包括在生物膜载体上的厌氧氨氧化细菌用于从废水流中去除氨的方法

摘要

一种利用氨氧化细菌(AOB)和厌氧氨氧化(ANAMMOX)细菌去除来自废水流的氨的方法。在包括厌氧消化器、脱水系统和生物膜反应器的侧流中，对从主流中的废水分离的污泥进行处理。厌氧消化器产生消化污泥，对其进行脱水，产生包含较高的氨浓度和较低的有机碳浓度以及较高的温度的污水。在包括生物膜载体的侧流反氨化生物膜反应器中处理所述污水，其中所述生物膜载体接种有有效去除来自污水的氨的AOX和厌氧氨氧化细菌。为了去除来自主流中的废水的氨，介质载体上的AOB和厌氧氨氧化细菌用于接触主流中的废水并去除其中的氨。主流中的条件导致AOB和厌氧氨氧化细菌在一定时间段之后不能有效去除氨。为了复原生物膜载体上的AOB和厌氧氨氧化细菌，再次使AOB和厌氧氨氧化细菌接触侧流生物膜反应器中的污水，其中的条件有利于AOB和厌氧氨氧化细菌的生长和繁殖。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请基于35 U.S.C.§119(e)，要求于2012年4月4日提交的以下 美国正式申请：申请序列号13/439,153的优先权。该申请的全部内容以参 考方式并入本发明。

技术领域

本发明涉及用于去除废水流中的氨的系统和方法，更具体地涉及反氨 化(脱氨化，deammonfication)方法，其需要利用好氧氨氧化(AOB)细 菌和厌氧氨氧化(ANAMMOX)细菌。

背景技术

通常情况下，废水流体包含氨氮(铵氮，ammonium nitrogen)，NH₄-N。 通常，为了除去氨氮，硝化和反硝化称为两步法。在该去除氨氮的常规方 法中，该方法需要第一步，其被称为硝化步骤且需要将氨氮转化为硝酸盐 和非常少量的亚硝酸盐，通常被称为NO_X。许多常规活性污泥废水处理方 法在好氧处理区进行硝化。在好氧处理区，将含氨氮的废水进行通气，这 使得能够产生将氨氮有效转化为NO_X的微生物培养。一旦氨氮被转化为 NO_X，则含NO_X的废水通常被转移到缺氧区以用于反硝化。在反硝化处理 区，含NO_X的废水保持在没有供给空气且通常被称为缺氧处理区的水池 内。在这里，进行微生物的不同培养以使用NO_X作为氧化剂，从而将NO_X还原为自由氮释放到大气中。为了更详细地理解和了解常规生物硝化和反 硝化，请参考美国专利号3,964,998、4,056,465、5,650,069、5,137,636和 4,874,519中发现的公开内容。

常规的硝化和反硝化方法存在许多缺点。首先，常规的硝化和反硝化 方法需要大量氧气生成形式的能量，氧气生成是硝化阶段所必需的。此外， 常规的硝化和反硝化还需要额外碳源的大量供应。

近年来，发现反氨化可在有限的环境中在单级生物膜反应器中进行。 这一方法采用生物膜载体，并且将该方法设计成在生物膜载体上生长某类 细菌。特别是，靶细菌是好氧氨氧化(AOB)细菌和厌氧氨氧化 (ANAMMOX)细菌。在很大程度上，限制这种反氨化的方法在侧流装 置中进行，侧流装置中会有较高的氨浓度、较低的有机碳浓度和较高的温 度。应用这种方法，例如，处理来自厌氧消化污泥的污水(废水，排放水， reject water)。“污水”这一术语是指下述含水流，其包含在废水处理方法 的侧流中，并且含水流包括相对于主流中的废水的较高的氨浓度。

反氨化方法有许多优点。去除一定量的氨氮需要约大约60％以下的 氧。此外，反氨化方法不需要额外的碳源。而且，反氨化方法产CO₂量少、 产污泥量少。

因此，需要以下反氨化方法，其适于充分去除废水处理方法的主流和 侧流中的氨，且不需要常规的硝化和反硝化所需的大量氧，尤其适于含有 较高有机碳含量和较低氨浓度的主流中的废水。

发明内容

本发明涉及一种反氨化方法，其利用AOB细菌和厌氧氨氧化细菌去 除废水处理方法中的主流和一个或多个侧流中的氨。

此外，本发明可以在废水中含有较高氨浓度的侧流中生长AOB细菌 和厌氧氨氧化细菌，且本发明利用生长在侧流中的AOB细菌和厌氧氨氧 化细菌去除主流中的废水中的氨。

再者，本发明使AOB细菌和厌氧氨氧化细菌与主流和侧流中的废水 交替接触，其中所述侧流接触用于去除来自侧流中的废水的氨，并且用于 在温度和底物水平的有利操作条件下复原(再生，恢复，rejuvenate)AOB 细菌和厌氧氨氧化细菌，使得当侧流返回到主流时将有效地去除来自主流 中的废水的氨。

在一个实施方式中，废水处理方法包括主流和侧流，并且该方法包括 去除来自侧流中的废水的氨及去除来自主流中的废水的氨。在该实施方式 中，主流中的废水包括较低的氨浓度，侧流中的废水包括较高的氨浓度。 在侧流中，具有较高氨浓度的废水流向其中具有生物膜载体的侧流生物膜 反应器。侧流生物膜反应器中的条件有利于在生物膜载体上生长厌氧氨氧 化细菌。这至少部分是由于侧流中的废水中的氨浓度较高。侧流生物膜反 应器中生物膜载体上的厌氧氨氧化细菌有助于降低侧流中废水的氨浓度。 生物膜载体上的厌氧氨氧化细菌也用于降低主流中废水的氨浓度，相对于 侧流中的废水而言，主流中的废水包括较低的氨浓度。这是在厌氧氨氧化 细菌驻留于侧流生物膜反应器中后，通过主流中的废水与生物膜载体上的 厌氧氨氧化细菌接触来实现的。该方法继续通过生物膜载体上的厌氧氨氧 化细菌与主流中的废水、与侧流中的废水进行交替接触，以使当与主流中 的废水接触时，厌氧氨氧化细菌有利于降低主流中的废水的氨浓度，当与 侧流中的废水接触时，厌氧氨氧化细菌有利于降低侧流中的废水的氨浓 度。生物质暴露于具有较高氨浓度的侧流中的废水可有效复原厌氧氨氧化 细菌，以使当厌氧氨氧化细菌被水流带至重新与主流中的废水接触时，厌 氧氨氧化细菌可有效降低主流中的废水的氨浓度。

