采用高溶解氧水平的活性污泥废水处理系统的制作方法

专利名称：：采用高溶解氧水平的活性污泥废水处理系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用于废水处理的方法和系统，更特别是，涉及采用高溶解氧水平的活性污泥废水处理系统的有效操作。背景大多数常规的废水处理厂使用活性污泥法，以从废水中除去污染物。多年来已经开发了使用活性污泥法的许多不同的废水处理方案，这些不同的系统各自显示不同的操作特征和不同的益处。图1是描绘使用活性污泥法的大多数类型的废水处理安排的操作特征的表格。这些废水处理系统各自在以下段落中概述。活性污泥法是生物废水处理方法，其中微生物消耗废水的含碳有机物质，用于维持生命过程(例如生长、繁殖、消化、运动等)。活性污泥法优选发生于需氧环境中，其中在利用期间消耗氧气，并形成有机物质的降解产物和二氧化碳和水副产物。活性污泥法的特征在于微生物悬浮于废水，即称为混合液的混合物中。基于混合液内的悬浮固体(MLSS)，和通过生化需氧量(BOD)和/或化学需氧量(COD)表示的废水有机负荷，来设计活性污泥法。MLSS代表涉及在曝气池中处理有机物质的微生物的量，而有机负荷典型地决定曝气系统设计的要求。活性污泥法优选用作整体废水处理方法或系统的一部分，该方法或系统包括废水的初级处理，用于在使用作为进一步的处理方法，以除去悬浮的和溶解的有机固体的活性污泥之前除去固体颗粒。初级澄清池(clarifier)典型地用于该批量分离。在初步处理流入物以分离并除去固体颗粒之后，然后将流入物送至曝气池或罐，其中如本文更详细地描述开始活性污泥法。离开曝气池的溶液或混合液由二级澄清池或沉降罐接受，其中微生物的絮凝物及其吸附的有机物质沉降出来。该污泥的分离产生澄清的水或流出物，该水或流出物经常进一步处理以除去有害细菌，随后排放。为了控制生物过程，一部分沉降至二级澄清池底部的污泥返回至活性污泥池，一部分处置为废活性污泥流的一部分，用于进一步处理，例如至需氧消化器或其它固体处理过程(增稠、脱水等)。在常规的活性污泥法中，使初级流出物和驯化的微生物(活性污泥或生物量)在池或罐中曝气。在充分的曝气阶段之后，从二级澄清池内的废水中分离絮凝的活性污泥固体。澄清的废水向前流动，用于进一步处理或排放。一部分澄清池底流污泥返回至曝气池，与至池的初级处理的流入物混合，剩下的污泥废弃至处理厂的污泥处理部分。通常，常规的活性污泥系统在以下条件下操作1500-3000mg/L的MLSS水平，采用约l_3mg/L的溶解氧水平，仅5-15天的固体停留时间，约4-8小时的水力停留时间，约0.2-0.4的食物对微生物之比，约20-40磅BOD/天/1000英尺3的容积负荷和约0.25-0.75的循环比。在完全混合的活性污泥法中，使流入的废水和再循环的污泥均勻地导入曝气罐。当处理冲击负荷时，这允许在整个曝气罐有均勻的需氧量，并增加操作的稳定性。曝气时间为3-6小时。在完全混合的系统中，循环比将为50%-150%。完全混合的活性污泥系统在以下条件下操作比常规系统稍高的MLSS水平，通常在2500-4000mg/L，采用约l_3mg/L的相似的溶解氧水平，和5-15天的固体停留时间。因为完全混合活性污泥法的增强的处理能力，它需要仅3-5小时的曝气时间或水力停留时间。典型的食物对微生物之比为约0.2-0.6，容积负荷为约50-120B0D/天/1000英尺3，且循环比为约0.25-1.0。设计延时曝气活性污泥厂，以提供24小时的曝气时间，用于小于25磅生化需氧量/1，000英尺3曝气罐体积的低有机负荷。该方法需要使用非常大的池，这增加曝气时间和相关的曝气动力成本。通常，延时曝气活性污泥法在以下条件下操作3000-6000mg/L的MLSS水平，采用约l_3mg/L的低溶解氧水平，20-30天的高固体停留时间。延时曝气法的特征也在于约18-36小时的非常长的水力停留时间，约0.05-0.15的低食物对微生物之比，约10-25磅BOD/天/1000英尺3的低容积负荷，和约0.5-1.50的循环比。闭环式反应器，也称作氧化沟，是延时曝气法的一种形式。在氧化沟法中，通过位于沿池的一个或多个点的机械曝气器/混合装置，推动废水环绕大面积、椭圆轨道配置的池。这些装置通常为转刷曝气器、表面曝气器或喷射曝气器。设计在池中的速度为0.8-1.2英尺/秒。非常像延时曝气法，曝气沟法通常在以下条件下操作3000-6000mg/L的MLSS水平，采用约l_3mg/L的低溶解氧水平，10-30天的高固体停留时间。