用于处理稀释废水的系统和方法与流程

政府资助研究告示

本发明在由美国国家环境保护局(environmentalprotectionagency)授予的拨款合同号rd835569下的政府支持下进行。政府对发明有一定的权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年3月5日提交的共同未决美国临时申请序列号62/128,696的优先权，其由此通过引用以其全部并入本文。

背景

需氧生物系统是最常用的用来处理载满生物可降解污染物的废水的方法。尽管这些系统是普遍的，但是它们利用相当大量的能量用于曝气，其转化成高花费来充分除去污染物。该花费已刺激在使用厌氧生物系统来处理废水方面的兴趣。厌氧系统显著减少处理所需的能量需求并还产生呈生物气形式的能源。产生的生物气可用于补偿输水和其它系统过程的能量需求。尽管利用厌氧系统具有好处，但仍存在技术障碍，所述技术障碍已阻止它们广泛应用。现在描述这些障碍中的几种。

生活废水通常强度非常低，因为其通常包含黑水(粪便物和冲洗水)和黄水(尿和冲洗水)，其与大量的灰水(淋浴水、下水和洗衣水)混合。废水的强度通常由存在的有机物质的量表示，其通过化学需氧量(cod)的浓度测定。厌氧过程在处理较高强度的废水方面更加有效，这是由于增加的微生物活性以及微生物量和污染物之间增加的接触。虽然稀释废水可经厌氧处理，但是为此通常需要大的反应器以管理进入系统的高体积的水。大的反应器要求更高的资本投资来建设和维持，其可取消选择厌氧生物系统相对于需氧生物系统的一些好处。除了生活废水以外，存在也落入稀释废水种类中的许多工业废水。

源分离已被建议作为用于防止较高强度废水稀释的可能的补救方法。虽然源分离在理论上可用于防止稀释，但是其实施常常是昂贵的，因其需要改造现存的基础设施以及使用冗余输送系统。源分离还需要使用者行为改变和买入(buy-in)来实现。这两个问题已阻止了源分离的广泛使用。在可获得技术方案以前，稀释废水将可能继续使用需氧生物系统来处理，尽管它们的花费高。

取决于它们的源，废水可含有高水平的含氮化合物。当富氮的废水被引入厌氧过程中时，氮一般不会被除去并作为铵通过系统。高的氨水平可抑制产甲烷，这是生物气产生中的关键过程，由此减少可从废水处理中回收的能量的量。高水平的氨还可引起结垢和鸟粪石沉淀，其常常导致厌氧系统的泵和管道系统的严重问题。该问题在其中可获得较少稀释的建筑规模处理工厂上可能更加严重。出于这些原因，在处理富氮废水时常常不选择厌氧系统。

常需要能量来加热进料或用于厌氧废水处理的生物反应器。此类加热增加了病原体(尤其是蠕虫例如蛔虫(ascaris)，其在发展中国家盛行)的灭活率。为了有效，消毒温度和接触时间应当在至少60°c下30分钟。加热也有效用于加速繁生于废水中的颗粒的分解和水解。此外，厌氧过程在嗜热(55°c)条件下擅长水解和酸产生，而在嗜温(35°c)条件下擅长产甲烷。不幸的是，加热大体积的废水和/或大的反应器是以巨大的能量成本为代价的。对于工业废水或污泥(更加浓缩的有机物和更小的体积)而言，废水中常含有足够的化学能以补偿加热要求。但是，对于稀释废水而言情况具有挑战性得多。例如，城市废水内所含的能量可能不足以提供足够的生物气以补偿系统的加热要求。该问题在其中加热需求最高的寒冷气候中加剧。虽然可将太阳热能整合到过程中以提供加热，但是这在低太阳能地区或在多云时期不总是一个选择。太阳能储存是一种可能性，但是呈现其自身的挑战。

随着厌氧废水处理普及度提高，已经引起关于与流出物中未捕获的溶解的甲烷相关的逃逸甲烷排放的关注。该问题在嗜冷条件下更加严重，这是由于甲烷较高的溶解度，并且对于城市废水也更加严重，这是由于较大的流出物体积来容纳溶解的甲烷。虽然该问题可通过升高温度和减小体积来缓解，但是这会以更高的能量成本为代价。

