CN107352752A - 在活化污泥废水处理工艺中改善污泥的去除并保持排放质量的方法 - Google Patents

在活化污泥废水处理工艺中改善污泥的去除并保持排放质量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在活化污泥废水处理工艺中改善污泥的去除并保持排放质量的方法。该方法包括：将输入的废水流引入处理设施，所述废水流的流量为至少20,000加仑/天；输入的废水流含有至少50mg/L的固体和100mg/L的BOD；在该处理设施中，从输入的废水流中除去固体和BOD以提供最终的排出流体；该最终的排出流体中的固体少于废水流中固体的10％，并且其BOD少于废水流中BOD的10％；固体和BOD的去除产生相对于每磅被除去的BOD为小于约0.25磅的二次污泥。所述的方法能够改善污泥的去除并保持排放质量。

Description

在活化污泥废水处理工艺中改善污泥的去除并保持排放质量 的方法
本申请是申请日为2011年3月15日，发明名称为“用于减少废水处理设施产生的污泥的系统及方法”的中国专利申请No.201180015287X的分案申请。
背景技术
通过城市用水和工业用水而产生的废水在被排放到受纳水体之前，通常都被收集起来并按指定途径输送至处理设施以除去各种物理、化学和生物污染物。为了实现必要的处理，许多公共和私人处理设施都采用物理和生物处理法。物理法(包括筛选、研磨和物理沉降处理)对除去废水中的较大和较重的固体是有效的。然而，废水中较轻、较小的固体和其他可溶性污染物不能通过物理法除去。对于这些污染物，通常采用诸如活化污泥和滴滤装置这样的生物处理方法。
近年来，城市废水处理系统的污染物排放规定变得越来越严格。应对这种情况，许多城市采用了新的废水处理系统或者对现有系统进行改进以减少污染物的排放。污染物可为多种形式，其中最常见的为生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、总悬浮固体物(TSS)、氨、总氮量、硝酸盐、亚硝酸盐和含磷物这些形式。
生物处理系统(诸如传统的活化污泥系统和膜生物反应装置)是一种减少废水流入液中的污染物的方法。术语“流入液”是指流入蓄水库、水池、处理工艺、处理厂或处理设施的原始(未经过处理)或者经过部分处理的废水或其他液体。设计生物处理系统并进行操作从而保持具有足够量的活化污泥，使得经所述系统处理的水所含的污染物负荷得到充分降低。按所产生的废活化污泥的重量或质量计，其净生成量与系统的固体停留时间(SRT)有关。在各种条件下处理各种污染物所需的最小SRT是众所周知的。传统的活化污泥系统通过采用沉降或澄清装置来保留活化污泥，并且能够保持足够的SRT以处理污染物，条件是，流向沉降池或澄清装置的活化污泥浓缩物的流量和活化污泥的沉降性能处于由设计参数所设定的合理的限度内，这取决于沉降池或澄清装置的面积以及活化污泥的特性。膜生物反应装置系统通过使用膜过滤设备来保留活化污泥，与传统的活化污泥系统的典型情况相比，膜生物反应装置系统可在显著更高的活化污泥浓度下良好地运行，但是，在处理偶然出现的高流速情况时，膜生物反应装置的能力较为有限。
当污染物负荷量或水力容量(hydraulic capacity)达到极限时，处理设施将面临这样的风险：违反许可限度、联邦或州政府采取强制措施的可能性、以及在处理厂的收集系统服务区内的居民生活水平和工业的增长受到限制或阻碍。通常，可以通过物理扩张废水处理设施来满足增加的水力负荷的需求。但是，物理扩张是昂贵的，并且通常需要使用额外的土地，而在现有设施的邻近位置有可能没有可用的土地，特别是在大城市中，土地更为昂贵。
因此，需要寻找一种途径来增加污染物的体积或质量负荷量和水力容量，而不需要对工厂进行物理扩张。与现有的污泥处理方法相比，本发明的显著优点在于：通过将生物发酵装置添加到现有的物理设施中，能够显著增加污染物的体积负荷量。另外，本发明的特征和优点还在于：改进的污泥工艺能够产生具有改善的沉降特征的生物污泥。改善的沉降特征允许增加水力负荷而不需要增大活化污泥系统的物理元件的尺寸，这是因为净的污泥废物量和/或生成量较低。另一优点为：降低了运行成本，例如化学品、人力、能量和运输的成本，这是因为在所述污泥处理工艺中要运用和处置的生物污泥量较少，而生物污泥通常占废水处理设施运行成本的40-50％。出于同样的原因，可以以较小的规模构建新的废水处理工厂，其中污泥处理设施的需求大大减少，因此其资金成本比已知系统的资金成本低。对于需要升级的现有的废水处理系统，有可能可以削减资金扩充或者延迟部分或全面扩充的需要。另外，从活化污泥工序开始至需氧或厌氧消化装置，将生物污泥废弃所耗的时间可以延长25-50％，并且从该工序至脱水步骤(诸如干燥床、压滤机或离心机)所述时间可以延长25-50％。这些多出的时间表示：需要更少的人力、更少的设备、更少的电力供给和更少的化学品用量。
发明内容
本发明涉及一种改善污泥的去除并保持排放质量的方法。该方法包括：将输入的废水流引入处理设施，所述废水流的流量为至少20,000加仑/天；所述输入的废水流含有至少50mg/L的固体和100mg/L的BOD；在所述处理设施中，从所述输入的废水流中除去固体和BOD，从而提供最终的排出流体；所述最终的排出流体中的固体少于所述废水流中固体的10％，并且BOD少于所述废水流中BOD的10％；固体和BOD的去除产生相对于每磅被减少的BOD为小于约0.25磅的二次污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的二次污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和400mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的二次污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约50mg/L的固体和100mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.125磅的二次污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.125磅的二次污泥。
