申请日2009.07.14
公开(公告)日2011.06.01
IPC分类号C02F9/00; C02F3/12
摘要
本发明介绍一种污水处理方法。该方法包括：(1)接受污水;(2)对污水进行第一种处理产生具有能够改变的第一特性的污水;(3)阻止所述第一特性变化;(4)对污水进行第二种处理;其中所述第一特性包括选自生物需氧量(BOD)水平、溶氧水平、固体含量和营养水平中的至少一种特性。
权利要求书
1.一种污水处理方法，其包括：
接受污水;
对污水进行第一种处理产生具有能够改变的第一特性的污水;
阻止所述第一特性变化;
对污水进行第二种处理;
其中所述第一特性包括选自生物需氧量(BOD)水平、溶氧水平、固体含量和营养水平中的至少一种特性。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述接受污水的步骤包括从一个使用扩散气流在去除污水中固体时能够保持污水中的溶解氧在一个大体上恒定水平的供给池中接受污水。
3.如权利要求1所述的方法，所述第一种处理包括去除固体以及所述第二种处理包括去除有机物质。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述去除固体包括：
从污水中机械分离固体以从污水中去除第一数量的固体;以及
使用一个溶解空气浮子设备从污水中去除第二数量的固体。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述接受污水包括接受一个供给池内的污水，并且前述机械分离包括从直接从所述供给池中获取的污水中分离固体。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述第一数量的固体为从含有15%到30%的固体的污水中去除75%到98%的固体。
7.如权利要求4所述的方法，其中前述第二数量的固体为从含有3%到6%固体的污水中去除85%到95%的固体。
8.如权利要求3所述的方法，其中所述阻止包括在一个使用扩散气流来保持污水中的溶解氧在一个大体上恒定水平的池子中去除固体。
9.如权利要求8所述的方法，其中去除固体包括从包含1%固体的污水中去除85%到90%尺寸大于20微米的固体。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一种处理包括从污水中去除有机物，所述第二种处理包括从污水中去除营养物。
11.如权利要求10所述的方法，其中去除有机物包括将污水中的微生物暴露于生物芯片里的氧气。
12.如权利要求11所述的方法，其中在体积比为32平方英尺每立方英尺到130平方英尺每立方英尺的表面积微生物被暴露至氧气。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述去除营养物包括在一个具有波长为102nm到106nm的光谱辐射的海藻池内处理污水。
14.如权利要求13所述的方法，其中在海藻池中处理污水包括对污水充气。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述海藻池是一个能够提供1000平方英尺到50000平方英尺表面积用于处理污水的高比率海藻池。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述高比率海藻池的温度保持在70℉到95℉。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述高比率海藻池具有一个长度为200英尺到3000英尺的通道。
18.如权利要求10所述的方法，其中所述阻止包括：
在厌氧条件下处理污水以产生具有低生物需氧量的污水;以及
