CN112805249A - 用于废水流的附着生长生物处理和活性炭处理的体系和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的方面涉及体系和方法，其使得能够在单个处理容器内同时处理包含可生物降解的和可吸附的污染物的废水流，并结合使用活性炭和附着生长支持培养基。

Description

用于废水流的附着生长生物处理和活性炭处理的体系和方法
领域
本发明涉及处理方法和体系，尤其涉及用于废水流中的污染物的活性炭和附着生长生物处理的方法和体系。
背景技术
通常通过各种各样的溶液处理废物流以从中除去有机物、固体和任何其它不希望的污染物。其中之一，废水的生物处理被广泛地实施，其中在处理罐(生物反应器)中用废活性污泥处理废水。通常，废物流包含污染物的混合物，例如化学需氧量(COD) -其中一些至少缓慢地可生物降解并且可用生物材料处理，而其它被称为难生物降解(不可生物降解)COD，其不容易生物降解并且替代地通常用活性碳材料来处理。活性炭通常呈粒状活性炭(GAC)或更细的粉末活性炭(PAC)的形式。
本领域的常规的观点是不应将活性炭直接加入到设计用于附着生长处理的生物反应器中。就其性质而言，附着生长生物处理依赖于在培养基表面上逐步形成生物材料膜，然后其接触废水流以消化可生物降解的污染物。常规的想法是，考虑到其在高浓度 (例如，＞0.5:1的碳与生物材料比) 下的磨蚀性，将活性炭添加到附着生长生物反应器中将迅速导致生物膜的侵蚀，然后导致下层培养基的降解，因此限制其在处理废水流方面的效率和有效性。因此，通常首先将包含可生物降解的和可吸附的污染物的废水流输送至包含生物材料的生物反应器，以减少可生物降解的污染物，随后在含有粉末活性炭(PAC)的单独的罐或含有粒状活性炭(GAC)的柱中处理，用以除去剩余的可生物降解的污染物和可吸附的污染物。该布置导致相对大的占地面积以及高的材料和操作成本。此外，常规的观点是将生物材料与活性炭分开，因为据信当活性炭和生物材料一起存在时它们将聚结。继而，据信该聚结将导致生物材料的氧损失，并因此导致性能损失。
发明简述
根据一个方面，本发明人惊讶地已经发现，其中包含可生物降解的和可吸附的污染物的废水可以用活性炭和附着生长生物处理体系和方法成功地处理到低于标准允许极限。惊讶地，本发明人已经发现，尽管在生物反应器中存在活性炭，但是在附着生长培养基上能够保持生物生长。事实上，本发明人已经发现，活性炭实际上能够与所期望的逐步形成的在附着生长培养基上的生物培养基一起保持在附着生长培养基上。因此，本文所述的体系和方法消除了对分开的活性炭和附着生长生物反应器组件的需求，从而显著节省占地面积、材料和操作。此外，所述体系和方法允许较少的生物固体生成并减少浪费需求。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于处理其中包含一定量的可生物降解的和可吸附的污染物的废水流的方法。该方法包括将废水流输送至附着生长反应器，所述附着生长反应器包含一定量的活性炭和在其上具有活性生物材料的附着生长支持培养基；并且在减少废水中的可生物降解的和可吸附的污染物的量的条件下，使废水与附着生长支持培养基和粉末活性炭接触。
根据本发明的另一个方面，提供了用于处理其中包含一定量的可生物降解的和可吸附的污染物的废水流的体系，该体系包括废水源和与该源流体交流的附着生长反应器，该附着生长反应器包含一定量的活性炭和在其上具有活性生物材料的附着生长支持培养基。
附图简介
在下面的说明书中，根据示出的附图说明本发明：
图1是根据本发明的一个方面的一个体系的示意图。
图2包括根据本发明的一个方面的另一体系的示意图。
发明详述
现在参考附图，图1阐明了根据本发明的一个方面的处理体系10的第一实施方案。体系10包括废水流14的源12，其通过流体管线18与附着生长反应器16流体交流。如本文所用，“流体交流”是指流体可从一个组件流到另一个组件。废水流14可以包括任何流体，所述流体包含一定量的待通过本文所述的体系和方法处理的可生物降解的和可吸附的污染物。可生物降解的和可吸附的污染物包括任何能被生物材料消化的不希望的化合物。此外，废水流14包含能被活性炭吸附的任何污染物。因此，“可吸附的污染物”是指能被活性碳材料吸附的化学物质、化合物等。
