CN118108281A - 用于在真空压力下使用生化工艺处理流体的方法和系统 - Google Patents

Abstract

描述了用于处理包括颗粒部分和可溶部分的流体的方法和系统，例如包括生物固体的废水流体。该处理包括对生物工艺中流体的颗粒部分中的固体进行生化转化，同时使流体经受真空压力，并蒸发掉流体的至少一部分可溶部分，从而使流体的剩余部分增稠。例如，颗粒部分的停留时间可以控制为比可溶部分的停留时间长至少25％。例如，颗粒部分的固体含量可以控制在4％至99％的范围内。

Description

用于在真空压力下使用生化工艺处理流体的方法和系统

本申请是申请日为2020年11月13日，中国申请号202080079198.0，发明名称为“用于在真空压力下使用生化工艺处理流体的方法和系统”的分案申请。

技术领域

本公开总体上涉及通过在真空下使用生化工艺处理流体，并且更具体地涉及在真空下用微生物处理具有生物固体的废水流以产生改进的废物流。

背景技术

真空蒸发器是一种既存技术，其工作原理是加快从受污染的混合物中蒸发水所需的时间并优化所需的能量。图1所示的系统说明了真空蒸发器的基本组件(即配备热源的蒸发室、用作真空源的真空泵和用于收集馏出物的冷凝器)。真空蒸发器还具有入口(受污染的混合物从该入口引入蒸发室)和出口，浓缩物处理后从该出口提取。

为了提高能量效率，真空蒸发器可以集成用于传热和回收的辅助单元，例如图2中示意性表示的那个。

在图2所示的示例中，蒸发和冷凝步骤在同一处理室中进行，因此在相同的操作条件(压力、pH等)下进行。因此，蒸发和冷凝主要受温度变化的控制。因此，需要集成在处理室中的初级加热/冷却回路。二次冷却回路也可以存在于真空蒸发器中，以从冷凝物中回收热量。该步骤对于优化工艺经济学特别重要，因为它允许回收蒸发潜热，对于水来说这是相当大的(2257kJ/kg)，如表1所示。

表1-各种分子的汽化(或蒸发)潜热

	汽化潜热(kJ/kg)	沸点(℃)
			氧气	214	-183
汞	286	357
			乙醇	857	79
水	2,257	100

真空蒸发器可以通过多种方式进行配置，取决于工艺目标以及CAPEX和OPEX之间的权衡。例如，在工艺中包括，则可以在热回收机制中获得更高OPEX效率的配置，如图3所示。商购真空蒸发器的替代实施方案由多级(或多效)系统表示，例如图4中示意性说明的那个。

在真空蒸发器中，被污染的染混合物、冷凝物和浓缩的混合物的进料、蒸发和抽空速率分别仅具有流体输送和脱水的功能。由于真空蒸发器仅促进对受污染混合物进行脱水的单一功能，因此后者是串联使用的几个工艺之一，以实现完整的污泥处理。

真空蒸发器不与生化工艺结合使用来处理水流以净化或去除污染物。例如，在传统的市政废水和商业废水处理厂中，污泥或其他生物固体流用细菌处理，以与固体发生生化反应，从而使流更安全。然后通常在随后的步骤中通过离心使流脱水，脱水部分可用于肥料和其他产品。

发明内容

本文描述的方法和系统可提供用于处理流体(例如生物流体)的显著改进的工艺，其可实现诸如更长的保留时间、更小体积的处理室、更高质量的工艺流、减少的废物、可回收的产品等优点。

在一个方面，本公开提供了用于处理包括颗粒部分和可溶部分的流体的方法。该方法包括用微生物对流体的颗粒部分中的固体进行生化转化，同时使流体经受真空压力，并蒸发掉流体的可溶部分的至少一部分，从而使流体的剩余部分增稠。颗粒部分的停留时间可以控制为比可溶部分的停留时间长至少25％。

在另一方面，本公开提供了用于处理包括生物固体的废水流体的方法。该方法包括将废水流体送入处理室，用微生物对处理室内的生物固体进行生化转化，同时向处理室施加真空压力，以及蒸发掉至少一部分的废水，从而使留在处理室中的废水的剩余部分增稠。废水的剩余部分的总固体含量可以控制在4％至99％的范围内。

附图说明

图1是真空蒸发器的示意图；

图2是真空蒸发器的典型流程图的示意图；

图3是带有热回收系统的单级真空消化技术的示意图；

图4是真空蒸发技术的多级配置示意图；

图5是说明生物活性速率对温度的依赖性的曲线图；

图6是说明水的沸点的压力-温度依赖性的曲线图；

图7是说明本发明的工艺配置的一个实施方案的示意图；

图8A-8B是说明本发明的工艺配置的示意图；

图9是说明与现有生物工艺集成的本发明的工艺配置的一个实施方案的示意图；

图10是实施例中使用的实验室规模系统的示意图；

图11是显示实施例中使用的实验室规模系统的照片；

图12是实施例中使用的处理室的透视图；

图13-22是显示在实施例中用作进料的污泥的测量特性的曲线图；

图23-30是显示实施例中收集的冷凝物的测量特性的曲线图；

图31-40是显示发酵物/消化物的测量特性的曲线图；

图41是显示生化甲烷势测试结果的图；

图42是显示进料到生物反应器的受污染混合物的累积体积的曲线图；

图43是显示从生物反应器收集的可冷凝产物的累积体积的曲线图；

图44是显示体积不平衡的曲线图，其假定等于不凝气体；

图45是显示实施例中使用的受污染混合物的体积减少效率的曲线图；

图46是显示系统的质量平衡变量的图；

图47-50是显示总固体质量平衡计算的图；

图51-54是显示挥发性固体(VF)的质量平衡计算的图；

图55-58是显示总COD的质量平衡计算的图；

图59A和59B是显示两种不同类型污泥的主成分分析(PCoA)的图；

图60和61是显示在初级污泥中达到目标pH所需的pH调节剂的量的图；

图62和63是显示在增稠的活性污泥中达到目标pH所需的pH调节剂的量的图；

图64和65是显示在混合污泥中达到目标pH所需的pH调节剂的量的图；

图66和67是显示在消化污泥中达到目标pH所需的pH调节剂量的图；

图68是显示由真空蒸发辅助的中试规模发酵罐的设计反应器的透视图；和

图69是显示由真空蒸发辅助的中试规模发酵罐的示意图；

具体实施方式

概述

本文所描述的真空生物处理方法和系统可以处理流体，例如具有可溶性部分和颗粒部分的受污染混合物，并应用于混合物以从流体中提取或浓缩污染物或有价值的成分。流体的可溶部分可以包括一种或多种具有不同挥发倾向的可溶部分。一方面，进料可以包括任何类型的生物固体，例如废水处理生物固体(初级和生物处理生物固体)、城市固体废物的有机部分、食物废物、有机工业废物和农业废物(例如动物粪便)、生物乙醇工业废物等，并且包括可溶性和颗粒状有机物。进料还可以包括已用于提取污染物或有价值成分的离子流体。

本文描述的方法和系统可使用微生物在真空下生化处理包括可溶部分和颗粒部分的受污染混合物以产生蒸发部分和发酵物(fermentate)/消化物(digestate)部分。生化处理可以包括一种或多种生物降解生物固体的生化工艺，包括水解、产酸(例如发酵)和产甲烷。此外，可以控制产甲烷以有利于形成生物氢和/或生物乙醇而不是生物甲烷。

这些工艺分解固体并将其转化为可溶性成分，并可以产生沼气，例如氢气、硫化氢、甲烷和氮气。生化处理可由存在于受污染混合物中的微生物进行，和/或系统可接种微生物以进行生化处理。如下所述，由于真空生物工艺能够显著增加保留时间，因此与传统消化器相比，这些工艺在生物降解生物固体方面更加有效。与传统工艺相比，这使得工艺能够产生相对更多的产品(沼气、肥料等)和更小体积的污泥。

