用于从水性介质中去除不想要的物质的水下系统及方法 发明背景
废水处理池是美国最广泛使用的废水处理技术之一。 废水池作为处理技术适合于 小到中等大小的农村社区、 动物饲养场运营、 食品生产运营， 以及一些一般工业。废水池的 主要优势在于成本低并且易于操作。 一般而言， 只要废水池不是超负荷， 它们可以有效去除 有机物质和悬浮固体。
大多数类型废水池系统的一个缺点是其不能从废水流中去除一些不想要的化合 物， 如含碳、 氮和磷的化合物以及其他不想要的物质。此外， 难以降低废水池中的生化需氧 量 (BOD) 和总悬浮固体量 (TSS)。这些不想要的化合物增加了来自废水池系统的恶臭以及 随后邻居的抱怨。通过分解此类化合物的细菌从废水池的废水流中去除不想要的化合物。
开放废水池的设计中固有的若干生物因素抑制了这些化合物的分解。还已知， 来 自某些藻类菌株的废物分泌物可降低想要的细菌的生长。
此外， 滴滤池是废水处理的最古老形式之一。 岩石和其他介质在水池中堆积， 并且 废水在介质上滴流。在岩石和其他底材的表面上产生了由微生物组成的薄生物膜， 并且随 着废水流过表面， 其能够去除废水中的有机物质。生物膜的横断面厚度提供了适合于游离 表面上需氧细菌的条件， 并且在一些情况下， 提供了适合于接近较少氧合的底材区的厌氧 细菌的条件。由于具有利于不同类型微生物 ( 其分解有机物 ) 生长的各种区带， 滴滤池可 以从废水中有效去除化合物。固定的介质为细菌提供了附着的表面 ( 细菌生物膜停留在适 当位置， 直至其变得太粘以至于不脱落 )。 在跨生物膜厚度的一些点上可以满足多种细菌菌 落的氧需求。
滴滤池的主要缺点是建造过滤池的初期投资费用、 将废水提升到过滤池顶部的泵 送费用、 过滤池顶部机械分配系统的维护、 和过滤池内介质的最终处理及替换。
为固定化膜生长提供表面积的其他设计是旋转生物压缩机 (RBCs)， 以及将泡沫材 料块和间隔或纤维材料置于废水下面的多种设计。 RBCs 需要机械旋转系统。 达到滴滤池等 同表面积的主要费用会相当高。
附图简述
图 1 是在废水中排列的一组通气水下生物膜嵌板的一个实施方案的侧视图。
图 2 是图 1 通气水下生物膜嵌板的正视图。
图 3 是废水处理池的横断面图， 其在废水池底部的框架上装有多个通气水下生物 膜嵌板。
图 4 是图 3 废水处理池的俯视图。
图 5 是通气水下生物膜嵌板的备选实施方案的侧视图， 所述通气水下生物膜嵌板 包含如此排列的多个平面嵌板， 以阻断彼此之间的阳光。
图 6A 和 6B 分别是通气水下生物膜嵌板的实施方案的横断面图和俯视图， 其中所 述嵌板包含套装的半球体。
图 6C 是具有作为锚的底部的套装半球体的实施方案的横断面侧视图。
图 7A 和 7B 分别是通气水下生物膜嵌板的实施方案的横断面图和俯视图， 其中所
述嵌板包含套装的锥体。
图 7C 图解了第二个通气结构， 其具有第二个通气结构的入口， 该入口通过管道垂 直连接本发明实施方案中第一个通气结构的出口。
图 7D 图解了第二个通气结构的俯视图， 其具有第二个通气结构的入口， 该入口通 过水平连接本发明实施方案中第一个通气结构的出口。
图 8 是开放的流动处理池的俯视图， 其中具有成组排列的多个半球形模块。
图 9 是管道化流动处理池的俯视图， 其中具有连续排列的多个半球形模块。
图 10 图解了实施方案中的区域化通气系统。
图 11 图解了另一实施方案中的区域化通气系统。
图 12 图解了在实施方案中配置来为废水池或贮存槽提供通气的通气系统。
图 13 图解了实施方案中具有位于通气结构附近的加热器的通气系统。
图 14 图解了实施方案中具有位于通气结构内壁上或通气结构本身中的热源的通 气系统。
图 15 图解了实施方案中构造用来使用多个倾斜导管或管道的通气系统。
图 16 图解了实施方案中构造用来使用多个套装倾斜导管的通气系统。 图 17 图解了实施方案中构造用来使用多个倾斜或水平套装导管的通气系统。
图 18 图解了实施方案中用于将空气和水通过不同的管道输出的转换机制。
图 19 是实施方案中气泡提升器的侧视横断面图。
图 20 是实施方案中图 19 的气泡提升器的俯视图。
发明详述
现在将参考附图中阐明的示例性实施方案， 并且本文将使用特定的语言来描述这 些示例性实施方案。然而应理解的是， 不旨在限制本发明的范围。本文阐明的发明特征的 改变和其他修改， 以及如本文阐明的本发明原则的额外应用 ( 其为相关领域技术人员所知 并拥有该公开内容 ) 被认为在本发明的范围内。
