申请日2008.11.14
公开(公告)日2010.10.13
IPC分类号C02F3/30; C02F3/00; C02F3/34
摘要
本发明涉及一种用于处理废水的方法，包括以下步骤：接触步骤，废水与保持在支撑面上的细菌接触，并且废水的溶解氧浓度维持在2.0mg/l以下;曝气步骤，气体通过已经经过接触步骤的废水，并且废水的溶解氧浓度随着废水经过曝气步骤而减小;沉淀步骤，已经经过曝气步骤的废水被基本分离为处理水和污泥;以及污泥再循环步骤，来自沉淀步骤的污泥被送到接触步骤。本发明还涉及一种处理单元，在其上运行前述工艺。
翻译权利要求书
1.一种用于处理废水的方法，包括：
a、接触步骤，其中，废水与保持在支撑面上的细菌接触，并且废水的溶解氧浓度维持在2.0mg/l以下;
b、曝气步骤，其中，气体通过已经经过所述接触步骤的废水，并且废水的溶解氧浓度随着废水经过所述曝气步骤而减小;
c、沉淀步骤，其中，已经经过所述曝气步骤的废水被基本分离为处理水和污泥;以及
d、污泥再循环步骤，其中，来自所述沉淀步骤的污泥被送到所述接触步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接触步骤中废水的溶解氧浓度维持在0.2mg/l至1.5mg/l。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接触步骤中废水的溶解氧浓度维持在0.5mg/l至1.0mg/l。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，接近废水通过所述曝气步骤开始的废水的溶解氧浓度促进细菌的生长和发展，并且接近废水通过所述曝气步骤结束时的废水中的营养物的减小的浓度和可控溶解氧浓度促进细菌的孢子形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，接近所述曝气步骤的开始的废水的溶解氧浓度在0.5mg/l至1.0mg/l的范围内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，接近所述曝气步骤结束的废水的溶解氧浓度在0至0.3mg/l的范围内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，废水利用至少4小时来通过所述曝气步骤。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，废水的溶解氧浓度随着其通过所述曝气步骤而连续减小。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过控制对废水的氧的供给，废水维持在列出的溶解氧浓度。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，控制氧的供给包括：监控步骤，其中，测量废水的溶解氧浓度并将其与期望浓度进行比较;以及反馈步骤，其中，控制将氧传给废水的装置以增加或减少对废水的氧的供给，从而达到废水的期望溶解氧浓度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，改变对废水的氧的供给，以将废水维持在列出的溶解氧浓度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，细菌是芽孢菌。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，细菌来自杆菌和/或梭菌类。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，细菌是枯草芽孢杆菌、死谷芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌或者任何它们的组合。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，细菌是上面列出的任何细菌的突变异种或变体，所述细菌能够形成孢子并分解包括氮、碳、硫磺、氯和/或磷的分子。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，细菌是具有在权利要求9至12中任一项中列出的细菌占大多数的混合种族群。