用於增強廢水處理過程的系統和方法與流程
2023-07-04 10:23:32 1
相關申請
根據35U.S.C.§§119、120、363、365以及37C.F.R.§1.55和1.78，本申請要求9月8日提交的序列號為No.12/584,545的美國申請的優先權，其通過引用併入本文。
技術領域
本發明涉及用於增強廢水處理過程的系統和方法。
背景技術：
市政和工業廢水處理設施通常包括一級、二級和三級過程來處理廢水，以除去汙染物(例如，懸浮的固體、可生物降解的有機物、磷、氮、微生物汙染物等)，以提供淨化的流出物。所述淨化的流出物通常須遵守嚴格的地方、州和聯邦法規。
一級處理過程通常包括篩選、沉砂池和/或一級澄清器，以除去大的固體和其他懸浮物，以提供一級流出物。活性汙泥是一種類型的二級處理，其利用含有大量微生物的生物反應器，所述微生物攝入所述一級流出物中的汙染物以形成生物「絮凝物(floc)」。通常將氧氣送入生物反應器以促進這些微生物絮凝物的生長。一級流出物(或在一些情況下，原汙水)與生物絮凝物的組合通常稱為混合液。在所述混合液中的微生物的群(population)或濃度通常被稱為混合液懸浮固體(MLSS)。
在生物反應器中經過充分的處理之後，混合液中的生物絮凝物隨通常後被送至二級澄清器，其中生物絮凝物通過重力從混合液中分離以提供二級流出物和沉降汙泥。二級流出物或「淨化的」流出物可排放迴環境中或通過額外的三級處理過程進行處理。二級澄清器中的沉降汙泥中的大部分通常通過活性汙泥返回子系統而被再循環回到生物反應器。剩餘的過量汙泥從系統中廢棄以控制混合液懸浮固體的濃度。
然而，從二級澄清器中的混合液中分離生物絮凝物是很困難的，因為所述生物絮凝物僅比水略重，因而其沉降緩慢。因此，典型的活性汙泥法的第二澄清器經常是採用活性汙泥作為二級過程的多數廢水處理過程中的瓶頸。因此，從二級澄清器中的混合液中分離生物絮凝物的關鍵的固體分離步驟通常是限速過程，其受多種因素的控制，最顯著的是生物絮凝物的比重或密度。
而且，由於沉降問題，尤其是由下述原因引起的沉降問題：絲狀生物體的過度生長、由動膠菌生物體的過度生長或胞外的多糖物質所引起的粘性膨脹、針狀絮凝物、離散的絮凝物、第二澄清器上過多的固體負載、過度的二級澄清器表面溢出率等，典型的活性汙泥法中的二級澄清器中的固體分離可能不可靠。
序批反應器(SBR)系統也可用於處理廢水。典型的常規SBR系統包括含有大量微生物的一個或更多個序批反應器，所述微生物攝入流出物廢水中的汙染物以形成生物絮凝物並處理所述廢水。然而，在典型的常規SBR系統的沉降期期間，生物絮凝物緩慢沉降，原因是其僅比水略重。因為上文中討論的多種類型的沉降問題，沉降期中的固體分離液也不可靠。這可導致處理能力降低和/或有效品質受損。
處理廢水(例如，來自釀酒廠、藥廠、食品加工廠、紙漿和造紙設施、乙醇生產設施等的廢水)的另一種方法是使用厭氧處理反應器。厭氧處理反應器產生含有微生物群的厭氧環境，所述微生物攝入流出物廢水中的汙染物以形成生物絮凝物並處理所述廢水。廢水通常從厭氧處理反應器的底部附近送入，並進入汙泥層中，所述微生物在該處消耗其中的廢物。在操作中，被送入厭氧處理反應器底部的廢水向上流過厭氧汙泥層，以處理所述廢水。
然而，如果流出物廢水的流速太快，則厭氧汙泥層可膨脹並變得分散。其結果可能是被處理的流出物中微生物的過度損失，這可使經處理的流出物的品質受損。
技術實現要素：
本發明的特徵是用於增強活性汙泥法的系統，其包括至少一個生物反應器。增重劑浸漬子系統連接至生物反應器，用於混合生物絮凝物和增重劑，以使增重劑浸漬進入生物絮凝物以形成增重的生物絮凝物。增重劑回收子系統配置為從增重的生物絮凝物中回收增重劑，並將回收的增重劑再次引入增重劑浸漬子系統。