提供系统和方法， 以减少废水体中碳化合物和其他不想要的化合物的含量。尤其 是， 氨氮可以转化成亚硝酸盐和硝酸盐。 硝酸盐在厌氧环境中可以被去除或还原成氮气， 以 防止藻类生长。在某些操作条件下， 如果从系统中去除细胞群， 含磷化合物也可被去除。可 提供多种水下生物膜表面和条件， 以使不同细菌菌落能够生长。 通气系统产生了气泡， 其随 着气泡上升而靠近水下表面移动， 产生利于生物膜菌落中需氧微生物的条件。尽管气泡大 小会变化， 但这些气泡尺寸一般较小， 以使得能够与生物膜进行有用的相互作用。上升的 气泡帮助污染的水沿水下表面循环， 以刺激微生物的生长， 并由此去除含碳的化合物， 降低 BOD 和 TSS， 将氨氮转化成亚硝酸盐和硝酸盐， 并且利用通气操作去除含硝酸盐和磷的化合 物。污染水是含有一些量的不想要的化合物、 不想要的物质、 和 / 或不想要的有机化合物或 无机化合物的液体。
可使用填充物或具有高表面积比体积和 / 或重量比值的其他材料来增加水下表 面上生物膜生长可用的面积。系统产生了多个生物区域， 其中需氧细菌建群在生物膜表面 上， 以利率用溶解的氧气 (DO) 并去除含碳化合物。在一些结构中， 且利用某些操作， 该系统 还可以从废水中去除携带氮和磷的化合物。也可以产生缺氧和厌氧菌区域。
系统通过加入促进异养生物膜和其他细菌生长的改造的水下结构进行操作。 异养
菌需要若干基本条件来繁殖 ： 用于附着的表面、 充足的氧气供应、 合适的温度， 和营养物供 应 ( 例如， 氮和磷 )。 除了上文那些基本条件， 自养细菌是硝化细菌， 并需要受到保护免于阳 光照射， 以使其功能最大化， 将氨氮转化成亚硝酸盐和硝酸盐。
向水下生物膜表面供应空气， 以增强向生物膜中细菌的氧转移。尽管所述系统和 方法被讨论为与废水处理相关， 所述技术可以用于处理任何污染水体， 以去除含碳的化合 物、 将氨氮转化成硝酸盐， 并吸收磷， 不论认为污染水是否是废水。 例如， 该技术的其他应用 包括处理 ： 农业灌溉回收水、 水族馆、 厌氧消解上清液、 食品加工废水、 工业处理水、 被污染 的公共水路等。
在图 1 和 2 中显示了流体处理系统的一个实施方案。系统包括一个或多个嵌板 10， 其浸没在流体 12， 如废水之下。嵌板可由多种材料制成， 只要该嵌板在污染水或废水环 境中耐用。提供表面积的结构必须长年浸没在废水流之下时能够经受得住腐蚀。期望高的 表面积比体积比， 但优选避免介质的填塞。也期望嵌板是无毒的材料。合适的材料包括混 凝土、 塑料、 金属等。甚至相信废弃材料， 如再循环的汽车轮胎和再循环的塑料复合物可制 造成合适的嵌板， 以应用于本技术中。
在嵌板 10 的侧表面 14 上生长的是异氧细菌、 自养细菌， 可能还有其他细菌的膜 16。异氧细菌分解有机碳化合物， 以降低 BOD 和 TSS， 随后自养细菌在统称为硝化细菌的细 菌存在下将氨氮转化成亚硝酸盐和硝酸盐， 然后硝酸盐被转化成液体中存在的氮气。 例如， 多种硝化细菌物种可适合于本发明， 如 Nitrobacter agilis。建群在该生物膜上的所有物 种是环境中天然发生的细菌。该技术中没有加入特定物种用于工作。相反， 简单地配置该 技术， 以加强天然发生的过程。在一个实施方案中， 首先用滴滤池流出水 ( 已知富含 “种子” 细菌 ) 的桶接种水下嵌板。 在各嵌板 10 的下端或边缘排列的是压缩空气管道 18， 其具有经配置来释放气泡 22 的开口 20。嵌板中的压缩空气管道与一系列其他空气管道 ( 图 3、 4 中的 24) 相连， 所述 其他空气管道最终与压缩空气源 26( 图 2)， 如压缩机相连。 压缩空气沿嵌板底部边缘释放， 并且随着气泡上升， 气泡与嵌板侧表面 14 上生长的生物膜 16 接触。因此用持续流的氧合 污染水供应给生物膜和水。对于效率， 希望为细菌的生物化学过程的需氧量提供有效的气 泡大小和充足的空气， 而不是通过提供多于需要的空气浪费能量。本领域技术人员为此目 的能够确定合适的通气水平。
尽管图 1( 以及本文的其他图 ) 中描述的嵌板 10 显示没有垂直表面， 本发明的生 物膜嵌板可以是垂直的或配置成具有垂直边。 然而， 优选具有倾斜或非垂直表面的嵌板， 以 不断迫使气泡 22 上升时沿着生物膜 16 的表面， 而不允许气泡偏离那些表面。相对小的非 垂直角度足以提供该功能。例如， 图 1 中显示的嵌板 10 具有偏离垂直约 2-3°的角度。相 信甚至更小的角度仍然可以提供想要的气泡接触时间益处。同时， 更大的角度 ( 即， 更接近 于水平的表面 ) 会趋向于减缓气泡上升的速度， 因此增加气泡与生物膜的接触时间。对于 较浅的废水池， 或为了其他原因， 这是想要的。
不规则的表面也可以帮助提供想要的气泡接触。例如， 通气结构或嵌板在其整个 结构中可以具有不平坦的表面、 凹陷或空隙。 当表面不规则或有缺陷时， 那么缺陷可以在嵌 板中提供小的微气候。例如， 通过拥有与整个嵌板不同角度的小区域或通过在嵌板表面上 提供小的非倾斜或非垂直区域来产生这些微气候。
