混和区的液体输送装置；该液体输送装置还可能是一种将生物固体从静态区自动回流到好氧区的装置。还可用一系列混和区以增加反硝化和/或除磷效果。在不同的区域内的混和由空气驱动的脉动式提升装置来完成。

本发明所公开的另一个实施例是一种以污泥内回流取代传统的污泥从终沉池回流的悬浮生长法生物反应器和工艺，并在该反应器的单一反应区内交替运行不同的条件，使微生物在不同的时间段实现特定的功能。它包括一个在交替混和/好氧条件下运行的交替反应区以去除污染物，一个静态区将污泥沉降和浓缩，和一种将生物固体从静态区回流到交替反应区的装置。混和可以通过用气体驱动的脉动式提升装置来实现。

本发明所公开的又一实施例包括一个混和和好氧交替运行的生物反应器，以实现在有氧和无氧条件下的生物反应。在好氧阶段反应器内的BOD被转化为二氧化碳和生物，氨氮/有机氮被转化为硝酸盐或亚硝酸盐。在缺氧阶段的进水进入反应器后，提供反硝化所需的碳源，将硝酸盐或亚硝酸盐转化为氮气。在缺氧阶段由混和装置进行混和。当缺氧混和的时间延长后会发生厌氧状态，这会促进反应器内聚磷微生物的生长，实现生物除磷。

本发明所公开的又一实施例包括在交替反应区的上游增加一个混和区，以提高生物处理效果。在某些情况下需包括一种将生物固体从静态区直接传输到混和区的装置。此外，静态区中的生物固体也可以通过回流装置，而不是通过反应器内自然的水力方式先回流到交替反应区，进而回流到混和区。

本发明所公开的另一个实施例描述了一种方法和装置，能够在泵的管道内形成大直径气泡(如气动提升泵)，以产生比传统气提泵更高的提升能力。这个特定的实施例包括一个气体收集室和一种将气体传输到泵的管道的装置。气体收集室收集的小气泡不断合并，在达到一定体积后，排放到泵的提升管。其结果是，在泵的提升管内的大气泡利用气体的浮力推动泵提升管中的液体向上流。

本发明所公开的又一实施例描述了一种方法和装置，通过厌氧消化有机物，例如动物和人的粪便、生物固体、污水等，产生沼气。这个特定的实施例包括一个池子和一个自动混和装置。在池子下部所产生的沼气气泡被收集与合并。在达到一定体积后气体被一次性释放到提升管，在提升管内产生很强的吸力，将池子底部的固体和液体提升到池子的上部，有效地混和了池子。该混和也降低了在池底积泥的可能，同时打碎了池内的浮泥。池内的污泥在进料时通过出口被置换排出。

附图简要说明

图1是传统的前缺氧污水处理工艺的流程图。

图2是传统的分步进水硝化和反硝化工艺的流程图。

图3是从美国专利号6，787，035的生物反应器的横截面图。

图4是本发明所公开的一个生物反应器实施例的横截面图。

图5是本发明所公开的另一个生物反应器实施例的横截面图。

图6是本发明所公开的又一个生物反应器实施例的横截面图。

图7是本发明所公开的又一个生物反应器实施例的横截面图。

图8是本发明所公开的一个提升装置实施例的横截面图。

图9是本发明所公开的另一个提升装置实施例的横截面图。

图10是本发明所公开的又一个提升装置实施例的横截面图。

图11是本发明所公开的一个反应器和提升装置实施例的横截面图。

图12是本发明所公开的另一个反应器和提升装置实施例的横截面图。

图13是本发明所公开的又一个反应器和提升装置实施例的横截面图。

图14是本发明所公开的又一个反应器和提升装置实施例的横截面图。

说明书

为了帮助对所要求保护技术的原理的理解，并展示目前所理解的最佳操作方式，现将参考附图所示的实施例，用具体的语言描述本发明。然而应当理解的是，此描述并不意味着对所要求保护的技术范围加以限制；该技术范围还包括了被所要求保护的领域的技术人员能够自然想到的对图示装置的改变和改进，以及在所图示的要求保护的技术的原理上的进一步的应用。

