利用二氧化氯达到B级生物固体标准的废水处理设备

摘要

本发明揭示了对含有生物固体的废液进行处理的系统和过程，所述废液以变化的流量和固体含量输送，以实现1.5毫克O

说明书

技术领域

本发明涉及废水，更具体而言涉及一种废水处理设备。

背景技术

废水处理所涉及的一些过程产生高粘度泥浆或污泥以及含低悬浮固体的污 水(统称为“废液”)。在处理后，废液可能被弃置到垃圾填埋场，用于某些农业 目的，或者返回到周围环境中。在美国，联邦政府法规规定必须对这些废液进行 处理，以达到特定的标准。衡量废液处理程度的两个具体方法是比耗氧速率 (SOUR)和氧化还原势(ORP)。常规技术无法实现达到特定SOUR和ORP标 准的经济、高效、及时的废液处理方案。因此，废水处理行业和其它行业中需要 更高效地处理废液，以达到这些特定指标。

发明内容

发明人发现，当废水样品中的生物固体百分比低于5％并且用于处理这些生 物固体的化学氧化剂(例如二氧化氯)能够迅速在样品中散布时，化学氧化剂的 管理效率会显著提高。例如，实验表明，与连续按比例向废水样品投入相同剂量 的化学氧化剂相比，在一分钟之内向废水样品大批量投入化学氧化剂时的氧化/ 还原电位要低得多，并且消毒效率也较低。令人意外的是，在连续按比例投加化 学氧化剂时，化学氧化剂能够迅速分散，从而显著提高了消毒效率。在此，“迅 速分散”和“迅速散布”的含义相同，都指化学氧化剂在30秒以下、20秒以下、 10秒以下或5秒以下的时间内在废液中达到基本均一的分散状态。

基于在不局限于任何机械论的思想，发明人认为，与批量处理系统中的化学 氧化剂管理相比，通过使化学氧化剂在废液中迅速分散，能够在化学氧化剂在样 品中充分混合之前防止化学氧化剂的氧化势仅被一部分样品不必要地降低。发明 人认为，氧化势被部分样品中的有机材料不必要地耗尽了，因而降低了对目标微 生物的氧化作用。根据本发明的另一种实施方式，化学氧化剂向废液投加的方式 能保证化学氧化剂的分散速度高于其氧化能力降级速率。

在一个实施方式中，本发明揭示了一种降低耗氧水平并提高废液的ORP的 处理设备，该处理设备包括：1)对废液的特性进行机械控制的装置，用于实现 溶解和悬浮固体在液体中的特定浓度比例；2)氧化剂投加系统(利用二氧化氯、 臭氧或类似氧化剂)，用于按百万分之25-200(PPM)废液量的投放速率向废液 投加氧化剂；以及3)容积与废液的流量成正比的处理容器。本发明的实施方式 综合了能够克服常规废液处理系统的多种不足的特性和优点，可实现SOUR和 ORP的标准。

废水处理过程

废水处理过程由若干连续步骤构成。

过滤和初步处理

通常，废水从进水口工程进入废水处理厂。进水口工程作为废水处理厂的基 本砂粒和异物清除系统。废水从进水口工程输送到某种形式的生物处理装置 (“BTU”)(例如氧化沟、顺序批量反应器、膜生物反应器等)。在BTU中，从 废水去除养分。

除氮除磷(“养分”)

除氮通过利用生物氧化把氮从氨氧化为硝酸盐(硝化作用)然后把硝酸盐还 原为氮气(脱氮作用)来完成。氮气释放到大气中，从而从水中脱除。

硝化作用本身是一个两步需氧过程，每步由不同类型的细菌促成。氨(NH₃) 氧化为亚硝酸盐(NO2^-)通常是由亚硝化单胞菌属促成的。(亚硝基指亚硝基官 能团的形成)。虽然过去一直认为向硝酸盐(NO3^-)的转化的亚硝酸氧化是由硝 化杆菌属促成的，(硝基指硝基官能团的形成)，但现在已知该过程在环境中几乎 完全是由硝化螺菌属促成的。

