專利名稱：廢物處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有機廢物處理方法及系統(tǒng)的改進，具體是在使用生物處理方法的系統(tǒng)中減少網(wǎng)狀生物固體產(chǎn)生的方法和系統(tǒng)的改進。
背景技術：
人們已開發(fā)了各種方法對有機廢物進行生物處理產(chǎn)生環(huán)境可接受的廢物。在廢物的生物處理過程中，廢物與活性生物固體(即含有活微生物的生物固體)接觸，將廢物中的有機成分轉(zhuǎn)化成可與廢物分開的形式。但這些過程通常產(chǎn)生大量淤泥，主要由微生物和水中的其它生物固體組成，這些淤泥必須通過例如焚化、廢棄于陸地或排入海洋以及其它化學、生物或機械方法進一步處理和棄置。
已經(jīng)廣泛使用了淤泥消化(包括進一步對生物固體進行生物處理)來減少淤泥在棄置前的體積。這種方法的主要缺點是它需要很長的保留時間，因而相應需要很大的處理系統(tǒng)。已經(jīng)提出了許多方法來改善淤泥消化的效率。例如，在美國專利No.3,547,814和3,670,887中，通過過篩將粗大固體從廢物除去，然后將剩下的廢物與含氧氣體及活化淤泥接觸。
其它處理淤泥的方法包括長時間的曝氣，以增加固體的自氧化程度，能減少凈生物固體的產(chǎn)生。不幸的是，通常氧化的速率太慢不足以對凈淤泥產(chǎn)量有明顯的作用。另外，這些系統(tǒng)的設備尺寸大，操作費用又高，使這種曝氣處理的延長不實際且不經(jīng)濟。
美國專利No.4,246,099公開了聯(lián)用需氧/厭氧處理來減少和穩(wěn)定活化淤泥過程所產(chǎn)生的生物固體。在一個過程中，最初在需氧處理條件下，將公用處理廠的淤泥與含氧的氣體接觸，以部分減少可生物降解揮發(fā)性懸浮的固體，然后厭氧消化以便部分地穩(wěn)定淤泥。使用熱需氧消化(文獻中稱自熱需氧消化(ATAD)，消化器在升高的溫度(如自45℃升溫至75℃)或在適溫范圍進行操作。用厭氧步驟來生物過程方式地溶解有機化合物并穩(wěn)定淤泥固體。據(jù)稱這種過程的聯(lián)用能將淤泥中的生物固體減少至少于40％(引入消化區(qū))的可生物降解揮發(fā)性的懸浮固體。
美國專利No.4,026,793公開了在溫度維持在38℃到46℃范圍的容器中的需氧消化過程，能減少可生物降解有機淤泥中的固體含量。
歐洲專利EP 0936190公開的一種方法，將從生物處理步驟分離出的固體進行濕空氣氧化以改善生物固體或固體廢物的生物可降解性，再將其送回到生物反應器中?；瘜W處理步驟使用氧化劑氣體如空氣或純氧，在80到200℃溫度范圍和1-40大氣壓壓力下進行。反應的pH范圍為1到11，反應時間范圍為10到180分鐘。按估計的廢物COD所選定的化學計量比，將氧化劑加入廢物混合物中，一般導致所用的化學試劑的量比實際所需的大許多。濕空氣氧化(WAO)方法同樣昂貴且難以控制和操作。例如，當廢物組成有變化時，就需要提高反應溫度和壓力才能成功地處理更多的難以處理的廢物。因此，工廠設備必須設計成預計壓力和溫度的最高條件。WAO過程的設計在控制固體的生產(chǎn)的過程中也不能適應或識別所有重循環(huán)入反應器的淤泥。
美國專利No.5,948,275公開了使用WAO來處理生物固體并帶有將生物固體送回WAO過程的循環(huán)。這種處理的主要目的是用WAO過程將生物固體轉(zhuǎn)化成氣體。還公開了提取部分氧化的廢物進行生物處理的可能性。
美國專利No.5,965,096和5,972,226公開了在WAO過程中用多種氧化劑來破壞生物固體和有機物的混合物。這多種氧化劑的加入量按照對于混合物的COD的化學計量比。
美國專利No.6,126,838使用Fenton試劑來催化高濃度有機廢液流的氧化，并連續(xù)在氧化步驟外用電解再生催化劑。
在上述專利中，本發(fā)明申請人公開了使用化學水解或化學氧化步驟來改善細胞材料的生物可降解性和未轉(zhuǎn)化有機化合物的改善的淤泥消化過程。Rozich的美國專利No.4,915,840公開了對公用廢物需氧處理過程中減少淤泥的改進。通過讓一部分生物固體和未轉(zhuǎn)化的有機物與酸或堿接觸來水解高分子有機物并將無機物溶解于廢液流中，來控制淤泥的減少。這種水解有助于改變細胞結構中的高分子成分，并將它們變成基本可溶的，從而提高生物活化微生物在生物反應器內(nèi)引起適溫腐敗的能力。
Rozich的美國專利No.5,141,646公開了一種方法，將淤泥直接加入到AYAD反應器中進行立即的消化。在靜止期從ATAD反應器內(nèi)取出一部分沉淀下來的生物固體，并裝入化學水解裝置內(nèi)用強酸或堿溶液處理。將如此水解的液流與進入的淤泥混合，然后直接加入ATAD中。