在另一实施方案中，本发明涉及一种改善污泥的去除并保持排放质量的方法。该方法包括：将输入的废水流引入处理设施，所述废水流的流量为至少20,000加仑/天；所述输入的废水流含有至少50mg/L的固体和100mg/L的BOD；在所述处理设施中，从所述输入的废水流中除去固体和BOD，从而提供最终的排出流体；所述最终的排出流体中的固体少于所述废水流中固体的10％，并且BOD少于所述废水流中BOD的10％；固体和BOD的去除产生相对于每磅被除去的BOD为小于约0.25磅的生物污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的生物污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和400mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的生物污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约50mg/L的固体和100mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.125磅的生物污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.125磅的生物污泥。
在另一实施方案中，本发明涉及一种改善污泥的去除并保持排放质量的方法。该方法包括：将输入的废水流引入处理设施，所述废水流的流量为至少20,000加仑/天；所述输入的废水流含有至少50mg/L的固体和100mg/L的BOD；在所述处理设施中，从所述输入的废水流中除去固体和BOD，从而提供第一最终的排出流体；所述第一最终的排出流体中的固体少于所述废水流中固体的10％，并且BOD少于所述废水流中BOD的10％；通过添加来自生物发酵装置的处理配料(treatment batch)来处理所述废水流体，由此使得被除去的污泥的磅数下降至少约10％，而所述最终的排出流体中的固体和BOD的量没有增加。在该方法中，可以将处理配料添加到厌氧消化装置、均衡池和/或初级澄清装置中。在该方法中，被除去的污泥的磅数可下降至少约25％，而所述最终的排出流体中的固体和BOD的量没有增加。在该方法中，被除去的污泥的磅数可下降至少约50％，而所述最终的排出流体中的固体和BOD的量没有增加。
在另一实施方案中，本发明涉及一种改善污泥的去除并保持排放质量的方法。该方法包括：将输入的废水流引入处理设施，所述废水流的流量为至少20,000加仑/天；所述输入的废水流含有至少50mg/L的生物固体和100mg/L的BOD；在所述处理设施中，从所述输入的废水流中除去生物固体和BOD，从而提供最终的排出流体；所述最终的排出流体中的生物固体少于所述废水流中生物固体的10％，并且BOD少于所述废水流中BOD的10％；固体和BOD的去除产生相对于每磅被除去的BOD为小于约0.25磅的生物固体。在该方法中，所述污泥可为初沉污泥、生物污泥，和/或所述污泥可包含初沉污泥和生物污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的生物固体。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和400mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的生物固体。在该方法中，输入的废水流可含有至少约50mg/L的固体和100mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体为小于约0.125磅的生物固体。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.125磅的生物固体。
在另外的实施方案中，本发明涉及一种改善污泥的去除并保持排放质量的方法。该方法包括：将输入的废水流引入处理设施，所述废水流的流量为至少20,000加仑/天；所述输入的废水流含有至少50mg/L的固体或100mg/L的BOD；在所述处理设施中，从所述输入的废水流中除去固体和BOD，从而提供最终的排出流体；所述最终的排出流体中的固体少于所述废水流中固体的10％，并且BOD少于所述废水流中BOD的10％；固体和BOD的去除产生相对于每磅被除去的BOD为小于约0.25磅的二次污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的二次污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和400mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的二次污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约50mg/L的固体和100mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.125磅的二次污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.125磅的二次污泥。