适当的混和对生物反应极为重要。在好氧反应器中，用于供氧所供给的空气通常会满足对混和的需求，因此通常不需要利用额外的混和装置。然而，由于氧气对缺氧和厌氧反应有负面影响，缺氧和厌氧工艺通常用机械混和设备进行混和。常规的混和方法，包括机械混和装置或空气混和装置，是连续操作。为了能完全混和反应器，这些混和装置需消耗大量的能量，或者显著增加反应器内的溶解氧。此外，机械搅拌装置需要定期维护，连续流空气混和装置只能提供轻微的局部混和。

图4示出了第一个发明的一个实施例的横截面侧视图。本发明的生物反应器被分隔成一个在缺氧或厌氧的条件下工作的混和区(50)，一个好氧区(52)，和一个静态区(54)。这些区可以由隔板(59，60)隔开。进水通过进口(56)进入反应器和混和区(50)；如果混和区是在缺氧条件，进水在那里与微生物混和并进行反硝化。如果混和区(50)是在厌氧条件下，则可培养出聚磷微生物(PAOs)以去除磷。用空气驱动的并能进行脉动式提升运动的混和装置(58)可以用于增加混和区的生物动力学。虽然附图中示出的是污泥被直接从静态区(54)回流到混和区(50)，可以理解是，污泥也可以从静态区(54)回流到好氧区(52)，再从好氧区(52)回流到混和区(50)，以可达到同样的目的。

混和液离开混和区(50)然后进入好氧区(52)；在那里水中的BOD被降解；如果污泥龄较长，也可发硝化反应生。混和液然后从好氧区(52)流入静态区(54)。静态区(54)包括沉淀隔板(60)，该隔板可以或可以不延伸到反应器的底部；以及一个将入流导入静态区(54)底部的通道(62)。

如果沉淀隔板(60)不延伸到反应器的底部，沉淀在静态区(54)的固体会被负压直接拉回到好氧区(52)。污泥也可经由泵装置，其可以是常规的机械泵，常规的气提泵，或如后面所描述的脉动式气提泵，回流到好氧区(52)。图中所标泵装置(64)可从好氧区(52)或静态区(54)回流固体到混和区(50)。如果沉淀隔板(60)延伸到所述反应器的底部，固体则必须被从静态区(54)，用泵装置(64)直接回流到混和区(50)，如图所示，或者用泵装置先回流到好氧区(52)再进一步回流到混和区(50)。出流通过出口(66)离开反应器；该反应器可通过一个或多个放空口(68)排空。替代实施例还可包括本领域所共知的曝气装置(70)。

在上述混和区-好氧区的前面还可加一混和区，静态区的污泥可以回流到任一混和区。如果它被回流到第二个混和区，第二混和区的混和液则需回流到第一混和区。这一组合让三个反应区分别在厌氧-缺氧-好氧条件下的工作，实现脱氮除磷双重功能。所有的混和与液体传输装置都可以是那种利用空气驱动的、可进行脉动式提升运动的装置。部分或全部的混和和/或传输装置也可用电、水力、或其它合适的方式驱动。

图5示出了所公开发明的另一个实施例的横截面侧视图。虽然在该特定实施例中有两对缺氧/好氧区的组合，两对以上也是可能的，并应该被视为是本实施例的自然延伸形式。进水通过一个进口(72)进入反应器，然后进入至少一个处于缺氧条件的混和区(74)。能够提供脉动式提升运动的并用空气驱动的混和装置(76)用来增加本实施例混和区的生物动力学；该混和装置将在后面介绍。在其他实施例中，也可以使用其他类型的混和装置。

混和区(74)内的进水和回流污泥流过隔离墙(78)进入到其它区，这其中至少有一个为好氧区(80)，区内有曝气装置(82)进行混和并提供氧气，使有机物降解和硝化。最后，它进入静态区(84)；该静态区由一个可能会或可能不会延伸到反应器底部的沉淀隔板(86)，和一个将入流导向静态区(84)底部的通道(88)组成。

污泥固体沉淀到静态区(84)底部；如果沉淀隔板(86)不延伸到反应器的底部，静态区内的污泥固体可以被自动地回流到前面的好氧区(80)。不管沉淀隔板(86)是否延伸到反应器的底部，静态区(84)底部的污泥固体都要用泵装置(90)输送到至少第一混和区(74)。虽然未被标出，其他的污泥回流装置也应被用于本实施例。本实施例图中所示的沉淀隔板(86)不延伸到反应器的底部，但是替代实施例可以包括一个延伸到反应器的底部的隔板。