上升的气泡 22 在污染水中也产生了箭头 23 表示的流型， 将污染水沿生物膜表面 16 从污染水体底部拉起， 并由此增强循环， 以促进高水平的废水处理。因此， 用富合营养物 的污染水持续流 ( 除所需氧气外 ) 供应给生物膜。
通气结构也可以具有位于通气结构的空隙或中空区内的额外结构。 可在通气结构 附近提供高表面积 - 比 - 体积结构 102， 在此结构上可以形成生物膜层。 通气系统提供的一 些气泡可以穿过高表面积结构。 高表面积结构可定位在或套装在第一个和第二个通气结构 之间或第一个和第二个壁之间， 如图解的。 在不同的通气结构构型中套装高表面积 - 比 - 体 积结构的备选构型会在下文进行讨论。
在图 1 中， 高表面积结构图解为立方体型 102 结构， 其中立方体内部部分含有延 伸至立方体内并交织以提供大量表面积的塑料指状物。高表面积结构不限于立方体形状， 并可以是任何其他合适的形状。例如， 阐明了用于高表面积结构的三角形 104。高表面 积 - 比 - 体积结构可以是其中表面积是结构体积的 2 倍至高达 150 倍的结构。例如， 一米 的立方体结构可含有高达 150 平方米的表面积用于生物膜生长。
可用于提供高表面积 - 比 - 体积比值的材料类型可包括轻的塑料填充物、 海绵、 松弛的缠绕细丝、 松弛的针织粗丝、 或其他类似的高表面积材料。在一个实施方案中， 可 使用剁碎的塑料 ( 例如， PVC)、 剁碎的轮胎、 模制再循环塑料、 或其他材料。除了高表面 积 - 比 - 体积材料， 也可使用高表面积 - 比 - 重量填充介质。 高表面积 - 比 - 体积结构可由固定器固定在位。可使用的固定器的类型可包括， 但不限于， 网 106 或一个或多个凸缘 108， 如图 1 中图解。 导网可以穿过高表面积结构， 然后 系到通气结构的一部分上， 以将高表面积结构固定在位。 如所提及的， 在通气结构底部也可 以是固定器结构， 如多个凸缘或格栅结构。或者， 可以具有从通气结构延伸出来的钉子， 高 表面积结构可以插入其中并悬挂在位。
使用具有相比较低体积的高表面积结构与通气结构组合提供了多种环境， 其中可 产生生物膜。一种类型的环境是通气系统使用气泡产生的需氧环境， 所述气泡使得需氧细 菌能够在高表面积 - 比 - 体积结构的生物膜游离表面上生长并且在靠近水下结构基底的生 物膜的减少的氧合区域中促进厌氧菌生长。高表面积结构还可以是适当通气区域， 因为一 些气泡会容易地流经该区域， 以提供氧气。最后， 通气结构的内壁 ( 或对面壁 ) 附近的生物 膜环境可以基本上缺氧， 因为该区域不直接通气。 在一些构型中， 可产生厌氧区域。 尤其是， 形成具有变化氧含量的不同区域产生了 ： 高度通气区域、 中度通气区域和非通气区域。 这些 区域允许多种细菌在各区域中生长。
因为溶解氧在水下表面和填充介质内不均匀分布， 所以产生了复杂的多通气系 统， 其允许不同的细菌类型在污染水中生长并消耗多种不想要的物质。 尤其是， 需氧区域具 有可以消耗含碳物质并将碳转化成二氧化碳 (CO2) 的细菌。也可从废水中去除氨。首先， 在需氧区域中发生需氧硝化。然后， 发生缺氧脱氮作用， 其输出氮气 (N2)。因为气泡在污染 水中垂直于通气结构移动， 所以它们增强所希望的生物学过程。
水下通气结构可具有粗糙表面 10， 以促进生物膜生长。一个粗糙表面的实例是其 中砂粒附着到或直接形成通气结构， 以提供更大的表面积用于生物膜生长。 当然若需要， 可 在通气结构上产生其他类型的不均匀表面或粗糙表面。 也可将这些天然发生的细菌的起始 菌落引入系统中， 以增加生物膜成熟的速度。 例如， 起始细菌可涂布或埋入通气结构的表面
或泵到通气结构体或污染水体内， 以加速想要的生物学过程。 此外， 帮助促进细菌菌落快速 生长的外部营养物可加入到废水中， 以刺激细菌的形成。
可通过直射阳光抑制生物膜 16 中的硝化细菌。因此， 在图 1 的实施方案中， 可通 过阳光屏障 28 覆盖水下嵌板 10 的组件。阳光屏障可以是屋顶、 盖子 ( 如在污染水表面上 漂浮的盖子 )， 或任何相当的结构， 其屏蔽水下生物膜免于阳光 ( 由箭头 30 表示 ) 照射。光 屏蔽的环境促进硝化细菌的生长， 并防止藻类生长。水下嵌板的其他实施方案也帮助屏蔽 生物膜免于阳光照射， 如下文所讨论。
嵌板 10 的大小可在宽范围内变化。在与图 1 和 2 一致的实施方案中， 生物膜嵌板 可以约 2 英尺高。 然而， 该系统可用于任何深度的污染水体， 仅受细菌存活力的限制。 例如， 相信本系统可适合于利用适当的细菌处理盐水或海水。因此， 可将嵌板制成需要延伸到想 要的深度的任何大小。