曝气沟法的特征也在于约8-36小时的非常长的水力停留时间，约0.05-0.30的食物对微生物之比，约5_30磅BOD/天/1000英尺3的低容积负荷，和约0.75-1.50的循环比。高速曝气活性污泥法通常在以下条件下操作4000-10000mg/L的较高MLSS水平，但采用约l_3mg/L的低溶解氧水平，5-10天的更常规的固体停留时间。高速曝气法的特征也在于仅2-4小时的水力停留时间，约0.40-1.50的高食物对微生物之比，约100-1000磅BOD/天/1000英尺3的高容积负荷，和约1.0-5.0的高循环比。掩蔽池-高纯度氧(HPO)活性污泥法的特征在于系统，例如UN0X或OASES系统，该系统使用掩蔽池，并将高纯度氧直接注入掩蔽池内的混合液，以获得约2-20mg/L的较高溶解氧比率。掩蔽池系统通常在以下条件下操作2000-5000mg/L的中等MLSS水平，和3-10天的非常短的固体停留时间。掩蔽池-HPO法的特征也在于仅1-3小时的水力停留时间，约0.25-1.00的食物对微生物之比，约100-200磅BOD/天/1000英尺3的高容积负荷，和约0.25-0.50的循环比。如上所述的许多活性污泥法产生大量的废污泥，这需要进一步处理和处置。处理和处置废水处理厂的剩余污泥通常占工厂总操作成本约25-65%。由于更严格的法规和日益上升的处理成本，所以该问题的经济意义不断增加。用于处理污泥除去的现有方法包括将污泥运输至垃圾掩埋场、将污泥用于土地应用或农业目的和污泥的焚烧。由于污泥中的病原体和有毒化合物，在许多地区，正逐步淘汰在垃圾掩埋场处置污泥，且污泥的土地应用正受到更严格地管理，以防止环境和健康风险。同样地，污泥的焚烧是昂贵的方法，并存在潜在的空气污染危害。由于与固体处理和处置相关的调控、环境和成本问题，使在废水处理方法中产生的剩余污泥量最小化是有益的。上述废水处理操作的另一个主要成本是电力。目前用于废水处理厂的曝气系统通常占工厂总动力消耗大于50%。由于快速上升的电价，动力成本显著增加，且为了可能的电力需求减少，许多电力公用设施具有定向的废水处理厂。因此，非常需要通过减少固体处理和处置成本以及动力成本节约，来减少废水处理厂的操作成本。发明概述本发明的特征可在于废水处理系统，该系统包括(i)适于接受活性污泥和废水进流的无盖活性污泥池；(ii)适于将氧气导入活性污泥池中的混合液的充氧系统；(iii)澄清池，该澄清池连接至活性污泥池，并适于从活性污泥池接受的混合液中分离污泥，以产生流出物；和(iv)适于从澄清池中除去分离的污泥的活性污泥管线。所述废水处理系统突出的操作特征为活性污泥池中混合液的固体负荷为约3000mg-约IOOOOmg悬浮固体/升混合液，和活性污泥池中混合液的溶解氧水平为约5mg-15mg氧气/升混合液。或者，废水处理系统突出的操作特征为活性污泥池中混合液的固体停留时间大于约7天，和活性污泥池中混合液的溶解氧水平为约5mg-约15mg氧气/升混合液。附图简述根据其结合以下附图提供的以下更详细的描述，本发明上述的和其它的方面、特征和优点将更加明显，其中图1为描述现有技术活性污泥废水处理系统的典型操作参数的表格；图2为整合本发明系统和方法的实施方案的活化废水处理系统的示意图；图3为比较性地描绘相对于本发明公开实施方案的废水处理方法，现有技术废水处理系统选择的操作特征的图。图4为比较性地描绘相对于本发明公开实施方案的废水处理方法，现有技术废水处理系统选择的操作特征的另一个图。图5为描绘现有技术废水处理系统与本发明废水处理系统和方法相比，固体停留时间对水力停留时间的图。图6为描绘常规活性污泥废水处理系统与本发明活性污泥废水处理系统和方法相比，固体停留时间对剩余污泥产量的还另一个图；和图7为适用于本发明的高纯度曝气系统优选实施方案的示图。碰现在转向图2，该图显示了整合本发明活性污泥方法实施方案的废水处理厂的示意方框图。在初级处理阶段，流入的废水(11)经过固/液分离处理，例如在初级澄清池(12)中重力沉降，以容易地除去分离的固体作为初级污泥(23)。初级固体可与废活性污泥(22)组合，以便进一步处理，或可分开处理和处置。离开初级处理阶段、基本上不含颗粒和易沉降固体的初级流出物(13)流至二级处理阶段。二级处理阶段包括活性污泥处理和二级分离。活性污泥处理发生于开放或无盖的曝气池(14)中，其中生物活性消耗混合液(15)中的污染物。通常，开放的池指曝气池，该曝气池基本上开放，以与环境大气交换气体，有或没有围绕的建筑物。