静态区(84)中的上清液经出口(92)离开反应器。该反应器可通过一个或多个排空口(94)放空。

图6示出了本发明的另一实施例的横截面侧视图。入流通过进水口(96)进入反应器并进入交替反应区(98)。交替反应区(98)是通过一个曝气装置(100)曝气，和/或通过一个混和装置(102)混和；图6所示混和装置为后述的空气提升装置的一个实施例。替代实施例可以不显示曝气装置和/或混和装置。其它实施例可根据需要包括多个曝气和/或混和装置。通过交替好氧和无氧操作，反应器可以在同一容器中实现硝化和反硝化。

混和液离开交替反应区(98)后进入静态区(104)；静态区是由一个可能会或可能不会延伸到反应器的底部的沉淀隔板(106)，和一个将入流导向静态区(104)底部的通道(108)组成。

如果沉淀隔板(106)不延伸到反应器(110)的底部，沉淀到静态区(104)底部的污泥固体可以被自动地回流到交替反应区(98)。在这种情况下没有必要进行强制污泥回流。然而，无论是沉淀隔板(106)是否延伸到反应器的底部，沉淀在静态区(104)底部的污泥固体都可用泵装置(112)回流到交替反应区(98)。本实施例中显示的沉淀隔板(106)不延伸到反应器的底部，但其他实施例可以采用一个延伸至所述反应器(110)底部的沉淀隔板。静态区(104)中的上清液通过出口(114)离开反应器。该反应器可通过一个或多个排空口(116)放空。

图7示出了所公开技术的另外一个实施例的横截面侧视图。入流通过进口(118)进入反应器并流入的混和区(120)；该区用混和装置(122)混和。这个前混和区的目的是为了提高生物除磷和脱氮性能；它可根据处理工艺的操作周期在厌氧或缺氧条件下运转。混和液离开混和区(120)后进入由一个隔板(142)隔开的交替反应区(124)。

混和区(120)的混和装置(122)可以是后面描述的脉动式混和装置。

如果需要的话，交替反应区(124)可经由一个曝气装置(126)曝气和通过一个混和装置(125)混和。混和液离开交替区(124)后进入静态区(128)；静态区是由一个可能会或可能不会延伸到反应器(132)的底部的沉淀隔板(130)，和一个将入流导向静态区(128)底部的通道(134)组成。

如果沉淀隔板(130)不延伸到反应器的底部，沉淀到静态区(128)底部的污泥固体可以被自动地回流到交替反应区(124)。无论是沉淀隔板(130)是否延伸到反应器的底部，沉淀在静态区(128)底部的污泥固体都可用一个或多个泵装置回流到交替反应区(124)。混和液然后从交替反应区(124)回流到混和区(120)。也可用泵装置(136)直接将固体从静态区(128)回流到混和区(120)，如图所示。静态区(128)中的上清液通过出口(138)作为出流离开反应器。该反应器可通过一个或多个排空口(140)放空。

图8示出了一种气动提升装置的实施例的横截面侧视图。本实施例是一个液体提升装置(144)(即，脉动式提升装置)；它能收集与合并气体，并周期性地以大直径气泡的方式释放收集的气体，以达到比常规的气提泵更好的性能。气体或通过图示的供气管(148)，或由该装置下方的气源(未示出)上升进入气体收集室(146)。在某些应用中，气体收集室(146)的外壳可以进一步延长到提升管(150)底部的下方。脉动式提升装置可用于液体(或混和液)的混和与传输。

小气泡进入气体收集室(146)后逐渐积累并形成大气泡。该大气泡的体积逐渐向下膨胀直到孔口(152)；该孔口由顶部和底部开口的以防止堵塞的挡板(154)盖住。一旦气体体积达到孔口(152)，全部的气体会经由挡板(154)的顶部、气体通道(156)与孔口(152)进入到上部提升管(150)。气泡填充提升管(150)，将提升管下部的液体抽升至装置的顶部。在本实施例中的孔口(152)位于上部提升管(150)；该提升管可以向下延伸，以形成装置的底座。这样的提升装置(144)可根据需要用在不同类型的池子、罐、或容器中。此外，所公开的泵装置可用于传输不同的液体和/或固体。在其它实施例中，除空气以外的其它一种或多种气体也可用于驱动泵运动。