在另一实施方案中，本发明涉及一种改善污泥的去除并保持排放质量的方法。该方法包括：将输入的废水流引入处理设施，所述废水流的流量为至少20,000加仑/天；所述输入的废水流含有至少50mg/L的固体或100mg/L的BOD；在所述处理设施中，从所述输入的废水流中除去固体和BOD，从而提供最终的排出流体；所述最终的排出流体中的固体少于所述废水流中固体的10％，并且BOD少于所述废水流中BOD的10％；固体和BOD的去除产生相对于每磅被除去的BOD为小于约0.25磅的生物污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的生物污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和400mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.25磅的生物污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约50mg/L的固体和100mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.125磅的生物污泥。在该方法中，输入的废水流可含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体可为小于约0.125磅的生物污泥。
附图说明
图1为传统的活化污泥工艺的流程图。
图2为传统的废水处理工艺的示意图。
图3为示出了一种示例性的废水处理顺序和工艺的图。
图4为示出了一种示例性的废水处理顺序和工艺的图。
具体实施方式
本发明的多个实施方案提供了处理废水的系统和方法。本发明的许多实施方案能够接收超出一种或多种环境标准的流入液，并排放符合当前环境标准的流出液，所述当前环境标准包括对BOD、COD、TSS、氨、硝酸盐、亚硝酸盐、总氮量和含磷物水平的限制。这些环境排放标准受到或者由《国家污染物排放消除体系》(NPDES)控制。可以对本发明的多个方面加以选择，从而在“正常”运行期间使处理效率最大化并且使运行成本最小化，但是仍然使用同一系统获得可接受的排放质量，即使在高输入期时也是如此。
具体而言，本发明涉及废水处理方法，其中废弃的或产生的生物污泥的净量得到降低。
概述
除非特别指明，否则本发明的实施采用废水处理技术中对于一级注册操作员或A级注册操作员、或具有环境工程师学位的工程师来说为本领域普通技术的常规技术。这些技术以及技术术语的定义在文献中均有充分地解释，例如，关于操作员资格证书，可参见Operation of Wastewater Treatment Plants Manuals，A Field Study TrainingProgram，第4版，第1和2卷，加利福尼亚州立大学，萨克拉门托市，1993年；IndustrialWaste Treatment,A Field Study Training Program，加利福尼亚州立大学，萨克拉门托市，1991年；Advanced Waste Treatment,A Field Study Training Program，第2版，加利福尼亚州立大学，萨克拉门托市，1993年；以及Operation and Maintenance WastewaterCollection Systems,A Field Study Training Program，第4版，第1和2卷，加利福尼亚州立大学，萨克拉门托市，1993年。
可以在产生废水的位置(如化粪池、生物滤池或需氧处理系统)附近处理所述废水，或者将所述废水收集起来并通过管网和泵站(称为收集系统)将它们输送至废水处理厂。废水的收集和处理通常要遵循地方、州和联邦政府的规章制度和标准。工业来源的废水通常需要使用特定的处理工艺。
通常，废水处理包括三个阶段，称为一级处理、二级处理和三级处理。
一级或沉降处理/阶段包括：将流入的废水暂时保持在静态池中，在该静态池中，重的固体沉降到底部，而脂肪、油、油脂和较轻的固体漂浮在表面。将沉降物和漂浮物除去，并且可将剩余的液体排放到或进行二级处理。
术语“流入液”是指：流入蓄水库、水池、处理工艺或处理厂或处理设施的原始(未经过处理)或者经过部分处理的废水或其他液体。
在一级阶段，废水流过通常被称为“初级澄清池”或“一级沉降池”的大池子。术语“澄清池”是指沉降池或沉淀池，它们是将废水保持一段时间的槽或池，在这段时间期间，较重的固体沉降到底部并且较轻的物质漂浮在水表面。所述槽足够大，使得污泥可以沉降，并且诸如油脂和油这样的漂浮物可以上升到表面并被撇去。一级沉降阶段的主要目的是产生能够被生物处理的、总体上均质的液体和能够被独立处理或加工的污泥。一级沉降池通常配有由机械驱动的刮铲件，这些刮铲件将所收集的污泥连续驱送至位于所述池子底部的储料装置，污泥从所述储料装置被泵送到进一步的污泥处理阶段。
术语“污泥”包括“初沉污泥”、“二次污泥”或“生物污泥”、以及其他“固体”，这三个词语根据上下文可互换使用，均是指在二级(生物)处理过程中由有机物质的生物降解而产生的过剩的生物质。
术语“初沉污泥”是指采用一级处理时由沉降所得的半液态废弃物，没有经过另外的处理。其通常包括经沉降并从初级澄清池的底部被除去或者从预处理或均衡池捞出来的有机物、纸、粪便物/固体。如果在初级澄清池中实施二次污泥和初沉污泥的共同沉降，则初沉污泥还可包括二次污泥。
术语“二次污泥”或“生物污泥”是指在二级(生物)处理过程中由有机物质的生物降解而产生的过剩的生物质。二次污泥包括活化污泥、混合污泥和化学沉淀污泥。
术语“固体”是指初沉污泥、二次污泥或二者皆有。
术语“生物固体”是指由废水处理工艺产生的初级固体产物。
经厌氧消化法将固体浓缩/减量的操作将初沉污泥和二次污泥合并。需氧处理通常就是二次处理。
通常除去废水中的污泥，以维持生物处理中的固体积累。除去污泥之后，可采用需氧或厌氧消化法进行污泥处理工序(从初始处理开始可以采用多种形式)，从而减小污泥的体积，接着使用化学试剂(絮凝剂或聚合物)在机械(如离心机、压带机)中进行浓缩步骤，从而通过土地应用、焚烧和填埋而最终处理掉。在活化污泥厂中，污泥废物量和随后的处理工艺对维持食物与微生物之比(F:M比)具有重要意义，这是因为F:M比是确定和控制排放质量的主要参数。术语“F:M比”是指食物与微生物之比，其是衡量提供给曝气池中细菌的食物的度量。
