廢水處理系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于處理廢水的方法和裝置。所述廢水處理系統(tǒng)包括含活性炭和第一生物種群的生物反應器。所述廢水處理系統(tǒng)還可包括膜生物反應器和/或濕式氧化單元。
【專利說明】廢水處理系統(tǒng)和方法
[0001]本申請是申請?zhí)枮?00780016597.7 (PCT/US2007/005775)、申請日為 2007 年 3 月8日的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關申請
[0003]本申請根據35U.S.C.§ 119(e)要求以下美國臨時申請的優(yōu)先權:2006年3月8日提交的名為"TREATMENT OF ENDOCRINE DISRUPTING COMPOUNDS IN A PACT/WAR SYSTEM"的美國臨時申請60/780，142 ；2006年5月22日提交的名為"METHOD AND APPARATUSFOR TREATING WASTEWATER"的美國臨時申請60/747，853 ;2006年7月26日提交的名為"COMBINED MEMBRANE B10REACT0R POWDERED ACTIVATED CARBON TREATMENT AND WETAIR REGENERATION SYSTEM FOR DIFFICULT TO TREAT WASTE WATER"的美國臨時申請60/820, 410,所有上述臨時申請都通過引用完全并入本申請以用于所有目的。
【技術領域】
[0004]本發(fā)明涉及用于處理廢水的生物反應器系統(tǒng)和方法，特別是涉及采用膜生物反應器的廢水處理系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0005]廢水的生物處理被廣泛采用。廢水通常用廢活性污泥進行處理，其中在處理罐里的污泥停留時間內生物固體受到細菌作用。然而，生物處理法會產生不需要的廢污泥，其必須得到恰當處理。廢污泥通常被從系統(tǒng)中除去并運往場外進行焚燒或垃圾掩埋處理。
[0006]此外，廢水中存在的任何有機物都僅在處理罐內的水力停留時間內受到細菌作用。由于水力停留時間通常小于污泥停留時間，有機物和特別是難降解有機物可能得不到處理或破壞。因此，會有某些有機化合物可以無變化地穿過處理過程在廢水或殘余污泥中排出。
[0007]粉狀活性炭法是一種增強的生物處理工藝，其能使有機物在水力停留時間和污泥停留時間內保持在處理罐中以既進行吸附處理又進行生物處理。然而，由于既發(fā)生生物生長又發(fā)生有機組分的吸附，所以需要損耗額外的固體。而且，隨著生物固體的去除，粉狀活性炭會從處理過程中流失，因此必須不斷進行更換。
[0008]因此仍需要一種有效且經濟的方法來減少排出場外以作進一步處理或處置的污泥量。還需要一種有效且經濟的處理難處理(refractory)和難降解(recalcitrant)有機物的方法。

【發(fā)明內容】

[0009]根據一或多個實施方案，本發(fā)明涉及一種處理廢水的系統(tǒng)和方法。
[0010]在一個實施方案中`，廢水處理系統(tǒng)包括廢水源和流動連接在所述廢水源下游的生物反應器。所述生物反應器中包含吸附劑。該系統(tǒng)進一步包括流動連接在所述生物反應器下游的吸附劑再生單元。[0011]在另一個實施方案中，廢水處理系統(tǒng)包括廢水源和流動連接到所述廢水源的生物反應器。所述生物反應器中包含吸附劑。在所述生物反應器上流動連接有濕式空氣氧化單
J Li ο
[0012]另一個實施方案涉及包括廢水源和流動連接到所述廢水源的第一生物反應器的廢水處理系統(tǒng)。所述第一生物反應器中包含吸附劑。該廢水處理系統(tǒng)還包括流動連接在第一生物反應器下游的第二生物反應器。該系統(tǒng)進一步包括流動連接在第一生物反應器下游和第二生物反應器上游的分離器。
[0013]在另一個實施方案中，廢水處理系統(tǒng)包括廢水源、濕式空氣氧化單元和膜生物反應器，其中所述濕式空氣氧化單元包含出口和流動連接到所述廢水源的入口，且所述膜生物反應器包含生物種群并流動連接到所述出口。
[0014]另一個實施方案涉及一種處理廢水的方法，包括提供廢水源和提供生物反應器。該方法進一步包括使所述廢水與吸附劑和生物種群接觸以生成第一產物流，以及使第一產物流中的部分吸附劑再生以生成第二產物流。將第二產物流通往生物反應器。
[0015]由本發(fā)明的以下詳細說明同時結合附圖將可明顯看出本發(fā)明的其它優(yōu)點、新穎特征和目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]附圖并非按比例繪制的。在附圖中，不同附圖中描繪的各個相同或幾乎相同的部件都用相同數(shù)字表示。為清楚起見，并非每個部件都在每個附圖中標記，在不需說明也能使本領域技術人員理解本發(fā)明的地方也并非本發(fā)明的每個實施方案的每個部件都顯示在附圖中。在附圖中:
[0017]圖1是根據本發(fā)明的一或多個實施方案的處理系統(tǒng)的方框圖；
[0018]圖2是根據本發(fā)明的一或多個實施方案的另一處理系統(tǒng)的方框圖；
[0019]圖3是根據本發(fā)明的一或多個實施方案的另一處理系統(tǒng)的方框圖；
[0020]圖4是根據本發(fā)明的一或多個實施方案的另一處理系統(tǒng)的方框圖；
[0021]圖5是可用于實施本發(fā)明的一或多個實施方案的計算機系統(tǒng)的示意圖；和
