申请日2009.05.11
公开(公告)日2011.05.04
IPC分类号B01D24/10; C02F3/10; C02F9/02; C02F9/08; C02F103/00; C02F11/02; C02F101/10; C02F101/30; C02F9/14
摘要
本发明公开一种设定为定期回洗的紧凑高效的组合了生物和物理处理的不饱和污水处理过滤装置。该过滤装置利用填充介质并且除去废水和其他污染水源中的污染物和病原体。过滤装置包括定期回洗手段以减少生物膜生长堵塞介质孔隙的机会。然而，这样的回洗仍旧保留充足的附着在介质上的生物膜以维持非常高的处理水平。在优选的实施方案中，过滤装置利用高频率的进料以引起在进料过程中和进料不久之后，在表面上或表面附近的孔隙饱和从而最大化分布的均匀性以及引起向下的空气流进入到介质中。所述系统提供了很多意想不到的优点，包括允许非常低的分布压力以及以低能耗提供大量氧气传递到过滤介质中以用于污染物的好氧生物降解。
权利要求书
1.污水处理系统，其用于除去废水和其他污染水源中的污染物和病原体，该处理系统包括：
a.入口流体通道，其从处理系统以外的来源接收废水;
b.容纳所述废水的容器，其包括设置用于生物处理和物理处理所述废水的填充介质过滤装置，其中所述废水随重力流经所述填充介质中的孔隙时对该废水进行处理;
c.进料装置，其用于进料所述废水到所述介质中;
d.流动地连接所述容器的排水管，其用于从所述容器中排出处理后的废水;以及
e.用于清洗所述介质的装置，其通过对所述介质进行间歇回洗和流化作用清洁所述介质。
2.根据权利要求1所述的污水处理系统，其中所述处理发生在基本上不饱和的环境中。
3.根据权利要求2所述的污水处理系统，其中在所述进料步骤中，所述废水产生饱和的温润峰，该湿润峰移动通过所述介质。
4.根据权利要求2所述的污水处理系统，其还包括排气口，该排气口连接所述介质表面且位于所述介质表面下方。
5.根据权利要求4所述的污水处理系统，其中风扇或鼓风机连接在所述排气口用来增加通过介质和排气口的气流。
6.根据权利要求1所述的污水处理系统，其中所述回洗包括所述处理后的废水。
7.根据权利要求6所述的污水处理系统，其中所述处理发生在基本上不饱和的环境中。
8.根据权利要求6所述的污水处理系统，其还包括位于所述容器上游的初级处理装置，其中一定量所述经回洗的处理后废水进入所述初级处理装置以通过沉淀除去回洗水中的固体。
9.根据权利要求8所述的污水处理系统，其中所述一定量取决于用于缺氧处理硝酸盐的初级处理装置中的条件。
10.根据权利要求7所述的污水处理系统，其中有目的性地将饱和区域维持在系统的较低区域中以促进对硝酸盐和其他污染物的处理，从而在系统的不饱和部分中的初级处理之后从饱和区域中更有效地除去硝酸盐和其他污染物。
11.根据权利要求1所述的污水处理系统，其中所述介质包括至少两种介质，其中较粗介质置于较细介质之上。
12.根据权利要求1所述的污水处理系统过滤装置，其中一个或多个表面清洗喷嘴间歇地冲刷所述介质上积累的生物膜。
13.污水处理系统，其用于除去废水和其他污染水源中的污染物和病原体，该处理系统包括：
a.入口流体通道，其从处理系统以外的来源接收废水;
b.容纳所述废水的容器，其包括设置用于在基本上不饱和的环境中生物处理和物理处理所述废水的介质，其中由所述容器接收的所述废水间歇产生饱和湿润峰，该饱和湿润峰移动通过所述介质并从所述容器中压出空气;以及
c.连接所述容器的排水管，其用于从所述容器中排出处理后的废水。
14.根据权利要求13所述的污水处理系统，其还包括流动连接所述排水管的泵，其用于输送所述处理后的废水经过所述排水管进入所述容器以清洁和流化所述介质。
15.处理废水的方法，该方法包括以下步骤：
a.接收废水到容器中的接收步骤，所述容器包括设置用来生物处理和物理处理所述废水的填充介质过滤装置;
b.处理步骤，其中在所述废水停留在所述填充介质过滤装置的期间对其进行处理;
c.排水步骤，该步骤利用重力从所述容器中的填充介质中排出处理后的废水;以及