二级处理除去溶解和悬浮的生物物质。通常，二级处理是在受管理的生境中通过内源性水生微生物进行的，即生物废弃物处理系统。二级处理需要进行分离工序，从而在排放或三级处理前除去经处理的水中的微生物。
有时，三级处理被定义为除一级和二级处理以外的任意处理。有时，经处理的水在排放入溪流、河流、海湾、泻湖或湿地之前要经过化学消毒或物理消毒(如通过氧化塘和微量过滤)，或者经处理的水可用来灌溉高尔夫球场、林荫路或公园。如果经处理的水足够清洁，也可以用它来补给地下水或用于农业应用。
通常，还可以对流入的废水进行预处理。预处理除去在原始废水中可以容易地收集的大块物体之类的物质，在所述物质损坏或堵塞初级处理澄清池的泵和撇渣装置之前就进行所述预处理。在服务于大量人群的现代工厂中，最为常见的是采用自动机械耙杆格筛(automated mechanically raked bar screen)进行所述预处理，而在较小或现代化程度较低的工厂则可以使用手动清理筛。机械格筛的耙除动作的步幅通常根据格筛上的堆积物和/或流速而确定。收集所得固体，之后将其填埋或焚烧而处理掉。
预处理还可包括沙子或砂砾通道或室，在所述通道或室中，注意控制流入的废水流的流速，使得沙子、砂砾和石头能够沉降。
进行三级处理后，必须以安全有效的方式处理和处置堆积的污泥。消化的目的在于减少固体中存在的有机物质的量和致病微生物的数量。最常用的备选处理方式包括厌氧消化、需氧消化和堆肥处理。也可使用焚烧。
废水固体处理方法的选择取决于所产生的固体的量和其他的场所特定条件。然而，通常来说，堆肥最常用于较小规模的应用，然后是需氧消化，最后对于较大规模城市应用而言是厌氧消化。
厌氧消化是在不使用氧气的条件下进行的细菌处理。该处理可以为高温消化(其中污泥在温度为55℃的池中发酵)或者是在约36℃的温度下进行的中温消化。尽管允许较短的停留时间(从而可使用较小的池子)，但是，就用于加热污泥的能量消耗而言，高温消化是较昂贵的。
厌氧消化的一个主要特征在于产生沼气(其中最有用的组分为甲烷)，其可以用于发电器发电和/或用于锅炉加热。
需氧消化是在氧气存在的条件下发生的细菌处理。在需氧条件下，细菌迅速消耗有机物质并将其转化为二氧化碳。用于需氧消化的运行成本是很大的，这是因为向该过程中加入氧气所需的鼓风机、泵和电机需要消耗能量，即使采用最近出现的利用自然气流进行氧化作用的石纤维过滤技术，成本也很大。需氧消化也可通过采用射流曝气装置来氧化污泥而实现，其成本也很大，但是相比于传统工艺成本较低。
堆肥处理也是需氧过程，其包括将污泥与诸如锯屑、秸秆或木屑这样的碳源进行混合。在氧气的存在下，细菌消化废水固体和加入的碳源，同时产生大量的热。
焚烧污泥较不常见，这是因为其涉及空气排放问题，并且燃烧低热值污泥和蒸发残余水分需要使用额外的燃料(通常为天然气或燃料油)。具有高的停留时间的分步多炉膛焚烧炉和流化床焚烧炉是用于燃烧废水污泥的最常见系统。在城市废物-能量转换工厂中偶尔采用共燃的方式，假如用于固体废弃物的设施是已经存在的并且不需要使用辅助燃料，则这种方式较廉价。
当产生液态污泥时，可能需要进行另外的处理，以使得污泥适于最终的处置方式。通常，对污泥进行增稠处理(脱水)以减小场外处置的运输体积。没有工艺能够完全消除对处置生物固体的需求。然而，某些城市采用额外的步骤将废水污泥过度加热并将“饼块”转变为富含氮和其他有机物的小粉粒并将其用作肥料。于是，这样的产物可以被销售给当地农民和牧场作为土壤改良剂或肥料，从而减少填埋这些污泥所需的空间。这些被除去的液体(称为滤液)通常被再次引入废水工艺中。
有不同类型的废水处理系统和工艺。废水处理系统的一个例子为活化污泥工艺(图1所示的流程图)。通常，在预处理阶段，首先将流入液过筛，从而除去根茎、碎布、罐体和大的碎片(随后它们可被拖运至填埋场或者可能被磨碎并返回至厂内物流)。然后，在除砂步骤中除去流入液中的沙子和砂砾，并且将废水预先通气以使废水变新鲜并辅助除油。然后，流入液经过用于测量和记录流量的流量计。预处理之后，流入液经过一级处理，包括沉降和浮选，从而除去可沉降和可漂浮的物质。一级处理后，该废水进入二级处理(也称为生物处理)，从而通过生物降解除去可溶或已溶解的有机物，同时，在随着时间的流逝发生一些生物降解的情况下，通过絮状物的夹带作用而除去悬浮的固体。二级处理后，该废水进入三级处理，在此对废水消毒以杀灭致病微生物，并且通常在排放流出液之前将废水再次通气。
图2示出了废水处理工艺的另一个例子。具体而言，其为纯氧系统的例子。纯氧系统是对活化污泥工艺的改进。主要差别在于向活化污泥提供溶解氧的方法。在其他活化污泥工艺中，将空气压缩并在水下释放，从而产生空气-水界面，该界面将氧气转移到水中(溶解氧)。如果不使用压缩空气，则使用表面曝气装置搅动水面以驱使空气进入水中，从而产生氧转移。在纯氧体系中，唯一的实质差别在于：采用表面曝气装置在表面以下释放或驱使进入水中的是纯氧而非空气，并且曝气装置是被遮盖的。在该工艺中，流入液经过初级澄清。如图2所示，流入液经过预处理，然后经过初级澄清池、纯氧反应装置和二级澄清池。流出液可以与氯气接触并被排放到受纳水中。可将所述污泥返回到纯氧反应装置中或者与来自初级澄清装置并经过初级厌氧消化装置和二级厌氧消化装置的增稠污泥合并。随后可以对固体进行脱水处理。
其他废水处理工艺是本领域已知的，并且可以根据本发明的方法而使用。
处理废水的方法
在一个实施方案中，本发明是一种处理废水的方法，其中，在该方法中废弃的或产生的污泥的净量得到降低。
在该方法中，生物发酵系统就地放置在废水处理设施所在的场所，该生物发酵系统在美国专利申请公开No.2003/0190742中有更详细的描述，该专利文献的全部内容整体并入本文。
