废物处理方法 【发明领域】
本发明涉及有机废物处理方法及系统的改进，具体是在使用生物处理方法的系统中减少网状生物固体产生的方法和系统的改进。
【发明背景】
人们已开发了各种方法对有机废物进行生物处理产生环境可接受的废物。在废物的生物处理过程中，废物与活性生物固体(即含有活微生物的生物固体)接触，将废物中的有机成分转化成可与废物分开的形式。但这些过程通常产生大量淤泥，主要由微生物和水中的其它生物固体组成，这些淤泥必须通过例如焚化、废弃于陆地或排入海洋以及其它化学、生物或机械方法进一步处理和弃置。
已经广泛使用了淤泥消化(包括进一步对生物固体进行生物处理)来减少淤泥在弃置前的体积。这种方法的主要缺点是它需要很长的保留时间，因而相应需要很大的处理系统。已经提出了许多方法来改善淤泥消化的效率。例如，在美国专利No.3,547,814和3,670,887中，通过过筛将粗大固体从废物除去，然后将剩下的废物与含氧气体及活化淤泥接触。
其它处理淤泥的方法包括长时间的曝气，以增加固体地自氧化程度，能减少净生物固体的产生。不幸的是，通常氧化的速率太慢不足以对净淤泥产量有明显的作用。另外，这些系统的设备尺寸大，操作费用又高，使这种曝气处理的延长不实际且不经济。
美国专利No.4,246,099公开了联用需氧/厌氧处理来减少和稳定活化淤泥过程所产生的生物固体。在一个过程中，最初在需氧处理条件下，将公用处理厂的淤泥与含氧的气体接触，以部分减少可生物降解挥发性悬浮的固体，然后厌氧消化以便部分地稳定淤泥。使用热需氧消化(文献中称自热需氧消化(ATAD)，消化器在升高的温度(如自45℃升温至75℃)或在适温范围进行操作。用厌氧步骤来生物过程方式地溶解有机化合物并稳定淤泥固体。据称这种过程的联用能将淤泥中的生物固体减少至少于40％(引入消化区)的可生物降解挥发性的悬浮固体。
美国专利No.4,026,793公开了在温度维持在38℃到46℃范围的容器中的需氧消化过程，能减少可生物降解有机淤泥中的固体含量。
欧洲专利EP 0936190公开的一种方法，将从生物处理步骤分离出的固体进行湿空气氧化以改善生物固体或固体废物的生物可降解性，再将其送回到生物反应器中。化学处理步骤使用氧化剂气体如空气或纯氧，在80到200℃温度范围和1-40大气压压力下进行。反应的pH范围为1到11，反应时间范围为10到180分钟。按估计的废物COD所选定的化学计量比，将氧化剂加入废物混合物中，一般导致所用的化学试剂的量比实际所需的大许多。湿空气氧化(WAO)方法同样昂贵且难以控制和操作。例如，当废物组成有变化时，就需要提高反应温度和压力才能成功地处理更多的难以处理的废物。因此，工厂设备必须设计成预计压力和温度的最高条件。WAO过程的设计在控制固体的生产的过程中也不能适应或识别所有重循环入反应器的淤泥。
美国专利No.5,948,275公开了使用WAO来处理生物固体并带有将生物固体送回WAO过程的循环。这种处理的主要目的是用WAO过程将生物固体转化成气体。还公开了提取部分氧化的废物进行生物处理的可能性。
美国专利No.5,965,096和5,972,226公开了在WAO过程中用多种氧化剂来破坏生物固体和有机物的混合物。这多种氧化剂的加入量按照对于混合物的COD的化学计量比。
美国专利No.6,126,838使用Fenton试剂来催化高浓度有机废液流的氧化，并连续在氧化步骤外用电解再生催化剂。
在上述专利中，本发明申请人公开了使用化学水解或化学氧化步骤来改善细胞材料的生物可降解性和未转化有机化合物的改善的淤泥消化过程。Rozich的美国专利No.4,915,840公开了对公用废物需氧处理过程中减少淤泥的改进。通过让一部分生物固体和未转化的有机物与酸或碱接触来水解高分子有机物并将无机物溶解于废液流中，来控制淤泥的减少。这种水解有助于改变细胞结构中的高分子成分，并将它们变成基本可溶的，从而提高生物活化微生物在生物反应器内引起适温腐败的能力。