脱氮作用需要缺氧条件，以促进适当生物群落的形成。该过程是由多种细菌 促成的。砂滤池、泻湖和苇地都可用于减氮，但是通过活性污泥法(若设计良好) 完成此工作最轻松。由于脱氮过程是硝酸盐还原为氮气，因此需要电子供体。根 据废水的具体情况，这种电子供体可以是有机物(来自于粪便)、硫化物、或甲 醇等人工添加的供体。许多污水处理厂使用轴流泵从曝气区向缺氧区输送氮化混 合液，以进行脱氮。这些泵常常称为内部混合液循环泵(IMLR泵)。

除磷很重要，因为磷在许多淡水系统中是限制藻类生长的养分。该过程对磷 浓度较高时可能导致下游设备(例如反渗透过滤器)淤塞的水再用系统也特别重 要。

在称为增强生物除磷工艺的处理过程中，可通过生物方式除磷。在此过程中， 有选择性地培养称为多聚磷酸盐积累生物(PAO)的专用细菌，其细胞中能积累 大量磷(最高可达其质量的20％)。当这些细菌中富集的生物质从已处理的水中 去除时，这些生物固体具有很高的肥料价值。

除磷还可通过化学沉淀作用完成，通常利用铁盐(例如氯化铁)、铝盐(例 如明矾)或石灰。由于氢氧化物会沉淀，因此这可能导致产生的淤泥量过多，并 且添加的化学药剂很昂贵。与生物除磷相比，化学除磷设备的规模要小得多，易 于操作，并且常常比生物除磷更可靠。

在进行去除养分的处理后，把废水和积累的有机质送去澄清工段处理。澄清 工段用于分离废水处理的废液，并通常把分离后的废液转为进行某种常规处理， 例如有氧或厌氧消化，以降低生物需氧量并达到如SOUR试验所示的特定耗氧 量标准。

根据另一个实施例，本发明属于一种废水处理系统，该系统包括用于接收原 污废水的进水口工程，该进水口工程配有生物固体和生物处理站，处理站通过流 道与该进水口工程连通。该系统还包括通过流道与进水口工程连通的澄清池，用 于浓缩来自于原污废水的生物固体。在一种典型实施方式中，澄清池通过流道与 生物处理站的下游连通。在对原污水/废水进行生物处理和澄清后，生物固体样 品被视为废活性污泥(“WAS”)。在澄清过程的同时，或在经过澄清过程之后， WAS在废水流中产生，并且其中的生物固体量得到控制。通常，把WAS调节为 含有0.5至5％的生物固体量，该比率为重量/体积比(w/v)或重量比分比，取 决于实际所示。在一个特定实施方式中，WAS的生物固体含量为1-3％。该系统 还包括用于从澄清池运走WAS的第一导管。第一导管有相关的氧化剂投加过程， 从而在处理区中投加预定剂量的二氧化氯或其它氧化剂(例如向第一导管中的 WAS内投加)。

比耗氧速率(SOUR)

比耗氧速率(SOUR)又称耗氧或呼吸速率，它定义为每小时内每克挥发性 悬浮固体(VSS)的耗氧量(毫克)。这种快速试验有许多优点：能够快速测量 流入有机负荷量和生物降解能力，指明是否存在有毒或违禁废物、样品的稳定度 和状况，以及计算曝气池中各个点的需氧速率。

此试验最初是作为一个设备控制参数开发的。SOUR现在还用作一种备选试 验方法，以满足40CFR第503部分标准对于污泥使用或处置的降低媒介吸引力 要求。此要求有助于降低带菌媒介物(例如昆虫、鼠类、鸟类等)传播传染病的 可能性。SOUR-503定义为每小时内每克总固体(TS)的耗氧量(毫克)。SOUR 试验适合于总固体浓度低于2％的固体，并用作一个需氧量指标，它与生物需氧 量试验类似，不意味着限制目标废液中的固体含量。

氧化还原势(ORP)

氧化还原电势(又称氧化还原电势、氧化/还原势或ORP)是化学物质获得 电子并被还原的能力的一个量度指标。ORP按伏(V)或毫伏(mV)计量。每 种物质都有自己固有的还原电位；电位越偏向正值，该物质与电子的亲和性越高， 被还原的趋势越强。

百万分率(PPM)