在一个实施方案中，所述可生物降解的和可吸附的污染物中具有一定量的可生物降解的化学需氧量(COD)以及一定量的难生物降解的COD。“可生物降解的”是指流14中含有的COD浓度能被一定量的生物材料降低。如本文所用，术语“难生物降解的”定义一类化合物，其相对于可生物降解的COD可较慢生物降解或否则不可生物降解。难生物降解的有机物的实例包括合成和天然的有机化学品。其它难生物降解的有机物包括多氯联苯、多环芳烃、多氯二苯并-对-二噁英和多氯二苯并呋喃。内分泌干扰化合物也是一类难生物降解的有机物，其可影响生物体中的激素体系，并且在环境中发现。
附着生长反应器16包括适合其预期操作的材料、尺寸和形状的合适壳体。当废水流12被输送或否则提供在附着生长反应器16内时，附着生长反应器16包含附着生长支持培养基和一定量的活性炭，在所述附着生长支持培养基上包含一定量的生物材料。通常，附着生长支持培养基上的生物材料将用于减少废水流24中可生物降解材料的量，而活性炭将吸附其它难以生物降解或不可生物降解的材料。
废水流14可以与活性炭和生物材料接触一段适合于提供废水流14中的可生物降解的和可吸附的污染物的所期望的减少的时间。在某些实施方案中，可以将活性炭直接引入到附着生长反应器16中。在其他实施方案中，可以将活性炭引入到在废水流14的源12与附着生长反应器16之间延伸的流体管线18中，如图1中的箭头20所示。以此方式，一定量的活性炭与附着生长反应器16上游的废水流12结合，并且包含活性炭和废水流12的进料可以被输送到附着生长反应器16。
反应器16中的附着生长支持培养基可以包括适合于一定量的微生物保持和生长在其上的任何合适培养基。另外，附着生长支持培养基可以以任何合适的形式来提供，并且可以是任何合适的惰性材料，例如合成聚合物材料。例如，附着生长支持培养基可以包括附着生长支持培养基，所述附着生长支持培养基包括选自高密度聚乙烯（FIDPE），聚丙烯，聚乙烯及其组合的成员。在一个具体实施方案中，所述附着生长支持培养基包括高密度聚乙烯（HDPE）材料。
应当理解，在对在培养基表面上产生生物材料的膜有效的条件和持续时间下，使生物材料与附着生长支持培养基接触。可以以任何合适的配置来提供附着生长支持培养基及其与流12的接触。在一个实施方案中，所述附着生长反应器被配置为如本领域中已知的浸没式附着生长反应器（SAGR）、移动培养基附着生长反应器（MMAGR）、固定培养基附着生长反应器（SMAGR）、移动床生物膜反应器（MBBR）或浸没式固定床生物膜反应器（SFBBR）。
生物材料(或群体)可包括对减少废水流12中的可生物降解的化合物的量有效的任何合适的微生物群体。另外，所述微生物可以包括适于在缺氧和/或需氧条件下茁壮成长的任何细菌或细菌的组合。
用于本文的代表性微生物可以来自以下细菌科中的一种或多种：醋杆菌科（Acetobacteraceae）, 酸杆菌科（Acidobacteriaceae）, 气单孢菌科（Aeromonadaceae）,产碱杆菌科（Alcaligenaceae）, 交替单胞菌科(Alteromonadaceae), 厌氧绳菌科(Anaerolineaceae) , 橙单胞菌科(Aurantimonadaceae) , 芽胞杆菌科（Bacillaceae）,拟杆菌科（Bacteroidaceae）, 拜叶林克氏菌科(Beijerinckiaceae),慢生根瘤菌科(Bradyrhizobiaceae) , 短杆菌科（Brevibacteriaceae）, 布鲁氏菌科（Brucellaceae）,伯克氏菌科(Burkholderiaceae), 伯克氏菌目(Burkholderiales), 弯曲菌科(Campylobacteraceae), 柄杆菌科（Caulobacteraceae）, 噬几丁质菌科(Chitinophagaceae), 着色菌科（Chromatiaceae）, Chromobacteriaceae, 色球藻目（Chroococcales）, 梭菌科(Clostridiaceae), 梭菌目(Clostridiales), 梭菌目的XI.科（Clostridiales Family XI）地位未定, 梭菌目的XIII.