CN110392672A - 具有内部固体分离的曝气反应器 - Google Patents

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Abstract

将废水在包括以下的方法中进行好氧处理：(a)将包含废水的液体流入物供应到含有颗粒状生物质的反应器中；(b)使反应混合物经受好氧条件，该好氧条件包括0.1mg/L至4.0mg/L范围内的溶解氧的浓度和0.5至72小时范围内的水力停留时间；(c)将反应混合物分离成颗粒状生物质和经处理的废水；和(d)将分离的颗粒状生物质再循环到反应混合物中。用于该方法的生物反应器包括配备有曝气装置的反应容器和固体分离设备，固体分离设备的入口在反应容器的下部，固体分离设备具有用于固体的出口管线，该出口管线被设置为将分离的固体输送至上升器，该上升器由气升作用驱动并设置为将固体输送至反应室的上部。

Description

具有内部固体分离的曝气反应器
技术领域
本发明涉及用于好氧处理包括颗粒状生物质的废水的生物反应器和方法，特别是用于处理包括具有厌氧铵氧化微生物的核的颗粒状生物质的含氨废水的生物反应器和方法。
背景技术
包括颗粒状细菌的好氧反应是本领域熟知的。示例包括使用颗粒状好氧污泥的好氧COD处理(系统)，使用载体上的气升(air-lifted)生物膜的好氧抛光(系统)，硫化物氧化反应和氨氧化(“Anammox”)反应。这些反应的问题，特别是如果在单反应器中进行时的问题是出现竞争性的非颗粒状微生物，这会导致不希望的副反应。例如，氨最终氧化为二氮和水的氧化反应(通过氨部分好氧氧化为亚硝酸盐，以及氨与亚硝酸盐通过Anammox细菌进一步厌氧(缺氧)氧化成分子二氮)可能会遭受存在于非颗粒状生物质中的形成硝酸盐的微生物将亚硝酸盐进一步氧化成硝酸盐的影响。而且，颗粒状生物质往往容易因用于使污泥在反应器中循环的剪切力而变质，从而导致转化率降低。
例如在WO 00/05167和EP 2163525中，公开了使用Anammox细菌将氨氧化成二氮的单反应器方法。这些方法的共同之处在于，将含有所需的厌氧的氨氧化、消耗亚硝酸盐的(Anammox)细菌和好氧的形成亚硝酸盐的细菌的颗粒状生物质通过选择性分离和再循环有倾向性地保留在生物反应器中。然而，由于与老化和密度降低相关的通过颗粒浮选而损失生物反应器系统中的颗粒，这些方法会受到限制。而且，用这些系统处理具有变化的流量和氨负载的废水会产生困难，因为交替曝气会由于沉降条件的高度变化而损害颗粒的选择。此外，常用的生物质分离设备需要至少6米的最小水深，这使得无法应用于较低高度的罐。
EP 0776864公开了一种使用颗粒状活性污泥的曝气纯化反应器。污泥通过反应器顶部的倾斜隔板进行分离，流出物在反应器顶部排出，分离的污泥以向下移动的方式再循环到反应器中。
WO2014/171819公开了一种在通过曝气提供的剪切条件下使用含有Anammox细菌的颗粒状污泥在5至25℃的温度下从废水中生物地去除氨的方法。使用倾斜板沉降器使颗粒状污泥与液体流出物分离并被再循环，其中向上液体流速相对较高，为3至15m/h。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用颗粒状细菌生物质处理废水的反应器和方法，其具有更好的颗粒停留，并因此具有更好的效率，并且可以通过改变反应器中的水平和交替的曝气循环将该方法调整至较低的流入物速率。本发明使用诸如气升作用的低剪切作用代替高剪切泵来再循环颗粒状生物质，因此其减少了对颗粒的损害。
根据本发明，这种反应器是在底部具有固体分离器的曝气反应器。分离器的入口远低于有效或最大反应器高度，分离器的固体出口位于固体通过向上移动再循环到反应器中的位置。根据本发明，提供了这样的方法，其中在反应器的下部将颗粒状生物质从经处理的废水中分离出来。这提供了反应器内容物表面的自由度，避免了频繁清洁的需要并允许波动的流速和反应器水位。由于较高的压力发生在下部反应器部分和可以覆盖反应器，因此防止了老化和充气的颗粒离开反应器。因此，可以容易地适应较低的反应器水位而没有过度脱气且具有有效的液-固分离。
虽然交替开关曝气导致水位的变化，引起突然和暂时的液体移位通过溢流分离设备，但水柱的压力在那些时期内不变化。在本发明中，即使在交替曝气期间，也可实现在与流入物相同的流量下的连续且稳定的流出物出口流量。
附图说明
下面将参考附图更详细地讨论本发明，其中：
图1描绘了本公开的反应器，图2描绘了具有可选特征的本公开的另一反应器，和图3描绘了集成的气体分离和固体分离设备。
具体实施方式
本公开一般涉及如文中所附权利要求1中限定的生物反应器和如文中所附权利要求12中限定的方法。
更具体地，本文公开了一种用于好氧处理废水的生物反应器，包括：
-反应容器，包括液体入口和气体出口，该反应容器具有低于反应器容器的有效高度的一半的下部；
-用于使反应器内容物向上移动的装置，包括位于容器的下部的一个或多个曝气装置；
-用于从液体中分离固体的固体分离设备，位于反应容器的下部，包括液体入口、液体出口和固体出口；
·固体分离设备的液体入口位于反应器容器的有效高度的75％以下的高度处，进入固体分离设备，
·固体分离设备的液体出口连接到离开反应器容器的液体出口管线，和
·固体分离设备的固体出口连接到固体出口管线，该固体出口管线终止于用于使反应器内容物向上移动的装置上方，例如反应器容器的下部中的曝气装置所在的部分的上方。
此外，本文公开了一种用于好氧处理废水的方法，包括以下步骤：
(a)将包括废水的液体流入物供应至含有颗粒状生物质的(连续地或间歇地)曝气的反应器，以提供反应混合物；
(b)使反应混合物经受好氧条件，该好氧条件包括0.1mg/L至4.0mg/L范围内的溶解氧的浓度和0.5至72小时范围内的水力停留时间；
(c)将反应混合物分离成颗粒状生物质和经处理的废水(即从反应混合物中分离出颗粒状生物质)；和
(d)将分离的颗粒状生物质再循环到反应混合物中，
其特征在于，在步骤(c)中，在至少0.2巴的流体静压力下，在反应器的下部将颗粒状生物质从反应混合物中分离出来，和在步骤(d)中，将颗粒状生物质通过反应器内部，即反应混合物内部的向上移动再循环到反应混合物中。
如本文所述，“颗粒状污泥”或“颗粒状生物质”包括颗粒形式的固体或另外形式例如絮凝形式的固体，其由于重力、足够的凝聚性并且具有比水更高的密度而可以有效地从水性液体中分离，并且其含有微生物，诸如细菌、古生菌等。因此，“非颗粒状污泥”或“非颗粒状生物质”是指不是可通过重力有效分离的颗粒状或其它形式的污泥或生物质。当在本文中提及细菌时，认为其包括具有类似活性的其它微生物，诸如古生菌。如本文所使用的，废水的“好氧处理”是指使废水经受包括好氧(即氧依赖)微生物的微生物，但其还包括经受混合的(即好氧和厌氧的)微生物和条件。术语(液体)反应器内容物、反应器液体、反应混合物等在本文中可互换使用，是指在使用时生物反应器中未经分离的、基本上是液体的(虽然也含有固体和气体)内容物。
如本文所述，分离颗粒状生物质的反应器的“下部”或“下面部分”是低于反应器有效高度的一半，优选低于反应器有效高度的40％，更优选低于反应器有效高度的30％，最优选在反应器有效高度的5至25％之间的部分。下部特别地对应于反应器的一部分，反应器在这一部分之上具有显著高度的反应器内容物，特别是与发生污泥-废水(即固-液)分离的位置处的至少0.2巴，优选至少0.3巴，更优选至少0.4巴的流体静压力相对应的高度。这又对应于固液分离之上的至少2米，优选至少3米，更优选至少4米的液体高度。该液体高度可以是可变的，以允许在低流入物供应的情况下减少有效反应器体积，从而保持低HRT(例如在淡季或周末运行期间)。当在反应器中使用不同的液位时，如下面进一步解释的，分离水平的流体静压力在最低反应器液位下，仍然优选为至少0.2巴，对应于至少2米的液体高度，和在最高反应器液位下，优选为至少0.3巴(3米的高度)，或甚至至少0.4巴，高达例如0.8或甚至1.0巴。
如本文所使用的，“有效反应器(容器)高度”、“(液体)反应器内容物的高度”、“最大反应器(水位)水平”等可互换使用，以表示反应器液体内容物的最高实际水平。如本领域技术人员将立即意识到的，“最大高度”或“最高实际水平”是这样一种水平，在该水平之上反应器无法在不干扰反应器方法的情况下运行，例如容器直径发生变化的水平，诸如竖直墙终止的水平。反应器总高度-即与反应器内容物的高度无关-可以根据具体处理而变化，例如从3到12米，更特别是从4到10米。
反应器通过反应器下面部分的曝气器进行连续或不连续曝气。优选地，曝气器不均匀地分布在反应器的下面部分，使得在曝气器所处的底部的部分(多部分)之上的竖直区域中产生反应混合物大体向上移动的更加强烈地曝气的区域，并且在较少或没有曝气器位于其处的底部部分的部分之上的竖直区域中产生反应混合物大体向下运动的不那么强烈地或非曝气的区域。该结果是所需的竖直(气升)环流式反应器和工艺类型，具有交替的曝气段和非曝气段，分别促进好氧和非好氧(缺氧)反应条件。
在方法步骤(c)中，颗粒状生物质优选在如下面进一步描述的固体分离设备中从反应混合物中分离。固体分离设备可以置于反应器的底部，或略微高于底部，或者甚至低于底部，例如在反应器底板的加深处，使得仅部分固体分离设备在反应器的底部水平之上。因此，颗粒状生物质从反应混合物中分离的反应器的下部，即低于有效反应器高度的50％，优选低于40％等，特别是指固体分离设备内的固体分离的水平。在分离设备包括如下所述的倾斜结构的情况下，分离水平，即下部，被理解为倾斜结构的中间的高度。
合适的固体分离设备为所谓的底部沉降器，例如，如WO2012/005592中所述的底部沉降器。分离设备优选地包括一系列平行的倾斜(斜)结构，例如板、管道或栅格，以提高分离效率，如下面进一步说明的。与WO2012/005592的教导不同，来自反应器的经处理的液体(反应混合物)在固体分离设备的入口处被收集，该入口位于反应器中的一定高度处，该高度优选地位于生物质床的上方(即在约20至30％的反应器高度上方)，并且将该经处理的液体加入到反应器底部附近的固体分离中，在其中经处理的液体与(颗粒状)生物质分离并被部分地或全部地排出，或部分地再循环到反应器中。分离的(颗粒状)固体部分地或全部地再循环到反应器中，优选使用由气升作用驱动的上升器(riser，也称为升气管)。
步骤(a)中的废水的供应可以有利地连续进行，同时允许流入物速率的波动。因此，步骤(c)中的颗粒状生物质的分离和经处理的废水的提供和排出也有利地是连续的。供应和任选地分离和排出也可间歇地进行，例如允许在相对较短的时间内沉降生物质。
反应器可以间歇地曝气，即反应器可以具有曝气期和实现缺氧条件的曝气中断期。在曝气期中，当反应器通过曝气充分混合时，处理过的废水与颗粒状生物质一起被收集并送入固体分离器。在非曝气期中，颗粒将沉降到床中，该床可低于固体分离设备的入口。这意味着只有经处理的废水会离开反应器，因为颗粒状生物质不能进入固体分离设备。作为用于使反应器内容物向上移动的装置，可以存在单独的鼓风机或泵以促进颗粒状生物质通过气升从分离设备返回到反应器。
为了平衡废水供应的变化，可以将步骤(c)中分离的经处理的废水的一部分再循环并添加到步骤(a)中供应的液体流入物中，然后仅排出剩余部分。如果需要，可以通过沉降、过滤或UV照射等在该再循环管线中使易于絮凝的不需要的生物质(诸如亚硝酸盐氧化细菌)失活。这一选项对于超过12小时，特别是超过24小时，特别是超过36小时的相对长的HRT是特别有利的。再循环的经处理的废水与排出的经处理的废水的比例根据供应水平及其变化确定。该比例可广泛地在0和0.9之间，例如在0.1和0.8之间，或更特别地在0.2和0.5之间。
步骤(d)中再循环到反应器的颗粒状生物质通过在反应器内部向上移动而再循环。这意味着在反应器内部的在步骤(c)中分离的生物质被直接送至处于反应器的下部的反应器内部的一个或多个位置，在该位置上布置有向上移动。特别地，分离的和再循环的生物质不离开反应器并且被送至向上移动的位置而无需渡过(bridging)显著的高度差。优选地，通过使用低剪切来再循环颗粒状生物质。这是通过使用低速液体或气体射流，或低剪切泵，特别是通过气升作用来实现的。当使用液体在向上移动中再循环分离的颗粒状生物质时，可以将反应液体或优选新鲜流入物或反应器流出物的再循环部分作为运动液体泵送，以从固体分离设备的出口向上移动生物质。优选地避免高剪切射流、泵等以最小化剪切引起的对颗粒的损坏。如本文中所使用的，“低剪切”是指剪切值低于750s-1，特别是低于500s-1，例如低至50s-1。
在气升再循环中，颗粒状生物质可以引入到反应器的曝气区域，即用于使反应器内容物(包括分离的固体)向上移动的装置由一个或多个曝气器提供。因此，分离的颗粒状生物质可以引入到一个或多个曝气器的正上方，例如曝气器上方1米内。为此目的，对于反应器的高度的(下)部分，可以通过具有圆柱形或其它形状的竖直壁将强烈地曝气区域与非(或不那么强烈地)曝气区域分开。可选地并且优选地，曝气区域不被壁隔开，并且如WO2015/047091中所述，通过使分离设备的固体出口导向远离最近的非曝气区域，更优选地处于向上的方向，使再循环的颗粒状生物质在曝气的上升流中聚集。
可选地或另外地，可将专用曝气器(诸如鼓风机)设置在固体分离设备(或其收集器)的固体出口下方，作为使反应器内容物向上移动的装置，并且可在该专用曝气器的上方设置上升柱(或升气管柱，riser column)，以将包含颗粒状生物质的固体输送到反应器的上部和反应器内容物的上层。这种专用的曝气器可有利于通过气升来再循环颗粒状生物质，而独立于保持反应器内容物在所需有氧水平下而需要的空气供应。
反应器中的水力停留时间(HRT)为至少0.5小时，优选至少1小时，至多72小时，优选至多48小时，更优选至多24小时，最优选低于12小时或甚至低于8小时。在反应器中，颗粒状污泥的污泥停留时间(SRT)优选为HRT的至少4倍，优选为HRT的10至50倍。因此，颗粒状生物质的SRT为至少2小时，优选至少12小时，更优选至少2天，最多例如60天，优选最多42天，最优选最多30天。
反应器优选在顶部被覆盖，以允许可能包括进一步处理的受控的气体排放。如果需要，当用于混合所需的气流高于向细菌提供氧气所需的气流时，可以在反应器顶部收集废气并部分再循环到曝气器。
在具体实施方案中，可以改变反应器内容物的水平，以适应较低的流入物速率。这可以通过引入控制阀来设置，该控制阀控制经处理的废水的流出速率，由测量反应容器内部水位的水平检测器控制，如下面参照图2进一步说明的。
可以采用本发明的方法和反应器进行的好氧处理方法包括使用含有所需微生物的颗粒或絮凝等同物的任何方法。例如，如WO94/29227(EP0702663)中所述的使用硫颗粒将硫化物生物氧化成元素硫可以有利地使用本发明实施。另一个实例是通过产生聚羟基链烷酸酯的微生物对易于生物降解的COD的好氧处理，如例如在WO2011/073744和WO2015/181083中所述的。
本发明特别适用于含氨废水的处理，其中氨在分子氧的存在下被部分氧化成亚硝酸盐(亚硝化反应)，并且在所形成的亚硝酸盐的存在下部分被厌氧地氧化为分子氮(二氮)(Anammox反应)。该方法涉及包括厌氧氨氧化(Anammox)细菌的颗粒状生物质。特别地，颗粒具有厌氧氨氧化(Anammox)细菌的核和好氧氨氧化微生物(细菌和/或古生菌)的外缘。
因此，在特定实施方案中，本发明涉及用于含氨废水的好氧处理的方法，其包括以下步骤：
(a)连续地或间歇地将废水的流供应到含有生物质的曝气反应器中以提供反应混合物，该生物质包含具有Anammox细菌的核和好氧的氨氧化产生亚硝酸盐的细菌的外缘；
(b)使反应器混合物经受铵氧化条件，该铵氧化条件包括0.1mg/L至4.0mg/L范围内的溶解氧的浓度和0.5至72小时范围内的水力停留时间；
(c)将反应混合物分离成颗粒状生物质和经处理的废水；和
(d)将分离的颗粒状生物质再循环到反应混合物中，
其特征在于，在步骤(c)中反应混合物在反应器的下部进行分离，和在步骤(d)中通过在反应器内部的向上移动，优选地使用低剪切，将颗粒状生物质再循环到反应混合物中。
在该方法中，其中废水含有氨并且生物质包括具有Anammox细菌的核和氨氧化微生物的外缘的颗粒，好氧条件优选包括0.2mg/L至2.0mg/L，更优选0.3mg/L至0.7mg/L的溶解氧的浓度。尽管在该方法中可处理宽范围的氨浓度，但废水优选地每升含有至少20mg的氨(表示为氮)，多达例如4000mg/L，更优选至少50mg/L，甚至更优选每升含有200至2000mg之间的氨(表示为氮)。更高的水平可以通过使用还作为稀释剂的经处理的流出物(可以在通过如上所述的沉降、过滤、UV照射等消毒后)进行适当稀释而方便地处理。
在处理含氨废水的方法中，反应器还将包括非颗粒状生物质，其包括不太希望的或不希望的微生物，诸如亚硝酸盐氧化细菌。那么，非颗粒状生物质的停留时间优选不大于水力停留时间的3倍且小于颗粒状污泥的停留时间的0.2倍。更优选地，非颗粒状污泥的停留时间不大于水力停留时间的2倍且小于颗粒状污泥的停留时间的0.1倍。例如，非颗粒状生物质的停留时间可以在0.5至48u之间，特别是在1至36u之间。
如本文所公开的用于好氧处理废水的生物反应器特别为连续或不连续曝气的反应器，包括：
-反应容器，包括液体入口和气体出口；此外，该反应容器具有液体出口，该液体出口通过下面描述的固体分离设备提供；
-位于反应器容器的下面部分(下部)中的一个或多个曝气装置，特别地，该一个或多个曝气装置仅位于下面(底部)部分的一部分中，从而留下没有曝气器的底部的另一部分(即一个或多个区域)，并因此在运行中，在那些一个或多个区域之上造成非曝气的由此相对安静的区域；
-任选的另外的装置，用于在反应器容器的下部使反应器内容物(液体和固体)向上移动；
-位于反应容器的下面部分的固体分离设备，设置成从液体中分离固体，该固体分离设备包括顶部的液体入口、液体出口和固体出口；
○固体分离设备的液体入口位于低于反应器容器的有效高度的75％的高度处，
○固体分离设备的液体出口设置成将分离的液体从固体分离设备传送到反应器容器外部，即该出口连接至离开反应器容器的液体出口管线，和
○固体分离设备的固体出口设置成将分离的固体从固体分离设备传送到曝气装置上方的反应器容器中的区域，即该出口连接至固体出口管线，该固体出口管线终止于曝气装置所处的部分上方，和/或传送到用于使反应器内容物向上移动的任选的其它装置(诸如泵出口的鼓风机)的上方的区域。
特别地，固体分离设备的液体入口设置成将反应混合物从非曝气的反应器容器的区域传送进入固体分离设备。因此，入口优选地位于曝气装置上方的竖直区域之外，即位于未设置一个或多个曝气装置的反应器容器的部分的上方；可选地，该液体入口可以位于固体分离设备(的主体)的正上方，其由于设备的遮挡作用而是非曝气的、竖直的。