一方面，本文公开的处理包括可以通过以下步骤进行的方法：

·将被污染的混合物从混合物生产单元提取并运输到处理室；

·对处理室中被污染的混合物进行增稠；

·在负压(即真空)的辅助下，对处理室中被污染的混合物进行生化和物理化学降解；

·通过将水和可溶部分作为蒸发物去除对处理室中的被污染的混合物进行脱水；

·对处理室中被污染的混合物进行排放、再利用和处置；和

·对从馏出物和生产的沼气中的冷凝物进行排放、再利用和处置。

这些工艺可以依次(在时间和/或空间上)或同时应用于一种或多种被污染的混合物。它们通常在包含以下组件的处理系统中进行：例如，一个或多个泵、一个或多个阀、一个或多个入口、一个或多个热处理室、一个或多个热源和一个或多个出口。一个或多个热交换器可用于预热进料流，加热出口处的浓缩污泥，或从蒸发物中回收热量。一个或多个脱水装置，例如离心机，也可用于进一步对在出口处产生的浓缩污泥进行脱水。

通过使用一个或多个泵，可通过一个或多个入口和一个或多个阀将流体例如被污染的混合物引入一个或多个处理室。可以使用一个或多个出口和一个或多个泵将一种或多种可溶部分从一个或多个处理室中去除。一个或多个出口具有使用产生负压的一个或多个泵收集一种或多种被污染的混合物的一种或多种蒸发部分的功能。可溶部分在处理系统中的停留时间可以通过使用在负压(真空)下操作的一个或多个阀来控制。剩余的一个或多个出口可以任选地与一个或多个泵一起使用，以控制一种或多种被污染的混合物的一种或多种颗粒部分的停留时间，并将处理后的被污染的混合物送至进一步处理。

如下所述，颗粒部分的停留时间理论上可以控制为无限长，并且实际上可以为至少0.5天(例如0.5至25,000天)、至少5天、至少10天、至少15天、至少25天、至少50天、至少75天、至少100天、80至400天、100至200天或110至160天。例如，可溶部分的停留时间可以控制为小于10天、小于4天或小于2天。颗粒部分的停留时间也可以控制为比在可溶部分中的液体的停留时间大25％，或比在可溶部分中的液体的停留时间至少大50％，至少两倍(大100％)，优选地至少四倍、八倍或15倍。如本文所用，颗粒部分的停留时间可以通过将处理室中流体的工作体积(即，流体占据的体积)除以发酵物/消化物的体积去除率来计算。可溶部分的停留时间可以通过将处理室中流体的工作体积(即流体占据的体积)除以冷凝的蒸发物和不可冷凝的气体的体积去除率来计算。并且，与本公开一致，“流体”是指具有颗粒部分和可溶部分的流体，例如被污染的混合物。

该方法和系统可以修复被污染的混合物(由可溶部分和颗粒部分制成)，其中三个(或更多)工艺速率可以被同时(在空间上)或顺序(在时间上)控制和优化：(a)液体、固体和气体部分之间和内部的生化活动速率，(b)液体、固体和气体部分之间和内部的传质速率，(c)处理系统中被污染的混合物的颗粒部分和非挥发性部分的滞留率。此外，还可以提高其他速率，例如结晶速率和/或物理化学工艺(固体水解、溶解、蒸发、挥发等)的速率。

可以操作本文使用的真空使得处理室为1至999毫巴、10至750毫巴、50至500毫巴、100至400毫巴或200至300毫巴。这种真空压力可以通过使用真空泵来实现。可以间歇地施加真空，包括周期性地施加真空，使得处理室具有在真空压力下对流体进行生化处理的时段和在大于真空压力下对流体进行生化处理的时段。可以进行处理，使得流体在大于真空压力的压力下被处理的持续时间等于或长于在真空压力下处理流体的时段(例如，长1至100倍、长2至50倍或长4至25倍)。

真空泵可以由自动控制器控制，该控制器将处理室保持在所需压力，在所需时间关闭真空(例如，基于收集的冷凝物的量)等。温度可以在10至90℃、20至80℃、30至70℃或40至50℃的范围内。可以控制真空压力，以使处理后的流体在这些所需的温度范围内沸腾。处理室可以通过任何合适的方式加热，例如使用来自工厂其他部分的加热流或使用电热元件。例如，发酵物/消化物的pH可以保持在4至9、5至8或5.5至6.5的范围内。如下文更详细解释的，可在工艺过程中进行快速pH或温度调节，以将所需化学物质浓缩在蒸发物或发酵物/消化物中。

必须仔细考虑生化和物理化学工艺同时发生的最佳条件。事实上，这种工艺的整合只有在生化工艺的速率和时间尺度具有可比性时才能发生，通过操纵物理化学工艺的物理化学变量，与物理化学工艺的速率和时间尺度。例如，虽然可溶部分在真空蒸发器中的典型保留时间约为1-10小时，但为了能够进行生化反应(例如，颗粒水解、生物质合成等)，颗粒部分和微生物细胞的保留时间必须比这长得多(例如，>10小时)。这可以通过使用蒸发工艺作为将颗粒部分保留时间与可溶部分保留时间分离并进一步分离颗粒部分保留时间、液体非挥发性保留时间和液体挥发性保留时间的手段来实现。为了达到最佳性能，可以同时考虑和控制一个或多个变量，例如温度、pH、压力、传质、微生物群落、营养物质和颗粒部分保留时间。

图5显示了温度如何强烈影响生化活性的速率；更具体地说，据报道，温度>70C对嗜热速率具有强烈的抑制作用，其显著低于该温度阈值。这种考虑防止了在等于或大于一个大气压的压力下起泡状态和最大嗜热活性的共存。然而，通过沸腾进行的被动混合是增强传质的一种非常有效的方法。为了克服这一限制，应用真空(负压)或部分真空以将被污染的混合物的沸点(在实际应用中主要以水为主)降低到对嗜温(30-45C)、嗜热(45-70C)或超嗜热(70-100C)微生物群落的最佳值。

通过这样做，与起泡点相关的湍流条件以及随后增强的对流传质使生化反应的速率最大化。此外，真空增强的蒸发显著减少了释放被污染的混合物所占据的部分体积所需的时间，从而带来以下重要益处：(1)它允许将新进料引入系统而无需从处理室中抽出被污染的混合物；(2)允许可溶部分(即水加挥发性化合物)与颗粒部分(被污染的混合物的固体)的保留时间完全分离。

考虑这样一个系统，该系统必须设计为同时优化产甲烷微生物群落的生化活性(需要至少3天的时间将有机颗粒生化转化为生物甲烷)和嗜热条件下的传质。根据图5，我们必须确定一个在大约55C时可能发生沸腾的系统。因此，图6显示我们必须选择大约20kPa(或200毫巴)的负(真空)压力，以便在55℃获得气泡。此外，我们应该在处理室中保留足够量的颗粒部分，以使颗粒部分的平均保留时间等于或大于3天。这将使允许我们计算浓缩部分必须从系统中排出的速率以及处理室的大小。最后，还必须满足最佳有机负荷，以确保微生物群落在理想的环境条件下茁壮成长。这将告知我们必须在系统中建立的蒸发速率，并为要选择的处理室的大小提供第二约束。在这方面，由于使用本文所述的真空生物工艺能够显著增加保留时间，处理室的尺寸可以显着小于常规消化池中的尺寸，例如，可能具有小4倍或者更多的体积。

本文所述的方法和系统能够通过真空蒸发从处理室中选择性去除一种或多种可溶部分，这使得一种或多种可溶部分的保留时间与一种或多种颗粒部分的保留时间有效分离。这样，使用真空作为去除处理室中的质量和释放体积的主要机制，可以将一种或多种颗粒部分保留在处理室中理论上无限的时间段，因为它们相对不溶解和不挥发的物化特性。因此，一种或多种颗粒部分不会被收集在冷凝物中，从而保持冷凝物非常纯净和无营养物质。

本文所述的方法和系统还能够在处理室中加载新的被污染的混合物的等分试样，而不必卸载先前加载的一种或多种被污染的混合物的相应等分试样。这是通过使用真空蒸发辅助的生物工艺实现的，其中可以通过蒸发获得质量和体积的去除，该工艺能够从一种或多种被污染的混合物中选择性地去除一种或多种可溶部分，同时保留一种或多种颗粒部分在系统中(由于其物理化学特性和缺乏挥发性，通常不能通过蒸发去除)。控制通过真空蒸发提取的可溶部分的去除体积与通过泵送在腔室中浓缩混合物的体积之比的能力允许能够控制固体的保留时间，因为发酵物/消化物的一部分体积可以间歇地或周期性地去除，并且在控制发酵物/消化物组成的能力方面具有显著优势，如下文更详细讨论的。