百万分率是表示极稀物质浓度的一种方式。像百分率指百分之几一样，百万 分率或ppm指百万分之几。它通常描述水或土壤的物质浓度。一ppm相当于每 升水中1毫克物质(毫克/升)或每公斤土壤中1毫克物质(毫克/公斤)。

CT

在考虑消毒剂的灭菌效果时，主要考虑因素是消毒剂的浓度，以及接触有机 体时发生钝化的时间。这通常以如下公式表示：k＝Cⁿxt，其中，C＝消毒剂的浓度 (毫克/升)，n＝稀释系数，t＝钝化到特定的微生物百分比所需的时间(分钟)， 对于在特定条件下接触消毒剂的特定微生物，k＝常数。

化学消毒可视为具有一阶化学反应的特点(契克定律)。在实际应用中，即 使在饮用水消毒过程中也很少遵循该定律。为了计入这些偏差，在杀菌动力学中 引入了其它模型(霍恩模型)，但是这些模型通常未考虑消毒剂或氧化剂的衰退 或需量。

虽然在废水样品处理中利用氧化剂提高废水样品的氧化/还原势和灭菌效果 在业界是标准做法，但发明人发现，某些氧化剂(例如二氧化氯)与废液中的材 料的反应程度会随时间降低，几乎需要随时添加氧化剂，并在很短时间内完全混 合。在一种实施方式中，本发明提供了投加足够浓度的氧化剂并与废液混合的方 法，使所有材料在10-200秒内(以及此范围的所有整数秒内)与氧化剂接触。 与投加氧化剂并在3分钟内混合的其它方法相比，此方法产生了截然不同的效 果。在另一个更具体的实施方式中，材料在30秒以下、或20秒以下、或10秒 以下、或5秒以下或更短的时间内与化学氧化剂接触。

根据另一个实施例，本发明属于一种废水处理系统，该系统包括用于接收原 污废水的进水口工程，该进水口工程配有生物固体和生物处理站，处理站通过流 道与该进水口工程连通。该系统还包括通过流道与进水口工程连通的澄清池，用 于浓缩来自于原污废水的生物固体。在一种典型实施方式中，澄清池通过流道与 生物处理站的下游连通。在对原污水/废水进行生物处理和澄清后，生物固体样 品被认为是废活性污泥(“WAS”)。通常，WAS含有0.5至5％比例的生物固体。 在一个特定实施方式中，WAS的生物固体含量为1-3％。该系统还包括用于从澄 清池运走WAS的第一导管。第一导管有相关的氧化剂投加过程，从而向第一导 管中的WAS内投加预定剂量的二氧化氯或其它氧化剂(例如臭氧)。该系统配 有与导管配套的化学氧化剂添加源，从而能够提供预定剂量的化学氧化剂。在经 过化学氧化剂处理后，WAS被视为已处理生物固体样品，满足美国40CFR标准 第503部分中规定的B级生物固体标准。该系统还可包含可选的脱水装置(例 如带式压滤机或离心装置)，该装置通过流道与第一导管相通，以进一步从已处 理生物样品中脱水。而且，该系统还包括可选的第二导管，用于从脱水器转移浓 缩的已处理生物固体样品。

或者，根据具体废水处理设施的配置，该工艺还可用于处理消化污泥(即， 已经在厌氧消化池或增氧消化池中处理的污泥)，以产生B级生物固体。在一个 具体实施方式中，一次废水(即，未经生物处理的废水)被直接输送到消化池中， 以产生消化污泥。然后把消化污泥输送到氧化剂处理区中进行处理。

附图说明

图1显示了一种在废活性污泥导管中利用二氧化氯发生装置产生B类生物固 体的废水处理系统。

具体实施方式

在本发明中参照附图来揭示具体实施方式。其中，在各个附图中使用相似的 索引数字，以指代相似或等同的部件。附图未按比例绘制，仅用于示意性地说明 所揭示的实施方式。下面将以应用实例说明本发明的各个方面。应理解，在此阐 述的众多具体细节、关系和方法的目的仅是为了便于全面理解所揭示的实施方 式。但是，本领域的普通技术人员能够轻易理解，本发明中所揭示的主题无需依 赖一个或多个具体细节或通过其它方法即可实现。在其它情况中，未详细示出公 知的结构或操作，以避免遮掩不为业界所公知的结构或操作。本发明中的揭示不 限于所示的动作或事件顺序，因为某些动作可按不同的顺序发生和/或与其它动 作或事件同时发生。而且，按照本发明的揭示来实现方法也不一定需要所示的全 部动作或事件。

