CN102203354A - 用于处理含脲水的装置、马桶、厩舍及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于处理含脲水的装置。本发明还涉及一种设置有这样的装置的家用马桶。本发明还涉及一种设置有这样的装置的动物住所。另外，本发明包括一种用于处理含脲水的方法。所述装置包括适于将脲氧化成硝酸盐和二氧化碳的硝化单元，其中该硝化单元还设置有氧气供给部、气体排放部以及用于将通过硝化单元硝化后的废水供给与该硝化单元连接的过滤单元的贯穿供给部。该硝化单元优选包含硝化细菌。

Description

用于处理含脲水的装置、马桶、厩舍及方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理含脲水(含尿素的水，urea-containing water)的装置。本发明还涉及一种设置有这样的装置的家用马桶(家用厕所，domestic toilet)。本发明还涉及一种设置有这样的装置的动物住所(annimal accommodation)。另外，本发明还包括一种用于处理含脲水的方法。
背景技术
在人口稠密的地区及农场，生活废水或动物排泄物的净化是一个成本极高且费时的过程。废水中难以除去的一种成分是脲(NH2CONH2)，其经由人和/或动物的尿液和排泄物，以脲或脲盐的形式进入废水中。由于诸如酸雨的环境问题，所以期望大大减少脲的含量。另外，脲以氨(NH3)的形式产生强烈、难闻的气味。另一个问题是脲增强不期望的藻类生长。
发明内容
本发明的目的是能够实现废水中脲含量的降低。
为此目的，本发明提供了一种用于处理含脲水的装置，包括用于含脲水的进口，该进口与适于将脲氧化成硝酸盐和二氧化碳的硝化单元(nitrification unit)连接，其中，该硝化单元还设置有氧气供给部(oxygen feed)、气体排放部(gas discharge)和用于将通过硝化单元硝化后的废水供给与该硝化单元连接的过滤单元(filtration unit)的贯穿供给部(throughfeed)，并且其中该过滤单元至少设置有用于通过硝化单元和过滤单元净化的水的出料部(出口，outfeed)。利用这样的装置，有可能以简单的方式减少或甚至完全除去水中的脲含量。为了在不同部件之间传输液体，在该装置中能够布置传输装置(transport means)，如与例如进料部(进口，infeed)、贯穿供给部和/或出料部连接的一个或多个泵。脲向碳酸盐和硝酸盐的氧化称为硝化，并且具有以下的总体反应：
NH2CONH2+4O2＞＞HCO3 -+2NO3 -+3H+
这个反应优选通过硝化微生物(nitrifying micro-organism)来完成，但也能够可选地经由化学方法进行。相同反应能够利用脲的水溶性盐进行。氧气经由氧气供给供应，优选以气体的形式，例如借助于用泵注入到废水中的空气。由此注入到硝化单元中的氧气优选通过测量和控制设备(measuring and control equipment)进行控制，以使液体中氧气的平均溶解量保持在5mg/ml到10mg/ml之间。碳酸盐能够以二氧化碳(CO2)的形式经由气体排放逸出。
该反应可以分成以下反应步骤：在水存在下，脲(NH2CONH2)转化为碳酸铵(NH4)2CO3。
NH2CONH2+2H2O＞＞(NH4)2CO3  (1)
碳酸盐与其共轭酸处于平衡。
CO3 2-+H2O＞＞HCO3 -+OH-      (2)
在氧气存在下，氨能够被氧化成亚硝酸盐。
2NH4 ++3O2＞＞2NO2 -+2H2O+4H+ (3)
亚硝酸盐随后被氧化成硝酸盐。
2NO2-+O2＞＞2NO3 -                      (4)
另外的优点在于：在硝化单元中的氧化条件下，其他有机物质也被氧化成碳酸盐/二氧化碳。研究发现，经过硝化和过滤后，来自出料部的水可用于高级别的应用。经过一些进一步的处理以优化味道，甚至可用于人消费，这取决于所用过滤器的类型。可以定期或连续地从过滤器除去滤渣。为防止污染(结垢，fouling)或堵塞，可以在一段时间后对该过滤器进行清洗或更换。
