CN100344557C - 污水处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污水处理系统，其中废水流被分成初沉淤泥和废水，并且该初沉淤泥被厌氧消化并脱水以生成A级有机淤泥。有氧消化所述排出水并分离所述消化过的排出水以提供废活性淤泥。该废活性淤泥在它转到水热处理之前在两级处理中用蒸汽喷射和间接蒸汽加热。然后增加被处理的废活性淤泥的pH值，并且脱氮并回收氨盐。具有易挥发的脂肪酸和可溶有机物的低氮流然后被分离，并且送到有氧消化池。在厌氧消化期间生成的沼气为加热废活性淤泥提供能量，用于水热处理，并且抑制来自该水热处理的热加热该初沉淤泥，用于喜热厌氧消化。
Description
本申请要求2003年2月26提交的、序列号为10/375,809的美国专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及污水处理系统，特别是涉及废水处理系统。
背景技术
废水处理系统在本领域是已知的。一般的废水处理系统产生粗的初沉淤泥和废活性淤泥，它们通常在厌氧消化池中浓缩、发热和消化。厌氧消化池通常在从约20℃到约35℃的嗜温条件下运行，并且来自这些消化池的产品通常被脱水以产生B级淤泥。B级淤泥通常运送到地里使用，或做成堆肥，或放在淤泥贮留池中以生产A级淤泥。国家职业安全和健康研究所(National Institute of Occupational Safety andHealth)(NIOSH)将B级淤泥划归为生物有害的。所以废水处理行业不生产B级淤泥而进行生产优等质量A级淤泥(EQ A级)。本发明以新颖的和创造性的方式，用机械、热和化学综合的惊人协同作用，结合多种已知元件，以较少的资本和运行成本生成EQ A级淤泥。
1993年授予Fassbender的美国专利5,221,486号，1995年授予Fassbender的美国专利5,433,868号，1998年授予Rivard等人的美国专利5,785,852号，以及2000年授予Nagamatsu等人的美国专利6,134,176号描述并公开了多种现有技术的废水处理系统。美国专利5,221,486号、5,433,868号、5,785,852号和6,134,176号所公开的内容通过参考结合于此。废活性淤泥因为其亲水性和蜂窝状特性很难脱水和消化。为了解决这个问题，5,785,852号专利公开了使用在180到385的低温加热，以及爆炸性的闪蒸和剪切力，以分解其蜂窝(cell)，以便释放并得到该蜂窝中的可溶解的物质用于厌氧消化。5,433,868号专利描述了一种方法，其中在高温水热条件下处理废活性淤泥和初沉淤泥的混合的流，以产生含有油、炭和氨的废水流。该废水流用另外的水热作法进一步处理以将氨转换成氮气。6,134,176号专利描述了利用水热法加热厌氧消化的淤泥以产生脱水的炭泥浆，以提供具有高加热值的炭和油的浓缩碳浆泥。为了形成浓缩的碳泥浆而从碳泥浆分离的水相返回用于另外的厌氧消化。
这些系统在处理废水方面具有许多优点。它们对从废物中回收有价值的资源做得不错并减少必须送去掩埋的这种废物的量。但是，它们仍然有许多缺点。例如，由于淤泥含有大量的水，对初沉淤泥和废活性淤泥进行一次和多次水热处理(hydrothermal process)仅加热和冷却包含在其中的水就需要大量能源。在厌氧消化池中融合初沉淤泥和废活性淤泥导致需要大量的能源以加热该厌氧消化池的加工原料。特别是，如果该厌氧消化池在更加理想的嗜热条件下运行。在厌氧消化池中融合初沉淤泥和废活性淤泥往往还迫使操作者在不理想地增加资金成本或不理想地减少处理时间之间进行选择。同样在厌氧消化池中融合初沉淤泥和废活性淤泥还迫使操作者在不理想地增加用于加热的资金成本或不理想地低的操作温度之间进行选择，可能导致使用可接受的但是较不理想的嗜温(mesophilic)的条件下而不是在嗜热条件下进行。还有，初沉淤泥通常包括较多固体和粒状物质，它们在高温和高压条件下运行的设备上，例如在水热处理中通常所遇到的条件是硬的。还有，将初沉淤泥和废活性淤泥加热到水热处理中的所谓高温需要大量的能量。