CN101304951A - 组合式膜/生物分解过滤 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于组合式膜/生物分解过滤的方法和系统。过滤系统的一种实施方案是在抽吸条件下运行。该装置包括一个进料罐(5)，一个较小的滤液容器(6)置于其中。在进料罐(5)内未被滤液容器(6)占据的区域部分地充有正在分解及已分解的固态有机废料层，以形成如上所述的生物分解过滤中所用类型的需氧过滤器床层(7)。另一模块容器(8)安装在滤液容器(6)内，形成含有一个膜过滤模块(10)的膜室(9)。

Description

组合式膜/生物分解过滤

技术领域

本发明涉及废水处理，更具体而言，涉及生物分解过滤与膜过滤系统的组合。

背景技术

家用废水处理系统是在没有下水管道连接的地区处理家庭废水的常用方法。家用废水处理系统通常包括经过处理的或部分经过处理的废水的就地排放。尽管非常希望将来自这些系统的水回用于家中，但由于经过处理的废水质量不稳定以及难于确保回用的水的安全性而受到阻碍。

美国专利No.5,633,163描述了一种典型的生物分解过滤系统。该生物分解过滤系统包括在同一过滤器床层中同时处理废水和固态有机废物，该过滤器床层具有顶部、底部以及正在分解及已分解的固态有机废物的连续层。过滤器床层中固态有机废物的分解程度从过滤器的顶部到底部不断增大，在床层的底部固态有机废物完全分解。过滤器床层中含有一个生物源，其维持过滤器床层处于空气和液体可渗透的状态。将废水和固态有机废物加到过滤器床层的较上层，以使废水渗透过过滤器床层。过滤器床层维持在需氧状态，处理后的废水以基本纯净的状态自过滤器床层的底部引出。在该处理工艺中增加膜可极大地改善水质并除去病原体，从而使回用成为一种可行的选择。

由于过滤系统很可能被用于家用或用于偏远地区，因而希望提供这样一种膜过滤器，该过滤器能够被整合到处理罐中而使其结构紧凑，并且能够自反洗，而无需复杂的控制器、阀以及计时器。希望通过简单的部件即可进行所述系统的控制操作，例如液压阀和止逆阀以及仅带有控制泵运行所需的控制部件如浮动开关或液位开关的泵。此外，如果对于家用情形仅有有限的条件来有效地处置反洗废水，则希望将反洗废水通过循环回过滤器床层的方式而作进一步处理。

发明内容

本发明的一个目的为克服或改进现有技术的至少一项缺陷，或者提供一种有用的替换方案。

一方面，本发明提供一种废水处理系统，包括

a)一个生物处理组件；

b)向所述生物处理组件供给废水的输入装置；

c)包括一个或多个中空可渗透膜的膜过滤器设备，该设备的进料侧与所述生物处理组件处于流体连通；

d)与所述膜设备相连，并可选择性地操作来通过以下方式提供过滤操作的泵装置，所述方式即通过形成跨过所述膜壁的压差而使进料液体从所述生物处理组件流至所述膜壁的进料侧，并从所述膜壁的滤出侧移出滤液。

优选地，所述生物处理组件为需氧堆肥床层。

优选地，该系统还包括用于接收从所述膜的滤出侧移出的滤液的滤液容器。该系统优选包括与所述泵装置流体连通的阀装置，用于逆转施加于所述膜壁的压差，并通过使滤液从膜壁的滤出侧流到膜壁的进料侧而形成膜的反洗。

优选地，所述阀装置包括一个压力响应阀，该压力响应阀对施加于控制端的流体压力作出响应而关闭。优选将压力响应阀的一个进口与所述泵装置的一个出口相连，压力响应阀的一个出口连至所述膜设备，并将控制端连至所述泵装置的出口。优选地，该阀装置还包括具有第一和第二端以及一个出口端的方向控制阀，其中该阀在第一端的流体压力高于第二端的流体压力时作出响应，使流体从第一端流至出口端，同时关闭第二端，并在第二端的流体压力高于第一端的流体压力时作出响应，使流体从第二端流至第一端，同时关闭出口端。优选将该方向控制阀置于压力响应阀和膜设备之间，使压力响应阀的出口与第二端相连，膜设备与第一端相连，并使出口端与滤液容器流体连通。