在一个优选实施方式中，硝化单元包含硝化细菌(nitrifying bacteria)。硝化细菌能够以特别有效的方式完成以上反应步骤，从而有可能使该装置成为相对紧凑的形式。为此，硝化单元包括生物反应器。除了硝化细菌外，硝化单元还能够包含其他的微生物以及任选的化学、电学和/或机械助剂。如本说明书中提及的，合适的硝化细菌可以商购获得，尤其是经由LGCPromochem Standards、Queens Road、Teddington、Middlesex TW11、0LY、UK获得。
对于硝化细菌来说，有利地包括亚硝酸盐产生菌(nitrite-producing bacteria)和硝酸盐产生菌(nitrate-producing bacteria)，其中，亚硝酸盐产生菌将氨氧化成亚硝酸盐，而硝酸盐产生菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。对于以上的氧化反应(3)和(4)，必须添加氧气。
在一个优选实施方式中，亚硝酸盐产生菌包括选自由亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化球菌属(Nitrosococcus)组成的组中的至少一种菌属。这些菌属在生物反应器中可以被特别良好地利用，而且可商购获得。一个优点是，这些亚硝酸盐产生菌具有相当大的能力，使得该装置可以获得非常紧凑的形式。如上所述，借助于脲酶(尿素酶)，这些细菌将脲降解为氨和二氧化碳。优选使用细菌的混合物。
在一个优选实施方式中，硝酸盐产生菌包括选自由硝化杆菌属(nitrobacter)、硝化螺旋菌属(Nitrospira)和硝化球菌属(Nitrococcus)组成的组中的至少一种菌属。由于极大的稳定性和耐受性，这些菌属在生物反应器中能够被特别良好地利用。它们还具有相对大的转化能力，从而该装置能够获得相对紧凑的形式。该硝酸盐产生菌可以商购获得。
优选地，生物反应器包含上述亚硝酸盐产生菌和硝酸盐产生菌的组合。在反应器中，在适当的生长培养基上，可以作为增效种群培养该细菌。使用这样的细菌混合物有以下优点：反应器具有增大的净化作用，并且能够将大范围的有机污染物从水中除去，包括各种类型的蛋白质和激素。
将硝化细菌的至少一部分附着于固定载体是有利的。这样可以很简单地将细菌固定在所述装置(installation)中，并且也使得更换细菌更为简单。固定载体可以被形成为固定床生物反应器的一部分。例如，固定载体可以包括陶瓷、玻璃或塑料珠，或者格栅。
在一个优选实施方式中，过滤单元包括至少一个渗透过滤器(osmosis filter)。渗透过滤器可以从消化后的水中除去大部分的盐。渗透过滤器发生堵塞的风险非常低。另一个优点是分离的盐可以作为浓缩溶液排出，这比除去固体更为简单。
过滤单元的出料优选还设置有用于将至少一部分的纯化水回供至硝化单元和/或过滤单元的回供部(feedback)。借助于调节装置能够调节供给到硝化单元的净化水和含脲水的比率，以使硝化作用最佳地进行。回供净化水减少了过滤单元发生堵塞的机会。
如果贯穿供给部还设置有用于供应不含脲的水的第二供给部(second feed)是有利的。这使得利用现有技术中已知的并且适用于这个目的的测量和控制设备，可以更简单且更有效地保持控制水量以及脲和其他成分的浓度。另外，在硝化单元之后，不含脲的水的供给能够更好地利用该过滤单元。
除了回供净化水外，也可以设想供应另外的水，例如来自其他家庭来源如淋浴和盥洗池的废水，也称为所谓的灰水(greywater)。第二供给部优选设置有适用于除去至少不含脲的水中的肥皂残余物的过滤器，特别是纳米过滤器。这样的过滤器，优选超滤器，使得有可能除去可能堵塞装置中的其他过滤器的肥皂残余物。已发现，使用这样的预过滤，可以使装置更好地运行，并且减少堵塞装置中的其他过滤器的机会。还发现，每处理单位的含尿废水，所述装置使用更少的能量。肥皂残余物的除去对硝化单元发挥作用也具有正面影响。
过滤单元优选设置有至少一个滤膜。一种能够进行良好过滤的膜。该膜的污染或堵塞的程度能够由通过该膜的流动阻力确定。过滤单元优选设置有用于排放通过滤膜分离的废水中的不溶成分的排放装置。合适类型的过滤器可以商购获得并且尤其包括超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。超滤膜的孔径在0.02到0.2微米之间，并且可以在1-10bar的跨膜压力下进行工作。纳滤膜的孔径小于0.002微米，并且在5-35bar的压力下工作。这些滤膜能够为螺旋或管状形式，其中，优选管状模型，因为它们较慢地发生污染。过滤器由塑料材料(例如，PDVF、聚酰胺、聚乙烯化合物和/或聚砜)或陶瓷材料制成，其中，由于更耐用而推荐陶瓷材料。一段时间后，在过滤器上形成一个残余物层，由此降低过滤效率。反渗透膜的孔径小于0.002微米，并且在8-50bar的压力下工作。这些反渗透膜从液体中除去95-99％的固体残余物以及99％的细菌。反渗透膜通常由塑料制成。因此，可以很容易地再利用净化水。
过滤单元更优选设置有至少两个串联放置的滤膜。串联能够实现改进的净化。串联多于两个的滤膜能够实现甚至更好的净化，但进一步增加流动阻力。能够通过多个过滤单元的并联来降低在相同流速下的流动阻力。
对于过滤单元来说，包括至少一个反渗透膜是特别有利的，其中，在预期的流动方向上，反渗透膜之前设置至少一个适于除去渗透活性物质，尤其是二价盐的过滤器。设置在反渗透膜之前的过滤器确保反渗透更有效地进行。适用于除去二价盐的过滤器例如是纳米过滤器。将至少两个连续反渗透过滤器串联置于该纳米过滤器之后是最有利的。已发现，除去二价盐的至少一部分显著改善硝化工艺的作用。滤出的盐能够被排出，并且与常规污水处理厂相适合。
硝化单元的进口设置有用于从含脲水中分离固体的分离装置是有利的。这些分离装置，例如沉降槽或合适过滤器，防止硝化单元的运行受到固体的阻碍。
本发明进一步涉及一种设置有根据本发明的装置的家用马桶。因此，有可能以有效方式就地(局部，locally)清洁来自家用马桶的废水。该净化水能够立即就地再利用，使得能够实现显著节水。这在缺少水的地方尤其重要。根据本发明的装置优选与马桶整合在一起。马桶优选还设置有分离装置，用于从不太适合并且在固定床反应器和过滤器中能够引起问题的固体相分离最适合利用根据本发明的装置处理的含尿液体相的目的。然后固体相能够单独排出。对于在用于液体排泄物，尤其是尿的马桶中的应用，通常不需要这样的分离装置。
本发明还涉及一种设置有根据本发明的装置的动物住所，特别是牲畜住所。不仅因此节水，而且还以简单方式预防不会超出涉及来自粪肥(manure)的废物产品的排放的环境限制。这在例如牛、猪和/或家禽的密集牲畜养殖中尤其重要。多个动物住所能够利用根据本发明的简单装置，其中，将来自动物住所的粪肥排放部连接到该装置的进口。动物住所优选设置有适于将从收集的排泄物的固体成分分离的含尿液体相供给根据本发明的装置的分离装置。
本发明还提供一种用于净化含脲水的方法，包括以下处理步骤：对脲进行硝化，并过滤硝化后的水，其中，这些处理步骤在根据本发明的装置中完成。这样的方法提供如上所述的优点。
本发明现在将基于以下实施例进行说明。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的装置。
图2示出了根据本发明的装置与马桶的组件。
图3示出了根据本发明的装置与动物住所的组件。
具体实施方式
根据本发明的装置1具有用于含脲水的进口2。脲预先从用于处理的排泄物的可能固体成分中分离，例如借助于沉降槽(未示出)和/或微过滤器。含脲水经由混合容器3进入装置，其中对浓度进行优化以用于进一步的处理，可选地通过掺混水。因此，预处理后的水4运送到硝化单元5。还向硝化单元5供给氧气6。该硝化单元是一个固定床生物反应器，其中放置了硝化细菌，例如亚硝酸盐产生菌如亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和/或亚硝化球菌属(Nitrosococcus)，联合硝酸盐产生菌如硝化菌属(Nitrobacter)、硝化螺菌属(Nitrospira)和/或硝化球菌属(Nitrococcus)。在这个实施例中，采用硝化螺菌属和亚硝化单胞菌属的组合。对于与马桶一起的应用，具有约70升体积的硝化单元5通常就足够。假定用足够的微生物填充，这样的单元5一天能够处理约20升的尿。这些硝化细菌经由亚硝酸盐氧化性地将脲转化为硝酸盐和二氧化碳，该二氧化碳借助于气体排放7从生物反应器5除去。该生物反应器设置有测量和控制设备，利用该设备能够调节氧气和废水4的进料(infeed)。选择生物反应器5的体积，以使在贯穿供给流速下，将脲的含量降低到初始含量的5％以下，由此脲典型的臭味实际上消失。
将硝化后的水8运送到包括两个串联放置的渗透过滤器10、11的过滤单元9。除了硝酸盐(NO3-)外，废液流中的其他盐的大部分也通过第一个渗透过滤器10和第二个渗透过滤器11分离，特别是离子如Na+、Cl-、SO4 2-、PO4 3-、K+和Ca2+。排出这些分离的浓缩盐溶液12。从废液流中除去大约98％的磷酸盐。可以将不含脲的废水14(例如来自淋浴和盥洗池)可选地掺混到供给过滤单元9的硝化后的水8中。这样的水14，称为灰水，通常不需要进行硝化：过滤就足以使灰水适合于再利用。在这个实施例中，该单元一天能够处理80升灰水，其中该装置相对紧凑。灰水供给部可选地设置有超滤器或纳米过滤器，它们可以嵌入到该装置中，但是它们也可以布置在(装置的)外部。然而，在这个实施例中，纳米过滤器15已整合到过滤单元9中。这样的过滤器适合除去其他物质中的肥皂残余物，因而过滤器单元9中的其他过滤器10、11以更低的堵塞风险运行。掺混的灰水的过滤也有助于减少能量消耗。
过滤单元中的膜10、11在一段时间后可能会污染，而及时的清理或更换是必要的。可以将多个膜10、11可选地平行放置，以使该过滤单元能够保持运行，同时这些膜中的一个被失活以进行维护。在这个实施例中，使用了三个过滤步骤：一个纳米过滤过滤器15和两个反渗透过滤器10、11。纳米过滤过滤器15除去大部分的二价盐，包括钙盐和硫酸盐，由此降低在后续反渗透挫折中的渗透压，并且在接下来的过滤器10、11中以更大能量有效的方式进行反渗透。对于在具有20升以下的尿产生的单个马桶中的应用来说，纳米过滤器的表面积为0.24m2、第一个反渗透过滤器的表面积为2.6m2以及第二个反渗透过滤器的表面积为1.3m2就足够了。
通过装置1处理后，净化的水可以获得如下表I中所示的以下性能。
表I：根据本发明净化的含尿水的性能的实例。
  pH   7.0-7.50
  电导率(mS/cm)   25-35
  有机碳(ppm)   5-10
  氟化物(ppm)   5
  氯化物(ppm)   1480
  硝酸盐(ppm)   5310
  磷酸盐(ppm)   1160
  钠(ppm)   860
  钾(ppm)   450
  氨(ppm)   0.5
所示值都是平均值，并且对于pH来说，示出了测量值中的变化。生产的水适合于消费。这些值是用商购获得的Dr.Lange试剂盒测得的，其中对于pH值、导电率、有机碳的量(TOC＝总有机碳)以及各种离子的浓度使用了ISO认证的测量方法。
通过硝化和过滤净化的水13随后能够被再利用，例如作为饮用水生产中的洗涤水(washing water)，其中通常必需添加矿物质以获得期望的味道。一部分的净化水13可选地回供至浮动槽(flotation tank)3。因此预净化的水4中脲的浓度能够通过调节装置控制，以使其处于对于生物反应器5中的硝化来说是最佳的范围。一部分的净化水13也可以回供到过滤单元9。
根据本发明的装置1，根据要求，能够以不同规格具体体现，例如用于处理一个家庭或一个牲畜住所排出的日均脲。装置1内液体的传输通过传统装置提供，优选自动化电泵。取决于规模和自动化程度，以及废液流的来源，清洁一立方米的含脲水(尤其是尿)所需的功率的平均量发生变化。例如对于来自人类的含尿水(urine-containing water)，清洁所需的能量平均总计为10kWh/m3废液。来自猪的废液流，能量消耗显著更高：平均为30kWh/m3。通过对比：对于猪，利用传统技术(化学/机械的)，对于类似废液流已经测得平均能量消耗为35kWh/m3，这清楚地表明，根据本发明的净化以更大能量有效的方式进行。
图2示出了根据本发明的装置1(如对于图1描述的)与马桶20的组件。这个马桶20设置有用于分离液体和固体部分的分离装置21、22。各种合适的分离装置可商购获得而用于这个目的。在这个实施例中，基于适于在马桶池上的人的坐位23，用于基本上为固体部分(基本上是粪便)的第一排放部22和用于尿的第二排放部22的定位和尺寸化进行分离。含尿液体24经由相关排放部引导至根据本发明的装置1。有可能涉及将根据本发明的装置1与马桶进行整合，由此可以形成特别紧凑的组件。
图3示出了根据本发明的装置1与动物住所30集成的组件。在动物住所30收集来自动物33(例如奶牛)的粪肥31和尿32的混合物，并运送到分离装置34。各种类型的分离装置可商购获得。在这个实施例中，分离装置34包括进口35，其中粪肥31和尿32的混合物从这里被运送到压制空间(pressing space)36。然后利用活塞37将含尿液体32从固体物质(基本上为粪肥)中压出。该固体物质作为相对较干的块状物38排出，而含尿液体相32借助于根据本发明的装置的出口排出。这个实施例中示出了一个牛棚；然而，也可以设计类似的建筑，用于其他动物如猪、鸡、火鸡。净化水例如可以作为动物住所30中的动物的饮用水而被再利用。

Claims (15)

1.用于处理含脲水的装置，包括用于含脲水的进口，其与适于将脲氧化为硝酸盐和二氧化碳的硝化单元连接，其中，所述硝化单元还设置有氧气供给部、气体排放部和用于将通过所述硝化单元硝化后的废水供给到与所述硝化单元连接的过滤单元的贯穿供给部，并且其中所述过滤单元至少设置有用于通过所述硝化单元和所述过滤单元净化后的水的出料部。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述硝化单元包含硝化细菌。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述硝化细菌包括亚硝酸盐产生菌和硝酸盐产生菌，其中，所述亚硝酸盐产生菌将氨氧化为亚硝酸盐，而所述硝酸盐产生菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述亚硝酸盐产生菌包括选自由亚硝化单胞菌属、亚硝化螺菌属和亚硝化球菌属组成的组中的至少一种菌属。
5.根据权利要求3或4所述装置，其特征在于，所述硝酸盐产生菌包括选自由硝化菌属、硝化螺菌属和硝化球菌属组成的组中的至少一种菌属。
6.根据前述权利要求2、3、4或5所述的装置，其特征在于，所述硝化细菌的至少一部分附着于固定载体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述过滤单元的出料还设置有回供部，用于将所述净化水的至少一部分回供至所述硝化单元和/或所述过滤单元。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述贯穿供给部还设置有用于供应不含脲的水的第二供给部。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二供给部设置有适合于至少从所述不含脲的水中除去肥皂残余物的过滤器，尤其是纳米过滤器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述过滤单元设置有至少一个滤膜。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述过滤单元包括至少一个反渗透膜，其中，在预期的流动方向上，在所述渗透膜之前设置有适于除去渗透活性物质、尤其是二价盐的至少一个纳米过滤器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述硝化单元的进口设置有用于分离固体残余物和所述含脲水的分离装置。
13.设置有根据前述权利要求中任一项所述的装置的家用马桶，其中，所述马桶的出口与所述硝化单元的进口连接。
14.设置有根据前述权利要求1-12中任一项所述的装置的动物住所，尤其是牲畜住所。
15.用于净化含脲水的方法，包括以下处理步骤：对脲进行硝化并过滤所述硝化后的水，其中，所述处理步骤在根据前述权利要求1-11中任一项所述的装置中完成。
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