图9示出了该发明的又一实施例的横截面侧视图。气体或通过图示的供气管(160)，或由该装置下方的气源上升进入气体收集室(158)。小气泡进入气体收集室(158)后逐渐积累并形成大气泡。该大气泡的体积逐渐向下膨胀直到上部提升管(162)的下沿。一旦气泡越过了上部提升管(162)的下沿，全部的气体经由下部提升管(164)的上沿与气体通道(166)进入到上部提升管(162)，提升流体。在本实施例中下部提升管可向下延伸形成装置的底座。在其它应用中气体收集室(158)的外壳可向下延伸直至下部提升管(164)下沿的下方。

图10示出了该发明的又一实施例的横截面侧视图。气体或通过一根供气管(170)，或从装置下方的气源上升进入气体收集室(168)。当小气泡进入气体收集室(168)后合并成大气泡。该气泡的体积逐渐逐渐向下膨胀直到孔口(172)；该孔口由挡板(178)与气体收集室(168)分离。当气泡穿越孔口(172)，全部气体会经由气体通道(174)的上部进入上部提升管(176)。本实施例与另两个实施例之间的主要区别在于，一旦气体进入上部提升管(176)，它通过气体通道(174)和孔口(172)将液体和固体抽进上部提升管。

图11示出了本发明的一个实施例的横截面侧视图；其反应罐(180)包括一个类似于图8-10中描述的提升泵(182)。进料通过进口(184)进入到反应器的厌氧混和区(186)。在那里，它与厌氧细菌混和，并被厌氧细菌消化产生有用的气体，如甲烷，作为代谢副产物。反应器内产生的气泡在厌氧区(186)上浮，由气体收集环(188)捕获，并在气体收集室(190)内合并。气体的体积逐渐膨胀，到达由孔口挡板(194)保护的孔口(192)的上沿。此时，气体会流经气体通道(196)和孔口(194)进入上部提升管(198)。当气体在上部提升管(198)内移动时，它将反应器底部的固体(如果有的话)抽到反应器上部，从而有效地混和了反应器。累积的气体通过气体出口(200)离开反应器。反应器的出流通过液体出口(202)离开反应器；该反应器可通过放空口(204)放空。如果需要的话，替代实施例可包括更多或更少的入口、气体出口、液体出口和/或放空口，因此显而易见的是，在不包含气体出口的替代实施例中，反应罐可以是敞口的反应罐，该敞口可以具有与其他实施例中的气体出口类似的作用。

图12示出了本发明另一实施例的横截面侧视图。该特定实施例示出了一些可改善如图11所示实施例性能的组件。进料通过进口(206)引入到反应器的混和区(208)。在那里，它与厌氧细菌混和，并被厌氧细菌消化产生有用的气体，如甲烷，作为代谢副产物。反应器内产生的气泡在混和区(208)内上浮，由气体收集环(210)捕获，并在气体收集室(212)内合并。原先不能被收集的、气体收集环(210)外面的气体由绕反应器(216)的气体收集导流板(214)导至气体收集室(212)。

气体的体积逐渐膨胀，并到达由孔口挡板(220)所保护的孔口(218)的上沿。此时，气体会流经气体通道(222)和孔口(218)进入上部提升管(224)。当气体在上部提升管内移动时，它将反应器底部的固体抽到反应器上部，从而有效地混和了反应器。当混和装置内充满并释放气体时会在装置内产生很大的浮力。因此，弹性连接(226)可和/可不和缓冲板(228)结合，使该装置在气体从上部提升管(224)释放时产生振荡。整个装置的振荡会使反应器得以更好地混和。

累积的气体通过气体出口(230)离开反应器；也可以用循环泵(232)将气体循环到气体收集环(210)的下面。此可选组件可以让操作员在任何时候都可强制混和反应器。反应器出流从出口(234)离开反应器；但也可加一出口挡板(236)提高反应器性能。出口挡板(236)能够降低随出流排出的活性污泥量。该反应器可通过排空口(238)放空。