Rozich的美国专利No.5,141,646公开了一种方法，将淤泥直接加入到AYAD反应器中进行立即的消化。在静止期从ATAD反应器内取出一部分沉淀下来的生物固体，并装入化学水解装置内用强酸或碱溶液处理。将如此水解的液流与进入的淤泥混合，然后直接加入ATAD中。
Rozich的美国专利No.5,492,624还公开了一种处理有机废物的方法，其中用化学氧化步骤替代’840或’646专利中的化学水解步骤。化学氧化基本上减少了有机物的化学需氧量(COD)，改善了效率并降低了ATAD反应器中的总需氧量。这种方法不会产生因添加促进化学水解所需的酸或碱而产生的大量溶解的固体。这些溶解的固体对生物处理步骤和其它下游可能存在的处理步骤有不良影响。这种方法的另一个优点是在化学氧化步骤前在ATAD中发生因升温而引起的溶解作用，从而避免了已有技术中存在的冗长和低效。一般在超过废物常压沸点的温度进行此化学氧化步骤，以氧化难以处理的化合物。由于淤泥组成的变化，所需的温度可以在很广的范围中变化。在此情况下，要将化学氧化装置设计成预计处理中可能发生的最高温度和压力。
由对生物处理方法技术的回顾可以看出，人们已提出了许多方法，致力于减少淤泥的产生并稳定需氧处理所产生的过量淤泥。这些方法的大部分都相当复杂，结果操作和投资费用都很高。另外，尤其困难的是对大部分生物处理方法进行改进以便经济有效地实现淤泥大量的减少(取决于最初的有机物进量)，更不要说完全消除淤泥的产生(即实现“无淤泥系统”)。事实上，虽然人们经常企图达到这后一个目标，但很难实现，除非使用昂贵的中间物理分离步骤如脱水及随后的焚化。
发明概述
本发明公开了减少生物处理过程中所产生的淤泥的方法和系统。本发明的一个方面涉及生物处理有机废物的方法，是将有机废物进行生物消化之后，将至少一部分生物固体和未转化的有机物的混合物转移到化学处理装置，在此装置中将此混合物与至少一种氧化剂进行接触，此时通过监测生物固体/有机混合物的ORP，加入维持ORP在所定高水平所需的氧化剂到混合物中来控制高的氧化/还原势(ORP)。通过将化学处理装置中的生物固体/有机物混合物的ORP维持在足够高的水平(即0mV或更大)，可以产生经充分调理的废物，当这种调理过的废物再进行进一步的生物消化时基本改善了它们的生物可降解性。
虽然不拟束缚于理论解释，但可以认为用ORP来控制氧化过程，能更有效地控制废物的质量，而不依赖于所用的具体氧化剂，因为ORP与混合物中氧化剂的活性关系更直接。还可以认为，根据ORP对化学氧化剂进行调节，能消除按化学计量估算添加氧化剂时所产生的许多问题，包括不必要连续调节反应的温度和压力来适应流入物的组成变化，也消除了对废物氧化程度低估的危险，还减少了化学试剂的损耗。
本发明的一个方面提供了一种生物处理有机废物的方法，该方法包括：
a)将有机废物加入到生物反应器内，让这些有机废物进行生物消化，将至少一部分有机废物转化成清液和生物固体与未转化有机物的混合物；
b)将至少一部分生物固体与未转化有机物的混合物在化学处理装置中与至少一种氧化剂接触；
c)监测化学处理装置中生物固体和未转化有机物的混合物的氧化还原势(ORP)，调节氧化剂的浓度从而将混合物的ORP维持在0mV以上，从而将生物固体和未转化的有机物转化成经调理的废物；
d)将此经调理的废物返回到生物反应器中进一步处理。
在本发明的一个实施例中，监测生物固体/有机物混合物的ORP水平，然后将一单种化学氧化剂(如氧气)加入此废物混合物中将ORP维持在所需的水平。