在一个优选的方面，滤液容器是封闭的，可操作泵装置以从滤液容器中移出滤液，以便该移出操作形成所述跨过所述膜壁的压差。优选地，滤液容器可通过气体截止阀选择性地封闭，所述气体截止阀可使气体自容器中排出但阻止气体进入容器中。

在本系统的一种操作方式中，在过滤操作过程中压力响应阀关闭，使方向控制阀的第一端的流体压力随着滤液容器内流体压力的下降而超过第二端的流体压力。这导致滤液从膜设备流过方向控制阀的第一端和出口端而进入滤液容器中。当需氧堆肥床层中进料液体的液面降到预定高度以下时泵装置停止运行。这导致压力响应阀的控制端的压力释放并使阀打开。当泵装置重新开始运行时，压力响应阀在初始时仍保持打开，直至在控制端有足够的压力累积时该阀关闭。在上述初始打开的时间内，通过泵装置向方向控制阀的第二端施加的流体压力超过第一端的压力，致使出口端关闭，并使滤液从滤液容器经方向控制阀的第二和第一端流回膜设备。由此形成膜设备的反洗。

在另一个优选的方面，可操作泵装置而使进料液体在加压下提供到所述膜的进料侧，以形成所述跨过膜壁的压差。在该方面，可再提供一个泵装置，以逆转施加于所述膜壁的压差，并通过使滤液从膜壁的滤出侧流到膜壁的进料侧而形成膜的反洗。

优选地，所述需氧堆肥床层在一个进料容器中形成，并且所述膜设备与所述进料容器底部或底部附近的一个进口处于流体连通。所述进料容器优选包括一个流体液位检测设备，该检测设备是可操作的，可根据所述进料容器中液体的液位来控制所述泵装置的操作。优选地，可操作所述流体液位检测设备使液位下降至第一预定极限以下时泵装置停止运行，并且当液位上升至第二预定极限时使泵装置开始运行。所述第一和第二预定极限可以是相同的。优选地，选择第一预定极限以确保进料容器底部或底部附近的进口总是浸没在液体中。所述进口优选包括一个脚阀。

另一方面，本发明提供一种处理废水的方法，包括以下步骤：

a)形成并维持一个需氧堆肥床层；

b)将废水进料到该需氧堆肥床层上；

c)使所述废水滤过该需氧堆肥床层；

d)将经过过滤的废水从该需氧堆肥床层移出；

e)将移出的经过过滤的废水加到一个膜过滤器的进料侧；

f)将经过处理的废水从所述膜过滤器的滤出侧移出。

优选地，该方法还包括通过使经过处理的废水从滤出侧到进料侧反向流过膜过滤器而周期性地反洗膜过滤器的步骤。优选反洗步骤包括将反洗废物加料至需氧堆肥床层。

本领域技术人员将意识到，所述阀控制部分的多种变化方案可用于实现所需的效果。此外，适合于所述申请的任何形式的膜过滤设备均可使用，包括加压及非加压系统。另外，任何形式的生物处理方法，例如充气的生物滤池或家用的废水处理方法，均可用来处理膜过滤步骤之前的废水。所述的液体反洗可通过结合使用气体冲洗及化学清洗法而进一步改进。

附图说明

现将参照附图仅以示例的方式对本发明的优选实施方案进行描述，其中：

图1所示为用于抽吸操作的本发明的一种实施方案中过滤系统的剖面示意图。

图2所示为图1的过滤系统处于过滤模式的剖面示意图。

图3所示为图1的过滤系统处于反洗模式的剖面示意图。

图4所示为用于按需模式操作的本发明的一种实施方案中过滤系统的剖面示意图。

图5所示为图4的过滤系统处于过滤模式的剖面示意图。

图6所示为图4的过滤系统处于反洗模式的剖面示意图。

图7所示为用于按需模式操作的另一种装置。

图8所示为用于按需模式操作的再一种装置。

图9所示为用于按需模式操作的又一种装置。

图10所示为另一种具有用于膜模块气体冲洗的气源的装置的剖面示意图。

图11所示为第一种重力进料装置的示意图；

图12所示为第二种重力进料装置的示意图。

具体实施方式

参照附图1，图中示出了过滤系统在抽吸状态下运行的本发明的一种实施方案。该装置包括一个进料罐5，一个较小的滤液容器6置于该进料罐中。在进料罐5内未被滤液容器6占据的区域中，部分地充有正在分解及已被分解的固态有机废料层，以形成如上所述的生物分解过滤中所用类型的需氧过滤器床层7。另一模块容器8安装在滤液容器6内，形成含有一个膜过滤模块10的膜室9。

在该实施方案中，滤液泵11位于滤液容器6中膜过滤模块10的滤出侧。滤液泵11的输出侧分别经滤液隔膜阀14和滑动阀15通过滤液管线12的连接而与过滤模块10的滤液收集室13流体连通。滤液泵11的输出侧还通过止逆阀17与输出管线16连接，用于从系统输出经过处理的滤液。滤液泵11的输入侧直接与滤液容器6连接。

滤液隔膜阀14具有如下所述的一个与滤液泵11连接的输入端18及一个与滑动阀15的一端连接的输出端19。隔膜20通过经流量控制阀22连接至滤液隔膜阀14的滤液泵侧的控制管线21来控制。

滑动阀15具有分别与过滤模块10和滤液隔膜阀14的输出端19相连的第一端和第二端23和25。第三端24通过输出管线32直接连接至滤液容器6。该阀处于一种旁路位置时，流体从第一端25经旁路管线26进入第二端23。处于另一种开启位置时，旁路管线26关闭，流体从第一端23进入第三端24，从而使流体流经管线32。

过滤模块10的进料侧通过与置于过滤器床层7的底部或底部附近的脚阀28连接的进料管线27而与过滤器床层7流体连通。进料管线27还与反洗管线29连接，所述反洗管线通过阻止空气进入的止逆阀30在过滤器床层7上方开放。

膜容器8具有与室9的上部以及与反洗管线29连接的空气放空管线31，以便经止逆阀30放空至大气。在另一个实施方案中，所述放空管线31经专用的手动放空阀(未示出)直接放空到大气。反洗管线29和止逆阀30也用于使反洗流体流出到过滤器床层7上。滤液容器6同样装有与该容器的上部相连通并经空气放空阀34与大气相连通的空气放空管线33。

在过滤器床层7中高于脚阀28的位置装有液位开关35，以检测过滤器床层7中的液位。

如图2所示，在过滤操作过程中，经过处理的滤液——通常为水——通过滤液泵11从滤液容器6中经输出管线16泵出，这样使滤液容器6中的压力降低，并使滤液经进料管线27和脚阀28、通过膜模块10中的膜吸入。当滑动阀15处于开启、非旁路位置时，滤液流过膜模块10和滤液收集室13，经滑动阀15的第三端24由管线32排放到滤液容器6中。过滤器床层7中的液位开关35控制滤液泵11的操作，并确保脚阀始终被浸没以避免将空气吸入膜室9中。

在开车及周期性的反洗过程中，膜室9中的空气通过放空管线31和止逆阀30放空，以确保膜模块10总是浸没在进料液体中。

一旦进料侧的液位下降到一个较低的液位开关点，即将滤液泵11停止，直到进料液体的液位再次上升并触发高液位开关时才重新开启。当滤液泵11关闭时，滤液容器6中的液位通过滤液容器6中滤液和过滤器床层7中进料液体之间的液位差的作用经滑动阀15的第三端24和滑动阀输出管线32而缓慢补充。与此同时，滤液容器6中的空气经滤液容器6顶部的空气放空阀33被排出，液位再次上升到正常的操作水平。

如图3所示，当过滤器床层7中的液位再次上升并且滤液泵11开启时，滤液隔膜阀14(现处于开启状态，因为随着滤液泵的停止，阀上的压力已被释放)使滤液经移动到旁路位置的滑动阀15而流回到膜模块10。滤液的回流使污垢从膜模块10的表面以及膜之间冲洗下来，并经反洗管线29和止逆阀30将其排放回过滤器床层7上。随着滤液泵11的运行，小流量控制阀22缓慢地对滤液隔膜阀14重新加压并使阀关闭，重新引导滤液流入输出管线16并再次开启滑动阀15。这样，每次滤液泵11开启时，均可实现膜模块10的自动反洗，反洗时间通过流量控制阀22中的渗出流(bleed flow)控制。这可以像滴灌阀(irrigation dripper valve)或小孔径管(small bore line)一样简单，通常选择为在关闭滤液隔膜阀14前提供约1分钟的流量。

本发明的另一种实施方案为一种如图4-6所示的按需模式的装置。参照图4，在该实施方案中，滤液容器6和进料罐5并排设置，进料罐5中仍旧部分地充有正在分解及经过分解的固态有机废物层，形成如上所述的在生物分解过滤中所用类型的过滤器床层7。

在该实施方案中，模块容器8安装在进料容器5和过滤器床层7内，形成含有膜过滤模块10的膜室9。进料管线27经止逆阀37连至进料泵36。进料泵36具有位于过滤器床层7的底部附近位置的进口38。进料管线27还通过反洗隔膜阀39与反洗管线29相连。

滤液泵11仍位于滤液容器6中的膜过滤模块10的滤出侧。滤液泵11的输出侧分别经滤液隔膜阀14、止逆阀40及滑动阀15通过滤液管线12与过滤模块10的滤液收集室13流体连通。滤液泵11的输出侧还通过止逆阀17与输出管线16连接，用于从系统中输出经过处理的滤液。滤液泵11的输入侧直接与滤液容器6连接。

反洗隔膜阀39具有输入端41及输出端42。隔膜43通过与滤液隔膜阀14和止逆阀40之间的滤液管线12相连的控制管线44控制。

小的空气排出管线45设置于模块容器8的顶部和反洗管线30之间。

滤液容器6和进料罐5中分别设有滤液液位开关46和进料液位开关35，以控制其中的液位。

与抽吸模式装置不同，在本实施方案的按需模式中，膜模块10在位于其上游的进料泵36作用下，在正压下操作。在该情形下，在过滤过程中，进料泵36运行并推动进料通过膜模块10中的膜并且经滑动阀15进入滤液容器6。膜容器8顶部的排出管线45确保膜室9中的任何空气均被排放回到过滤器床层7上。为了在膜室9中不再有空气时确保穿过系统的滤液的正向净流量，使通过该排出管线45的流量与正向的过滤流量相比很小。当需要滤液时，滤液泵11将开启，将滤液从滤液容器6引出待用。

与第一种实施方案相似，随着滤液泵11的开启，滤液经滤液隔膜阀14(现处于开启状态，因为排出控制阀已放空)流回膜模块10，流经滑动阀15和膜模块10，经现已开启的反洗隔膜阀39排放回过滤器床层7上。同样，反洗时间通过选择返回滤液隔膜阀14的流量控制阀确定。适当时间之后(通常约60秒)，滤液隔膜阀14关闭，从而使反洗隔膜阀39减压，使其关闭。滤液再次经滤液输出管线16提供。

在图4-6所示的按需模式装置中，进料罐5和滤液室6彼此毗邻设置。图7所示为其中进料罐5与滤液室6相距较远的另一种装置。图8所示为其中进料罐5与滤液室6彼此相距较远的再一种装置。但在该装置中，模块容器8位于滤液室6内。在如图9所示的又一种装置中，进料罐5、滤液室6和模块容器8彼此均相距较远。对于特定装置而言，合适的配置可根据可使用的空间的限制和维护的需要进行选择。图7-10所示的装置的操作方式与对图4-6所示的装置描述的操作方式类似。

图10所示为膜模块位于进料罐内的另一种实施方案，进料罐与滤液室相距较远。在该装置中，在进料泵的出口装有文氏管或喷射器49。膜模块10的进料进口47移至模块容器8的底部，并且安装的膜模块10带有适当的用于气体冲洗的开口。例如，可使用美国专利US6,156,200、US 6,555,005或US 6,841,070中所述的模块。供给喷射器49的气体管线50经供气隔膜阀55起动，所述供气隔膜阀使用与滤液和反洗隔膜阀所用的相同的排出管线44装置，以使气体管线只在反洗过程中开启。这使得气体——通常为空气——的冲洗与液体反洗同时发生，并使反洗和固体移除步骤得以改进。

在再一种实施方案中，将含有氯片剂的小容器48插入图1的反洗管线中滤液隔膜阀14和滑动阀15之间。该容器使氯缓慢溶解到氯容器中的液体内。当滤液泵11开启并且反洗发生时，反向通过膜的滤液中将含有氯。这对反洗过程有帮助，有助于保持膜清洁及不被感染。类似地，通过在离开膜模块10的滤液管线中安装氯室，可将同样的装置用于氯化离开膜模块10的滤液，无论膜模块10是处于抽吸模式(图1)还是处于按需模式(图4)。在该后一种装置中，所有的滤液在离开膜模块后、进入滤液室6之前被氯化。

图11所示为一种重力进料装置，其中待处理的水引入如上所述的具有形成需氧的过滤器床层7的正在分解及已分解的固体有机废物层的进料罐5中。进料泵51将水从进料罐的底部附近泵入置于高于含模块容器8的滤液室6的高位槽52中。例如，高位槽52可置于地面上，而过滤室置于地下。为获得更高的高位槽位置，可将高位槽52置于建筑物53的墙壁上。水被引入位于模块容器8内的膜模块10中，并由此进入滤液室6中。处理后的水自过滤器室泵出，重新用于该建筑物53内或花园中。过量的水可引入雨水下水道。

图12所示为另一种重力进料装置，其中带有过滤器床层7的进料罐5位于建筑物53地面以下。水从进料罐5的底部附近引入位于进料罐5的高度之下的过滤器室54。该过滤器室54包括一个碳过滤器或其它过滤器，例如用于减轻水的颜色的过滤器。再将水从过滤器室54的底部附近经上述含有膜模块10的模块容器8引入滤液室6。处理后的水可自滤液室引出，重新使用或导入雨水下水道。

尽管以上实施方案是通过参照需氧堆肥床层而具体描述的，但在其它实施方案中也可使用其它生物处理组件代替需氧堆肥床层。其它生物处理组件的实例包括那些在后处理阶段，例如复合方法、曝气固定膜方法和/或带有后沉积的混合液型方法中常用的组件。

应理解的是，本发明的其它实施方案及示例也可行而不偏离所述的本发明的主旨或范围。特别是，所述多种实施方案的特征可以多种其它方式组合。

Claims (22)

1.一种废水处理系统，包括

a)一个生物处理组件；

b)向所述生物处理组件供给废水的输入装置；

c)包括一个或多个中空可渗透膜的膜过滤器设备，该设备的进料侧与所述生物处理组件处于流体连通；

d)与所述膜设备相连，并可选择性地操作来通过以下方式提供过滤操作的泵装置，所述方式即通过形成跨过所述膜壁的压差而使进料液体从所述生物处理组件流至所述膜壁的进料侧，并从所述膜壁的滤出侧移出滤液。

2.根据权利要求1的系统，其中所述生物处理组件为需氧堆肥床层。

3.根据权利要求2的系统，还包括用于接收从所述膜的滤出侧移出的滤液的滤液容器。

4.根据权利要求2或权利要求3的系统，还包括与所述泵装置流体连通的阀装置，用于逆转施加于所述膜壁的压差，并通过使滤液从膜壁的滤出侧流到膜壁的进料侧而形成膜的反洗。