图13示出了本发明又一实施例的横截面侧视图。本实施例示出如何将多个混和装置相邻安装在同一体积内，以提高反应器的性能，或在较大反应器内使用。进料通过进口(240)进入到反应器的厌氧区(242)。在那里，它与厌氧细菌混和，并被厌氧细菌消耗，从而产生有用的气体，如甲烷，作为代谢副产物。反应器内产生的气泡在厌氧区(242)内上浮，由气体收集环(244)捕获，并在气体收集室(246)内合并。气体的体积逐渐膨胀，到达由孔口挡板(250)所保护的孔口(248)的上沿。此时，气体会流经气体通道(252)和孔口(248)进入上部提升管(254)。当气体在上部提升管(254)内移动时，它将反应器底部的固体抽到反应器上部，从而有效地混和了反应器(256)。

累积的气体通过气体出口(258)离开反应器。反应器出流通过出口(260)离开反应器；该反应器可通过排空口(262)放空。图12中的所有可选组件都可以按需被用在本实施例或类似的实施例中。

图14示出了本发明的另一实施例的横截面侧视图。该特定实施例用图9中公开的自动混和装置代替图8中公开的自动混和装置。进料通过进口(264)进入到反应器厌氧区(266)。在那里，它与厌氧细菌混和，并被厌氧细菌消耗，从而产生有用的气体，如甲烷，作为代谢副产物。反应器内产生的气泡在反应器的厌氧区(266)内上浮，由气体收集环(268)捕获，并在气体收集室(270)内合并。气体的体积逐渐膨胀，直到上部提升管(272)的底部。此时，气体流经由下部提升管(276)的上端延伸到上部提升管(272)的下端所形成的气体通道(274)，并进入上部提升管(272)。当气体在上部提升管(272)内移动时，它将反应器底部的固体抽到反应器上部，从而有效地混和了反应器。累积的气体通过气体出口(280)离开反应器(278)。反应器出流通过出口(282)离开反应器；该反应器可通过排空口(284)放空。图12中的所有可选组件都可以被用在本实施例或类似的实施例中。

操作方式

在图4和5的实施例中，污水首先通过进口进入所述生物反应器的一个或多个混和区。进水中的有机碳被用作反硝化过程的电子供体，使硝酸盐或亚硝酸盐转化成氮气。如果没有硝酸盐或亚硝酸盐的话，进水中的有机碳可促使聚磷微生物释放更多的磷，并准备在好氧条件下摄取更多的磷，从而促进聚磷微生物的生长。在好氧条件下BOD被降解，氨被转化为硝酸盐和/或亚硝酸盐。含有硝酸盐和/或亚硝酸盐的沉淀污泥须从静态区回流到混和区进行反硝化，从而去除氮。

反应器内的大部分固体是通过静态区以及污泥自动或强迫的回流得以保留。反应器中的固体浓度是通过反应器的污泥排放量来控制。如果需要的话，可以在反应器的下游进行进一步的澄清或过滤，但在通常情况下没有必要从这些下游的进一步处理单元中进行污泥回流。

图6和图7实施例的核心是交替反应器。这些实施例中，反应器通常以批处理的方式运行，当交替反应区在厌氧/缺氧条件下进水。这样做可以提供碳源来反硝化。如果反应器连续进水，各类氮的浓度(例如，硝酸盐，氨等)可能会增加到不希望的水平；但是否连续进水取决于具体的设施和排放要求。与图4和图5实施例相似，大部分固体被保留在反应器中，其浓度由反应器的排泥量控制。如果需要的话，可以在反应器的下游进行进一步安装澄清池或其它后续处理单元，但通常没有必要从这些后处理单元中进行污泥回流。

图7实施例中的交替反应区之前有一个可在厌氧或缺氧条件下连续工作的混和区。在本实施例中进水直接从进口进入到混和区。污泥从静态区回流到混和区。污泥可在好氧期的末段从交替反应区排放，以最大限度地生物除磷。

图8、9和10的实施例是通过一个腔室不断收集与合并小气泡，直至达到临界体积。然后气体会离开该腔室并进入一个提升管，推拉提升管内部与下面的液体和固体。提供给该装置的气体可以经由供气管直接供给，也可以是收集到的上升的气泡。如果使用后者供气，气泡可以来自气体扩散器、开口的空气管，或者直接从液体中产生。