在深废水池中， 可使用长的嵌板， 其中在嵌板中间深度使用空气出口 99 或氧合附 着， 可以仅氧合顶端部分， 如图 5 中阐明。当然， 空气出口可以更朝着嵌板的顶部或底部或 如希望的中间的任何地方。该构型可促进嵌板较低部分上的缺氧条件， 以及嵌板较高部分 的需氧条件， 其导致在单个嵌板上具有多种环境。 因此， 不同类型的细菌可在这些不同区域 中生长。
然而， 实际上， 大多数废水处理在相对浅的废水池或贮水池， 如图 3 和 4 中所示的 废水池 32 中进行。在此类废水池中， 下表面 34 通常由已经在废水中沉降下了的疏松沉积 物和固体层 36 覆盖。一般想要将生物膜嵌板排列在该沉积物层上面。嵌板可延伸到污染 水的上表面上， 但却不需要这么做。 在冬季冰覆盖废水池系统的地区， 结构可以浸没在其中 形成冰层的水平面之下， 或可以足够重和 / 或强， 当被风驱动的冰推动时仍然固定在位。污 染水的循环也可阻止在通气结构及其顶部排气口周围形成冰。然而， 废水池中的污染水水 平可以波动， 嵌板可配置成具有这样的高度， 其对应于至少最小污染水的水平。
在图 3 和 4 中所示的废水池系统中， 搁在废水池 32 底部 34 上的各框架或支架 40 上支撑水下生物膜嵌板 10 的多个组或多个模块 38。这些嵌板组全部由导向压缩空气源 26 的压缩空气管道 24 相互连接。没有显示操作通气系统需要的电源、 控制装置、 压力调节器 和其他组件， 但是其用途和说明书在本领域技术人员的知识范围内。 也显而易见的是， 根据 各嵌板下端的压缩空气管道 18 的浸入深度和用空气供应的通气结构的数量或大小， 压缩 机或其他压缩空气源能够提供合适压力和体积的空气。
多个模块 38( 各自包含生物膜嵌板 10 的一个装配支架 40) 可以期望的间隔置于 现有废水池中， 然后相互连接到压缩空气源 26 上， 以开始操作。若需要， 可用细菌装载废水 池或各通气结构， 然后细菌定居后， 流经废水池的废水中的废物会被连续去除。
尽管图 1-5 中所示的生物膜嵌板 10 具有平面侧边的楔形构型， 但也可以使用其他 构型。 嵌板可以是任何合适的几何形状， 并不限于所阐明的实例， 并包括具有垂直或非垂直 排列的弯曲或扁平表面的任何几何形状， 气泡系统用以提供气泡沿该表面移动。 优选地， 支 撑生物膜的表面不是水平的， 也不是垂直的， 以便上升的气泡沿表面移动。
如图 5 中所示， 作为一个实例， 基本上平面的生物膜嵌板 42 在组内可以定位在一 定角度并套装在一起。各嵌板在其较低的远侧端包括空气管道 44， 允许气泡 22 释放， 上升 到嵌板的表面。这些单个嵌板可由类似于参考图 3 所示和所述的可沉入水中的框架支撑。可在通气结构附近提供高表面积 - 比 - 体积结构 41、 43， 可在其上形成生物膜层。如阐明， 高表面积 - 比 - 体积结构可以是松弛的区块 43 或这样的结构， 形成所述结构以安装在通气 结构 41 的层之间。
图 5 中所示的构型可以提供若干优点。 首先， 以间隔 D 放置水下嵌板 42， 所述间隔 D 足够的小， 以允许各嵌板的上部分帮助阻断来自邻近嵌板表面的阳光 30。此类构型可减 少或消除额外光屏蔽的需要。此外， 相信间隔 D 的充分减少可允许空气 22 氧合嵌板的向下 表面 46， 并至少部分氧合邻近嵌板的对侧向上表面 47。这可允许平面嵌板的两个表面支撑 细菌的生物膜 16， 因此可能增加各嵌板的有效性。
或者， 本发明的生物膜嵌板可以其它形状形成， 如弯曲表面、 椭圆形、 伸长的外壳、 抛物线外壳或其它弯曲倾斜的表面， 其配置用于浸没在污染水中。例如， 在图 6A 和 6B 所 示的一个实施方案中， 水下生物膜外壳包含半球体或部分圆顶 48， 其在顶部具有开口 50， 以允许气泡 22 逃逸。可配置半球体， 以安置在废水池底部 34 上的支架 52 上， 在外壳底部 周围排列着压缩空气管道 54 以提供气泡。希望将半球体的底部置于废水池的底部上面， 以允许污染水循环， 如箭头 23 所示， 并进入半球体的下端。可在通气结构附近提供高表面 积 - 比 - 体积结构 51， 在所述结构上可形成生物膜层。 半球体 48 天然地保护其内表面 56 免于阳光 30 照射， 以便细菌的生物膜 16 可在 其上生长。空气管道 54 中释放的气泡 22 沿内表面向上移动， 为细菌提供了氧气并帮助循 环污染水， 直至到达顶端开口 50， 在这里气泡自然地上升至污染水的表面 58。外壳的使用 对其中不实际或不想覆盖整个废水池来阻挡阳光的情况是令人期望的。 可将多个外壳置于 废水池中， 并且其自身的几何形状为细菌的生长提供了适当的条件。