在一個實施方案中，增重劑回收子系統可包括分離器子系統，用於從增重的生物絮凝物中分離增重劑。分離器子系統可包括剪切磨機(shear mill)。分離器子系統可包括離心分離器。分離器子系統可包括超聲分離器。分離器子系統可包括剪切磨機和離心分離器。分離器子系統可包括超聲分離器和溼鼓磁性分離器。分離器子系統可包括超聲分離器和離心分離器。剪切磨機可包括轉子和定子，其中轉子和/或定子包括狹槽(slot)，其尺寸使得增重劑從增重的絮凝物中的分離最佳。增重劑浸漬子系統可包括增重劑儲槽和至少一個管線。增重劑浸漬子系統可包括增重劑進料器子系統，其配置為控制增重劑從增重劑儲槽向增重劑浸漬槽的遞送速率。增重劑進料器子系統可包括氣動增重劑進料器子系統。氣動增重劑進料器子系統可包括設置在增重劑儲槽內部和至少一個管線內部的選定區域上的多孔介質。氣動進料器子系統可以配置為遞送受控的壓縮空氣供給至多孔介質以調節流化，並將增重劑遞送至增重劑浸漬槽。增重劑浸漬子系統可包括浸漬槽和至少一個混合器。增重劑浸漬子系統可包括文丘裡混合器/噴射器式混合器(eductor)。增重劑中的大部分可具有小於約100μm的顆粒。增重劑中的大部分可具有小於約40μm的顆粒。增重劑中的大部分可具有小於約20μm的顆粒。增重劑可包含磁鐵礦。生物反應器可包括至少一個曝氣池和/或一個或更多個序批反應器，用於接收廢水流，並且用於將溶解氧引入至微生物群以由混合液懸浮固體的濃度限定的促進混合液中生物絮凝物的生長。至少一個生物反應器可以配置為至少一個厭氧處理反應器。該系統可包括絮凝劑注入子系統，其配置為將絮凝劑引入混合液以增強增重的生物絮凝物的沉降和增厚，並提供非浸漬生物絮凝物和/或部分浸漬的生物絮凝物與增重的生物絮凝物的團聚。該系統可包括至少一個澄清器，其配置為從混合液中收集增重的生物絮凝物並配置為提供二級流出物和沉降汙泥。該系統可包括活性汙泥返回子系統，其配置為將沉降汙泥中的大部分再循環至生物反應器和/或增重浸漬子系統。該系統還可包括廢棄子系統，其配置為廢棄增重劑回收子系統的剩餘的沉降汙泥，以控制混合液中微生物的群。可以通過降低廢棄子系統所廢棄的沉降汙泥的量增加生物反應器中混合液懸浮固體的濃度來增加該系統的生產能力。可降低廢棄子系統所廢棄的沉降汙泥的量，以增加混合液懸浮固體的濃度，用於增強混合液中氨的硝化。可通過增加引入至生物反應器的溶解氧的量來增強硝化。生物反應器可包括至少一個配置為從混合液中除去氮的缺氧區。生物反應器可包括至少一個配置為從沉降汙泥中除去磷的厭氧區。該系統還可包括混凝劑添加子系統，用於添加混凝劑以通過沉澱和/或混凝而除去磷。混凝劑添加子系統可向增重劑浸漬子系統和/或所述至少一個生物反應器和/或絮凝劑注入子系統中添加混凝劑，以通過沉澱和/或混凝而除去磷。增重劑比混合液可大於約1:5至1。系統二級流出物可具有小於約30mg/L的總懸浮固體濃度。增重劑浸漬子系統可位於生物反應器的下遊和二級澄清器之前。
本發明的另一個特徵是用於增強活性汙泥法的系統，其包括至少一個生物反應器。增重劑浸漬子系統連接至生物反應器，用於將生物絮凝物與具有小於約100μm粒徑的增重劑混合，以將增重劑浸漬到生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物。增重劑回收子系統配置為從增重的生物絮凝物中回收增重劑，並將回收的增重劑再次引入至增重劑浸漬子系統。
在一個實施方案中，增重劑中的大部分可具有小於約40μm的粒徑。增重劑中的大部分可具有小於約20μm的粒徑。
本發明的另一個特徵是用於增強廢水處理過程的方法，所述方法包括：a)在至少一個生物反應器中接收流入的廢水，b)在生物反應器中形成生物絮凝物，c)將增重劑浸漬到生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物，和d)從增重的生物絮凝物中回收增重劑，以將增重劑再次引入步驟c)。
在一個實施方案中，該方法可包括將增重劑從增重的生物絮凝物中分離的步驟。該方法可包括收集增重劑並將增重劑再循環至步驟c)的步驟。該方法可包括提供增重劑的步驟，其中增重劑中的大部分具有小於約100μm的粒徑。該方法可包括提供增重劑的步驟，其中增重劑中的大部分具有小於40μm的粒徑。該方法可包括提供增重劑的步驟，其中增重劑中的大部分具有小於20μm的粒徑。該方法可包括將溶解氧引入至微生物群的步驟，以促進由混合液懸浮固體的濃度限定的混合液中生物絮凝物的生長。該方法還可包括將絮凝劑引入混合液的步驟，以增強增重的生物絮凝物的沉降和增厚，並且使未浸漬的生物絮凝物和/或部分浸漬的生物絮凝物與增重的生物絮凝物團聚。
然而，在其他一些實施方案中，本發明不需要實現所有這些目的，並且本文中的權利要求書不應當限於能夠實現這些目的的結構或方法。
本發明還涉及以下項目：
(1)一種用於增強活性汙泥法的系統，其包括：
至少一個生物反應器；