[0022]圖6是根據本發(fā)明的一或多個實施方案可用于圖5所示計算機系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)的示意圖。
圖7顯示了對于雌二醇為四種炭各自制備的炭吸附等溫線。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明的應用并不僅限于在以下說明書中闡明或在附圖中描述的結構細節(jié)和部件布置。本發(fā)明還有其它實施方案，且能夠以各種方式實施或實行。此外，這里所用的短語和術語都只用于說明目的，不應被認為是限制性的。這里所用的"包含"、"包括"或"具有"、"含有"、"涉及"及其變體包括其后所列各項及其同等物和附加項。
[0024]本發(fā)明涉及廢水處理系統(tǒng)和方法。"廢水"在此是指任何待處理的水，如從工業(yè)、農業(yè)和市政源流入廢水處理系統(tǒng)的含有可生物降解材料、能被細菌分解的無機或有機化合物等污染物的廢水流。值得注意的是，生物質需要能提供適合生長的條件的環(huán)境。"廢水處理系統(tǒng)"在此是指一種系統(tǒng)，通常為生物處理系統(tǒng)，其具有各種類型的用于消化可生物降解材料的細菌的細菌微生物生物質群，且具有降低的固體產量。在美國專利6，660，163 ；5，824，222 ;5，658，458和5，636，755中記述了一些具有降低的固體產量的廢水處理，這些專利都通過引用完全引入本文以用于所有目的。當然，任何待處理的水，如市政飲用水，也都可得益于此中所述的一或多個發(fā)明，由此明確地包含在本申請所用的廢水的定義之內。
[0025]來自工業(yè)和市政源的廢水一般包含生物固體、惰性材料和有機物，包括難處理和難降解有機物在內。在本文中，難降解有機物是指相對于廢水流中的大多數(shù)有機物來說生物降解很慢或難以生物降解的一類有機物。難降解有機物的例子包括合成有機化學品，如聚電解質處理化學品。其它難降解有機物包括多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳香烴、多氯代二苯并對二P惡英和多氯代二苯并呋喃。另一類能影響生物體的荷爾蒙系統(tǒng)且在環(huán)境中存在的難降解有機物是內分泌干擾化合物。內分泌干擾化合物的例子包括:烷基酚，如用于除去避孕用品中出現(xiàn)的油以及天然荷爾蒙和人造類固醇(如17-b-雌二醇、雌素酮、睪丸激素、乙炔基雌二醇)的壬基苯酚。[0026]來自工業(yè)和市政源的廢水可能還含有在水處理過程中產生的隨后難以除去的痕量組分化合物。在水處理過程中引入的痕量組分的例子包括亞硝胺，如可能從專利產品陽離子和陰離子樹脂中釋放的亞硝基二甲胺(NDMA)。
[0027]本發(fā)明的一個實施方案包括具有一或多個處理區(qū)的生物反應器。在本文中，短語"處理區(qū)"用于表示獨立的處理區(qū)域。獨立的多個處理區(qū)可以設在具有一或多個隔室的單個容器中?；蛘?，獨立的多個處理區(qū)也可設置在分離的容器中，其中在分離的容器中進行不同的處理。所述處理區(qū)，即容器、罐或隔室，可以根據期望的應用和待處理的廢水量來改變大小和形狀以提供期望的水力停留時間。因此，生物反應器可能包括一或多個容器。生物反應器可以包括具有一或多個濾膜的膜生物反應器。
[0028]一個或多個所述處理區(qū)可以以分批流動模式、順序分批反應器或具有連續(xù)廢水入流的連續(xù)流動分批反應器的形式操作。所述一個或多個處理區(qū)可以根據具體目的的需要工作在缺氧或需氧條件下。用于所述獨立處理區(qū)的細菌可以是適合在缺氧和/或需氧條件下旺盛生長的任何細菌或細菌的組合。代表性的需氧屬包括細菌不動桿菌屬(Acinetobacter)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、動膠菌屬(Zoogloea)、無色菌屬(Achromobacter)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、諾卡氏菌屬(Norcardia)、輕弧菌屬(Bdellovibrio)、分枝桿菌屬(Mycobacterium)、Shpaerotilus、貝氏硫菌屬(Baggiatoa)、硫絲菌屬(Thiothrix)、Lecicothrix和地絲菌屬(Geotrichum),硝化細菌亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和硝化菌屬(Nitrobacter),原生動物門纖毛蟲綱(Ciliata)、鐘蟲屬(Vorticella)、蓋蟲屬(Opercularia)和累枝蟲屬(Epistylis)。代表性的缺氧屬包括反硝化細菌無色菌屬(Achromobacter)、氣桿菌屬(Aerobacter)、產喊桿菌屬(Alcaligenes)、桿菌屬(Bacillus)、短桿菌屬(Brevibacterium)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、小球菌屬(Micrococcus)、變形桿菌屬(Proteus)、Pserudomonas 和螺旋狀菌屬(Spirillum)。一般存在的厭氧生物包括梭菌屬某些種(Clostridium spp)、消化球菌屬厭氧菌(Peptococcus anaerobus)、雙歧桿菌屬某些種(Bifidobacterium spp)、脫硫弧菌屬某些種(Desulfovibrio spp.)