半球形外壳构型可包含模块 59 中的多个套装的集中排列的半球形外壳， 如图 6A 和 6B 中所示。像其他外壳 48， 内壳 48a 和 48b 各自通过其自身的结构和邻近的外壳被屏蔽 免于阳光 30 照射。尽管显示了仅两个内壳， 显而易见的是套装外壳的数量不限于该数目。 这些套装的外壳可支撑在同一支架 52 上， 并且全部以与外部外壳相同的方式起作用来为 细菌提供生长表面， 并为细菌提供氧气。此外， 因为具有图 5 的套装嵌板， 可将套装外壳放 置得足够接近， 以至于硝化细菌可在内部套装外壳的外表面上繁殖， 并增加系统的性能。
或者， 套装外壳可支撑在如图 6C 中所示的闭合基底结构上。为了克服通气结构和 高表面积 - 比 - 体积结构 1640 内气泡流产生的浮力， 结构的一些实施方案可具有底部分 1600， 其直接位于废水池的底部， 并且底部分可附着到较高部分 1610 上， 并且底部分可作 为锚定结构起作用。 可用填定物 1620， 如沙、 水泥砖、 岩石、 倾注水泥或其他相对重的物品来 压低通气结构。该底部分或锚定结构可具有直径为一英寸或多英寸的洞 1630， 并且该洞可 允许液体流经底部分。基底高度可以仅少许英寸， 或高达期望的少许英尺。可以任何外壳 形状 ( 例如， 锥体、 半球体、 立方体、 导管等 ) 应用闭合的基底结构。基底可通过任何已知的 方法附着到外壳上。 例如， 可使用热焊接、 机械扣件、 螺钉、 胶水或其他固定方法将基底附着 到外壳上。此外， 基底结构可制备成与外壳一体的单个结构或单个单元。搭接带可附着到 基底上， 然后附着到废水池地板上， 以稳定通气结构。
除了弯曲的外壳， 也可使用不弯曲的外壳。图 7A 和 7B 中显示的是锥形外壳 60。 像半球形外壳 48， 锥形外壳在其顶部包括开口 62， 以允许气泡逃逸， 并且锥形外壳支撑在 废水池 32 底部 34 上的支架 64 上， 其中空气管道 66 排列在外壳的底部。外壳的外表面 68
阻挡了阳光 30， 允许硝化细菌的生物膜 16 在内表面 70 上生长。空气管道释放的气泡 22 上 升至基本上平面的内表面上， 如箭头 23 指示， 为细菌提供了氧气并循环了污染水。
如具有半球形外壳模块 59， 锥形外壳模块 69 可包含套装的外壳， 如图 7A 和 7B 所 示。内部锥形外壳 60a 和 60b 各自通过其自身结构和邻近的外壳受到屏蔽免于阳光 30。尽 管显示了仅两个内壳， 但套装外壳的数量不限于该数目。这些套装外壳支撑在支架 64 上， 并以与外部外壳相同的方式起作用。如图 7B 显示， 图解的锥形外壳可具有基本上正方形的 平面形状， 其可以使得它们比半球形外壳空间上更充足。包含基本上扁平的嵌板组分的这 种形状也更易于制造并且更廉价。也可在通气结构附近提供高表面积 - 比 - 体积结构 61， 在其上可形成生物膜层。
尽管显示了两种形状的外壳和套装外壳， 显而易见的是也可以使用其他形状。例 如， 可使用圆锥形外壳或一系列套装圆锥形外壳。也显而易见的是可使用非半球形弯曲外 壳， 并可选择这些对气泡 22 上升速度的影响。 因为半球形外壳 48 提供弯曲的内表面 56， 气 泡 22 上升的速度会随高度而发生改变。这可提供气泡与生物膜不同区域的不同接触时间。 然而， 可选择外壳的形状， 来提供气泡不同的上升速度。 例如， 除了半球形外壳， 也可使用椭 圆形、 抛物线形或双曲线弯曲的外壳。也可使用其他弯曲的和不弯曲的形状。 可在多种情况中使用合并水下通气生物膜模块的系统， 以从污染水中去除不想要 的化合物。 如下文中更详细地描述， 该技术可适合于分批处理应用， 其中包含固定体积的污 染水并对其进行处理一段时间。 然而， 相信也许最常用的应用会是在恒流废水处理池中， 尤 其是最初设计为非通气废水池的废水池中。可将此类废水池配置成图 3 和 4 中显示的土制 废水池 32。或者， 具有垂直侧壁的混凝土衬砌的废水池， 甚至地上贮水池、 槽或盆可适合于 处理本发明的污染水。实际上， 本发明可应用到任何污染水体中。
图 3 和 4 的废水池是流通或恒流系统的一部分， 其中流入液通过入口 72 进入废水 池中， 并且流出液通过出口 74 连续流出。通常控制此类废水池的大小， 以允许污染水位于 废水池中用于期望的处理。 本领域的技术人员将能够计算具有给定流速的废水池需要的水 下通气生物膜模块的量。
图 7C 阐明了第二个通气结构 70， 其具有通过管道 74 垂直连接第一个通气结构 75 的出口的第二个通气结构的入口 72。 这使得污染水能够使用空气提升作用以垂直方式循环 通过两个通气结构。
图 7D 图解了第二个通气结构的俯视图， 其具有水平连接第一个通气结构 77 的出 口 78 的第二个通气结构 76 的入口。因为污染水移动通过废水池， 那么污染水可连续移动 通过这些邻接的通气结构。箭头 79 指示污染水通过图 7D 中的通气结构的整体运动。