連接至生物反應器的增重劑浸漬子系統，用於混合生物絮凝物和增重劑以使所述增重劑浸漬到所述生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物；和
增重劑回收子系統，其配置為從所述增重的生物絮凝物中回收所述增重劑，並將所述回收的增重劑再次引入所述增重劑浸漬子系統。
(2)項目(1)的系統，其中所述增重劑回收子系統包括用於將所述增重劑從所述增重的生物絮凝物中分離的分離器子系統。
(3)項目(1)的系統，其中所述分離器子系統包括剪切磨機。
(4)項目(2)的系統，其中所述分離器子系統包括離心分離器。
(5)項目(2)的系統，其中所述分離器子系統包括超聲分離器。
(6)項目(1)的系統，其中所述分離器子系統包括剪切磨機和溼鼓磁性分離器。
(7)項目(1)的系統，其中所述分離器子系統包括剪切磨機和離心分離器。
(8)項目(1)的系統，其中所述分離器子系統包括超聲分離器和溼鼓磁性分離器。
(9)項目(1)的系統，其中所述分離器子系統包括超聲分離器和離心分離器。
(10)項目(3)的系統，其中所述剪切磨機包括轉子和定子，其中所述轉子和/或所述定子包括狹槽，所述狹槽的尺寸為使增重劑從所述增重的生物絮凝物中的分離最佳。
(11)項目(1)的系統，其中所述增重劑浸漬子系統包括增重劑儲槽和至少一個管線。
(12)項目(11)的系統，其中所述增重劑浸漬子系統包括增重劑進料器子系統，所述進料器子系統配置為控制增重劑從所述增重劑儲槽向所述增重劑浸漬槽的遞送速率。
(13)項目(12)的系統，其中所述增重劑進料器子系統包括氣動進料器子系統。
(14)項目(13)的系統，其中所述氣動進料器子系統包括設置在所述增重劑儲槽內部和所述至少一個管線內部的選定區域上的多孔介質。
(15)項目(14)的系統，其中所述氣動進料器子系統配置為將受控的壓縮空氣供給遞送至所述多孔介質以調節所述增重劑向所述增重劑浸漬槽的遞送和流化。
(16)項目(1)的系統，其中所述增重劑浸漬子系統包括浸漬槽和至少一個混合器。
(17)項目(1)的系統，其中所述增重劑浸漬子系統包括文丘裡混合器/噴射器式混合器。
(18)項目(1)的系統，其中所述增重劑中的大部分具有小於約100μm的粒徑。
(19)項目(1)的系統，其中所述增重劑中的大部分具有小於約40μm的粒徑。
(20)項目(1)的系統，其中所述增重劑中的大部分具有小於約20μm的粒徑。
(21)項目(1)的系統，其中所述增重劑包括磁鐵礦。
(22)項目(1)的系統，其中所述生物反應器包括至少一個曝氣池和/或一個或更多個序批反應器，用於接收廢水流和用於將溶解氧引至微生物群以促進由混合液懸浮固體的濃度限定的混合液中的生物絮凝物的生長。
(23)項目(1)的系統，其中所述至少一個生物反應器配置為至少一個厭氧處理反應器。
(24)項目(22)的系統，還包括絮凝劑注入子系統，其配置為將絮凝劑引入所述混合液以增強增重的生物絮凝物的沉降和增厚並且提供未浸漬的生物絮凝物和/或部分浸漬的生物絮凝物與增重的生物絮凝物的團聚。
(25)項目(24)的系統，還包括至少一個澄清器，其配置為從所述混合液收集所述生物絮凝物，並且配置為提供二級流出物和沉降汙泥。
(26)項目(1)的系統，還包括活性汙泥返回子系統，其配置為將沉降汙泥中的大部分再循環至所述生物反應器和/或所述增重浸漬子系統。
(27)項目(1)的系統，還包括廢棄子系統，其配置為廢棄所述增重劑回收子系統的剩餘的沉降汙泥，以控制混合液中的微生物群。
(28)項目(27)的系統，其中通過減少所述廢棄子系統廢棄的所述沉降汙泥的量增加所述生物反應器中混合液懸浮固體的濃度，從而增加所述系統的生產能力。
(29)項目(27)的系統，其中降低由所述廢棄子系統廢棄的沉降汙泥的量以增加混合液懸浮固體的濃度，用於增強所述混合液中的氨的硝化。
(30)項目(27)的系統，其中通過增加引入所述生物反應器中的溶解氧的量來增強硝化。
(31)項目(1)的系統，其中所述生物反應器包括配置為從混合液中除去氮的至少一個缺氧區。
(32)項目(1)的系統，其中所述生物反應器包括配置為從沉降汙泥中除去磷的至少一個厭氧區。
(33)項目(1)的系統，還包括混凝劑添加子系統，用於添加混凝劑以通過沉澱和/或混凝來除去磷。
(34)項目(33)的系統，其中所述混凝劑添加子系統向所述增重劑浸漬子系統和/或所述至少一個生物反應器和/或所述絮凝劑注入子系統中添加混凝劑，以通過沉澱和/或混凝來除去磷。