图11至14的实施例是在厌氧条件下工作。进料可包括来自污水处理厂的污泥，人与动物的粪便，或其它高活性的有机泥浆，以驱动反应器。混和装置的效果取决于进料的活性和反应器的温度。当反应器通过进口进料时，等体积的出流会被从出口置换出。气体离开气体出口后被收集，然后被储存、燃烧，或经处理后作他用，如在内燃机中使用。

反应容器，生物反应器，等等，如果采用本发明所公开的一项或几项技术，可以表现出以下列出的、现有的反应装置不具有的部分或全部优点：

(a)在本发明的生物反应器内，更多的污泥可以被回流到混和区，从而在生物反应器中保持比常规悬浮生长法生物反应器中更高的微生物浓度。其结果是使生物反应器的性能和出水水质得到改善。

(b)由于微生物浓度的增加，本发明的生物反应器可以在较高的容积负荷下运转，从而降低生物反应器的尺寸和建造成本。

(c)在本发明的生物反应器中，污泥内回流功能取代了污泥从二沉池回流，从而取消了从沉淀池的污泥外回流装置，简化了操作并降低了污泥回流的能耗。

(d)取消从二沉池回流污泥使得进入二沉池的污泥仅仅为剩余污泥，从而降低了沉淀池的固体负荷，提高了沉淀池出水的水质。

(e)由于本发明可以很容易地被实施，现有的悬浮生长法生物反应器，例如曝气池，可以通过加隔板的方式，很容易地创建污泥内回流功能和前缺氧区，改造成本发明的生物反应器。因此，现有采用悬浮生长工艺的生物反应器的污水厂，如活性污泥法污水厂，可以在成本非常低的情况下升级以增加处理容量。这就避免了在现有污水厂达到设计容量后，污水厂的扩容和新建污水厂所需要的昂贵费用。

(f)利用多个缺氧/好氧区的组合，并将进水分配到每个缺氧区可使该反应器通过不断硝化/反硝化深度去除总氮。因为反硝化作用，该工艺回收了以硝酸盐和亚硝酸盐形态存在的氧，去除了部分有机污染物，因而进一步降低了对氧气的需求。因此，曝气所需要的能量会降低。此外，反硝化降低了出水中硝酸盐和亚硝酸盐的浓度，从而改善了出水水质。

(g)通过实施交替好氧-缺氧操作，进水中的有机物可被用于反硝化。因此，好氧-缺氧交替工艺无需用外加碳源即能实现深度脱氮，从而显著节省了建设和运营成本。

(h)在同一个体积内进行好氧和缺氧处理简化了建造和运营，从而显著地节省了建造、运营和维护的费用。

(ⅰ)当非曝气阶段延长后会形成厌氧状态，以实现生物除磷，从而使污水在同一体积内，以最小的建造、操作和维护成本，达到深度处理。

(j)由于有比传统沼气池更强烈的混和，本发明可以有更高的反应速率，在处理等量的有机废物时用较小的反应器，或者在使用与传统沼气池同样大小的本发明的沼气池时，产生更多的沼气和进行更完全的消化。

(k)由于有自动混和功能，本发明省去了反应器混和所需的能量输入。因此，相对于其他沼气池，本发明沼气池的净能量输出较高。它还可使得反应器在没有电网的农村或欠发达地区使用。

(l)省去机械混和装置降低了对反应器操作和维护的要求。这一点，再加上反应器较小的尺寸，降低了建造和运营成本。因此，本发明反应器在不发达国家也有市场。

(m)脉动式提升装置，包括提升管和气体收集衣室，不仅使整个反应器有更彻底的混和，而且还可以防止污泥在沼气池底部的积累，并且也有助于打碎消化池内的浮泥，从而提高沼气池的性能，同时减少对沼气池定期清理的要求。