为了提供生物固体呼吸和新陈代谢所需的氧气，通过合适的手段例如高纯度氧气曝气系统(17)，将氧气气源(16)加入至曝气池。虽然可得自PraxairInc.的I_S0接触器尤其好地适用于本发明系统和方法，但可以使用任何类型的高纯度氧气接触设备和供给系统。然而，可使用其它类型的高纯度氧气系统，包括可得自PraxairInc.的MixfIo系统或MVO接触器，而不背离本发明废水处理系统和方法的范围。本发明活性污泥处理发生于开放或无盖的池中，优选采用氧气的交叉流动，促进二氧化碳的除去，在曝气池中维持期望的PH水平，并使氧输送效率最大化。二级分离使用二级澄清池(18)，其中使用重力沉降，以从二级流出物或处理的水(19)中分离生物固体或"活性污泥"(20)。在二级澄清池中回收的大部分沉降固体(20)经活性污泥回流管线(21)返回至曝气池，以提供足够处理所需的生物活性。较小部分的分离固体，包括在池中生长的剩余污泥，经废活性污泥(WAS)管线(22)除去，并送至进一步处理和处置操作。在作为最终处理的流出物(25)排放之前，来自二级澄清池(18)的澄清水或流出物(19)优选转送至一个或多个三级处理阶段(24)，该阶段可包括过滤、消毒或后曝气或其组合。可使用各种废固体处理和处置操作，以在废活性污泥管线(22)中处理分离的固体。典型的后分离操作包括重力沉降或增稠(26)，以增加流的固体含量，并减少进一步处理的总体积。然后，可以在用于消化的厌氧生物反应器或更优选氧促进的需氧生物反应器(27)中，处理增稠的污泥(26)以及在初级处理期间分离的粒状固体，以通过使固体转化成甲烷或二氧化碳气体，来减少废污泥的固体含量。剩余的废固体(28)通常经过进一步的脱水(29)步骤例如离心或过滤，以减少体积，形成最终的废固体流(30)，用于最终处置。最终处置可以是各种操作，例如垃圾掩埋法、作为肥料陆地应用至农田或焚化。本发明废水处理系统和方法的实施方案的特征在于曝气池中的高溶解氧水平，这产生具有优异沉降特征的充分曝气的生物量絮凝物，和减少体积的剩余污泥。优选，曝气池或活性污泥池中的溶解氧水平在通常发现于健康天然水体中的平衡氧范围(euoxicrange)或充分充氧的范围内。另外，本发明废水处理系统和方法的实施方案的特征也在于平均污泥停留时间超过7天，更优选约7天-40天，且还更优选为约12天-30天。延长的污泥停留时间与较高的溶解氧水平联合减少了剩余污泥产率。为了与图1所示的现有技术系统比较的目的，本发明系统和方法的其它突出的特征包括0.05-0.3B0D/MLVSS的食物对微生物之比，约5-15mg/升的活性污泥池中的溶解氧水平；约20-120磅BOD/天/1000英尺3的容积负荷；约3000-10000mg/升的活性污泥池中的MLSS水平；约2_12小时，更优选4_8小时的水力停留时间；和约0.25-0.75的循环比。图3比较性地描绘了现有技术废水处理系统与本发明公开的废水处理方法相比的溶解氧水平对MLSS水平。其中显示了以下方法的溶解氧和MLSS范围常规活性污泥法51、完全混合活性污泥法53、延时曝气和氧化沟活性污泥法55、高速曝气活性污泥法57、掩蔽池高纯度氧活性污泥法59，和本发明高溶解氧和高固体活性污泥法60。同样，图4描绘了相同的现有技术废水处理系统与本发明高溶解氧和高固体活性污泥法60相比的溶解氧水平对固体停留时间。溶解氧水平常规活性污泥法通常维持在曝气池中0.5-3.Omg/L的溶解氧水平，在平均条件下具有约2.Omg/L的溶解氧水平，和在峰负荷下具有约0.5mg/L的溶解氧水平。通常可理解，为了在活性污泥絮凝物中维持需氧条件，可期望溶解氧浓度为0.2mg/L-l.5mg/L，通常0.5-0.7mg/L。在常规活性污泥厂的较低有机负荷下，限制有机物扩散进入絮凝物的速率，只要溶解氧水平维持在临界值以上，该临界值通常估计为约0.5mg/L。在期望其中进行氮的硝化作用的废水处理系统中，在活性污泥池中，通常使用约0.5mg/L-2.5mg/L的溶解氧浓度，并且最大溶解氧水平在高达4.Omg/L的范围，以允许有机冲击负荷的缓冲。除了所选择的掩蔽池高纯度氧型废水处理操作之外，基于现有技术活性污泥法的废水处理系统强调使用低溶解氧水平，并劝阻废水处理厂不要在提高的溶解氧水平下操作。认为这样提高的溶解氧水平是不利的，因为认为这样提高的溶解氧水平增加动力和资本成本，否则产生性能问题。