从以上讨论中可以理解涉及使用厌氧系统来处理废水的大部分问题涉及废水的稀释性质。虽然许多发明已集中于改善这些系统处理低强度废水的能力，但是它们未能够解决该问题。

附图简述

参考以下附图可更好地理解本公开。匹配的参考数字在全部附图中指代相应的部分，所述附图不必按比例绘制。

图1是废水处理过程的实施方案的示意图。

图2是废水处理系统的实施方案的示意图。

图3是可用于图2的系统中的供选的分离子系统(阶段a)的实施方案的示意图。

图4是可用于图2的系统中的另一供选的分离子系统(阶段a)的实施方案的示意图。

图5是可用于图2的系统中的另一供选的分离子系统(阶段a)的实施方案的示意图。

图6是可用于图2的系统中的另一供选的分离子系统(阶段a)的实施方案的示意图。

详述

拥有用以浓缩稀释废水以促进废水的厌氧处理的技术将是合意的。本文中公开了此类技术和合并它们的废水处理系统的实施方案。在一些实施方案中，废水处理系统在废水上进行初始分离过程，以将其分离成主要包含液体的含水产物流和含有颗粒物质和胶体物质的滤除流(rejectstream)。在一些实施方案中，该分离过程使用微滤或超滤进行。该系统进一步在滤除流上进行转化过程，以除去该流的成分或将它们转化成有益的产物。在一些实施方案中，该转化过程使用厌氧过程，例如使用厌氧膜生物反应器来进行。

本公开描述了可用于废水处理和资源回收的系统和方法。通过在各阶段中并入分离、转化和精加工(polishing)技术的独特组合，总体过程就占用空间、体积、生产量、能耗、成本等而言，相对于废水处理和资源回收的常规方法得到改善。

图1例示了适合于稀释废水或低强度废水(例如生活废水或城市废水)的示例性废水处理过程。如该图中所示，该废水处理过程分成三个连续的阶段，包括阶段a——分离阶段、阶段b——转化阶段和阶段c——任选的精加工阶段。阶段a用于将进入废水(也称为进料或给水)qf分离成两股流：产物流qa1，其主要含有液体和低浓度的有机物质，以及滤除流qa2，其含有呈颗粒物质和胶体物质形式的高浓度有机物质。取决于用于阶段a的分离技术的性质，产物流qa1可在没有进一步处理的情况下再利用或在最终用途之前在阶段c中使用精加工过程来进一步处理，或最终排放至环境中。

滤除流qa2(其含有来自进料qf的大部分颗粒物质和胶体物质)作为流入物进料至阶段b，其中废水成分被除去或使用厌氧过程转化成有益产物。一旦经处理，阶段b的液体流出物qb(含水流)就可被排放至环境中或用于各种最终用途，其中经过或不经阶段c的精加工。来自阶段b的最终固体残余物可有益地被使用或被处理掉。任选地，可插入阶段c精加工技术以改变滤除流qa2(在阶段a和阶段b之间)的性质。在一个可能的构造中，源自产物流qa1的阶段c精加工的固体残余物可送往阶段b用以进一步转化。

上述过程旨在解决与稀释废水的厌氧处理相关的特定问题，其通过首先将进料废水qf分离成稀释流qa1，其含有体积分数的大部分(例如95%)用于再利用或排放，和较高强度流qa2，其含有体积分数的小部分(例如5%)，被进料至阶段b用于厌氧处理。该浓缩过程改变了废水的特性，使得其更有利且更有效地在阶段b中使用各种厌氧技术进行处理。在厌氧消化之前使用浓缩过程使氨抑制的可能性最小化，显著减小系统加热所需的能量，并可能通过减少通过厌氧反应器的液体的量来减少逃逸甲烷排放。在某些方面，该过程可被认为是用于混合废物流废水的“追溯源分离”形式，其不需要特殊的管道系统(冗余输送系统)或使用者行为改变。

在以下公开中描述了描绘于图1中的废水处理过程的具体实施方案。应理解这些实施方案是公开发明的实例，并且供选的实施方案是可能的。所有此类实施方案意在落入本公开的范围内。虽然本文公开的浓缩方法被描述为进行用以促进厌氧处理，注意到其可用于各种其它处理情况。例如，许多化学反应和工业过程可受益于以下描述的浓缩过程。

各种技术可用于图1中所示的废水处理过程的各阶段。用于阶段a的分离技术的选择决定可能的最大富集系数。其还决定被允许通过至阶段c的污染物的类型。对于阶段a而言，在从进料流中分离胶体物质和颗粒物质方面较佳的技术是优选的，因为它们会将大部分污染物按路线送往阶段b。更有效的分离技术还将使离开阶段a的产物流所需的处理量最小化。这些分离技术包括基于重力的过程、过滤、热分离和电化学分离。