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，污泥在所述沉淀箱中形成覆盖物，并且覆盖物深度维持在1m以上。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，污泥在所述沉淀箱中形成覆盖物，并且保持在覆盖物中的污泥以0.3m/h至1.5m/h的向下速率从所述沉淀箱中清除。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，污泥保持在所述沉淀箱中1小时以上。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述支撑面是网状结构，其具有占网状结构总体积的92%以上的空隙。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述支撑面包括以下合成聚合物的任意一种或多种：聚丙烯、聚酯、聚亚安酯、聚酯-聚亚安酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯和聚偏氟乙烯或任何它们的组合。
22.一种用于处理废水的单元，其中，所述单元包括：
(a)接触箱，包括其上保持有细菌且被定位以与保持在所述接触箱中的废水接触的支撑面;
(b)曝气箱，包括用于使气体通过保持在所述曝气箱内的废水的装置;
(c)设置在所述接触箱和所述曝气箱之间的管道，通过该管道废水可从所述接触箱传到所述曝气箱;
(d)沉淀箱;
(e)设置在所述曝气箱和所述沉淀箱之间的管道，通过该管道废水可从所述曝气箱传到所述沉淀箱;
(f)设置在所述沉淀箱和所述接触箱之间的管道，通过该管道沉淀物可从所述沉淀箱传到所述接触箱;以及
(g)废水溶解氧浓度控制装置，能够将保持在所述接触箱中的废水的溶解氧浓度维持在2.0mg/l以下，并且能够使废水的溶解氧浓度随着该废水通过所述曝气箱或多个曝气箱而减小。
说明书
废水处理方法和包括控制溶解的氧浓度的设备
技术领域
本发明涉及用于处理废水的工艺以及其中可以处理废水的单元。
背景技术
人类对环境的影响导致产生大量的污染水，被我们称为废水。废水可以是从家庭和商业环境、工业和农业或者它们的混合环境中释放的废液。废水有时候会包括固体悬浮物。污水是废水的形式，其包括排泄物和/或尿液。
废水通常包含以下六种主要污染物：
(1)含碳物质(诸如淀粉、蛋白质和油脂的物质)通常根据BOD(生化需氧量)和COD(化学需氧量)来测量，并且是脱氧污染物。通过将含碳物质排放到受纳水体(receiving water)中所引起的溶解氧的降低等级会破坏这种水中需氧生物的寿命。
(2)悬浮固体(SS)是不被溶解的所有无机和有机物质，并且用于从废水中去除这些固体的工艺包括根据固体的特性进行过滤或浮选。细微或胶体颗粒在它们被去除之前必需通过各种方式来凝结。(1)中的含碳物质是废水中可以部分以悬浮固体存在以及部分以溶解固体存在。
(3)在废水中可以以铵离子(NH4+-N)和/或氨(NH3)存在的氨态氮是类似于含碳物质的脱氧污染物。当废水被释放到这种废水中时，氨还对受纳水体中的鱼是有毒的。此外，氨态氮是植物养分，并且会引起受纳水体的富营养化。废水中的大多数氨态氮通常被溶解。
(4)全氮(TN)包括所有非分子形式的氮，它们为氨态氮(包括NH4+-N和NH3)、氧化氮(包括亚硝酸盐氮(NO2--N)和硝态氮(NO3--N))和有机氮(其是包含在诸如蛋白质的有机化合物中的氮)。氨态氮、亚硝酸盐氮和有机氮是脱氧污染物，并且所有的氮化合物都是潜在的植物养分。包括氨态氮和氧化氮的大多数无机氮化合物都被溶解，而有机氮化合物可以被溶解或悬浮。
(5)全磷(TP)包括所有非分子形式的磷，包括一种类型或其他类型的无机和有机磷酸盐。与TN类似，TP是植物养分，并且可导致受纳水体的富营养化。包含磷的化合物可被溶解或悬浮。
(6)微生物包括病毒、细菌和原生动物，它们中的一些是潜在的有害病原体，尤其当废水源自动物和人类源时。细菌性病原体通常包括特定种类的肠球菌，尤其是大肠杆菌。
(7)无法生物降解的物质包括粗砂、头发、塑料物和无机盐。这些材料中的大多数都是悬浮或漂浮的，少量可以被溶解。
将未处理的废水释放到水环境中会扰乱生态系统，并且对该环境中的植物和动物健康具有不利的影响。因此，已经开发了许多用于处理废水的工艺。