见例如，现有技术论文“DesignofMunicipalWastewaterTreatmentPlants",WaterEnvironmentFederationMOP8(1998)；"EvaluationofFeasibilityofMethodstoMinimizeBiomassProductionfromBiotreatment,'.DavidStensel禾口StuartE.Strand,(2004)；禾口"AerationPrinciplesandPractice，，，JamesA.Mueller,WilliamC.Boyle禾口H.JohannesP0pel,(2002)。在掩蔽池高纯度氧废水处理系统中，在掩蔽池内混合氧气，其中的氧输送效率显著不同于本发明系统和方法。此外，在掩蔽池系统中的混合液表面上的顶部空间通常具有2%-11%的二氧化碳浓度，该浓度比在开放池系统上面标准大气压中的二氧化碳浓度高很多。在掩蔽池系统内该过量的二氧化碳导致在混合液中碳酸的蓄积，降低混合液的PH，并抑制池中某些类型的微生物活性。基于活性污泥法的废水处理系统的本发明实施方案优选使溶解氧水平维持在平衡氧条件，更优选使活性污泥池或曝气池内的溶解氧水平维持在约5-15mg氧气/升混合液。具有在约2.0-5.Omg/L的降低的溶解氧水平的水体的特征在于经受表示“充氧不足”的低氧。溶解氧水平为约0.2-2.Omg/L的水体特征在于严重低氧，且溶解氧水平低于约0.2mg/L的水体称为表示“无氧”的缺氧。相反，在约20°C时溶解氧水平在空气饱和值之上或一般超过9.Omg/L的水体称为含氧量高或“过度充氧”。对于本申请的目的，术语平衡氧(euoxic)或“充分充氧”应是指含有相对于大气接近饱和的溶解氧水平的水。对于废水处理操作，当(D0)/(D0sat)的比率为约0.50-约1.50时出现平衡氧条件，其中DO为‘在温度T时，在曝气池内测量的溶解氧水平’；DOsat%‘在温度T时，在大气中饱和的溶解氧水平’。按照前述的思想，活性污泥法的成功取决于称为需氧异养生物的生物体，尤其是当自由悬浮在废水中时生长并旺盛的那些的功能。需氧异养生物摄取复杂有机分子例如负责废水污染的那些有机分子，并将这些分子转化成细胞团块或转化成二氧化碳和水。这些生物体适合在含水的自然环境或平衡氧条件下发现的环境条件下旺盛地生长。低于平衡氧条件的溶解氧水平可能对此类水生生物引起应力。显然，正常用于大多数常规活性污泥池的溶解氧水平(即0.5mg/L-2.0mg/L)严重地含氧量低，非常可能引起期望的水生生物的应力和最佳以下的性能。当溶解氧水平维持在平衡氧范围(euoxicrange)时，负责活性污泥法性能的天然水生生物将可能按最适方式操作。使活性污泥池或曝气池维持在平衡氧范围内，使除去污染物的系统的性能和污泥沉降特性方面均优化。在曝气池中溶解氧水平的该优选范围为约5.0mg/L-约15.0mg/L,以优化水生生物的性能。溶解氧水平在5.0mg/L以上的曝气池的活性污泥趋向于表示或显示增强的沉降特征。增强的活性污泥沉降特征，即沉降速度增加3-5倍，允许本发明废水处理方法在或接近二级澄清池的最大负荷容量时操作。在5.0mg/L以上的溶解氧水平也允许氧气完全自由地透过絮凝物，使氧气可用于微生物的内呼吸，甚至在絮凝物的中心。这具有增加表观内生性衰变系数的作用，其允许进一步减少剩余污泥的产生。除了改善污泥沉降和减少污泥产率之外，曝气池在平衡氧条件下操作还提供更多的益处，包括优化硝化菌的生长和活性，因此提高氨转化成硝酸盐；和促进微生物的高等生活型例如原生动物的生长和活性，该微生物的高等生活型用作捕食者并消耗另外的剩余污泥。与常规的思维相反，在曝气池中较高的溶解氧水平不转变为显著增加动力成本。而是使曝气池维持在平衡氧条件下是非常有实践性的，且在具有高纯度氧气曝气的开放池中可容易的达到。当使用纯氧时，氧气进入液体的较高传质速率是指需要非常小的附加曝气能量，来使溶解氧水平从使用空气的常规1.Omg/L-2.Omg/L增加至使用高纯度氧的本发明平衡氧水平(即5.Omg/L-15.Omg/L)。例如，使用空气和细气泡扩散器使溶解氧水平从2.Omg/L增加至5.Omg/L需要增加约83%的曝气动力。溶解氧水平同样从2.Omg/L(使用空气)增加至最低5.Omg/L(使用高纯度氧)仅需要多约8%的曝气动力。如上所示，高纯度氧气曝气系统是优选的，因为接近含氧量高或高平衡氧条件(即D0/D0SAT>1.0)的溶解氧水平用常规基于空气的曝气系统不能达到，但用高纯度氧气曝气系统可容易的达到。