在一些情况下，过滤是用于阶段a分离的优选选择。此类过滤可包括微滤(mf)、超滤(uf)、纳滤(nf)中的膜过滤、反渗透(ro)、正渗透(fo)、fo/ro和其它尺寸排阻技术。当使用mf或uf时，可添加过滤助剂例如粉末状活性炭或其它吸附剂或凝结剂，以减少膜污染和改善滤除。基于过滤的系统还可包括使用工业规模的系统，包括压带机和介质过滤。当决定用作浓缩技术的膜或过滤系统的孔径和其它特性时，能量考虑和给水的性质应被考虑。例如，mf膜可适用于主要含有大的颗粒而几乎不含可溶性污染物或胶体污染物的给水。uf膜对于处理生活废水可以是最理想的，这是由于它们能够截留细菌性病原体和胶体物质，同时具有低的操作需能量。

可用于阶段a的基于重力的系统可包括澄清器和离心机。当胶体物质在给水中不显著时，基于重力的系统可能是优选的。包括蒸馏和渗透蒸发的热分离技术也可用于阶段a。当给水含有大量可溶性污染物时，这些系统可能是有利的。使用这些系统，理论上可能截留所有的颗粒、胶体和可溶性污染物，同时将全部的水按路线送往阶段c。电化学过程也可用于在阶段a中浓缩带电分子。阶段a还可包含这些各种技术的组合，例如重力沉降可与膜过滤结合使用。

阶段a内的液体的分配决定了滤除流qa2的富集系数cf。该富集系数通过用给水流除以滤除流来确定，即cf=qf/qa2。例如，1000l/d流入物的流量(qf)降低为50l/d用于阶段b(qa2)产生20的cf。cf的值很大程度取决于选择用于阶段a的技术，以及给水的性质。对于高度稀释的给水(例如，具有小于500mg/l的化学需氧量(cod)的那些)而言，建议较高的富集系数(例如，cf=20)。随着富集系数增加，加热系统所需的能量的量降低，同时厌氧过程的效率提高。cf还对于用于阶段a的分离技术具有影响。一些技术将在浓缩废水的颗粒、可溶性污染物或胶体部分方面优于其它技术。在一些实施方案中，建议进入阶段a的进入的给水的至少30%按路线送往阶段c。30%以下的量可取消引入浓缩技术的益处。取决于用于阶段a的技术的选择，污染物的0至100%之间的任何比例的可溶性部分可按路线送往阶段b。蒸馏过程将更接近于100%，而压带、微滤和基于重力的系统将更接近于0%。对于颗粒物质，60至100%的进入颗粒应按路线送往阶段b。

阶段a分离可以连续、间歇和/或半连续模式操作。在间歇模式中，分离技术可使进料槽缓慢排空直至到达设定点，如通过富集系数或其它要求确定。在该点处，浓缩流或浆液可被泵送至阶段b。进料槽可随后通过使其重新装填新给水来重新设定。该周期性的装填、浓缩、排空循环可在间歇模式期间重复。当第一进料槽从不完全排空其内容物时发生连续操作。在连续操作期间，新给水进入进料槽，同时经处理的水离开系统往阶段c。对于连续操作，可从进料槽中以恒定速率移除浓缩废水，并将其按路线送往阶段b。连续操作还可在操作逐步浓缩给水的按序膜组件时完成。还可使用半连续操作，其包含间歇模式和连续模式的组合。

用于阶段b的转化系统的类型可取决于给水的性质和离开系统的水的所需品质而改变。但是，如上所述，优选厌氧过程。厌氧转化技术的实例包括厌氧消化池、高速厌氧系统和厌氧膜生物反应器。高速厌氧系统包括上流式厌氧污泥床(uasb)、厌氧膨胀床反应器(aebr)、厌氧流化床反应器(afbr)、颗粒污泥膨胀床(egsb)、内循环反应器(icr)和厌氧过滤器(af)。厌氧消化池可作为完全搅拌式反应釜(cstr)或推流式操作。

厌氧膜生物反应器(anmbr)是完全封闭的、气密性系统，其利用厌氧微生物来处理废物并结合膜技术以将液体部分与微生物以及生物反应器中的其它颗粒物质或胶体物质分离。当使用anmbr用于阶段b时，整体系统就流出物品质而言具有优势，因为微生物量和未降解的污染物被膜截留在系统内。该截留是有益的，因为离开anmbr的液体部分可适合用于一些直接应用。