Rozich的美國專利No.5,492,624還公開了一種處理有機廢物的方法，其中用化學氧化步驟替代’840或’646專利中的化學水解步驟。化學氧化基本上減少了有機物的化學需氧量(COD)，改善了效率并降低了ATAD反應器中的總需氧量。這種方法不會產(chǎn)生因添加促進化學水解所需的酸或堿而產(chǎn)生的大量溶解的固體。這些溶解的固體對生物處理步驟和其它下游可能存在的處理步驟有不良影響。這種方法的另一個優(yōu)點是在化學氧化步驟前在ATAD中發(fā)生因升溫而引起的溶解作用，從而避免了已有技術中存在的冗長和低效。一般在超過廢物常壓沸點的溫度進行此化學氧化步驟，以氧化難以處理的化合物。由于淤泥組成的變化，所需的溫度可以在很廣的范圍中變化。在此情況下，要將化學氧化裝置設計成預計處理中可能發(fā)生的最高溫度和壓力。
由對生物處理方法技術的回顧可以看出，人們已提出了許多方法，致力于減少淤泥的產(chǎn)生并穩(wěn)定需氧處理所產(chǎn)生的過量淤泥。這些方法的大部分都相當復雜，結果操作和投資費用都很高。另外，尤其困難的是對大部分生物處理方法進行改進以便經(jīng)濟有效地實現(xiàn)淤泥大量的減少(取決于最初的有機物進量)，更不要說完全消除淤泥的產(chǎn)生(即實現(xiàn)“無淤泥系統(tǒng)”)。事實上，雖然人們經(jīng)常企圖達到這后一個目標，但很難實現(xiàn)，除非使用昂貴的中間物理分離步驟如脫水及隨后的焚化。
發(fā)明概述本發(fā)明公開了減少生物處理過程中所產(chǎn)生的淤泥的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的一個方面涉及生物處理有機廢物的方法，是將有機廢物進行生物消化之后，將至少一部分生物固體和未轉(zhuǎn)化的有機物的混合物轉(zhuǎn)移到化學處理裝置，在此裝置中將此混合物與至少一種氧化劑進行接觸，此時通過監(jiān)測生物固體/有機混合物的ORP，加入維持ORP在所定高水平所需的氧化劑到混合物中來控制高的氧化/還原勢(ORP)。通過將化學處理裝置中的生物固體/有機物混合物的ORP維持在足夠高的水平(即0mV或更大)，可以產(chǎn)生經(jīng)充分調(diào)理的廢物，當這種調(diào)理過的廢物再進行進一步的生物消化時基本改善了它們的生物可降解性。
雖然不擬束縛于理論解釋，但可以認為用ORP來控制氧化過程，能更有效地控制廢物的質(zhì)量，而不依賴于所用的具體氧化劑，因為ORP與混合物中氧化劑的活性關系更直接。還可以認為，根據(jù)ORP對化學氧化劑進行調(diào)節(jié)，能消除按化學計量估算添加氧化劑時所產(chǎn)生的許多問題，包括不必要連續(xù)調(diào)節(jié)反應的溫度和壓力來適應流入物的組成變化，也消除了對廢物氧化程度低估的危險，還減少了化學試劑的損耗。
本發(fā)明的一個方面提供了一種生物處理有機廢物的方法，該方法包括a)將有機廢物加入到生物反應器內(nèi)，讓這些有機廢物進行生物消化，將至少一部分有機廢物轉(zhuǎn)化成清液和生物固體與未轉(zhuǎn)化有機物的混合物；b)將至少一部分生物固體與未轉(zhuǎn)化有機物的混合物在化學處理裝置中與至少一種氧化劑接觸；c)監(jiān)測化學處理裝置中生物固體和未轉(zhuǎn)化有機物的混合物的氧化還原勢(ORP)，調(diào)節(jié)氧化劑的濃度從而將混合物的ORP維持在0mV以上，從而將生物固體和未轉(zhuǎn)化的有機物轉(zhuǎn)化成經(jīng)調(diào)理的廢物；d)將此經(jīng)調(diào)理的廢物返回到生物反應器中進一步處理。
在本發(fā)明的一個實施例中，監(jiān)測生物固體/有機物混合物的ORP水平，然后將一單種化學氧化劑(如氧氣)加入此廢物混合物中將ORP維持在所需的水平。
在另一實施例中，監(jiān)測生物固體/有機物混合物的ORP，加入化學氧化劑(如氧氣、高錳酸鹽、過氧化物等)和化學催化劑(如硫酸亞鐵、過氧化物、酸或堿等)的混合物，將ORP維持在所需的水平。
在本發(fā)明的另一實施例中，監(jiān)測生物固體/有機物混合物的ORP，用此水性混合物的電解來產(chǎn)生羥基，將ORP維持在所需的水平。
在另一實施例中，在連續(xù)的一些步驟中調(diào)節(jié)生物固體/有機物混合物的ORP以促進更有效地減少淤泥。將生物固體/有機物混合物與第一種氧化劑接觸，從而將混合物的ORP調(diào)節(jié)至約0mV或更大，然后將生物固體/有機物混合物與第二種氧化劑接觸，從而當混合物反應時，其ORP調(diào)節(jié)至約+200mV或更大。
在另一實施例中，按本發(fā)明這里所公開的任何方法加入氧化劑并在接近一個大氣壓的壓力下進行回流，將生物固體/有機物混合物的ORP調(diào)節(jié)至+500mV或更大，本發(fā)明還涉及將各種化學和物理處理方法結合到生物處理系統(tǒng)中，以實現(xiàn)凈淤泥產(chǎn)量約為0的凈淤泥產(chǎn)生。在本發(fā)明這一方面的一個實施例中，將維持系統(tǒng)零凈生長速率(低于約0.05/天)或增加活性微生物呼吸速率的各種方法與以ORP為基礎的對化學氧化的控制相結合。維持系統(tǒng)的零凈生長速率(低于約0.05/天)，可以使生物系統(tǒng)的生物固體產(chǎn)生最少，從而使通過該系統(tǒng)的碳循環(huán)量最少。