d.回洗步骤，该步骤用所述处理后的废水回洗和流化所述介质。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述处理步骤中所述介质基本上是不饱和的。
17.根据权利要求15所述的方法，其中在所述接收步骤中，将所述废水重复进料到所述容器中从而使得部分所述过滤介质暂时处于饱和状态中，所述饱和状态包括短暂移动的饱和湿润峰，通过饱和湿润峰的移动从所述介质中压出空气。
18.根据权利要求16所述的方法，其中位于所述填充介质表面以下的排气口允许空气自由移动通过所述介质以及从所述介质中排出。
19.处理废水的方法，该方法包括以下步骤：
a.接收废水到容器中的接收步骤，所述容器包括设置用于在基本上不饱和的环境中生物处理和物理处理所述废水的介质，其中所述接收的废水产生饱和湿润峰，该饱和湿润峰移动通过所述介质并从所述容器中压出空气;
b.处理步骤，其中通过所述介质对所述废水进行处理;以及
c.排水步骤，其通过所述容器中的排水管排出所述废水。
20.根据权利要求19所述的方法，其还包括用液体回洗和流化所述介质的回洗步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述液体是所述处理后的废水。
说明书
回洗不饱和废水过滤装置
发明领域
本发明涉及污水处理过滤装置(wastewater treatment filter)，具体地说，本发明涉及紧凑的、高效的、组合的生物和物理处理过滤装置，其用于除去废水和其他污染水源中的污染物和病原体。
发明背景
分散式污水处理系统一般包括化粪池(septic tank)，其中将来自一个或多个居民区或商业区中的原废水引入到所述化粪池中。在化粪池或其他沉淀装置中，一般通过重力沉淀来除去固体，以及通过被动的厌氧生物处理部分地除去其他成分。当需要更高处理水平时，通常将化粪池废水导入生物滤池(biological filter)或其他的处理系统中。处理之后，经处理的流出物一般排入外侧区域中，所述外侧区域包括大量地下的平行排水管或灌溉管，它们通过大量敞开的各外侧排水管或管道将处理后的流出物排放到地下环境中。
其中一种生物滤池是生物废水滴滤池(trickling filter)。常规滴滤池通过顶置旋转式分配器施加废水至滴滤池的顶部。过滤装置通常是固定的粗介质，其包括石块或成形的塑料块。在过滤介质(filter media)表面上的生物生命用作在这样的过滤装置中进行污水处理的主要手段(primary mean)。介质是不饱和(unsaturated)的从而最大可能地输送氧气给介质上的好氧生物。这样设计的过滤装置价格合理且具有广泛的商业认可度。然而，有一些因素妨碍了一些常规滴滤池符合已经建立的流出物排放到环境中的较严格的参数。由于常规滴滤池使用固定的介质床，这样的系统不依赖回洗这一优良方法来从滴滤池流出物中除去过量生物生长物和固体，而是依赖重力来脱落，然后在外部二次澄清器中进行沉淀。外部澄清器明显增加了费用且带来了本来不存在的系统复杂性。间歇砂滤池(sand filter)和再循环砂滤池是使用沙子来代替石块或较大介质的滴滤池类型从而实现比常规滴滤池更高程度的生物和物理处理。间歇砂滤池和再循环砂滤池也依赖介质孔隙内的过量固体的基本降解作用而不依赖外部澄清器的除去作用。由于间歇砂滤池和再循环砂滤池使用固定床，因此它们以极低速率装料从而来防止堵塞，并且它们也不进行回洗。最终，间歇砂滤池和再循环砂滤池无法生产出与来自细微(fine)介质过滤装置的处理后的流出物质量相同的最终处理后的流出物。
第二种生物滤池是曝气生物滤池，其用于除去废水中的氮化合物和含碳材料。所述过滤装置利用浸没介质以提供附着固定的膜微生物生长的场所。曝气生物滤池可以是上升流设计或下降流设计，并且是周期回洗的。曝气生物滤池在饱和状态下进行操作且利用加压气泡曝气从而向好氧微生物提供氧气。因此，运转所述过滤装置需要足够多的能量。
第三种过滤装置是快速砂滤池(rapid sand filter)，其一般用于源头水处理工业中的物理过滤和废水工业中的最终废水精加工处理。不同于滴滤池，利用流化介质床的方法对快速砂滤池进行回洗。然而，快速砂滤池在高水力装料速率(loading rate)下运行并且通过保持水头或水压高于过滤装置表面使其完全饱和。设计和运行快速砂滤池原则上用来提供物理过滤。生物处理并不是其国标，这是因为生物生长大大减少了运行快速砂滤池其主要功能物理过滤的水力容量(hydraulic capcity)。另外，快速砂滤池中的连续饱和状态对于废水的有效好氧生物处理是不利的。
因此，使用不饱和过滤介质进行好氧生物污水处理的常规解决方法涉及固定的(即非流化且通常不回洗)介质。曝气生物滤池利用周期回洗的介质，但是其在饱和状态中进行操作且使用气泡曝气以向介质上的好氧微生物提供氧气。所述那些物理的水处理方法不涉及回洗，通过基本上连续保持在介质表面以上的加压水使介质饱和，并且生物生长被视为是对物理过滤作用的妨碍而不是所期望的设计目标。
相关技术的描述
其中一个最接近的现有技术系统是F.R.Mahoney公司的根据公司说明，所述系统是“一种为围绕深层砂滤池设计的浸没附着生长生物反应器方法”。具体设计所述系统用于在单一反应器中同时除去可溶有机物、氮和悬浮固体(suspened solid)。Amphidrome是砂介质滤池，其和化粪池以及流出物储水池共同运行并且其具有周期的回洗循环。和常规曝气生物滤池类似，Amphidrome是连续饱和的且在生物反应器的底部使用加压空气扩散器以向生物膜提供氧气(参见美国专利5,989,427、5,776,344等)。另外，Amphidrome系统不是在垂直方向上紧凑(vertically compact)的系统并且需要相对大量的能量消耗。因此有必要提供一种需要少量能量且在垂直方向上更加紧凑的过滤装置。
织物生物滤池(textile biofilter)是小型废水系统中的最新发明中的一个。织物生物滤池利用敞开结构(open-structure)织物层替代沙子或砂砾作为固定生物滤池介质。织物生物滤池是脉冲式的(即，周期地进料废水)、不饱和的、并且允许目前可用的细微介质不饱和污水处理过滤装置的某些最高废水装料速率。然而，织物生物滤池不能有效地进行回洗且其建议的表面积装料速率(表示为每天每平方英尺的过滤装置表面积的加仑数((gpd/sf)))必须维持在中等水平以便于防止长期堵塞。例如，通常设计织物生物滤池的净装料速率(net loading rate)为20gpd/sf。这对比固定床再循环砂砾滤池的一般净装料速率5gpd/sf来说是一个改进，但是还是远远低于本发明显示的净装料速率100gpd/sf。因此表面积装料速率依然是织物生物滤池和其他固定床细微废水过滤装置薄弱的方面。甚至具有大量孔隙的生物滤池也倾向积累生物膜和固体，从而最终导致一些介质的水力短路(hydraulic short-circuiting)。最后，有时需要对织物滤池进行水管冲洗以除去生物积累(bulidup)。细节参见OrencoSystems，Inc.的产品和专利(专利号为6,372,137;5,980,748;5,531,894;5,480,561;5,360,556;5,492,635;4,439,323;D461,870;和D445,476)。因此对于生物滤池而言有必要提供与常规不饱和砂滤池和织物生物滤池类似的高水平的处理，但不具有这类系统中普遍存在的与表面积装料速率相对较低相关的缺点。
美国专利7,309,434(Potts)公开了一种用于污水处理的脉冲进料不饱和介质过滤装置，其在每次进料废水之前在介质上提供间歇压出的空气。引入介质中的气流提供氧气用于使氨转化为硝酸盐的硝化作用。供给空气时的中断形成了缺氧条件，其提供了反硝化(denitrify)的条件。这在需要提高氮的去除的具体情况中是有利的，但是在表面积装料速率容量方面其不带来任何优于常规砂滤池和织物生物滤池的改进，结果得到针对固定处理容量的物理大过滤装置。Potts提及进料速率“最优选”的范围是3～10gpd/sf，如高于这个范围所述滤床被逐渐堵塞或“被压倒(overwhelm)”。因此有必要提供更紧凑的不饱和过滤装置，其可以进行回洗，且其提供具有更加有效和自然的空气循环的更高表面积装料速率。Potts或其他人均没有认识到包括合适的几何形状、池、泵(一个或多个)、阀(一个或多个)、控制件和其它相关组件的不饱和污水处理过滤装置可以通过流化实现有效地回洗。
因此没有已知的污水处理装置，其同时提供通常适合好氧生物固定膜处理的不饱和条件和通过流化过滤介质来进行周期回洗。
由于利用细微介质的常规不饱和系统受非常低的水力装料速率的限制，已有的固定砂滤池或织物介质滤池必须依赖于在过滤装置的大的表面积上用来分配废水的加压喷雾器或喷射施加系统。另外，由于喷雾或喷射类施加废水，所述这些过滤装置一般不生成流向介质上部的均匀的向下气流来增强好氧处理的氧化。
本发明通过提供一种下述这样的系统解决现有生物固定膜过滤装置污水处理系统固有的上述和其它问题，本发明提供的系统在非常低的压力下在细微介质上可以有高的表面装料速率，其中通过周期回洗防止介质的长期堵塞，以及利用最小化的能量可以维持好氧条件遍及过滤装置的大部分从而提供好氧生物处理的最大速率。
因此本发明的第一个目的是提供一种手段(means)，其在具有相对细微介质的主要是不饱和的过滤装置申维持用于生物污水处理的最适的湿度和氧气条件。
本发明的另一个目的是提供一种紧凑且节能的污水处理过滤装置。
本发明的另一个目的是提供一种具有高表面装料速率的、紧凑的不饱和的回洗过滤装置且该过滤装置提供有效的和自然的空气循环。
本发明的另一个目的是在一个紧凑的过滤装置中提供有效的污水处理，该过滤装置使得处理效果类似于常规不饱和砂介质生物废水过滤装置所达到的处理效果的约20倍大(twenty times larger)。
本发明的另一个目的是提供排气口，其位于不饱和的回洗过滤装置的表面以下以实现迅速的空气移动从而向下通过过滤装置并从过滤装置中排出。
本发明的另一个目的是提供一种生物废水过滤装置，其维持最佳生物膜生长水平并同时保持不堵塞，堵塞通常和生物生长期延长有关。
本发明的另一个目的是提供一种过滤装置，其通过使用足够细微的介质，同时提供有效的物理过滤和生物处理。
本发明的另一个目的是在处理系统中提供非常节能的用于传递氧气到处理废水的好氧细菌中的手段(means)。
本发明的另一个目的是维持穿过过滤装置的平均向下气流从而使过滤装置表面有气味的化合物在过滤装置的深处被吸收和氧化。
本发明的另一个目的是利用从过滤装置至缺氧池或化粪池的循环流以提高在需要除氮的化粪池-过滤装置组合系统中的总氮除去作用。
发明内容
本申请人公开了一种设定进行周期回洗的紧凑高效组合的生物和物理不饱和污水处理过滤装置，该过滤装置从废水和其他污染水源中除去污染物和病原体。在本系统中，在化粪池中或通过其他的初级处理装置处理除去了最易沉淀的固体的废水经过分配头流入进料槽。在进料槽中，废水流动经过包覆有微生物生物膜的过滤介质并通过该介质对废水进行处理。在优选的实施方案中，以高频率脉冲方式施加废水从而均匀地在介质的整个表面上更好地分配废水。这样实现了向下流动通过介质孔隙的废水的高度的均匀性，在废水脉冲前其推动空气向下，并且也当脉冲向下移动进入介质时在废水脉冲之前将拉入空气通过介质表面，从而针对最适合生物膜生长和除去污染物促进了通过介质的空气循环。
将来自进料槽的处理后废水(或为了清楚起见，″处理后的流出物″)收集在暗渠(underdrain)系统中并流入接收池中。在示例性的情况中，从接收池排出处理后的流出物，将其或排放到地上环境中，或排入到灌溉系统中用于重新利用，或排入外侧区域，外侧区域包括大量的地下排水管，其通过各排水管上的大量孔隙将处理后的流出物排入到地下环境中。
在接收池中的处理后的流出物周期性地通过暗渠流回以流化(fluidize)和回洗进料槽中的过滤介质，从而从介质孔隙中除去生物膜生长的最大水力限制部分并最终防止过量生长堵塞系统。回洗还对介质进行重新分配以排除可能形成的优先流体通路，优先流体通路可以导致水力短路并因此导致污水处理不充分。上述这样的回洗仍然保留充足的附着在介质上的生物膜以维持高水平的处理。
本系统提供很多意想不到的优点，包括可以实现意外且惊人高的持久的平均废水装料速率、非常低的废水施用压、提高了进入过滤介质的天然的气流、遍及过滤介质的处理的优异分配、回洗之后介质上保留充足的生物膜用于继续处理以及气味的捕获和处理。