成熟的真空蒸发技术(上一节简要报道)与本文件中公开的新型处理方法和系统之间存在一些差异——(1)本公开的方法和系统在同一个容器中集成了生化和物理化学反应，而传统的真空蒸发器仅去除水；(2)本公开的方法和系统使操作者能够仔细选择和控制向容器进料的速率、蒸发速率和抽空速率，这允许生化和物理化学反应与真空蒸发器的特征工艺一起发生；(3)真空蒸发工艺的最佳工艺条件明显不同于本文件所公开的发明所要求的工艺条件。事实上，最佳真空蒸发条件完全取决于必须从中去除水的污染物混合物的物理化学特征；在这种情况下，选择使用真空和温度仅仅是为了加速这种脱水过程；在本发明中，最佳真空和温度条件是基于生化途径和反应的优化来选择的，这实际上取决于处理室中建立的微生物生态和环境条件；和(4)本公开的系统和方法在一个多功能系统中集成了运输、预增稠、发酵、生物转化、后增稠、脱水、回收和残留物处理的功能。这些功能是在传统真空蒸发器中串联的几个单独的工艺中执行的。

系统配置

图7说明了可以结合本发明使用的工艺配置的一个示例。通过使用真空蒸发从处理室提取物质，主要以蒸发的可溶性或挥发性化合物的形式，公开了用于将颗粒部分的停留时间延长无限期和理论上无限期的有效手段。因此，还公开了在真空下使用蒸发将可溶部分的水力停留时间(被污染的混合物的可溶成分的HRT)与颗粒部分的水力停留时间(被污染的混合物的颗粒成分的HRT，或SRT)分离的有效方法。从生化工艺的角度来看，对颗粒部分进行任意且理论上无限的时间处理的可能性使该技术能够实现理论上可能的最高生物降解产率(实际上，这与被污染的混合物的颗粒部分的无限处理时间相吻合)。

图8A-8B说明了工艺布局的替代实施方案。以气态和可冷凝产品的形式从系统中去除物质，使得所公开的处理系统能够在相同的处理工艺中进行增稠和脱水，以及将该技术用于半连续或半连续处理系统。因此，本文公开的处理方法和系统可以同时或以任何顺序执行以下功能和工艺中的一个或多个：(a)运输到处理室，(b)预增稠，(c)生物处理，(d)后增稠，(e)原位化学处理和调节，(f)脱水，(g)回收，(h)洗涤，(i)处理。因此，当前方法和处理系统的另一个创造性方面由在单个处理系统中的多个工艺的集成组成，否则使用多个处理系统串联执行。

所公开的实施方案可以集成到现有的工艺方案中。图9举例说明了本发明一个实施方案的真空生物工艺在处理城市污泥和生物固体的典型工厂中的集成。更具体地说，在图9所示的情况下，该实施方案的工艺已用于也称为“同流增稠(recuperativethickening)”的配置中，其包括分离来自上游生物工艺(例如本例中的厌氧消化工艺)的厌氧消化物的颗粒部分，然后将一部分(0至100％)冷凝流(图中表示为“冷产物”)循环回厌氧消化状态(图中表示为上游生物工艺)。该工艺的目的是增加和控制颗粒停留时间(或SRT)，目的是提高进料到产物的生化转化率。在其他实施方案中，真空生物工艺可以完全位于厌氧消化器的上游或完全位于厌氧消化器的下游，并且消化器可以是好氧消化器。

在本发明的不同实施方案中，沸点低于水的挥发性液体(例如，乙醇，其在1个大气压下，沸点为78.37℃，而水的沸点为100℃)有意添加到进料(即被污染的混合物)或处理室中以增强颗粒水解，作为冷凝物回收，并循环回进料或处理室进行任意数量的循环。

在本发明的另一个实施方案中，将固体或非挥发性催化剂引入进料和/或处理室，并在系统中保留任意数量的循环，从而利用这种处理方法的显著特征，允许颗粒部分(在这种情况下为催化剂)在处理系统中保留任意且理论上无限的时间。这种催化剂可以是例如固体酸如合成沸石(沸石ZMS-5、ZSM-11等)、合成二氧化硅-氧化铝、氧化物混合物、无机化学品如金属氧化物、硫化物、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐和卤化物。催化剂也可以是杂多酸或固体碱，例如水滑石、碱性沸石和附着到中孔二氧化硅上的有机碱。

益处

本发明的实施方案能够实现与以下有关的一种或多种益处：(A)改善营养物质管理和增值产物的回收；(B)预先的固体破坏和污泥体积减少；(C)提高工艺性能和卓越的产物集成；(D)优越的污泥质量；(E)缓解厌氧生物工艺遇到的典型问题；和/或(F)增强微生物群落。下面解释了这些潜在的益处。

(A)改善营养物质管理和增值产物的回收：

减少/消除将营养物质循环到主流——与其他传统的厌氧消化工艺不同，其中消化物被脱水并且来自脱水的富含氨和磷的液体流返回到液体处理队列(train)，真空消化可以定期产生冷凝物，该冷凝物不仅不含固体，而且营养物质低。该冷凝物不需要任何进一步的处理，因此不需要再循环回到液体处理队列。有时，在实施快速加热或pH值调节时，冷凝物可能富含氨，如果不回收，其将循环回液体处理队列。

通过就地和异地化学和生化处理对废物和冷凝物流中的营养物质进行预先控制——氨和磷等营养物质在某些热力学条件下不挥发，例如pH＝6-7和T＝20-70C。因此，使用本发明所公开的技术，营养物质将在处理室中积聚，而不是在侧流中排出。在排放富含营养物质的工艺残留物之前，可以对高度浓缩的混合物进行化学和/或生化处理，以促进可溶成分或颗粒成分的提取。例如，对于磷的情况，H2O2和/或铁可用于诱导固体中可溶性磷的沉淀。并且通过改变pH值和温度，氨可以被引导以铵离子的形式保持液态或以氨气的形式保持在气相中(其也可以从气体中回收，例如作为硫酸铵通过在硫酸浴中将富含氨的气相起泡)。

从系统中积累的残留物中回收一种或多种增值产物——废水和生物固体中可能存在的许多增值产物(贵金属、营养物质、纤维素、凝结剂、药物化合物、个人护理产品等)是非挥发性的，容易在处理系统中积累，从而有利于提取和进一步纯化为高纯度化学品。在传统的厌氧消化工艺中，工艺的效率和产生的生物固体的质量主要取决于生物活性。在这个工艺中，由于结合了生物、热和机械工艺等许多因素，将产生一种新的高质量的生物固体。此外，通过真空分离部分水和提取挥发性化合物将产生不仅富含营养物质和/或高固体含量而且具有新组分的新固体。

纤维素等增值材料的选择性浓缩和回收——在没有定期从系统中去除固体的情况下进行基于真空的消化的可能性使该技术能够在最佳时间和最佳热力学条件下运行。可以选择这样的最佳时间和操作条件以最大化某些化合物(例如纤维素)的积累，目的是回收积累的材料。同样的概念也可以应用于其他有价值的产物，如营养物质、微生物产物、贵金属等。

挥发性脂肪酸和氨产物的选择性浓缩使用快速加热和快速pH调节结合温度和真空——挥发性脂肪酸和氨是厌氧消化的有价值的产物。在具有连续进料进入和消化物离开的传统消化器中，消化器中的VFA和氨浓度不会累积到高浓度。在这个工艺中，由于没有消化物和不连续的冷凝物，消化器中的浓度比传统消化器高得多。当VFA和氨达到高水平时，真空快速加热和/或调节pH值可以促进富含VFA和/或氨的高纯度冷凝物的回收。

通过在基于真空和温度辅助的消化工艺中添加化学品来回收肥料——由于该工艺中SRT极长，预计生物固体将完全稳定，即A类生物固体。在这个工艺中，一旦生物固体达到完全稳定，钾等化学物质可以精确地添加，以达到商业级肥料所需的NPK(氮：磷：钾)比率。与传统的消化器相比，即使它具有与基于真空的消化器相同的稳定效率，化学添加系统也必须连续运行。