虽然优选厌氧过程，注意到其它过程可用于阶段b，包括需氧生物处理过程和物理-化学过程例如热氧化和高级氧化。

阶段c任选用于精加工阶段a和/或阶段b的液体流出物，或作为用于阶段a和阶段b之间的滤除流的任选的中间阶段。所需的精加工程度由离开分离和转化过程的水的品质以及所需的流出物品质决定。在一些情况下，不需要随后的精加工。精加工过程可包括营养物回收和去除、颜色和气味去除、高级氧化过程和消毒中的一种或更多种。使用分离技术可使给水完全处理所需的能量和化学添加剂的量最小化。

与排放物一起，阶段a、b或c的流出物可用于众多有益终点。这些选择中的一些包括：灌溉、冷却水、工业用途、制造、洗涤、厕所冲水、饮用性再利用、水耕、园艺、鱼菜共生或藻类养殖。当与植物或藻类生长结合时，废水中的营养物(例如氮、磷和钾)可用于生长。

如可想象的，存在众多可能的用于单独阶段的构造，并因此存在众多可能的合并那些阶段的废水处理系统。数种示例性构造关于图2-6在下文描述。

首先参考图2，其例示了示例性废水处理系统10。正如图1的流程图，系统10包括分离阶段a(分离阶段)、b(转化阶段)和c(精加工阶段)。各阶段可被认为包含废水处理系统10的单独的子系统。因此，阶段a可被称为分离子系统，阶段b可被称为转化子系统，而阶段c可被称为精加工子系统。

阶段a分离子系统包括用于将呈稀释废水形式的进料分离成产物流的部件，所述产物流主要含有液体(其可直接投入最终使用或在阶段c中精加工并随后投入最终使用)和浓缩的滤除流(其含有可输送至阶段b用于转化的颗粒物质和胶体物质)。在一些实施方案中，大约90-95体积%的废水从阶段a被输送至阶段c，并且约5-10体积%的废水从阶段a被输送至阶段b。

在图2的实施方案中，阶段a分离子系统的部件包括沉降室12、过滤单元进料泵14、过滤单元16、浆液泵18和热交换器20。在分离子系统操作期间，将稀释废水进料供应至沉降室12。如本文中所使用的，术语“稀释废水”是指具有小于1000mg/l的cod的废水。在一些实施方案中，泵或其它装置(未显示)可用于驱使废水进料进入室12中。另外，废水进料可在进入室12之前通过粗滤器，例如筛网，以除去废料和防止大的、磨蚀性物体通过子系统。

随着废水在沉降室12中收集，废水中的许多颗粒物质和胶体物质沉降至该室的底部。来自该室12底部上方的点的废水进料至过滤单元16。在例示实施方案中，使用过滤单元进料泵14使该废水从室12泵入过滤单元16中。

在过滤单元16内提供一个或更多个过滤器22。一般而言，过滤器22是非常精细的过滤器，其能够滤除非常小的物质的颗粒。在一些实施方案中，过滤器22可为能够滤除0.05μm及更大的分子、胶体和颗粒的mf膜、能够滤除0.003μm及更大的分子、胶体和颗粒的uf膜、和/或能够滤除0.0008μm及更大的分子、胶体和颗粒的nf膜中的一种或更多种。如本文所使用的，mf膜具有大约0.05至2μm的平均孔径，uf膜具有大约0.003至0.1μm的平均孔径，且nf膜具有大约0.0008至0.005μm的平均孔径。在其它实施方案中，过滤器22可包括动态过滤器，其在物质在过滤器的面上聚集时过滤非常小的颗粒。在这种情况下，有可能过滤器22可滤除显著小于过滤器孔径的颗粒。与过滤器22的具体构造无关，过滤单元16将来自沉降室12的废水分成两股流：渗透流24(其被输送至阶段c)和浓缩流26(其返回至室)。

如图2中进一步所示，任选可将粉末状活性炭添加至沉降室12以吸附或吸收小胶体和防止它们通过过滤单元16的过滤器22，以及确保它们被改成通往阶段b。

随着过滤过程的进行，沉降室12内的废水液面下降，并且废水变稠，成为浓缩的液体或浆液。一旦废水(浆液)液面下降至预定的下限(其可使用液面传感器、预定的间限确定或通过对于室的输入和输出流速的了解来确定)，过滤单元进料泵14就停止操作并且使用浆液泵18使浆液从室中排空。随后浆液被输送至热交换器20，其将浆液加热以减少病原体载量，增加浆液中所含的复杂有机物质的水解和通常提高废水处理系统10的处理效率。在一些实施方案中，热交换器20将浆液加热至大约30至80°c的温度，优选50至70℃的温度。注意到用于热交换器20的热可源自系统10所包括或与系统10结合的各种源。例如，从阶段b中的系统10收集的生物气可用作燃料源以提供加热热交换器20的燃烧。供选地或另外，可再生能源，例如太阳热能或来自附近工业过程的废热可用于产生该热。不管用于热交换器20的能源，仅需要相对小量的能量，这是由于阶段a中进行的分离而导致待加热的物质体积相对小。