在有氧条件下处理具有低生物需氧量的污水。
19.如权利要求18所述的方法，其中厌氧条件是通过在一个密封的保持污水中溶解氧在一个大体上恒定水平的池子里从污水中去除死亡微生物产生的。
20.如权利要求19所述的方法，其中有氧条件包括：
从污水中去除死亡微生物;以及
同时增加污水中的溶解氧的水平。
21.如权利要求1所述的方法，其中所述第一种处理包括从污水中去除营养物，所述第二种处理包括将污水暴露至自然元素。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述阻止进一步包括：
从污水中去除海藻;以及
同时增加污水中的溶解氧含量。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述阻止进一步包括在一个使用扩散气流保持污水中的溶解氧在一个大体上恒定水平的池子中去除海藻。
24.一种污水处理系统，其包括：
接受污水的装置;
对所述污水执行第一种处理以产生具有可以改变的第一特性的污水的装置;
阻止所述第一特性变化的装置;
对所述污水执行第二种处理的装置;
其中所述第一特性包括选自生物需氧量(BOD)水平、溶氧水平、固体含量和营养水平中的至少一种特性。
25.一种污水处理系统，其包括：
一个用于从污水中去除固体的池子;
一个第一沉淀去除池，用于使用扩散气流保持污水中溶解氧在一个大体上恒定水平来去除污水中的固体;
一个反应器，其包含生物芯片和去除污水中有机物的微生物。
26.如权利要求25所述的系统，其中所述池子是一个双网挤浆机或供给池。
27.如权利要求25所述的系统，其进一步包括一个溶解空气浮子(DAF)设备，其包括：
一个有孔扩散器;和
一个配置有一个吸入空气的文丘里管的高压水泵，其形成气泡并且压迫气泡通过所述有孔扩散器以形成微气泡。
28.如权利要求25所述的系统，其中所述反应器包括一个便于向污水中输入氧气的吹风机。
29.如权利要求25所述的系统，其中所述反应器具有70平方英尺到210平方英尺的表面积。
30.如权利要求25所述的系统，其中所述反应器是一个旋转生物反应器或一个填充床反应器。
31.如权利要求25所述的系统，其进一步包括：
一个第二沉淀去除池，用于从污水中去除死亡微生物并且所述第二沉淀去除池在从污水中去除死亡微生物时被封闭来保持污水中的溶解氧在一个大体上恒定的水平;以及
一个存在海藻能够去除污水中营养物的海藻池。
32.如权利要求31所述的系统，其进一步包括一个一端连接于所述第二沉淀去除池，另一端连接与所述海藻池的溶解空气浮子设备，所述溶解空气浮子设备能够在从污水中去除死亡微生物时增加污水中的溶解氧水平。
33.如权利要求31所述的系统，其中所述海藻池的运行温度为65℉到95℉之间。
34.如权利要求31所述的系统，其中所述海藻池配置有一个提供波长范围102nm到106nm光线的光谱辐射源。
35.如权利要求31所述的系统，其中所述辐射源位于所述池子深度的1/2到1/3。
36.如权利要求31所述的系统，其中所述海藻池包括用于混合污水的一个液压泵和一个桨轮。
37.如权利要求31所述的系统，其中所述海藻池是一个高比率海藻池。
38.如权利要求31所述的系统，其进一步包括一个用于去除从所述海藻池中引入的海藻的第三沉淀去除池。
39.如权利要求38所述的系统，其进一步包括一个用于将污水在排放至环境之前暴露于环境的自然元素中的熟化池，所述熟化池与所述第三沉淀去除池相连。
40.如权利要求31所述的系统，其进一步包括一个直接向所述池子提供污水的供给池。
41.如权利要求27所述的系统，其进一步包括一个位于所述溶解空气浮子和所述供给池之间用于从所述溶解空气浮子向所述供给池提供残留固体的连接件。