(35)項目(1)的系統，其中所述增重劑與混合液的比例大於約1:5至1。
(36)項目(25)的系統，其中所述二級流出物具有小於約30mg/L的總懸浮固體濃度。
(37)項目(25)的系統，其中所述增重劑浸漬子系統位於所述生物反應器的下遊和所述二級澄清器之前。
(38)一種用於增強活性汙泥法的系統，包含：
至少一個生物反應器；
連接至所述生物反應器的增重劑浸漬子系統，用於將生物絮凝物和具有小於約100μm粒徑的增重劑混合以使所述增重劑浸漬到所述生物絮凝物中，以形成增重的生物絮凝物；和
增重劑回收子系統，其配置為從所述增重的生物絮凝物中回收所述增重劑，並將所回收的增重劑再次引入所述增重劑浸漬子系統。
(39)項目(38)的系統，其中所述增重劑中的大部分具有小於約40μm的粒徑。
(40)項目(38)的系統，其中所述增重劑中的大部分具有小於約20μm的粒徑。
(41)一種用於增強廢水處理過程的方法，所述方法包括：
a)在至少一個生物反應器中接收流入的廢水；
b)在所述生物反應器中形成生物絮凝物；
c)將增重劑浸漬到所述生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物；和
d)從所述增重的生物絮凝物中回收增重劑以將所述增重劑再次引入步驟c)。
(42)項目(41)的方法，還包括從所述增重的生物絮凝物中分離所述增重劑的步驟。
(43)項目(41)的方法，還包括收集所述增重劑並將所述增重劑再循環到步驟c)的步驟。
(44)項目(41)的方法，還包括提供增重劑的步驟，其中所述增重劑中的大部分具有小於約100μm的粒徑。
(45)項目(41)的方法，還包括提供增重劑的步驟，其中所述增重劑中的大部分具有小於約40μm的粒徑。
(46)項目(41)的方法，還包括提供增重劑的步驟，其中所述增重劑中的大部分具有小於約20μm的粒徑。
(47)項目(41)的方法，還包括將溶解氧引入微生物群以促進由混合液懸浮固體的濃度限定的混合液中生物絮凝物生長的步驟。
(48)項目(47)的方法，還包括將絮凝劑引入所述混合液以增強增重的生物絮凝物的沉降和增厚以及使未浸漬的生物絮凝物和/或部分浸漬的生物絮凝物與所述增重的生物絮凝物團聚的步驟。
附圖說明
通過以下對優選實施方案和附圖的描述，本領域技術人員會想到其他目的、特徵和優勢，其中：
圖1是本發明的用於增強廢水處理過程的系統的一個實施方案的三維視圖；
圖2是示意側視圖，其更詳細地顯示圖1中所示的增重劑進料器子系統的一個實施方案；
圖3是顯微照片，其顯示根據本發明增重劑浸漬進入生物絮凝物以形成增重的生物絮凝物的一個實例；
圖4是顯示圖1中所示的增重劑浸漬子系統的另一實施方案的示意側視圖；
圖5A是圖1中所示的分離器的一個實施方案的示意側視圖；
圖5B是示意頂視圖，其顯示圖5A中所示的剪切磨機的轉子和定子中的狹槽的一個實例；
圖5C是圖5A中剪切磨機的一個實施方案的三維視圖；
圖6是圖1中所示的分離器的另一個實施方案的三維前視圖；
圖7是圖1中所示的分離器的另一個實施方案的三維前視圖；
圖8是可被圖1中所示的增重劑回收子系統應用的溼鼓磁性分離器的一個實施方案的三維前視圖；
圖9是本發明的用於增強廢水處理過程的系統的另一個實施方案的三維視圖；
圖10是圖9中所示的生物反應器的一個實施方案的示意框圖，所述生物反應器包括配置為除去氮的缺氧區和配置為除去磷的厭氧區；
圖11是本發明的用於增強廢水處理過程的系統的另一個實施方案的示意側視圖；
圖12是本發明的用於增強廢水處理過程的系統的另一個實施方案的示意側視圖；和
圖13是示意框圖，其顯示本發明的用於增強廢水處理過程的方法的一級步驟的一個實施方案。
具體實施方式
除了下文公開的一個或多個優選實施方案或實施方案，本發明能夠有其他實施方案，並且能夠以多種方式進行或實施。因此，應當理解，本發明不限於應用如下描述中闡述的或附圖中示出的組件構造和布置的細節。如果本文中僅描述一個實施方案，則其權利要求不限於該實施方案。此外，除非有明確的和令人信服的證據表明某些排除、限制或免責聲明，本權利要求書不應被限制性地解讀。
