CN101970360A - 废弃活性污泥磷和镁脱除方法和鸟粪石生产系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理微生物和其形式为一种或多种挥发性脂肪酸(VFA)的易生物降解碳化合物(RBC)的混合物的方法，通过首先诱导混合微生物释放磷和镁，当混合物变浓时，将其排出以产生磷/镁富集液体和磷/镁减少的已处理混合物。该已处理的混合物置于厌氧消化池中，其中形成氨，却混合非常少的磷或镁。然后，高氨混合物进行脱水以产生氨富集液体，其与磷和镁富集液体混合并且反应生成鸟粪石。在一个优选的实施方案中，VFA通过标准的向上流发酵和浓缩(UFAT)过程原位形成，并将其加入废水侧流中，去除其中发现的磷和镁。在另一个优选的实施方案中，获得了有用的鸟粪石产品。

Description

废弃活性污泥磷和镁脱除方法和鸟粪石生产系统
相关申请
本申请是一个连续的申请，并要求2008年2月1日提交的申请号为U.S.12/012,362名称为“废弃活性污泥脱除以去除其中的磷”的美国非临时专利申请的优先权，以引用的方式将其全部内容包含于此。
技术领域
本发明主要涉及“废弃活性污泥”(WAS)脱除的技术领域。更特别地，本发明涉及向生物污泥中加入易生物降解碳化合物(RBC)以减少下游消化池中鸟粪石堆积，并从那里产生有用的鸟粪石产品。
背景技术
作为废水二级处理的一部分，初级处理后的废水用空气或者纯氧处理。在被称为“活性污泥”处理的过程中，微生物利用氧气以代谢进入的废水，形成微生物和废水的混合物即“混合液体”。该混合物被输入到沉淀池进行浓缩，由此形成浓缩的活性污泥。这种污泥大部分返回到活性污泥处理槽。分离出的一部分污泥，被称为废弃活性污泥(WAS)，从活性污泥处理中除去，并被运送到污泥处理系统进行进一步处理和处置。在一个稳定的系统中，每天的WAS等于每天废水转化为微生物的量，因此在混合液体中生物质没有净增加发生。通过操作活性污泥过程，磷和镁从液体流中除去，并且浓缩在混合液体中。该过程被称为加强的生物脱磷(EBPR)。
根据图1，在一个典型的方案10中，WAS被送入一个离心机(或者其他浓缩装置)14进行浓缩，液体流出并且返回到废水厂进行处理，而得到的浓缩污泥与其他污泥被送入到厌氧消化池16中，在送到第二离心机(或者其他脱水装置)18进行脱水之前在消化池中停留15天或者更久。
不幸地，鸟粪石易于在消化池16以及其他下游装置中形成，因为氨，镁和磷的存在，其能够沉淀为鸟粪石。这些鸟粪石是难以实际获得的，并且沉降在反应器16的表面是有害的，而且堵塞反应器通向的管道和设备。
深度离心(或者其他脱水设备)18产生进一步脱水的污泥20，其或者容易再利用或者容易处置，以及富集氨和磷的液体22。已经认识到利用鸟粪石反应器24可以从液体22中获得颗粒状的鸟粪石。该颗粒状的鸟粪石是适于销售的产品，可以作为定时释放的肥料，由此可以支付一些废水处理的成本。不幸地，获得鸟粪石需要向处理过程中加入镁，这是处理成本的一大部分，也减少了利润。
在废水处理厂中结合磷酸盐以鸟粪石回收的可行方法，会议论文集，环境工程学会，pp551-558(2007)，D.Montag等，描述了回收磷的系统，有效地教导不加入一种或更多的挥发性脂肪酸(VFA)来除磷。他们教导用长的停留时间取代加入额外的有机或者无机酸。改良的Renpho系统：一种高生物营养去除系统，水科学与技术，第35卷，第10期，pp137-146(1997)，J.H.Rensink等，描述了一个所谓的改良的Renpho系统。他们未能教导加入VFA作为药剂加入WAS，未能教导镁以及磷的释放/去除，未能教导发酵，未能教导在混合重力/离心滤液之前先pH调节，也未能教导用脱水机连接消化池。
这些文章或者其他任何本领域已知的现有技术公开出版物都没有教导用VFA-激活药剂分离形成磷富集且镁富集液体流，进入鸟粪石反应器以形成颗粒状鸟粪石产品，以及形成贫磷且贫镁的污泥流进入消化池以减少其中有害的鸟粪石累积。
发明内容
本发明可以采取这样的形式，一种处理废物固体和含磷和镁的微生物的第一混合物的方法，通过首先引入混合物微生物释放磷和镁，当混合物变浓时流出，以产生磷和镁富集的液体以及磷和镁减少的已处理的混合物。该已处理的混合物置于厌氧消化池中，其中形成氨，却结合很少量的磷或镁，因为这些元素的浓度已经大大降低。然后将该高氨的混合物脱水，生成氨富集液体，其与磷和镁富集液体结合。在一个优选的实施方案中，经过该结合获得可用的鸟粪石产品。
另外，与现有技术中废物处理方法相比，厌氧消化池中有害鸟粪石的产生大大减少了。
实施本发明的系统和方法在图2、3和2A中显示，并且在后文中进行描述，这有助于在不同的实施方案中理解本发明。
附图说明
图1是现有技术中废物处理系统的结构图。
图2是根据本发明的废物处理系统的结构图。
图3是根据本发明的废物处理系统的可选择的实施方式的结构图。
图2A是根据本发明的废物处理系统的另一实施方式的结构图。
具体实施方式
根据图2，在一个优选的实施方案废弃活性污泥(WAS)处理方法110中，在厌氧反应器112中通过微生物作用释放磷和镁，其中WAS停留最小时间为0.5小时。一个影响该释放的方法是向厌氧反应器的污泥中加入一种或者多种易生物降解碳化合物(RBC)，比如一种或多种挥发性脂肪酸(VFA)，每计划释放1克磷加入3-8克(并且优选4-6克)一种或者多种VFA。在另一技术中，活性污泥停留36至96小时，而不加入VFA，进行内源呼吸和发酵以释放磷和镁。
产生的WAS送入浓缩装置114，比如离心机、浓缩带或者旋转筛，并且产生的液体115，其具有提高的磷和镁浓度水平，被送入到鸟粪石反应器124，这将在后面进一步讨论。在液体115中仅仅有最小限度的鸟粪石产物，因为它们的氨浓度水平很低。VFA或者其他形式的RBC可以通过发酵产生，正如美国专利US6,387,264B1中披露的统一发酵和浓缩(UFAT)工艺。获得VFA的其他方法包括：各种发酵方法，从各种废水产物中获得以及作为工业化学品如醋酸的购买。
含有减少的磷和镁水平的浓缩的WAS与其他污泥被送入到厌氧消化池116中，并且典型地在那里停留最少15天，在那里通过厌氧菌产生高浓度氨来进一步处理。然而，由于浓缩的WAS中磷和镁的减少，磷和镁两者是形成鸟粪石必须的，因此消化池116中的鸟粪石产物大大减少，相比于现有技术的系统中的消化池16(其相当于消化池116)产生的鸟粪石的量。减少鸟粪石的形成大大减少了鸟粪石在消化池以及与消化池116连通的管道和下游设备中形成沉积。
经消化池116处理的污泥用离心机、脱水带、筛、板、框压机等进行脱水118，得到的脱水固体易于重新利用或者处置。氨富集液体122送入鸟粪石反应器124，由于磷和镁的减少，在相连的管道和装置中更少地形成鸟粪石，在鸟粪石反应器中充足的氨与液体115中的磷和镁结合形成鸟粪石。
根据图3，在第二优选的实施方案中，系统210中的输入是以混合液体悬浮固体(MLSS)214的形式，其来自在改良的生物除磷(EBPR)系统中好氧池的厌氧区212。大部分MLSS进入好氧池218的另一部分。在标准EBPR系统中，在向MLSS加入的添加剂中加入RBC，由此使得磷和镁从微生物中释放出来。除了这个区别，其他的处理过程大部分相同，尽管有些变化是必须的以适应更大流量214进入浓缩机216，因为MLSS通常是WAS3倍的稀释度。为了处理稀释液流，浓缩机216可以利用重力浓缩，任选地连接带或者离心机或者其他浓缩装置。如图2所示，厌氧反应器112和补充加入的RBC可以省去。
图2A显示了本发明系统的另一个实施方案，类似于图2中的系统(并且相同的元件具有相同的附图标记)。系统220可以包含主流220a和侧流220b，如图所示，分别在虚线水平线的上方和下方。系统220这里是指原位提供，例如明确限定的或者包含，从WAS生产可用的鸟粪石副产品(例如，可销售产品比如规则或不规则形状和尺寸的小球或微粒，非销售产品比如鸟粪石污泥等)，要求不利用外部的输入来进行生产过程。
可以理解地，初级澄清池222中的初级污泥通过依照美国专利US6,387,264中的UFAT224处理或者相当的处理过程，包括发酵器226和浓缩机228或复合的发酵器/浓缩机，共同处理初级污泥成为VFA和浓缩污泥。来自UFAT224的VFA输入到EBPR好氧池112a中和分离机/浓缩机114包括，例如，厌氧释放槽114a和第二浓缩机如浓缩离心机114b(因此，在本发明的该可替换的实施方案中，图2中的厌氧反应器112是EBPR好氧池112a和第二澄清器112b的形式，如图2A所示。)。
浓缩污泥输入到消化池116中，如图2A所示。在消化池116下游的鸟粪石反应器(如前述图2所示)中或者来自消化池116的上游，其中的磷富集且镁富集液体的pH值均经过pH调节器117调节(如虚线框所示，其任选地位于上游位置以取代在鸟粪石反应器124中)。本领域技术人员可以意识到，尽管在它们到达鸟粪石反应器之前调节磷富集且镁富集液体的pH值，但是鸟粪石在上游管道中并不会形成，因为没有氨存在。此外，在下游鸟粪石反应器中流体的峰收缩会减少。这样，可选择地，位于上游的pH调节器117对磷富集且镁富集的液体流115’进行pH调节，并作为鸟粪石反应器124的输入液体流(因此，相比于图2中所示的pH调节器位于鸟粪石反应器中的系统110拓朴结构，上游pH调节器117使得系统220的拓朴结构更加成本有效且简单。)。
分离机/浓缩机114用于将来自位于EBPR好氧池112a下游的第二澄清器112b的WAS输入流和来自UFAT224的VFA输入流分为两个不同的输出流。第一相对磷富集且镁富集(P-&Mg-富集)液体流115(或，优选地，经pH调节的液体流115’)输入到鸟粪石反应器124，如上面所描述的。第二相对磷减少且镁减少(P-&Mg-贫乏)混合物230输入到消化池116中，其后连接脱水机或脱水离心机118以产生氨富集液体流122，其也输入到鸟粪石反应器124中。磷减少(P-减少)生物固体作为脱水步骤的另一副产物生成。通过将WAS分离为两个单独的，不同的含有磷和镁的浓缩流，消化池116中，下游所谓有害鸟粪石产生量最小化，而同时鸟粪石反应器124中的鸟粪石产量最大化。
本领域技术人员能够意识到通过将第二澄清器112b输出物(其中部分返回输入到EBPR好氧池112a中，部分绕行到侧流220b中，如图所示)进行沉降、过滤和消毒(例如，加氯消毒，然后脱氯)进行对主流处理220a的进一步下游处理232。因此，下游处理232的输出物适于返回到河流或者其他水体的是本发明处理过程和系统中主流的输出，而适于并且可能销售的鸟粪石产品，如粒状肥料，则是本发明处理过程和系统中侧流的输出。本领域技术人员也能够意识到如所示的鸟粪石反应器124的其他输出可以回收利用到所示的工厂支流中，其可以看作是基本上的“闭环”系统220。
在各实施方案中，鸟粪石反应器可以是允许磷和镁与氨化合形成鸟粪石的任意形式，包括简单的沉降池，在其中自然形成并沉淀成为沉淀的鸟粪石，其作为原料，有用的产品如肥料或者废物产品而再利用。在一个优选的实施方案中，通过国际申请WO2005/077834A1中披露的方法形成颗粒状的鸟粪石。
在第一优选的MLSS或者WAS实施方案的变形中，镁从厌氧消化池导出以及减少有害鸟粪石的形成保护了处理装置，并且减少了操作成本。在第二优选变形中，加入镁以捕捉额外的磷，因而使得系统产生额外的鸟粪石，并且回收含有更少的磷和氨的废水流使其返回废水厂再处理。此外，磷和镁可以加入以增加鸟粪石产量，并且降低氨的含量送回用于在处理。