而且，在消化池中使用有氧的和缺氧区处理排出水并产生废活性淤泥的系统中，保持硝酸盐的减少和磷(phosphourus)的积累的优化条件，在有氧和厌氧消化池中的细菌通常需要附加的未处理的污水送入到该有氧和厌氧消化池中，或供给可溶碳的水源，例如甲醇供流。还有，当淤泥准备和将淤泥转到和经过水热处理时，它们经常引起堵塞或卡住的问题。这些共同的问题通常导致使用具有刮痕表面热交换以克服或抵消这些问题。而且，由于初沉淤泥和废活性淤泥通常一起处理或在同样的处理温度范围处理，因此在两者之间很少或没有任何可能进行高效的传热以弥补运行费用。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种废水处理系统，其利用是意想不到的机械、热和化学综合的协同作用，以较少的资本和运行成本生成EQA级生物固体。
本发明的另一个目的是提供上述类型的系统，其利用来自所生成的沼气的热能，为水热处理供热。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其利用来自所生成的沼气的热能，供给水热处理所需要的50％到100％的热能。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其利用来自水热处理的热能，为在嗜热条件下运行厌氧消化池供热。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其两次利用来自所生成的沼气的热能，首先为水热处理供热，然后为厌氧的消化池供热。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其能够增加操作温度，和在该厌氧消化池中的保持时间，而没有不希望的增加资本或运行成本。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其明显地增加在现有的厌氧消化设备中可得到的淤泥保留时间。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其通过增加发酵温度和延续时间提供EQ A生物固体的生成，而没有不希望地增加资本和运行成本。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其减少必须在水热处理中加热到高温的进料量。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其从废活性淤泥中汽提(split)氮，并以氨水溶液和氨盐的形式回收氮，而不需要单独的水热处理。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其使细菌在有氧/厌氧消化池中具有增强的性能。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其提供在有氧/厌氧消化池中的增强的生物脱氮和生物脱磷。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，以回收包含易挥发的脂肪酸和可溶有机物的低氮流，以循环到有氧/厌氧消化池。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其减少或消除在水热处理中处理淤泥所遇到的卡住或堵塞问题。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其为水热处理利用分级加热以避免卡住或堵塞问题，同时减少锅炉供水消耗，进一步减少投资和运行成本。
本发明的再一个目的是提供上述类型的系统，其减少或消除必须通过处理设备，特别是通过在高温高压下运行的水热处理设备来泵送的粗沙砾、固体和大颗粒物，从而减少投资成本并增加可靠性。
为了实现这些和其他目的和优点，在本发明的系统中，废水流被分离成初沉淤泥和废水，并且该初沉淤泥被厌氧消化并脱水以生产A级生物固体。该排出水在具有有氧和缺氧区的消化池中被消化并且过剩的细菌被分离出以提供废活性淤泥。该废活性淤泥在它转到水热处理之前在两级处理中用蒸汽喷射和间接蒸汽加热到约255℃。增加被处理的废活性淤泥的pH值，并且将氮汽提为氨盐。然后分离具有易挥发的脂肪酸和可溶有机物的低氮流，并且送到有氧消化池。在初沉淤泥的厌氧消化期间生成的沼气为加热用于水热处理的废活性淤泥提供能量，并且来自该水热处理的排放热加热用于嗜热厌氧消化的该初沉淤泥。