科（Clostridiales FamilyXIII.） 地位未定, 丛毛单胞菌科(Comamonadaceae) , Cryomorphaceae, 噬纤维菌科 (Cytophagaceae ), 脱硫杆菌科 ( Desulfobacteraceae), Desulfobulbaceae, 脱硫微菌科(Desulfomicrobiaceae), 外硫红螺旋菌科(Ectothiorhodospiraceae), 肠杆菌科（Enterobacteriaceae）, 韦荣球菌科（Erysipelotrichaceae）, 赤杆菌科(Erythrobacteraceae), 黄杆菌科（Flavobacteriaceae）, γ-变形菌（Gammaproteobacteria）, 嗜氢菌科(Hydrogenophilaceae), 生丝微菌科(Hyphomicrobiaceae), 军团菌科（ Legionellaceae ）, 甲基杆菌科(Methylobacteriaceae), 甲基球菌科(Methylococcaceae), 甲基孢囊菌科(Methylocystaceae) , 嗜甲基菌科(Methylophilaceae), 微杆菌科(Microbacteriaceae), 微球菌亚目（Micrococcineae）, 莫拉菌科(Moraxellaceae), 分支杆菌科（Mycobacteriaceae）,亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae) , 念珠藻科(Nostocaceae), 草酸杆菌科(Oxalobacteraceae), 消化链球菌科(Peptostreptococcaceae), Phycisphaeraceae, 叶杆菌科 (Phyllobacteriaceae), 浮霉菌科(Planctomycetaceae), 紫单胞菌科（Porphyromonadaceae）, 假交替单胞菌科(Pseudoalteromonadaceae) , 假单胞菌科(Pseudomonadaceae), 根瘤菌科(Rhizobiaceae), 根瘤菌目(Rhizobiales), 红杆菌科(Rhodobacteraceae), 红菌科(Rhodobiaceae), 红环菌科（Rhodocyclaceae）, 红螺菌科(Rhodospirillaceae), 红螺菌目（Rhodospirillales）, 立克次体目(Rickettsiales), 理研菌科(Rikenellaceae), 瘤胃菌科(Ruminococcaceae), 腐螺旋菌科(Saprospiraceae), 希瓦氏菌科(Shewanellaceae), 华杆菌科(Sinobacteraceae), 鞘脂杆菌科(Sphingobacteriaceae), 鞘脂单胞菌科(Sphingomonadaceae) , 葡萄球菌科(Staphylococcaceae), Synergistaceae, 硫碱螺旋菌科(Thioalkalispiraceae), 疣微菌科(Verrucomicrobiaceae) , 弧菌科(Vibrionaceae), 黄色杆菌科(Xanthobacteraceae), 和黄单胞菌科（Xanthomonadaceae）。
通常，活性炭可以包括适合于从废水流12中吸附所期望的污染物，即难生物降解的有机物的任何合适的碳材料。在一个实施方案中，活性炭包括如本领域中已知的粒状活性炭材料或粉末活性炭。在一个具体实施方案中，活性炭包括粉末活性炭材料。对于目标污染物，可以以相对彼此合适的比例提供活性炭和生物材料。在一个具体实施方案中，活性炭与生物材料的重量比为0.5：1至25：1。
在某些实施方案中，并且如图2中所示，来自附着生长反应器16的流出物可以被输送到液/固分离器22，以将流出物分离成液体部分和固体部分，其中固体部分包含一定量的废碳和生物材料。在一个实施方案中，液/固分离器22包括其中包含多个膜的膜单元。所述膜单元可包括一个或多个多孔或半渗透膜14（为了易于参考，也称为“一个或多个膜”或“膜”）。在一个实施方案中，所述膜包括如本领域中已知的微滤膜或超滤膜。另外，所述膜可以具有适合于其预期应用的任何配置，例如片材或中空纤维。