研究以下仅用于说明本发明的具体实施方式和附图可以清楚明白本 发明的其它目的和优势。

附图说明

图1是包括侧流和主流方法两者在内的反氨化方法示意图。

图2是显示用于去除废水中的氨的另一种主流和侧流方法示意图。

图3是类似于图1所示的反氨化方法的示意图，但在此情况下涉及集 成(一体化，综合性，integrated)固定膜活性污泥系统。

图4是示出采用主流和侧流集成固定膜活性污泥系统去除氨的反氨化 方法。

图5是显示采用集成固定膜活性污泥系统去除氨的具体主流和侧流反 氨化方法示意图。

图6是示出采用集成固定膜活性污泥系统去除侧流中的氨的反氨化方 法。

图7是显示在无热水解的图1和图2方法中于某些点上脱除氨氮的表 格。

图8是显示在有热水解的图1和图2方法中于某些点上脱除氨氮的表 格。

图9是显示通过仅生物膜系统和集成固定膜活性污泥系统进行的反氨 化方法的实验结果比较图表。

具体实施方式

本发明涉及一种用于去除氨氮，NH₄-N的方法，其中氨氮被氧化成亚 硝酸盐-氮而不产生大量硝酸盐-氮，然后亚硝酸盐-氮被反硝化产生元素 氮。该基本方法是在废水处理系统和方法的侧流和主流中进行的。如下所 述，能够进行这种形式的氨氮去除的某些细菌生长在侧流中并且用来去除 侧流中的氨氮。侧流中的条件有利于能够进行该方法的细菌生长，在侧流 中需保持此条件。该细菌不时地被带至接触主流中的废水，并且根据本方 法，该细菌起着去除来自主流中的废水的氨氮的功能。然而，主流中的条 件不可用于生长可有效进行去除氨氮这一特定方法的细菌。因此，该细菌 不时地需要被带至接触侧流中的废水，以复原该细菌，使得当细菌被带回 至接触主流中的废水时，该细菌将有效地去除氨氮。

更特别的是，本发明的反氨化方法引起局部硝化成亚硝酸盐(即，亚 硝化)，局部硝化结合所谓的厌氧氨氧化方法来实现在单级生物膜反应器 中的自养脱氮，如移动床生物膜反应器(MBBR)。假定在单级生物膜反 应器中的这两步方法发生在生物膜的不同层。好氧氨氧化细菌(AOB)在 生物膜的外层发生亚硝化，而厌氧氨氧化(ANAMMOX)细菌则是在生 物膜的内层发生亚硝化。因此，可以推测在这种单级生物膜反应器中存在 AOB细菌和厌氧氨氧化细菌的同时脱氨氮。相比常规的硝化和反硝化作 用，这种反氨化的方法可以利用约60％以下的氧且不需额外碳源的情况下 实现废水脱氮。因此，该方法对废水处理中能源的中和有着显著贡献。

要使这样一个反氨化方法有效工作面临着一些挑战。主要的挑战之一 就是在这种反氨化的方法中厌氧氨氧化细菌生长缓慢，且产生相对较小的 厌氧氨氧化细菌的生物质产量。此外，厌氧氨氧化细菌由于其自养和厌氧 性，对低溶解氧浓度、高亚硝酸盐浓度和其他环境因素如温度敏感。

因此，正如上面所讨论的，本发明的重点是在侧流中在生物膜载体上 生长和繁殖厌氧氨氧化细菌，其中侧流的条件如较高的氨浓度、较高的温 度和较低的有机碳浓度有利于厌氧氨氧化细菌的生长。一旦侧流中的厌氧 氨氧化细菌达到一定浓度或成熟度，则可使其与主流中的废水接触，在所 述主流中的废水中，通过转移生物膜载体，厌氧氨氧化细菌和AOB细菌 将一起有效地去除主流中的氨氮。再者，主流中的条件通常不足以生长厌 氧氨氧化细菌并使其繁殖。这是因为作为一般规则，主流中的条件将使得 存在较低的氨浓度、较低的温度和有时较高的有机碳浓度。由于该原因， 一定时间之后，主流中的生物膜载体以及厌氧氨氧化生物膜和AOB生物 膜将重新接触存在以下条件的侧流中的污水，该条件使得厌氧氨氧化细菌 生长和繁殖。

反氨化方法可用于去除由厌氧消化污泥脱水产生的污水中的氨。该方 法习惯上在侧流方法中进行。此类侧流方法通常利用生物膜反应器系统， 诸如MBBR或颗粒系统。污水的有利条件和特性诸如较高的温度、较高 的氨浓度和较低的有机碳浓度，导致在侧流反氨化方法中的AOB细菌和 厌氧氨氧化细菌能够以适当快的速度生长并战胜异养菌。通过利用生物膜 载体，侧流方法有效地产生接种的(seeded)生物膜载体，这些生物膜载 体可以被转移或按路径递送到其它生物膜反氨化方法中作为种(seed)。