虽然用于说明本发明的总体揭示范围的数值范围和参数是近似值，但在特定 例子中给出的数值是按尽可能精确的原则提供的。但是，任何数值必然包含一定 的误差，从而导致各个试验测量值的标准偏差。而且，在此揭示的所有范围应理 解为涵盖其中的所有子范围。

图1中示出了产生B级生物固体样品的废水处理系统的一个具体实例。在 此具体实例中，废水108首先流入进水口工程110，然后被输送到生物处理站115。 生物处理站115主要用于去除废水中不与生物固体结合的养分(以及少量与生物 固体结合的养分)，以产生养分较少的废水样品116。养分较少的废水样品116 被输送到澄清池120中，在澄清池120中，养分较少的废水样品116被分离为废 液组分121和WAS组分122。废液组分121被送回到进水口工程110，或者被弃 置。

根据方案I，WAS组分122通过导管124输送，并进入氧化剂处理区125， 氧化剂处理区125由现场氧化剂发生器127提供氧化剂，氧化剂发生器127通过 流道与氧化剂处理区125相通。WAS122中的生物固体含量在0.5至5％固体含 量之间。导管124包括氧化剂管理组件143，该组件可以集成到导管上，也可以 是独立组件，化学氧化剂已受控方式向WAS投加。特别是，组件143配有与之 配合的氧化剂发生器127，从而管理向WAS投加化学氧化剂的过程，实现在30 秒以下、20秒以下、15秒以下、10秒以下、5秒以下或2秒以下的时间内使化 学氧化剂在WAS中充分分散。

在氧化剂处理后，WAS122被输送到脱水器140(例如带式压滤机或离心机)， 该脱水器中从WAS除去更多水分，获得具有12-30％生物固体的浓缩生物固体样 品141。在脱水站140之前形成的浓缩生物固体样品具有较高的ORP和较低的 SOUR。

根据一个替换性实施例(方案II)，原废水在生物处理之前或生物处理之后 被输送到消化池184中。原废水在消化池184中被处理，产生消化污泥192。消 化污泥可含有0.5至5％生物固体。导管164把消化污泥192从消化池184运走。 导管164包括氧化剂处理区155。氧化剂发生器157在混合组件163处向氧化剂 处理区155提供预定剂量的氧化剂。混合组件163的配置类似于上述的组件143 的配置。消化污泥192被输送到脱水器140，在脱水器140中进一步脱水，以获 得浓缩生物固体样品141，浓缩生物固体样品141可分级为A级或B级生物固 体。

虽然在上文中详细说明了本发明所揭示的各种实施方式，但应理解，这些实 施方式仅是示例性的，而不构成任何限制。按照本发明的揭示，在不脱离该揭示 的精神或范围的前提下，能够对所揭示的内容进行各种更改。另外，虽然本发明 的具体特征是参照其中一种实施方式揭示的，但该特征能够根据需要与其它实施 方式的其它特征结合，并有利于任何特定或具体应用。

因此，本发明所揭示内容的范围不受任何上述实施方式的限制。揭示内容的 范围仅由下述权利要求及其等效材料限定。

本文中所用的术语仅用于说明具体实施方式，不构成任何限制。在本文的术 语用法中，除非另有明示，否则单数形式“a”，“an”和“the”等也包含复数形 式。而且，对于在详细说明和/或权利要求中所用的“包含”、“具有”、“带有” 等词汇或其变化形式，此类词汇应理解为具有与“包括”一词相似的涵盖含义。

除另有定义外，本文中所用的所有词汇(包括技术和科学词汇)应理解为具 有本发明的实施方式所属行业中的普通技术人员所通常理解的含义。还应理解， 除本文中另有明示外，各种词汇(例如在常用词典中所定义的词汇)的含义应理 解为与其相关行业环境中的含义一致，不应按理想化或过于形式的含义理解。

在不与本文中的教导矛盾的前提下，在本文中引用的任何参考文献的揭示 (包括相关应用)通过完整引用结合在此。