固体停留时间(SRT)和混合液悬浮固体(MLSS)固体停留时间(SRT)相当于在活性污泥系统中生物体的平均细胞停留时间的天数，且通常是指污泥龄。SRT是专门用于废水处理设计的初始参数之一，且常常被选择用于提供废水的适当处理或废水中污染物的除去。废水处理操作期望的SRT水平通常设定在确保期望除去BOD、COD和氮所需的最低水平。在本领域中熟知操作污泥龄长或固体停留时间增加的活性污泥池，导致减少废污泥的产率。可通过增加曝气池总体积或通过增加活性污泥池混合液悬浮固体(MLSS)水平，来增加SRT水平。然而，增加池的体积，会增加曝气池所需的资金成本和土地面积，可能不是现有废水处理厂或设施的实践解决方案。增加MLSS水平通常降低常规曝气系统的效率，致使可能需要另外的曝气装置，且增加相关的动力成本。简单地增加MLSS水平也通常需要增加二级澄清池的容量，这对于另外的或更大的二级澄清池，可能需要另外的资金成本和更多的土地面积。另一方面，本发明公开的系统克服了这些操作限制，并达到延长的SRT而不增加池体积，不降低曝气效率，且不需要另外的澄清池容量。使用常规或完全混合活性污泥法的大多数废水处理厂，在温暖的温度下对于池来讲使用约1-5天的SRT，在冷的温度下对于活性污泥池来讲使用最长达约15天，以确保完全的氮硝化。然而，本发明系统和方法通过增加MLSS水平来增加SRT。在本发明实施方案中，SRT优选大于7天，更优选约7天-40天，还更优选约12天-30天。该增加的SRT促进在活性污泥池或曝气池中，更多不同种群水生微生物，尤其是消耗异养菌的捕食性生物体的生长和维持，导致通过消耗细絮凝物来进一步减少剩余污泥，并提高流出物的澄清度。利用增强的沉降特征，通过优化现有澄清池的固体负荷，来确定在任何特定应用中使用的MLSS范围，所述增强的沉降特征通过提高如上所述溶解氧的“平衡氧”水平来达至IJ。3，000-10,000mg/L，更通常5，000-8,000mg/L的MLSS，在提高的或高的溶解氧条件下，优化大多数应用中现有的澄清池负荷。另外的系统性能特征鉴于污泥的沉降性质，用于活性污泥废水处理系统设计的另外因素包括二级澄清池的合适的大小和容量。污泥的沉降特性的特征通常在于待处理污泥的称为污泥容积指数(SVI)和初始沉降速度(ISV)的参数。较低的SVI值和较高的ISV值致使需要较小的澄清池面积，这转化成较低的资金成本或增加现有澄清池的容量。已经认识到，污泥的沉降特征受活性污泥法的固体停留时间、MLSS水平和溶解氧水平以及用于活性污泥法的生物反应器类型的景i口向。(见"ClarifierDesign,"WaterEnvironmentFederationManualofPracticeNo.FD-8，(2006))。由于高固体停留时间、高MLSS水平和高溶解氧水平，所以与基于现有技术活性污泥法的废水处理系统相比，本文所述废水处理系统的SVI和ISV得到改善。此类改善即较低的SVI值和较高的ISV值以及再循环污泥浓度导致增强的沉降特征。以下表1比较了用常规活性污泥法处理污泥的SVI值和ISV值与用高溶解氧和高固体系统和方法处理污泥的SVI值和ISV值的可能范围。高DO和高固体活性污泥法的优选实施方案要求具有约12-30天的延长固体停留时间的操作，同时维持与用于常规活性污泥系统相似的活性污泥池容积负荷，即约4-8小时的水力停留时间。如图5所描绘，现有技术活性污泥法例如常规/完全混合、掩蔽池和延时曝气形成表征水力停留时间与固体停留时间之间关系的共用操作管线(62)。相反，本发明公开的高DO和高固体活性污泥法的实施方案离开该典型的操作管线，并向等于或与水力停留时间值相当的高很多的固体停留时间值扩展系统操作。虽然在高溶解氧水平下提高沉降的机制，但通过增加MLSS水平而不超过澄清池的容积负荷，达到了该区别性操作特征。如上所示，水力停留时间的优选范围为约2-12小时，更优选4-8小时，而固体停留时间的优选范围为约7-40天，更优选约12-30天。如图6所示，一般已知剩余污泥产量或Y。bs随着固体停留时间增加而下降。然而，长固体停留时间按惯例需要高水力停留时间和/或大的池体积。使用本发明公开的高DO和高固体活性污泥法的实施方案，达到了好于预期的观察到的污泥产量(Y。bs)。该增强的污泥减少能力可能归因于与常规活性污泥法使用的相比，本发明系统使用的更高溶解氧水平和高固体停留时间以及更低的食物对微生物比率的协同作用。与具有相似水力停留时间的常规活性污泥法相比，本发明系统和方法的这些操作特征中各自均对更低的废污泥总产量有贡献。