廢水處理方法和設備的製作方法
2023-07-18 05:19:46
專利名稱：廢水處理方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及廢水處理方法和設備。
作為在本發明使用的，術語「廢水」包括汙水和任何汙染過的水。因此，本發明的處理設備可用於處理包括市政廢水和工業廢水在內的廢水。
本發明把廢水的循環作為其目的之一。
本發明可具體但不限於用於廢水處理的所謂「水-開發」廠(「Water-mining」plant)。然而，本發明也可作為「管端」(「end of pipe」)設施使用。
術語「水-開發」指的是與常規處理根本不同的水處理方法。在傳統上，使廢水成管網狀從其來源到遙遠的「管端」處理廠，在那裡廢水經處理後分配成許多副產品。
一種副產品是適於灌溉、工業用水等級別的水。但是，這種處理水由於管網費用很高，所以難得返回到廢水的來源處。
「水-開發」的方法使用一種較小的「地區性(Commumity)」現場-特定處理工廠，它用來「開發」來源於該地區的廢水的可利用處理水，該地區產生的廢水可再用於該地區。循環使用的水可以是可飲用的，或者僅適於非飲用的。
可以理解這種水的開發方法能降低對水處理廠到地區的管網化和廢水離開地區的管網化的要求。
可以設想將會有許多的小型「地區性」工廠匯同「管端」處理廠一起操作。在這種情況下，小型「地區性」工廠不需要處理大部分的固體。而是， 對於小型「地區性」工廠不易處理或不易排除的固體和任何其它成分可轉運到「管端」處理廠中。或者，地區性工廠以其本身的地位就是「管端」廠。
因此，「水-開發」方法的本質是從廢水源或靠近廢水源的地方開發可用的水。除了使水循環外，該方法還能減少管網化的壓力和對「管端」工廠的負荷。
儘管「水開發」方法是工廠整套設備的強化，但應當認識到與廢水系統有關的大部分投資費都用在管網系統上了。
「地區性」工廠，如上廣泛地描述，優選是緊湊的、技術保養少、不引人注目、遙控、和基本上沒有氣味的。最優選是，這種地區性工廠是標準組裝的，而且幾乎不需要任何場地準備。
背景技術：
常規現代廢水處理系統通常包含某種形式的生物硝化作用和從廢水中除去氨的脫硝作用。
在硝化作用階段中，氨與氧起反應生成氮的氧化物，尤其是硝酸鹽。在脫硝作用階段中，氮的氧化物在沒有氧的情況下分解成其組成的元素。
常規廢水處理系統是大規模的而且未曾講明適於水的開發的設備要求。本發明的公開本發明的一個方面先涉及處理廢水的方法，該方法包括在壓力下用生物方法處理廢水；然後減壓並利用減壓通過溶解氣體的浮選作用基本上去除固體。
藉助於高的氧分壓來加速生物處理，而把繼續減壓協同地用于澄清生物處理過的廢水。
優選方案是，所述方法進一步包括進一步降低壓力並利用壓力的進一步降低來推動過濾和/或消毒的工藝過程。
優選方法是，在壓力下生物處理，包括加氧並在壓力下生物硝化廢水以便基本上去除氨。
另外優選方法是，壓力下生物處理進一步包括在壓力下使廢水生物脫氧以基本上去除溶解氧；和在壓力下使脫氧過的廢水生物脫硝以基本上去除可溶性的氧化氮。
另一種方法是，加壓生物處理對於僅去除BOD來說全部都是需氧的。
最好，該方法進一步包括循環部分硝化廢水以便與廢水混合再於壓力下進一步生物處理。
在優選實施方案中生物處理在流化床生物反應器中發生。