(n)脉动式提升装置的三路通道设计消除了在某些应用中大气泡发生器堵塞的可能性。

(o)脉动式提升装置产生的大气泡降低了从气泡到周围液体的氧传递，使得液体能保持特定的环境条件。

尽管所要求保护的技术已经在附图和前面的说明中描述，前面的说明是示意性的，而不是限制性的。应当理解，前面说明书中对实施例的描述仅满足最佳操作模式和可能性要求。还应当理解，本领域的普通技术人员可容易地对上面所描述的实施例作出无限的非实质性的改变和修改，但在本说明书中列出所有这些实施方式的变化是不切实际的。因此，可以理解的是，所有变化和改进，只要它符合权利要求之精神，都应受到保护。

Claims (28)

1.一种用于处理水和污水的生物反应器，其中包含：

(a)一个具有一个进口和一个出口的池子；

(b)一种将所述池子分隔成一个混和区，一个好氧区，和一个静态区的装置；

(c)所述混和区与池子的进口相连，并包含一种混和装置；

(d)所述混和装置由空气驱动，并能够使液体产生周期性脉动式的提升运动；

(e)所述好氧区包含一种将氧气传到该区并混和该区的装置；

(f)所述静态区与池子的出口相连；

(g)一种将污泥从静态区直接回流到所述混和区，或者先回流到好氧区再回流到所述混和区的装置。

2.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述混和区内还含有滞留固体的装置。

3.一种用于处理水和污水的生物反应器，其中包含：

(a)一个具有一个进口和一个出口的池子；

(b)一种将所述池子分隔成两个区的装置，所述两个区分别为一个交替反应区和一个静态区；

(c)在所述交替反应区内的一种混和装置和一种曝气装置；

(d)所述静态区与池子的出口相连；

(e)一种将污泥从所述静态区回流到所述交替反应区的装置；

(f)所述曝气装置间歇性地开启和关闭；

(g)所述混和装置至少是在所述曝气装置不开启的时候工作，并且所述混和装置由空气驱动，并能够使液体产生脉动式的提升运动；

(h)一种至少在所述曝气装置不开启的部分时间将进水泵到交替反应区的装置。

4.如权利要求3所述的生物反应器，其特征在于，在所述交替反应区和所述静态区之间放置一个好氧区。

5.如权利要求4所述的生物反应器，其特征在于，在所述交替反应区的前面放置一个能够混和液体的混和区，以及一种将污泥从其下游区的所述交替反应区或静态区回流到所述混和区的装置。

6.如权利要求5所述的生物反应器，其特征在于，所述混和区内还含有滞留固体的装置和脉动式混和装置，其中所述脉动式混和装置由空气驱动，并能够使液体产生脉动式的提升运动。

7.如权利要求3所述的生物反应器，其特征在于，在所述交替反应区的前面放置一个能够混和液体的混和区，以及将污泥从其下游区的所述交替反应区或静态区回流到所述混和区的一种装置。

8.一种用于处理水和污水的生物方法，其中包括：

(a)提供一个具有一个进口和一个出口的池子；

(b)提供一种装置以将所述池子分隔成一个混和区，一个好氧区，和一个静态区；

(c)使所述混和区与池子的进口相连，并在混和区设置一种混和装置；

(d)通过空气驱动所述混和装置，以使液体产生周期性脉动式的提升运动；

(e)在所述好氧区设置一种将氧气传到该区并混和该区的装置；

(f)使所述静态区与池子的出口相连；

(g)提供一种将污泥从静态区直接回流到所述混和区，或者先回流到好氧区再回流到所述混和区的装置。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混和区内还含有滞留固体的装置。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，至少是根据好氧区出水中的氨氮的浓度来控制曝气装置的曝气强度。