在图 8 和图 9 中显示了备选的恒流处理构型。图 8 显示的是水下通气生物膜处理 系统， 其包含在开放流动废水池或贮水池 80 中排列的多个水下半球形模块 59。 污染水通过 入口 82 进入废水池中， 并随着向出口 84 移动而逐渐流向并流经水下生物膜模块。水下模 块面向出口分组， 以提供面向入口的沉降区域 86。 该沉降区域提供了这样的区域， 其中悬浮 的固体和有机物质可在碰到水下生物膜模块之前沉降出污染水。 这帮助降低污染水到达水 下模块时污染水中有机物质的水平。
图 9 图解了包含具有一系列挡板 92 的槽形废水池 90 的备选恒流处理系统， 所述 挡板迫使污染水沿蜿蜒途径从入口 94 流向出口 96。 水下半球形模块 59 顺序排列通过废水
池， 因此引起污染水随着经过废水池而穿过各模块。 像图 8 的开放流动废水池 80， 槽形废水 池 90 在其入口附近包括沉降区域 98， 以提供这样的区域， 其中悬浮的固体和有机物质可在 碰到第一个水下生物膜模块之前沉降出污染水。所阐明的通道可以是沿流线的可变宽度， 以调节通气设备中及其周围的滞留时间。
回路通道也可包括通气系统， 其在污染水体中形成通气区域。 在一个实施方案中， 多个通气结构 1014 可定位在回路通道中， 如图 10 所阐明。至少一部分回路通道可具有形 成通气区域的通气系统 1010。 此外， 也可具有回路通道的至少第二部分， 其将没有通气系统 1012。当然， 还具有多个通气区域和多个非通气区域， 如所希望的。通常具有若干通气区域 和非通气区域， 以允许发生合适的细菌过程。 因为污染水以低速穿过回路通道， 那么各区域 中不同类型的细菌将会消耗污染水中含碳、 含氮和含磷的化合物， 如先前讨论。
多个通气区域的使用提供更需氧的区域和缺氧的非通气区域。 具有通气系统的回 路通道的部分可形成细菌区域， 其中需氧菌建群在生物膜表面上以利用溶解氧 (DO)。没有 通气系统的回路通道的部分可形成这样的区域， 其中厌氧菌形成菌落。
在系统的一个实施方案中， 通气区域可具有不同量的 ( 溶解氧 )DO。例如， 回路通 道的第一部分可以是高度通气的， 而回路通道的第二部分可具有中等量的 DO。然后回路通 道的第三部分可具有少量的 DO。最后， 回路通道的第四部分可是缺氧的或甚至厌氧的。 因为溶解氧在各区域之间不均匀分布， 这帮助产生复杂的多区域系统， 其允许不 同的细菌在不同的区域中生长， 并分解不想要的物质。区域变化也可与通气结构自身内的 不同区域组合工作。更尤其是， 通气区域中的这些变化可与定位在通气结构和各通气结构 内表面和外表面中的高表面积 - 比 - 密度结构组合工作， 如先前所描述。
在图 10 的废水池使用的备选过程中， 区域可以是移动的通气区域。这表示通气可 以与污染水整体穿过通道或蓄水池的相同速率穿过区域。或者， 通气区域可以比整体污染 水运动速率快或慢的速率移动。 这样， 当整体污染水到达系统末端时， 出水可含有减少的污 染物或高浓度的污染物。
在图 11 中图解了具有区域的通气系统的备选构型。这图解了没有回路系统的通 气区域。尤其是， 通气区域 1110 和非通气区域 1112 没有分隔区域的壁， 但是随着污染水缓 慢地从入口 1114 流向废水池或贮存槽的出口 1116， 其经过这些不同区域。 图解的区域一直 通气或一直不通气。 这样， 污染水的整体运动用于移动污染水通过通气的和非通气的区域， 因此不同的污染物可在不同的区域中被消耗。
可在废水池或贮存槽的出口 1116 加入再循环通道 1120， 其将系统的输出物直接 再循环至废水池的入口 1114。 使用再循环通道增加了细胞再循环和停留时间。 如果处理废 水池或通道经历意外的毒性休克 ( 其损坏了生物膜并且大多数细菌受到抑制 )， 这可以帮 助系统恢复。换言之， 再循环系统可帮助加速生物膜从毒性休克的恢复。此外， 可通过再循 环稀释污染物的水平。 尤其是， 再循环通道允许污染水被系统再处理， 并且这可导致每次污 染水经过系统时水更清洁。该再循环结构可应用到本文描述的任何废水池或通道结构中。
图 12 图解了这样的实施方案， 其中配置通气系统， 在第一时间期限内向废水池或 贮存槽 1220 提供通气， 然后在第二时间期限内关闭通气系统。在该构型中， 同时打开或关 闭废水池的所有通气系统。打开通气系统使得通气结构 1222 上的生物膜从废水中有氧吸 收磷酸盐化合物。在有氧期间处理的污染水可通过主要的排出管道 1224 排出。污染水体
中的通气系统关闭后不久， 磷酸盐化合物从生物膜中流出， 并可通过第二个排出管道经过 阀 1226 进行转向， 并保持在单独的驻留废水池 1228 或蓄水池中。
随时间流逝， 厌氧和需氧条件之间交替的循环 ( 打开空气 / 关闭空气 ) 可触发多 磷酸盐积累生物 (PAOs) 在需氧条件下从污染水中吸收并去除磷。更尤其是， 随着污染水通 过管道化的系统， 通过在需氧条件和厌氧条件之间循环来触发 PAOs 以去除磷。稍后当强加 厌氧条件时， 相同的生物体会排出磷酸盐化合物。当满足某些条件时， 因为之前从磷饥饿， 这些生物体可以贪婪的吸收方式吸收额外的磷。这可导致甚至更大量的磷从系统中被去 除。