污水中的氮载量(load)通常代表常规硝化活性污泥设施的设施总氮 载量的15-20％，而剩余80-85％的载量仍需要主流处理，该主流处理使用 常规的硝化和反硝化方法。因此，反硝化方法对于主流的应用有利于在废 水处理设施中实现去除氮和达到能源中性的目标或需求。因此本发明的构 思为利用反氨化方法去除进入废水处理系统50中的氨氮载量的大部分(至 少大约70-80％)。参见图1至图5。该构思通过利用侧流反氨化方法和主 流反氨化方法达到上述目的。术语“主流处理”表示将来自原污水(原污泥， raw sewage)的液体处理为最终流出水(排放物，effluent)、并且通常包括 初级沉淀池(沉降池，clarifier)和二级生物处理系统(其去除或不去除生 物营养素(BNR))的废水处理系统或方法。术语“侧流处理”或“侧流方法” 表示在主流之外的区域进行并且通常构成在废水处理系统中生成的除设 施流体以外的流的方法。例如，侧流方法可包括上清液、反冲洗水、冲洗 水和在废水处理方法的操作过程中产生的其它类型的液体流。

原污水或初级流出水通常不适于反氨化方法，因为通常此类废水的有 机碳含量高或碳氮比高。因此，在应用主流反氨化方法时，将系统和方法 配置成去除二级流出水中的氮。在一个实施方式中，用于处理初级流出水 的生物方法主要集中于生物化学需氧(BOD)去除。该BOD去除系统可 以是：(1)悬浮生长系统，诸如短固体停留时间(SRT)的常规活性污泥 (CAS)系统或高纯度氧活性污泥系统；(2)生物膜系统，诸如除碳MBBR 和除碳生物通风滤池(BAF)；或(2)厌氧处理系统，诸如上流式厌氧污 泥毯(UASB)系统或厌氧膜生物反应器(AnMBR)。来自上述系统的流 出水被称作二级流出水，并且该二级流出水通常包含较低的氨浓度和较低 的BOD以及较低的总悬浮固体(TSS)浓度。

即使具有低BOD和TSS，由于其较低的温度和较低的氨浓度，二级 流出水仍不太适于反氨化方法。如本文使用的，当提及主流中的废水包括 较低的温度和较低的氨浓度时，这是相对于侧流中的污水，因为如本文指 出的，相对于主流中的废水，侧流中的污水包括较高的温度和较高的氨浓 度以及较低的有机碳与氮的比率。在一些情况下，可以存在对较低的碳浓 度的参考。这表示较低的碳氮比。主流内较低的温度导致厌氧氨氧化细菌 的相对低的固有生长率。主流内的低氨浓度可以是厌氧氨氧化细菌尤其是 在生物膜处理系统中生长的底物限制因素。上述两个因素导致较慢的生物 质生产。即使利用生物膜载体保持或承载生物质，仍然难以形成在主流内 的合理反应器体积内进行有效的反氨化处理方法所需的足够生物质。

因此，本发明设想从其侧流反氨化方法对主流对应物进行生物强化 (bioaugment)。换言之，本发明使得在侧流中生成接种的生物膜载体或支 架，其中生物膜载体或支架接种有AOB细菌和厌氧氨氧化细菌，并策略 性地利用该接种的生物膜载体或支架去除来自主流中的废水的氨氮，具体 去除来自二级流出水的氨氮。

图1至图3公开了三种用于进行侧流和主流反氨化的系统和方法。在 图1中，在侧流反氨化生物膜反应器88和主流反氨化生物膜反应器62之 间来回地转移接种的生物膜载体。在图2的实施方式中，提供将二级流出 水和污水交替注入集成主流-侧流反氨化系统100中。在该特定的实施方 式中，AOB细菌和厌氧氨氧化细菌主要在对反氨化反应器102内的生物 膜载体注入侧流中的污水时产生，并且这样有效地去除污水中的氨氮或 氨，同时用于在生物膜载体上接种，以用于将来去除来自主流中的二次流 出水的氨氮。图3的实施方式类似于图1示出的系统和方法，除了利用集 成固定膜活性污泥方法。

具体参考附图，废水处理系统在图中示出并用数字50指示。如之前 提到的，废水处理系统50被设计成通过利用AOB细菌和厌氧氨氧化细菌 去除废水中的氨氮或氨。废水处理系统50在两个实施方式中公开，图1 的实施方式和图2的实施方式。然而，这两个实施方式均采用主流生物膜 方法和侧流生物膜方法。AOB细菌和厌氧氨氧化细菌在侧流中生长并用 于去除侧流中的氨，以及被带至接触主流中的废水以去除主流中的氨。不 时地将使用过的细菌和生物膜载体重新接触侧流，以复原细菌和持续去除 侧流中的氨。

观察图1，主流包括初级沉淀池54和其后的生物处理反应器58。如 上面所讨论的，多种生物系统可用于生物处理反应器58中的BOD去除。 例如，典型的BOD去除系统包括短固体停留时间的常规活性污泥系统或 高纯度氧活性污泥系统，生物膜系统诸如除碳MBBR系统或除碳生物通 风滤池(BAF)，或厌氧处理系统诸如UASB或AnMBR系统。生物处理 反应器58的下游是主流反氨化生物膜反应器62。反应器62的下游是最佳 的常规硝化—反硝化精化(深度处理，polishing)系统66和固液分离器 68。在一些情况下，本方法可以减小主流反氨化方法中的氨浓度，而不必 须采用硝化-反硝化净化方法。在该实施方式中，这些组件构成主流组件。 但是，应当理解，废水处理系统50可包括额外的组件，这些额外的组件 可解决特定的污染物或过程条件。此外，主流包括进水管线52，其被引导 至初级沉淀池54。初级流出水管线56可操作地连接于初级沉淀池54和生 物处理反应器58之间。二级流出水管线60可操作地连接于生物反应器58 和主流反氨化反应器62之间。最后，在可采用硝化-反硝化精化系统的系 统或方法中，流出水管线64连接于反应器62和硝化-反硝化精化系统66 之间。最后，流出水管线70从固液分离器68延伸。