42.如权利要求38所述的系统，其进一步包括一个一端连接于所述第三沉淀去除池，另一端连接所述海藻池的溶解空气浮子设备。
43.如权利要求27所述的系统，其进一步包括一个有氧污泥消化器和一个连接于所述有氧污泥消化器和所述溶解空气浮子之间从所述溶解空气浮子向所述有氧污泥消化器提供残留固体的连接件。
44.一种污水处理系统，其包括：
一个包含生物芯片和微生物用于从污水中去除有机物的反应器;
一个沉淀去除池(SRT)，用于从污水中去除固体并且当从污水中去除固体时，所述沉淀去除池能够被封闭来保持污水中的溶解氧在大体上恒定的水平;以及
一个容纳海藻用于从污水中去除营养物的海藻池。
45.如权利要求44所述的系统，其进一步包括一个一端连接于所述沉淀去除池，另一端连接于所述海藻池的溶解空气浮子(DAF)设备。
46.一种污水处理系统，其包括：
一个容纳海藻用于从污水中去除营养物的海藻池;
一个沉淀去除池(SRT)，其使用扩散气流保持污水中的溶解氧的水平用于从污水中去除固体;以及
一个熟化池，用于在将污水排放至环境之前将污水暴露于环境的自然元素中。
47.如权利要求46所述的系统，进一步包括一个一端连接于所述海藻池另一端连接于所述沉淀去除池的溶解空气浮子设备，并且所述沉淀去除池与所述熟化池连接。
48.一种海藻池，其包括：
一个池子，其内设置有一个能够容纳污水和海藻的蜿蜒弯曲路径;
海藻，用于从污水中去除营养物;
一个辐射源，沿所述蜿蜒弯曲路径设置，为所述池子里的海藻生长提供光线;
一个液压泵;以及
一个桨轮，所述液压泵和所述桨轮用于向所述池子内的污水充气。
49.如权利要求48所述的海藻池，其中所述海藻池是一个具有内部表面积在1000平方英尺到50000平方英尺的高比率海藻池。
50.如权利要求48所述的海藻池，其中所述通道在200英尺到3000英尺之间。
说明书
污水处理的新系统和方法
本发明是关于污水处理。特别地，本发明是关于能够有效快速地去除污水中污染物的主动处理系统和方法。
传统的污水处理开始于对污水进行预处理，其在不同阶段实施。在最初阶段，污水经过水解将微粒物质转变为可溶解化合物。这些可溶解化合物在下一阶段被分解。举例来说，发酵降解糖和脂肪酸存在于污水中产生醋酸盐、氢和氧。最终通过使用产烷菌生物体将被分解的化合物转化为甲烷。
在预处理结束之后，某些传统方法可能依靠被动技术，其只依靠重力来去除污水中的悬浮固体。通常使用一个能够容纳3千万加仑水的初级沉淀地窖来进行沉淀。沉淀是一个缓慢的过程，其中允许污水中相对较重的固体沉淀，这样，它们沉淀至地窖的底部，形成包含重固体的离散固态和离散的液体或水态。结果这些类固体很容易从液态污水中分离出来。
在重固体去除之后，污水被输送至另一个大池子里来去除有机物。在这个大池子里，微生物附着在池子的厚壁和底部并且在合适的光线、温度和表面积下在池子里繁殖。这些微生物繁殖数量巨大并且消耗污水中的大部分氧和食物(例如，有机物)。在缺少必需的维持条件的情况下，这些微生物最终死亡，剩下具有丰富的氮和磷的污水。传统的方法根据剩余的污染物的数量将这些污水排放至土壤、池塘或池子。
不幸的是，传统的污水处理方法存在几个缺陷。例如，依靠沉淀去除固体的过程不仅很漫长而且很昂贵。特别的，基础设施，例如大池子、管道以及泵都需要巨大的资金成本。
另外一个例子，去除有机物的过程，与去除固体的过程相似，因为要在大池子中运行很长时间，也是被动和昂贵的。再一个例子，传统的处理方法并没有一个有效的从污水中去除死亡的微生物和残留的氮和磷的方法。虽然反渗透或离子交换可以用于去除氮和磷，但其被认为不具商业可行性，因此并未整合到传统污水处理方法中。
因此，需要的是更有效和快速处理污水的污水处理系统和方法。
【发明内容】
根据前面所述，本发明提供一种更有效和快速处理污水的污水处理系统和方法。