从生物固体处理工艺中分馏和选择性提取气体和挥发性化合物——消化器中产生的气体和挥发物具有不同的蒸汽压力，由于真空蒸发器操作的循环性质，可以通过部署顺序真空梯度或多或少地去除消化器中产生的气体和挥发物，导致挥发物的部分选择性去除和冷凝。

使用离子流体从滤饼中回收增值产物——离子流体由于易于分离和回收，越来越多地用于石油和化学加工，以从复杂混合物中提取污染物或有价值的成分。通过将非挥发性固体浓缩成简洁的体积，本发明能够经济地使用离子流体来回收增值产物，例如用于商业用途的细胞外聚合物(EPS)型材料，或提取/去除例如疏水性污染物如全氟化碳和微塑料材料。

选择性控制汽提气体以控制产物——真空的应用可以增强从反应器中溶解的厌氧消化气体的汽提，包括二氧化碳、氢气、氨气、硫化氢等。这些不同气体的汽提/去除会直接和间接影响与消化器相关的许多方面，包括：(1)去除二氧化碳(一种酸性气体)导致污泥pH值升高。通过这种方式，可以将消化器的pH值控制到使挥发性脂肪酸产量最大化的位置；否则，pH倾向于过度酸化，从而有利于醇和酮的产生(溶剂生成)；(2)氢(甲烷产生的关键成分)的去除导致向发酵微生物(酸形成剂)的转变。这会导致VFA水平累积，甲烷产生减慢；(3)硫酸盐还原菌也需要氢气，因此氢气的去除降低了硫化氢的生成速度。去除硫化氢(一种金属结合剂)可以释放细胞外水解酶生产所需的必需微量营养素(铁、钴、镍)，从而加速发酵过程；(4)去除氨(一种微生物抑制剂)可防止其在反应器中积聚，从而允许较长的固体保留时间而不会抑制甲烷的产生；(5)挥发性脂肪酸(一种重要的补充碳源)的去除可防止其在反应器中进一步转化为甲烷，从而允许其回收以支持工厂工艺例如生物磷的去除和反硝化。因此，通过控制pH、温度和真空，可以使这些气体中的某些或多或少具有挥发性，从而使它们或多或少地选择性地从反应器中除去。因此，可以选择性地控制上述优点。

(B)预先的固体破坏和污泥体积减少：

高效的固体分离能够在处理过程中对固体浓度进行预先控制，从而最小化废物的体积，并从下游脱水工艺中获得更高的固体饼——从被污染的混合物中蒸发可溶部分是一种有效的分离策略，因为颗粒被高效保留(>90％)在反应器容器中，非挥发性成分浓缩在消化液中。同时，可溶性和挥发性成分(水和沸点与水相似的化合物)可以通过蒸发提取。如果这种基于真空的技术根据生化反应时间尺度进行操作和优化，则可以在处理室中实现对颗粒固体浓度的卓越控制。更具体地，这可以通过控制保留在处理室中的颗粒与排出的颗粒的体积比来实现。产生最小体积的废弃颗粒(高浓度)从逻辑上讲也会导致较低体积的处置生物固体和来自下游脱水工艺(即离心机)的更浓缩的滤饼。下游脱水处理可提供总固含量大于20％、大于30％、大于50％的级分。

产生稳定和超脱水的生物固体——基于真空的生物工艺易于积聚惰性物质和不可生物降解的物质。因此，预计它们在系统中的浓度会随着时间的推移而增加。当达到所需的处理目标时，可以通过延长真空的长度/强度和/或通过修改系统的环境变量(温度、pH等)来加速脱水过程。因此，可以获得超脱水，即超过通常用机械分离装置产生的那些的高颗粒固体浓度。

在机械脱水之前优化固体浓度和生物固体调节——当基于真空的分离用于控制生物工艺中的固体浓度时，浪费的生物固体的体积最小，并且颗粒浓度比常规消化工艺通常产生的高得多(10％-15％与2-3％)。在这点上，可以将总固体控制在2至99％、4至90％、5至40％、2至20％、10至30％或15至30％的范围内。例如，可以通过调节蒸发速率(即冷凝物流)和从处理室中去除发酵物/消化器的速率来控制固体。例如，一方面，可以通过设置进料速率、冷凝速率和发酵物/消化物去除速率的比率来实现和控制室中固体的稳态浓度。这可以在实现固体降解和本文所述的其他优点的同时实现。减少的体积和更高的颗粒固体浓度有利于机械和热脱水工艺。此外，消化器可用作处理室，用于在下游脱水之前用处理剂(例如，可以添加氧化剂、酶、还原剂、酸/碱等)对污泥进行化学/生物调节。可以在处理工艺中的不同时间添加一种或多种处理剂，例如，每种处理剂可以相互间隔超过2天，相互间隔超过5天，或者相互间隔超过15天添加，并且可以定时使得发酵物/消化物的固体含量在每个剂量的差异超过0.5％(例如，第一处理剂在第一时间以第一固体含量投加，并且第二处理剂是当固体含量比第一次定时至少高0.5％、1.0％或5.0％时，在第二时间投加)。或者，处理剂可以彼此同时添加。

在所需且可控的时间段内消除生物固体产生并减轻处置物流和成本(卡车交通等)——真空是从生物固体中分离液体的有效方式。这个工艺通过蒸发液体来减少生物固体的体积。同时，加速的生物和化学反应通过破坏质量和转化为气体进一步减少颗粒固体。结果，系统可以达到稳定状态，在一段时间内不排放和处理生物固体。

处理工艺中生物固体处理成本的优化(技术的均衡效应)——流入生物固体质量通常因有机物、微污染物、重金属等的类型和浓度而变化。由于消化主要影响可生物降解的有机物，因此被消化的生物固体的质量也各不相同，从而影响处理选择和成本。真空辅助生物工艺可以在各种水力负载和水力停留时间(HRT)下运行，而不会影响系统的生物性能。因此，处理室也可以看作是生物固体积累和均衡室。这使得可以通过将处理系统用作处理过的生物固体的均衡室来优化处理成本，而不影响其中发生的生化转化。

完成完全降解和对来自被污染的流体的处理的零颗粒固体排放——使用基于真空的生物工艺，可以在系统中无限期地保留颗粒。因此，可以实现有机物的完全降解(时间＝无限)。这将自动导致零颗粒固体排放工艺，其中只有惰性部分积聚在系统中。惰性物质最终可以使用酸、碱、溶剂、强氧化剂或还原剂以及它们的组合来溶解，从而证实了该工艺产生零作为废物的颗粒固体的可行性。

加速生物固体破坏——通过应用间歇真空，可以实现从系统中去除液体并实现最佳混合。它导致污泥体积减少和水解加速，分别可以改善颗粒破坏。

浓缩的污泥——因为该工艺产生浓缩的污泥，所以污泥更容易处理到传统系统中不实际的程度，例如破坏残留细菌、破坏朊病毒和提取微塑料。

(C)提高工艺性能和卓越的产物集成：

一种能够在单个容器和单元操作中集成生物和物理化学处理工艺并在以下条件下操作的处理方法：真空＝0-1巴/标准大气压；温度＝0-100度；pH＝0-14；TDS＝0-100克/升。即使是轻微的真空和适度升高的温度也会产生以下生物、物理和化学现象，这些现象可以提供令人惊讶的良好处理性能。据信，优异的性能是由于多种因素的组合，包括(i)真空和温度的组合导致生物固体沸腾，从而促进生物固体的混合；(ii)这种组合还导致液体蒸发并与生物固体分离；(iii)升高的温度促进微生物活性，例如提高生长速度；(iv)升高温度提高化学反应速率；(v)升高的温度降低了有利于混合以及化学和生物反应的生物固体粘度。

将可溶(和蒸发)成分HRT(水和挥发性级分)与颗粒(和非蒸发)成分(SRT)的处理时间(时期)完全分离——由微生物群落介导的生化反应由平均细胞停留时间(MCRT)或固体停留时间(SRT)而不是流体年龄(age)或水力停留时间(HRT)决定。在传统的消化技术中，颗粒(富含微生物)和水一起在处理室中移动，其特征是液体和颗粒固体在离开系统时年龄(age)相同。因此，SRT＝HRT。在本发明的实施方案的方法和系统中，真空蒸发的概念允许蒸发的可溶成分具有与混合物的颗粒成分不同的停留时间。因此，实现了SRT与HRT的完全分离。此外，通常生物降解性较差的颗粒和非蒸发部分是那些在系统中保留时间比HRT长的部分。这样的时间可以完全由操作者控制，因此理论上可以实现完全生物降解。