本發明的另一方面涉及廢水處理廠整套設備，包括
加壓生物處理裝置；和供接受由加壓生物處理裝置處理過的廢水的減壓裝置，該減壓裝置構成供處理水澄清用的溶解氣體浮選單元。
優選地，本發明的設備包括進一步減壓的裝置，該進一步減壓裝置是過濾器。
優選地，加壓生物處理裝置包括供廢水在壓力下生物硝化以便基本上除去氨用的硝化裝置和供往硝化裝置加氧用的氧加入裝置。
另外優選方案是，加壓生物處理裝置進一步包括供廢水在壓力下生物脫氧以便基本上除去溶解氧用的脫氧裝置；和供已脫氧廢水在壓力下生物脫硝以便基本上去除可溶性氧化氮用的脫硝裝置。
另一替代方案是，加壓生物處理裝置僅就BCD的去除而言全都是需氧的。
在優選實施方案中，本發明設備進一步包括供循環第一部份硝化廢水的循環裝置。
優選，硝化裝置是流化床反應器。
優選，減壓裝置是緩衝罐。
優選，本發明的設備進一步包括在進一步減壓下供進一步處理第二部分硝化廢水的三級處理裝置。
本發明第三方面涉及現場特定廢水處理工廠的全套設備，該全套設備包括供接受來自現場廢水的入口裝置；供廢水生物脫氧以便基本上去除溶解氧的脫氧裝置；供已脫氧廢水生物脫硝以便基本上去除可溶性氧化氮的脫硝裝置；供加氧用的氧加入裝置和供在壓力下使已脫硝廢水生物硝化以便基本上去除氨的硝化裝置；供降低至少部分硝化廢水的壓力以便通過溶解空氣的浮選作用去除固體的減壓裝置；和供處理水返回現場的出口裝置。
本發明第四方面涉及廢水處理工廠全套設備，該設備包括供廢水與循環硝化廢水混合的混合裝置；供廢水與循環硝化廢水混合物生物脫氧以便基本上去除溶解氧的脫氧裝置；供已脫氧廢水生物脫硝以便基本上去除溶性氧化氮的脫硝裝置；供加氧用的氧加入裝置和供已脫硝廢水在壓力下生物硝化以便基本上去除氨的硝化裝置；供部分已硝化廢水循環到混合裝置的循環裝置；和供降低另一部分已脫硝廢水的壓力以便藉助溶解空氣的浮選去除固體用的減壓裝置。附圖的簡明描述為了使本發明更便於理解和實施，現參考附圖來說明本發明優選實施方案，其中
圖1是說明用於市政環境的本發明的廢水處理方法和設備的示意圖。
為了正確展現本發明的創新方面，將一級處理標記成「模件1」和將三級處理標記成「模件3」也包括在內。最佳方式一級處理包括按常規方式的廢水抽取和一級處理過程(例如沉積、篩濾)。然後把一級處理過的廢水用泵汲送至「模件2」，以便進行二級處理。
三級處理包括按常規方式進行的過濾，例如顆粒床或膜濾，以及消毒。過濾器可以用返回廢水總管的反洗液定期進行反洗。
現在參照「模件2」，本發明最佳實施方案包括三個加壓生物反應器12、14、16和緩衝罐形式的減壓裝置18。可以理解這裡可有任意數目的生物反應器而且它們並不要求所有的都加壓。
來自「模件1」的一級處理過廢水的廢水流40，與循環硝化廢水流42混合形成送入脫氧裝置12的合併流44。脫氧裝置12選取流化床型的生物反應器，它在0-1000kpa，優選500kpa壓力下操作。
系統中各位點上的廢水溫度可通過加熱裝置22得到控制。儘管加熱裝置22是作為感應線圈圖示表明的，但它能選用任何形式，例如加熱反應器夾套，並且可放置在系統中的任一位點或多點上。
合併流44被送入脫氧裝置12中，溶解氧從合併流44中被生物解吸，以使排出流46中的溶解氧含量實際上為零。儘管氨和可溶性氧化氮的含量相對於水流44基本上不變，但廢水的生物化學需氧量還是下降。可溶性氧化氮主要是硝酸鹽，但某些亞硝酸鹽也是存在的。