5.根据权利要求4的系统，其中所述阀装置包括压力响应阀，该压力响应阀对施加于控制端的流体压力作出响应而关闭。

6.根据权利要求5的系统，其中将压力响应阀的一个进口与所述泵装置的一个出口相连，压力响应阀的一个出口连至所述膜设备，并将控制端连至所述泵装置的出口。

7.根据权利要求6的系统，其中所述阀装置还包括具有第一和第二端以及一个出口端的方向控制阀，其中该阀在第一端的流体压力高于第二端的流体压力时作出响应，使流体从第一端流至出口端，同时关闭第二端，并在第二端的流体压力高于第一端的流体压力时作出响应，使流体从第二端流至第一端，同时关闭出口端。

8.根据权利要求7的系统，其中所述方向控制阀位于压力响应阀和膜设备之间，压力响应阀的出口与其第二端相连，膜设备与其第一端相连，并且出口端与滤液容器流体连通。

9.根据权利要求3的系统，其中滤液容器是封闭的，并可操作泵装置从滤液容器中移出滤液，以便该移出操作形成跨过所述膜壁的所述压差。

10.根据权利要求9的系统，其中滤液容器可通过气体截止阀选择性地封闭，所述气体截止阀可使气体自滤液容器中排出但阻止气体进入滤液容器中。

11.根据权利要求1的系统，其中可操作泵装置以使进料液体在压力下提供到所述膜的进料侧，以形成所述的跨过膜壁的压差。

12.根据权利要求11的系统，包括一个另外的泵装置，可操作该泵装置以逆转施加于所述膜壁的压差，并通过使滤液从膜壁的滤出侧流到膜壁的进料侧而形成膜的反洗。

13.根据权利要求2的系统，其中所述需氧堆肥床层在一个进料容器中形成，并且所述膜设备与所述进料容器底部或底部附近的一个进口处于流体连通。

14.根据权利要求13的系统，其中所述进料容器包括一个流体液位检测设备，可操作该流体液位检测设备以根据所述进料容器中液体的液位来控制所述泵装置的操作。

15.根据权利要求14的系统，可操作所述流体液位检测设备以在液位下降至第一预定极限以下时使泵装置停止运行，而当液位上升至第二预定极限时使泵装置开始运行。

16.根据权利要求15的系统，其中所述第一和第二预定极限是相同的。

17.根据权利要求15或权利要求16的系统，其中选择第一预定极限以使进料容器底部或底部附近的进口总是浸没在液体中。

18.根据权利要求13的系统，其中所述进口包括一个脚阀。

19.一种处理废水的方法，包括以下步骤：

a)形成并维持一个需氧堆肥床层；

b)将废水进料到该需氧堆肥床层上；

c)使所述废水滤过该需氧堆肥床层；

d)将经过过滤的废水从该需氧堆肥床层移出；

e)将移出的经过过滤的废水加到一个膜过滤器的进料侧；

f)将经过处理的废水从所述膜过滤器的滤出侧移出。

20.根据权利要求19的方法，该方法还包括通过使经过处理的废水从滤出侧到进料侧反向流过膜过滤器而周期性地反洗膜过滤器的步骤。

21.根据权利要求20的方法，其中反洗步骤包括将反洗废物加料至需氧堆肥床层。

22.一种操作权利要求8的废水处理系统以形成所述膜的反洗的方法，该方法包括以下步骤：

a)在过滤操作过程中，关闭压力响应阀，使方向控制阀的第一端的流体压力随着滤液容器内流体压力的下降而超过第二端的流体压力；

b)使滤液从膜设备流过方向控制阀的第一端和出口端而进入滤液容器中；

c)当需氧堆肥床层中进料液体的液位降到第一预定高度以下时使泵装置停止运行；

d)对泵装置的停止运行作出响应，释放压力响应阀的控制端的压力，使压力响应阀打开；

e)当需氧堆肥床层中进料液体的液位上升到第二预定高度以上时，使所述泵装置开始运行；

f)对所述泵装置的开始运行作出响应，向方向控制阀的第二端施加超过第一端压力的流体压力，致使出口端关闭，并使滤液从滤液容器经方向控制阀的第二和第一端流回膜设备的滤出侧，形成膜过滤设备的反洗。

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