使用间歇性真空操作处理被污染的流体——仅需要间歇性地使用真空来实现所需的系统性能，包括液体分离、固体减少、污染物破坏等。可以优化真空度和频率以实现污染物处理和能量最小化两者。

在单个单元处理工艺中集成多阶段工艺，例如生物固体提取和运输、增稠、消化、稳定、脱水和营养物质去除——常规的生物固体处理工艺包括增稠、消化/稳定和脱水，带有经过脱水处理的富含氨和磷的液体以减少循环到工厂的氨和磷，它们可以构成流入负荷的20％-30％。基于真空的消化工艺是一个单一的单元工艺，由于同时对消化器中的生物固体进行增稠、稳定和脱水，以及回收富含无固体营养物质的冷凝物，从而取代了上述生物固体处理队列。

通过在真空压力和温度下就地投加化学品来改变被污染的流体的物理化学特性，从而增强处理——基于真空的技术，通过蒸发而不是机械泵送来移动流体，从而实现对保留在系统中的颗粒残留物的最佳处理，因为后者构成被污染的流体的可缓慢生物降解或非生物可降解的部分。结果，可以在需要时注入物理、化学和生物试剂，以加速这些难降解部分的降解。通过这种方式，可以高度优化处理效率，因为仅在需要时才投加化学品，并且不会浪费在不需要其的其他部分上。

根据残留的非降解污染物选择和增强微生物群落——随着基于真空(或蒸发辅助)的消化工艺的发展，可缓慢生物降解和非生物可降解的部分在处理室中积聚。因此，能够降解这些部分的微生物种群有机会胜过其他种群，而其他种群则会因缺乏已经转化为最终产物的易于生物降解的材料而饿死。因此，竞争有利于生长缓慢的生物体，这些生物体能够在生物降解性较差的基质上茁壮成长。另一方面，SRT是微生物群落和有机材料的生物降解性的关键因素。真空(负压)可以选择性地富集发酵细菌，因为它们是孢子形成细菌，并阻碍非孢子形成产甲烷菌的生长，因为它们的细胞膜可被真空渗透。通过阻碍产甲烷作用，挥发性脂肪酸的产量将显著提高。此外，由于SRT非常长，污染物的分解、水解、溶解和生物降解性将大大增强。在另一个方面，在需要产甲烷的情况下，可以控制真空、温度和/或pH，以通过使产甲烷生物种群选择性地相对于发酵细菌茁壮成长来减少污泥经历产甲烷所需的时间。在没有真空的系统中，污泥将首先经过发酵阶段至少约4或5天。但是通过使用真空，可以在不到4天的时间内实现产甲烷，包括例如0.25天、1天、2天或3天。

使用从真空消化工艺中回收的热量来增强处理以从进料中分离污泥成分(例如油、脂肪和油脂(“FOG”))——富含FOG的生物固体可以很容易地使用回收的热量进行预热，以溶解脂肪和油脂，并促进油类的回收。

将基于真空的消化与物理化学和生物颗粒减少/溶解技术(包括超声波、研磨机、水解酶、酸/碱、预先的氧化工艺等)集成在单个容器中——基于真空的消化可以与其他众所周知的提高生物降解性的方法协同工作，所述方法包括例如使用机械工艺来减少颗粒物，针对被污染的混合物中的某些部分特别(连续或间歇)投加化学品(用于蛋白质和纤维素降解的酶，用于颗粒溶解的酸/碱，用于通过粘度变化等改善混合的研磨机和均质机)。集成的真空辅助消化与超声将降低溶解气体浓度；加强传质；提高微生物的生长速率；并增强颗粒的溶解。已知降低溶解气体浓度可增强发酵工艺。这种集成的基于真空的消化与超声是一种使液体中的局部压力降至低于水相中的蒸发压力的方法，这会导致微气泡或空化气泡的形成。在空化过程中，微气泡在流体中的各个成核位置形成，并在声波的稀疏阶段生长。在随后的压缩阶段，气泡内爆，破裂的气泡释放出在介质中传播的强烈的冲击波。

从真空消化工艺中回收热量以改变流体的进料特性(流变学、可降解性等)——在该工艺中回收的恒定热量可以重复使用，不是用于蒸发，而是用于预处理进料以增加可溶部分、减小粒度、优化粘度并因此提高生物固体的生物降解性和提高沼气产量，和/或产生更多挥发性脂肪酸。

将处理方法和系统集成到现有的污水基础设施(下水道瓶颈)和分散的污水处理单元中——通过真空蒸发提取质量和体积的可能性以及同时产生在再利用或处理之前需要低处理或不需要处理的高质量冷凝物，创造了使用本文件中公开的方法和系统作为分散化粪池系统(如英霍夫式化粪池、黑色蓄水池等)的补充技术的可能性。

(D)优越的污泥质量：

在生物固体处理工艺中进行预先的病原体控制，以实现卓越的污泥质量——厌氧消化的主要目标是减少病原体含量，从而使消化的生物固体能够有益地再利用，例如改善农业土壤。由于在嗜热消化温度下延长的固体保留时间，实施方案可以提供优越的病原体破坏。此外，高浓度的消化生物固体能够通过补充消毒程序对残留物进行经济的后处理。

顽固性污染物的预先处理，例如内分泌干扰物、个人护理产品、药品等——可以通过例如引入、补充或再生铁离子来培养能够降解此类难降解物质的铁还原细菌，从而破坏持久性有毒的外源性化学物质；和/或对颗粒固体进行积极的后处理(消化后)，例如通过预先的氧化工艺。

用目标化学和生化化合物(酸、碱、溶剂、氧化剂/还原剂、光、酶、催化剂等)进行潜在原位处理的缓慢或不可生物降解的污染物的积累——基于真空的处理工艺优先去除水和易生物降解的挥发性有机物，如VFA或氨。这导致处理室中缓慢且不可生物降解的颗粒物净积累，因为易于生物降解的成分要么由于极长的颗粒物保留时间而发生生化转化(进入由真空泵收集的气态产物)，要么被提取为冷凝物中的挥发性产物。难以处理的成分的积累提供了使用各种处理剂对此类难降解部分进行临时的原位或异位化学或生化处理的机会。它还能够在处理室中使用催化剂，因为后者可以根据物理化学性质(粒度、挥发性等)进行选择，从而使它们完全保留在处理室中。

提高被污染的流体的生物降解性——如果使用基于真空的生物工艺来冷凝被污染的流体中缓慢且不可生物降解的部分，则可以对相同的部分进行处理以提高其生物降解性。因此，可以提高被污染的流体的整体生物降解能力。

在污泥的真空处理过程中，出乎意料地观察到pH值升高，这被认为是由于去除了二氧化碳(一种酸性气体)引起的。这种pH值的增加可能会在污泥处理中带来一些优势，因为碱性污泥处理是一种成熟的工艺，可以灭活病原体、加速发酵和提高沼气产量。此外，这可以控制消化器的pH值，以增加或最大化挥发性脂肪酸的产量；否则，pH倾向于过度酸化，从而有利于醇和酮的产生(溶剂生成)。

(E)厌氧生物工艺中遇到的典型问题的缓解：

防止污泥无限停留时间导致厌氧消化产生泡沫——由于脂肪、油和油脂(FOG)的积累，泡沫是厌氧消化中常见的问题。上述有机物的生物降解速率非常慢，因此会在常规消化工艺中积累。在这个工艺中，由于无限长的固体保留时间，FOG可以被生物降解。

通过选择性地去除反应器中的生化反应产物(氨、酸等)来减少抑制——在一定浓度下，作为厌氧消化工艺的产物的氨和挥发性脂肪酸可以抑制生物降解。在这个工艺中，这种抑制剂在消化器中的积累通过快速加热和/或pH值调节得到缓解，这增加了抑制剂的挥发性，因此可以很容易地在冷凝物中回收。