废水处理涉及基本上将废水与污染物(其可以被收集制造成要求处理和处置的污泥(副产品)流)分离。处理废水和污泥的整个工艺会使得污染物被部分破坏以及部分转换为其他物质，主要是微生物。在这种处理期间分离出的水可以被排放到环境中，主要是天然水。被处理的污泥可以再循环(例如，用作农业中的植物养料)和/或被破坏(例如在焚化炉中)。
针对废水的传统生物处理工艺通常是多步骤的工艺，每个步骤都单独执行。例如：筛选步骤，可以去除较大的固体和碎片;沉降步骤，去除相对较小但是可沉淀的固体(诸如砂砾和一些有机固体);需氧步骤，含碳物质被生物氧化成二氧化氮和水，并且氮化合物可能利用一些亚硝酸盐的产物被主要氧化成硝酸盐;缺氧步骤，硝酸盐(和亚硝酸盐)被还原成分子氮(缺乏氧且存在含碳物质);以及分离步骤，在处理中产生的微生物和其他固体与被处理的废水分离。这样的分离通常通过沉淀或过滤来进行。例如，传统的活性污泥设备通过微生物自由流动的称为曝气池(aerationtank)的氧化箱中混合废水以形成称为“混合液”的氧化液体悬浮来运行。在曝气池中处理之后，混合液通过沉淀箱(其中，在混合液中悬浮的固体下沉到箱底部)，使得被处理的水形成为穿过沉淀箱上方的堰的上层清液。通过箱底部中的井来将下沉的固体作为污泥去除。
已经开发了更加先进的处理工艺，其涉及特定类型的微生物的使用。这样先进的处理工艺采用特定类型的微生物的自然能力以从废水中去除污染物以及带来其他优点，诸如在混合液中悬浮的固体的改进下沉特性。
例如，韩国专利公开第10-0276095号描述了用于处理废水的工艺，其包括在将废水送到曝气池之前使废水与保持在支撑面上的微生物接触的步骤。通过接触步骤和曝气池的废水被氧化。
在韩国专利中描述的工艺涉及以下顺序的以下处理步骤：去除在废水中悬浮或漂浮的相对较大的碎片;将废水通过接触箱，其中，废水与保持在固定表面上的微生物接触;将废水通过曝气池，其中，包含废水和自由流动的微生物的混合液被氧化;使废水通过沉淀箱，其被分离成处理水和污泥(沉淀物);释放处理水。污泥的一部分通过剩余污泥泵被抽吸到准备用于处置或进一步处理的污泥浓缩箱中。来自沉淀箱的剩余污泥被直接再循环到曝气池。从曝气池流出的一部分废水被直接再循环到接触箱。
与传统活性污泥设备的工艺相比，在韩国专利中描述的工艺显示出明显更好质量的处理水。然而，本发明的发明人不认为这种已知的处理工艺已经被最优化来最有效地提供最好质量的处理水。
发明内容
因此，在本发明的第一方面中，提供了一种用于处理废水的工艺，包括：
a、接触步骤，其中，废水与保持在支撑面上的细菌接触，并且废水的溶解氧浓度维持在2.0mg/l或以下;
b、曝气步骤，其中，气体通过已经经过接触步骤的废水，并且废水的溶解氧浓度随着废水经过曝气步骤而减小;
c、沉淀步骤，其中，已经经过曝气步骤的废水被基本分离为处理水和污泥;以及
d、污泥再循环步骤，其中，来自沉淀步骤的至少一部分污泥被传送到接触步骤。
不希望被理论所束缚，本发明的发明人提出了可以控制接触箱中溶解氧的浓度，使得保持在支撑面上的细菌的一部分种群在有氧条件下起作用，以及另一部分的种群在厌氧条件下起作用。提出这样的情况来最优化接触步骤期间废水污染物的分解;由于细菌的曝气工艺(或好氧工艺)可以分解特定污染物，同时曝气工艺的其他污染物和产物可通过厌氧细菌工艺来分解。
此外，但不希望被理论所束缚，与在一般的废水处理系统中发现的溶解氧(DO)浓度相比，本发明的发明人提出了通过在通过接触步骤和曝气步骤的废水中提供相对较小DO浓度来影响自由流过接触步骤和曝气步骤的废水中细菌种群的合成物。
废水是被送到用于进行处理的工艺的水。在本说明书中，通过该工艺的各个步骤的水还被称为废水，并且其中可尤其包括在工艺中使用的细菌(这种废水通常在现有技术中被称为混合液)。
接触步骤中的微生物主要保持在支撑面上，尽管该工艺可利用保持在支撑面上的细菌以及在废水中存在的自由流动的细菌。根据废水的强度，废水在接触步骤中的保持时间(定义为接触步骤中废水的体积除以废水的平均流速)优选在5分钟至3小时的范围内。
曝气步骤中微生物的所有或至少主要部分在混合液中自有流动，但是自由流动的微生物可通过附接至支撑面(其可以固定在一个位置或在废水中自有流动)的其他微生物所补充。根据废水的强度，在混合液的溶解氧(DO)浓度符合以下所述水平的条件下，由曝气步骤所提供的废水的保持时间(定义为曝气步骤中混合液的体积除以废水的平均流速)优选在4小时至1、2、3、4或更多天数的范围内。
在以下所述可控DO浓度的条件下，废水在曝气步骤中的保持时间与废水在接触步骤中的保持时间的比率优选在15至90的范围内。
在一个实施例中，接触步骤期间的溶解氧浓度保持在2mg/l以下，1.5mg/l以下，或1mg/l以下，任选地不小于0.2mg/l。因此，接触步骤中的废水优选是有氧而不是厌氧的。
废水在其开始通过曝气步骤时的DO浓度相比较小，并在液体通过该步骤的末端更小或者甚至为零。接触步骤中以及通过曝气步骤的DO概况选择用于内生芽孢菌(endospore forming bacteria)的生长和发展。接近(towards)曝气步骤末尾的生物压力(通过降低DO和/或细菌在废水中的营养物的浓度来实现，该浓度在细菌的正常生理机能所需的水平之下)促进这种细菌的孢子形成，并且接触步骤中的生物生长条件促进内生孢子的激活和萌芽成为可以以指数生长的营养细胞。
提出内生芽孢菌的生长以及内生孢子的产生和萌芽，以促进功能菌保持好的水平，功能菌在该方法的各个步骤在混合液中自由流动并保持在接触步骤的支撑面上。
因此，优选地，废水接近废水通过曝气步骤的开始和其通过曝气步骤的末尾的DO浓度被控制在为促进内生芽孢细菌的生长和发展以及经历生命周期的这种细菌的水平。
任选地，废水接近废水通过曝气步骤的开始的溶解氧浓度在0.5至2mg/l、0.2至1.5mg/l、0.5至1.5mg/l、0.2至1.5mg/l或0.5至1.0mg/l的范围内。
任选地，废水接近废水通过曝气步骤的末尾的溶解氧浓度在0至1.0mg/l、0至0.5mg/l、0至0.25mg/l、0至1.0mg/l、0至0.1mg/l的范围内或者为0mg/l。
优选地，废水采用至少4、6、8或10小时来通过曝气步骤，更优选地，在废水的溶解氧浓度符合上面针对曝气步骤末尾所描述的水平的条件下必需花费的至少1、2、3、4或5小时。
优选地，随着废水通过曝气步骤，废水的溶解氧浓度逐渐增加或连续降低。因此，从曝气步骤的开始到末端，溶解氧浓度可以逐步降低或者可以逐渐降低，优选地，DO不随时间循环(即，有意地升高、降低、升高、降低等)。
将溶解氧浓度维持在上述期望值可以通过控制对废水的氧供给来控制，其可以包括不供给氧。这在废水的氧需求可随时间变化时尤其重要，尤其在废水的碳和/或全氮浓度发生变化的情况下。因此，对废水的氧供给可通过改变供给来控制，以将溶解氧浓度维持在上述期望值(即，通过增加或降低对废水的氧供给)。
本领域的技术人员应该意识到可控制对流过接触步骤和/或曝气步骤的废水的氧供给的许多方式。例如，接触步骤中的结构可重复地从废水中去除并返回到废水中(优选以旋转移动的方式)，从而将大气氧搅拌到废水中。在接触步骤期间操作的结构可至少为支撑面的一部分。可选地，或此外，氧可从例如多孔管而起泡通过废水。
一旦确定了如何控制对废水的氧供给，就可以随后控制废水的溶解氧浓度。重要地，这涉及：监控步骤，该步骤中，废水的溶解氧浓度被测量并与期望浓度进行比较;以及反馈步骤，该步骤中，将氧送至废水的装置被控制以增加或减小氧的供给，从而达到上述期望的溶解氧浓度。任选地，除监控溶解氧浓度之外，还可以测量氧化还原势以控制氧的供给。
例如，如果用于供应氧的装置是浸入废水中的多孔管并且氧通过其起泡，测量溶解氧浓度低于所期望的，那么，反馈步骤将具有更多的氧从管中起泡进入废水的效应。可选地，或此外，如果用于供应氧的装置通过重复去除并返回到废水中的结构来执行，则该结构的去除和返回步骤的重复频率会增加或减小。
该工艺可利用在接触步骤期间保持在支撑面上的细菌以及可在本发明的任何一个或多个步骤中在废水中找到的自由流动的细菌。优选地，在曝气步骤中只提供自由流动的细菌(即，细菌没有像接触步骤一样保持在支撑面上)。
适用于本发明工艺的细菌是能够分解分子(包括氮、碳、硫、氯、磷或任何它们的组合物)并且可在废水中找到的细菌。来自厚壁菌门(尤其来自杆状菌和梭菌类)、变形细菌和拟杆菌的细菌在上述分解中尤其有效。
内生芽孢菌是尤其优选的。因此，在本发明的优选实施例中，细菌来自杆菌和梭菌类。杆菌和梭菌的种类优选在接触步骤中作用，以及杆菌的种类优选在曝气步骤中作用。杆菌和梭菌均经历涉及细胞生长(繁殖)、从细胞转换为内生孢子(当细胞被例如缺乏营养而逼迫时发生)、内生孢子的激活(当内生孢子重新暴露给营养物时发生)、接下来内生孢子的萌芽以及最后的新营养细胞的外生长(在持续暴露给营养物时发生)的生命周期。
来自杆菌类的细菌被认为是尤其合适的，最优选的种类包括枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、死谷芽孢杆菌(B.vallismortis)、解淀粉芽孢杆菌(B.amyloliquefaciens)、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)和巨大芽孢杆菌(B.megaterium)或者任何它们的组合。尽管其他杆菌类(诸如短芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、金龟子芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌和球形芽孢杆菌或者任何它们的组合)也可以被认为在本发明中是有用的。
因此，上述任何优选细菌的所有突变异种或变异(尤其能够形成内生孢子并分解包括氢、氮、碳、硫磺、氯和/或磷的分子)也适用于本发明。
细菌的混合种群可保持在支撑面上和/或在工艺中自由流动。然而，优选地，根据前述段落中细菌的一个种群(尤其是内生芽孢菌)占绝大多数。
在传统活性污泥设备中提供的条件下，竞争细菌长出内生芽孢菌(诸如杆菌)，其以相对较小的浓度存在。相反，在本发明每个步骤中施加的条件有利于内生芽孢菌的生命周期。
不期望被理论所束缚，提出了内生芽孢菌在接触步骤中的条件下被促进发芽和生长，并且然后在曝气步骤的条件下生长形成孢子。这样的条件确保内生芽孢菌在工艺中占大多数，因为步骤中较低的溶解氧浓度会引起其它类型的细菌，以经受它们生长率和成活率的降低。还提出了内生孢子改进了沉淀箱中废水的下沉特性，使得处理水包含非常低的悬浮固体的浓度。此外，提出了内生孢子具有落在接触箱中生物量上(以及在其中)的倾向，在接触箱中，它们发芽并且所得到的营养细胞的种群生长。
支撑面可以是任何固相，能够物理地支撑保持在其上的细菌使得细菌与通过接触步骤的废水物理接触。支撑面可以是一个或多个固定体，其可以是静态的或者能够移动(例如，设置在旋转轴上的圆盘)，或者可以是一个或多个能够在接触步骤中自由移动的主体(例如，悬浮的塑料颗粒、悬浮玻璃或聚苯乙烯微球)。在本发明尤其优选的实施例中，支撑面包括设置在轴上的多个圆盘。圆盘可以部分浸入废水，并且圆盘浸入的部分可通过设置出口堰的高度来改变。优选地，每个圆盘都浸入约圆盘直径的三分之一。圆盘的旋转移动(其可通过旋转其附接的轴来进行)可改变以任何给定时间浸入的圆盘部分的位置。因此，圆盘的每个部分都可选地暴露给空气和废水。改变旋转速度将会改变圆盘给定部分的浸入频率。优选地，电机以大约4revs/min的速率旋转轴，使得圆盘的每个部分都可选地暴露给空气和废水。以这种方式，接触箱中保持的细菌被充气，提供氧用于生物处理。可根据经过接触步骤的废水中所需的处理速率和所需溶解氧浓度来调节旋转速度。
优选地，通过在支撑面上形成生物膜来在支撑面上保持细菌。优选地，支撑面由促进形成生物膜的物质来支撑(即，该材料为细菌可附接至其以形成在支撑面内以及在支撑面的表面上具有生物活性的综合生物量的材料)。已经发现，由网状结构支撑的支撑面尤其适合。优选地，网状结构具有大于网状结构体积的60%、70%、80%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%或98%但小于100%的空隙。支撑面可由对废水中的生物降解有抗力的合成聚合物来支撑，可以支撑生物膜且可以以网状结构的形式进行构造。适当的合成聚合物的实例为聚丙烯、聚酯、聚亚安酯、聚酯-聚亚安酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯和聚偏氟乙烯或任何它们的组合。
可选地，或此外，工艺中可添加活性剂合成物配量步骤，其中，向废水添加刺激这些细菌生长的活性剂合成物。该活性剂合成物配量步骤可在工艺的任何其他步骤之后、之前或与其同时执行，但优选在接触步骤期间。适当的活性剂合成物可包括硅酸盐和/或镁化合物和其他微量营养物，尤其是被内生芽孢菌所需要的那些。然而，废水通常自然包含足量的活性剂合成物(可通过废水的化学分析来确定的事实)，在这种情况下不需要活性剂合成物配量步骤。