通过在厌氧期间将含有排出的磷化合物的流出物转向收集废水池中， 同时在需氧 吸收期间允许流出物正常地排出， 来将这些时序应用到整个废水池系统中。
或者， 时序可应用到废水池系统的部分中， 通过管道壁和阀系统控制所述废水池 系统。例如， 这允许废水池的一半被通气， 而另一半不被通气。因此， 这允许废水池的一部 分分流到磷收集废水池中， 同时废水池的其他部分以通气模式继续。然后该过程会转换到 相反的边。
吸收和去除磷的这些时序可在几天或几周内发生。例如， 通气发生的时间期限可 以是一周， 然后从蓄水池中去除磷的时间期限可以是一天。 或者， 通气期限可以是 3 到 4 天， 磷去除期限可以是 8 小时。可改变这些期限， 以优化通气和去除期限， 如期望。
在一个实例中， 需氧循环可以是通气和需氧 6-12 小时的许多循环， 和非通气 6-12 小时的许多循环。循环时间的其他实例是 3 小时循环、 18 小时循环或 24 小时循环， 其取决 于处理水的污染程度。当基于污染物的浓度经过适当数量的通气和非通气循环时， 细菌微 气候经历从需氧到缺氧多次的改变。最后， 厌氧循环可延长至整个 24 小时。这导致磷酸盐 化合物的流出， 其然后如描述被分流。
废水池和水下斜面和填充材料的 (i) 滞留时间， (ii) 通气分布， 和 (iii) 有机填 充物的量和空间分布的变量直接影响氮、 磷和碳化合物的污染物的去除。可在期望去除的 化合物基础上修改这些变量的每一个。
图 13 图解了从液体中去除不想要的物质的系统。在该实施方案中， 加热器可定位 在通气结构附近， 配置所述加热器以为生物膜提供较温暖的环境。该加热器可以是定位在 通气结构底部的水加热器 1002。可配置水加热器以加热水， 其会向上通过通气结构并促进 生物膜生长。
图 14 图解了可将热源置于通气结构 1102 的内壁表面上。为描述性目的， 已经夸 大了热源厚度的这种说明， 但加热器可以是带状线加热器、 扁平陶瓷加热器或另一有些扁 平的加热器， 其可置于通气结构上。或者， 电加热元件 1104 可嵌入通气结构的材料中， 并可 配置来加热通气结构， 依次加热周围的污染水。 在一个实施方案中， 空气供应系统中的空气 热源可提供加热的气泡， 其穿过通气结构内的通道， 促进生物膜生长。以类似的方式， 空气 通道可刻到通气结构的表面中， 以引导促进生物膜生长的加热气泡。该加热作用也可抑制 通气结构顶部的冰形成。
在备选实施方案中， 也如图 14 所阐明， 热源可以是与太阳热能收集结构 1106 连接 的太阳能加热器。太阳热能收集结构 1106 可以附着到， 或定位在这样的区域附近， 其邻近 通气结构 1102。这允许太阳能加热器加热通气结构附近的污染水， 以提高污染水的整体温度， 而不会将阳光指向通气结构自身上， 其会杀死细菌。
此外， 太阳加热的污染水可穿过在通气结构下面通行的卷曲管道。这使得污染水 能够以环境友好的方式被加热。 类似地， 光电太阳能收集装置可用于收集电， 其然后会用于 驱动气泵。 同样， 风车可用于向空气供应系统提供动力， 以在连续倾斜的表面底部注射压缩 空气。
图 15 图解了配置成在一个实施方案中使用多个倾斜导管或管道的通气系统。空 气被泵入通过多头导管 1202， 并且可从多个喷口离开进入导管或管道的第一个末端 1204。 可使用多种斜面或对斜面的修改。导管或管道可具有 θ(θ) 的倾斜角度， 并且导管的倾斜 可以从 0 度变化至 90 度。气泡可对着具有生物膜包被的导管或管道的倾斜表面移动， 然后 气泡可从导管的对面末端 1206 离开。
图 16 图解了配置成在本发明的实施方案中使用多个套装倾斜导管的通气系统。 套装的倾斜导管以图 15 中描述的类似方式运行。可将空气导向各套装导管， 或者空气输出 量可展开， 然后随着气泡被各导管捕获， 空气输出物穿过导管。导管的倾斜角度 θ(θ) 可 从 0 度变化至 90 度。
图 17 图解了配置成使用多个倾斜或水平套装导管的通气系统。在该实施方案中， 显示了导管的上半部分， 但也可以使用满半径导管。可提供具有一组洞 1402 的区域 1404， 以从导管中释放气泡。 或者， 可在这样的位置中切出多种大小或长度的一个或多个洞， 其中 显示了为气泡提供逃逸的洞。如先前所述， 使用定位在通气结构的两个或多个壁之间的具 有高表面积 - 比 - 体积和 / 或重量比例的材料 1406 增加水下表面上可用于生物膜生长的 区域。套装导管的倾斜角度 θ(θ) 可从 0 度变化至 90 度。