附图说明
通过结合附图参考对本发明优选的但仍然是说明性的实施例的下面的详细描述，上面的简单描述，以及本发明的其他目的、特征和优点将会更加充分地理解。
图1是流程图，示出本发明的处理系统；
图2是重点集中在根据本发明的废活性淤泥处理的流程图；和
图3A-3C是图表，示出图1和图2所示系统的理论质量平衡和运行条件。
具体实施方式
参考图1，附图标记100总的指本发明的系统。根据本发明，废水流102，例如未经处理的污水、废水等首先用诸如拦污栅、沉砂池(未示出)的设备进行预处理，以除去大量的颗粒物。该预处理过的废水流102通过初级沉淀池104，在该沉淀池它被分离成包含大量易沉积物质的初沉淤泥和包含不溶解和悬浮物质的排出水。均等地，初沉淤泥具有该废水流的大多数化学能。该排出水将明显地具有较多的氮，大约是该初沉淤泥的两倍。
然后该初沉淤泥通过重力浓缩器106以去掉一些水。该初沉淤泥通常比较容易脱水或浓缩到重量的大约5％-9％的固体，最典型到重量的大约5％的固体。水被除去并经由浓缩器返回108转到初级沉淀池104。然后，该变浓的初沉淤泥通过热交换器110，当变浓的初沉淤泥通过该厌氧消化池112时，加热该变浓的初沉淤泥。该变浓的初沉淤泥优选加热到使得该厌氧消化池112可以在嗜热或嗜温条件下运行，并且更优选加热到使得该厌氧消化池112能够在嗜热条件下工作。该变浓的初沉淤泥被加热到优选高于或等于约20℃的温度，更优选加热到大于或等于约40℃的温度，最优选加热到大于或等于约60℃的温度。在厌氧消化池中处理该变浓的初沉淤泥得到沼气和消化过的初沉淤泥。利用变浓初沉淤泥的分级厌氧消化通常得到高达约63％的易挥发有机物转换，并且厌氧消化处理是高抗冲击的。为了下面的原因该沼气通过锅炉114。然后，该消化过的初沉淤泥转到脱水设备116。该脱水设备116产生流118，该流主要是水，其返回到初级沉淀池104。来自脱水设备116的脱水淤泥优选是A级生物固体，更优选是EQ A级生物固体。该脱水的生物固体的固体含量优选为重量的大于或等于约20％，更优选为重量的大于或等于约25％。
然后，该排出水转到诸如有氧池或有氧槽的有氧消化池120。该有氧消化池优选以有氧区或无氧区操作。消化的排出水通过第二级沉淀池122，并被分离成处理的排放水124、返回活性淤泥和废活性淤泥。虽然在废活性淤泥中存在一些细菌，但是该返回活性淤泥包含从有氧消化池120转到第二级沉淀池122的大量细菌。与初沉淤泥相比，废活性淤泥很难脱水或浓缩。废活性淤泥通常可以浓缩到重量的约3％到约6％的固体物。该废活性淤泥转到重力浓缩器126并且通过重力浓缩器126和带式浓缩器128，并且被脱水或浓缩成优选含有重量的约5％的固体物，更优选为重量的约6％的固体物。高含水量需要较大的流动但是提供接近用于热传输目的的水的性质。通过重力和带式浓缩器126和128从废活性淤泥中除去的水经由水流130和132可以分别返回初级沉淀器104。该废活性淤泥包含原来包含在未加工的废水流中约一半固体物，但是包含比初沉淤泥显著地少的沙砾和大颗粒物质，所以，废活性淤泥更适合于被泵送通过处理设备，特别是在高温和高压下。这样减少投资成本，减少磨损和刺破，并增加系统的可靠性。
该浓缩的废活性淤泥转到淤泥调理池和泵134并且被泵送通过热交换器136和138，并进入用于进行水热处理的反应器140。正如上面所提到的，来自厌氧消化池112的沼气转到锅炉114并且沼气在锅炉中燃烧将水变为蒸汽。由厌氧消化池112产生的沼气能够提供水热处理所需要的约50％到约100％的热能。这样明显减少系统100的运行成本。而且，由于只对废活性淤泥进行水热处理，与对初沉淤泥和废活性淤泥都进行水热处理相比，运行该系统100所需要的能量明显减少。
如图2所见，锅炉114将蒸汽供给蒸汽喷射器136和间接蒸汽加热器138。该两级加热法有助于减少或消除在对淤泥进行水热处理时经常遇到的卡住或堵塞状况。当加热淤泥时它在从约60℃到约120℃的范围内经常存在不希望的粘附性，当在从约68℃到约105℃的范围内时，这种粘附性更加明显。因此，本发明的浓缩废活性淤泥优选以小于或等于约68℃的温度供给到蒸汽喷射器136，更优选小于或等于约60℃，最优选小于或等于约57℃。蒸汽被喷射到浓缩的废活性淤泥，以提供非常快速的热传输，以便废活性淤泥流几乎瞬间被加热到优选高于或等于约255℃的温度，更优选高于或等于约120℃，最优选高于或等于约105℃。