公開了維持低系統(tǒng)凈生長速率的各種方法，包括分離一部分生物反應器中產(chǎn)生的生物固體/有機物混合物，將其循環(huán)進入生物反應器以控制系統(tǒng)凈生長速率。還可以使用其它控制系統(tǒng)凈生長速率的方法，包括在生物反應器中添加成熟細胞和在生物反應器液體中加入酶以增加生物固體的呼吸速率并控制細胞產(chǎn)生。
通過本發(fā)明的一些實施例(其例子可見附圖)，現(xiàn)在進行本發(fā)明更具體的描述就可以具體理解上述本發(fā)明的各方面。雖然本發(fā)明將參考優(yōu)選實施例進行說明，但可以理解這些優(yōu)選實施例并非限制本發(fā)明，可以對本發(fā)明進行各種替代和修改，只要不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
附圖簡述

圖1是綜合廢物處理系統(tǒng)的方塊圖，包括生物處理和在單級化學氧化過程中對氧化還原勢的直接監(jiān)測和控制。
圖2是兩級化學氧化過程的方塊圖，包括對各級氧化還原勢的監(jiān)測和控制。
圖3是兩級化學氧化過程的方塊圖，包括在第二級中添加多種氧化劑。
圖4是電解接觸室的示意圖。
圖5是兩級化學氧化過程的方塊圖，包括將進行了電解的水送入第二級。
圖6是兩級化學氧化過程的方塊圖，包括直接電解一部分第一級的液體。
圖7是單級化學氧化過程的方塊圖，包括將過程的液流與一種氧化劑一起進行回流。
圖8是在線呼吸測定儀的示意圖。
圖9是生物反應器過程的方塊圖，包括對平均細胞保留時間的控制。
圖10是生物反應器過程的方塊圖，包括直接刺激內(nèi)源呼吸并控制平均細胞保留時間。
圖11是綜合廢物處理系統(tǒng)的方塊圖，包括一個帶生物固體循環(huán)以控制平均細胞保留時間的生物反應器和同時直接監(jiān)測和控制氧化還原勢的兩級化學氧化。
發(fā)明詳述在本發(fā)明的敘述中，“生物處理方法”或“生物處理”指本領域已知的任何生物處理方法，如需氧、厭氧或兼性處理方法。
需氧處理方法是在存在氧氣條件下進行的生物處理方法，包括例如自熱需氧消化(ATAD)方法，如在美國專利No.5,492,624和4,915,840中所公開的那些方法。
厭氧處理方法是在沒有氧氣存在條件下使有機物和無機物進行生物分解的方法，最常用于消化生物固體，但也可用于懸浮固體接觸的過程來穩(wěn)定高濃度的可溶性廢物。
兼性處理方法是其中所用的微生物作用與存在或不存在氧氣無關的有機物和無機物生物分解方法。通常在兼性處理方法中，該系統(tǒng)中的反應器內(nèi)含物未經(jīng)加熱和混合，但也可用加熱的懸浮生長的過程來減少消化生物固體所需的時間。
本文所用的“呼吸”是指對生物固體中細胞代謝活性的一種衡量，具體是生物固體將過程液流中的有機物轉(zhuǎn)化成氣態(tài)形式的速率的衡量。對需氧系統(tǒng)而言，可以以生物固體吸收氧氣的速率或者二氧化碳或其它氣體的產(chǎn)生速率來測定呼吸。對需氧和兼性處理方法還可用其它測定呼吸的方法。
本文所用的“化學需氧量”(COD)指將混合的生物固體和有機廢液流轉(zhuǎn)化成二氧化碳理論上所需的氧氣量。
本文所用的混合物(如生物固體/有機物的混合物)的“氧化還原勢”(ORP)是驅(qū)動混合物進行氧化或還原反應的勢的一種衡量。ORP以電動勢單位表示，通常為毫伏(mV)，正量表示驅(qū)動氧化反應的趨勢，而負量表示驅(qū)動還原反應的趨勢。
本文所用的“電解”指通過對水性液流施加電動勢來分解水形成羥基。在本發(fā)明中可以將電解過的水加到廢液流中，或直接將一部分廢液流進行電解。
本發(fā)明在一綜合系統(tǒng)中用生物處理和化學處理將有機廢液流轉(zhuǎn)化成二氧化碳和其它氣體，且基本不產(chǎn)生凈的淤泥。本發(fā)明的廢物生物處理方法一般包括將有機廢物進行生物消化一預定的時間，再將生物固體和未轉(zhuǎn)化的有機物的混合物的至少一部分轉(zhuǎn)移到化學處理裝置中，在其中該混合物與至少一種氧化劑接觸。然后將此調(diào)理過的液體返回到生物處理過程中。這個方法中要監(jiān)測一特定的參數(shù)以優(yōu)化和控制化學處理過程，從而產(chǎn)生高度調(diào)理過的液體，隨后將其返回到生物反應器中進行進一步處理。
圖1-11顯示本發(fā)明所選的一些實施例。但應理解除非特別指出，所述的細節(jié)僅起說明作用而無限制作用。另外，為清楚省去了一些特征，如監(jiān)視點、氧化劑存儲罐和流量控制及均衡裝置的位置和類型。在本發(fā)明系統(tǒng)和方法中它們的配置和聯(lián)合對本領域技術人員而言都是已知的。另外，雖然所選的實施方案是以連續(xù)過程表示的，但本發(fā)明通過本領域技術人員所知的技術也容易適用于間歇過程和半連續(xù)過程和各種設計的反應器。