图 18 图解了在本发明的实施方案中， 指导空气和污染水通过不同途径从通气结 构中离开的转换机制。指导开关 1502 可为气泡以及气泡移动的污染水提供两条或多条途 径。在第一种构型中， 开关可允许气泡直接逃逸到表面 1504。在第二种构型中， 离开的气 泡和污染水可进行再循环， 并回到同一个通气结构 1506 中。在第三种构型中， 离开的气泡 和污染水可导向另一水下装置的入口， 或单独的废水池或流出物通道中。多个开关结构允 许操作者指导离开的污染水和气泡直接进入大气中， 进入同一个通气结构中用于额外的处 理， 进入姊妹通气单元中， 或转移处理的空气、 污染水和细菌细胞到其他结构 1508 中， 并且 这可帮助控制气味。指导开关可以是被动开关， 其使用被动空气提升器来移动空气和污染 水通过开关， 或者指导开关可以含有电机驱动的机械泵 ( 例如， 涡轮 ) 来驱动污染水通过另 一通气结构或将污染水再循环回到同一结构中。
图 19 是本发明实施方案中气泡提升器的侧面横断面图。提供空气供应 1606 以向 十字头导管 1602、 1604 供应气泡。空气供应可进入导管 1608 弯头处或其附近的导管中或 可在导管的出口处提供气泡环 1610。该空气提升器为十字头导管提供了一类抽吸作用， 并 且可使得污染水能够通过导管被抽起。 尤其是， 可从导管入口抽出污染水， 所述导管位于通 气结构不同距离和角度。当然， 如果需要， 也可在导管入口导入空气。
在图 20 中图解了导管可被称为十字头导管的原因， 所述图 20 是图 19 空气提升器 实施方案的俯视图。设置十字头导管的入口位置远离通气结构， 以使得能够将额外的污染 水抽进通气结构中， 并且这可以向通气结构中带入额外的营养物和接种细菌。这些十字头 导管帮助从多个地方供应污染水， 以接种通气结构。导管的水平部分也可用于使用在水平导管中形成的细菌菌落捕获磷化合物。尤其是， 水平导管部分中的碳源和厌氧环境可提供 这样的环境， 其中细菌希望吸收磷化合物。此外， 污染水提升器利用气泡程序， 其已应用于 产生在废水池或通道中混合的额外水。
十字头导管也可用于从废水池的其他地方抽取污染水。例如， 十字头导管可从通 道或废水池的末端抽取污染水， 以将水再循环回到通道或废水池的开始端。 或者， 十字头导 管可在通道或废水池的末端具有入口， 以允许细菌菌落从该区域中被吸取， 这使得在处理 过程开始时更快地吸取细菌菌落。
如上指出， 水下模块的通气系统引起模块周围的污染水以较低的水平被抽取， 并 在模块顶部被放出。该特征有利地帮助促进污染水的彻底处理， 而不是允许污染水的一部 分与出口短路而没有得到彻底处理。 即， 随着给定体积的污染水通过水下模块， 与该模块相 关的气泡上升运动产生的底部 - 至 - 表面流会趋向于混合并循环所述体积的污染水， 以便 最终将大部分污染水抽提到模块中， 并将其与细菌接触。将混合并分散给定模块实际没有 处理的这部分体积， 从而可能通过随后的模块进行处理。因此， 随着污染水流向出口， 整个 体积在途中被处理的可能性很高。 特别设计管道化的废水池构型来增加污染水被彻底处理 的可能性。无论如何， 随着时间流逝， 未处理水的体积变成整个体积的小百分比。 废水池系统的一个优点是低维护和操作成本。 水下生物膜模块非常适合该操作方 案。它们基本上是被动装置， 其一旦就位， 很少需要进行维护， 除了空气供应。因为它们是 模块化的， 可向废水池中一次加入少数装置， 直至达到想要的处理水平。
本发明在几个方面是有益的。 首先， 有气味的氨水浓度降低了， 并且被更温和的硝 酸盐代替， 所述硝酸盐最终转化成无毒的氮 N2。极大降低了废水的生化需氧量 (BOD)。在 废水池中发生混合， 其减少垂直成层， 并使得污染物去除更连贯。 通过其通气系统天然产生 水循环的物理屏障 ( 水下模块 ) 的存在， 也可简单地降低废水从入口到出口的短路。对于 动物操作， 当处理的废水池水返回用于车库冲洗， 更清洁的废水池流出物会提高空气质量， 并降低对新鲜加价水的需要。
本发明可用于处理许多类型的污染水体。 例如， 该系统可用于处理来自养鱼场、 水 族馆、 贮水池、 河口、 氧化沟渠、 饲育场澄清池、 垃圾场 ( 即， 垃圾场浸出液 )、 收集废水 ( 市区 的和工业的 ) 的各容器的污染水或液体， 或其他液体。此外， 系统和装置可用作一系列线性 过程和构型的部分。这表示因为大量多样的潜在可用细菌， 该系统和方法能够提高几乎任 何污染水体的质量。
应理解的是上文参考的安排仅为说明本发明原理的应用。 可设计许多修改和备选 安排， 而不背离本发明的精神和范围。 尽管已经在附图中显示了本发明， 而且上文利用与目 前认为是本发明最实用和优选的实施方案相关的特性和细节完全描述了本发明， 对本领域 技术人员显而易见的是可进行许多修改， 而不背离本文阐明的本发明的原理和概念。