在曝气步骤期间，气体通过废水是因为两个原因。首先，气体的通过搅动废水，由此促进其组分的混合并尤其维持细菌的悬浮。在气体的供给速率不足以维持细菌悬浮的情况下，废水可机械地进行混合以维持悬浮。其次，当在气体中包括氧时，气体可用于控制废水的溶解氧浓度，这在上文进行了讨论(氧利于废水中污染物的分解和细菌的生长)。因此，气体优选包括氧(例如，空气、氧气增强或部分耗尽的空间或氧本身)。
优选地，在沉积-再循环步骤期间，污泥被直接从沉淀步骤再循环到接触步骤。
不希望被理论所束缚，本发明的发明人提出了在本发明的工艺中形成的内生孢子经由循环步骤返回到接触步骤。再循环的内生孢子可以被激活并变得嵌入支撑面中或在其上(它们被激活并发芽成为营养细胞)，或者自由流过工艺的各个步骤。
因此，提出了包括污泥再循环步骤增强了在接触箱和/或曝气箱中执行的处理的效力;从而，提高了工艺的总体效力。
来自沉淀步骤的污泥和/或来自所有步骤的废水可以在各个步骤之间通过并被再循环。再循环可通过被动传输(当重力促进废水流动时)或主动传输(抽运或抽吸动作在箱之间移动废水或沉淀)来实现。
为了在沉淀步骤期间利于沉淀(即，将液体与固体分离)，该步骤优选为静止步骤(例如，在该步骤期间没有气体通过废水，并且废水不被混合)。
在沉淀步骤期间，比水重的废水成分下沉到箱底部，在箱中实施该步骤。废水的水和较轻的组分形成上清液。这种分离优选在重力的影响下被动执行。然而，分离可通过在沉淀步骤期间旋转废水(以使地心引力作用于废水)或者通过促使废水通过只有水才可以通过的过滤器来额外或可选地执行。
根据本发明的工艺可进一步包括污泥去除步骤，其中，来自沉淀步骤的污泥从工艺中去除到例如存储箱或者从执行工艺的单元中释放。因此，来自沉淀步骤的污泥可通过污泥再循环步骤进行再循环和/或通过污泥去除步骤来去除。
包括沉淀步骤的沉淀箱中的水和固体的污泥的沉淀(或沉降)使得污泥在沉淀箱的底部形成“污泥覆盖层”。该覆盖层驻留在沉淀箱的底部上方，并自然地在覆盖层和覆盖层上方的上清液之间形成清楚的界面。
通过污泥再循环步骤和/或污泥去除步骤从沉淀步骤中去除污泥在沉淀箱的下部引起向下的对流，速率通常在0.4m/h至0.8m/h的范围内。此外，根据污泥固体的沉降特性和特定时间的运行条件，相对于对流，污泥固体以速率通常在0.1m/h至0.5m/h的范围内自然地在重力的作用下向下沉。由于对流和自然沉降，污泥固体的总速率通常在0.5m/h至1.3m/h的范围内。污泥行进的距离可根据特定时间的运行条件而改变，通常为1.0m至2m。因此，包括细菌的污泥固体可根据上述因素在沉淀箱中驻留通常1、2、3或4小时。在这个期间，芽孢菌(spore forming bacteria)的孢子形成继续进行，使得内生孢子的浓度在污泥再循环和污泥去除流中大于进入分离步骤的混合液中的浓度。然而，在分离步骤中发生的孢子形成的量由于污泥固体(包括内生芽孢菌和芽孢菌)的分离步骤中的可变的保持时间而变化。
在具体实施例中，控制从沉淀箱去除污泥(经由污泥再循环步骤和/或污泥去除步骤)，使得污泥中的细菌在污泥中保持足以优化细菌孢子形成的时间。通过在高速率和低速率之间改变从沉淀步骤去除污泥的速率来控制污泥的去除。当污泥去除速率处于高速率时，在设定的单位时间从沉淀步骤中临时去除的污泥量大于在设定的单位时间在沉淀步骤期间到达和沉降的污泥量。相反，当污泥去除速率处于低速率时，在设定的单位时间临时去除的污泥量小于在设定的单位时间在沉淀步骤期间到达和沉降的污泥量。因此，在两个污泥去除速率之间改变引起污泥覆盖层在沉淀箱中顶部水平的波动。波动水平可通过以下步骤来控制：测量污泥覆盖层的深度并将其与期望深度比较的步骤，以及增加或减小污泥去除速率以达到期望深度的反馈步骤。应该注意，污泥覆盖层的深度是在沉淀步骤中花费的时间的函数。
例如，在沉淀箱内两个不同水平高度，即在墙壁底部上方1.5m和1.75m的高度(通常，墙壁的总高度为3.0m至3.5m)，的两个污泥覆盖层界面探针可用于监控覆盖层深度。当高探针检测到污泥覆盖物界面时，来自沉淀箱的污泥去除速率的反馈结果从低速率变为高速率。当较低的探针检测到污泥覆盖物界面时，污泥去除速率的反馈结果从高速率变为低速率。以这种方式，污泥固体的保持时间可以稳定约3小时，并优化孢子形成的程度。
可以控制污泥的去除，沉淀步骤内污泥的向下对流速率通常在0.2m/h至1.0m/h的范围内。此外，根据污泥的沉降特性和操作条件，沉淀步骤内污泥中沿向下方向固体自由沉降速率通常在0.1m/h到0.5m/h的范围内。因此，沉淀步骤中在污泥覆盖物内的污泥固体的总向下速率可以被控制到通常0.3m/h至1.5m/h的范围内。因此，沉淀步骤中在污泥覆盖物内的污泥的保持时间可被控制到1至3小时的范围内，这增加了优选细菌的孢子形成程度。
可选地，污泥可在污泥再循环步骤期间从沉淀步骤中去除并通过单独的孢子形成步骤。优选地，污泥在孢子形成步骤中保持1小时至3小时。优选，污泥以活塞流(plug flow)方式通过孢子形成箱，使得所有污泥都保持类似的周期。活塞流流动动力条件可通过在箱中构造阻挡物来获得，以在水平面或垂直面中提供蛇形流(serpentine flow)。孢子形成箱可以充气，但通过该箱的污泥中溶解氧的浓度应该优选不超过0.3mg/l以获得必需的孢子形成。
经受曝气步骤的废水已经通过接触步骤，并且经由沉淀步骤的废水已经通过曝气步骤。优选地，废水在这些步骤之间直接通过，然而可以提供进一步的中间和附加步骤。例如，以下步骤的任何组合：
-均衡步骤可在接触步骤之前，其中，废水以基本恒定的流速被保持并释放到接触步骤。任何一个或多个本文所述的再循环步骤还可以将污泥或废水再循环到均衡步骤;
-处理水去除步骤，其中，去除在沉淀步骤期间形成的上清液;
-废水再循环步骤，其中，来自曝气步骤的废水的流出物被再循环到接触步骤;
-进一步的废水再循环步骤，其中，来自曝气步骤的废水的流出物被再循环到曝气步骤;
-进一步的污泥再循环步骤，其中，污泥被再循环到曝气步骤;
-筛除步骤，其中，废水被过滤，以去除固体(例如，在接触步骤之前，废水优选通过具有直径小于约10mm范围的网孔);
-除砂石步骤，其中，废水通过沉淀箱，其去除砂粒和容易从废水中沉降的其他颗粒;
-微细过滤步骤，其中，来自沉淀步骤的处理水通过一个或多个过滤器和/或箱，以进一步提高处理水的质量;和/或
-消毒步骤，其中，处理水通过例如掺杂氯或类似的消毒物质来消毒，或者通过照射紫外线来消毒。
进一步提供可在本发明中结合补充性能增强方法作为提高总体性能的方式，尽管由本发明提供的性能足以用于最大程度地从废水中去除含碳物质的应用，其中去除或不去除全氮和/或全磷。然而，在要求优越性能的情况下，需要增强性能，并且这可以通过向本发明增加进一步的本领域技术人员已知的处理步骤来进行。
例如，可通过在曝气步骤(涉及上述DO浓度的控制)和分离步骤之间加入补充曝气步骤来增加从废水中去除全氮和/或还原形式的氮(主要为氨态氮和/或有机氮)，使得从曝气步骤流出的废水通过补充曝气步骤进入分离步骤。补充曝气步骤的目的在于增加生物硝化的程度(从氮的还原形式转换为硝态氮)，为了该目的，补充曝气步骤内废水的最优DO浓度将在大约2mg/l左右。如果目的在于进一步增加由本发明提供的硝化程度，则在本发明前面所述的曝气步骤的出口开始废水再循环。如果目的在于增加由本发明提供的TN去除，则可从补充曝气步骤的出口开始废水再循环，使得在废水中再循环的硝酸盐可以在接触步骤和/或曝气步骤中除去氮素(到分子态氮)。可选地，可以在补充曝气步骤之后直接进行单独的除去氮素步骤，以将废水中的硝酸盐还原为分子氮。补充曝气步骤和/或任何单独的除去氮素步骤包含用于细菌的固定或悬浮支撑结构，以增强这些步骤的性能。
在另一实例中，可通过将化学物分配到步骤中来增加从废水中去除全磷以将所需磷的量下沉为不可溶解的磷酸盐。这种的化学物包括铁和铝的盐类(通常为氯化物或硫酸盐)。可在接触步骤或曝气步骤中分配化学物。下沉的磷酸盐离开本发明处于污泥去除步骤中的处理系统，并可被处理且除去污泥。
在本发明的又一方面中，提供了一种用于处理废水的单元，其中，该单元包括：
(a)接触箱，其包括其上保持有细菌且被定位以与保持在接触箱中的废水接触的支撑面;
(b)曝气箱，其包括用于使气体通过保持在曝气箱内的废水的装置;
(c)设置在接触箱和曝气箱之间的管道，通过该管道废水可从接触箱传到曝气箱;
(d)沉淀箱;
(e)设置在曝气箱和沉淀箱之间的管道，通过该管道废水可从曝气箱传到沉淀箱;
(f)设置在沉淀箱和接触箱之间的管道，通过该管道沉淀物可从沉淀箱传到接触箱;以及
(g)废水溶解氧浓度控制装置，能够将保持在接触箱中的废水的溶解浓度维持在2.0mg/l以下，并且能够使废水的溶解氧浓度随着其通过曝气箱而减小。
在本发明的优选实施例中，根据本发明第一方面的工艺可以在根据本发明第二方面的单元上进行实践。因此，根据本发明第一和第二方面的细菌、气体和支撑面优选是相同的。此外，参照本发明第一方面讨论的其中的溶解氧浓度、废水通过接触和/或曝气步骤的时间、污泥通过沉淀步骤的时间以及其控制和反馈装置的条件与相对于本发明的第二方面讨论的相关箱的那些条件相同(即，接触步骤中的条件与接触箱中的条件相同)。
支撑面可附接至接触箱，优选在接触箱内部。
废水溶解氧浓度控制装置优选包括溶解氧浓度测量装置和氧供给控制装置。溶解氧浓度测量装置可以是本领域技术人员已知的任何设备，其能够测量废水的溶解氧浓度并将其与期望水平相比较。测量装置与接触和/或曝气箱相关联地进行设置，以使它们可对保持在其中的废水进行采样和测量。例如，氧供给控制装置可以是重复从中去除然后返回废水的结构(优选为旋转移动)。这种结构尤其优选的实例在本申请前面参照设置在旋转轴上的圆盘进行了讨论。可选地，或此外，氧供给控制装置可以是浸入废水(其中氧被起泡)中的多孔管。废水溶解氧浓度控制装置可进一步包括测量装置和供给控制装置之间的功能连接件，其中，由供给控制装置提供的氧的量通过废水的溶解氧浓度相对于由测量装置确定的所需溶解氧浓度的变化来确定。氧供给的控制还可以通过设置在曝气箱中的给定区域设置的操作曝气设备的数量来固定。
可选地，或此外，氧化还原势测量装置可以代替溶解氧浓度测量装置或与其相关联地使用，以控制氧供给。
可以以多种方式实现用于使气体通过废水的装置。例如，曝气箱可包括：管，沿着其长度包括多个孔，通过这些孔可使管内的气体通过;或者栅格可包括在曝气箱底部的部分中，通过其气体被释放到曝气箱中。用于传送气体的装置还可以作为氧供给控制装置来操作。
本发明的单元可包括多于一个的接触箱、曝气箱和/或沉淀箱。在优选实施例中，本发明包括多于一个的曝气箱，更优选包括四个曝气箱。当使用多个曝气箱时，它们可以被串联配置，使得在单元中处理的废水通过所有曝气箱。这种配置能够使任何特定箱中的氧浓度被控制为不大于前一曝气箱的氧浓度。在尤其优选的实施例中，废水溶解氧浓度控制装置被设置为将第一曝气箱中的溶解氧浓度控制得比串联的最后一个曝气箱的溶解氧浓度高。曝气箱可以不进行充气，并且可以机械地混合以维持细菌悬浮。
优选地，设置在沉淀箱和接触箱之间的管道将污泥从沉淀箱直接送到接触箱。
优选地，设置在曝气箱和接触箱之间的管道将废水从曝气箱直接送到接触箱。
本发明的管道优选为导管。当一个箱相对于单元中的下一个箱被设置在较高位置时，流体将在重力的作用下从第一箱流向第二箱。因此，在优选实施例中，两个或多个相邻的箱相对于彼此设置在高度位置，以能够实现废水、污泥、或处理水流动的所需方向。因此，优选地：(i)接触箱相对于曝气箱被设置在较高位置;和/或(ii)曝气箱相对于沉淀箱被设置在较高位置。可选地，或此外，可在单元中包括抽吸装置，其驱动或牵引箱之间的废水。
在本发明的实施例中，沉淀箱可包括污泥覆盖物探针。至少两个污泥覆盖物探针可设置在沉淀箱中，并且在该箱内相对于彼此放置在距离箱底部的不同高度(例如，一个距离箱底部1.5m，另一个距离箱底部1.75m)。
优选地，当较高的探针检测到污泥覆盖物，则来自沉淀箱的污泥去除速率的反馈结果从低速率变为高速率。当较低的探针检测到上清液(包含相对较少的悬浮固体)，则污泥去除速率的反馈结果从高速率变为低速率。
为了利于沉淀箱中的沉淀，该箱优选不包括任何用于传送气体的装置。沉淀箱可包括处理水去除装置;优选这样的装置包括堰，包括沉淀箱中存在的处理水的上清液可以在其上流过。
该单元可进一步包括污泥去除管道，其能够使沉淀箱中的污泥从中去除。污泥去除管道可连接至污泥存储箱，或者设置有单元的出口。因此，来自沉淀箱的污泥可通过设置在沉淀箱和接触箱之间的管道进行再循环，和/或通过污泥去除管道被去除。
进入曝气箱的废水已经通过接触箱，以及通过沉淀箱的废水已经通过曝气箱。优选地，废水直接在这些箱之间传送，然而，可以提供进一步的中间和附加箱以及管道。例如：
-均衡箱可以在接触步骤之前，其中，废水以基本恒定的流速被保持并释放到接触箱。可设置管道以实现一个或多个本文所述的再循环步骤以将污泥或废水再循环到均衡箱;
-设置在曝气箱和接触箱之间的管道，通过该管道使得从曝气箱流出的废水传到接触箱;
-设置在沉淀箱和曝气箱之间的管道，通过该管道使得在沉淀箱中收集的污泥传到曝气箱;
-较大规格的网孔，在接触箱之间设置为横跨废水的流动面;和/或
-微细过滤膜，被设置为横跨来自沉淀箱的处理水的流动面。
在本发明的优选实施例中，根据本发明第一方面的工艺在根据第二方面的单元上执行。
在本发明的又一方面中，提供了上面描述且参照附图的工艺。
在本发明的再一方面中，提供了上面描述且参照附图的单元。