在其他成分之中，污水一般包括固体，其包括总悬浮固体(total suspended solids, TSS)、无机和有机物、氮、磷和活的有机物。以一种商业上可行的方法去除这些物质具有独特的挑战，其不是使用传统的主要依靠重力和时间的处理方法来解决。在这样的背景下，本发明的方法采用主动的方法来进行污水处理，例如，以一种商业上可行的方法高效快速地处理污水。特别地，本发明提供主要通过独创的子系统和步骤而不仅仅是重力和时间，来从污水中高效快速地去除不同种类污染物的系统和方法。
本发明采用的方法意识到，在其他事情之中，生物需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)的概念驱动污水处理的各个步骤。生物需氧量是一个目前人所共知的显示生物学上稳定有机物所需要的氧气数量的参数。根据本发明的实施例，不仅仅依靠重力和时间，而且努力有效地控制在污水处理各个阶段的生物需氧量。与现有技术的仅仅依靠重力和时间的被动处理相反，这使得本发明能够主动处理污水。
有机物通常在污水中因为各种原因使用氧气，并最终消耗可溶性氧。然而，在污水处理中，期望必须的高水平的溶解氧来供微生物生长以消耗有机物。传统的方法只在单一的离散的步骤中通过输入氧气补充污水中消耗的氧气水平来生长微生物。该步骤通过提供氧气首先促进自然产生的微生物生长到很大数量，这样它们消耗污水中的几乎所有有机物和氧。传统的方法通过采用被动的方式来提供氧气，例如，要求占用巨大空间的池子来形成长时间暴露至空气的更大的表面积。
本发明意识到需要在多个步骤中通过增加特定反应器的表面积的体积比，最大限度地使用高压空气扩散来主动增加污水中的溶解氧，也为自然生长和外部输入的细菌创造一个生长的积极环境。在本发明的较佳实施例中，主动输入氧气和增加表面积体积比在去除固体阶段的早期开始，并且在传统方法的激励微生物生长之前。
当足够数量的微生物在缺少氧气和营养物的环境下死亡时。死亡的生物体腐朽，经过俗称的“硝化作用”产生大量的氨、硝酸盐和亚硝酸盐。传统的处理方法向环境排放带有高浓度氨和磷的污水。反渗透和离子交换可以用于去除氮、磷，但不具有商业可行性,因此,没有整合到传统废水处理方法中。
排放富含氨的污水对生活是有害的。亚硝酸盐是致癌性的，直接排放带有亚硝酸盐的污水会污染饮用水的蓄水层。本发明意识到这一点并在污水排放前通过有效地去除氨和磷来避免这种污染。
本发明的较佳实施例通过在各个阶段降低生物需氧量、保持溶解氧的水平、降低固体内容和控制污水中氨的水平来有效处理污水。举例来讲，在一个步骤中，本发明通过主动关注产生固体的生物需氧量的去除来降低污水中的生物需氧量和固体内容。
在另一个实施例中，去除固体的过程中，本发明也关注改善自然生长和经基因改造的细菌的生长状态。本发明的较佳实施例使用高压空气扩散来大体上保持或增加污水中的溶解氧。结果，根据本发明的较佳实施例，微生物在用于去除有机物之前能够很好地生长。
在另一个实施例中，通过微生物消耗去除有机物之后，本发明较佳实施例直接产生厌氧条件使微生物完全死亡并且降低污水中的固体内容或减少污水中的生物需氧量。接下来，污水在补充溶解氧水平的有氧条件下去除固体和进一步降低生物需氧量。
在另一个实施例中，本发明的较佳实施例主动去除产生固体的生物需氧量、死亡的微生物、营养物、藻类和其他固体，通过反向反应保持污水中的溶解氧的含量来阻止生物需氧量和固体的增加。需要重要指出的是，现有技术并未意识到反向反应会增加生物需氧量的缺陷，更不用说提供阻止生物需氧量增加的措施。
在另一个实施例中，本发明的较佳实施例，通过有效培养利用可用的营养物用于自生生长的特定生物过程，来主动关注各种营养物和磷的去除。本发明进一步通过主动去除剩余在污水的任何生物物质来降低营养物负荷。