关于生物反应器的固体分离设备，如上参考方法所述的，“下部”或“下面部分”特别是低于有效反应器高度的50％，优选低于40％，更优选低于30％。用于向上移动的一个或多个曝气装置和任选的另外的装置也位于下部，并且优选地位于低于分离设备，特别是设备内的(倾斜的)分离结构的中间高度的高度处。在本发明的反应器中，反应容器优选地在容器的下部具有其液体入口，以便辅助反应混合物的竖直循环。液体入口所在的下部不一定与固体分离设备处于同一水平；反应容器的液体入口的高度可以高于曝气装置，即在曝气区域内；它也可低于曝气装置。反应器的气体出口位于有效反应器内容物高度之上，特别是在顶部。在一个实施方案中，反应器未在顶部被覆盖，并且敞开的顶部构成气体出口。然而，反应器优选地在顶部被覆盖并且设置有专用出口，从而通过单独管线或多个管线引导排出气体。反应器还具有与固体分离设备的液体出口连接的液体出口，用于排出经处理的废水，并且任选地用于将部分经处理的废水再循环到反应器中。
曝气装置优选地位于容器的下部(下面部分)的一部分中，而另一部分不设有曝气装置。它们被布置为在曝气装置上方提供竖直的曝气反应器区域，且在曝气反应器区域之间提供非曝气反应器区域。优选地，从竖直方向上来讲，曝气装置位于反应器容器的固体分离设备所在的下部之外的区域内。曝气装置可以是在反应器底部的单个曝气器，在曝气器上方提供单个竖直曝气区域，反应器容器的剩余区域是非曝气区域。可选地，曝气装置可以是多个曝气器，提供基本相同的多个曝气区域，而在它们之间具有非曝气区域。单个曝气区域或多个曝气区域可以通过在有效反应器高度的一部分或基本上总高度上延伸的竖直壁与非曝气区域隔开；然而，在一个实施方案中，这种竖直壁可以相对较短(例如小于反应器高度的20％)或甚至可以完全省去。作为另一可选方案，除了一个或多个未曝气的位置之外，反应器容器的整个下部可以均匀或类均匀地曝气。特别是，分离设备所在的位置没有曝气，因此至少分离设备上方的区域是非曝气区域，其甚至可以是单个非曝气区域-从中收集反应混合物用于传送至分离设备。
反应容器下部中的固体分离设备设置为从液体中分离固体。其包括液体入口、液体排出口(出口)和固体出口管线，该液体入口设置为将反应混合物从曝气装置上方的竖直区域之外的反应器容器的区域传送至，即将液体从非曝气反应器区域-例如分离设备上方-引入至固体分离设备中，该液体排出口(出口)设置为从固体分离设备中除去作为反应器流出物的经分离的液体。固体出口管线终止于一个或多个曝气反应器区域的下部，使得固体在反应容器中向上输送。向上输送优选地涉及低剪切作用，特别是通过固体出口管线连接至(低速)液体流或气体流或射流，例如使用液体流入物作为提升手段，或更优选地，涉及由曝气引起的气升作用。因此，固体出口可以设置有用于产生液体流或气体流使固体向上移动的装置(泵、鼓风机、喷嘴)，特别是在一个或多个曝气器上方。
适当地，部分流出物(从固体分离设备分离的液体)可与流入物一起再循环，以独立于流入物流的变化来控制固体分离器中的上升速度。这允许在流出物罐和流入物罐之间进行连续进料和水平调节。
固体分离设备可包括具有用于引入液体/固体或气体/液体/固体混合物的流体入口(在本文中也称为液体入口)的壳体。它还可包括用于从固体分离设备中除去分离的液体的颗粒材料分离布置和液体出口，液体出口位于颗粒材料分离布置的下游。
固体分离设备位于反应器容器的底部上或底部附近，并由支撑腿支撑或悬挂在容器壁上。固体分离设备的流体入口优选处于超过颗粒状生物质床高度的高度处，该高度通常为反应器容器的最大有效高度的约20％至30％。另一方面，在反应器配备有用于改变反应器内容物的高度以适应供应量或供应特性的波动的装置的实施方案中，入口低于反应器内容物(反应混合物)的最低有效高度。因此，入口(的上端)处于低于有效反应器高度的95％，优选低于有效反应器高度的75％，更优选低于有效反应器高度的55％，或甚至低于有效反应器高度的45％的高度处；当适应反应器中的不同的液位时，有利地应用较低的高度。当曝气中断时，为了高于分离器设备并高于沉降污泥的水平，分离设备(上端)的液体入口优选高于有效反应器高度的10％，特别是高于有效反应器高度的15％，更优选高于有效反应器高度的20％，甚至更优选高于有效反应器高度的25％。因此，流体入口高度优选为有效反应器高度的20至95％，更优选为有效反应器高度(最大填充高度)的25至75％，甚至更优选为30至55％和最优选为33至45％。入口优选地设置有在流体进入分离设备之前允许气体逸出的装置，例如脱气单元。
当固体分离设备置于反应容器的底部时，这有利地产生流体入口的顶端和对流体进行分离的固体分离设备之间的最大高度差。将固体分离设备置于容器内部而不是容器外部的优点在于固体分离设备内部和容器周围部分的压力相等，因此不需要加固固体分离设备来处理压力差。另一个优点是分离设备的固体出口可以直接接近反应器内容物的向上移动部分(例如曝气区域)，从而最小化对管道的需求，同时不需要通向容器外部并返回容器内部的水平管道。仅具有较少和/或短的管道(如果需要的话)的优点是，由于固体沉降而导致堵塞的风险被最小化并且避免了壁穿透的成本。