如圖1所示，本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，含有有機物的廢液流11與自化學處理裝置40返回的液流43混合。較佳地，這兩個液體11和43在混合裝置28中混合并形成液體21?；旌涎b置28可以是在線靜態(tài)混合器或本領域已知的其他合適的混合裝置。然后讓液體21流入生物反應器20進行生物處理。較佳地，對此生物反應器供給氧氣，如壓縮空氣22。更佳地是這種壓縮空氣中添加以氧氣直至含約50％?？梢詮纳锓磻?0收集有機物經(jīng)微生物分解產(chǎn)生的氣體以及過量的空氣供進一步處理(未顯示)之用或排入大氣(未顯示)。排出含有生物固體和未反應有機物的生物反應器內(nèi)含物23，較佳地進入重力沉降槽30內(nèi)，在那里生物固體和處理過的液體因它們的密度不同而分成兩層或多層。也可用本領域已知的固體分離方法，包括如膜分離、溶氣浮選(DAF)、氣穴浮選(CAF)或重盤式絮凝反應器(BFR)。可以將生物反應器中產(chǎn)生的過量泡沫直接送入化學反應裝置40中進行進一步處理(未顯示)。將沉降槽30中的上層清液作為液體31抽出，可以排去或進一步處理(未顯示)。抽出含有生物固體和未反應有機物的下層，作為生物固體/有機物流34。在一些實際應用中，可以由一單個裝置起生物反應器20和沉降槽30的功能。
較佳地，生物固體/有機物流34通過一減小粒徑的裝置35，在生物固體/有機物流36中產(chǎn)生已知粒度分布的生物固體顆粒，用來改善以后處理的效率。以下將詳細討論粒徑減小的問題。
將生物固體/有機物流36通入化學處理裝置40，在其中部分氧化生物固體和未反應的有機物?；瘜W處理過程可改善廢物的降解性，增加有機物被無機化生成二氧化碳的速率。在本發(fā)明中，通過監(jiān)測液體43的ORP并添加維持所選定ORP所需的氧化劑42來控制液體43的質(zhì)量和生物處理過程的優(yōu)化。因為ORP是用作控制參數(shù)，ORP監(jiān)測器45和流量控制器46可以是自動化操作的，不受添加的特定氧化劑的影響。在這種方法中，可以按化學活性的實時測定值來加入化學氧化劑，而不是按對于混合物COD的估計值的預定比例來加入化學氧化劑。在相對高的溫度使用氧化劑將生物固體中細胞物質(zhì)和未反應的有機物轉(zhuǎn)化成易溶的形式，使其更有容易生物降解。通過控制選定的ORP水平，化學試劑的加入比例可以變化，將有機物溶解到控制液體質(zhì)量的最佳程度，且比控制氧化劑與COD的化學計量比能更有效地減少化學試劑的使用量。
較佳地，將ORP維持在0mV或更高。更佳的是，將ORP維持在+200mV或更高。在優(yōu)選的ORP范圍，氧化的優(yōu)選反應條件包括大約中性的pH，相對高的溫度(約120到300℃)和相對高的壓力(約2ATM到10ATM)。隨著廢物中ORP的增高，可以使用較低的溫度和壓力來達到最佳的處理效率。例如，當ORP值為約+500mV或更高時，生物固體/有機物混合物的生物可降解性可以通過將此混合物在大氣壓條件下回流有更有效地改善。技術人員會認識到其他參數(shù)(如保留時間)會按反應條件、所需的液體質(zhì)量和所處理的廢液的特性而有所改變。
可以使用適用于廢物處理的任何化學氧化劑，如壓縮空氣、富氧空氣、氧氣、高錳酸鹽、過氧化物或產(chǎn)生羧基的某種試劑。氧化劑42較佳是壓縮空氣、富氧空氣或氧氣。更佳是含氧量約為50％的富氧壓縮空氣。
但氧化劑42也可以是化學氧化劑的混合物。用多種氧化劑可以使廢物處理的靈活性更高。氧化劑較佳是選擇對可能存在的特定范圍廢物提供最經(jīng)濟的處理方案。另外，由于可以不依賴所用的具體氧化劑來控制ORP，可以用化學氧化劑或氧化劑與催化劑(如硫酸亞鐵、過氧化物、pH調(diào)節(jié)劑等)的不同組合來適應廢液流11的變化或?qū)σ后w31的需求。
通過水的電解，還可在原位產(chǎn)生氧化劑42以生成羧基。電解可單用或與其他化學氧化劑聯(lián)用，將廢物的ORP增加至所需的水平。較佳地，通過在接觸室中的一排電極上施加直流電流來電解水。
在化學處理裝置40中處理后，較佳地將得到的調(diào)理過的液體43返回流程的前頭，即將它與廢物流11混合，通入生物反應器20進行進一步的處理。還可以在將液體43返回到生物反應器20之前，從其中除去粗渣或其他大的無機顆粒?；蛘咦尨衷蚱渌蟮臒o機顆粒就在生物反應器20中沉淀。濃縮的粗渣或其他大無機顆粒則是在化學處理步驟后用合適的脫渣或除去無機粗渣的其他方法除去(未顯示)。
圖2顯示了在順序步驟中使用兩種氧化劑的化學處理方法。將生物固體/有機物流36通入第一化學反應器50。較佳地，用ORP監(jiān)測器55和流量控制器56控制對反應器50入加氧化劑52，從而將反應器內(nèi)含物53的ORP控制在約0mV或更高。較佳地，氧化劑52是壓縮空氣、富氧空氣或氧氣。更佳的是，氧化劑52是含氧量約為50％的富氧壓縮空氣。其他反應條件見圖1化學處理步驟所述。