在另一实施例中，监测生物固体/有机物混合物的ORP，加入化学氧化剂(如氧气、高锰酸盐、过氧化物等)和化学催化剂(如硫酸亚铁、过氧化物、酸或碱等)的混合物，将ORP维持在所需的水平。
在本发明的另一实施例中，监测生物固体/有机物混合物的ORP，用此水性混合物的电解来产生羟基，将ORP维持在所需的水平。
在另一实施例中，在连续的一些步骤中调节生物固体/有机物混合物的ORP以促进更有效地减少淤泥。将生物固体/有机物混合物与第一种氧化剂接触，从而将混合物的ORP调节至约0mV或更大，然后将生物固体/有机物混合物与第二种氧化剂接触，从而当混合物反应时，其ORP调节至约+200mV或更大。
在另一实施例中，按本发明这里所公开的任何方法加入氧化剂并在接近一个大气压的压力下进行回流，将生物固体/有机物混合物的ORP调节至+500mV或更大，
本发明还涉及将各种化学和物理处理方法结合到生物处理系统中，以实现净淤泥产量约为0的净淤泥产生。在本发明这一方面的一个实施例中，将维持系统零净生长速率(低于约0.05/天)或增加活性微生物呼吸速率的各种方法与以ORP为基础的对化学氧化的控制相结合。维持系统的零净生长速率(低于约0.05/天)，可以使生物系统的生物固体产生最少，从而使通过该系统的碳循环量最少。
公开了维持低系统净生长速率的各种方法，包括分离一部分生物反应器中产生的生物固体/有机物混合物，将其循环进入生物反应器以控制系统净生长速率。还可以使用其它控制系统净生长速率的方法，包括在生物反应器中添加成熟细胞和在生物反应器液体中加入酶以增加生物固体的呼吸速率并控制细胞产生。
通过本发明的一些实施例(其例子可见附图)，现在进行本发明更具体的描述就可以具体理解上述本发明的各方面。虽然本发明将参考优选实施例进行说明，但可以理解这些优选实施例并非限制本发明，可以对本发明进行各种替代和修改，只要不脱离本发明的精神和范围。
附图简述
图1是综合废物处理系统的方块图，包括生物处理和在单级化学氧化过程中对氧化还原势的直接监测和控制。
图2是两级化学氧化过程的方块图，包括对各级氧化还原势的监测和控制。
图3是两级化学氧化过程的方块图，包括在第二级中添加多种氧化剂。
图4是电解接触室的示意图。
图5是两级化学氧化过程的方块图，包括将进行了电解的水送入第二级。
图6是两级化学氧化过程的方块图，包括直接电解一部分第一级的液体。
图7是单级化学氧化过程的方块图，包括将过程的液流与一种氧化剂一起进行回流。
图8是在线呼吸测定仪的示意图。
图9是生物反应器过程的方块图，包括对平均细胞保留时间的控制。
图10是生物反应器过程的方块图，包括直接刺激内源呼吸并控制平均细胞保留时间。
图11是综合废物处理系统的方块图，包括一个带生物固体循环以控制平均细胞保留时间的生物反应器和同时直接监测和控制氧化还原势的两级化学氧化。
发明详述
在本发明的叙述中，“生物处理方法”或“生物处理”指本领域已知的任何生物处理方法，如需氧、厌氧或兼性处理方法。
需氧处理方法是在存在氧气条件下进行的生物处理方法，包括例如自热需氧消化(ATAD)方法，如在美国专利No.5,492,624和4,915,840中所公开的那些方法。
厌氧处理方法是在没有氧气存在条件下使有机物和无机物进行生物分解的方法，最常用于消化生物固体，但也可用于悬浮固体接触的过程来稳定高浓度的可溶性废物。
兼性处理方法是其中所用的微生物作用与存在或不存在氧气无关的有机物和无机物生物分解方法。通常在兼性处理方法中，该系统中的反应器内含物未经加热和混合，但也可用加热的悬浮生长的过程来减少消化生物固体所需的时间。