通过固体分离设备从(流体)反应混合物中分离出的固体可以在再次引入反应器容器之前有利地收集在固体收集室中。固体收集室可设有用于从固体收集室除去收集或接收的材料的装置。固体收集室包括用于含有颗粒材料的流体返回反应容器或在反应容器的方向上的一个或多个出口。将分离的固体材料再循环到反应容器中。
在一个实施方案中，通过进入反应容器的另一流入物流或再循环的和流入物流体的混合物所产生的抽吸效应将颗粒材料从固体分离设备的固体收集室中除去。因此，反应器的流体(液体)入口系统可用于至少两个目的：它将流入物或流入物和再循环材料的混合物带入反应器容器中，并且在这样做时，将材料从排出口输送至靠近分离设备的反应器中将引起抽吸效应，该抽吸效应将分离的颗粒材料从固体收集室输送到反应容器中，优选地通过如下进一步描述的气动上升器，或通过液体输送装置(泵、喷嘴等)。
在一个优选的实施方案中，固体分离设备包括成角度的壁部分，其从顶部到底部，向外地、朝向反应容器的侧面逐渐变窄。有利地，这些成角度的壁部分可以在反应容器内形成帐篷状结构。从反应容器的较高部分下降的生物质可以在流入物喷嘴的方向上从成角度的壁部分滑落，从而最小化反应器底部上未混合区域的风险。特别地，分离器包括一排倾斜的平行结构，诸如板、管道、栅格等，形成通道。该排倾斜结构用作颗粒材料分离布置。由这些结构形成的通道分隔通过它们的流体。与水平面相比，倾斜结构的倾斜度足以提供足够的向下移动，而与竖直面相比，其足以允许有效分离固体颗粒。相对于水平面的倾斜度通常在15°和75°之间，优选地在30°和60°之间。颗粒物质倾向于向下流动，而液体物质倾向于向上流过倾斜的通道。固体分离布置的倾斜的平行板可以构造和布置成使流沿向上方向从固体收集室流至固体分离设备的液体排出口。粒状(颗粒状)或污泥状材料被收集在固体收集室中，而再循环的、清洁的、液体材料可从固体收集室排出，并最终通过液体排出口从反应器排出。
如上所述，固体分离设备的流体入口有利地包括气体分离设备。气体分离设备将允许来自液体的气态材料通过向上移动逸出，进一步减少随后收集并带向固体分离设备的流体的气态内容物。也可以将气体分离设备与固体分离设备集成。这样的阵列例如包括一组斜向(斜)的薄板(其中缓慢向下的液体流使得气体在分离设备的脱气区域中向上逸出)和在相同或不同高度处的另一组斜向的薄板(其中缓慢向上的液体使得颗粒沉降并且在分离器设备的固体沉降区域中被处理)，脱气室(区域)和沉降室(区域)由在底端中断的分隔壁部分地分开，如在WO2010/036107中所述。这在下面的图3中进行了示意性地描绘。通过在反应器的内(下)部中具有气体分离，特别是当与固体分离设备集成时，而不是如常规那样在反应器内容物的表面处，上表面没有固定设备，诸如入口、出口和分离器。这允许表面自由地向上和向下移动以适应波动的流入物速率和/或波动的反应器负载，从而优化反应器和方法效率。
生物反应器优选具有3至12米的高度，和/或最大反应器水平内容物优选具有4至10米的高度。(液体)反应器内容物可具有可变高度，例如从反应器高度的约三分之一到最大有效高度，例如对于10米高的反应器来说，约为3至9米，或对于5米高的反应器来说，约为2至4.5米。因此，从反应器底部水平开始的固体分离设备的(液体入口的)高度优选小于反应器的最小填充水平，例如，对于10米高的反应器来说，为1.5至3米，特别是1.8至2.5米。反应器的水平横截面可以具有任何形状，例如正方形、多边形或优选为圆形。
附图的说明
图1描绘了根据本公开的生物反应器。反应器1具有流入物供应2，其通过混合罐21和泵3将液体流入物经液体分配器4供应到反应器中。反应器的有效高度，即最大实际液位，是从底部到竖直壁终止并且上部锥形空气空间开始的水平。通过一起形成示例性曝气装置的空气供应和鼓风机5、气体入口管线6和气体分配器7对反应器进行曝气。任选的专用空气供应和泵8通过管线9将空气引入到上升塔11下方的另一气体注入器10(也形成示例性曝气装置)。气体通过出口12从反应器排出。用于从液体中分离固体的包含倾斜板14的底部分离器13位于反应器的下部并被适当地支撑(未示出)。反应器液体通过入口15进料到分离器13，入口15优选地具有曝气中断时形成的生物质水平25之上的上端。如果需要，入口15的上部是向上延伸的管道26，以便将入口点升高到生物质静止水平(rest level)25上方。收集的固体(颗粒状生物质)通过管线16输送到上升塔11下方的气体注入器10上方的固体出口22。收集分离器13中分离的液体并通过管线17输送到流出物收集罐18，流出物通过溢流19从流出物收集罐18排出。一部分流出物可通过返回管线20返回到流入物混合罐21。如参考图2进一步说明的，使用控制阀27可以使反应器水位24在较高水平23和较低水平25之间变化。如本文所述，较高水平23略低于反应器的最大实际水平。
图2类似地描绘了根据本公开的生物反应器的另一个实施方案。图1和图2之间的类似部分具有相同的附图标记。反应器1具有流入物供应2，其通过泵3将液体流入物经液体分配器4供应到反应器中。如图1所示对反应器进行曝气，尽管在该实施方案中，省略了专用曝气器10。具有倾斜板14和入口15的底部分离器13位于反应器的下部。收集的固体(颗粒状生物质)通过管线16输送到固体出口22，在该实施方案中，固体出口22位于一个(或多个)常规分配器7的上方。在该实施方案中，气体分配器7上方的柱由圆柱形壁30分开，有助于在反应器内限定曝气和非曝气区域。收集分离器13中分离的液体并通过管线17输送到用于对反应器液位24在最大水平23和生物质静止水平(此处未示出)之间进行调节的可控阀27，并最终排出19。其中一部分可以如图1所示进行再循环，但此处未显示。流出物控制阀27由水平测量28控制，水平测量28连续地测量反应容器中的水平并通过管线29传输该测量。具有可控阀和/或泵32的任选的气体返回管线31允许在气体需求高于氧气需求的情况下调节气体流量。
图3描绘了集成的气体分离和固体分离设备13，其具有用于待分离的反应混合物的上部入口15。混合物通过集成分离器的流动由箭头33表示。混合物首先在脱气区域中向下通过斜薄板34，使得气体与液体和固体分离并沿35向上排出。在通过斜分隔壁37之后，经脱气的混合物向上通过斜薄板14，使固体如36进行沉降并在分离器的底部通过16再循环。然后，经脱气的、澄清的液体在分离器顶部通过17排出。
实施例
实施例1
由于工业活动的季节性变化，一种工业会产生不同流量的废水。工业废水中的铵将通过使用颗粒状生物质的Anammox工艺进行处理。虽然最大流量为每天1000m3或每小时40m3，但在较低运行期间，流量仅为每天360m3或每小时15m3。铵(NH4-N)浓度在高活动和低活动期间相对稳定为约每升1000mg。虽然反应器设计为处理最大流量的最佳水力停留时间(HRT)为12小时，但在低进料期间保持体积将意味着33小时的较高的HRT。虽然33小时的HRT对于该方法是可接受的，但是会增加反应器中不需要的生物质(诸如亚硝酸盐氧化细菌(NOB))过剩的风险。因此，在随着水位从8米降至4米的较低进料期间，罐的操作体积减少。这导致反应器体积从500m3减少到250m3，而颗粒保留设备将保持运行。由于在低进料期间反应器体积较小，因此这些时间段内的HRT为17小时，这足以防止NOB的积聚，因为NOB将随着液体排出而被连续地冲出反应器。减小体积还允许1.4kgNm3.d的足够高的体积加载速率(VLR)，而不是0.7kgNm3.d，而高负载期间的VLR保持在2kgN/m3.d。在低流量期间，曝气设备的交替运行是必要的，因为鼓风机的最小输出高于低流量条件下的曝气需求。

Claims (22)

1.一种用于好氧处理废水的生物反应器，包括：
-反应容器(1)，包括液体入口(4)和气体出口(12)，所述反应容器具有低于所述反应器容器的有效高度的一半的下部；
-用于使反应器内容物向上移动的装置，包括位于所述容器的所述下部的一个或多个曝气装置(7)；
-用于从液体中分离固体的固体分离设备(13)，位于所述反应容器的所述下部，包括液体入口(15)、液体出口和固体出口；
·所述固体分离设备的所述液体入口(15)位于低于所述反应器容器(1)的有效高度的75％的高度处，
·所述固体分离设备的所述液体出口连接到离开所述反应器容器的液体出口管线(17)，和
·所述固体分离设备的所述固体出口连接到固体出口管线(16)，所述固体出口管线(16)终止于所述用于使反应器内容物向上移动的装置上方。
2.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述固体分离设备的所述液体入口位于低于有效反应器容器高度的55％，优选20％至45％之间的高度处。
3.根据权利要求1或2所述的生物反应器，其中所述固体分离设备的所述液体入口位于所述固体分离设备的正上方或位于所述反应器容器的未设有所述用于使反应器内容物向上移动的装置的部分的上方。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的生物反应器，其中所述固体分离设备的所述固体出口设有用于产生液体流或气体流以向上移动固体的装置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的生物反应器，其中所述固体分离设备包括一系列平行的倾斜结构，特别是薄板或管道。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的生物反应器，其中所述生物反应器还包括集成在所述固体分离设备中的气体分离设备。
7.根据权利要求6所述的生物反应器，其中所述固体分离设备(13)包括斜分隔壁(37)，所述斜分隔壁(37)将所述设备分隔成脱气室和固体沉降室，所述脱气室包括在入口(15)下方的斜薄板(34)，所述固体沉降室包括斜薄板(14)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的生物反应器，其中除了所述气体出口之外，所述反应器在顶部被覆盖，并且所述反应器优选具有4至12m之间的高度，和/或在运行中，所述反应容器水高为3至9m。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的生物反应器，其中所述液体出口管线(17)连接控制阀(27)，所述控制阀(27)控制分离的液体的排出速率以调节所述反应器内容物的水平，其中所述控制阀优选地与用于测量所述反应容器中的液位并控制所述控制阀的检测器连接。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的生物反应器，其中所述分离设备的液体出口管线(17)通过返回管线(20)与所述反应器容器的所述液体入口(4)连接用于将部分分离的液体再循环到所述反应容器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的生物反应器，其中所述反应器容器的所述液体入口(4)位于所述容器的所述下部。
12.一种用于好氧处理废水的方法，包括：
(a)将包括废水的液体流入物供应至含有颗粒状生物质的曝气反应器，以提供反应混合物；
(b)使所述反应混合物经受好氧条件，所述好氧条件包括0.1mg/L至4.0mg/L范围内的溶解氧的浓度和0.5至72小时范围内的水力停留时间；
(c)将所述反应混合物分离成颗粒状生物质和经处理的废水；和
(d)将分离的颗粒状生物质再循环到所述反应混合物中，
其特征在于，在步骤(c)中，在至少0.2巴的流体静压力下，所述反应混合物在所述反应器的所述下部进行分离，和在步骤(d)中，颗粒状生物质通过反应器内部的向上移动再循环到所述反应混合物中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在步骤(d)中，使用低剪切，特别是通过气升将颗粒状生物质再循环到所述反应混合物中。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述反应器在底部区域的一部分进行曝气，产生一个或多个竖直曝气区域和一个或多个竖直非曝气区域，并且在步骤(d)中颗粒状生物质通过将其引入一个或多个曝气区域进行再循环。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中在步骤(c)中，所述反应混合物在优选地包括一系列平行的倾斜结构的固体分离设备中进行分离。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中在步骤(c)中，在低于有效反应器高度的75％，优选低于有效反应器高度的55％的高度处收集待分离的反应混合物。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中所述反应器间歇地进行曝气，并且当所述反应器未曝气时，在所述颗粒状生物质的水平之上收集所述反应混合物，用于在步骤(c)中分离生物质。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中步骤(a)-(d)连续地或间歇地进行，和/或将步骤(c)中提供的部分所述经处理的废水再循环并加入到步骤(a)中提供的所述液体流入物中。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其中通过控制所述经处理的废水从所述反应器的排出能够改变所述反应器中所述反应混合物的水平。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，其中所述颗粒状生物质的污泥停留时间为所述水力停留时间的至少4倍，优选为所述水力停留时间的10至50倍。
21.根据权利要求12至20中任一项所述的方法，其中所述废水含有氨，优选每升含有20至4000mg的氨(表示为氮)，所述颗粒状生物质包括具有Anammox细菌的核和氨氧化产生亚硝酸盐的细菌的外缘的颗粒，和其中所述好氧条件优选包括0.2mg/L至2.0mg/L，更优选0.3mg/L至0.7mg/L的溶解氧的浓度。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述反应器还包括非颗粒状生物质，且所述非颗粒状生物质的停留不大于所述水力停留时间的3倍且小于所述颗粒状生物质的所述停留时间的0.2倍。
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