水流46被引入選取流化床生物反應器形式的脫硝裝置14中，該反應器也在0-1000kpa，優選500kpa壓力下操作。
脫氧作用和脫硝作用可在一個反應器內發生(參照反應器12和14間延續的點線)。
生物脫硝裝置14把可溶性氧化氮(主要是硝酸鹽)轉化成氣體氮，其中的一些排入到汙穢空氣處理處20，而其中大部分保留在溶液中。
排出水流48在生化需氧量或多或少已下降和氨的含量相對於水流46基本上保持不變的同時，所具有的可溶性氧化氮和溶解氧含量基本上為零。
把水流48送入選取流化床生物反應器形式的硝化裝置16中，該裝置的壓力保持在0-1000kpa之間，優選為500kpa。氧以加壓空氣30的形式注入硝化裝置16中。由於硝化裝置的提高壓力，所以引入的空氣大部分溶解。純氧也能被使用。
硝化裝置16把氨轉化成可溶性氧化氮，以使排出水流50在可溶性氧化氮和溶解氧含量已經提高的同時，所具有的氨和生化需氧量基本上都為零。任何未溶解的氣體都可以被排到汙穢空氣處理20中。
排出水流50分成循環水流42和水流52，水流52注入緩中罐形式的減壓裝置18中。
通過在位點24上加入化學品以求達到去除水流52中磷的目的。
控制循環廢水的比例以達到預定的性能。可以預料水流40與水流42的比例將在1∶1-1∶2量級。
減壓裝置18在壓力0-200kpa(優選100pka)下操作，因此大部分溶解水流52中的氣體會從溶液中出來。關於這一點，減壓裝置在液體的上方具有加壓氣體的空間。固體是通過由於減壓出現的溶解空氣浮選作用而被除去的。也就是說，形成的氣泡與固體結合而使固體漂浮到減壓裝置的頂部，在那裡被除去再返回廢水總管。減壓裝置18按常規取緩衝罐的形式以適應三級過濾器反洗過程中水流的變化。
水流54從減壓裝置18中排出後經控制閥28流入三級處理過程。
我們重申減壓裝置18是在壓力100pka下操作的。因此，三級處理過程(過濾)可通過進一步的減壓來起動。例如，過濾的下遊一方可在環境壓力下。緊跟過濾之後，處理過的廢水在最終使用前經消毒後再貯存。
僅從實施例的方式舉出下列內容，這些內容都是基於水流40與水流42的比值為1∶1。實際比值與實際數值可能有變化。注所有的測量結果皆按每升毫克計。
氨硝酸鹽 生化需氧量溶解氧水流40組成300 150 0水流42組成0 15 10 40水流44組成157.5 80 20水流46組成157.5 60 0水流48組成150 50 0水流50組成0 15 10 40根據優選實施方案的方法，通過採用有助於最佳處理的壓力和溫度控制可提供超過許多常規廢水處理方法的優點。一方面可得到高質量廢水流和以提高硝化作用和改進磷去除能力為特徵，同時也可降低停留時間。而且還可以產生有機物含量低的汙泥，且汙泥的產量也相當低，特別適於園藝的直接使用。由於容器中的汙染物能被排入汙穢空氣處理單元，所以本發明方法還以氣味的完全消除為特徵。
停留時間的減少，廢水流的高質量，固體去除的提高而無需反洗，顯著低的汙泥產量且汙泥有機物含量低以及極佳的氣味控制，這些因素的組合是產業化實施的重要指標。當與更多的常規方法系統比較時所需要的構築物也少得多。這一點將在市政建設和選擇工業環境時，尤其是那些顯示空間和美學限制情況下更有實用意義。而且小型構築物的建造會導致自身的積木組裝性，而降低了場地準備的要求。