放出第一化學反應器50中的內(nèi)含物作為液體53，然后將其與氧化劑61混合。較佳地，在混合裝置68中進行混合，形成液體62，然后將其通入第二化學反應器60。較佳地，將反應混合物的ORP控制在+200mV或更高。氧化劑61可以是任何適用于廢物處理的氧化劑。較佳地，氧化劑61是高錳酸鹽、過氧化物或其他羥基生成劑的水溶液，起氧化反應的催化劑/引發(fā)劑作用。更佳的是，氧化劑61是過氧化物溶液。其他優(yōu)選的反應條件與圖1化學反應步驟所述相同。放出第二化學反應器60的內(nèi)含物作為液體63，返回到處理系統(tǒng)的前頭在化學反應器20中處理。
聯(lián)合使用兩次氧化劑可以使各種組成的廢物的生物可降解速率達到最佳，以最低成本實現(xiàn)最大的生物可降解性增加。較佳的是，當液體的ORP為0mV或更高時(即在第一化學反應器50處理后)，加入氧化劑的大部分。這能夠提高氧化劑在增加靶物質(zhì)生物可降解性方向的效率。
圖3顯示的是本發(fā)明圖2的一個實施例。將液體36通入第一化學反應器150，其中在ORP控制于0mV或更高時進行處理。將化學氧化劑161a、161b和液體36混合，通入第二化學反應器160，在ORP較佳控制于+200mV或更高條件下接受處理。加入多種氧化劑，可使廢物處理的靈活性更高。較佳地，要選擇氧化劑161a、161b使得對可能存在的特定范圍廢物提供最經(jīng)濟的處理方案。按廢液流11的變化或液體31的要求，可以在161a、161b使用化學氧化劑或氧化劑與催化劑(如硫酸亞鐵、過氧化物pH調(diào)節(jié)劑等)的不同組合。
在本發(fā)明的另一方面，通過電解水在原位產(chǎn)生氧化劑以生成羥基。電解可以單用或與其他化學氧化劑聯(lián)用，將廢液的ORP增加至所需的水平。較佳地，通過在接觸室中的一排電極上施加直流電來電解水。圖4顯示了接觸室80的一個例子。室80包括罐體83a和密封蓋83b。陰極84和陽極86位于室80內(nèi)，各個電極的一端通過密封開口85穿過密封蓋83b。陰極84包括網(wǎng)狀圓筒84a和陰極柱84b，它們彼此電連接，陽極86是位于網(wǎng)籠84a中的圓柱。也可用其他形狀和排布的電極得到有益的結果。較佳地，陽極86和陰極84是由鐵、碳或其他不反應的材料制成的。從電源88向陰極84和陽極86提供一穩(wěn)定的足以產(chǎn)生所需電解速率的直流電流。電流密度范圍一般約為20A/m2到500A/m2。當廢物流81通過接觸室80時，水分子就分解形成氫和氧的自由基，它們再結合主要形成羥基。將電解過的液體82自接觸室80放出。
圖5顯示了圖3的兩級化學處理方法的一個實施例，其中是用接觸室80來從清水流81產(chǎn)生電解過的水。放出電解過的水作為氧化劑161b，并經(jīng)計量進入液體中。本實例的一個優(yōu)點是按需要產(chǎn)生氧化劑161b，可減少存儲或使用化學氧化劑時產(chǎn)生的爆炸或燃燒危險。
圖6顯示兩級化學處理方法的另一實施例，其中將來自第一化學反應器350的液體353的一部分通入接觸室80進行電解。然后再將電解過的液體382返回到液體353中。由ORP監(jiān)測器365和流量控制器386控制排出去進行電解的液體353的量，以維持液體363的恒定ORP。
較佳地是在約1個大氣壓條件下回流生物固體/有機物混合物來化學處理此混合物。由于廢物ORP的增加，可以用較低的溫度和壓力實現(xiàn)最佳的處理效率。當ORP值約為+500mV或更高時，生物固體/有機物混合物的生物可降解性可以通過在大氣壓力條件下進行回流得以有效地改善。圖7顯示了本發(fā)明這一實施例的系統(tǒng)。將化學氧化劑(較佳為強氧化劑如次氯酸)和來自接觸室80的電解過的水482與生物固體/有機物流436混合，較佳在混合裝置448中混合，然后流入化學反應器440?？梢杂妙A熱器470(較佳地是用液體443作為其熱液體的換熱器)來升高混合液體441的溫度，同時將送入生物反應器20(圖1)的反應器液體443進行冷卻。預計氧化反應通?？梢蕴峁┳阋跃S持反應器內(nèi)回流條件的熱量。在有些情況下，需要另行提供熱量來維持回流。因此，化學反應器440可以是個配有大氣回流塔440b的套鍋440a。由輔助加熱器490向套鍋440a提供另外的熱量。ORP監(jiān)測器445和流量控制器446、486控制反應器內(nèi)的ORP為設定的大約+550mV或更高的水平。較佳地，約在中性pH和反應器內(nèi)含物常壓沸點或更低的溫度進行處理。普通技術人員可以按反應條件、所需的排出液質(zhì)量和進行處理的廢液流的性狀確定其他參數(shù)(如保留時間)。