在一方面，本发明提供一种污水处理程序。该方法包括：(1)接受污水;(2)对污水进行第一种处理产生具有能够改变的第一特性的污水;(3)阻止所述第一特性变化;(4)对污水进行第二种处理;其中所述第一特性包括选自生物需氧量(BOD)水平、溶氧水平、固体含量和营养水平中的至少一种特性。
接受污水的步骤较佳地包括接受一个能够增加或保持溶解氧在大体上恒定水平的供给池里的污水。在该实施例中，氧气通过使用扩散气流溶解。
在本发明的一个实施例中，所述第一种处理包括去除固体，所述第二种处理包括去除有机物。在该实施例中，去除固体包括：(i)从污水中机械分离固体以从污水中去除第一数量的固体;(ii)吹送溶解空气从污水中去除第二数量的固体。所述第一数量的固体大约占到从污水中去除的固体的75%到98%，其中所述污水中固体的含量大约占15%到30%。所述第二数量的固体大约占从污水中去除的固体的85%到95%，其中所述污水中固体的含量大约为3%到6%。
根据本发明的一个实施例，所述机械分离包括从一个供给池直接获取的污水中分离固体。
根据本发明的一个实施例，所述阻止的步骤包括从使用高压气流保持污水中的溶解氧在一个大体上恒定的水平的池子里的污水中去除固体。保持溶解氧在一个大体上恒定的水平意味着流入的溶解氧和流出的溶解氧的差别不超过5%。去除的步骤进一步包括使用不同特定尺寸的筛网来从污水中去除固体。去除固体的步骤包括从污水中去除85%到90%的具有大于20微米的特定尺寸的固体，其中所述污水中固体含量大约为1%。
在本发明的一个可选择的实施例中，所述第一种处理包括从污水中去除有机物，所述第二种处理包括从污水中去除营养物。在一个实施例中，所述去除有机物包括将污水中的微生物暴露于生物芯片的氧气中。微生物暴露至氧气中的体积比为大约为每立方英尺32平方英尺和每立方英尺130平方英尺之间。去除营养物的步骤，在该实施例中，包括在一个存在波长范围从102nm到106nm的光线的海藻池中处理污水。在海藻池中处理污水的步骤包括对污水充气。所述海藻池最好是能够提供表面积在1000平方英尺和50000平方英尺之间的高比率海藻池。所述高比率海藻池的温度可以维持在70℉和95℉之间。所述高比率海藻池可以具有一个长度在200英尺到3000英尺的通道。
阻止的步骤包括：(i)在厌氧条件下处理污水，产生具有较低生物需氧量的污水;(ii)在需氧条件下处理具有较低生物需氧量的污水。在本发明的较佳实施例中，厌氧条件是通过在密封的用来维持溶解氧含量在一个大体上恒定水平的池子中去除污水中死亡的微生物来产生的。所述需氧条件包括：(i)从污水中去除死亡的微生物;以及(ii)同时增加污水中的溶解氧的含量。在本发明的其他可选择实施例中，所述第一种处理包括从污水中去除营养物并且所述第二中处理包括将污水暴露于自然元素中。在该实施例中，所述阻止的步骤进一步包括：从污水中去除藻类;以及同时增加污水中的溶解氧。所述阻止的步骤进一步包括在一个具有从污水中分离固体的筛网的池子中从污水中去除藻类，以及向污水中输入气泡来保持溶解氧在一个大体上恒定的水平。
在另一方面，本发明提供一种污水处理系统。所述系统包括：(i)接受污水的装置;(ii)对污水执行第一种处理产生具有能够改变的第一特性的污水的装置;(iii)阻止第一特性变化的装置;(iv)对污水执行第二种处理的装置，其中所述第一特性包括选自生物需氧量(BOD)水平、溶氧水平、固体含量和营养水平中的至少一种特性。