圖1中顯示了本發明的用於增強廢水處理過程的系統10的一個實施方案。系統10可用於增強廢水處理過程，尤其包括活性汙泥廢水處理過程、SBR過程、厭氧處理反應器過程或者任何其他類似類型的廢水處理過程。當用於增強活性汙泥廢水處理過程或SBR過程時，系統10包括至少一個生物反應器12(例如，曝氣池)，其通過管線16接收廢水14的流。生物反應器12優選地通過暴露於環境空氣22的管線20將溶解氧18引入微生物群，以促進混合液24中的生物絮凝物23的生長。混合液24通常是廢水14與生物絮凝物23的組合，並可以通過混合液懸浮固體(MLSS)的濃度來定義。在其它實例中，系統10還可用於增強厭氧處理過程。在這種情況下，將生物反應器12配置為厭氧處理反應器。為此，不向反應器12中引入氧，而是在其中產生厭氧環境。
系統10還包括增重劑浸漬子系統26，其在一個實施方案中其優選包括增重劑儲槽34，所述增重劑儲槽34連接至管線36、增重劑浸漬槽28和混合器30。增重劑浸漬槽28通過管線32接收來自生物反應器12的混合液24，或者通過管線77接收來自生物反應器底部12的沉降汙泥。浸漬槽28優選接收未使用過的增重劑33(例如，如35所示，通過管線36來自增重劑儲槽34的增重劑)和/或來自增重劑回收子系統74的再循環的增重劑38。
在一種設計中，增重劑浸漬子系統26優選包括增重劑進料器子系統110，其配置為控制未使用過的增重劑33向增重劑浸漬槽28的遞送速率。增重劑進料器子系統110(圖2)通常包括氣動進料器子系統112，其包括多孔介質114，例如，設置在增重劑儲槽34內的選定區域(例如，增重劑儲槽34底部的區域116和118)上的多個不鏽鋼篩網。多孔介質114還優選設置在管線36的內部。在一種設計中，氣動進料器子系統110配置為調節通過管線121向槽34中和向管線36的多孔介質114的壓縮空氣120的供給，以調節向增重劑浸漬槽28遞送的增重劑33的遞送速率。在一個實例中，多孔介質114可以是多孔的316不鏽鋼材料，其具有製造用於精確控制滲透性和強度的超平滑末道接觸表面。多孔介質114產生均勻分布的空氣120的層，其在儲槽34的區域116和118中以及在多孔介質114上方的管線36中流化增重劑33。多孔介質114上方的邊界層降低累積、摩擦和磨損。其還通過清除儲槽34的區域116和118中以及管線36中增重劑33的壓實和拖拽而使增重劑33更易於傳送。氣動進料器子系統的一個實例可獲自Young Industries(Muncie,PA)。
在操作中，通過調節由管線121遞送至多孔介質114的空氣120(圖2)的量來控制向增重劑浸漬槽28(圖1)的增重劑33的遞送速率。向增重劑浸漬槽28遞送的較高速率的增重劑33可用於用增重劑初始浸漬生物反應器12和二級澄清器(下文中討論)中的整個生物絮凝物23群。此後，可向增重劑浸漬槽28中供應維持量的增重劑33，以維持期望的增重劑濃度。
混合器30將槽28中的混合液或沉降汙泥與未使用過的增重劑33和/或再循環的增重劑38混合，以將增重劑浸漬到混合液或沉降汙泥中的生物絮凝物中，以形成增重的生物絮凝物。混合器30優選利用足以將增重劑浸漬到懸浮在混合液或沉降汙泥中的生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物的混合能量。隨後，通過管線37將槽28中增重的生物絮凝物送回至生物反應器12。經處理的二級流出物50通過管線51離開反應器12。
圖3顯示生物絮凝物23(其用未使用過的增重劑33和再循環的增重劑38浸漬以形成增重的生物絮凝物25)的一個實例的顯微視圖。
因為由增重劑浸漬子系統26產生的增重的生物絮凝物具有比未浸漬的生物絮凝物大的比重，所以其比未浸漬的生物絮凝物更快地沉降。因此，當與常規的活性汙泥廢水處理系統或SBR系統相比時，從系統10的混合液中分離增重的生物絮凝物所需的時間減少。厭氧處理系統的增重的汙泥層也更加緊湊和緻密，並因此可處理更高的流量，並且不易擴散。結果是系統10可顯著增加這樣的廢水系統的生產能力，同時提供高品質的經處理的流出物。
在另一個實施方案中，增重劑浸漬子系統26'(圖4，其中類似的部分用類似的附圖標記表示)可配置為具有噴嘴31和漏鬥45的文丘裡混合器/噴射器式混合器27，所述漏鬥45接收未使用過的增重劑33(例如，通過管線36從槽34接收)，和/或從分離器78接收再循環的增重劑38。增重劑浸漬子系統26'還可包括氣動進料器子系統110，與上文中參照圖2討論的類似，用於控制向漏鬥45(圖4)的增重劑33的遞送速率。如圖1所示，文丘裡混合器/噴射器式混合器27優選通過管線32接收混合液或通過管線77接收沉降汙泥。