11.如权利要求10所述的方法，还包括根据好氧区内的溶解氧的浓度来控制污泥排放装置的排泥量。

12.一种用于处理水和污水的生物方法，其中包含：

(a)提供一个具有一个进口和一个出口的池子；

(b)提供一种装置来将所述池子分隔成两个区，所述两个区分别为一个交替反应区和一个静态区；

(c)在所述交替反应区内设置一种混和装置和一种曝气装置；

(d)使所述静态区与池子的出口相连；

(e)提供一种装置来将污泥从所述静态区回流到所述交替反应区；

(f)所述曝气装置间歇性地开启和关闭；

(g)所述混和装置至少在所述曝气装置不开启的时候工作，并且所述混和装置由空气驱动，并能够使液体产生脉动式的提升运动；

(h)提供一种装置以至少在所述曝气装置不开启的部分时间将进水泵到所述交替反应区。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述交替反应区和所述静态区之间放置一个好氧区。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述交替反应区的前面放置一个能够混和液体的混和区，以及一种将污泥从其下游区的所述交替反应区或静态区回流到所述混和区的装置。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述混和区内还含有滞留固体的装置和脉动式混和装置，其中所述脉动式混和装置由空气驱动，并能够使液体产生脉动式的提升运动。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述交替反应区的前面放置一个能够混和液体的混和区，以及一种将污泥从其下游区的所述交替反应区或静态区回流到所述混和区的装置。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，至少是根据交替反应区曝气阶段水中的氨氮的浓度控制曝气装置的曝气强度。

18.如权利要求17所述的方法，还包括根据交替反应区曝气阶段水中的溶解氧的浓度控制污泥排放装置的排泥量。

19.一种用于处理有机废物或污水的装置，其中包括：

(a)一个具有一个进口，一个出口，一个气体出口，以及一种混和装置的池子；

(b)所述混和装置包括一个引导液体和/或液体中固体的提升管，一个用于收集和合并气体的容器，和一个在所述提升管与所述容器之间的、能使气体从所述容器一次性导入所述提升管的通道；

(c)所述混和装置的提升管的下端延伸到池子的下部；

(d)所述混和装置由气体驱动，并能使池内的混和液产生周期性脉动式的提升运动。

20.如权利要求19所述的装置，还包括将气体导入所述混和装置的装置，和/或将气体回流到所述混和装置的装置，将固体滞留在池子内以此来降低出流中固体含量的装置，以及使所述混和装置振荡的装置。

21.如权利要求19所述的装置，在单个池子内还包括多个混和装置。

22.一种用于处理有机废物或污水的方法，其中包括：

(a)提供一个具有一个进口，一个出口，一个气体出口，以及一种混和装置的池子；

(b)所述混和装置包括一个引导液体和/或液体中固体的提升管，一个用于收集和合并气体的容器，和一个在所述提升管与所述容器之间的、能使气体从所述容器一次性导入所述提升管的通道；

(c)所述混和装置的提升管的下端延伸到池子的下部；

(d)所述混和装置由气体驱动，并能使池内的混和液产生周期性脉动式的提升运动。

23.如权利要求22所述的方法，还包括提供将气体导入所述混和装置的装置，和/或将气体回流到所述混和装置的装置，将固体滞留在池子内以此来降低出流中固体含量的装置，以及使所述混和装置振荡的装置。

24.如权利要求22所述的方法，在单个池子内还包括多个混和装置。

25.一种用于周期性脉动式地提升液体和/或液体中固体的装置，其中包括：

(a)一个引导液体和/或液体中固体的提升管；

(b)一个用于收集和合并气体的容器；

(c)一个在所述提升管与所述容器之间的、能使气体从所述容器一次性导入所述提升管的三路通道；

(d)一种气源。

26.一种用于周期性脉动式地提升液体和/或液体中固体的装置，其中包括：

(a)一个引导液体和/或液体中固体的上部提升管；

(b)一个包含至少一部分所述提升管的、收集和合并气体的容器；

(c)一个包围上部提升管的下沿的下部提升管，其中在下部提升管的上沿内壁与上部提升管的下沿外壁之间形成一个通道；

(d)一种气源。

27.一种用于周期性脉动式地提升液体和/或液体中固体的方法，其中包括：

(a)提供一种气源；

(b)提供一个用于收集和合并气体的容器；

(c)提供一个引导液体和/或液体中固体的提升管；

(d)在所述提升管与所述容器之间提供一个三路通道以使气体从所述容器一次性导入所述提升管，从而提升液体和/或液体中的固体。

28.一种用于周期性脉动式地提升液体和/或液体中固体的方法，其中包括：

(a)提供一种气源；

(b)提供一个引导液体和/或液体中固体的上部提升管；

(c)提供一个包含至少一部分所述上部提升管的用于收集和合并气体的容器；

(d)提供一个包围上部提升管的下沿的下部提升管，其中在下部提升管的上沿内壁与上部提升管的下沿外壁之间形成一个通道，以使得气体通过该通道进入上部提升管，从而提升液体和/或液体中的固体。