在本發(fā)明的每個實施例中，將生物固體/有機物流進行化學氧化，以溶解細胞物質(zhì)和其他有機物，并提高它們在生物反應器內(nèi)降解成氣體或無機物形式的速率?；瘜W反應的最佳條件包括(但不限制于)pH、溫度、壓力和保留時間以及化學氧化劑的選擇，都可以用呼吸測量方法來確定。這種方法通常是測定已知量生物固體吸收氧氣和/或產(chǎn)生二氧化碳的速率。呼吸測量結果的增大表明所處理廢物的生物可降解性的改善。因此在實踐中，可以調(diào)節(jié)化學處理的條件從而在生物反應器內(nèi)產(chǎn)生最佳的呼吸測量結果。
圖8顯示了典型的在線呼吸測定儀28。計時器24按預定的周期打開閥門27，讓一部分生物固體/有機物流23流入裝置28。殘留在裝置28內(nèi)的任何物質(zhì)被進入的液體推入回到液體23中，計時器24關閉閥門27。監(jiān)視器25a、25b分別測定樣品中氧和二氧化碳濃度隨時間的變化。從而可控制過程條件，將濃度的變化率維持在預定的范圍內(nèi)。監(jiān)測器25a、25b也可與流量控制器(未顯示)或其他壓力控制裝置連接以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的操作性能。在預定時間后，計時器24再次打開閥門27，開始新一輪的樣品測定循環(huán)。
本發(fā)明的另一方面涉及生物處理有機廢物的方法，其中通過維持低的系統(tǒng)凈生長速率將生物固體的產(chǎn)生速率控制在低水平。將系統(tǒng)的凈生長速率維持在0.05/天以下，較佳地為0.01/天到0.06/天之間，可大大提高生物可降解性(相對于細胞產(chǎn)生)，從而使系統(tǒng)中有機碳的循環(huán)達到最小。生物降解后，較佳地將得到的生物固體/有機物混合物轉(zhuǎn)移到固體分離裝置，將生物固體/有機物廢物與處理過的液體分開。
可用任何維持低系統(tǒng)凈生長速率水平的適合方法。較佳地，在本發(fā)明中將一部分分開的生物固體/有機物返回到生物反應器中，來控制系統(tǒng)的凈生長速率μn，該值是平均細胞保留時間或“淤泥年齡”θc的倒數(shù)。在生物處理系統(tǒng)中生物固體的長時間保留就維持了系統(tǒng)中的低μn值。這就為系統(tǒng)提供了生態(tài)惰性，結果是觀察到低的細胞產(chǎn)生Yo。在需要零凈生物固體或有機廢物產(chǎn)生的生物系統(tǒng)中，維持低細胞產(chǎn)生是必須的，尤其需要是使用輔助的化學或物理處理時是如此?；瘜W調(diào)理過程的目的是使靶生物固體或廢物變成生物可降解的。在調(diào)理過后，當將這種生物可降解的物質(zhì)返回到生物反應器時，在調(diào)理過的液體中僅有一小部分COD轉(zhuǎn)化成生物固體是必需的。如果反應器μn值高，則Yo將很高，有相對較大部分的化學調(diào)理過的物質(zhì)會轉(zhuǎn)化回成為生物固體。在這種情況下，有機碳就在整個系統(tǒng)中基本上“循環(huán)”。
本發(fā)明的一個方面對生物固體的產(chǎn)生提供強控制，維持低μn值因而維持低Yo值。低的Yo值表明返回到生物反應器的化學調(diào)理過的物質(zhì)中有機碳的大部分沒有被轉(zhuǎn)化成生物固體，而是轉(zhuǎn)化成氣體(如二氧化碳、甲烷、氫等)且自系統(tǒng)排出。這對保持整個系統(tǒng)經(jīng)濟合理及避免化學調(diào)理步驟使用的異常和浪費而言非常重要。μn的值較佳為0.05/天或更低，這相當于θc值是20天或更多。更佳的是，μn值為0.01/天到0.006/天之間，相當于100天到150天的θc值?？捎萌绫疚乃龅暮粑鼫y定方法來間接監(jiān)測Yo值，并調(diào)節(jié)系統(tǒng)條件至維持送定的細胞產(chǎn)生。
圖9顯示本發(fā)明這個方面的一個實施例。將廢液流511與回收的生物固體533及自下游過程(未顯示)返回的液體563混合。較佳地，在通入生物反應器520之前，液體511、533、563在混合裝置528中進行混合。向生物反應器420提供氧氣522，優(yōu)選的是富含氧氣的壓縮空氣。將反應器的內(nèi)含物放出作為液體523，通入一固體分離裝置，本文顯示為沉降槽530，在其中生物固體/有機物進行濃縮并作為生物固體/有機物流532放出。放出清液作為流體531。在線呼吸測定儀528測定反應器內(nèi)含物523中生物固體的呼吸活性，并調(diào)節(jié)流量控制器533來控制返回生物反應器520作為回收的生物固體533的生物固體/有機物的量，以維持所需的μn。棄去生物固體/有機物532的殘留部分534，或較佳地將其進行進一步處理，更佳的是進行本文所述的化學處理。
維持μn和Yo低值的優(yōu)選方法是通過在系統(tǒng)中保留生物固體來增加θ-1(如本文所述)。也可用其它方法來控制Yo，包括在系統(tǒng)中添加成熟細胞物質(zhì)，添加酶制劑以增加呼吸或限制細胞產(chǎn)生，或其它本領域已知的方法。在本發(fā)明的一個相關方面，是用酶制劑來限制生物反應器內(nèi)生物固體的產(chǎn)生。將酶制劑加入生物反應器的內(nèi)含物中可以刺激細胞呼吸。這種刺激能在抑制細胞產(chǎn)生的同時提高生物降解速率，從而有效地減少μn。
