用于处理和改善水的水处理系统的制作方法

专利名称:用于处理和改善水的水处理系统的制作方法
用于处理和改善水的水 处理系统
本申请要求了申请日为2007年5月10日、申请号为60/917，101的美国在先申请的优先权，该申请在此引入并作为参考。
发明的背景
技术领域：
本发明涉及在小型场所内处理和再利用水的系统。小型场所是指如住宅和小型企业。本发明更特别涉及可在住宅进行再利用和/或灌溉的水处理系统。本发明适用的水源包括蓝水、黑水、灰水和从自然源得到的水(如降雨、暴雨径流等)。
背景技术随着对如全球变暖等环境问题的认识的增加，我们已经意识到需要寻找保护和有效利用自然资源的方式。人们已经对降低对通过化石燃料获取能量的依赖给予了极大的关注并付出了巨大的努力。然而，另一种重要资源的有限供给的重要性还未得到足够的重视。这种资源就是水。
据估计，地球表面积中大于75%的部分被水覆盖。然而，这些水中仅一小部分可不经过处理饮用或使用。其中大于96%的水是洋、海和湾。在占4%的淡水中，68. 7%蕴藏在冰帽、冰川和永久性积雪中。(见earthobservatory. nasa. gov)。如盐水占总水量的绝大部分，在将它用于饮用或其他目的时需要进行脱盐处理。参见Cath的名为净化液体的系统和方法、公开号为20060144789的美国专利；Sirkar的名为用直接接触膜蒸馏和减压膜蒸馏的设备和方法、公开号为20060076294的美国专利；Marcellus的名为盐水、卤水和脏水的脱盐的机械及脱盐方法和制造该机械的设备、公开号为20060076226的美国专利；Craven 的名为淡水的萃取设备、公开号为20050189209的美国专利。脱盐方法需要相当大的能量来完成。按照加利福尼亚海岸委员会的说法，脱盐成本范围在2，500-15, 000kWh/AF(每英亩千瓦小时)。(见 http //www, coastal, ca. rov/desalrpt/dchapl. html)。
当水被用在住宅和/或商业环境中，最终使用的水在可用和/或可再利用之前可能需要精心制备、消耗能量，以及进行处理。甚至湖水和溪水可能携带使人致病的病原体， 所以对其进行处理和/或加工使其能被人类安全使用才是适当的做法。
传统的废水包含需氧的且以生化耗氧量(BOD)衡量的含碳化合物和含氮化合物 (通常以NH4+存在)。BOD是确定生物有机体在水系统中的耗氧速度(通过有机物质的降解)的化学过程。BOD用于水的质量管理和评估的生态学和环境科学中。BOD5表示在20°C 的温度下经过5天的时间在黑暗中测量的微生物在水样本中耗氧的速度。
在一些地区，执行控制水污染法律要求在废水处理目标中除了去除含碳化合物和悬浮固体外，还需考虑去除氮和磷。磷和含氮化合物是细胞生长所需的重要营养物质，这样持续将含磷和含氮水排放到自然界受纳水体，如河水和溪水中，终将导致进一步逐渐肥料化和富营养化，造成普遍的水生植物的繁茂。这样，反过来，危害水栖生物且造成水质量和水景观质量的逐步降低。既然水生植物的生长最终依赖可得到的营养物质，则减少磷和含氮化合物的含量即可限制这些不期望的生长。
政府部门目前需要对这些废水进行进一步纯化，其中的重点是有机化合物、含磷化合物和含氮化合物。含磷化合物通常经过氧化沉淀被除去，即将化学物质加入到废水中且将含磷化合物氧化为作为难溶性盐而沉淀析出的磷酸盐。含磷化合物通常也在单个水池或化粪池中沉淀。
进一步地，世界上一些国家存在一些由于可用的净水和/或能用于洗浴和清洁的水不足产生的严重健康问题。NGOs已经做出了一些努力如扶轮国际呼吁需要增加能使用的可信禾口安全的水(见 http //www, rotary. orR/aboutrotary/president/boyd/water. iiiml)。在发展中国家，部分问题源于住宅中得到蓝水(也就是安全的可用于煮饭、清洁、洗浴和饮用的水)的市政基础设施难以使用。然而，即使在美国和欧洲，人们越来越意识到不管市政设施设计的有多好，即使在一些地区限制了水的供应，水的使用也已经对社会和经济产生了影响。在美国的拉斯维加斯，美国经济增长最快的地区之一，最近被报道说预计该市至2016年将用完其水资源。