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表1.活性污泥废水处理方法的操作特征活件污泥废水处理系统的改讲在现有基于空气的活性污泥废水处理厂发明中，实施本发明废水处理系统和方法的优选程序包括以下步骤使活性污泥池中的基于空气的曝气系统从基于空气的系统，例如压缩空气/细气泡扩散器或机械表面曝气器，转换成高纯度氧气系统，例如可得自Praxair，Inc的I-S0、MVO或Mixflo系统。在用于以前操作方案的固体负荷和溶解氧水平下，操作具有高纯度氧气系统的废水处理厂。使活性污泥池中溶解氧水平逐渐增加至充分充氧的或平衡氧范围，即约5mg/L-15mg/L或约0.50-1.50倍空气饱和值。溶解氧水平的该增加改善了污泥在二级澄清池中的沉降特性，在现有澄清池的表面积中允许更高的固体负荷。逐渐增加活性污泥池中的MLSS水平。这优选通过减少废活性污泥(WAS)比率，并将离开二级澄清池的更多污泥引导至活性污泥回流管线来实现，所述管线再循环至活性污泥池，由此增加活性污泥池中的MLSS水平。增加MLSS水平也增加固体停留时间。在平衡氧条件和较高的MLSS水平下，继续增加或维持活性污泥池中的溶解氧水平。也通过控制废活性污泥比率和回流活性污泥比率，来继续增加MLSS水平，直到达到二级澄清池固体处理限度，当然维持适当的安全边际。二级澄清池固体处理限度优选使用现有的污泥沉降试验和澄清池分析方法，例如通常使用的状态点分析来确定。使用较高的溶解氧条件，将发现对于相同的体积流量，二级澄清池可以处理较高的入口MLSS浓度。因为污泥微生物学调节至继续监测和调节MLSS水平、污泥沉降特性的新操作条件，和澄清池操作条件，直到达到稳定的操作。新优选的操作点的特征将在于约5mg/L-15mg/L的较高溶解氧水平、约7天-40天的延长的固体停留时间、最高达在活性污泥池中约10000mg/L的最大水平的较高MLSS水平和减少的废污泥产量。曝气池中的MLSS水平以及溶解氧水平的监测是用于自动控制本发明废水处理系统的关键参数。该自动控制优选支配氧气供应或曝气系统，以与需氧量匹配，并在最佳成本下使溶解氧水平维持在期望的范围内。另外，监测二级澄清池中的污泥层水平和二级流出物中的总悬浮固体水平。该监测和控制优选支配二级澄清池的操作，包括控制废活性污泥比率和回流活性污泥比率，以使活性污泥池内的MLSS水平维持在期望的范围。高纯度氧气曝气系统现在转向图7，该图显示了用于本发明废水处理系统100的实施方案的高纯度氧气曝气系统。如其中所见，该系统包括具有锚环104的浮动组件102，该锚环104置于废水处理系统100的活性污泥池或曝气池106内。在本申请中，曝气池106内的液体是高固体含量的混合液120，通常具有大约3000mg/L-10000mg/L的悬浮固体含量。导流管110从浮动组件102向下的方向延伸。导流管110优选具有圆环状开口122，该圆环状开口122位于曝气池106内高固体含量混合液120的顶部表面124下面。挡板126等边间隔和对称放置在开口122周围，该开口122邻近导流管110的入口128。另外的挡板126可以位于邻近导流管110的出口129。螺旋状叶轮130置于导流管110内，且一般包括固定至叶轮轴134的一个或多个叶片132，以便通过马达136用叶轮轴134旋转，该马达136优选置于浮动组件102的顶部。马达适用于驱动叶轮轴134，并沿箭头138向下的方向依次移动导流管110内的液体和气体。优选通过气体入口140导入氧气气体，该气体入口140邻近导流管110的入口128排放氧气气体。由于导流管110内的机械搅动和导流管110内的高固体含量混合液120的相应向下的力，发生高固体含量混合液120的再循环。因为从导流管110的出口129喷射出有气泡的混合液，所以通过接近导流管110入口128的开口122，摄取适当体积的置换混合液120，置换混合液120具有一些质量的溶解氧。叶轮130限定叶轮叶片的尖端与导流管110的内壁之间的径向间隙。优选，该径向间隙小于或等于叶轮直径的一半，更优选该径向间隙将小于叶轮直径的10%。当与废水处理应用的高固体含量混合液一起使用时，叶轮130与导流管110的内壁或其它水动力学结构的紧密安排趋向于赋予较高的剪切力，以达到最佳的氧气泡尺寸分布，即约0.3mm-3.0mm。高固体含量混合液内氧气气体的该最佳化气泡尺寸分布提高曝气过程的传质效率，最终导致较高的溶解氧水平。在2006年11月21日提交的美国专利申请序号11/602519中描述了优选的高纯度氧气曝气系统及其有效性原因的更详细讨论，该专利的内容通过引用结合到本文中。