将生物固体中不需要的溶解气体(温室气体等)降至最低——在消化工艺中使用负压可以产生冷凝物或残余消化物，其中溶解气体的量最小，这是由于负压、温度和其他操作条件(pH、盐度等)引起的气体从液体到蒸汽的转移。

在与使用真空相关的生物和化学工艺中出色的气味形成、管理和控制——由于该技术在负压和密封容器中运行，气味无法从系统中逸出，并且可以有效管理，而不会对周围人群产生问题。

处理室中的自平衡pH值，这对厌氧消化非常有利，因为当pH<5或>9时可能会发生抑制——应用真空，结合处理室中的特定pH值和温度，可以诱导CO2汽提。因此，无论在消化工艺中是否产生酸，处理室中的pH值往往保持相当恒定。在氨过量积累的情况下，可以预期同样的效果。在这种情况下，氨的存在会提高pH值，从而导致有利于氨汽提的条件。实质上，在基于真空的消化工艺中建立的物理化学条件是这样的，即通过物理化学机制(蒸发/汽提)以及随着时间的推移在处理系统中积累的化学缓冲液来平衡pH值。

可以根据COD破坏曲线和水力和颗粒停留时间确定最佳SBR循环——由负责将有机物转化为气态产物(甲烷、氢气、H2S等)的微生物群落的部分抑制引起的COD降解中的循环行为，确定可用于将系统配置为具有填充、接触、处理、卸载的典型循环的序批式反应器(SBR)的最佳处理时间。

(F)增强微生物群落：

通过增强微生物活性、传质和生物固体成分同时优化生化和物理化学工艺速率——在大气条件下，被污染的流体的起泡点达到100C或更高。在这些条件下，作用方式(biology)会严重减慢或完全抑制。因此，如果在大气条件下操作，则在工艺不相容的条件下会实现起泡和生物活性。当施加负压时，水混合物的起泡点降低，在极低真空下可低至20-30℃。因此，可以同时优化生化反应，并将其集成到单个处理室中的物理化学工艺中。此外，如果便于按时间和空间顺序操作后者，则可以使用多个处理室来优化多个生物工艺和物理化学工艺。

通过对进料进行消毒以保护生物工艺中的纯接种物，创新的生物工艺具有对微生物污染敏感的各种纯培养物——纯厌氧微生物培养物比混合培养物具有更好的生物加工动力学。实际的原料含有细菌和病原体，其会导致生物工艺中的代谢变化。例如，进料中的产甲烷菌会通过消耗氢气降低纯培养物的生物氢气生产潜力。因此，在该工艺中，回收的热量可用于对原料进行灭菌，以避免反应器中发生任何不希望的微生物变化。

将可缓慢生物降解的碳升级为易于生物降解的碳，同时回收高纯度的易于生物降解的碳——由于通过延长消化器中的固体保留时间而增强的微生物群落，复杂的难以生物降解的有机物可以转化为可在蒸发器冷凝物中捕获的更小、更易挥发的可生物降解的有机物，随后用作“清洁”补充碳，以支持处理设施内的生物营养物质去除工艺。

提高生物质耐受性和对有毒化合物的抗性——生物质、毒物和难降解化合物在同一处理室中共存的时间比传统消化器中的时间长，这使生物质对毒物和抑制剂产生抗性。结果，可以在系统中实现更好的生物降解率，并且微生物群落可以显示出更少的抑制作用。

实施例

实验处理系统示意性地显示在图10中。该系统的照片和示意图分别如图11和12所示。处理系统包括：

·处理室，其由双壁玻璃容器组成，热水在其中再循环以将温度保持在所需的设定点；

·双壁冷凝器，由玻璃制成以避免腐蚀，以液体形式回收定期从处理室中提取的蒸发的可溶性组分；

·冷却器，旨在产生冷水以将冷凝物的温度保持在所需值，以实现从蒸发物中完全回收蒸汽成分；

·真空泵，连接到处理室，在自动真空控制器的辅助下运行以将压力保持在所需的目标；

·冷凝物收集器，安装在冷凝物罐和真空泵之间，避免因未冷凝的蒸汽或液体意外到达真空泵的主体而造成的潜在损坏；

·真空开关，当真空压力达到所需目标时，允许开启和关闭真空泵；

在该实验中，向基于真空的生物反应器进料从位于市政污水处理设施的初级澄清单元的底流中收集的初级污泥。实验在嗜热条件和周期性真空应用下进行。没有使用外部接种物来启动生物反应器。实验条件见表2。

表2-测试期间使用的实验条件

实验过程中遵循的标准操作程序由以下主要步骤组成：

1.打开冷却器。

2.使用真空控制器将目标真空压力设置为400-500毫巴。

3.运行真空泵以达到处理室中的目标压力。

4.通过真空抽出沼气。

5.逐渐降低压力(通过真空控制器)直到200-300毫巴。

6.一旦达到沸腾条件，收集作为冷凝物的蒸发物。

7.一旦去除所需的冷凝物体积后，关闭真空泵。在这个实验中，当反应器体积的1/20到1/5被去除时，例如，大约150-600毫升，真空泵被关闭。

8.从冷凝物瓶中提取冷凝物并测量其体积。

9.将与提取的冷凝物的量一样多的被污染的混合物(初级污泥)进料到处理室，使总体积保持在3升。

10.激活混合器。

11.离开系统24小时，第二天重复1-10。

如上所述，某些实施方案的一个方面是对被污染的基质进行同时增稠、消化和脱水的可能性。因此，可以控制处理室中的浓度以随时间增加。在该实验中，当被污染的混合物的浓度达到与实验室系统中使用的机械混合所施加的扭矩不再兼容的值时(例如，总固体>10-15％总固体)，不再提供机械混合，未处理的被污染的混合物(新鲜初沉污泥)仅手动与残留的被污染混合物(累积在生物反应器中)混合，每天一次，通过使用混合轴手动搅拌系统。

下面的表4-6分别显示了在156天的实验期间进料、冷凝物和发酵物/消化物的几个测量属性。

每个属性的测试方法如下表3所示。

表3：测试方法

进料特征：

表4-用作进料的初沉污泥的特征

时间	pH	电导率	TCOD	sCOD	VFA	sP	NH4	TS	VS
										天	-	mS/cm	mg/L	mg/L	mg/L	mg/L	mg/L	％	％
1	6.6	1.77	29,500	1063	433.4	n/a		2.3	1.4
										8	6.29	1.92	24,333	1283	795.0	n/a	63.5	2.2	1.5
15	6.66	1.90	27,433	953	471.3	n/a	40.8	2.9	1.8
										22	6.38	2.50	35,600	1635	909.0	n/a	84.0	2.7	2.1
29	6.5	1.52	37,200	730	296.9	n/a	33.7	3.5	2.4
										36	6.4	2.00	32,600	825	425.9	n/a	42.7	2.9	2.1
50	6.23	2.16	29,000	660	332.8	76	25	3.3	2.1
										57	6.47	1.80	28,600	730	353.6	73.2	73.2	2.3	1.8
64	6.66	1.76	26,500	965	548.9	63.3	42.3	2.4	1.7
										71	6.68	1.76	37,400	895	424.8	53	54.4	2.8	1.9
78	5.98	2.27	22,550	1885	997.2	95.7	73.3	2.8	1.9
										85	6.61	2.21	39,550	1180	621.7	16.7	51.1	3.2	2.4
92	6.54	1.84	34,950	1315	631.3	54	39.2	3.0	2.0
										99	6.68	2.34	39,550	2340	1283.5	15.8	93.6	3.0	2.1
106	6.05	1.75	51,750	1865	1046.5	124.4	50.1	3.3	2.5
										113	6.72	1.60	45,350	958	520.6	12.4	55.2	2.3	1.5
120	6.39	2.22	24,950	2070	914.0	10.6	84.9	2.2	1.5
										127	5.58	2.29	38,050	2430	1358.4	138.3	54.9	3.1	2.4
134	5.39	2.26	44,000	3420	1691.7	16.3	50.9	3.3	2.4
										141	6.28	1.87	42,500	2055	1036.3	59.7	86.2	3.6	2.6
149	6.07	2.12	35,500	1720	1010.6	106.6	69.7	2.9	2.2
										156	6.46	1.56	34,550	1130	534.6	94.1	37.8	2.9	2.2