當與本發(fā)明的其它方面聯(lián)用時，酶的加入可以使凈生物固體的產(chǎn)生降低至接近“零”的水平。在本發(fā)明中優(yōu)選采用酶制劑WT-200(Advanced BioCatalyticsCorp.，4440 Von Karman Ave.，Newport Beach，CA)來起這種刺激作用，但也可用其它制劑得到類似的效果。圖10顯示了結合酶的加入和生物固體循環(huán)的生物反應器系統(tǒng)。將自容器690計量出的酶制劑691流入合并的液體611、633、663中(較佳地混合裝置628中混合)，然后流入生物反應器620。在線呼吸測定儀628進行反應器液體623的呼吸測定并調(diào)節(jié)返回到生物反應器620的酶制劑691和生物固體/有機物633的流量，從而將Yo和μn維持在它們的預定水平。
如本文所述，在將生物固體引入化學反應器之前，若減小生物固體的粒徑可以進一步提高化學處理速率。通過傳遞更多的氧氣到顆粒中并增加顆粒中可溶成分的溶解，粒徑減小的顆粒還可用來提高生物反應器中的生物降解速率。另外，當生物固體顆粒具有一種已知的粒徑分布時，可以更有效地控制處理過程。例如圖11顯示了使用機械裝置835a將液體834中的生物固體顆粒的粒徑減小至一已知的粒徑分布，從而能在化學反應器840中更有效地進行處理。用一類似的裝置835b來控制返回到生物反應器820的生物固體/有機物液833中的顆粒粒徑分布。各種用于將顆粒生物固體減小至控制的粒徑分布的裝置是本領域已知的。本領域技術人員不難識別這些裝置和它們的用途。
還可用形成氣穴來實現(xiàn)顆粒粒徑的減小，無論是用液壓、聲波或其它方法。形成氣穴可以在產(chǎn)生羥基的化學處理步驟以前提供額外的好處。另外，在化學處理裝置內(nèi)可以使用形成氣穴的方法。例如，可以將氧化劑和化學催化劑(如本文所述的)加入到生物固體/有機物流中，并使這些混合物中形成氣穴。氣穴的形成在混合物中創(chuàng)造了促進氧化反應的條件，從而改善了生物固體/有機物混合物的生物可降解性。
本發(fā)明的一個目的是降低從自廢物生物處理系統(tǒng)產(chǎn)生的生物固體的量，以實現(xiàn)基本為零的凈淤泥產(chǎn)量。本發(fā)明結合生物和化學處理系統(tǒng)以及本文所述的其它特征，提供可調(diào)節(jié)適應各種性能目標的一套操作參數(shù)。這種結合的目的是獲得整個處理系統(tǒng)盡可能最佳的處理性能，其辦法是一些技術措施如COD的去除或生物固體的產(chǎn)生，經(jīng)濟措施如處理和棄置的總成本，或聯(lián)用這兩種措施。圖11顯示了處理高濃度或難以處理的廢物的一個實施例，它是在一綜合系統(tǒng)中實行本發(fā)明的若干方面而實現(xiàn)了該目的。部分800A代表它是系統(tǒng)的生物處理部分，如本文所述，接近圖9和10所示。部分800B代表用來調(diào)理液體以改善廢物生物可降解性的化學處理過程，如本文所述和圖8所示。裝置操作工分析呼吸測定儀825的測定結果，并結合本領域廣泛已知的常規(guī)水質(zhì)量分析，來評估處理廠的效果和花費，然后改變善操作參數(shù)來實現(xiàn)靶液體的質(zhì)量和經(jīng)濟效果。較佳的是，操作工調(diào)節(jié)ORP監(jiān)測器865的設點值，將液體843的質(zhì)量控制在生物反應器820內(nèi)促進COD轉(zhuǎn)化成二氧化碳的最佳水平。通過流量控制器836根據(jù)呼吸測定儀825的測定結果來調(diào)節(jié)生物固體/有機物循環(huán)流833的流量，以便維持低的μn和相應低的Yo，減少凈淤泥產(chǎn)生速率。流量控制器將酶制劑891計量加入到生物反應器820中，從而進一步限制Yo。受控的生物固體循環(huán)、酶的加入和通過化學調(diào)理作用而改善生物可降解性，這幾方面協(xié)同作用起來將凈生物固體的產(chǎn)生量幾乎降至零。
雖然本發(fā)明是參考優(yōu)選實施例進行描述的，但可以理解這些實施例僅是說明本發(fā)明的原理和應用。因此，可以理解對于這些說明實施例可以進行各種修改，而且在不脫離所附權利要求所確定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以有其它組合。
工業(yè)用途本發(fā)明可以用來處理含有機物的廢物。
權利要求