、棒狀桿菌屬某些種(Corynebacterium spp)、乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、放線菌屬(Actinomyces)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)和大腸桿菌(Escherichia coli)。[0029]除生物反應器之外，所述水處理系統(tǒng)還可包括預處理和/或后處理單元。濕式氧化一般涉及在高溫和高壓下用氧化劑，通常為來自含氧氣體的分子氧，處理廢水。在水的臨界溫度即374°C以下進行的濕式氧化被稱作亞臨界濕式氧化。亞臨界濕式氧化系統(tǒng)工作在足夠的壓力下以保持液態(tài)水。在美國公開20050171390中記述了濕式氧化系統(tǒng)和方法，其通過引用完全并入本文。在一個實施方案中，濕式氧化單元可工作在約180°C到約325°C之間。在另一個實施方案中，濕式氧化單元可工作在約325°C。
[0030]在一個實施方案中濕式氧化單元可流動連接在生物反應器下游以進一步處理生物反應器的流出物。在另一個實施方案中，濕式氧化單元可流動連接在生物反應器下游以處理從生物反應器中除去的污泥。在這些情形下，濕式氧化單元可以消滅殘余在從膜生物反應器中出來的流出物或污泥中的任何污染物。
[0031] 在另一個實施方案中，濕式氧化單元可流動連接在生物反應器上游以對廢水進行預處理。在于生物反應器中處理之前用濕式氧化單元對廢水進行預處理的優(yōu)點在于能減少或防止對生物反應器中進行的生物處理的任何毒性干擾。應用直接化學氧化過程的濕式氧化系統(tǒng)不會受毒性干擾的影響。對含有沖擊負載的有毒化合物的廢水進行濕式氧化預處理可以氧化所有或一部分所述有毒化合物到低于下游生物反應器的沖擊水平。從濕式氧化單元接受流出物的生物反應器由此可經受更少的毒性干擾。此外，濕式氧化常見的副產物羧酸，如醋酸，可以在濕式氧化單元下游的膜生物反應器中被生物降解。
[0032]本發(fā)明的一個實施方案包括多個生物反應器。在這里，單個"生物反應器"包括一或多個處理區(qū)或容器。根據一個實施方案，第一生物反應器可以包括第一生物種群和設于其中的活性炭，其中所述生物種群吸收廢水中的可生物降解組分。在此，短語"生物種群"是指不同細菌微生物的混合物。應理解所述不同細菌微生物中的每一種對另一種的比例可以根據生物反應器內的條件和停留時間而不同。生物反應器可以，但非必須，根據期望的條件而被供氣。可以變化生物反應器的操作條件以改變生物種群的生長條件。也就是說，生物反應器內的操作條件可在缺氧和需氧條件之間變換。
[0033]在另一個實施方案中，廢水處理系統(tǒng)可以包括一或多個適用于具體目的的流動連接在生物反應器上的分離單元。在一個實施方案中，廢水處理系統(tǒng)可以包括一或多個位于生物反應器下游以接受混合液的生物固體分離單元。所述生物固體分離單元可以是適用于具體目的的任何分離單元，如澄清器、超濾膜、膜生物反應器、旋液分離器及其組合。在一個實施方案中，生物固體可以在已知聚合物的幫助下在澄清器單元中沉降。在另一個實施方案中，在流出物被不斷從膜生物反應器中排出時生物固體可以停留在膜生物反應器中以定期去除。使用膜生物反應器和/或旋液分離器作為分離單元的優(yōu)點在于它們不要求存在通常用于澄清器的沉降聚合物。因此，免除了與購買和儲藏所述聚合物有關的費用。
[0034]在又一實施方案中，固-液旋液分離器可以接受來自生物反應器的污泥以進一步降低污泥中所含的水量，從而降低污泥的總體積。在另一實施方案中，液-液旋液分離器可被流動連接在膜生物反應器上游以除去可能淤塞所述膜的污染物。例如，在使廢水穿過膜生物反應器之前可從廢水中除去可能淤塞膜的油類，從而延長膜的壽命。
[0035]廢水處理系統(tǒng)可以還包括適用于具體目的的一個或多個惰性固體分離單元。例如，惰性固體分離單元可以包括用于除去惰性垃圾的細篩、用于除去較重材料的旋液分離器及它們的組合。[0036]除所述生物種群之外，廢水處理系統(tǒng)中還可包括吸附劑以提供廢水/吸附劑泥漿?？梢允褂萌魏挝絼?，只要其能從所述泥漿中除去一或多種有機物，且其大部分保留在泥漿整體或形成的污泥中即可。所述吸附劑可以是適用于具體目的的任何形式的，如粒狀、粉末狀及其組合。吸附劑可以是有機的、無機的及它們的組合。無機吸附劑的例子包括膨潤土、鐵基化合物、合成樹脂及其組合。在一個實施方案中，吸附劑為粒狀活性炭、粉狀活性炭及其組合。在另一個實施方案中，吸附劑為可商購的粉狀活性炭。
[0037]在一個實施方案中，吸附劑可在廢水處理過程中的任何時間添加到生物反應器中，只能吸附劑與廢水接觸的時間足以吸附可能存在于廢水中的任何有機物即可。當然，吸附劑可以在系統(tǒng)內的任何位置引入系統(tǒng)，只要吸附劑出現(xiàn)在要求的生物反應器中即可。例如，吸附劑可添加在待循環(huán)回生物反應器的污泥中?；蛘?，吸附劑也可在生物反應器上游于一或多個預處理單元之前和/或之后的位置添加。
[0038]在一個實施方案中，在引入廢水和生物種群之前吸附劑被添加到生物反應器中?；蛘?，也可與添加廢水的同時或在其之后將吸附劑加入到生物反應器中。應當清楚，在廢水處理系統(tǒng)開始啟動時，可以添加初始量的吸附劑以最初填充生物反應器。廢水被在所述生物處理罐中處理以生成含生物固體、吸附在吸附劑上的有機物和液體的混合物的混合液。
[0039]向生物反應器中添加吸附劑可以提高對廢水中存在的污染物的俘獲和/或破壞效率。由于固體吸附劑停留在生物反應器之內直到被定期地除去，所以吸附在吸附劑上的污染物如有機物與未被吸附的污染物相比具有更長的在生物反應器內的停留時間。未被吸附的有機物將隨第一排出液直接流出生物反應器。有機物、特別是降解慢的有機物在生物反應器中增長的停留時間在處理難以降解和降解慢的難降解有機物時尤其有利。增長的有機物停留時間可能導致難降解有機物的更多和/或完全破壞。廢水中存在的任何揮發(fā)性有機物的吸附還可以減少VOC洗提和排臭