锅炉114也为诸如壳式或管式热交换器的间接蒸汽热交换器138供给蒸汽。当预加热的废活性淤泥通过该间接蒸汽热交换器138时，它以与来自锅炉114的蒸汽热交换的关系通过，然后以与从水热处理反应器140出来的水流的逆流热交换通过。在间接蒸汽热交换器138中，废活性淤泥被加热到优选为高于或等于约200℃的温度，更优选高于或等于约250℃，并且最优选为高于或等于约275℃。利用间接蒸汽加热减少锅炉114的供水消耗并且进一步减少投资和运行成本。
在该水热处理反应器140中，废活性淤泥进行高温和高压处理以改变该流的化学成分。可以利用任何数目的不同的水热处理，包括但不限于淤泥-油反应系统(STORS)处理，在美国专利5,221,486号、5,433,868号和6,134,176号中详细讨论的各种通常的水热处理通过参考包含于此。正如前面所提到的，水热处理反应器140中的流出物在为了脱氮等的进一步处理之前以与预加热的废活性淤泥逆流流动形式通过热交换器138。
然后来自水热处理反应器140的排出水转到串联混合器142，在其中加入诸如氢氧化钠的碱类以提高pH值。从该串联混合器142，该流转到闪蒸阀和气体分离器144，并且闪蒸蒸汽排出物，该蒸汽排出物主要由二氧化碳气体构成，包含少量的硫化氢、氨等。该闪蒸的蒸汽转到砾石床(peddle bed)氨吸收器146，并且加入硫酸以降低pH值，这样便于从例如硫酸氨溶液的氨盐溶液形式的闪蒸的蒸汽中脱氮。来自砾石床氨吸收器146的蒸汽被进一步处理，例如通过将其转到气体洗涤器冷却器148，加入处理水，并且通过它排出或附加的废水处理。利用提高pH值的简单处理和以氨形式汽提(stripping)氮并回收氨盐与对污水流进行其他的水热反应以释放氨气形式的氮相比是能量效率相当高的。
来自闪蒸阀和气体分离器144的反应器排出水然后被转到热交换器或排出水冷却器110，在那里它与初沉淤泥以直接热交换关系放置。来自重力浓缩器106的变浓的初沉淤泥用作从水热处理排放的热的散热器。将初沉淤渣加热到嗜热厌氧消化要的温度所需的热能，与从来自离开水热处理来自反应器的排出水的可用的能量密切相对应。在污水流之间有足够的温差允许有效传热。利用来自水热处理的热明显地减少该系统100的运行成本。而且，由于只有变浓的初沉淤泥为了厌氧消化而被加热，因此与初沉淤泥和废活性淤泥都需要加热以进行喜热厌氧消化相比，运行系统100所需要的能量明显降低。当然，应当理解，来自闪蒸阀和气体分离器144的反应器排出水可以以任何数量的不同的方式为初沉淤泥提供热能。例如，反应器排出水可以用来加热储存在水池中需要时应用的水。
冷却的反应器排出水离开热交换器110并转到沉积槽150。沉积的固体物被除去并脱水，例如用板和框架式脱水压机152，或类似脱水设备116，以仅仅产生炭或油和炭燃料产品。该燃料可以任何多种方式应用，希望的话，包括进一步弥补系统100的运行成本的应用。不溶解的和悬浮的固体物从该沉积槽150转到诸如振动过滤器的过滤设备154。来自过滤设备的浓缩的固体物可以转到变浓的初沉淤泥。流14是包含易挥发的脂肪酸和可溶有机物的低氮污水流，它可以通过以便进一步脱水处理，但是这种污水流的至少一部分优选转到曝气池或槽120以便有助于有氧/厌氧消化。关于这方面，这种污水流对于曝气池120的无氧区的细菌是有益的，并且能够减少或不需要添加未加工的废水或甲醇到曝气池120中。该废水流在有氧和厌氧消化过程中增强生物去氮和生物去磷。
对前述的本发明的一些情况、一些特征进行修改、变化和替换而不相应地使用其他特征是预定的。例如，初沉淤泥和废活性淤泥两者均可以进行水热处理，在这种情况下，可以通过提高pH值从该处理的混合的淤泥中脱氮，并且以氨气形式脱去的氮作为氨盐回收。而且，来自沉积槽150的沉积的过的冷却的污水流可以转到其自己的分离脱水设备152或用于处理消化过的初沉淤泥的脱水设备116。虽然已经描述了沉淀器104和122以及浓缩器106、128，但是应当理解，可以利用任何数量的不同形式的和种类的设备以按照获得分离和过滤。还有，虽然优选利用蒸汽喷射和间接蒸汽加热的两级加热处理制备废活性淤泥，应当理解，可以在单级处理中使用蒸汽喷射或间接蒸汽加热。还有，避免卡住或堵塞问题的直接蒸汽喷射的应用可以用于相关的各种水热处理或其他的淤泥处理步骤中，当被处理的淤泥处于特定的温度范围内时以避免类似的问题，与是否使用本发明的其他特征无关。还应当理解，所有给出的数量信息是以举例的方式而不是想限制本发明的范围。因此，合适的是权利要求被广义地与发明范围相一致的方式解释。