上述描述意图提供落入本发明保护范围的一种方法和系统的例子。技术人员能够认识到其他方法和系统也将落入本发明的保护范围。
可以理解地，本发明不仅限于这里所描述的的这种方法或者具体的结构、装配、材料、应用或者使用。实际上，任何适用的装配、使用或者应用的变形都可设想为可选择的实施方案，因此也落入了本发明的主题和保护范围之内。
进一步地意味着，本发明任何来自于应用或使用方法或操作、构造、制造方法、形状、尺寸或材料的变化的其他实施方式，在这里没有特别详细地写在说明中或者进行描述也是本领域技术人员能够理解的，也落入本发明的保护范围之内。
因此，当本发明关于前述的发明处理过程和系统的实施方案被展示和描述后，对于本领域技术人员来说，作出不脱离附加的权利要求书中所述的本发明主题和保护范围的形式和细节的其他变化是很明显的。

Claims (37)

1.一种废物处理方法，包括：
(a)产生来自废水的固体、微生物和液体的第一混合物，其中所述微生物包含磷和镁；
(b)从所述微生物中去除磷和镁，并且使所述去除的磷和镁溶解于所述第一混合物的液体部分，其中所述去除步骤包括向所述第一混合物加入易生物降解碳化合物(RBC)，由此产生包括溶解的镁和磷的已处理的混合物；
(c)发酵并浓缩所述已处理的混合物以产生磷富集且镁富集液体，其与剩余的磷减少且镁减少的混合物分离开来；
(d)进一步厌氧处理所述磷减少且镁减少的混合物，由此产生氨富集、磷减少且镁减少的混合物；
(e)将所述氨富集的混合物脱水以产生氨富集液体；并且
(f)将所述氨富集液体和所述磷富集且镁富集液体混合，来产生鸟粪石。
2.权利要求1的方法，其中步骤(b)通过将所述已处理的混合物在厌氧反应器中停留规定的时间来进行。
3.权利要求1的方法，其中所述RBC包括挥发性脂肪酸(VFA)。
4.权利要求1的方法，其中所述RBC包括经所述微生物转化为挥发性脂肪酸(VFA)的化合物。
5.权利要求1的方法，其中所述第一混合物是废弃活性污泥。
6.权利要求1的方法，其中所述第一混合物是混合液体悬浮固体。
7.权利要求1的方法，其中步骤(b)通过将所述第一混合物通过厌氧反应区来进行，其中存在挥发性脂肪酸使得磷和镁从微生物中排除。
8.权利要求1的方法，其中步骤(b)通过将所述第一混合物在厌氧反应器中停留大于36小时来进行。
9.权利要求1的方法，其中混合所述镁和磷富集液体与所述氨富集液体的步骤在鸟粪石反应器中进行，并且其中将镁加入鸟粪石反应器或加入到任意输入其中的物料中，由此提高鸟粪石的生产。
10.权利要求1的方法，其中所述氨富集液体以产生有用的鸟粪石产品的方式与所述磷富集且镁富集液体混合。
11.权利要求1的方法，其中步骤(c)所产生的所述的磷减少且镁减少的混合物是污泥的形式，并且其中步骤(d)是以与至少一种来自所述废物处理的其他污泥相混合的所述步骤(c)产生的污泥而进行的。
12.权利要求1的方法，其中所述步骤(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)在原位进行。
13.一种鸟粪石回收系统，包括：
初级澄清器，其用于产生初级污泥和来自污水的有机废物流；
发酵器，其用于发酵废水流中的有机废物以产生发酵污泥；
第一浓缩机，其用于浓缩所述发酵污泥；
所述发酵器和所述第一浓缩机共同从废水流中的有机废物产生易生物降解碳化合物(RBC)；
好氧池，用于使来自所述第一浓缩机的RBC与混合液体悬浮固体(MLSS)发生反应，所述好氧池的输出与第二澄清器可操作地连接，所述第二澄清器的输出为废弃活性污泥(WAS)；
分离机，其与第一浓缩机以及第二澄清器可操作地连接，以产生磷富集且镁富集的流，以及分离的磷减少且镁减少的液体流；
消化池，其与所述分离机可操作地连接，利用所述发酵污泥消化所述磷减少且镁减少的流；
脱水机，其与所述消化池可操作地连接，以产生磷减少且镁减少而氨富集的污泥；和
鸟粪石反应器，设置用于将氨富集污泥与磷富集且镁富集液体流反应，以产生富集氨、磷和镁的鸟粪石。
14.权利要求13的系统，其中设置所述的鸟粪石反应器进一步从外部加入磷源和镁源从而进一步减少该反应器的氨排放。
15.权利要求13的系统进一步包括：
pH调节站，位于所述鸟粪石反应器上游，用于调节磷富集且镁富集流的pH值。
16.权利要求13的系统进一步包括：
pH调节站，位于所述鸟粪石反应器中，用于调节鸟粪石反应器中内含物的pH。
17.权利要求13的系统，其中所述发酵器和所述第一浓缩机被集成为统一的发酵和浓缩(UFAT)单元。
18.权利要求13的系统，其进一步包括：
造粒机，位于所述鸟粪石反应器下游，其被设置以形成有用的鸟粪石产品。
19.权利要求18的系统，其中所述造粒机设置用于将鸟粪石形成基本上规则形状和尺寸的鸟粪石颗粒。
20.权利要求19的系统，其基本上可操作地原位容纳和保持，唯一的输入是污水，且唯一的输出是处理后的排水和鸟粪石颗粒。
21.权利要求20的系统，其进一步包括：
处理站，位于所述好氧池和所述第二澄清器的下游，用于处理来自上述的输出，所述站在输出物排放回自然环境之前对其进行一步或者多步去除无机污染物、过滤和消毒。
22.权利要求13的系统，其中没有加入工业化学品以脱除有机废水流中的磷和镁。
23.权利要求13的系统，其中加入一种或者多种工业化学品，用于脱除有机废水流中的磷和镁。
24.权利要求13的系统，其中所述消化池包括进口，用于输入磷减少且镁减少的流，并且其中所述鸟粪石反应器包括进口，用于输入磷富集且镁富集的流。
25.权利要求13的系统，其中所述的分离机包括离心机或者类似结构的装置以将磷富集且镁富集的流同磷减少且镁减少的流分离开来。
26.权利要求13的系统，其中所述分离机包括厌氧释放槽，位于第二浓缩机上游且与其可操作地连接，其中所述第二浓缩机用于生产磷富集且镁富集的流。
27.权利要求26的系统，其中所述第二浓缩机包括选自于沉淀槽、离心机、浓缩带和一种或多种旋转筛的部件。
28.权利要求13的系统，其中所述脱水机包括选自于沉淀槽、离心机、浓缩带和一种或多种旋转筛的部件。
29.权利要求13的系统，其中所述第一浓缩机包括选自沉淀槽、离心机、浓缩带和一种或多种旋转筛的部件。
30.在除磷的废水处理方法中，所述改进包括：
向废物侧流中添加一种或多种易生物降解碳化合物(RBC)，其包括可转化为一种或多种挥发性脂肪酸(VFA)的化合物，来加药脱除且去除废水侧流中的磷和镁；并且将脱除且去除的磷和镁与氨反应以产生鸟粪石。
31.权利要求30的改进，进一步包括：
在所述添加和反应步骤中原位形成一种或多种VFA。
32.权利要求31的改进，其中一种或多种VFA与废水中含有磷和镁的微生物反应以从中释放磷和镁。
33.权利要求32的改进，其中所述添加是对于每克计划脱除或者去除的磷和镁加入3-8克的一种或多种VFA。
34.权利要求32的改进，进一步包括：将鸟粪石造粒形成颗粒状鸟粪石产品。
35.权利要求34的改进，其中所述造粒步骤是与所述添加、所述反应和所述成型步骤原位进行的。
36.权利要求35的改进，进一步包括：
在所述第一磷富集且镁富集液体流与所述氨富集液体反应之前，分离所述脱除且去除的磷和镁，以形成两股分离的流：包括第一磷富集且镁富集液体流和第二磷减少且镁减少污泥流。
37.权利要求36的改进，其中所述分离步骤是与所述添加、所述反应、所述成型和所述造粒步骤原位进行的。
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