[0040]在一個實施方案中，粉狀活性炭在需氧性生物反應器中的存在可以提高供氣裝置的效率，因為活性炭對氣態(tài)氧有吸引力。
`[0041]吸附劑如粉狀活性炭在膜生物反應器中的使用可能產生額外的優(yōu)點。粉狀活性炭可以通過除去由生物質產生的胞外聚合物(EPS)促進膜過濾過程。EPS的產生可能淤塞工作在延長的污泥停留時間(SRT)和/或高混合液懸浮固體(MLSS)條件下的膜生物反應器。EPS的減小或消除可能有助于保持適合于生物質的環(huán)境和延長膜的壽命。污染物被生物反應器中存在的粉狀活性炭吸附還可減少或消除可能是由大量的這些污染物所導致的對生物反應器的毒性沖擊的發(fā)生。
[0042]粉狀活性炭在膜生物反應器中的存在還有助于吸附可能會不可逆地淤塞膜的有機化合物和/或金屬。在一個實施方案中，有機化合物如硅氧烷可被吸附在粉狀活性炭上從而減少或消除硅氧烷對膜的不利影響。金屬被粉狀活性炭吸附可以減少或消除浸出液中所含金屬，如鐵、鈣、鎂和錳的惰性鹽，的存在。
[0043]粉狀活性炭在膜生物反應器中的存在還可能導致混合液的粘度比具有相同生物固體濃度的純生物污泥小。在膜過濾中，膜環(huán)境內的污泥的粘度與膜過濾所需的能量成正t匕。在膜生物反應器中膜的沾污速率通常與通量率的指數(shù)成正比，因此MLSS粘度隨添加粉狀活性炭而減少既能提高膜的通過能力又能降低資金和能量消耗費用。在膜生物反應器中結合粉狀活性炭將使得可以采用更高的混合液濃度，這能縮小生物反應器的尺寸和減少相關的資金和安裝費用。
[0044]膜生物反應器中的粉狀活性炭可有助于物理洗滌膜表面，這能導致更高的工作流量和減少現(xiàn)場清洗頻率，從而延長膜的壽命和減少相關的現(xiàn)場清洗費用。粉狀活性炭與膜生物反應器的結合還能導致氨的更穩(wěn)定的去除。粉狀活性炭可以除去膜生物反應器自己并不能除去的抑制敏感硝化細菌的物質。
[0045]由于粉狀活性炭可以再生和重復利用，因此它在生物反應器中的使用具有顯著優(yōu)點。在一個實施方案中，含粉狀活性炭的污泥可以在濕式氧化單元中再生，在本文中表示為濕式空氣再生。活性炭的濕式空氣再生可以在低于濕式氧化的溫度下進行。例如，含生物固體和粉狀活性炭的污泥可在約240°C -約260°C的溫度下被濕式空氣再生。炭的濕式氧化再生消滅了生物固體中可揮發(fā)的部分且氧化了吸附在粉狀活性炭表面上的有機物以恢復其吸附能力。由濕式氧化再生過程恢復的含水泥漿主要由再活化的炭顆粒和被炭從廢水中除去以及在再生過程中形成的無機灰顆粒構成?？赏ㄟ^已知的分離方法如美國專利4，778，598和4，749，492中公開的那些從再生炭中進一步分離所述灰，上述兩篇專利都通過引用完全引入本文以用于所有目的。
[0046]通過濕空氣還原再生的粉狀活性炭在回到生物反應器中時能產生比未用過的粉狀活性炭質量更好的流出物。再生的粉狀活性炭可能具有與未使用過的粉狀活性炭不同的吸附性能，從而提高了吸附質量。粉狀活性炭的濕式空氣再生可能會改變孔結構以變得更適合于從廢水中除去抑制性、毒性和/或難處理的材料。類似地，粉狀活性炭的濕式空氣再生可能改變孔結構從而變得不太適合于去除可能被生物吸收的材料。粉狀活性炭的濕式空氣再生可能影響表面化學從而改變其總的吸附性能。粉狀活性炭的濕式空氣再生可能改變其表面化學，導致更耐濕式空氣氧化單元之內的進一步氧化的炭結構。
[0047]濕式空氣再生還能將某種可溶組分放入生物反應器的混合液中，這可提高生物活性和產生更多樣化的生物種群。濕式空氣再生還能將氨氮返回所述混合液中，這能減少或消除這些貧氮廢物的營養(yǎng)氮 需求，從而節(jié)約化學品和操作成本。濕式空氣再生過程還是自熱的，因此可以回收熱量并提供給其它單元如蒸煮器。在此"自熱"一詞是指其中單元中所需的反應熱由單元內的部分氧化提供的氣化方法。需提供給濕式空氣再生單元的額外能量可以通過就地焚燒一部分廢污泥來提供。
[0048]也可以在第二生物反應器中再生粉狀活性炭。所述第二生物處理罐可工作在與第一生物反應器不同的條件下以提供具有與第一生物反應器中存在的第一生物種群中的細菌生物體比不同的細菌生物體比的生物種群的有利生長。例如第一生物反應器中可能是需氧細菌種群占優(yōu)，而第二生物處理罐中可能是能消滅任何需氧細菌生物固體的兼性種群占優(yōu)。進一步被送往第一生物處理罐的兼性細菌可以隨后被第一生物反應器消滅。
[0049]在一個實施方案中，第二生物處理罐中的生物種群可以進一步吸收生物固體和通過進一步與吸附的有機物反應而使生物固體中存在的活性炭再生?？梢跃唧w選擇第二生物反應器中的細菌使其能與活性炭上吸附的有機物反應和/或最小化要從廢水處理系統(tǒng)中除去的生物固體量。例如，第二生物反應器中存在的細菌種群相對于第一生物反應器中的細菌顯示更低的固體產量和更高的廢物-消化效率，由此最小化固體的產生和隨后最小化需從廢水處理系統(tǒng)中除去的固體量。
[0050]第二生物反應器可以包括一或多個連續(xù)流動罐和/或一或多個分批處理罐。在一個采用連續(xù)流動罐的實施方案中，循環(huán)的污泥連續(xù)或者周期性地進入一或多個罐。罐的容積可以基本恒定，從而相應的體積溢出并返回該廢水處理系統(tǒng)。在一個實施方案中，污泥可在罐之間交換。可以向第二生物反應器提供混合和充氣以控制環(huán)境。在另一個采用分批處理罐的實施方案中，循環(huán)的污泥連續(xù)或周期性地進入一或多個罐。罐的容積可以是變化的，從而處理后的污泥向第一生物處理罐的返回可以不與輸入對應?？梢蕴峁┗旌虾统錃庖钥刂骗h(huán)境。污泥可以在可以任何順序包括以下一或多個步驟的分批式循環(huán)中進行處理來實現(xiàn)期望的目的:填充罐、混合、沉降、充氣、傾析和將污泥返回處理過程。