所述就地系统用于在受污染的废水所在的位置或场所使微生物生长，并且其总体上包括主池、入水口、处理配料出口、混合装置以及温度控制装置。将养分、水和含微生物的接种体放到所述就地系统中。该接种体在所述就地系统中生长，从而提供包含数目增加的微生物的处理配料。然后将至少部分包含微生物的处理配料直接应用至被污染的废水中，使得在生长步骤和应用步骤之间所述微生物不会被分离、浓缩或冻干。所述微生物使得被污染废水中的污染物减少。在大型活化污泥厂或单道次氧化塘(single pass lagoons)中，可使用存储罐来传送处理配料，其中，出于泵送和定量的目的，可以稀释处理配料以获得更大的体积，从而连续排放处理配料。
重要的是，使用就地生物发酵系统能够充分且重复地对功能性微生物(无论外源或内源)进行接种，从而允许微生物种群迅速地建立并胜过不期望的内生种群，如引起结块的丝状或菌胶团型微生物。丝状或菌胶团结块之类的问题可导致运行废水处理厂的总成本增加多达20-25％，因此解决该问题有着极大的商业需求。第一部分增加的处理成本源于：需要使用沉降助剂或化学品以在二级澄清池中使水变得澄清并将生物质浓缩。该类化学品的例子包括聚合物、膨润土、明矾或铁盐。第二部分增加的成本源于：丝状或菌胶团的增长导致脱水性差，因此，处理污泥所需的设备量和用于脱水的聚合物的量增加，从而导致成本增加。第三部分增加的成本源于：由于操作效率变低，因此所需的人力增加，并且运输成本和处置费用增加。生物发酵系统提供了一种用来控制或转移不期望的微生物(例如引起结块和沉降问题的丝状或菌胶团型微生物)的工艺。使用该发酵工艺，以降低或减少用于加强沉降的聚合物的使用；使脱水化学品的使用量最小化；以及使得对污泥处理的需求、人力、运输成本和处置费用最小化。
另外，该生物发酵工艺允许在施用点提供有效浓度的所需微生物，从而足以在所述施用点有效地处理废水。最适宜的是，该接种体生长至浓度大约为108-109菌落形成单位/毫升(cfu/ml)，从而在施用点实现大约103-104cfu/ml的优选的最低程度的接种。
存在于该接种体中的微生物种类或微生物取决于待处理废水的类型。根据要解决的废水问题，接种体可以含有单菌株或多菌株。提供的接种体可以是液体或干产品。干产品通常是冻干或风干的。另外，该微生物可以相对于废水为外源性的，或者可以从被处理的废水中分离出内源微生物。
如本文所用，术语“微生物”或“有机体”是可互换的，它们包括真菌、酵母、细菌和其他生物降解性的小的单细胞有机体。
优选地，污泥减量微生物(其可购自佛罗里达州弗莱明岛的AdvancedBiofermentation Services公司)被用在BOD去除效率低、系统过载的废水处理设施中和/或用在任何处理设施中进行废水处理，以降低涉及污泥处理的运行成本，该运行成本通常占任意设施的运行成本的约40-50％。
表1中提供了具有特定生物降解特性的微生物的一些例子。
表1
注：Spp.＝种，这些种类可以变化；枯草芽胞杆菌是芽孢杆菌属中的一种；恶臭假单胞杆菌是假单胞杆菌属中的一种；CO2＝二氧化碳。
可以采用标准呼吸测定技术，来确定哪种培养物或制造商的配制物对处理特定的废水最有效。呼吸测定的原理是：测量暴露于测试底物的生物质的活性并与含生物质和已知底物的对照物(其给出可预测的结果)进行比较。待测底物可以涵盖从特定的化学品或废物流到合并的废水。可以设置呼吸测定实验以刺激好氧或厌氧环境。呼吸测定的典型应用包括评价以下方面：城市及工业废水的可处理性；特定的废物流或化学品的毒性；化学品的生物降解性能；生化需氧量(BOD)；以及摄氧率(OUR)。
好氧微生物利用氧气生长并代谢有机底物。对于好氧微生物，认为摄氧率(OUR)与有机稳定化直接相关，因此与配制物生物降解有机废物的能力也相关。
针对好氧和厌氧研究的呼吸测定设备和可处理性规程可得自美国制造商，如阿肯色州的Challenge Environmental Systems of Fayetteville；威斯康辛州的ArthurTechnology of Fond du Lac；以及宾夕法尼亚州的Bioscience Management ofBethlehem。好氧可处理性研究的例子可参见技术文献，如Whiteman,G.R.,TAPPIEnvironmental Conference—“The Application of Selected Microbial Formulationsin the Pulp and Paper Industry”，TAPPI Environmental Proceedings，第一册，第235-238页，1991年4月；Whiteman,G.R.，Gwinnett Industrial Conference—“OptimizingBiological Processes—A Look Inside The Black Box”，1995年4月；以及Whiteman,G.R.,TAPPI Environmental Conference—“Improving Treatment Performance withNatural Bioaugmentation”,TAPPI Environmental Proceedings,Vancouver,BC,1998年；这些文献的内容通过引用的方式并入本文。
一旦已采用呼吸测定技术将每种分离物、分离物和/或配制物的有效性相比较，就可选择最好的那一个作为本文所述的发酵工艺的接种体。现成的、制好的培养物可购自美国佛罗里达州弗莱明岛的Advanced Biofermentation Services公司。
术语“养分”是指维持植物或有机体存活所需的物质。主要的养分为碳、氢、氧、硫、氮和磷。养分包括大量养分和微量养分。下表2示出了微生物的典型组成，其中显而易见的是，不同的微生物具有不同的组成。微生物将氮同化为氨基酸的能力也不同，氨基酸是构成蛋白质或核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)的嘌呤碱基或嘧啶碱基的基本构件。因此，不同的微生物对大量养分(氮和磷)和微量养分(例如镁、钙、钾、钠、锰、钴、镍、锌、铁、氯和硫)的需求不同，以优化该发酵工艺。关于大量养分和微量养分的信息参见Levy等的Introductory Microbiology(其通过引用的方式并入本文)，这些信息包括需要复杂营养的(很难增殖的)微生物的浓度，如何确定是否需要特定的微量养分，以及对养分的作用所作的一般性解释。