本文所用的“呼吸”是指对生物固体中细胞代谢活性的一种衡量，具体是生物固体将过程液流中的有机物转化成气态形式的速率的衡量。对需氧系统而言，可以以生物固体吸收氧气的速率或者二氧化碳或其它气体的产生速率来测定呼吸。对需氧和兼性处理方法还可用其它测定呼吸的方法。
本文所用的“化学需氧量”(COD)指将混合的生物固体和有机废液流转化成二氧化碳理论上所需的氧气量。
本文所用的混合物(如生物固体/有机物的混合物)的“氧化还原势”(ORP)是驱动混合物进行氧化或还原反应的势的一种衡量。ORP以电动势单位表示，通常为毫伏(mV)，正量表示驱动氧化反应的趋势，而负量表示驱动还原反应的趋势。
本文所用的“电解”指通过对水性液流施加电动势来分解水形成羟基。在本发明中可以将电解过的水加到废液流中，或直接将一部分废液流进行电解。
本发明在一综合系统中用生物处理和化学处理将有机废液流转化成二氧化碳和其它气体，且基本不产生净的淤泥。本发明的废物生物处理方法一般包括将有机废物进行生物消化一预定的时间，再将生物固体和未转化的有机物的混合物的至少一部分转移到化学处理装置中，在其中该混合物与至少一种氧化剂接触。然后将此调理过的液体返回到生物处理过程中。这个方法中要监测一特定的参数以优化和控制化学处理过程，从而产生高度调理过的液体，随后将其返回到生物反应器中进行进一步处理。
图1-11显示本发明所选的一些实施例。但应理解除非特别指出，所述的细节仅起说明作用而无限制作用。另外，为清楚省去了一些特征，如监视点、氧化剂存储罐和流量控制及均衡装置的位置和类型。在本发明系统和方法中它们的配置和联合对本领域技术人员而言都是已知的。另外，虽然所选的实施方案是以连续过程表示的，但本发明通过本领域技术人员所知的技术也容易适用于间歇过程和半连续过程和各种设计的反应器。
如图1所示，本发明的一个优选实施例中，含有有机物的废液流11与自化学处理装置40返回的液流43混合。较佳地，这两个液体11和43在混合装置28中混合并形成液体21。混合装置28可以是在线静态混合器或本领域已知的其他合适的混合装置。然后让液体21流入生物反应器20进行生物处理。较佳地，对此生物反应器供给氧气，如压缩空气22。更佳地是这种压缩空气中添加以氧气直至含约50％。可以从生物反应器20收集有机物经微生物分解产生的气体以及过量的空气供进一步处理(未显示)之用或排入大气(未显示)。排出含有生物固体和未反应有机物的生物反应器内含物23，较佳地进入重力沉降槽30内，在那里生物固体和处理过的液体因它们的密度不同而分成两层或多层。也可用本领域已知的固体分离方法，包括如膜分离、溶气浮选(DAF)、气穴浮选(CAF)或重盘式絮凝反应器(BFR)。可以将生物反应器中产生的过量泡沫直接送入化学反应装置40中进行进一步处理(未显示)。将沉降槽30中的上层清液作为液体31抽出，可以排去或进一步处理(未显示)。抽出含有生物固体和未反应有机物的下层，作为生物固体/有机物流34。在一些实际应用中，可以由一单个装置起生物反应器20和沉降槽30的功能。
较佳地，生物固体/有机物流34通过一减小粒径的装置35，在生物固体/有机物流36中产生已知粒度分布的生物固体颗粒，用来改善以后处理的效率。以下将详细讨论粒径减小的问题。
将生物固体/有机物流36通入化学处理装置40，在其中部分氧化生物固体和未反应的有机物。化学处理过程可改善废物的降解性，增加有机物被无机化生成二氧化碳的速率。在本发明中，通过监测液体43的ORP并添加维持所选定ORP所需的氧化剂42来控制液体43的质量和生物处理过程的优化。因为ORP是用作控制参数，ORP监测器45和流量控制器46可以是自动化操作的，不受添加的特定氧化剂的影响。在这种方法中，可以按化学活性的实时测定值来加入化学氧化剂，而不是按对于混合物COD的估计值的预定比例来加入化学氧化剂。在相对高的温度使用氧化剂将生物固体中细胞物质和未反应的有机物转化成易溶的形式，使其更有容易生物降解。通过控制选定的ORP水平，化学试剂的加入比例可以变化，将有机物溶解到控制液体质量的最佳程度，且比控制氧化剂与COD的化学计量比能更有效地减少化学试剂的使用量。