此外，所述膜具有对于其预期的应用而言合适的孔隙率和/或渗透性。更进一步地，所述膜可以具有任何合适的形状和横截面积，例如正方形、矩形或圆柱形。在一个实施方案中，所述膜具有矩形形状。
在膜单元内，一个或多个膜可以（例如垂直地）定位在膜单元的处理区中，从而在操作期间在其中被该单元内的材料完全浸没。在某些实施方案中，膜单元可以包括鼓风机等，用于提供气体以冲刷所述一个或多个膜膜并防止在其中固体逐步形成在膜的表面上。
每个鼓风机可产生细气泡、粗气泡、气体的射流、气体和流体的射流以及它们的组合。典型地，也可以提供泵（未示出）以产生合适的抽吸力以将流体抽吸通过膜单元的每个膜以产生截留物和滤液。在某些实施方案中，膜单元还可以在其中包含一定量的粉末活性炭，用于进一步精制（polishing）/处理滤液以减少任何残留在其中的污染物。在其他实施方案中，液/固分离器22可以包括一个或多个澄清器、溶解的气浮单元或用于进行分离的任何其他装置或体系。
无论所使用的结构或方法如何，液/固分离器22提供液体部分（相对于废物流具有减少量的可生物降解的和可吸附的污染物）和包含一定量的废碳和生物固体的固体部分。来自液体/固体分离器的液体部分可以被引导至储存、运输、排放、再注入、灌溉、再利用等。在一个实施方案中，在排放之前，液体部分包含低于预定水平的COD浓度。在某些实施方案中，预定水平为30 mg/L或更大的量（160、150、125、100、75、60、50或40 mg/L）。在某些实施方案中，固体部分包含废碳（其中废碳的至少一部分包含其上包含所吸附的材料的活性炭）和生物材料。固体部分与如图2中所示的用于向其输送固体部分的碳再生单元24流体交流。在碳再生单元24处，固体部分中的任何可氧化材料经受氧化并且其中的废碳材料经受再生。以此方式，避免了浪费，并且可以将活性炭/生物材料再循环，用于处理进一步的输入的废水。
在一个实施方案中，再生单元24包括湿空气再生（WAR）单元26，其具有与液/固分离器22的输出端流体交流的输入端。WAR单元26可以包括一个或多个专用的反应器容器，其中发生废活性炭部分的氧化和/或再生。其中的再生过程通常涉及在升高的温度和压力下用氧化剂（通常是来自含氧气体的分子氧）处理输入的进料。在一个实施方案中，废碳的再生在约20atm至约240atm的压力下和约150℃至约373℃的温度下进行，同时将氧气添加到进料流或WAR单元26中。在一个实施方案中，向该单元提供足够的氧气，以提供氧气浓度为至少3体积％的的废气，并且在一个具体实施方案中为5-15体积％氧气。在一个具体实施方案中，湿空气再生在约200℃或更低的温度下进行，并且在一个具体实施方案中，在约150℃至约200℃的温度下进行至少约1小时的持续时间，并且在一个具体实施方案中进行约3至8小时。
碳的湿空气再生破坏了生物固体的挥发性部分，并氧化和/或改变了吸附在活性炭上的有机物质，以恢复其吸附能力，并产生了再生浆料。来自湿空气再生过程的再生浆料（显示为28）主要由再生的碳颗粒和氧化的生物固体组成。在某些实施方案中，再生浆料28包含通过碳从废水中去除并在再生过程期间形成的无机灰分颗粒。灰分可以通过已知的分离方法，例如美国专利号4,778,598和4,749,492（出于所有目的将这两篇以其全文通过引用并入本文）中所报道的那些，从再生浆料中进一步分离出来。在任何情况下，可将再生的浆料28经由管线30引导回到附着生长反应器16或废水源12与附着生长反应器16之间的流体管线18，以提供用于随后处理流12所需的活性炭。在某些实施方案中，代替再生材料或除再生材料之外，还可将新鲜的活性炭或生物材料引入管线18或附着生长反应器16。
由以下实施例将更全面地理解本发明的这些和其他实施方案的功能和优点。 这些实施例在本质上是说明性的，并且不应被认为是对本发明范围的限制。
实施例
下面是在使用常规活性污泥(CAS)和PACT® AG方法用两种塑料载体培养基类型对精炼脱油废水进行的实验室规模研究期间产生的数据。
表1：PAC添加前&后的CAS对PACT AG
Figure DEST_PATH_IMAGE002