本優選系統的一個特點是使用流化床作為生物反應器。流化床採用小顆粒的介質，依附介質建立生物反應體。生物反應體的有效濃度可達到很高的水平，因為該流化床上存在成千上萬個分立的顆粒。廢水流向上流過床使床流化，既因為廢水流本身的流速也藉助於來自需氧系統中來自空氣的幫助。床的流化作用導致廢水與介質生物反應體特別良好的接觸。此外，流化床的磨損性質抑制了造成堵塞的生長而有利於在顆粒介質上形成理想的薄的生物膜。
重要的是生物膜的厚度保持可控狀態。在這方面，假若生物膜的生長未受抑制，使粒狀介質顆粒的尺寸增大，因此作用在顆粒上的阻力將增強。顆粒床的流化作用可能過度而使床膨脹和從反應器產生溢流。
本系統使用二次和三次生物膜控制以控制生物膜的生長。二次生物膜的控制選取氣體(優選空氣)衝刷的形式，衝刷能把顆粒的過量生物膜生長物撞掉。三次生物膜控制，可能是葉輪泵，吸入顆粒再於它們返回之前將其機械研磨。
據估計流化床內的生物反應體的濃度大約是固定生長反應器或懸浮生長系統濃度的十倍。因此，高得多的容量負荷是能達到的。
優選系統的第二個特徵是使用加壓反應器以提高生物活性，尤其是硝化作用(硝化作用是氨轉化成可溶性氧化氮的作用，而脫硝作用是可溶性氧化氮轉化成氣體氮的作用)。現已證明生物膜在加壓的氣氛下操作，與在大氣壓的壓力下操作比較，可提高硝化速率約2.5-3倍。假定為硝化作用設計的生物反應器的尺寸，一般受硝化作用的要求條件控制，而不受生化需氧量去除裝置(由於可溶性有機碳汙染物)的控制，這一概念在反應器確定尺寸上具有重大的意義。此外，反應器的加壓作用可導致改進不易生物降解的可溶性有機物(如表面活性劑)的去除，因為在加壓系統中可以達到較高程度的氧化作用。
加壓下改進硝化作用的原因最可能是由於硝化生物體的生長速度取決於溶解氧的濃度。氧的飽和濃度依賴於氧在周圍大氣中的絕對分壓。藉助於空氣流過反應器來給反應器加壓，使氧的絕對分壓提高由此使飽和溶解氧的濃度增加。在5個大氣壓時，最高溶解氧濃度每升接近50毫克，這是在一個大氣壓下的五倍。
生物反應器系統在加壓下操作在使用減壓反應器(減壓裝置)時會取得固有的協同優點，因為在三級工藝處理如膜微量過濾前減壓反應器必須接著減壓，因而它可以做為溶解空氣浮選單元運行。在生物反應器系統中的高壓下，溶解於廢水流中的氧和氮(以及任何其它氣體)在壓力降低時將會從溶液中逸出。這一作用對於廢水的澄清以及在三級工藝如膜式微過濾前固體的去除都是極好的，因為可降低所述工藝的固體負荷而因此進一步提高了效能。滿足要求的減壓反應器壓力保留也具有能起動三級處理過程的好處。
溫度對微生物活性的影響是眾所周知的，但僅有選擇地用於常規廢水的場合。然而，溫度控制的好處在優化工藝性能特點時是重要的。
在某一溫度控制時，在壓力下操作的生物反應器的建造在減小生物反應器尺寸上是重要的。此外，工藝過程產生氣味的可能性是低的，因為本系統固有要求更小的工藝空氣流的流量，因此產生有臭味廢氣的可能數量將低於常規方法如曝氣的生物濾池。本發明方法要求較少的空氣是因為在較高操作壓力下能獲得高氧輸送率。此外，如前所述，本發明方法在加壓反應器中的汙染物可控制排入汙穢空氣處理中。
當本發明利用流化床反應器時，一個優點是反洗要求被去除，這種反洗牽涉到顯著的貯存體積和生產能力的損失。在這一方面，流化床不能像別的系統那樣起過濾器的作用，因此不需要反洗以清潔堆集物。