表2
成分 酵母 细菌 菌胶团
碳(C) 47.0 47.7 44.9
氢 6.0 5.7 --
氧 32.5 27.0 --
氮(N) 8.5 11.3 9.9
灰分 6.0 8.3 --
实验式 C13H20N2O7 C5H7NO --
C:N比 5.6:1 4.3:1 4.5:1
活性生物质主要由细菌组成，在生物处理厂中，大多数细菌含有8-15％的氮(最典型为12-12.5％)和2-5％的磷(最典型为2.3-2.6％)。在三磷酸腺苷(ATP)的形成中磷是重要的，三磷酸腺苷是微生物储存能量的物质。
微生物由蛋白质、碳水化合物、被称为脂质的脂肪物质或上述物质的组合组成。具体而言，蛋白质用于制造酶，而酶是生物降解过程的基础。对于任何特定的有机物质来说，一系列反应构成生物降解过程。每个反应由特定的酶进行。这些酶由氨基酸和(有时候)辅助因子组成，辅助因子通常是金属，其构成酶的反应位点，在该反应位点，发生有机物的生物降解和转化。最佳的是，存在足够量的微量养分，以使所述发酵或生物降解过程最优化。微量养分包括诸如所需的维他命、辅酶、金属或无机化合物之类的物质，如用于制备酶、辅酶或用于细胞生长的辅助因子。例如，硫是同化必需氨基酸半胱氨酸和甲硫氨酸所需的物质。关于该类微量养分的作用的信息，例如辅酶，包括叶酸、泛酸(辅酶A)、维他命B12(钴胺酰胺)、生物素、烟酸或烟酰胺(NAD)、维他命B1(硫胺)、维他命B2(核黄素)、维他命B6(比哆醇)、硫辛酸和抗坏血酸，可参见Albert L.Lehninger的Biochemistry，第二版，Worth出版公司，1975年，ISBN：0-87901-047-9，以及Levy等的Introductory Microbiology，John Wiley&Sons公司，1973年，ISBN 0-471-53155-3，该文献的内容通过引用的方式并入本文。
如前所述，本发明的废水处理工艺中所用的微生物(一种或多种)的类型取决于待解决的废水问题的类型。最常用的微生物是细菌，并且最常使用的是好氧、中温的细菌。好氧细菌利用氧来代谢有机质，例如通过生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、有机碳总量(TOC)或总碳量(TC)来衡量。也可使用可在有氧或无氧条件下代谢的兼性细菌，或是不用氧的厌氧细菌。此外，根据最优生长温度对细菌进行分类。对于嗜热菌，最优温度为55-75℃；对于嗜温菌，最优温度为30-45℃；而对于嗜冷菌，必须在15-18℃的温度下。
应用或使用该就地生物发酵工艺和系统，对于任意废水处理设施(城市或工业的)都会导致净的污泥废物量和/或生成量较低。
根据本发明，优选的废水处理顺序和工艺大体上如图3和4所示。然而，本发明的方法并不局限于附图或以上详述中所示例的任意具体的系统，可替代使用任意能够实现本发明方法的性能的装置。
参见图3，根据本发明的废水处理方法包括：预处理、一级处理(化学和物理处理)、二级处理(溶解的有机物和悬浮固体的去除)、三级处理、污泥处理、污泥处置和液体处置。
本发明的废水处理方法的具体处理步骤如图4所示。
预处理步骤包括：过筛和除去砂砾、均化和储存、以及油分离。化学一级处理包括：至少两个中和步骤、化学品添加步骤和凝聚步骤。物理一级处理包括：多次浮选、沉降和过滤步骤。溶解的有机物的二级处理包括：活化污泥、厌氧氧化塘、滴滤装置、曝气塘、稳定池、旋转生物接触装置、膜生物反应装置、序批式反应装置(sequencing batch reactor，SBR)以及厌氧接触装置和过滤器。二级处理中除去悬浮固体的操作包括：固体的沉降、或具有静态循环(quiescent cycle，SBR)的内部曝气池或使用膜。然后，废水经过三级处理，其包括：凝聚和沉降、过滤、碳吸附、离子交换和膜。从上述处理步骤得到的污泥随后可用于污泥处理。具体而言，所述污泥可用消化或湿式燃烧进行处理。所述污泥可通过重力或浮选被增稠(脱水)，从而降低场外处置的运输体积。此外，可通过加压过滤、真空过滤、离心、曝气或干燥床处理所述污泥。在污泥处理之后，可通过焚烧、投海处理和填埋来处置所述污泥。经过处理的稀废水也可排放入受纳水、受控或输送排放、投海处理、表面应用或地下水渗透、蒸发和焚烧。浓的有机废水可通过深井注入或焚烧的方式来处置。
令人惊讶的是，结合了本发明的采用污泥减量微生物的就地生物发酵系统的废水处理工艺，会导致净的污泥废物量和/或生成量较低。
具体而言，通常，对于经二级系统处理的每1磅(lb)BOD，预计会废弃和/或产生0.5磅污泥。基于流入液的BOD负荷量以及大多数生物系统典型具有的90％的BOD去除率，这相当于进入工厂的每1磅BOD会产生0.45磅的污泥。
生物污泥生成率随着不同的废水成分而有所不同，例如脂肪、油和/或油脂(FOG)可产生相对于每磅被减少的BOD为0.7-0.8磅的污泥，而诸如苯或苯酚这样的化学品可产生相对于每磅被减少的BOD为低至0.25磅的污泥。
然而，根据本发明的方法，当生物发酵系统(其使用污泥减量微生物作为处理配料)在废水处理设施所在处就地安装时，对于经二级系统处理的每1磅BOD，废弃和/或产生0.125磅污泥。基于流入液的BOD负荷量以及大多数生物系统典型具有的90％的BOD去除率，这相当于进入工厂的每1磅BOD会产生0.112磅的污泥，该值显著低于本领域普通技术人员基于进入处理设施的流入液的量而预期的值。