使用总共六个生物反应器进行了实验室规模的测试，得到了三个对照和三个测试单元。一个序批式反应器(SBR)代表常规活性污泥(CAS)处理作为对照，一个SBR代表常规PACT®处理体系以测量PAC效率，四个连续流动反应器(CFR)具有等量(m2培养基表面是每m3处理的废水，以产生与附着生长对照以及两个测试反应器相等的生物膜载体培养基表面积负荷率(SALR)。在PAC添加之前使六个反应器适应并稳定。适应后，将相当于“典型”碳剂量的PAC加水浆料每天四次直接添加到PAC生物反应器中。
通过对反应器流出物样品进行实验室分析测试来监控处理性能。关键性能指标是化学需氧量（COD）、可溶性总有机碳（sTOC）、生化需氧量（BOD）、铵（NH4）和磷酸盐/酯/根（PO4）。还监控并记录了关键过程变量，即溶解的有机碳（DOC）、pH和温度。
PAC添加后，将DOC（表1）用作计量处理性能的度量。附着生长（AG）反应器的PAC后的结果用于展示与CAS反应器相比，处理性能的提高，以及与PACT®对照的性能。处理过的流出物的sTOC结果表明，与CAS相比，脱油精炼废水的附着生长处理得到了增强，并且与常规的PACT®体系流出物可比较。这些结果表明，在PAC存在下附着生长生物膜能够代谢有机污染物，这与在悬浮生长处理体系中通常看到的一样。这将允许附着生长生物膜实现PAC加生物质体系的共生益处。
尽管已经在本文中示出和描述了本发明的各种实施方案，但是显而易见的是，仅以实施例的方式提供了这些实施方案。在不脱离本文的本发明的情况下，可以做出许多变化、改变和替换。因此，本发明旨在仅由所附权利要求书的精神和范围来限制。

Claims (14)

1.用于处理废水流的方法，包括：
将废水流输送到附着生长反应器，以提供在附着生长反应器内的一定量的活性炭和在其上具有活性生物材料的附着生长支持培养基；和
使废水流与附着生长支持培养基接触，并使活性炭与附着生长反应器接触，以减少废水流中可生物降解的和可吸附的污染物的量。
2.权利要求1的方法，其中将一定量的粉末活性炭与附着生长反应器上游的废水结合，并且其中将包含活性炭和废水流的进料输送到附着生长反应器。
3.权利要求1的方法，其中活性炭与生物材料的重量比为0.5∶1至25∶1。
4.权利要求1的方法，其进一步包括将来自附着生长反应器的流出物输送至液/固分离器，用以将所述流出物分离成液体部分和固体部分，其中所述固体部分包含一定量的废碳和生物材料。
5.权利要求4的方法，其中所述液/固分离器包括以下至少之一：其中膜单元、澄清器或溶解气浮单元，所述膜单元中包括多个膜和活性炭。
6.权利要求1的方法，其进一步包括再生所述废碳并将再生的废碳输送至附着生长生物反应器或废水流。
7.权利要求1的方法，其中所述附着生长反应器选自如本领域中已知的浸没式附着生长反应器（SAGR）、移动培养基附着生长反应器（MMAGR）、固定培养基附着生长反应器（SMAGR）、移动床生物膜反应器（MBBR）或浸没式固定床生物膜反应器（SFBBR）。
8.处理体系，包括：
废水流的源，其包括包含一定量的可生物降解的和可吸附的污染物的废水流；和
与该源流体交流的附着生长反应器，所述附着生长反应器包含一定量的活性炭和在其上具有活性生物材料的附着生长支持培养基。
9.权利要求8的体系，其进一步包括与废水源和附着生长反应器之间的流体管线流体交流的活性炭的源。
10.权利要求8的体系，其中活性炭与生物材料的重量比为0.5：1至25：1。
11.权利要求8的体系，其进一步包括设置在附着生长反应器下游的液/固分离器，用以将来自所述附着生长反应器的流出物分离成液体部分和固体部分。
12.权利要求8的体系，其中所述液/固分离器包括膜单元，所述膜单元中包括多个膜和一定量的粉末活性炭。
13.权利要求18的体系，其进一步包括与所述膜单元流体交流的湿空气氧化单元。
14.权利要求8的体系，其中所述附着生长反应器选自如本领域中已知的浸没式附着生长反应器（SAGR）、移动培养基附着生长反应器（MMAGR）、固定培养基附着生长反应器（SMAGR）、移动床生物膜反应器（MBBR）或浸没式固定床生物膜反应器（SFBBR）。
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