通常，在美国，许多家庭连接于提供输入水，即称为“蓝水”的市政水源。美国环境保护局(USEPA)通过执行联邦政府净水和安全引用水法律设立了水的标准来实施联邦政府净水和安全引用水实施法规。自然纯水不存在上述问题。在自然界，所有水都包含一些杂质。在溪水中流动的水，静处在湖中的水，以及大地上通过泥土和岩石层过滤的水，溶解或吸附它所接触到的物质。一些这样的物质是无害的。事实上，一些人恰恰偏爱矿泉水，因为矿物质使水具有充分吸引人的口感。然而，在某种程度上，矿物质，像人造化学物质一样， 被认为是使水味道不佳或甚至是危险的污染物。
一些污染物来自自然岩层腐蚀，其他污染物是工厂排出的，农田使用的，或消费者在家里或庭院使用的物质。污染源可能就在你身边或可能离你数里远。当地水质报告能说明在饮用水中存在何种污染物，被发现的污染物的量，以及每种污染物真实的或可能的来源。
一些地下水系统已经建立水源保护计划来保护它们的源头不受物质污染。同样地，一些地表水系统也围绕其水库的分水岭进行保护使水不受污染。现在，政府和水供应部门正系统地评估每个饮用水水源和确定污染物的潜在来源。该过程将有助于保护他们供应的饮用水免受污染，且主要结果将在以后的水质报告中呈现。
蓝水适于各种家庭使用，因家庭和商业上汲取的水含有矿物质，蓝水还可用于对蓝水质量没有要求的方面，如，浇灌草坪，冲厕所。当水用作普通家用时，可使用不同质量的水。三种质量的水通常存在于连接市政污水系统或化粪系统的系统中。这三种质量的水包括蓝水，如在把止水塞放入浴盆前一直开启输入蓝水的龙头直到水变热；灰水，如来自洗衣，淋浴，浴池的水等，其可能含有一些杂质；黑水，如来自厨房的水池，洗碗池，和厕所的水。按照USEPA，美国家庭平均每天使用400加仑的蓝水，约30%是户外使用，如灌溉草坪。 一些专家估计多于50%的商业和住宅灌溉水由于蒸发，流失，或过度灌溉被浪费。图1示出了普通家庭用水设置情况。
当前一些可得到的水处理系统涉及商业或市政规模的水处理设备。如， StankewichJr.的美国专利号3，764，523，名为含BOD水的硝化，涉及在活性污泥存在下利用氧气进行生物化学氧化，从含BOD水中除去含碳和氮食物的方法。
为了提高水资源危机的意识人们已进行了其他努力，至少对于景观使用的灰水的再利用取得了初步成就。如，Art Ludwig的用灰水创造绿洲选择、构建和利用灰水系统 (4thEd. 2006年2月)，讨论了各种方法来节约新鲜(蓝)水以及用洗涤水进行灌溉。澳大利亚新水公司已经开发了水回收系统，用于处理和回收家用灰水；以及雨水回收系统，用于在家庭中回收和储存雨水(见www. newwater. com.au)。参见新水公司的水处理方面的PCT 公开号 WO 2005/095287。
水回收系统包括全天候平衡灰水的变化和成分的收集单元，可以自动溢出到下水道。混合的灰水随后被泵抽送经毛发和棉绒阱进入处理单元，在其中进行生物处理，以及化学和物理过滤处理。处理后的污水随后通过轻度溴消毒处理且保持至少30分钟进行消毒。之后，污水被传送到尺寸适宜家用的回收装置的再利用部分。处理室有三个可替换的池，每一个每天能处理水235升，总的处理量大约是每天700升。新西兰绿洲净水公司开发的另一系统是净水系列2000 (见www, oasisclearwater. co. nz)。该净水系统不是一个专用的池。它是一个包括五个处理步骤的废水曝气处理系统。液体通过液压分配器流过系统。 废水首先进入预处理池，沉积池，从这里流进第二沉积池。水从第二沉积池出来后通过过滤器，在其中进行了生物和机械过滤。此后水进入中心曝气池，然后进入澄清池。澳大利亚水_新星公司开发了另一种曝气废水处理系统(见www, aguanova. com, au)。水-新星公司(Aqua-Nova)的系统也是进行废水处理。而丹麦的BioKube开发了另一种系统(见www. Biokube. com)。BioKube公司的系统可对污水进行生物清洁来制备可用于灌溉的再生水。 BioKube公司的系统在抽取废水进入清洁池之前在一个预处理池中降解硫化氢。同样可参照Hedegaard的美国专利公开号为2004/0173524废水的生物提纯方法及适宜实施该提纯方法的小型机械设备。

发明内容