[0051]產生的再生粉狀活性炭可在一或多個再循環(huán)管道中循環(huán)回第一生物反應器，從而降低需從廢水處理系統(tǒng)中除去的固體量。本發(fā)明的一個優(yōu)點在于通過降低待從廢水處理系統(tǒng)中除去的固體量，可同時降低隨固體除去的活性炭量，導致與使用更少活性炭相關的更低費用。 [0052]本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于將大量具有吸附的有機物的活性炭保留在廢水處理系統(tǒng)之內使得吸附在活性炭上的有機物被保留在廢水處理系統(tǒng)中進行進一步處理和破壞。吸附在活性炭上的有機物與未被吸附在活性炭上并將隨第一排出液直接排出廢水處理系統(tǒng)的有機物相比具有更長的在廢水處理系統(tǒng)內的停留時間。有機物在廢水處理系統(tǒng)中增長的停留時間在處理難以降解和降解慢的難降解有機物時尤其有利。增長的有機物停留時間可能導致難降解有機物的更多和/或完全破壞。
[0053]本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于活性炭可通過廢水處理過程中微生物的生物作用被連續(xù)地再生，消除了對通常從廢水處理系統(tǒng)中除去的活性炭進行單獨再生的步驟。
[0054]含用過的粉狀活性炭的污泥可從生物反應器如膜生物反應器中連續(xù)地、周期性地或斷續(xù)地除去。含用過的粉狀活性炭的污泥的去除可以自動或手動啟動，且需要時，含用過的粉狀活性炭的污泥可以但非必須在再生之前被導入收集罐。例如，膜生物反應器的水力滯留時間可能為約6到18小時之間，而固體停留時間可能為約10到40天。含用過的粉狀活性炭的固體可以以基于在生物反應器內持續(xù)時間的預定時間間隔被完全除去。在一個實施方案中，每天有部分如10體積百分比的含用過的粉狀活性炭的固體可被除去。再生活性炭可被連續(xù)地、周期性地和斷續(xù)地返回生物反應器。
[0055]如圖1所示，本發(fā)明的一些廢水處理系統(tǒng)100可包括生物反應器120、分離器130、任選性的惰性固體分離器140、粉狀活性炭再生單元150和任選性的濾網110。待處理廢水通過導管112進入廢水處理系統(tǒng)100并穿過粗濾網110。濾網110的開口大小可以為約25mm到約6mm以除去大的垃圾物。積累在濾網110的接受面上的垃圾可被周期性地除去。
[0056]濾過的液體被沿管道114輸送到含有一或多種期望的細菌的第一生物處理罐120。粉狀活性炭最初被通過管道122添加到第一生物處理罐120。
[0057]進入生物處理罐120的廢水與粉狀活性炭和能消化廢水中的可生物降解組分的細菌種群接觸，產生混合液。第一生物反應器工作在有利于期望的細菌生長的條件下。廢水中存在的有機物，包括難降解有機物在內，可被吸附在粉狀活性炭上。
[0058]混合液和攜有有機物的粉狀活性炭沿管道124通到生物質分離器130。分離器130可以是適用于具體目的的任何分離器。在一個實施方案中，分離器130為固-液旋液分離器。在另一個實施方案中，分離器130為膜生物反應器。所述混合液和粉狀活性炭中的生物質被從流出物中分離并通過管道132從分離器130中除去。流出物通過管道136從分離器130的出口排出。
[0059]所述生物質與攜有有機物的粉狀活性炭的組合的一部分被通過管道134、152和114導回生物反應器120。在生物質與粉狀活性炭組合中存在的細菌種群以期望的細菌種群種群恢復生物罐120中的種群。
[0060]生物質與攜有有機物的粉狀活性炭的組合的另一部分被通過管道132導入任選性的惰性固體分離器140以除去細小的惰性重材料。惰性固體分離子系統(tǒng)包括細篩和旋液分離器。從生物固體與攜有有機物的粉狀活性炭的組合中除去的惰性固體被通過管道144排出，但不會排出較大部分的生物固體和粉狀活性炭，因此大量的初始活性炭仍被保留在廢水處理系統(tǒng)中。 [0061]生物固體與攜有有機物的粉狀活性炭的剩余混合物被作為污泥通過管道142輸入再生單元150。在一個實施方案中，再生單元150是工作在足夠溫度與壓力下以再生粉狀活性炭以及消滅留在來自分離器的污泥中的一或多種污染物的濕式空氣再生單元。再生的粉狀活性炭和污泥被通過管道152和114從濕式空氣再生單元150中排出并輸入生物反應器 120。
[0062]在另一個實施方案中，分離器150為第二生物反應器。在第二生物反應器中，污泥暴露于通過混合器和充氣系統(tǒng)(未顯示)調節(jié)的適合于期望的細菌種群生長的厭氧、缺氧和需氧條件。所述細菌進一步消化生物固體以及消滅吸附在粉狀活性炭上的有機物。粉狀活性炭上的有機物的破壞使粉狀活性炭得以再生。第二混合液被通過管道152和114從第二生物反應器150中排出并輸入第一生物反應器120。
[0063]在另一實施方案中，可以在再生單元150下游流動連接第二再生單元(未顯示)。例如，可以在第二生物反應器150下游流動連接濕式空氣再生單元(未顯示)以進一步再生至少一部分任何剩余的用過的粉狀活性炭，以及提高對剩余在污泥/粉狀活性炭混合物中的污染物的破壞。類似地，可以在濕式空氣再生單元150下游流動連接第二生物反應器(未顯示)以進一步再生至少一部分任何剩余的用過的粉狀活性炭和/或提高對任何剩余在污泥/粉狀活性炭混合物中的污染物的破壞。
[0064]在另一個實施方案中，通過管線136排出分離器130的流出物可在濕式氧化單元(未顯示)中被進一步處理以進一步提高對剩余在所述流出物中的污染物的破壞。