不受特定机理的约束，据信，净的污泥废物量和/或生成量较低可归因于(例如)系统中存在的微生物的数量增加，并且可用于如美国专利申请公开No.2003/0190742所述的生物发酵过程。通过增加生物系统中有生存力的微生物的数量，可以从根本上降低F:M比，这意味着更多的有生存力的微生物吃更少的食物。进而，这将使微生物利用BOD进行细胞代谢来维持细胞而不是进行细胞生长。后一原因将导致生物污泥生成量较少。另外或可供替代的是，减少丝状微生物(在活化污泥系统中)的益处在于：产生沉降性能更好的污泥，这允许该生物系统携带更多的污泥，从而降低F:M比并使SRT增加。F:M比降低和SRT增加是使净的污泥废物量减少的常规方法，因为更多的污泥在生物系统中自动消化自身而使得净的污泥废物量更少。
实施例
实施例1
格瑞(Gray)市
本研究的目的在于提高格瑞市的活化污泥废水处理设施对BOD的处理效率和水力容量，因为传统的处理系统在设计容量下每天常常过载。
在进行处理之前，格瑞市用于废水处理的传统的成套活化污泥系统被设计成处理400,000加仑/天(gpd)的城市废水并且具有一体化的好氧消化装置和4套干燥床。通常，在前90天后污泥被废弃至干燥床中，这是冬季来临前正常运转的情况。
将250型生物发酵系统(可购自佛罗里达州弗莱明岛的AdvancedBiofermentation Services公司，并根据美国专利申请公开No.2003/0190742所述进行安装)在待处理的活化污泥系统附近就地安装。
将250型生物发酵装置设定为每天供入30加仑1/4浓度的处理配料，包括用于除去BOD的微生物，商品名为“Biobooster for BOD removal”，可购自佛罗里达州弗莱明岛的Advanced Biofermentation Services公司。全浓度的处理配料被定义为：向该生物发酵装置中加入10磅生物养分(用于使微生物生长的养分)。这样，1/4浓度的处理配料相当于1/4或2.5磅。该工艺所用的生物养分可购自佛罗里达州弗莱明岛的AdvancedBiofermentation Services公司。
该生物发酵工艺最初安排为在冬天之前进行90天。在启动该处理的90天内，操作员观测到该处理工艺发生显著的改善，包括在洪峰(有时高于1MGD)时表现出改善的水力容量而没有产生流出液中的TSS损失，以及表现出更好的BOD去除性。该观测结果是由操作员视觉上观察并描述的。
在下一年的春天，令人惊讶的是，注意到没有出现污泥废弃至干燥床的现象，因此对污泥废弃过程给予了更多的关注。
数月之后，该城市确定，污泥生成量已经下降了75％，这是通过没有使用干燥床而确定的。该城市已经开始购置新的压带机并筹资800,000美元以替代干燥床。如果该城市已经认识到生物发酵能够降低净的污泥废物量和/或生成量，该城市就不会批准这项支出。
重要的是，格瑞市注意到，聚合物的使用减少了65％，并且水力容量增加了50％。此外，消除了任何起泡问题/取消了消泡剂的使用。所有这些均改善了废水处理工艺。
实施例2
过去八年来，都柏林市(Dublin)的废水处理工厂(WWTP)一直采用明矾使最终的流出液中的悬浮固体和缔合的BOD析出。该工厂为4.0MGD滴滤池工厂，并且在终端具有产生可再循环使用的水的两个移动桥式砂滤器(traveling bridge sand filter)。所述WWTP具有三种容许的情况：
(B1)4MGD，30BOD，30TSS
(B2)4MGD，25BOD，15TSS
(B3)6MGD，25BOD，30TSS
为了提高BOD的去除率、减少明矾在用于澄清的二级澄清池中的使用、以及开发出更健康的生物学方法以实现该工艺的全部潜力，在都柏林市的WWTP中提供了本文所述的生物发酵系统。
具体而言，将250型生物发酵系统(可购自佛罗里达州弗莱明岛的AdvancedBiofermentation Services公司，并根据美国专利申请公开No.2003/0190742所述进行安装)在渗透过滤系统附近就地安装。将250型生物发酵装置设定为每天供入60加仑1/4浓度的处理配料，其采用针对污泥减量而开发的名称为“Biobooster for sludge reduction”的特定的培养物，其可购自佛罗里达州弗莱明岛的Advanced Biofermentation Services公司。
该处理运行45天。
在采用该生物发酵工艺的45天后，该城市能够不再使用明矾，由此使该城市节约了约100,000美元。
此外，在不使用明矾的情况下，藻类在滴滤池的岩石上茁壮生长，流出液BOD降低，并且TSS达到85％的去除率。还注意到，生物污泥量显著减少，使得压机从每周运行5天、每天生成2个集装箱的量(每个为20码的滚降集装箱(roll off))变换到每周运行一次或两次、每天生成1个集装箱的量(20码的滚降集装箱)。
随后永久安装该生物发酵系统。
显著的效果是，运行6个月以后，该压机每两周运行一次。这表示：污泥处理成本降低了70+％。消化装置污泥(包括初沉污泥和二次污泥)也得到改善。具体而言，消化装置污泥从11/2％的固体变为3％的固体，并且消化装置产生更清澈的上清液。
实施例3(预见性的)
改善厌氧污泥消化作用的方法。
从都柏林的出人意料的结果中，认识到另一应用是：改善厌氧污泥消化作用的可能性。
对于厌氧消化装置污泥的处理，将生物发酵装置(购自佛罗里达州弗莱明岛的Advanced Biofermentation Services公司)在消化装置处就地安装，从而为消化装置直接添加处理配料。加料速率可根据消化装置的容量而变化。然而，对于小于1MGV的消化装置来说，加料速率通常为每天10-60加仑1/4至1/2浓度的配料。
为了获得更快的代谢速率，加料速率可根据需要为双倍或四倍，从而获得期望的结果。
消费者的成本收益取决于改善消化装置的上清液品质和固体稠度(其有助于脱水性能并且导致用于脱水的化学品/聚合物的成本降低)。此外，该运行成本归因于更少的人力和更低的处置频率。此外，消化容量有限的厌氧消化装置的效率得到改善，从而避免了资本支出或者使支出需求降低到最小。
实施例4(预见性的)
改善在均化池中的污泥消化作用的方法。
从格瑞市的出人意料的结果中，认识到另一应用是：改善在均化池中的污泥消化作用的可能性，许多小城镇在采用成套装置处理前通常使用均化池。此外，可避免使用昂贵的预处理和/或初级澄清池。