这些测量值在图13-22中以图表形式说明。

冷凝物特征：

表5-通过蒸发提取的冷凝物的特征

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这些测量值在图23-30中以图表形式说明。

从冷凝物测量的数据表明，与在常规消化系统中产生的采出水部分相比，采出水部分显著优于例如来自离心污泥的采出水部分。在这方面，上面显示的TSS结果表明冷凝物几乎不含固体。相比之下，传统工艺中离心水的TSS可能在1,000-10,000mg/L的范围内。类似地，氨、可溶性磷、VFA和COD的值显著低于在传统方法中从离心机中获得的值。例如，结果是可以在工厂上游回收的更清洁的水部分。

或者，如上所述，可以调节/控制pH、温度和/或盐度以将氨和/或VFA闪蒸到冷凝物中以产生相对更富含那些成分的部分。例如，可以生产并回收富含VFA的级分作为系统中的碳源。可以通过添加碱等pH调节剂来控制pH。

发酵/消化特征：

表6-处理室中积累的发酵物/消化物的特征

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这些测量值在图31-40中以图表形式说明。

如上所述，可以控制本文所述的真空生物工艺以将发酵物/消化物中的固体浓缩到远远超过常规消化器的水平，例如4-90％、5-40％、10-35％或20-30％。此外，非挥发性成分(如氨)可以高度浓缩，从而提高发酵物/消化物作为肥料的价值。氨可浓缩至大于100mg/L、大于500mg/L、大于750mg/L、100mg/L至50,00mg/L、500mg/L至5,000mg/L，或1000mg/L至2500mg/L的水平。同样，由于VFA可以浓缩在污泥中，因此它可以用作系统中的碳源。例如，VFA可浓缩至100mg/L至50,000mg/L、大于1,000mg/L、大于2500mg/L、大于5,000mg/L或10,000-15,000mg/L的水平。系统中的总COD显示出周期性，例如，在60-90天和130-140天之间，这可能表明随着污泥成分的变化，不同的微生物正在接管。

如图40所示，发酵物/消化物的pH值随时间基本稳定(例如，在50天或更长时间内变化小于+/-0.5)。这是一个令人惊讶的效果，据信是由于CO2和VFA从发酵物中汽提并进入蒸发物中。

测试了每个工艺流的挥发性脂肪酸的组成。在第50天收集样品，VFA组成的结果见表7。结果清楚地表明，发酵物/消化物富含VFA，并有可能用作BRN工厂中的外部碳源。高水平的丙酸是有用的，因为丙酸对于生物除磷是优选的。例如，可以控制该工艺以将丙酸水平浓缩到超过250mg/L、超过500mg/L或600-1000mg/L。同样的考虑也适用于冷凝物流，其VFA含量与初沉污泥(进料)相当，但组成上纯度更高(这使其成为化学工业的理想产品并适合储存目的)。

表7-挥发性脂肪酸的组成

还对第71天收集的来自处理室的浓缩混合物(消化物/发酵物)进行了生化甲烷势测试。使用每克VS接种物0.5克底物COD的食物与微生物(F/M)比率进行该测试。BMP测试在嗜常温条件下进行，反应器置于40℃的加热浴中，以150rpm的速度连续搅拌。图41中报告的结果表明，使用本文中公开的方法和系统的延长预处理也提高了处理过的进料的甲烷势，这表明处理过的进料可以产生更多的沼气。这使得将方法和系统作为消化前的预处理集成到现有处理方案中成为可能。

体积和质量平衡

根据上述结果，可以计算和报告一些关键工艺指标的以下平衡，例如：

·体积质量平衡和体积浓缩效率

·总化学需氧量(COD)质量平衡(积分)和COD破坏效率

·总挥发性固体(VS)质量平衡(积分)和VS破坏效率

·总固体(TS)质量平衡和TS破坏效率

以下表达式提供了体积质量平衡：

不凝性气体的体积＝(供给到处理室的累积体积-从处理室收集的冷凝物的累积体积)

图42是表示供给到系统的累积体积的图表，图43是收集的冷凝物的累积体积。图44说明了体积不平衡，假设它等于不凝性气体。

使用图42中提供的信息，并考虑反应器的操作体积等于3L，可以估计体积减少效率(图45)，其可以从公式中获得：

体积减少效率(％)＝[(1)-(2)]/(1)*100

其中：

(1)＝从开始到实验到给定的目标时间，供给到处理系统的体积的总和

(2)＝处理系统中的混合物体积＝3升

在实施方案中，可以控制生物工艺真空反应器使得体积减少效率在50-99.99％的范围内，包括大于70％、大于80％和大于90％。这很重要，因为它表明与进料相比，污泥的体积可以显著减少。因此，例如，可以控制该工艺，使得少于10％或少于5％的进料体积作为浓缩的污泥存在。

接下来计算的平衡与本发明公开的处理系统的性能有关，可以通过TS、VS和COD的质量平衡获得。具体来说，可以使用下面报告的公式来估计系统在总固体减少方面的降解效率：

其中：

(1-f)-进料混合物的质量

(2-c)-冷凝物的质量

(2-fs)-采样的消化物/发酵物的质量

(3-v)-生物反应器中消化物/发酵物的质量

图46显示了质量平衡图，并显示了上述等式中的变量。

对总固体(TS)、挥发性固体(VS)和总化学需氧量(TCOD)进行了计算。以下图表报告了(在任何给定时间)供给到系统的污染物(TS、VS、TCOD)的净质量，在任何给定时间系统中存在的污染物(TS、VS、TCOD)的质量以及在任何给定时间的污染物(TS、VS、TCOD)的去除效率。

总固体的质量平衡计算结果总结在表8中：

表8-总固体的质量平衡计算结果

图47-50图解地显示了表7中关于总固体的净质量、总固体的质量和总固体在任何给定时间的减少效率的结果。

图49表明可以控制该工艺，从而使大量的固体被生化和物理化学工艺破坏。总固体的质量减少效率可以控制为大于5％，5％至99％、20％至70％、30％至60％或35％至55％的范围内。

图50图解地显示了积分的总固体质量平衡。点显示输入处理系统的累积净TS质量(实验量化)。三角形显示处理系统中积累的净TS质量(实验量化)。该线显示了在处理系统中累积的模型预测的净TS质量，假设降解效率为45％。

挥发性固体(VF)的质量平衡计算结果总结在表9中：

图51-54图解地显示了表8关于在给定时间系统中挥发性固体的减少效率、挥发性固体的净质量和挥发性固体的质量的结果。可以看出，挥发性固体的质量减少效率与总固体的质量减少效率基本相同，并且可以控制在相同的值内。

图54图解地显示了积分的挥发性固体(VS)质量平衡。点显示输入处理系统的累积净VS质量(实验量化)。三角形显示处理系统中积累的净VS质量(实验量化)。这条线是在处理系统中模型预测的累积的净TS质量，假设降解效率为45％。

总COD的质量平衡计算结果总结在表10中：

表10-COD的质量平衡计算结果

图55-58图解地说明了表9中关于供给到处理系统的总COD的净质量、在任何给定时间系统中存在的总COD的质量以及总COD的减少效率的结果。

图57说明了可以控制该工艺以周期性地最大化所需产物的一个方面。例如图57中的峰值，例如在30天、85天、133天是发酵物产生沼气量最多的时间，在这些峰值时间可以收集沼气。相反，例如50天的低谷表明发酵产物的碳含量很高，可以在这些时间收集浓缩的污泥以用作碳源。150天的低谷与已充分消化(平均挥发性固体减少40-60％)但同时富含碳和营养物质的污泥相关，浓缩的污泥可以被提取并在这个阶段加工用作肥料。

图58图解地显示了积分的化学需氧量(COD)质量平衡。点显示输入处理系统的累积净COD质量(实验量化)。三角形显示处理系统中积累的净COD质量(实验量化)。该线显示了处理系统中模型预测的累积的净COD质量，假设降解效率为40％。

微生物生态学测量

为了确认本文所述的基于真空的生物工艺是否也会从生化角度产生独特的性能，在第51天分析来自上述实验的3个样品(标记为样品#5)用于微生物生态学分析，并将它们与从不使用基于真空的生物工艺的传统厌氧消化系统收集的样品(标记为样品#7)进行比较。如图59A-59B所示的主成分分析(PCoA)清楚地证实了原核生物和真核生物的β多样性，三个样品#5与样品#7大不相同，这证实了基于真空的生物工艺采用与传统技术截然不同的微生物生态学进行操作。