侧流内设有污泥增稠器80。污泥增稠器80接收来自生物处理反应器 58的二级污泥。污泥排出管线从初级沉淀池54和污泥增稠器80延伸至可 选的热水解单元82。在一些情况下，来自初级沉淀池54和来自污泥增稠 器80的组合污泥被直接输送至厌氧消化器84。厌氧消化器84的下游是污 泥脱水单元86，其产生用于处置的污泥饼和污水。来自污泥脱水单元86 的污水流入侧流反氨化生物膜系统88中。主流反氨化生物膜系统和侧流 反氨化生物膜系统62和88均采用生物膜载体。系统62和系统88均包括 通风系统和混合器或其它常规混合装置。在图1示出的实施方式中，提供 有生物膜转移设备90和92。这是为了允许在主流反氨化生物膜系统62 和侧流反氨化生物膜系统88之间来回转移生物膜载体以及上面承载的生 物质。可以采用各种类型的生物膜转移设备。在一个示例中，生物膜载体 转移设备包括气动提升泵(airlift pump)，其从系统或反应器62或88向上 泵送水，并且在泵送水的过程中，生物膜载体和上面的生物质被夹带在水 中。在一个提高的点，生物膜载体有效地与水分离并借助重力例如从反应 器88传递至反应器62，反之亦然。生物膜载体转移设备被设计成使得当 生物膜载体与水分离时，水重新排入底层的反应器62或88中。

转到图2，图中示出的废水系统包括主流-侧流集成反氨化系统，其一 般由数字100指示。相比于图1的实施方式，系统100代替反应器62和 反应器88使用。有效地是，集成主流-侧流反氨化系统100被设计成用作 废水处理系统50的主流和侧流的一部分。更仔细地观察系统100，发现其 包括一系列生物膜容器或生物膜反应器102。容器或反应器的数量可根据 废水处理系统的需求能力和废水进水的氨氮载量进行改变。每个生物膜反 应器102设有通风装置和混合器或用于混合其中的废水的其它常规装置。

更仔细地观察图2和集成系统100，发现提供有污水主管线106，其 从污泥脱水单元86延伸到集成系统100。从污水主管线106分支出来的是 一系列注入管线106A，其中每个注入管线被引导至一个生物膜反应器102 中。每个注入管线106A包括流量分配设备诸如阀门，以用于控制进入各 个生物膜反应器102中的污水的流量。此外，还提供主流注入管线110， 其可操作地连接于二级流出水管线60。从主流注入管线110分支出来的是 一系列主流注入分支110A，这些分支可操作地将二级流出水引导至各个 生物膜反应器102中。这些注入分支110A中的每一个包括控制阀门。在 每个生物膜反应器102的出口侧，提供两个出口管线107和108，以用于 运送来自各个生物膜反应器的经处理的污水或经处理的二级流出水。这些 出口管线中的每一个也包括阀门，以用于控制流过其中的经处理的污水或 二级流出水的流量。在一个实施方式中，出口管线107用于运送来自生物 膜容器102的经处理的污水。另一方面，并且在一个实施方式的情况下， 出口管线108用于运送来自各个生物膜容器102的经处理的二级流出水。 出口管线108可操作地连接于歧管(manifold)管线112，其将经处理的 二级流出水引导至管线64内。在一个实施方式中，出口管线107可操作 地连接于回收管线94。这允许经处理的污水被回收至位于主流/侧流集成 反氨化系统100上游的点。当通过管线64的水需要高水质需求时，可利 用图2示出的设计。在一些情况下，当水质要求不太高时，与每个生物膜 容器102相关联的管线107和108可以组合形成单条管线，其可操作地连 接于歧管112。在后一种情况下，遵循经处理的污水不通过管线94回收。

图3示出本发明的另一个实施方式，该实施方式在多个方面类似于图 1的方法。两种方法的基本差异是图3的方法在主流反氨化方法中利用集 成固定膜活性污泥(IFAS)系统。即，图3示出的反氨化反应器150包括 固定膜生物质和悬浮生物质。同样地，固定膜生物质包括承载于生物膜载 体或其它支持结构上的生物质。该方法还包括二级沉淀池152，其位于反 氨化反应器150的下游。活性污泥回流管线154从沉淀池152延伸至二级 流出水管线60。反氨化反应器150通常设有通风装置或混合器。

现在转到图1示出的方法，发现初级沉淀池54产生初级污泥，并且 生物处理反应器58产生二级污泥。二级污泥流入污泥增稠器80，并且产 生的增稠的污泥与初级污泥结合，并且在一种情况下流入热水解单元82 中。如上面提到的，热水解单元82是可选的。在任何情况下，热水解单 元82的输出或组合的污泥流入厌氧消化器84中，该厌氧消化器84产生 消化污泥。消化污泥流入污泥脱水系统86中，该污泥脱水系统86产生用 于处理的污泥饼和污水。污水包括较高的温度，该温度通常高于20℃并且 通常在25℃到35℃的范围内。另外，污水具有较高的氨氮浓度。对于无 热水解的情况，污水的氨浓度为大约300-1500mg/L。通常，氨氮浓度为大 约1000mg/L。然而，对于有热水解的情况，污水的氨氮浓度为大约 1000-2000mg/L，并且通常为大约1500mg/L。

在任何情况下，污水均流入侧流反氨化生物膜系统或反应器88内。 反应器88包括生物膜载体，并且生物膜载体上接种有AOB细菌和厌氧氨 氧化细菌，这是反应器88中存在的有利条件导致的。在反应器88中，生 物膜或生物膜载体所承载的生物质有效地去除污水中的氨氮。如图7的示 例性表格，污水的氨氮浓度为671mg/L，而来自反应器88的经处理的流 出水，即侧流反氨化流出水，为100mg/L。该表格表明，这构成了大约85％ 的氨去除，75％的总氮(TN)去除，并且侧流反应器88中产生大约10％ 的硝酸盐。如图1所示，经处理的污水流通过管线94并与二级流出水混 合。

在反应器88中去除污水中的氨氮的同时，AOB细菌和厌氧氨氧化细 菌生长并繁殖。作为一般的规则，AOB细菌的倍增时间为大约1-2天，大 于厌氧氨氧化细菌的倍增时间10-11天。

为实现主流中的反氨化，一旦侧流反应器88中的生物膜载体上接种 足够的AOB细菌和厌氧氨氧化细菌，则一些生物膜载体可以从侧流反应 器88转移到主流反氨化反应器62中。如上面提到的，这通过利用气动提 升泵从反应器88中的污水中提升生物膜载体，并通过利用重力滑道、运 送装置或用于将接种的生物膜载体直接转移到主流反氨化反应器62中的 其它装置，可实现上述目的。在这里，由AOB细菌和厌氧氨氧化细菌组 成的生物膜有效地去除二级流出水中的氨氮。如图7的表格所示，在示例 性的实施方式中，氨氮在主流反应器62中从53mg/L减小至10mg/L。如 图7的表格中的随附注解指出的，流出水的氨预计是大约10mg/L，并且 在主流反应器62中，通过反氨化方法产生10％的硝酸盐。

如上面讨论的，主流反氨化反应器62中的条件不利于生长AOB细菌 和厌氧氨氧化细菌。这是因为二级流出水包括较低的氨浓度，并且通常包 括较低的温度，一般为大约8-10℃。因此，在一定量的时间之后，生物膜 载体被移回侧流反应器88中用于复原。多种方法可用于转移生物膜载体。 同样地，可使用偶联有重力滑道或其它运送设备的气动提升泵。这里的构 思是将生物膜载体移回侧流反应器88中，其中将生物膜暴露在引起AOB 细菌和厌氧氨氧化细菌生长并繁殖的有利条件下。

假设刚描述和图1公开的方法将去除废水中大约80％的氨氮。这不满 足氨去除或BOD去除和TSS去除的最终流出水需求。因此，在一些情况 下，设想系统和方法利用常规硝化和反硝化精化系统，如图1中的数字66 表示的。另外，悬浮的固体可以在固液分离系统68中去除，以提供将满 足TSS流出水需求的最终流出水。

如图3的方法所示，主流反氨化生物膜系统与二级沉淀池152偶联， 并且具有活性污泥回流(RAS)管线154，其从沉淀池引出并返回位于主 流反氨化IFAS系统150上游的主流内的点。这允许悬浮的生物质在生物 膜系统内累积。此类生物膜系统成为集成固定膜活性污泥系统(IFAS)。 所提供的额外的悬浮生物质增加方法的装载率，并且有助于满足更严格的 流出水需求。

通过采用溶解氧控制和污泥停留时间控制，在IFAS反氨化方法中提 供的额外的悬浮生物质进行亚硝化。这使得生物膜上的生物质(厌氧氨氧 化细菌)进行厌氧氨氧化过程。比较仅生物膜系统和两层生物膜结构(外 侧AOB层和内侧厌氧氨氧化细菌层)，具有悬浮生长(针对AOB)和一 层生物膜(针对厌氧氨氧化细菌)的IFAS反氨化系统将显著减小进入污 泥絮体和生物膜层的传质阻力。因此，IFAS反氨化生物膜系统显著增大 反氨化速率(例如，多达2至3倍)，从而减小反应器的体积。由于系统 内的亚硝化将通过悬浮生长的AOB进行，相比于仅生物膜的配置，该系 统可实现低得多的流出水氨浓度，这是由于更小的氨质量输送限制导致 的。通过提高的流出水质量和二级沉淀池，IFAS系统可满足最终的流出 水需求，因此消除在仅生物膜配置中进行额外的精化步骤的需求。在IFAS 系统中，由于生物膜更薄并且悬浮的生物质发生亚硝化，导致可以维持更 低的溶氧浓度。相比于仅生物膜配置中的0.5-2.0mg/L，更低的溶氧浓度， 例如，0.2-1.0mg/L，指示了IFAS系统中的显著节能。

在一个实施方式中，当在主流和侧流中均采用IFAS系统时，操作条 件为：

大约0.2mg/L至大约2.0mg/L的溶氧；

大约0.5至大约6.0g/L的MLSS；

悬浮生长SRT＝2-20天，取决于废水温度；

大约1mg/L至大约100mg/L的流出水NH₄-N；

入口的流出水NO₃-N去除大约2％至大约20％的N。

图4示出IFAS反氨化方法，其使得能够进行主流IFAS反氨化方法和 侧流IFAS反氨化方法两者。主流和侧流中都存在固定膜生物质和悬浮生 物质。应指出，图4示出的主流反氨化IFAS系统150与上面相对于图3 讨论的系统基本上是相同的。但在图4的方法中，侧流反氨化系统也是 IFAS系统。应指出，在侧流反氨化IFAS系统153中的经处理的污水流入 二级沉淀池151中。来自二级沉淀池151的经处理的流出水94流入主流 和管线60中，该管线60位于主流反氨化IFAS系统150的上游。由二级 沉淀池151产生的污泥可通过管线155回收，或者通过管线157流入主流 和管线60中，其中管线157也位于主流反氨化IFAS系统的上游。活性污 泥回流管线155用于累积侧流IFAS系统153中的悬浮生物质。管线157 是用于侧流IFAS系统153的废弃活性污泥管线，并且将用于控制侧流中 的SRT和提供悬浮生物质(例如AOB)到主流的对应部分中。

在图4所示方法的情况下，通过转移设备90和92在侧流反氨化IFAS 系统153和主流反氨化IFAS系统150之间来回转移生物膜载体。如前面 讨论的，固定膜生物质和悬浮生物质将在去除污水和二级流出水中的氨中 发挥不同的功能。系统中的亚硝化将通过悬浮生长AOB进行，同时厌氧 氨氧化将由生物膜上的厌氧氨氧化细菌进行。通过在系统150和系统153 之间来回转移生物膜载体，当在侧流反应器153中时，固定膜生物质经受 有利于生长厌氧氨氧化细菌的条件。通过将生物膜载体从侧流反应器153 转移至主流反应器150，主流反应器150中的固定膜生物质包括有效量的 厌氧氨氧化细菌来进行与主流中的方法相同的方法。

在图4示出的方法中，大量悬浮生物质(主要为AOB)在侧流IFAS 系统153中产生。悬浮生物质通过废弃管线157被转移到主流IFAS系统 150。转移后的悬浮生物质(AOB)将充当菌种并在主流IFAS反氨化系统 中进行亚硝化。这将减小在主流中完成目标亚硝化所需要的最低SRT，因 此减小主流IFAS系统内的容器的体积。

现在参考图9，图9是示出比较在仅生物膜系统(MBBR)和IFAS 系统中进行反氨化方法的实验室结果。应指出，图的右手侧示出IFAS反 氨化方法的氮去除，其开始于实验的196天之后不久。在开始进行IFAS 反氨化方法之前，系统按照MBBR反氨化方法操作。这两种情况都反映 侧流除氮。如图8的图表中所示，在去除废水中的氮时，IFAS反氨化方 法显著有效的是以比仅生物膜反氨化方法高至多达2-3倍的除氮速率进 行。

转到图2的方法，图2方法利用集成主流-侧流系统100代替侧流反 应器88和主流反应器62。如上面讨论的，系统100包括多个生物膜容器 或反应器102。每个容器设有通风系统，以进行好氧处理，并且每个容器 还设有混合器或至少常规装置以混合其中的废水或污水。容器102是生物 膜反应器，并且因此每个容器包括适当质量或阵列的生物膜载体。如本文 使用的，术语“生物膜载体”表示用于支持生物质的任何结构并且包括塑料 介质。

在图2的方法中，污水从污泥脱水系统86流入污水注入管线106中， 在这种情况下，只有一个生物膜反应器102接收污水。应指出，上给水管 线中的阀门到生物膜容器#1是打开的。因此，高氨浓度和较高温度的污水 流入生物膜容器#1中。这将促进AOB细菌和厌氧氨氧化细菌的生长和繁 殖。与此同时，在生物膜载体上形成生物膜的AOB细菌和厌氧氨氧化细 菌有效地减小生物膜容器#1内的污水的氨氮浓度。来自生物膜容器#1的 流出水从出口管线流出，通过打开的阀门，到达回收管线94。可选地，来 自生物膜容器#1的经处理的污水被回收返回主流和位于集成系统100上 游的点。

当污水被引导至生物膜容器#1中时，剩余生物膜容器被用于去除二级 流出水中的氨氮。该过程假设其余生物膜容器之前设置有富含AOB细菌 和厌氧氨氧化细菌的生物膜载体。由于二级流出水的体积大于污水的体 积，因此通常遵循处理二级流出水比处理污水需要更大的反应器体积。因 此，在本示例中，一个生物膜容器用于处理污水，而三个生物膜容器用于 处理二级流出水。每次处理所使用的容器的数量和所需的各体积可以改 变，并且取决于进入系统50的原污水的流速和废水中存在的氨氮载量。

图2方法的构思是将主流-侧流集成系统100既用作侧流方法也用作 主流方法。处理污水的一个或多个生物膜容器将有效地形成一部分侧流。 处理二级流出水的一个或多个生物膜容器将形成一部分主流方法。

在一个示例性实施方式中，来自污泥脱水单元86的污水将按顺次地 流入各个生物膜容器102中。同样地，所实现的功能是生物膜载体和其上 的生物质将去除污水中的氨氮，同时污水所呈现的条件将导致AOB细菌 和厌氧氨氧化细菌生长并繁殖，使得它们可用在去除二级流出水中的氨氮 的后续方法中。因此，遵循在一个时段期间，在该示例中，一个生物膜容 器接收污水，并且剩余的生物膜容器接收二级流出水。而在后续阶段或在 第二时段期间，污水流入另一个生物膜容器内，同时至少一部分二级流出 水现在流入以前接收污水的生物膜容器中。这使得污水能够持续复原生物 膜，使得生物膜能够有效地去除二级流出水中的氨氮。

图5示出另一个反氨化方法，其被设计成既去除主流中的氨也去除侧 流中的氨。图5示出系统和方法使得能够使用集成IFAS系统，其用于去 除侧流和主流中的氨。图5示出的系统和方法在一些方面类似于图2示出 的方法和系统。图2示出的系统和方法是固定膜方法，其中生物质由载体 或一些其它支持结构支持。图5示出的系统的方法不仅利用在每个IFAS 容器102中的固定膜生物质，还利用悬浮生物质，因此产生了集成固定膜 活性污泥的方法。

应指出，在图5中，管线64中的流出水流入二级沉淀池152中。二 级沉淀池152在管线70中产生主流最终流出水。另外，二级沉淀池152 沉淀出活性污泥，该活性污泥经由管线154转移回IFAS容器102中。载 有活性污泥的管线154分成多个分支，使得回流的活性污泥可以被导入每 个IFAS容器102中。在污泥回流管线154中，设有废弃活性污泥管线158， 以去除在IFAS系统中产生的额外的污泥，从而也控制其SRT。每个IFAS 容器102设有通风系统，以进行好氧处理，并且每个容器中还设有混合器 或至少常规装置，以使活性污泥和固定膜生物质与污水或二级流出水混 合。应指出，存在其中不需要图5中的专用二级沉淀池152的情况。在该 情况下，图5示出的IFAS反氨化多容器系统100为序列间歇式反应器 (SBR)。

在图5的方法中，来自污泥脱水单元86的污水通过管线106流入污 水入口管线106A中。在图5所示的情况下，仅上IFAS容器102接收污 水。应指出，上入口管线106A中的阀门是打开的。因此高氨浓度和较高 温度的污水流入上IFAS容器(容器#1)中。这将有利于1)承载于载体 或IFAS容器#1中的其它生物膜支架上的厌氧氨氧化细菌的生长和繁殖， 以及2)在IFAS容器#1中悬浮生长的AOB的生长和繁殖。同时，悬浮的 AOB和位于生物膜载体上的厌氧氨氧化细菌有效地减小IFAS容器#1中的 污水的氨氮浓度。在一个实施方式中，来自IFAS容器#1的流出水通过出 口管线107并通过打开的阀门，到达回收管线94。可选地，来自IFAS容 器#1的经处理的污水被回收，返回位于集成IFAS系统100上游的点。

当污水被引导至IFAS容器#1时，其余IFAS容器，在一个实施方式 中，被用于去除二级流出水中的氨氮。当然，假定其余IFAS容器102以 前已经设置有富含厌氧氨氧化细菌的生物膜。由于二级流出水的体积大于 污水的体积，因此遵循处理二级流出水比处理污水需要更大的反应器体 积。因此，在该示例中，一个IFAS容器用于处理污水，而三个IFAS容器 用于处理二级流出水。每次处理所使用的容器的数量和所需的各体积可以 改变，并且取决于进入系统50的原污水的流速和废水中存在的氨氮载量。

如前面相对于IFAS系统讨论的，IFAS反氨化方法中提供的额外的悬 浮生物质将进行亚硝化。这使得承载于载体或其它支持结构上的生物膜生 物质通过利用厌氧氨氧化细菌进行厌氧氨氧化过程。如上面讨论的，IFAS 反氨化系统，诸如图5公开的，可显著增大反氨化速率。假设该增大可以 是IFAS反氨化系统在主流和侧流中应用的情况的多达两倍或三倍或更多 倍。

转到图6，图6示出废水处理方法，其包括主流方法和侧流方法。如 将要讨论的，侧流包括反氨化集成固定膜活性污泥系统，以用于去除侧流 中的污水中的氨。参考图6，原污水流入主流中的初级沉淀池54。初级沉 淀池54产生初级流出水和初级污泥。初级污泥流入侧流，而初级流出水 流入一个或多个反应器58中，该一个或多个反应器58进行二级废水处理 (去除或不去除生物营养素(氮和磷))。二级处理产生二级流出水以及污 泥。在一个或多个二级反应器58中产生的污泥流入侧流中的污泥增稠单 元80。

来自污泥增稠单元80的增稠污泥和出自初级沉淀池54的初级污泥流 入侧流中的污泥保持容器中。来自污泥保持容器的污泥，在一个实施方式 中，被引导至厌氧消化器84，其产生消化污泥。消化污泥被引导至污泥脱 水单元86，其对污泥脱水，以产生污水和用于处置的污泥饼。如上面讨论 的，相比于主流废水，污水包括较高的氨浓度和较高的温度。在任何情况 下，污水被导入侧流反氨化IFAS系统153中。如前面讨论的，构成反氨 化IFAS系统的一个或多个反应器设有通风装置和至少一些装置，以混合 一个或多个反应器的内含物。此外，由于系统153是IFAS系统，这意味 着在构成系统153的反应器中，存在悬浮生物质以及固定膜生物质。如前 面讨论的，在处理污水时，悬浮生物质发生亚硝化，这导致NH₄转化成亚 硝酸盐(NO₂^-)。亚硝化过程去除了污水中的大部分氨。在侧流反氨化系 统153中的生物膜载体包括上面生长和承载的厌氧氨氧化细菌。该厌氧氨 氧化细菌有效地将大部分剩余的NH₄和亚硝酸盐转化成元素氮。因此悬浮 生物质(AOB)和厌氧氨氧化细菌协作地在侧流内进行反氨化过程。

侧流反氨化IFAS系统153的下游是固体分离器151，在这种情况下， 其描述常规沉淀池。生物膜载体保留在IFAS系统153中，而被引导至沉 淀池151的流出水包括从流出水(从沉淀池151引导)分离出的悬浮生物 质。由沉淀池151沉淀出的污泥包括悬浮生物质，该悬浮生物质通过活性 污泥回流管线155返回至侧流反氨化IFAS系统153。沉淀池151沉降的 一些污泥通过管线158废弃。

如上面讨论的，在该IFAS系统中，悬浮生物质的固体停留时间可通 过废弃活性污泥的量进行控制。通过在IFAS系统中采用SRT控制和溶氧 控制，刚才描述的IFAS反氨化过程中的悬浮生物质有效地进行亚硝化。 正如之前提到的，比较仅生物膜反氨化系统和两层生物膜结构(外层生长 AOB以及内层生长厌氧氨氧化细菌)，具有悬浮生长和一层生物膜的IFAS 反氨化系统将显著减小进入污泥絮体和进入生物膜层的传质阻力。因此， IFAS反氨化生物膜系统将显著减小侧流中的反氨化速率，在该示例中， 因此将减小反应器的体积。由于是一层生物膜并且悬浮生物质发生亚硝 化，如图6所示的IFAS系统中可以维持更低的溶氧浓度。

图6示出的IFAS配置可包括单个侧流反氨化IFAS反应器，其可包括 并保持悬浮生物质和其上承载有厌氧氨氧化细菌的生物膜载体。在图6的 设计中，固体分离器151被示出为位于IFAS反应器153的外部。然而， 在固体分离器中，诸如沉淀池或膜组件中，可嵌入于IFAS反应器153中。 应指出，存在其中可以不需要IFAS 153中的专用固体分离器的情况。在 这些情况下，图6示出的IFAS反氨化系统153为序列间歇式反应器(SBR)。

侧流IFAS反氨化方法的操作条件可以改变。但是，在一个示例性的 实施方式中，IFAS反应器153中的溶氧水平可维持在0.2-1.5mg O₂/L的范 围内。混合液悬浮固体(MLSS)可维持在0.5-4.0g/L的范围内。操作的 SRT可以在2-15天之间，这取决于污水的温度。来自侧流IFAS系统153 的流出水通常包括流出水中的NH₄-N浓度在大约5至100mg N/L的范围 内。流出水中的NO₃-N浓度通常在大约5至大约20％的除氮范围内。

图3至图6示出了各种方法实施方式，其利用IFAS系统除氨。如上 面讨论的，IFAS配置使得能够使用生物膜反应器(例如，MBBR)，其具 有/不具有专用固体分离设备以保持悬浮生物质(例如，具有回流污泥的沉 淀池)。图3至图6示出的IFAS反氨化系统可被设计为序列间歇式反应器 (SBR)，因此，不需要专用固体分离设备。

IFAS配置通过使用悬浮生物质实现大部分的亚硝化，并通过使用生 物膜生物质进行大部分的厌氧氨氧化过程，从而在单个反应器容器中实现 反氨化。应当指出，IFAS配置可在具有或不具有外部污泥分离设备的情 况下使用。例如，分离设备(诸如沉淀池和膜组件)可被包括在或嵌入在 生物膜反应器中。在某些情况下，在IFAS配置中，悬浮生物质可以在侧 流和主流之间转移。上述的一个示例在图4示出。在二级沉淀池151中沉 降的悬浮生物质可通过管线157转移至主流。在其它情况下，相同的悬浮 生物质可暴露于侧流中的污水和主流中的二级流出水。这发生在图5示出 的IFAS配置中。这是因为在一个模式下，一个或多个IFAS容器102将用 作一部分侧流方法，并且一个或多个其它IFAS容器102将用作一部分主 流方法。因此，在一个模式下，在一个IFAS容器中的悬浮生物质和固定 膜生物质将接触污水，而在另一种模式下，相同的生物质将接触二级流出 水。

由于二级流出水的特性不同于污水的特性，因此图3至图5示出的主 流IFAS反氨化方法的操作条件不同于IFAS侧流反氨化方法的操作条件。 在一个示例性的实施方式中，IFAS反应器150中的溶氧水平可以维持在 0.2-2.0mg O₂/L的范围内。混合液悬浮固体(MLSS)可以维持在0.5-6.0g/L 的范围内。操作的SRT可以在5-20天，这取决于二级流出水的温度。来 自主流IFAS系统150的流出水通常包括流出水中的NH₄-N浓度在大约1 至10mg N/L的范围内。流出水中的NO₃-N浓度通常在大约2％至大约20％ 的除氮范围内。实现较低的流出水氨浓度以满足最终流出水需求而无需精 化步骤，是主流IFAS系统相比于主流仅生物膜系统的一个主要优势。

操作主流反氨化方法的一个挑战是抑制亚硝酸盐氧化细菌(NOB) (将亚硝酸盐转化成硝酸盐并与厌氧氨氧化细菌竞争亚硝酸盐的微生物) 的悬浮生长，即便具有溶氧控制和污泥停留时间(SRT)控制。交替向生 物质注入污水和二级流出水或者使生物质周期性地接触污水，可用作抑制 NOB生长的方式，因为污水中的高氨浓度是NOB生长的抑制剂。

在图1至图5的方法中，主流反氨化系统遵循单独的除碳系统，并且 在优选的实施方式中，限制除碳或者主要集中于除碳。比较常规活性污泥 系统和硝化，仅BOD去除系统(即，被设计成基本上限制BOD去除的系 统)产生更多污泥，并且因此转移更多氮到厌氧消化器中，该厌氧消化器 将结束侧流反氨化方法。因此，这两种配置(图1和图2)的侧流反氨化 处理设施的总氮载量的大约20-25％。主流反氨化处理总氮载量的大约 75-80％。仅BOD去除系统可将主流中的大约5％的氮载量转移到侧流中， 因为过量的污泥产生，其被输送至厌氧消化器。图7中的表格示出图1和 图2示出的两种方法对于处理具有典型高强度城市污泥的预计效果。图7 的表格只考虑厌氧消化，不考虑热水解。

在所有的侧流配置中，热水解是可选步骤，并且可被包括在厌氧污泥 消化中，以增大侧流中的氮水平。相比于仅厌氧消化，与厌氧消化结合的 热水解通常将增大50％的挥发性固体减小。预期厌氧消化所释放的氨由于 热水解将增多50％。因此，热水解将增加侧流的氮载量，至多达总设施载 量的35％，并剩下主流中的65％。图8的表格示出图1和图2中的两种方 法配置对于处理1 MGD的典型高强度城市污泥的预期效果，其中厌氧消 化中添加热水解。

将仅BOD去除系统和热水解方法并入图1至图5示出的两个配置中， 将增大侧流的氮载量。侧流的氮载量越大，侧流产生的生物质越多，并且 主流的对应部分中的可用设置的生物膜载体越多。图7和图8的表格对比 示出，通过将热水解方法并入到厌氧污泥硝化方法中，使得侧流除氮与主 流除氮的比率从0.26增大至0.38。两个表格中的预期效果示出，主流反氨 化方法和侧流反氨化方法去除了总氮载量的大部分(大约80％)，而剩余 20％的氮载量通过常规的硝化-反硝化精化方法去除。

上述反氨化方法具有多个优势。去除一定量的氨氮需要大约60％以下 的氧。另外，该特定方法不需要额外的碳源。此外，该方法导致产生更少 的二氧化碳和更少的污泥。

当然，本发明可通过除本文具体提及的方式之外，而不脱离本发明的 本质特征的其它方式进行。本发明的实施方式还被认为是在所有方面均是 说明性的而非限制性的，并且所附权利要求书的意义和等效范围之内的所 有变化意在被包含在其中。