在另一方面，本发明提供一种污水处理系统。所述系统包括：(i)从污水中去除固体的池子;(ii)一个用于从污水中去除固体的第一沉淀去除池(SRT)，所述第一沉淀去除池能够使用筛网去除固体，并且能够在固体从污水中去除时向污水中输入气泡来维持污水中的溶解氧在一个大体上恒定的水平;以及(iii)一个用来去除水中的有机物的包含生物芯片和微生物的反应器。所述池子可以是一个双网挤浆机或供给池。所述系统可以进一步包括一个溶解空气浮子(DAF)设备。溶解空气浮子包括：(i)一个有孔的扩散器;以及(ii)一个固定有一个文丘里管的高压水泵，用于吸入空气形成气泡并且压迫所述气泡通过所述有孔扩散器。所述反应器可以包括一个吹风机便于向污水中输入氧气。该反应器较佳地具有一个70平方英尺到210平方英尺之间的表面积。所述反应器可以是一个旋转生物收缩物或填充床反应器。
所述系统进一步包括：(i)一个用于从污水中去除死亡的微生物的第二沉淀去除池(SRT)。在死亡微生物从污水中去除时，所述第二沉淀去除池能够被密封用于保持污水中的溶解氧在大体上恒定的水平;以及(ii)一个海藻池，在有海藻的情况下能够去除污水中的营养物。所述系统可以进一步包括一个一端连接至所述第二沉淀去除池，另一端连接至所述海藻池的溶解空气浮子(DAF)设备，所述溶解空气浮子设备能够在去除污水中的死亡微生物时增加污水中溶解氧的水平。所述海藻池的较佳运行温度在65℉和95℉之间。所述海藻池可以装备一个提供102nm到106nm波长光线的光谱辐射源。所述辐射源可以位于所述池塘深度的1/2到1/3之间的位置。所述海藻池可以包括用于混合污水的一个液压泵和一个桨轮。所述海藻池可以是一个高比率海藻池。
所述系统可以进一步包括一个去除从海藻池引入的海藻的第三沉淀去除池。在该实施例中，所述独创系统进一步包括一个用于在将污水排放至环境之前，将污水暴露至环境的自然元素中的熟化池。所述熟化池较佳地连接至所述第三沉淀去除池。该系统较佳地包括一个直接输送污水至池子的供给池。所述系统可以进一步包括一个连接溶解空气浮子和供给池从溶解空气浮子向供给池提供残留固体的连接件。所述系统进一步包括一个一端连接于所述第三沉淀去除池另一端连接于所述海藻池的溶解空气浮子设备。
在本发明的可选择的实施例中，所述系统进一步包括一个有氧沉淀物消化器和一个连接于所述有氧沉淀物消化器与前述溶解空气浮子之间用于从所述溶解空气浮子向所述有氧沉淀物消化器提供残留固体的连接件。
在另一方面，本发明提供一种污水处理系统。所述系统包括：(i)一个具有生物芯片和微生物用于从污水中去除有机物的反应器;(ii)一个用于从污水中去除固体的沉淀去除池，并且在固体从污水去除时，所述沉淀去除池能够被密封来保持污水中的溶解氧;以及(iii)一个用于从污水中去除营养物的容纳海藻的海藻池。所述系统可以进一步包括一个一端连接于所述沉淀去除池另一端连接于所述海藻池的溶解空气浮子设备。
在另一方面，本发明提供一种污水处理系统。所述系统包括：(i)一个用于从污水中去除营养物的容纳海藻的海藻池;(ii)一个用于从污水中去除固体的沉淀去除池，并且当从污水中去除固体时，所述沉淀去除池能够增加污水中的溶解氧的水平;以及(iii)用于在将污水排放至环境之前，将污水暴露至环境的自然元素中的熟化池。所述系统可以进一步包括一个一端连接于所述海藻池另一端连接至所述沉淀去除池的溶解空气浮子设备，并且所述沉淀去除池与所述熟化池连接。
在另一个方面，本发明提供一个海藻池。所述海藻池包括：(i)一个池子，所述池子里设置有能够容纳污水和海藻的蜿蜒弯曲路径;(ii)用于从污水中去除营养物的海藻;(iii)沿所述蜿蜒弯曲路径设置的用于提供在池子里生长海藻的光线的放射源;(iv)一个液压泵;以及(v)一个桨轮，所述液压泵和桨轮用于向池子中的污水通气。所述海藻池较佳地是一个高比率海藻池，其具有一个面积在1000平方英尺到50000平方英尺之间的内表面面积。所述通道的长度较佳地在200英尺到3000英尺之间。
本发明的结构和方法，以及其其他目的和好处将在接下来的与图示相结合进行说明的具体实施例中最好理解。