1.一種處理有機廢物的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步驟(a)將有機廢物輸入生物反應器內(nèi)，讓所述有機廢物進行生物消化，從而將至少一部分有機廢物轉(zhuǎn)化成清液以及生物固體與未轉(zhuǎn)化有機物的混合物；b)將至少一部分所述的生物固體與未轉(zhuǎn)化有機物的混合物在化學處理裝置中與至少一種氧化劑接觸；c)監(jiān)測所述的化學處理裝置中所述的至少一部分所述的生物固體和未轉(zhuǎn)化有機物的混合物的氧化還原勢，調(diào)節(jié)與所述的至少一部分所述混合物接觸的所述至少一種氧化劑的濃度，從而將所述的至少一部分所述混合物的氧化/還原勢(ORP)維持在0mV以上，從而將所述的至少一部分所述混合物轉(zhuǎn)化成經(jīng)調(diào)理的廢物；d)將所述的經(jīng)調(diào)理的廢物返回到所述的生物反應器中。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(c)包括將所述的氧化還原勢維持在約+200mV或更高。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(b)包括將所述的至少一部分所述生物固體和未轉(zhuǎn)化有機物的混合物與氧氣接觸，從而將所述的至少一部分所述混合物的氧化還原勢提高至+0mV或更高，然后將所述的至少一部分所述混合物與至少一種第二種氧化劑接觸，從而將所述的氧化還原勢提高至約+200mV或更高。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述的至少一種第二種氧化劑包括氧化劑的組合。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的至少一種氧化劑包括由電解產(chǎn)生的氧化劑。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述的由電解產(chǎn)生的氧化劑是通過將所述的至少一部分所述生物固體和未轉(zhuǎn)化的有機物的混合物進行電解產(chǎn)生的。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(c)是在約120℃到300℃的溫度和約2atm到10atm的壓力進行的。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(c)包括將所述的氧化還原勢維持在約+500mV或更高。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步驟(c)是在約1個大氣壓的壓力和所述的至少一部分所述生物固體和未轉(zhuǎn)化的有機物的混合物的大氣沸點溫度或更低溫度進行的。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括將至少另一部分的所述生物固體和未轉(zhuǎn)化有機物的混合物返回到所述的生物反應器，返回的量能將系統(tǒng)的凈生長速率控制在所選定的約0.05/天或更低值的范圍。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述的選定值范圍約為0.01/天到0.006/天之間。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括在進行所述的步驟(b)之前，減小所述的至少一部分所述生物固體和未轉(zhuǎn)化的有機物的混合物中的生物固體的粒徑。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(b)是通過在所述的至少一部分所述生物固體和未轉(zhuǎn)化有機物的混合物中形成氣穴進行的。
14.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法包括在所述的步驟(a)中將酶加入到所述有機廢物中來刺激細胞呼吸并限制細胞產(chǎn)生。
15.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法包括在所述的步驟(a)中向所述有機廢物中加入成熟的細胞來限制細胞產(chǎn)生。
全文摘要
一種處理有機廢物的綜合方法,包括如下步驟:將有機廢物在生物反應器(20)內(nèi)進行生物消化;在化學處理裝置中將得到的生物固體和未轉(zhuǎn)化的有機物的混合物與一種或多種氧化劑(42)接觸,并調(diào)節(jié)氧化劑(42)的濃度從而將ORP維持在預定的高于0mV的范圍,來調(diào)理混合物使其更易被生物降解;將調(diào)理過的液體返回到生物反應器(20)中。通過化學調(diào)理改善生物可降解性和受控的生物固體的循環(huán)的聯(lián)合效果,將凈生物固體的產(chǎn)生幾乎減少到零。
文檔編號C02F1/66GK1379735SQ00814321
公開日2002年11月13日 申請日期2000年10月19日 優(yōu)先權日1999年10月19日
發(fā)明者A·羅齊 申請人:程序管理公司