優選系統的性能也可通過變化循環量得以改變。在這一方面，水流40與水流42的比值在很大程度上決定著氮被去除的程度。
自然會意識到儘管上述內容的舉出是用本發明例證性實施例的方法，但是對本發明的所有這些和另外的改進和變更方案，對所屬技術領域的技術人員來說都是明顯的，相信它們會落入本發明寬的範圍和界線之內正如在本文中所陳述的。
權利要求
1.處理廢水的方法，包括在壓力下生物處理廢水；然後降低壓力並利用減壓通過溶解氣體浮選基本上去除固體。
2.權利要求1的方法，其中該方法還包括進一步降低壓力並利用進一步壓力的降低去起動過濾和/或消毒工藝過程。
3.權利要求1或2的方法，其中在壓力下的生物處理包括加入氧並在壓力下生物硝化廢水以基本上去除氨。
4.權利要求3的方法，其中在壓力下的生物處理還包括在壓力下使廢水生物脫氧以基本上去除溶解氧；和在壓力下使脫氧廢水生物脫硝以基本上去除可溶性氧化氮。
5.權利要求4的方法，其中該方法還包括循環部分硝化廢水以與廢水混合併在壓力下進一步生物處理。
6.權利要求1的方法，其中生物處理在流化床生物反應器中進行。
7.權利要求3的方法，其中生物硝化作用在流化床生物反應器中進行。
8.廢水處理設備，包括加壓生物處理裝置；和接受由加壓生物處理裝置處理過的廢水的減壓裝置，減壓裝置組成了供已處理水澄清用的溶解氣體浮選單元。
9.權利要求8的設備，其中加壓生物處理裝置包括供廢水在壓力下生物硝化以基本上去除氨用的硝化裝置和往硝化裝置加氧用的氧加入裝置。
10.權利要求9的設備，其中加壓生物處理裝置還包括壓力下使廢水生物脫氧以基本上去除氧的脫氧裝置；和壓力下使脫氧廢水生物脫硝以基本上去除可溶性氧化氮的脫硝裝置。
11.權利要求10的設備，其中該設備還包括第一部分硝化廢水循環的循環裝置。
12.權利要求9的設備，其中硝化裝置是流化床反應器。
13.權利要求8的設備，其中減壓裝置是緩衝罐。
14.權利要求的設備，其中所述設備還包括在進一步減壓下的三級處理裝置以進一步處理第二部分硝化廢水。
15.現場特定廢水處理設備，包括接受來自現場廢水的入口裝置；廢水生物脫氧以基本上去除溶解氧的脫氧裝置；已脫氧廢水生物脫硝以基本上去除可溶性氧化氮的脫硝裝置；加入氧用的氧加入裝置和在壓力下使已脫硝廢水生物硝化以基本上去除氨的硝化裝置；降低至少部分硝化廢水的壓力以通過溶解空氣浮選除去固體的減壓裝置；和已處理水返回到現場的出口裝置。
16.廢水處理設備，包括廢水與循環的硝化廢水混合的混合裝置；廢水與循環硝化廢水的混合物生物脫氧以基本上去除溶解氧的脫氧裝置；脫氧廢水生物脫硝以基本上去除可溶性氧化氮的脫硝裝置；供加入氧用的氧加入裝置和使已脫硝廢水在壓力下生物硝化以基本上去除氨的硝化裝置；部分硝化廢水循環至混合裝置的循環裝置；和降低另外部分硝化廢水的壓力以通過溶解空氣浮選去除固體的減壓裝置。
全文摘要
處理廢水的方法,包括:在壓力下生物處理廢水;然後降低壓力並在減壓下通過溶解氣體的浮選作用基本上除去固體。
文檔編號C02F1/24GK1171767SQ95197278
公開日1998年1月28日 申請日期1995年11月17日 優先權日1994年11月18日
發明者K·E·巴納特 申請人:阿克圖有限公司