在操作中，管線32中混合液的速度或管線77中沉降汙泥的速度通過噴嘴31而增加。漏鬥45中未使用過的增重劑33和/或再循環的增重劑38通過管線39進入噴嘴31，並向下遊行進至管線37。如43所示，管線37在41處變寬，從而引發緊密的混合和挾帶。這將未使用的和/或再循環的增重劑浸漬到生物絮凝物中，以形成增重的生物絮凝物。如圖1所示，增重的生物絮凝物隨後通過管線37被送回生物反應器12。
在一個實例中，增重劑可以是磁鐵礦，或任何類似類型的增重劑或本領域技術人員已知的、當浸漬於其中時增加生物絮凝物的密度的可磁力分離的無機材料。在一個實例中，大部分增重劑具有小於約100μm的粒徑。在另一些實例中，大部分增重劑顆粒具有小於約40um或小於約20um的粒徑。
系統10(圖1)還包括增重劑回收子系統74，其通過管線76從生物反應器12接收沉降汙泥。增重劑回收子系統74優選包括分離器子系統78，其從管線76中沉降汙泥中增重的生物絮凝物中回收增重劑，並將增重劑38再次引入(再循環)至增重劑浸漬子系統26、26'(圖1和4)。
在一種設計中，分離器子系統78可配置為剪切磨機112(圖5A)，其剪切管線76中的汙泥以從增重的生物絮凝物中分離增重劑。剪切磨機112理想地包括轉子80和定子82。在操作中，管線76中的沉降汙泥進入剪切磨機112，並沿著箭頭180的方向流動，並進入轉子80以及隨後進入定子82。剪切磨機112設計為使轉子80(圖5B)和定子82之間存在嚴格的容限(close tolerance)，如83所示。轉子80優選以高速度(例如，大於約1000rpm)驅動，以在剪切磨機112的區域182(圖5A)形成增重劑和破壞的絮凝物(obliterated floc)的混合物。如箭頭184所示，增重劑與破壞的絮凝物的混合物通過管線79離開剪切磨機112。圖5C更詳細地顯示剪切磨機112的一個實施方案的結構。優選地，轉子80(圖5A-5C)和/或定子82包括狹槽，其起離心泵的作用，以從上方和下方的轉子80和定子82吸取沉降汙泥(如圖5A的路徑182、183所示)，並隨後以很高的速度將物質從狹槽的尖端投擲出，以將增重的生物絮凝物破壞成增重劑與破壞的絮凝物的混合物。例如，轉子80(圖5B)可包括狹槽186，並且定子82可包括狹槽188。優選地，優化轉子80中的狹槽186和/或定子82中的狹槽188以增加剪切能，以高效地從增重的生物絮凝物分離增重劑。轉子80和定子82所產生的剪切取決於狹槽186和188的寬度，轉子80和定子82之間的容限，以及轉子的尖端速度。在一個實例中，轉子80以約9000英尺/分鐘的速度驅動。結果是剪切磨機112提供有效地和高效地從增重的生物絮凝物分離增重劑的剪切作用，以促進增重劑的回收。
在另一個設計中，分離器系統78(圖6，其中類似的部分用類似的附圖標記表示)可配置為超聲分離器116。超聲分離器116通常包括一個或更多個超聲換能器(例如，超聲換能器262、264、266、268和/或270，其可獲自Hielscher Ultrasonics GmbH,Stuttgart,Germany)，其在管線76中的沉降汙泥中產生壓力和空穴的波動。這導致微湍流，所述微湍流產生剪切作用以產生增重劑與破壞的絮凝物的混合物，從而有效地將增重劑從沉降汙泥中的增重的生物絮凝物中分離。所產生的增重劑與破壞的絮凝物的混合物通過管線79離開超聲分離器116。
在另一個設計中，分離器子系統78(圖7，其中類似的部分用類似的附圖標記表示)，可配置為離心分離器118。離心分離器118通常包括位於水力旋流器300頂部的圓柱形部分302和位於部分302下方的圓錐形基底304。管線76中的沉降汙泥通過埠303沿切線送入圓柱形部分302。較小的出口306(底流或排出埠)位於圓錐部分304的底部，較大的埠308(溢流或接受埠)位於圓錐形部分302的頂部。
在操作中，通過埠303沿切線送入汙泥所產生的離心力導致較密的增重劑從沉降汙泥中的增重的生物絮凝物中分離。分離的增重劑被迫沿錐形部分304的壁308行進，並在埠306處離開。這將增重劑從增重的生物絮凝物中有效地分離。回收的增重劑38通過埠306離開，並可存放至增重劑浸漬系統26、26'(圖1和4)。密度較小的生物絮凝物保持在汙泥中並通過埠308經過管310離開，所述管310略微延伸到離心分離器118的中心的本體中。