[0065]在廢水處理系統(tǒng)操作過程中，粉狀活性炭可根據需要被添加到第一生物反應器120中，以取代在各個固體分離階段例如惰性固體去除期間無意中除去的任何粉狀活性炭。然而，由于與典型的廢水處理系統(tǒng)相比生物固體從廢水處理系統(tǒng)中的去除被減少，粉狀活性炭的無意損失也可被減少，從而降低了粉狀活性炭的原料費。將粉狀活性炭保留在廢水處理系統(tǒng)內增長了吸附在粉狀活性炭上的有機物的停留時間，從而提高了有機物的破壞效率且可以為完全破壞難降解有機物作好準備。
[0066]圖2顯示了本發(fā)明的另一實施方案。廢水處理系統(tǒng)200可以包括生物反應器220、膜生物反應器230和濕式氧化單元240。待處理廢水通過管道214進入廢水處理系統(tǒng)并與能消化廢水中的可生物降解組分的細菌種群接觸，產生混合液?；旌弦和ㄟ^管道222通到膜生物反應器230作進一步處理。粉狀活性炭可分別通過管道224和234直接加入生物反應器220和/或直接加入膜生物反應器230。含生物質和粉狀活性炭的混合液可通過管道236通到再生單元(未顯示)。通過管道232從膜生物反應器230排出的流出物被導入濕式氧化單元240以進一步處理降解緩慢的污染物。濕式氧化單元240的流出物通過管道242排出以供排放、再使用或附加處理。
[0067]圖3顯示了本發(fā)明的廢水處理系統(tǒng)的另一實施方案。廢水處理系統(tǒng)300包括流動連接在膜生物反應器330上游的濕式氧化單元320。廢水通過管道314進入濕式氧化單元320以進行氧化。由于膜生物反應器接受來自濕式氧化單元的流出物，其由此可經受更少的毒性干擾。此外，來自濕式氧化的不希望的副產物如羧酸可以在濕式氧化單元下游的膜生物反應器330中被生物降解。得到的流出物通過管道322通到膜生物反應器330。膜生物反應器330的流出物通過管道332排出以供進一步處理、再使用或排放。任選地，粉狀活性炭可通過管道326加入濕式氧化單元330和/或通過管道336加入膜生物反應器330。
[0068]本發(fā)明的某些方面可能特別涉及控制所述廢物處理操作。例如，圖4顯示了與圖1所示廢水處理系統(tǒng)100相似的廢水處理系統(tǒng)400。廢水處理系統(tǒng)400包括生物反應器420、分離器430、任選性的惰性固體分離器440、粉狀活性炭再生單元450和任選性的濾網410。待處理廢水通過導管412進入廢水處理系統(tǒng)400并穿過粗濾網410。
[0069]濾過的液體被沿管道414輸送到含有一或多種期望的細菌的第一生物處理罐420。粉狀活性炭最初被通過管道422添加到所述生物處理罐420。
[0070]進入生物處理罐420的廢水與粉狀活性炭和能消化廢水中的可生物降解組分的細菌種群接觸，產生混合液。第一生物反應器工作在有利于期望的細菌生長的條件下。廢水中存在的有機物，包括難降解有機物在內，可被吸附在粉狀活性炭上。
[0071]混合液 和攜有有機物的粉狀活性炭沿管道424通到膜生物反應器460。所述混合液和粉狀活性炭中的生物質被從流出物中分離并被通過管道432從膜生物反應器460中移出輸入收集罐470。流出物通過管道436從膜生物反應器的出口排出。
[0072]所述生物質與攜有有機物的粉狀活性炭的組合的一部分被通過管道434、452和414導回生物反應器420。生物質與粉狀活性炭的組合中存在的細菌種群以期望的細菌種群恢復生物罐420的種群。
[0073]生物固體與攜有有機物的粉狀活性炭的剩余混合物被作為污泥通過管道442輸入濕式空氣再生單元450。濕式空氣再生單元450工作在足夠的溫度與壓力下以再生粉狀活性炭以及消滅留在來自分離器的污泥中的一或多種污染物。
[0074]控制器500可以響應于來自計時器(未顯示)和/或位于系統(tǒng)內任何特定位置的傳感器(未顯示)的信號。例如，位于膜生物反應器460內的傳感器可以指示膜生物反應器內的不及最佳條件。傳感器可以監(jiān)視一或多項運行參數(shù)如壓力、溫度、膜通量、混合液懸浮固體的一或多個特征、和/或處理后的流出物的一或多個特性?？刂破?00可以通過產生控制信號作出響應，使所有或一部分含用過的粉狀活性炭的固體被從膜生物反應器中除去。類似地，位于管道436中的傳感器(未顯示)可以指示殘余在來自膜生物反應器的流出物中的污染物水平已經達到不期望的水平?？刂破?00可以同樣通過產生控制信號作出響應，使所有或一部分含用過的粉狀活性炭的固體被從膜生物反應器中除去。
[0075]本發(fā)明的一或多個實施方案的系統(tǒng)和控制器提供了具有多種操作模式的多用單元，其可對多種輸入作出反應以提高廢水處理系統(tǒng)的效率。
[0076]本發(fā)明的系統(tǒng)的控制器500可以使用一或多個計算機系統(tǒng)600來實現(xiàn)，例如圖5所示。計算機系統(tǒng)600可以為，例如，通用計算機如基于英特爾PENTIUMf)型處理器、Motorol PofferPC ?處理器、惠普PA-RISC⑩處理器、Sun UltraAPARC ?處理器或任何其它類型處理器或其組合的通用計算機。或者，該計算機系統(tǒng)可包括特別編程的專用硬件，例如，為水處理系統(tǒng)設計的專用集成電路(ASIC)或控制器。