考虑到本发明系统和方法采用用于高纯度氧气曝气系统的氧气源的事实，进一步考虑将本发明系统和方法与涉及氧的相关技术组合，所述技术包括活性污泥回流管线内的污泥臭氧化或臭氧的相似的第二应用；需氧消化器内高粘性物质的充氧。类似地，由于本发明系统和方法进一步考虑主动控制废水处理厂内的氧气，因此同样地考虑将本发明系统和方法与涉及在活性污泥池内或分开的脱氮池内脱氮的相关技术整合。一种这样建议的方法是使在活性污泥池内的溶解氧水平在约5mg-15mg氧气/升混合液的平衡氧条件与约0.Omg-O.2mg氧气/升混合液的缺氧条件之间循环。在这样考虑的实施方案中，缺氧条件适于脱氮目的，而平衡氧条件更适于减少的污泥产量和系统操作效率。将氧气导入活性污泥池内的进一步考虑的安排涉及将池分成许多区域。将常规基于空气的曝气整合在池的一个或多个区域中，以在此类区域内使溶解氧水平保持在适度水平，同时将高纯度氧气曝气整合在池的选择区域中。这样分阶段的池方法可减少整个系统的操作成本，但是如上述优选的实施方案中那样，仍然达到高的MLSS水平，以获得较长的固体停留时间和减少的废污泥。也可使用该多阶段池或多区域池，其中使一个或多个区域内的混合液维持在缺氧条件，以有利于脱氮过程，或维持在用于生物磷除去的厌氧条件，同时在其它区域内维持平衡氧条件，以减少污泥总产量，并改善系统操作效率和成本。工业实用性本发明公开的系统和方法使废水处理中的活性污泥法的操作成本最小化，同时提高系统的生产力，并避免与池面积和/或澄清池容量扩张相关的资金成本。现有技术开放池废水处理系统和方法仅集中于通过将溶解氧水平严密控制在维持需氧条件所需的最低水平(即0.5mg/L-3.0mg/L)，来使曝气动力成本最小化。虽然与废污泥的处理和处置相关的操作成本与曝气成本大小相似，但令人惊讶的是还没有完全开发过程优化，以使曝气和污泥处理成本的总和最小化。此外，认识到使用高纯度氧气曝气系统来维持相对低的曝气成本的能力，但是在开放池活性污泥处理的选择操作条件下，使用高纯度氧气曝气系统，以便降低剩余污泥产率和相应的污泥处置成本，迄今为止还没有完全利用。为了使总成本最小化和开发高纯度氧气曝气系统对方法操作的影响，方法条件使用高溶解氧水平和高固体停留时间的该优化，产生很多益处和商业优点。这样的益处和商业优点可包括(i)当按提高的溶解氧水平操作曝气池时，改善污泥的沉降特征；(ii)相当低的动力成本使用高纯度氧气曝气系统，达到提高的溶解氧水平；(iii)由于减少剩余污泥产量，污泥处理和处置的成本减少；(iv)增加每单位体积曝气池的工厂处理容量；(ν)由于较小的池要求，不需要膜分离，和能够容易的改进现有废水处理操作，因此资金投资最小；(vi)因为本发明系统和方法的流出物已经是平衡氧或充分充氧的，所以减少了流出物再曝气或后曝气的需要；(vii)由于较高的固体停留时间，所以硝化的能力增加；(viii)由于较高的固体停留时间，因此除去复杂有机污染物的能力增强；和(ix)增加对冲击负荷的稳定性。根据前面所述，应理解本发明因此提供了用于废水活性污泥处理的系统和方法，该系统和方法在曝气池或活性污泥池中，使用高溶解氧水平以及高污泥停留时间和/或高固体含量。虽然已经通过具体的实施方案及与其相关的方法描述了本文公开的发明，但本领域的技术人员可以对其进行许多修改和改变，而不背离在权利要求中描述的本发明范围，或不牺牲其所有的物质优点。权利要求一种废水处理系统，所述废水处理系统包括无盖的活性污泥池，所述活性污泥池适于接受活性污泥和废水流，以产生混合液；充氧系统，所述充氧系统适于将高纯度氧气导入活性污泥池中的混合液中；澄清池，所述澄清池流体连接至活性污泥池，并适于由此接受混合液，所述澄清池适于从所述混合液中分离污泥，以产生流出物；和活性污泥管线，所述管线连接至所述澄清池，并适于从所述澄清池除去分离的污泥；其中所述活性污泥池中的混合液的固体负荷为每升混合液约3000mg-约10000mg悬浮固体，且所述活性污泥池中的混合液的溶解氧水平为每升混合液约5mg-15mg氧气。2.权利要求1的系统，其中所述活性污泥管线为活性污泥回流管线，所述活性污泥回流管线适于使一部分分离的污泥从所述澄清池再循环至活性污泥池，且所述活性污泥池的固体停留时间为约7天-40天。3.权利要求1的系统，其中平均水力停留时间为约2小时-12小时。4.权利要求3的系统，其中观察到的污泥产率为每克B0D除去约0.3克-0.7克总悬浮固体。5.