雖然如上文中討論的那樣，分離器子系統78可以配置為切割磨機、超聲分離器或離心分離器，但這並不是本發明必要的限制。在另一些設計中，如本領域技術人員已知的，分離器子系統78可以配置為管狀缽(tubular bowl)、腔形缽(chamber bowl)、無孔框(imperforate basket)、疊片分離器(disk stack seperator)等。
在上文分離器78(圖5A-5C)配置為剪切磨機112以產生增重劑與破壞的生物絮凝物的化合物的實例中，可使用溼鼓磁性分離器81(圖8)或離心分離器118(圖7)來從中回收增重劑。共同未決的、發明名稱為「Fluidic Sealing System For a Wet Drum Magnetic Separator」的申請美國公開物No.2008/0164184和發明名稱為「Collection System for a Rotating Wet Drum Magnetic Separator」的美國公開物No.2008/016483中公開了溼鼓磁性分離器81的設計和操作的其他細節；所述兩個公開物均通過引用併入本文。
在其中分離器子系統78(圖6)配置為超聲分離器116以產生增重劑與破壞的生物絮凝物的混合物的實例中，溼鼓磁性分離器81(圖8)或離心分離器118(圖7)可用於從中回收增重劑。
如上文中參照圖5A-7討論的回收和再循環增重劑的結果顯著降低廢水處理系統10的操作成本。
系統10(圖1)還可包括廢棄子系統83，其廢棄分離器子系統78的剩餘的沉降汙泥，以控制生物反應器12中的混合液24中的微生物群。
在另一個實施方案中，系統10'(圖9，其中類似的部分用類似的附圖標記表示)包括生物反應器12、增重浸漬子系統26和/或增重浸漬子系統26'(圖4)，以及具有分離器78的增重劑回收子系統74，其與上文中參照圖1-8所討論的類似的方式起作用。在該實例中，系統10'還包括絮凝劑注入子系統42，所述絮凝劑注入子系統42通常位於生物反應器12的下遊，但是也可以在系統10中任意期望的位置。在該實例中，絮凝劑注入子系統將絮凝劑44通過管線135引入混合液24。絮凝劑44增強懸浮於二級澄清器46中的混合液24中的增重的生物絮凝物的沉降和增厚，並且產生未浸漬的生物絮凝物和/或部分浸漬的生物絮凝物與二級澄清器46中增重的生物絮凝物之間的團聚。在一個實例中，絮凝劑44可以是陽離子或陰離子聚合物，例如2270(Ashland Chemical,New Jersey)，或本領域技術人員已知的任何類似類型的聚合物。
未浸漬的生物絮凝物和/或部分浸漬的絮凝物與增重的生物絮凝物的團聚產生更大的增重的生物絮凝物，以提供增重的生物絮凝物在澄清器46的沉降區64中的快速沉降。絮凝劑44還通過減小增重的生物絮凝物的尺寸和增加其密度來增強增重的生物絮凝物在澄清器46的增厚區66中的沉降和增厚。這產生了增重的生物絮凝物之間的「引流」通道，其允許澄清器46的底部69的水向澄清器46的頂部71流動，以及增重的生物絮凝物向二級澄清器46的增厚區66的底部69流動，以增強增厚過程。
系統10'還優選地包括二級澄清器46，其可用於從混合液中分離和收集增重的生物絮凝物。在一個實例中，耙或虹吸管(吸出管)子系統67用於從澄清器46的底部69處除去沉降汙泥54。因為增重的生物絮凝物具有比非浸漬的生物絮凝物大的比重，所以其在二級澄清器46中比用於典型的活性汙泥法系統中的非浸漬的生物絮凝物沉降得更快。因此，二級澄清器46有效地和高效地從混合液中分離增重的生物絮凝物以提供二級流出物50'。結果，當與典型的活化汙泥或類似類型的廢水處理過程相比時，從系統10'的混合液24分離增重的生物絮凝物所需的時間減少。這增加了系統10'處理廢水14的能力。因此，系統10'比典型的用於活性汙泥法的系統更有效、高效、可靠、具有成本效益和耐用。此外，可減小澄清器46和/或生物反應器12的尺寸，使得系統10'以更小的佔地面積來處理相同量的廢水。這降低了系統10'的安裝成本和土地需求。此外，緩解了背景技術部分中討論的與從二級澄清器中的混合液中分離生物絮凝物的過程相關的問題。