[0077]計算機系統(tǒng)600可以包括一或多個通常連接到一或多個內存設備604的處理器602，所述內存設備604可以包括例如磁盤驅動存儲器、閃存設備、RAM存儲設備或用于儲存數(shù)據的其它設備中的任何一種或多種。內存604通常用于儲存程序和在系統(tǒng)400和/或計算機系統(tǒng)600運行期間的數(shù)據。例如，內存604可用于儲存與一段時間內的參數(shù)有關的歷史數(shù)據，以及操作數(shù)據。軟件，包括用于執(zhí)行本發(fā)明的實施方案的程序代碼，可被存儲在計算機可讀和/或可寫的永久性記錄介質(參照圖6進一步討論)上，然后通常被復制到內存604中，然后在其中它可被處理器602執(zhí)行。所述程序代碼可以用多種編程語言例如Java、VisualBasic、C、C# 或 C++、Fortran、Pascal、Eiffel、Basic、COBAL 中的任一種或其多種組合中的任一種編寫。
[0078]計算機系統(tǒng)600的部件可通過一或多種互連機構606連接，其中所述互連機構606可以包括一或多條總線(例如在集成在同一裝置內的各部件之間)和/或網絡(例如在位于分離的分立器件上的各部件之間)。所述互連機構通常使得可以在系統(tǒng)600的部件之間交換通信(例如，數(shù)據、指令)。
[0079]計算機系統(tǒng)600還可包括一或多種輸入裝置608，例如鍵盤、鼠標、軌跡球、麥克風、觸摸屏及其它人機接口裝置，以及一或多種輸出裝置610，例如打印裝置、顯示屏或揚聲器。此外，(除了所述可由系統(tǒng)600的一個或多個部件構成的網絡之外，或作為其替代方案)計算機系統(tǒng)600還可包含一或多個將計算機系統(tǒng)600連接到通信網絡的接口(未顯示)。
[0080]根據本發(fā)明的一或多個實施方案，所述一或多種輸入裝置608可以包括用于測量系統(tǒng)400和/或其部件的參數(shù)的傳感器?；蛘撸瑐鞲衅?、計量閥和/或泵、或所有這些部件都可連接到與計算機系統(tǒng)600工作連接的通信網絡(未顯示)上。任何一或多種上述裝置都可連接到另一個計算機系統(tǒng)或部件上，以通過一或多個通信網絡與計算機系統(tǒng)600通信。這樣一種結構容許將任何傳感器或信號產生裝置設置在離計算機系統(tǒng)很遠的位置和/或容許將任何傳感器設置在離任何子系統(tǒng)和/或控制器很遠的位置，并仍能在其之間提供數(shù)據。這些通信機制可采用包括但不限于利用無線規(guī)程的那些在內的任何適用技術來模仿(affect)。
[0081]如圖6所例示，控制器600可以包括一或多個計算機存儲介質如可讀和/或可寫的永久性記錄介質702，其中可以儲存定義可被一或多個處理器602執(zhí)行的程序的信號。介質702可以例如為磁盤存儲器或閃存。在典型操作中，處理器602可使得數(shù)據，如執(zhí)行本發(fā)明的一或多個實施方案的代碼，被從存儲介質702讀入內存704中，從而使得與介質702相比數(shù)據可以更快地被所述一或多個處理器訪問。內存704通常是易失的、隨機存取存儲器如動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)或靜態(tài)存儲器(SRAM)或能有助于數(shù)據往返于處理器602的其它適合裝置。
[0082]盡管計算機系統(tǒng)600舉例顯示為一種可以實施本發(fā)明的各個方面的計算機系統(tǒng)，但應當理解本發(fā)明并不局限于在軟件或在舉例所示的計算機系統(tǒng)上實施。實際上，本發(fā)明可以不在例如通用計算機系統(tǒng)、控制器或其部件或分部上實施，而是作為專用系統(tǒng)或專用可編程邏輯控制器(PLC)或在分布式控制系統(tǒng)中實施。此外，還應理解本發(fā)明的一或多個特征或方面可在軟件、硬件或固件、或其任意組合中實現(xiàn)。例如，控制器500可執(zhí)行的算法中的一或多段可在分開的計算機上執(zhí)行，所述分離的計算機接著可以通過一或多個網絡通信。
[0083]實施例
[0084]實施例1
[0085]進行了臺架規(guī)模的研究來評價粉狀活性炭處理(PACT⑩)和濕式空氣氧化對從活性污泥處理中去除EDC的影響。
[0086]使用兩個同時并排工作的臺架規(guī)模的需氧反應器。每個臺架規(guī)模的反應器包括一個IOL的帶機械混合器與蠕動給料泵和排污泵的不銹鋼圓柱形充氣罐，其中所述蠕動給料泵和排污泵向所述充氣罐輸入原料和從中輸出流出物。每個充氣罐都在罐底裝有空氣擴散器以提供壓縮空氣。每個需氧反應器都以順序分批模式操作，包括填充周期、充氣周期、靜止周期和傾析周期?？删幊潭〞r器順序通過(sequenced through)所述各個周期來控制所述分批操作。使用能根據需要自動向充氣罐中添加酸或苛性堿的系統(tǒng)來控制每個充氣罐的pH。流入廢物被泵入反應 器，并在第一反應器中與生物固體混合，在第二反應器中與生物固體和活性炭的混合物混合。所述廢水和固體混合物被充氣以足夠長的一段時間以實現(xiàn)生物氧化和吸收，此時中斷充氣。各個反應器的水力停留時間(HRT)為約6小時。使兩個單元中的混合液中的固體積累到大致相同的濃度。使固體沉降并從反應器頂部輕輕倒出流出物。在除去流出物之后，再次向各個分批反應器中充滿流入廢水并重復所述周期。
[0087]在進行此研究之前，通過對四種可商購的粉狀活性炭各自生成吸附等溫線評價了它們的EDC去除。吸附等溫線代表了每單位重量炭吸附的污染物量與污染物剩余濃度之間的關系。將試驗結果繪制在雙對數(shù)曲線圖上，以殘余污染物濃度為X軸，每單位吸附劑吸附的污染物量為Y軸。
[0088]在炭吸附等溫線步驟中，炭在接觸期之后被從樣品中濾出。為了確定用0.45微米的過濾器過濾對EDC去除是否有任何影響，對示蹤(spiked)合成給料試樣和示蹤合成給料的過濾試樣進行了分析。在以下所有試驗中都使用了用EDC示蹤的合成給料混合物:
[0089]
【權利要求】