权利要求1的系统，所述系统还包括初级澄清池，所述初级澄清池置于所述活性污泥池的上游，适于从废水流中分离固体；需氧消化器，所述需氧消化器适于接受从所述初级澄清池分离的固体，和一部分从所述活性污泥管线分离的污泥；和其中所述充氧系统适于进一步使所述需氧消化器中分离的固体和分离的污泥充氧。6.权利要求1的系统，其中所述充氧系统还包括导流管和叶轮组件，所述导流管和叶轮组件浸没在活性污泥池中的混合液中；和其中所述导流管和叶轮组件适于在接近导流管的入口处摄取氧气，使一部分氧气溶入导流管内的混合液中，产生平均直径约0.3mm-2.0mm的未溶解的氧气泡，并排放充氧的混合液和未溶解的气泡。7.权利要求2的系统，所述系统还包括臭氧化系统，该臭氧化系统适于将一部分再循环的污泥臭氧化。8.权利要求1的系统，其中所述污泥的污泥容积指数为约30-70。9.权利要求1的系统，其中所述污泥的初始沉降速度大于约每小时3英尺。10.一种废水处理系统，所述系统包括无盖的活性污泥池，所述活性污泥池适于接受活性污泥和废水流，以产生混合液；充氧系统，所述充氧系统适于将高纯度氧气导入所述活性污泥池；澄清池或其它分离器，所述澄清池或其它分离器流体连接至所述活性污泥池，并适于由此接受混合液，所述澄清池或其它分离器适于从所述混合液中分离污泥，以产生流出物和活性污泥；和活性污泥回流管线，所述活性污泥回流管线连接至所述澄清池，并使活性污泥从所述澄清池再循环至所述活性污泥池；其中所述废水处理系统中的活性污泥的固体停留时间大于约7天，且所述活性污泥池中的混合液的溶解氧水平为每升混合液约5mg-15mg氧气。11.权利要求10的系统，其中所述活性污泥池中的混合液的固体负荷为每升混合液约3000mg-约lOOOOmg悬浮固体。12.权利要求10的系统，其中所述固体停留时间为约7天-约40天。13.权利要求10的系统，其中平均水力停留时间为约2小时-12小时。14.权利要求13的系统，其中观察到的污泥产率为每克B0D除去约0.3克-0.7克总悬浮固体。15.权利要求10的系统，所述系统还包括初级澄清池，所述初级澄清池置于所述活性污泥池的上游，适于从所述废水流中分离固体；需氧消化器，所述需氧消化器适于接受从所述初级澄清池分离的固体，和一部分从所述活性污泥管线分离的污泥；和其中所述充氧系统适于进一步使所述需氧消化器中分离的固体和污泥充氧。16.权利要求10的系统，其中所述充氧系统还包括导流管和叶轮组件，所述导流管和叶轮组件浸没在所述活性污泥池中的混合液中；且其中所述导流管和叶轮组件适于在接近导流管的入口处摄取氧气，使一部分氧气溶入所述导流管内的混合液中，产生平均直径约0.3mm-2.0mm的未溶解的氧气泡，并排放充氧的混合液和未溶解的气泡。17.权利要求10的系统，所述系统还包括臭氧化系统，所述臭氧化系统适于将一部分再循环的污泥臭氧化。18.权利要求10的系统，其中所述活性污泥池还包括许多区域，且所述充氧系统还包括在一个或多个污泥池区域中基于空气的曝气，和在一个或多个污泥池区域中的高纯度氧气曙气o19.权利要求10的系统，其中所述活性污泥池还包括许多区域，且所述充氧系统包括高纯度氧气曝气系统，所述曝气系统适于使少于所有的污泥池区域充气。20.一种废水处理系统，所述系统包括活性污泥池，所述活性污泥池适于接受活性污泥和废水流，以产生混合液；充氧系统，所述充氧系统适于改变导入所述活性污泥池的氧气；分离器，所述分离器流体连接至所述活性污泥池，并适于由此接受混合液，所述分离器适于从所述混合液中分离污泥，以产生流出物；和活性污泥管线，所述活性污泥管线连接至所述分离器，并适于除去分离的污泥；其中所述活性污泥池中的混合液的固体负荷为每升混合液约3000mg-约lOOOOmg悬浮固体，且所述活性污泥池中的溶解氧水平在每升混合液约5mg-15mg氧气的平衡氧条件与每升混合液约0.0mg-0.2mg氧气的缺氧条件之间循环。全文摘要提供了活性污泥废水处理系统。所公开的系统包括无盖的活性污泥池；高纯度氧气曝气系统；二级澄清池；活性污泥回流管线和废活性污泥管线；其中该系统在以下条件下操作固体负荷为约3000mg-约10000mg悬浮固体/升混合液；曝气池内的溶解氧水平为约5mg-15mg；和固体停留时间为约7天-40天。文档编号C02F3/26GK101835712SQ200880113821公开日2010年9月15日申请日期2008年5月28日优先权日2007年8月24日发明者A·古普塔,M·费比伊,R·A·诺瓦克申请人:普莱克斯技术有限公司