本发明一方面提供了低保养费的处理黑水、灰水和自然水源的民用的模块化系统。本发明包括进行以下处理的设备和方法分离水源，大型过滤(如过滤大的颗粒物质等)，在调配罐中添加分离物质的操作，输送至曝气池，最后过滤，及可选的最后净化步骤。 本发明涉及在家庭中处理和使用水的方法和设备。
提供用于民用水处理的模块化设备的一个优点是其能降低家庭再利用水操作和大型水处理站运行和从水处理厂向独立住所输送水所需的化石燃料量。另一个优点是在一些水资源有限的或是限制使用水资源(如在干燥气候带)的地区，增加了居民的可用水量。 本发明还有另一个优点是对于家庭来说由于以特定的循环更有效地再利用水而减少了用水量。同时本发明还有一个优点是在使用时根据水的质量分配水，如，用处理过的灰水代替蓝水来灌溉草坪。
本发明的另一方面是提供一种水处理系统。该水处理系统包括用于接收来自水源的污水的沉淀池；至少一个用于接收来自沉淀池的污水的曝气池；用于对来自至少一个曝气池的废水进行消毒的消毒器；用于检测参数的检测器；以及，用于根据检测到的参数控制水处理系统操作的控制器。
沉淀池配置为与厌氧消化器连通。另外，厌氧消化器接收来自沉淀池的污泥。而且，通过检测器检测厌氧细菌活性的参数。控制器根据检测到的参数对细菌活性进行调整。而且，曝气池与曝气源连通。曝气源输送曝气物质，适宜的曝气物质包括，如空气、纯化的氧气，以及臭氧。曝气源与调节器控制连接，用于控制输送曝气物质的速率，或水流的速率。此外，另一方面，通过检测器检测曝气池的参数。例如，可根据检测器检测到的参数决定曝气物质的输送速率，或者通过系统的水的流速。消毒器可以是臭氧发生器、紫外线光源、热源、蒸馏装置、反渗透系统和/或化学处理装置中的一种或者多种。在一些实施方案中，根据检测器检测到的参数启动消毒器。进一步地，检测器可检测可溶固体的总量、电导率、温度、色度、浑浊度、硬度、沉淀物、酸度、碱度、钙含量、镁含量、钠含量、碳浓度、氯浓度、 硫浓度、钠吸收比、溴浓度、痕量金属浓度、重金属浓度、硝酸盐形式的氮浓度、磷酸盐形式的磷浓度、钾浓度、药物化合物、激素和/或新陈代谢副产物中的一个或多个参数。检测器与计时器通信连接，以及该检测器能以一定时间间隔进行检测。进一步地，检测器能根据需要对控制器提供实时检测数据。
本发明另一方面公开了一种水处理方法。该方法包括从水源接收污水，对从水源接收的污水进行需氧处理，对经过需氧处理的污水进行参数检测，以及根据检测参数的结果调整对污水的需氧处理。该方法还包括对从水源接收的污水进行厌氧处理。另外该方法还包括添加控制反应的物质的步骤。另外，根据检测到的参数的结果完成添加控制反应的物质的步骤。该方法也可以包括一个或多个过滤步骤，也可以包括一个或者多个杀菌步骤或过程。杀菌步骤可选择以下设备臭氧发生器、紫外线光源、热源、蒸馏装置、反渗透系统和/或化学处理装置。进一步地，该杀菌步骤包括选择不止一种杀菌处理方式，并根据检测到的参数以连续的、并行的或者可选择的方式进行杀菌处理。进一步地，在一些实施方式中对系统的输出进行检测。在另一个实施例中，对系统的输出进行原地再利用。另外，可对从水源接收到的污水进行分离。
引用结合本说明书中提到的所有公开物、专利以及专利申请在此通过引用结合到本文中，实现与对每个单独的公开物、专利以及专利申请进行具体和个别说明以通过引用结合到本文中相同的效果。


本发明具备新颖性的特征在附加技术特征中进行了详尽的解释。下文详细地描述了本说明书的实施方式，通过下文的详细描述将得到对于本发明的特征和优点的充分理解，在实施方式中运用了本发明的原理，且其中附图如下
图la-d示出了连接市政下水道或传统化粪系统的住宅用水系统，如发明背景中所述，目前使用的雨水集流系统，说明了来自普通家庭和代表性的土壤层的水的成分。
图2说明了在现行方法作用下的水的流向；
图3a_d说明了几个在使用地处理水的系统；
图4a_b说明了使用地水处理设备的附加的细节；
图5a_b是本发明的系统和方法的操作步骤的流程图；和 图6说明了通过本发明对水的流向的改变。
具体实施方式