较佳地，将ORP维持在0mV或更高。更佳的是，将ORP维持在+200mV或更高。在优选的ORP范围，氧化的优选反应条件包括大约中性的pH，相对高的温度(约120到300℃)和相对高的压力(约2ATM到10ATM)。随着废物中ORP的增高，可以使用较低的温度和压力来达到最佳的处理效率。例如，当ORP值为约+500mV或更高时，生物固体/有机物混合物的生物可降解性可以通过将此混合物在大气压条件下回流有更有效地改善。技术人员会认识到其他参数(如保留时间)会按反应条件、所需的液体质量和所处理的废液的特性而有所改变。
可以使用适用于废物处理的任何化学氧化剂，如压缩空气、富氧空气、氧气、高锰酸盐、过氧化物或产生羧基的某种试剂。氧化剂42较佳是压缩空气、富氧空气或氧气。更佳是含氧量约为50％的富氧压缩空气。
但氧化剂42也可以是化学氧化剂的混合物。用多种氧化剂可以使废物处理的灵活性更高。氧化剂较佳是选择对可能存在的特定范围废物提供最经济的处理方案。另外，由于可以不依赖所用的具体氧化剂来控制ORP，可以用化学氧化剂或氧化剂与催化剂(如硫酸亚铁、过氧化物、pH调节剂等)的不同组合来适应废液流11的变化或对液体31的需求。
通过水的电解，还可在原位产生氧化剂42以生成羧基。电解可单用或与其他化学氧化剂联用，将废物的ORP增加至所需的水平。较佳地，通过在接触室中的一排电极上施加直流电流来电解水。
在化学处理装置40中处理后，较佳地将得到的调理过的液体43返回流程的前头，即将它与废物流11混合，通入生物反应器20进行进一步的处理。还可以在将液体43返回到生物反应器20之前，从其中除去粗渣或其他大的无机颗粒。或者让粗渣或其他大的无机颗粒就在生物反应器20中沉淀。浓缩的粗渣或其他大无机颗粒则是在化学处理步骤后用合适的脱渣或除去无机粗渣的其他方法除去(未显示)。
图2显示了在顺序步骤中使用两种氧化剂的化学处理方法。将生物固体/有机物流36通入第一化学反应器50。较佳地，用ORP监测器55和流量控制器56控制对反应器50入加氧化剂52，从而将反应器内含物53的ORP控制在约0mV或更高。较佳地，氧化剂52是压缩空气、富氧空气或氧气。更佳的是，氧化剂52是含氧量约为50％的富氧压缩空气。其他反应条件见图1化学处理步骤所述。
放出第一化学反应器50中的内含物作为液体53，然后将其与氧化剂61混合。较佳地，在混合装置68中进行混合，形成液体62，然后将其通入第二化学反应器60。较佳地，将反应混合物的ORP控制在+200mV或更高。氧化剂61可以是任何适用于废物处理的氧化剂。较佳地，氧化剂61是高锰酸盐、过氧化物或其他羟基生成剂的水溶液，起氧化反应的催化剂/引发剂作用。更佳的是，氧化剂61是过氧化物溶液。其他优选的反应条件与图1化学反应步骤所述相同。放出第二化学反应器60的内含物作为液体63，返回到处理系统的前头在化学反应器20中处理。
联合使用两次氧化剂可以使各种组成的废物的生物可降解速率达到最佳，以最低成本实现最大的生物可降解性增加。较佳的是，当液体的ORP为0mV或更高时(即在第一化学反应器50处理后)，加入氧化剂的大部分。这能够提高氧化剂在增加靶物质生物可降解性方向的效率。
图3显示的是本发明图2的一个实施例。将液体36通入第一化学反应器150，其中在ORP控制于0mV或更高时进行处理。将化学氧化剂161a、161b和液体36混合，通入第二化学反应器160，在ORP较佳控制于+200mV或更高条件下接受处理。加入多种氧化剂，可使废物处理的灵活性更高。较佳地，要选择氧化剂161a、161b使得对可能存在的特定范围废物提供最经济的处理方案。按废液流11的变化或液体31的要求，可以在161a、161b使用化学氧化剂或氧化剂与催化剂(如硫酸亚铁、过氧化物pH调节剂等)的不同组合。
在本发明的另一方面，通过电解水在原位产生氧化剂以生成羟基。电解可以单用或与其他化学氧化剂联用，将废液的ORP增加至所需的水平。较佳地，通过在接触室中的一排电极上施加直流电来电解水。图4显示了接触室80的一个例子。室80包括罐体83a和密封盖83b。阴极84和阳极86位于室80内，各个电极的一端通过密封开口85穿过密封盖83b。阴极84包括网状圆筒84a和阴极柱84b，它们彼此电连接，阳极86是位于网笼84a中的圆柱。也可用其他形状和排布的电极得到有益的结果。较佳地，阳极86和阴极84是由铁、碳或其他不反应的材料制成的。从电源88向阴极84和阳极86提供一稳定的足以产生所需电解速率的直流电流。电流密度范围一般约为20A/m2到500A/m2。当废物流81通过接触室80时，水分子就分解形成氢和氧的自由基，它们再结合主要形成羟基。将电解过的液体82自接触室80放出。
图5显示了图3的两级化学处理方法的一个实施例，其中是用接触室80来从清水流81产生电解过的水。放出电解过的水作为氧化剂161b，并经计量进入液体中。本实例的一个优点是按需要产生氧化剂161b，可减少存储或使用化学氧化剂时产生的爆炸或燃烧危险。
图6显示两级化学处理方法的另一实施例，其中将来自第一化学反应器350的液体353的一部分通入接触室80进行电解。然后再将电解过的液体382返回到液体353中。由ORP监测器365和流量控制器386控制排出去进行电解的液体353的量，以维持液体363的恒定ORP。
较佳地是在约1个大气压条件下回流生物固体/有机物混合物来化学处理此混合物。由于废物ORP的增加，可以用较低的温度和压力实现最佳的处理效率。当ORP值约为+500mV或更高时，生物固体/有机物混合物的生物可降解性可以通过在大气压力条件下进行回流得以有效地改善。图7显示了本发明这一实施例的系统。将化学氧化剂(较佳为强氧化剂如次氯酸)和来自接触室80的电解过的水482与生物固体/有机物流436混合，较佳在混合装置448中混合，然后流入化学反应器440。可以用预热器470(较佳地是用液体443作为其热液体的换热器)来升高混合液体441的温度，同时将送入生物反应器20(图1)的反应器液体443进行冷却。预计氧化反应通常可以提供足以维持反应器内回流条件的热量。在有些情况下，需要另行提供热量来维持回流。因此，化学反应器440可以是个配有大气回流塔440b的套锅440a。由辅助加热器490向套锅440a提供另外的热量。ORP监测器445和流量控制器446、486控制反应器内的ORP为设定的大约+550mV或更高的水平。较佳地，约在中性pH和反应器内含物常压沸点或更低的温度进行处理。普通技术人员可以按反应条件、所需的排出液质量和进行处理的废液流的性状确定其他参数(如保留时间)。
在本发明的每个实施例中，将生物固体/有机物流进行化学氧化，以溶解细胞物质和其他有机物，并提高它们在生物反应器内降解成气体或无机物形式的速率。化学反应的最佳条件包括(但不限制于)pH、温度、压力和保留时间以及化学氧化剂的选择，都可以用呼吸测量方法来确定。这种方法通常是测定已知量生物固体吸收氧气和/或产生二氧化碳的速率。呼吸测量结果的增大表明所处理废物的生物可降解性的改善。因此在实践中，可以调节化学处理的条件从而在生物反应器内产生最佳的呼吸测量结果。
图8显示了典型的在线呼吸测定仪28。计时器24按预定的周期打开阀门27，让一部分生物固体/有机物流23流入装置28。残留在装置28内的任何物质被进入的液体推入回到液体23中，计时器24关闭阀门27。监视器25a、25b分别测定样品中氧和二氧化碳浓度随时间的变化。从而可控制过程条件，将浓度的变化率维持在预定的范围内。监测器25a、25b也可与流量控制器(未显示)或其他压力控制装置连接以调节系统的操作性能。在预定时间后，计时器24再次打开阀门27，开始新一轮的样品测定循环。
本发明的另一方面涉及生物处理有机废物的方法，其中通过维持低的系统净生长速率将生物固体的产生速率控制在低水平。将系统的净生长速率维持在0.05/天以下，较佳地为0.01/天到0.06/天之间，可大大提高生物可降解性(相对于细胞产生)，从而使系统中有机碳的循环达到最小。生物降解后，较佳地将得到的生物固体/有机物混合物转移到固体分离装置，将生物固体/有机物废物与处理过的液体分开。
可用任何维持低系统净生长速率水平的适合方法。较佳地，在本发明中将一部分分开的生物固体/有机物返回到生物反应器中，来控制系统的净生长速率μn，该值是平均细胞保留时间或“淤泥年龄”θc的倒数。在生物处理系统中生物固体的长时间保留就维持了系统中的低μn值。这就为系统提供了生态惰性，结果是观察到低的细胞产生Yo。在需要零净生物固体或有机废物产生的生物系统中，维持低细胞产生是必须的，尤其需要是使用辅助的化学或物理处理时是如此。化学调理过程的目的是使靶生物固体或废物变成生物可降解的。在调理过后，当将这种生物可降解的物质返回到生物反应器时，在调理过的液体中仅有一小部分COD转化成生物固体是必需的。如果反应器μn值高，则Yo将很高，有相对较大部分的化学调理过的物质会转化回成为生物固体。在这种情况下，有机碳就在整个系统中基本上“循环”。
本发明的一个方面对生物固体的产生提供强控制，维持低μn值因而维持低Yo值。低的Yo值表明返回到生物反应器的化学调理过的物质中有机碳的大部分没有被转化成生物固体，而是转化成气体(如二氧化碳、甲烷、氢等)且自系统排出。这对保持整个系统经济合理及避免化学调理步骤使用的异常和浪费而言非常重要。μn的值较佳为0.05/天或更低，这相当于θc值是20天或更多。更佳的是，μn值为0.01/天到0.006/天之间，相当于100天到150天的θc值。可用如本文所述的呼吸测定方法来间接监测Yo值，并调节系统条件至维持送定的细胞产生。
图9显示本发明这个方面的一个实施例。将废液流511与回收的生物固体533及自下游过程(未显示)返回的液体563混合。较佳地，在通入生物反应器520之前，液体511、533、563在混合装置528中进行混合。向生物反应器420提供氧气522，优选的是富含氧气的压缩空气。将反应器的内含物放出作为液体523，通入一固体分离装置，本文显示为沉降槽530，在其中生物固体/有机物进行浓缩并作为生物固体/有机物流532放出。放出清液作为流体531。在线呼吸测定仪528测定反应器内含物523中生物固体的呼吸活性，并调节流量控制器533来控制返回生物反应器520作为回收的生物固体533的生物固体/有机物的量，以维持所需的μn。弃去生物固体/有机物532的残留部分534，或较佳地将其进行进一步处理，更佳的是进行本文所述的化学处理。
维持μn和Yo低值的优选方法是通过在系统中保留生物固体来增加θ-1(如本文所述)。也可用其它方法来控制Yo，包括在系统中添加成熟细胞物质，添加酶制剂以增加呼吸或限制细胞产生，或其它本领域已知的方法。在本发明的一个相关方面，是用酶制剂来限制生物反应器内生物固体的产生。将酶制剂加入生物反应器的内含物中可以刺激细胞呼吸。这种刺激能在抑制细胞产生的同时提高生物降解速率，从而有效地减少μn。
当与本发明的其它方面联用时，酶的加入可以使净生物固体的产生降低至接近“零”的水平。在本发明中优选采用酶制剂WT-200(Advanced BioCatalyticsCorp.，4440 Von Karman Ave.，Newport Beach，CA)来起这种刺激作用，但也可用其它制剂得到类似的效果。图10显示了结合酶的加入和生物固体循环的生物反应器系统。将自容器690计量出的酶制剂691流入合并的液体611、633、663中(较佳地混合装置628中混合)，然后流入生物反应器620。在线呼吸测定仪628进行反应器液体623的呼吸测定并调节返回到生物反应器620的酶制剂691和生物固体/有机物633的流量，从而将Yo和μn维持在它们的预定水平。
如本文所述，在将生物固体引入化学反应器之前，若减小生物固体的粒径可以进一步提高化学处理速率。通过传递更多的氧气到颗粒中并增加颗粒中可溶成分的溶解，粒径减小的颗粒还可用来提高生物反应器中的生物降解速率。另外，当生物固体颗粒具有一种已知的粒径分布时，可以更有效地控制处理过程。例如图11显示了使用机械装置835a将液体834中的生物固体颗粒的粒径减小至一已知的粒径分布，从而能在化学反应器840中更有效地进行处理。用一类似的装置835b来控制返回到生物反应器820的生物固体/有机物液833中的颗粒粒径分布。各种用于将颗粒生物固体减小至控制的粒径分布的装置是本领域已知的。本领域技术人员不难识别这些装置和它们的用途。
还可用形成气穴来实现颗粒粒径的减小，无论是用液压、声波或其它方法。形成气穴可以在产生羟基的化学处理步骤以前提供额外的好处。另外，在化学处理装置内可以使用形成气穴的方法。例如，可以将氧化剂和化学催化剂(如本文所述的)加入到生物固体/有机物流中，并使这些混合物中形成气穴。气穴的形成在混合物中创造了促进氧化反应的条件，从而改善了生物固体/有机物混合物的生物可降解性。
本发明的一个目的是降低从自废物生物处理系统产生的生物固体的量，以实现基本为零的净淤泥产量。本发明结合生物和化学处理系统以及本文所述的其它特征，提供可调节适应各种性能目标的一套操作参数。这种结合的目的是获得整个处理系统尽可能最佳的处理性能，其办法是一些技术措施如COD的去除或生物固体的产生，经济措施如处理和弃置的总成本，或联用这两种措施。图11显示了处理高浓度或难以处理的废物的一个实施例，它是在一综合系统中实行本发明的若干方面而实现了该目的。部分800A代表它是系统的生物处理部分，如本文所述，接近图9和10所示。部分800B代表用来调理液体以改善废物生物可降解性的化学处理过程，如本文所述和图8所示。装置操作工分析呼吸测定仪825的测定结果，并结合本领域广泛已知的常规水质量分析，来评估处理厂的效果和花费，然后改变善操作参数来实现靶液体的质量和经济效果。较佳的是，操作工调节ORP监测器865的设点值，将液体843的质量控制在生物反应器820内促进COD转化成二氧化碳的最佳水平。通过流量控制器836根据呼吸测定仪825的测定结果来调节生物固体/有机物循环流833的流量，以便维持低的μn和相应低的Yo，减少净淤泥产生速率。流量控制器将酶制剂891计量加入到生物反应器820中，从而进一步限制Yo。受控的生物固体循环、酶的加入和通过化学调理作用而改善生物可降解性，这几方面协同作用起来将净生物固体的产生量几乎降至零。
虽然本发明是参考优选实施例进行描述的，但可以理解这些实施例仅是说明本发明的原理和应用。因此，可以理解对于这些说明实施例可以进行各种修改，而且在不脱离所附权利要求所确定的本发明的精神和范围的情况下，可以有其它组合。
工业用途
本发明可以用来处理含有机物的废物。