1.廢水處理系統(tǒng)，包括: 廢水源； 流動連接在所述廢水源下游的生物反應器，該生物反應器中包含吸附劑； 和流動連接在所述生物反應器下游的吸附劑再生單元。
2.權利要求1的廢水處理系統(tǒng)，其中所述吸附劑再生單元包括流動連接到所述生物反應器的出口。
3.權利要求2的廢水處理系統(tǒng)，其中所述吸附劑再生單元包括用于間歇地使所述生物反應器中形成的污泥被引入所述吸附劑再生單元中的裝置。
4.權利要求2的廢水處理系統(tǒng)，其中所述吸附劑再生單元包括濕式空氣氧化單元。
5.權利要求2的廢水處理系統(tǒng)，其中所述吸附劑再生單元包括第二生物反應器。
6.權利要求5的廢水處理系統(tǒng)，其中所述生物反應器包含第一生物種群，且所述第二生物反應器包含第二生物種群。
7.權利要求1的廢水處理系統(tǒng)，其中所述吸附劑為粉狀活性炭。
8.權利要求1的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接在所述生物反應器下游和流動連接在所述吸附劑再生單元上游的分離器。
9.權利要求8的廢水處理系統(tǒng)，其中所述分離器為旋液分離器。
10.權利要求8的廢水處理系統(tǒng)，其中所述分離器為膜生物反應器。
11.權利要求10的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接在所述膜生物反應器下游的濕式空氣氧化單元。
12.權利要求1的方法，其中所述廢水包含一定濃度的內分泌干擾化合物。
13.廢水處理系統(tǒng)，包括: 廢水源； 流動連接到所述廢水源的生物反應器，該生物反應器中包含吸附劑；和 流動連接到所述生物反應器的濕式空氣氧化單元。
14.權利要求13的廢水處理系統(tǒng)，其中所述吸附劑為活性炭。
15.權利要求13的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接在所述生物反應器下游和所述濕式空氣氧化單元上游的第二生物反應器。
16.權利要求13的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接在所述生物反應器下游和所述濕式空氣氧化單元上游的分離器。
17.權利要求16的廢水處理系統(tǒng)，其中所述分離器為旋液分離器。
18.權利要求15的廢水處理系統(tǒng)，其中所述第二生物反應器包括膜生物反應器。
19.權利要求18的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接在所述生物反應器下游和所述膜生物反應器上游的旋流分離器。
20.權利要求19的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接在所述旋流分離器下游和所述生物反應器上游的第二濕式空氣氧化單元。
21.權利要求19的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接到所述濕式空氣氧化單元和所述第一生物反應器的再循環(huán)管線。
22.權利要求13的廢水處理系統(tǒng)，其中所述生物反應器為膜。
23.權利要求22的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接到所述膜生物反應器的入口的第二生物反應器。
24.權利要求23的廢水處理系統(tǒng)，其中所述第二生物反應器進一步包含活性炭。
25.權利要求24的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接到所述第二生物反應器的出口和所述膜生物反應器的入口的旋流分離器。
26.權利要求25的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括流動連接到所述旋流分離器和所述第二生物反應器的再循環(huán)管線，該再循環(huán)管線包括濕式空氣氧化單元。
27.廢水處理系統(tǒng)，包括: 廢水源； 流動連接到所述廢水源的第一生物反應器，該第一生物反應器中包含吸附劑； 流動連接在所述第 一生物反應器下游的第二生物反應器；和 流動連接在所述第一生物反應器下游和所述第二生物反應器上游的分離器。
28.權利要求27的廢水處理系統(tǒng)，進一步包括: 位于所述第一生物反應器中的第一生物種群；和 位于所述第二生物反應器中的第二生物種群。
29.權利要求27廢水處理系統(tǒng)，其中所述分離器為澄清器。
30.權利要求27的廢水處理系統(tǒng)，其中所述分離器為旋流分離器。
31.廢水處理系統(tǒng)，包括: 廢水源； 包含出口和流動連接到所述廢水源的入口的濕式空氣氧化單元；和， 包含生物種群并流動連接到所述出口的膜生物反應器。
32.權利要求31的廢水處理系統(tǒng)，其中所述膜生物反應器中進一步包含活性炭。
33.廢水處理方法，包括: 提供廢水源； 提供流動連接到所述廢水源的生物反應器； 使所述廢水與吸附劑和生物種群接觸以生成含所述吸附劑的第一產物流； 使所述第一產物流中的部分所述吸附劑再生以生成第二產物流；和 將第二產物流通往生物反應器。
【文檔編號】C02F3/00GK103723817SQ201310597310
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2007年3月8日 優(yōu)先權日:2006年3月8日
【發(fā)明者】D.R.史密斯, M.豪德舍爾, L.馬滕, J.A.梅德爾, T.J.沃爾斯特德特, R.J.溫塔, T.溫格斯, J.E.齊貝克 申請人:西門子能源公司