Claims (16)
1.一种方法，包括：
(1)将废水流分离成初沉淤泥和排出水；
(2)厌氧消化所述初沉淤泥并脱水所述初沉淤泥，以将所述初沉淤泥转变成A级生物固体，而不是使得所述初沉淤泥进行水热处理；
(3)有氧消化所述排出水；
(4)分离所述消化过的排出水以提供废活性淤泥；以及
(5)用水热法处理所述废活性淤泥，而不是使得所述废活性淤泥进行厌氧消化处理。
2.如权利要求1的方法，还包括：
在步骤(4)之后，加热所述废活性淤泥到高于或等于200℃。
3.如权利要求1的方法，还包括：
在步骤(4)之后，加热所述废活性淤泥到高于或等于240℃。
4.如权利要求1的方法，还包括：
在步骤(4)之后，将蒸汽喷入所述废活性淤泥中，以将所述废活性淤泥从不超过60℃的第一温度预先加热到高于或等于105℃的第二温度。
5.如权利要求1的方法，还包括：
在步骤(4)之后，将蒸汽喷入所述废活性淤泥中，以将所述废活性淤泥从不超过68℃的第一温度预先加热到高于或等于120℃的第二温度。
6.如权利要求4的方法，还包括：
将所述预加热的废活性淤泥从所述第二温度加热到高于或等于200℃的第三温度。
7.如权利要求4的方法，还包括：
将所述预加热的废活性淤泥从所述第二温度加热到高于或等于250℃的第三温度。
8.如权利要求1的方法，还包括：
(6)从在所述初沉淤泥的所述厌氧消化过程中所产生的沼气生成热；以及
(7)在步骤(5)之前，将所述生成的热传输给所述废活性淤泥。
9.如权利要求8的方法，其中：
步骤(6)包括燃烧所述沼气并将来自燃烧所述沼气的热传输给水以产生蒸汽；以及
步骤(7)包括，在步骤(5)之前，将来自所述蒸汽的热传输给所述废活性淤泥。
10.如权利要求8的方法，还包括：
在步骤(5)之后，将来自所述被处理的废活性淤泥的热传输给所述初沉淤泥。
11.如权利要求1的方法，还包括：
(6)在步骤(5)之后提高所述被处理的废活性淤泥的pH值；以及
(7)在步骤(6)之后，从所述被处理的废活性淤泥汽提氨盐。
12.如权利要求1的方法，其中：
步骤(3)包括在曝气池中有氧地消化所述排出；并且还包括：
在步骤(5)之后分离所述被处理的废活性淤泥，以提供包含易挥发的脂肪酸和可溶有机物的低氮水流；以及
将所述污水流供给所述曝气池。
13.一种方法，包括：
(1)将废水流分离成初沉淤泥和废水；
(2)厌氧消化所述初沉淤泥以生成沼气；
(3)处理所述排出水以生成废活性淤泥；
(4)燃烧所述沼气；
(5)将来自燃烧所述沼气的热传输给所述废活性淤泥，以形成加热的废活性淤泥；以及
(6)使所述加热的废活性淤泥通过热交换器，以提供从所述加热的废活性淤泥到所述初沉淤泥的间接的传热。
14.如权利要求13的方法，其中步骤(5)包括：
将来自燃烧所述沼气的热传输给所述废活性淤泥，以形成具有第一温度的所述加热的所述废活性淤泥，所述第一温度高于或等于200℃。
15.如权利要求13的方法，其中步骤(5)包括：
将来自燃烧所述沼气的热传输给所述废活性淤泥，以形成具有第一温度的所述加热的废活性淤泥，所述第一温度高于或等于250℃。
16.如权利要求13的方法，其中：
步骤(3)包括处理所述排出水以生成废活性淤泥，所述废活性淤泥具有低于或等于60℃的第一温度；并且
步骤(5)包括：
将来自燃烧所述沼气的热传输给水以生成蒸汽；
将所述蒸汽的第一部分喷射到所述废活性淤泥中，以将所述废活性淤泥预加热到高于或等于105℃的第二温度；以及
将所述蒸汽的第二部分置于与所述预加热的废活性淤泥间接热交换的关系中，以将所述预加热的废活性淤泥从所述第二温度加热到高于或等于200℃的第三温度。
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