在浆液已通过热交换器20之后，其被输送至阶段b转化子系统。在图2中例示的实施方案中，转化子系统构造成anmbr，其通常包括厌氧生物反应器30、膜过滤单元泵32和膜过滤单元34。厌氧生物反应器12使用微生物分解浆液内的有机物质。随着有机物质的分解，生成如前所述可用作加热热交换器20的燃料的生物气。

随着浆液在厌氧生物反应器30中收集，其使用膜过滤单元进料泵32被泵送至膜过滤单元34。像过滤单元16一样，过滤单元34包括一个或更多个过滤器36，该过滤器36可具有与以上关于过滤器22描述的那些类似的构造。过滤单元34将浆液分成两股流：渗透流38(其可被直接投入最终使用)和浓缩流40(其返回至反应器12用于进一步厌氧处理)。在一些情况下，精加工和/或消毒来自anmbr的渗透输出物可能是合意的。

注意到，虽然过滤器36与厌氧生物反应器30分开，在其它实施方案中，过滤器可被提供在生物反应器内。过滤器在室内的实例显示于图4中。

进一步参考图2，来自阶段a分离子系统的渗透物任选可被输送至阶段c精加工子系统。此类子系统可采取许多形式。但是，在图2的实施方案中，精加工子系统包括藻类光合生物反应器44和消毒系统46。藻类光合生物反应器44除去和回收渗透物内的营养物，例如氮和磷，而消毒系统46可使用众多消毒过程中的任一种，例如电解氯化、氯化、紫外线照射、催化和其它高级氧化过程，以杀死渗透物内的病原体。注意到在其它实施方案中，藻类光合生物反应器44可省略，并且营养物可留在渗透物中，使得该渗透物可用于灌溉目的，在这种情况下此类营养物将是有用的。在此类情况下，灌溉用途将除去或捕获营养物。

图3例示了可用于废水处理系统(例如图2的系统10)的供选的阶段a分离子系统50。该分离子系统50包括图2中所示的阶段a分离子系统的若干部件。相应地，该子系统50包括沉降室52、过滤单元54和热交换器56，其各自可与以上关于图2描述的类似命名的部件相似的构造和功能。但是，在该实施方案中，子系统50具体构造用于间歇操作。由于此，子系统50包括安置室式泵58，其可供选地通过操作阀60和62用于驱使废水至过滤单元54或驱使浆液至热交换器56。在子系统50操作期间，第一阀60打开而第二阀关闭，使得废水被泵送至过滤单元54。一旦室52内的液面到达预定的低液面(例如，如使用液面传感器测定)，则阀60、62的状态互换，使得已在室的底部中形成的浆液可被输送至热交换器56。

图3的实施方案中还包括流出物泵64(其将废水进料输送至沉降室52)和渗透物泵(其将来自过滤单元54的渗透物泵送至阶段c精加工子系统)。

图4例示了另一供选的阶段a分离子系统70。该分离子系统70也与图2中所示的阶段a分离子系统相似。因而，其包括沉降室72和过滤单元74。但是，在该实施方案中，过滤单元74位于室72内，并浸没在其中收集的废水中。该构造的一个优势在于不需要过滤单元进料泵。该分离子系统70中还包括渗透物泵76(其泵送来自过滤单元74的渗透物)和浆液泵78(其泵送来自沉降室72的浆液)。

下面参考图5，其例示了另一供选的阶段a分离子系统80。该分离子系统80也与图2中所示的阶段a分离子系统相似。该子系统80包括沉降室82、过滤进料泵84、串联布置的多个过滤单元86和浆液泵88。通过使用多个过滤单元86，可进行浓缩阶段，并且可将具有目标浓度的浆液输送至阶段b转化子系统。子系统80进一步包括阀90和阀92，其可经控制以供选地将来自室82或过滤单元86的浆液输送至转化子系统。

图6显示又一供选的阶段a分离子系统100。该子系统100包括沉降室102、过滤单元进料泵104、过滤单元106和浆液泵108。但是，在该实施方案中，室102构造为旋液分离器，其引导进入的废水以螺旋模式移动以将较重的物质(底流)与较轻的物质(溢流)分离，以进一步协助分离过程。