污泥pH实验

如上所述，出乎意料地观察到污泥的真空处理导致污泥具有比预期更高的pH值。申请人进行了一系列实验来证实这一观察结果，并验证在升高的pH值下处理污泥的优势。

实验中使用了四种不同类型的污泥，包括初级污泥(PS)、浓缩活性污泥(TWAS)、混合污泥(50/50PS+TWAS)和消化污泥(DS)，以确定真空引起的pH值升高，与没有通过真空预处理的情况相比，节省了化学品以达到高于自然pH值，以及从污泥中去除并捕获在冷凝物中的氨的程度。

为了量化将pH值提高到所需碱性目标所需的化学物质，使用4MNaOH溶液加标100ml污泥，并记录每个目标pH值所需的化学物质的体积量。

实验进行如下：(1)启动真空系统，将冷却液(自来水)连接到热交换器；(2)将5L污泥装入真空系统；(3)打开真空泵；(4)热源功率设置为500W；(5)然后关闭热源和真空泵。在这些条件下，系统在45-49℃的温度和95-120毫巴的真空压力下达到平衡。运行4小时后，产生了1.2L的冷凝物并收集在冷凝物瓶中。在该处理之后，测量pH、固体浓度(总和挥发性)和氨。

表11总结了在四种污泥类型中观察到的pH值变化，以及真空处理产生的冷凝物的pH值。

表11-pH结果

	初级污泥	TWAS	混合污泥(50:50)	消化物
					真空前	6.52	7.71	7.37	7.33
真空后	6.16	8.81	8	9.46
					冷凝物	8.34	10.38	9.64	10.13

由于对pH值影响最大的是消化后的污泥这一事实，据信pH值的升高可能是由于二氧化碳(和其他酸性气体)的汽提，同时增加了氨的去除，这被在冷凝物中进行氨浓度的测量所证实。表12中报告的氨质量平衡(通过将测量的氨浓度乘以体积获得)也证实了这一点。

表12-氨(以N计)质量平衡

在未经处理和真空处理的污泥上测量挥发性固体(VS)和总固体(TS)含量，以确定与污泥处理相关的增稠程度，并关闭与冷凝物的水质量平衡。表13总结了这些污泥特征的实验数据。

表13-真空处理前后的总和挥发性固体浓度

对于表13中指示的不同污泥类型和不同的预处理条件——未处理(真空前)和处理(真空后)——添加4M NaOH溶液的增量等分试样以达到目标pH值(从8到13)。这些实验的结果以每克TS的标准化NaOH剂量总结在表14中。

表14-NaOH的归一化剂量(克NaOH/克TS)

pH	PS	TWAS	MIX	消化物
					9	0.18	0.10	0.11
10	0.30	0.39	0.28	0.23
					11	0.48	0.87	0.56	0.45
12	0.67	1.25	0.84	0.63
					13	1.21	1.64	1.19	0.81

图60-67说明了在没有真空处理的情况下(图例中注明为“真空前”)所需的NaOH量(每克TS中NaOH的克数)以及真空处理后相同污泥所需的量(图例中注明为“真空后”)。图60显示了添加到PS中以达到目标pH值的NaOH量。图61显示了在投加真空处理的PS时pH调节剂的节省(在这种情况下为NaOH)。图62显示了添加到TWAS中以达到目标pH值的NaOH量。图63显示了在投加真空处理的TWAS时pH调节剂的节省。图64显示了添加到混合污泥中以达到目标pH值的NaOH量。图65显示了投加真空处理混合污泥时pH调节剂的节省。图66显示了添加到DS中以达到目标pH值的NaOH量。图67显示了在投加真空处理的DS时pH调节剂的节省。

这些结果支持以下结论：真空的使用能够显著提高所测试的各种污泥基质的pH值(除了初级污泥，其pH值没有变化)；对于增稠的废弃活性污泥(TWAS)、混合初级和增稠活性污泥(PS:TWAS＝1:1)和消化污泥(DS)观察到的pH值升高对应于实现碱性pH值>8所需的NaOH剂量的大量节省。还观察到由真空引起的pH值增加引起的协同效应，由同时增强污泥中的氨组成。

真空增加pH值、减少NaOH的化学需求以进一步将pH值提高到更碱性的目标以及氨的去除提供了以下额外的益处：将污泥的pH值提高到期望的目标所需的化学物质的量减少；污泥的发酵可以通过促进碱性条件来增强，同时从包括氨在内的污泥中去除和净化氮种类，回收冷凝物中的氮种类，以及由于pH值和建立碱性(>pH8)条件，特别是在消化液中引起鸟粪石(K-NH3-PO4)沉淀。

放大

预计上述实验测试将能够扩大到商业或市政容量，并且计划在300L处理室中进行类似实验，该处理室可以使用可编程逻辑控制器以自动化模式运行。该反应器和系统的设计如图68-69所示。该系统配备了额外的增强剂，例如膜系统(旨在将被污染的混合物中的颗粒成分与可溶成分分离，以进一步保留可缓慢生物降解和不可生物降解的部分，在处理室中其粒径大于膜截止尺寸)以及四个化学投加站，其中，按顺序(在时间或空间上)或同时在处理室中加入临时化学品，如氧化剂、酸/碱、酶、催化剂等以加快反应速率。总而言之，中试系统代表了本发明的放大版本，并且可以依赖至少四种增强剂：压力(真空)、热(温度)、化学成分(液体或固体试剂)和机械颗粒分离(膜)。

对本领域技术人员来说显而易见的是，本文描述的方法和系统的变化是可能的并且旨在包含在本发明的范围内。

Claims (16)

1.用于处理包括颗粒部分和可溶部分的流体的方法，所述方法包括：

对所述流体进行生物工艺处理，用微生物对所述流体的颗粒部分中的固体进行物理和生化转化；

将已生化处理的流体的至少一部分供给到真空处理室，在所述真空处理室中对所述流体施加真空压力；

蒸发掉所述真空处理室中所述流体的至少一部分可溶部分，从而使增稠的流体留在真空处理室中；

将增稠的流体的至少一些再循环到生物工艺处理，使其进一步进行物理和生化转化；和

冷凝蒸发的可溶部分的至少一部分，并从冷凝部分提取至少一种挥发性化合物。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述真空处理室去除的增稠流体的100％再循环到所述生物工艺处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物工艺处理为在厌氧消化器或好氧消化器中的处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体在大于真空压力的压力下被处理的持续时间比所述流体受到真空压力的持续时间长。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体的体积以50-99.99％范围内的体积减少效率被减少。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，蒸发的流体的可溶部分的至少一部分被送至生物营养物质去除工艺。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体是废水流体。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括向所述真空处理室中添加pH调节剂以将pH调节至所述废水流体中的氨蒸发的程度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中提取的至少一种挥发物包括氨。

10.根据权利要求1所述的方法，其中提取的至少一种挥发物包括挥发性脂肪酸。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括将固体或液体催化剂添加到所述真空处理室中。

12.根据权利要求1所述的方法，包括将沸点低于水的挥发性液体添加到所述真空处理室中。

13.根据权利要求7所述的方法，还包括将第一处理剂添加到所述真空处理室中，所述第一处理剂有效地对所述废水中的生物固体进行化学转化。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括将第二处理剂添加到所述真空处理室中，所述第二处理剂也有效地对所述生物固体进行化学转化，并且不同于所述第一处理剂。

15.用于处理包括颗粒部分和可溶部分的流体的方法，所述方法包括：

对所述流体进行生物工艺处理，用微生物对所述流体的颗粒部分中的固体进行物理和生化转化；

将已生化处理的流体的至少一部分供给到真空处理室，在所述真空处理室中对所述流体施加真空压力；

蒸发掉所述真空处理室中所述流体的至少一部分可溶部分，从而使增稠的流体留在真空处理室中；

将一些增稠的流体再循环到生物工艺处理，使其进一步进行物理和生化转化；和

在下游脱水工艺中对未再循环到生物工艺处理的至少一些增稠的流体进行脱水，以提供总固体含量大于20％的脱水的级分。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述脱水的级分的总固体含量大于50％。