系統10'(圖9)還可包括活性汙泥返回子系統70，其使用泵47將二級澄清器42中的沉降汙泥54中大部分通過管線72再循環至生物反應器12，和/或將沉降汙泥54通過管線119送至增重浸漬子系統26、26'。
系統10'(圖1-9)處理廢水14的能力可通過降低廢棄子系統83所廢棄的沉降汙泥的量增加生物反應器12中MLSS的濃度而增加。還可通過降低廢棄子系統83所廢棄的沉降汙泥的量來增加曝氣池12中MLSS的濃度以增強混合液24中氨的硝化。硝化過程還可通過增加通過管線20而引入生物反應器12中的溶解氧18的量而被進一步增強。
如本領域技術人員已知的，可如90處所示向生物反應器12中，或如94處所示向增重劑浸漬槽28中添加混凝劑88(圖1和9)，用於通過沉澱和/或混凝而從混合液24中除去磷和其他汙染物。在另一些實例中，如92處所示，可向絮凝劑注入埠42(圖9)添加混凝劑88，以通過沉澱和/或混凝而除去磷。在另一個實例中，可如94處所示向增重劑浸漬槽28(圖1和9)中，或如103處所示向文丘裡混合器/噴射器式混合器27(圖4)中添加混凝劑88，用於通過沉澱和/或混凝而除去磷。
增重劑(例如，磁鐵礦或本領域技術人員已知的類似類型的物質)與混合液和/或沉降汙泥的比例可以大於約1.5至1.0。在一個實例中，二級流出物50具有低於約30mg/L的懸浮固體濃度，這可以符合對二級流出物50的地方、州和聯邦的指導方針。
系統10"(圖10，其中類似的部分用相似的附圖標記表示)可包括生物反應器12'(例如，曝氣池)，其具有配置為從混合液24中除去氮的具有混合器91的缺氧區87。在該實例中，如箭頭101所示，連接至管線135的再循環管線100將混合液24再循環至缺氧區域87。生物反應器12'還可包括配置為從混合液24中除去磷的具有混合器95的厭氧區93。在該實例中，活性汙泥返回子系統70的管線72將沉降汙泥再循環至厭氧區84。可應用本領域技術人員已知的很多其他可能的生物營養物移除配置。
如上文中參照圖1和9所示，雖然系統10包括增重劑浸漬子系統26、26'，其從生物反應器12接收混合液，並隨後將增重的生物絮凝物分散回到生物反應器中，但這不是本發明的必要限制。在其他一些設計中，增重劑浸漬子系統26、26'可從生物反應器12中接收混合液，並在生物反應器和二級澄清器之間分散增重的生物絮凝物。例如，系統10"'(圖11，其中類似的部分用相似的附圖標記表示)可包括類似於上文中參照圖1和4討論的增重浸漬子系統26、26'，其在生物反應器12與澄清器46之間分散增重的生物絮凝物至管線137。
在其他一些設計中，增重劑浸漬子系統26、26'可位於生物反應器和二級澄清器之間。例如，系統10IV(圖12，其中類似的部分用相似的附圖標記表示)包括位於生物反應器12和澄清器46之間的增重劑浸漬子系統26、26'。在該實例中，廢水14可來自釀酒廠處理系統或類似類型的在輸入的廢水14中具有高濃度的生物可降解有機物質的處理系統。在該設計中，系統10IV可以不需要圖9中所示的活性汙泥返回子系統70，因為通過除去流入的有機物質，足夠的生物體得以生長以維持混合液24中適合的微生物群。
在本發明的一個實施方案中，用於增強廢水處理過程的方法包括接收最後一個生物反應器中的廢水流(圖13，步驟200)。隨後，在生物反應器中形成生物絮凝物(步驟202)。隨後，將增重劑浸漬進入生物絮凝物，以形成增重的生物絮凝物(步驟204)。隨後回收增重劑，並再次引入步驟204、步驟206。上文中參照圖1-9詳細地討論了步驟200-206的操作的細節。
雖然在一些附圖(而非另一些)中顯示了本發明的具體特徵，這僅是為了方便，因為根據本發明的每個特徵可以與任何或全部其他特徵組合。要廣泛和全面地解釋本文中使用的詞語「包括」、「包含」、「具有」和「帶有」，而不受限於任何物理互聯。此外，不能認為本申請中公開的任何實施方案是唯一可能的實施方案。本領域技術人員會想到其他實施方案，其在以下權利要求之內。
此外，本專利的專利申請的審查過程中提出的任何修改均不是所提交的本申請中提出的任何權利要求要素的免責聲明：不能合理地期望本領域技術人員起草可以字面上包括所有可能的等價方案的權利要求，很多等價方案在修改時是無法預知的，並且超出了對放棄(如果有的話)的合理解釋，作為修改之基礎的理由可承擔不超過與很多等價方案的間接相關性，和/或有很多其他原因使得申請人不能期望為任何修改的權利要求要素描述某些非實質性的替代方案。