对于均化池污泥的处理，将生物发酵装置(购自佛罗里达州弗莱明岛的AdvancedBiofermentation Services公司)在均化池处就地安装，从而为废水厂入口处的均化池直接添加处理配料。
加料速率可根据均化池或输入流的体积而变化。然而，对于输入流的体积小于1-3MGV的情况来说，加料速率通常为每天10-60加仑1/4至1/2浓度的配料。更大的工厂则按比例放大。为了获得更快的代谢速率，加料速率可根据需要为双倍或四倍，从而获得期望的结果。
消费者的成本收益取决于改善流经均化池时的BOD的去除率、以及减少固体累积以避免或推迟对清除固体的需求。清除固体是非常昂贵的，因为其需要脱水设备、用于脱水的化学品/聚合物、人力、运输和处置费用这些成本。此外，该处理可提高容量有限的均化容量的效率，从而避免了资本支出或者将支出需求降低到最小。
实施例5(预见性的)
在厌氧消化装置之前，减少初级澄清池中初沉污泥的方法。
从都柏林的出人意料的结果中，认识到另一应用是：在厌氧消化装置之前减少初级澄清池中初沉污泥的可能性，而处理初沉污泥是极为昂贵的。
对于初级澄清池污泥的处理，将生物发酵装置(购自佛罗里达州弗莱明岛的Advanced Biofermentation Services公司)就地安装，从而向废水厂入口处的初级澄清池污泥直接添加处理配料。
加料速率可根据废水处理厂处理的体积而变化。然而，对于废水处理厂处理的体积小于1-3MGV的情况来说，加料速率通常为每天10-60加仑1/4至1/2浓度的配料。更大的工厂则按比例放大。为了获得更快的代谢速率，加料速率可根据需要为双倍或四倍，从而获得期望的结果。
消费者的成本收益取决于减少初沉污泥的污泥处理成本，如脱水设备、用于脱水的化学品/聚合物、人力、运输和处置费用这些成本。此外，第二个优点在于改善容量有限的污泥处理工艺的效率，从而避免了资本支出或将支出需求降低到最小。
通过引用的方式将这里提到或引用的所有专利、专利申请、临时申请和文献公开内容的整体并入本文，包括所有的图片和表格，直到与本说明书的明确教导不一致的程度。
尽管已经描述了本发明的多种实施方案，但是对于本领域技术人员来说，本发明显然可以有许多在本发明范围内的其他的实施方案和实施方式。因此，本发明并不受此限制，而是由随附的权利要求书及其等同形式来限定。

Claims (14)

1.一种在活化污泥废水处理工艺中改善污泥的去除并保持排放质量的方法，所述方法包括：
将输入的废水流引入处理设施，所述废水流的流量为至少20,000加仑/天；
所述输入的废水流含有至少50mg/L的固体和100mg/L的BOD；
在所述处理设施中，除去所述输入的废水流中的固体和BOD，从而提供第一最终的排出流体；
所述第一最终的排出流体中的固体少于所述废水流中固体的10％，并且BOD少于所述废水流中BOD的10％；
由此使得被除去的污泥的磅数下降至少约25％，而所述最终的排出流体中的固体和BOD的量没有增加；
其中所述方法包括通过添加来自生物发酵装置的处理配料来处理所述废水流；并且
其中所述处理配料在施用点具有103-104cfu/ml的最低程度的接种。
2.权利要求1所述的方法，其中，被除去的污泥的磅数下降至少约50％，而所述最终的排出流体中的固体和BOD的量没有增加。
3.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，固体和BOD的去除产生相对于每磅被除去的BOD为小于约0.25磅的二次污泥。
4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述生物发酵装置就地放置在废水处理设施所在的场所。
5.权利要求4所述的方法，其中，将养分、水和含微生物的接种体放到所述就地系统中。
6.权利要求5所述的方法，其中，所述接种体生长至浓度大约为108-109菌落形成单位/毫升(cfu/ml)。
7.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述生物发酵装置包括主池、入水口、处理配料出口、混合装置以及温度控制装置。
8.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将至少部分包含微生物的处理配料直接应用至被污染的废水中，使得在生长步骤和应用步骤之间所述微生物不会被分离、浓缩或冻干。
9.前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述处理配料添加到厌氧消化装置中。
10.前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述处理配料添加到均衡池中。
11.前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述处理配料添加到初级澄清装置中。
12.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述输入的废水流含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体为小于约0.25磅的二次污泥。
13.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述输入的废水流含有至少约100mg/L的固体和400mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体为小于约0.25磅的二次污泥。
14.权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述输入的废水流含有至少约100mg/L的固体和200mg/L的BOD，并且相对于每磅被除去的BOD，所除去的固体为小于约0.125磅的二次污泥。
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