图Ib示出了利用重心引力收集雨水的雨水集流系统。如，雨水从房屋屋檐下落进入雨水沟。该雨水沟随后运送雨水且将其完全排入管体式水塔。当该管体式水塔内的雨水达到其150加仑的容量时，溢出的水通过管道且完全流入900加仑的鼓状池。两个300加仑的桶收集从900加仑的鼓状池溢出的水，以及任何其它的溢出水流入公共排污系统。水龙头位于管体式水塔和900加仑的鼓形罐的底部。当水龙头打开时，管体式水塔和鼓形罐中的水压将水排出。如，构建一个库顶为42' x48'、坡度在约1到2的系统，用作收集器的系统。在小的降雨期间一天能收集400加仑雨水，在暴雨期间，几个小时就能收集1500加仑。单凭经验方法计算的被收集的平方英尺面积上的雨水的量，约为，在我们的25X40英尺的屋顶上，每一次降雨有400加仑水。
灰水是除了厕所和源于丢弃垃圾而被浪费的养料外的所有废水。灰水的特征在于它的氮含量和黑水中的氮含量相比更少，黑水也就是来自厕所的水。本领域的技术人员应该意识到，氮是最严重和难以除去的影响潜在饮用水供应的污染物之一。另外，灰水含有较少的能够通过水传播有机物的病原体。最终，灰水比黑水降解更快。如图Ic所示，灰水通常包括5%的混合成分1，10%的厨房水2，15%的洗衣水3，和30%的洗浴水4。对于普通家庭，剩余的使用水，即40 %的部分，是来自厕所。灰水通常含有50 %磷，10 %氮和40 %化学需氧量，而黑水含有50%磷，90%氮和60%化学需氧量。如图Id所示，水在到达水位和饱和区之前通过不饱和区排放到土壤上。这样水必然通过自然过程得到过滤，这与雨水通过土壤，岩石等实质是自然的过程得到过滤相似。
在大多数住宅的供水系统中，包括市政系统，水从水源210如井，河，湖，水库或市政水源中得到。随后水通过输水系统212进行输送。通常水在经分配216到最终使用者 220之前经过几个级的处理214。一旦最终使用者使用水，如，通过洗浴，洗衣，煮饭等，可收集的水经收集220而被输送到废水处理设备224。经过处理的水随后经排放226，如，回到水源210，或循环水经第三级清洁230后经分配232输送给最终使用者使用。第二，最后的第三级处理使用通常是市政使用如绿化灌溉，可参照，如，加利福尼亚红杉市的关于循环水白勺背景，可从 http //www. redwoodcity. org/pub 1 icworks/water/recyc 1 ing/background. htm得到。
如表1所示，加利福尼亚能源协会报道了在水的输送周期中所使用的能源，如下
表 1
用水循环环节的能量强度范围
权利要求
1.一种用于处理和改善水的水处理系统，包括 一个用于接收来自水源的污水的沉淀池；至少一个用于接收来自沉淀池的污水的曝气池； 一个用于对来自至少一个曝气池的废水进行消毒的消毒器； 一个用于检测参数的检测器；以及，一个用于根据检测器检测到的参数控制水处理系统操作的控制器。
2.如权利要求
1所述的水处理系统，其中，该沉淀池与一个厌氧消化器连通。
3.如权利要求
1或2所述的水处理系统，其中，该曝气池与曝气源连接。
4.如权利要求
3所述的水处理系统，其中，该曝气源用于输送曝气物质，该曝气物质从以下物质中选择空气、纯化的氧气和臭氧。
5.如权利要求
4所述的水处理系统，其中，该曝气源与一个用于控制其输送曝气物质的速率的调节器控制连接。
6.如权利要求
1或2所述的水处理系统，其中，消毒器是一个或多个臭氧发生器、紫外光源、热源、蒸馏装置、反渗透系统和/或化学处理装置。
7.如权利要求
1所述的水处理系统，其中，该检测器与计时器通信连接。
专利摘要
本实用新型提供一种用于处理和改善水的水处理系统，该系统公开了一个用于接收来自水源的污水的沉淀池；至少一个用于接收来自沉淀池的污水的曝气池；一个用于对来自至少一个曝气池的废水进行消毒的消毒器；一个用于检测参数的检测器；以及，一个用于根据检测器检测到的参数控制水处理系统操作的控制器。该民用水处理系统，其将减少大型水处理站运行和从水厂向独立住所输送水所需的化石燃料。该系统在一些限制水资源或是水资源有限的地区(如在干燥气候带)增加了居民的可用水量。而且，该系统可使家庭用水量在特定的周期内具有更高的使用效率。
文档编号C02F9/14GKCN202089861SQ200890000080
公开日2011年12月28日 申请日期2008年5月8日
发明者小帕特里克·T·奥利根 申请人:小帕特里克·T·奥利根导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan