CN103723817A - 废水处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于处理废水的方法和装置。所述废水处理系统包括含活性炭和第一生物种群的生物反应器。所述废水处理系统还可包括膜生物反应器和/或湿式氧化单元。

Description

废水处理系统和方法

本申请是申请号为200780016597.7(PCT/US2007/005775)、申请日为2007年3月8日的发明专利申请的分案申请。 

相关申请 

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求以下美国临时申请的优先权：2006年3月8日提交的名为″TREATMENT OF ENDOCRINE DISRUPTING COMPOUNDS IN A PACT/WAR SYSTEM″的美国临时申请60/780,142；2006年5月22日提交的名为″METHOD AND APPARATUS FOR TREATING WASTEWATER″的美国临时申请60/747,853；2006年7月26日提交的名为″COMBINED MEMBRANE BIOREACTOR POWDERED ACTIVATED CARBON TREATMENT AND WET AIR REGENERATION SYSTEM FOR DIFFICULT TO TREAT WASTE WATER″的美国临时申请60/820,410,所有上述临时申请都通过引用完全并入本申请以用于所有目的。 

技术领域

本发明涉及用于处理废水的生物反应器系统和方法，特别是涉及采用膜生物反应器的废水处理系统和方法。 

背景技术

废水的生物处理被广泛采用。废水通常用废活性污泥进行处理，其中在处理罐里的污泥停留时间内生物固体受到细菌作用。然而，生物处理法会产生不需要的废污泥，其必须得到恰当处理。废污泥通常被从系统中除去并运往场外进行焚烧或垃圾掩埋处理。 

此外，废水中存在的任何有机物都仅在处理罐内的水力停留时间内受到细菌作用。由于水力停留时间通常小于污泥停留时间，有机物和特别是难降解有机物可能得不到处理或破坏。因此，会有某些有机化合物可以无变化地穿过处理过程在废水或残余污泥中排出。 

粉状活性炭法是一种增强的生物处理工艺，其能使有机物在水力停 留时间和污泥停留时间内保持在处理罐中以既进行吸附处理又进行生物处理。然而，由于既发生生物生长又发生有机组分的吸附，所以需要损耗额外的固体。而且，随着生物固体的去除，粉状活性炭会从处理过程中流失，因此必须不断进行更换。 

因此仍需要一种有效且经济的方法来减少排出场外以作进一步处理或处置的污泥量。还需要一种有效且经济的处理难处理(refractory)和难降解(recalcitrant)有机物的方法。 

发明内容

根据一或多个实施方案，本发明涉及一种处理废水的系统和方法。 

在一个实施方案中，废水处理系统包括废水源和流动连接在所述废水源下游的生物反应器。所述生物反应器中包含吸附剂。该系统进一步包括流动连接在所述生物反应器下游的吸附剂再生单元。 

在另一个实施方案中，废水处理系统包括废水源和流动连接到所述废水源的生物反应器。所述生物反应器中包含吸附剂。在所述生物反应器上流动连接有湿式空气氧化单元。 

另一个实施方案涉及包括废水源和流动连接到所述废水源的第一生物反应器的废水处理系统。所述第一生物反应器中包含吸附剂。该废水处理系统还包括流动连接在第一生物反应器下游的第二生物反应器。该系统进一步包括流动连接在第一生物反应器下游和第二生物反应器上游的分离器。 

在另一个实施方案中，废水处理系统包括废水源、湿式空气氧化单元和膜生物反应器，其中所述湿式空气氧化单元包含出口和流动连接到所述废水源的入口，且所述膜生物反应器包含生物种群并流动连接到所述出口。 

另一个实施方案涉及一种处理废水的方法，包括提供废水源和提供生物反应器。该方法进一步包括使所述废水与吸附剂和生物种群接触以生成第一产物流，以及使第一产物流中的部分吸附剂再生以生成第二产物流。将第二产物流通往生物反应器。 

由本发明的以下详细说明同时结合附图将可明显看出本发明的其它优点、新颖特征和目的。 

附图说明

附图并非按比例绘制的。在附图中，不同附图中描绘的各个相同或几乎相同的部件都用相同数字表示。为清楚起见，并非每个部件都在每个附图中标记，在不需说明也能使本领域技术人员理解本发明的地方也并非本发明的每个实施方案的每个部件都显示在附图中。在附图中： 

图1是根据本发明的一或多个实施方案的处理系统的方框图； 

图2是根据本发明的一或多个实施方案的另一处理系统的方框图； 

图3是根据本发明的一或多个实施方案的另一处理系统的方框图； 

图4是根据本发明的一或多个实施方案的另一处理系统的方框图； 

图5是可用于实施本发明的一或多个实施方案的计算机系统的示意图；和 

图6是根据本发明的一或多个实施方案可用于图5所示计算机系统的存储系统的示意图。 

图7显示了对于雌二醇为四种炭各自制备的炭吸附等温线。 

具体实施方式

本发明的应用并不仅限于在以下说明书中阐明或在附图中描述的结构细节和部件布置。本发明还有其它实施方案，且能够以各种方式实施或实行。此外，这里所用的短语和术语都只用于说明目的，不应被认为是限制性的。这里所用的″包含″、″包括″或″具有″、″含有″、″涉及″及其变体包括其后所列各项及其同等物和附加项。 

本发明涉及废水处理系统和方法。″废水″在此是指任何待处理的水，如从工业、农业和市政源流入废水处理系统的含有可生物降解材料、能被细菌分解的无机或有机化合物等污染物的废水流。值得注意的是，生物质需要能提供适合生长的条件的环境。″废水处理系统″在此是指一种系统，通常为生物处理系统，其具有各种类型的用于消化可生物降解材料的细菌的细菌微生物生物质群，且具有降低的固体产量。在美国专利6,660,163；5,824,222；5,658,458和5,636,755中记述了一些具有降低的固体产量的废水处理，这些专利都通过引用完全引入本文以用于所有目的。当然，任何待处理的水，如市政饮用水，也都可得益于此中所述的一或多个发明，由此明确地包含在本申请所用的废水的定义之内。 

来自工业和市政源的废水一般包含生物固体、惰性材料和有机物，包括难处理和难降解有机物在内。在本文中，难降解有机物是指相对于 废水流中的大多数有机物来说生物降解很慢或难以生物降解的一类有机物。难降解有机物的例子包括合成有机化学品，如聚电解质处理化学品。其它难降解有机物包括多氯联苯、多环芳香烃、多氯代二苯并对二 英和多氯代二苯并呋喃。另一类能影响生物体的荷尔蒙系统且在环境中存在的难降解有机物是内分泌干扰化合物。内分泌干扰化合物的例子包括：烷基酚，如用于除去避孕用品中出现的油以及天然荷尔蒙和人造类固醇(如17-b-雌二醇、雌素酮、睾丸激素、乙炔基雌二醇)的壬基苯酚。 

来自工业和市政源的废水可能还含有在水处理过程中产生的随后难以除去的痕量组分化合物。在水处理过程中引入的痕量组分的例子包括亚硝胺，如可能从专利产品阳离子和阴离子树脂中释放的亚硝基二甲胺(NDMA)。 

本发明的一个实施方案包括具有一或多个处理区的生物反应器。在本文中，短语″处理区″用于表示独立的处理区域。独立的多个处理区可以设在具有一或多个隔室的单个容器中。或者，独立的多个处理区也可设置在分离的容器中，其中在分离的容器中进行不同的处理。所述处理区，即容器、罐或隔室，可以根据期望的应用和待处理的废水量来改变大小和形状以提供期望的水力停留时间。因此，生物反应器可能包括一或多个容器。生物反应器可以包括具有一或多个滤膜的膜生物反应器。 

一个或多个所述处理区可以以分批流动模式、顺序分批反应器或具有连续废水入流的连续流动分批反应器的形式操作。所述一个或多个处理区可以根据具体目的的需要工作在缺氧或需氧条件下。用于所述独立处理区的细菌可以是适合在缺氧和/或需氧条件下旺盛生长的任何细菌或细菌的组合。代表性的需氧属包括细菌不动杆菌属(Acinetobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、动胶菌属(Zoogloea)、无色菌属(Achromobacter)、黄杆菌属(Flavobacterium)、诺卡氏菌属(Norcardia)、蛭弧菌属(Bdellovibrio)、分枝杆菌属(Mycobacterium)、Shpaerotilus、贝氏硫菌属(Baggiatoa)、硫丝菌属(Thiothrix)、Lecicothrix和地丝菌属(Geotrichum)，硝化细菌亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和硝化菌属(Nitrobacter)，原生动物门纤毛虫纲(Ciliata)、钟虫属(Vorticella)、盖虫属(Opercularia)和累枝虫属(Epistylis)。代表性的缺氧属包括反硝化细菌无色菌属(Achromobacter)、气杆菌属(Aerobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、杆菌属(Bacillus)、短杆菌属(Brevibacterium)、黄杆菌属 (Flavobacterium)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)、小球菌属(Micrococcus)、变形杆菌属(Proteus)、Pserudomonas和螺旋状菌属(Spirillum)。一般存在的厌氧生物包括梭菌属某些种(Clostridium spp)、消化球菌属厌氧菌(Peptococcus anaerobus)、双歧杆菌属某些种(Bifidobacterium spp)、脱硫弧菌属某些种(Desulfovibrio spp.)、棒状杆菌属某些种(Corynebacterium spp)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)、放线菌属(Actinomyces)、葡萄球菌属(Staphylococcus)和大肠杆菌(Escherichia coli)。 

除生物反应器之外，所述水处理系统还可包括预处理和/或后处理单元。湿式氧化一般涉及在高温和高压下用氧化剂，通常为来自含氧气体的分子氧，处理废水。在水的临界温度即374℃以下进行的湿式氧化被称作亚临界湿式氧化。亚临界湿式氧化系统工作在足够的压力下以保持液态水。在美国公开20050171390中记述了湿式氧化系统和方法，其通过引用完全并入本文。在一个实施方案中，湿式氧化单元可工作在约180℃到约325℃之间。在另一个实施方案中，湿式氧化单元可工作在约325℃。 

在一个实施方案中湿式氧化单元可流动连接在生物反应器下游以进一步处理生物反应器的流出物。在另一个实施方案中，湿式氧化单元可流动连接在生物反应器下游以处理从生物反应器中除去的污泥。在这些情形下，湿式氧化单元可以消灭残余在从膜生物反应器中出来的流出物或污泥中的任何污染物。 

在另一个实施方案中，湿式氧化单元可流动连接在生物反应器上游以对废水进行预处理。在于生物反应器中处理之前用湿式氧化单元对废水进行预处理的优点在于能减少或防止对生物反应器中进行的生物处理的任何毒性干扰。应用直接化学氧化过程的湿式氧化系统不会受毒性干扰的影响。对含有冲击负载的有毒化合物的废水进行湿式氧化预处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应器的冲击水平。从湿式氧化单元接受流出物的生物反应器由此可经受更少的毒性干扰。此外，湿式氧化常见的副产物羧酸，如醋酸，可以在湿式氧化单元下游的膜生物反应器中被生物降解。 

本发明的一个实施方案包括多个生物反应器。在这里，单个″生物反应器″包括一或多个处理区或容器。根据一个实施方案，第一生物反应器可以包括第一生物种群和设于其中的活性炭，其中所述生物种群吸收废水中的可生物降解组分。在此，短语″生物种群″是指不同细菌微生 物的混合物。应理解所述不同细菌微生物中的每一种对另一种的比例可以根据生物反应器内的条件和停留时间而不同。生物反应器可以，但非必须，根据期望的条件而被供气。可以变化生物反应器的操作条件以改变生物种群的生长条件。也就是说，生物反应器内的操作条件可在缺氧和需氧条件之间变换。 

在另一个实施方案中，废水处理系统可以包括一或多个适用于具体目的的流动连接在生物反应器上的分离单元。在一个实施方案中，废水处理系统可以包括一或多个位于生物反应器下游以接受混合液的生物固体分离单元。所述生物固体分离单元可以是适用于具体目的的任何分离单元，如澄清器、超滤膜、膜生物反应器、旋液分离器及其组合。在一个实施方案中，生物固体可以在已知聚合物的帮助下在澄清器单元中沉降。在另一个实施方案中，在流出物被不断从膜生物反应器中排出时生物固体可以停留在膜生物反应器中以定期去除。使用膜生物反应器和/或旋液分离器作为分离单元的优点在于它们不要求存在通常用于澄清器的沉降聚合物。因此，免除了与购买和储藏所述聚合物有关的费用。 

在又一实施方案中，固-液旋液分离器可以接受来自生物反应器的污泥以进一步降低污泥中所含的水量，从而降低污泥的总体积。在另一实施方案中，液-液旋液分离器可被流动连接在膜生物反应器上游以除去可能淤塞所述膜的污染物。例如，在使废水穿过膜生物反应器之前可从废水中除去可能淤塞膜的油类，从而延长膜的寿命。 

废水处理系统可以还包括适用于具体目的的一个或多个惰性固体分离单元。例如，惰性固体分离单元可以包括用于除去惰性垃圾的细筛、用于除去较重材料的旋液分离器及它们的组合。 

除所述生物种群之外，废水处理系统中还可包括吸附剂以提供废水/吸附剂泥浆。可以使用任何吸附剂，只要其能从所述泥浆中除去一或多种有机物，且其大部分保留在泥浆整体或形成的污泥中即可。所述吸附剂可以是适用于具体目的的任何形式的，如粒状、粉末状及其组合。吸附剂可以是有机的、无机的及它们的组合。无机吸附剂的例子包括膨润土、铁基化合物、合成树脂及其组合。在一个实施方案中，吸附剂为粒状活性炭、粉状活性炭及其组合。在另一个实施方案中，吸附剂为可商购的粉状活性炭。 

在一个实施方案中，吸附剂可在废水处理过程中的任何时间添加到 生物反应器中，只能吸附剂与废水接触的时间足以吸附可能存在于废水中的任何有机物即可。当然，吸附剂可以在系统内的任何位置引入系统，只要吸附剂出现在要求的生物反应器中即可。例如，吸附剂可添加在待循环回生物反应器的污泥中。或者，吸附剂也可在生物反应器上游于一或多个预处理单元之前和/或之后的位置添加。 

在一个实施方案中，在引入废水和生物种群之前吸附剂被添加到生物反应器中。或者，也可与添加废水的同时或在其之后将吸附剂加入到生物反应器中。应当清楚，在废水处理系统开始启动时，可以添加初始量的吸附剂以最初填充生物反应器。废水被在所述生物处理罐中处理以生成含生物固体、吸附在吸附剂上的有机物和液体的混合物的混合液。 

向生物反应器中添加吸附剂可以提高对废水中存在的污染物的俘获和/或破坏效率。由于固体吸附剂停留在生物反应器之内直到被定期地除去，所以吸附在吸附剂上的污染物如有机物与未被吸附的污染物相比具有更长的在生物反应器内的停留时间。未被吸附的有机物将随第一排出液直接流出生物反应器。有机物、特别是降解慢的有机物在生物反应器中增长的停留时间在处理难以降解和降解慢的难降解有机物时尤其有利。增长的有机物停留时间可能导致难降解有机物的更多和/或完全破坏。废水中存在的任何挥发性有机物的吸附还可以减少VOC洗提和排臭 

在一个实施方案中，粉状活性炭在需氧性生物反应器中的存在可以提高供气装置的效率，因为活性炭对气态氧有吸引力。 

吸附剂如粉状活性炭在膜生物反应器中的使用可能产生额外的优点。粉状活性炭可以通过除去由生物质产生的胞外聚合物(EPS)促进膜过滤过程。EPS的产生可能淤塞工作在延长的污泥停留时间(SRT)和/或高混合液悬浮固体(MLSS)条件下的膜生物反应器。EPS的减小或消除可能有助于保持适合于生物质的环境和延长膜的寿命。污染物被生物反应器中存在的粉状活性炭吸附还可减少或消除可能是由大量的这些污染物所导致的对生物反应器的毒性冲击的发生。 

粉状活性炭在膜生物反应器中的存在还有助于吸附可能会不可逆地淤塞膜的有机化合物和/或金属。在一个实施方案中，有机化合物如硅氧烷可被吸附在粉状活性炭上从而减少或消除硅氧烷对膜的不利影响。金属被粉状活性炭吸附可以减少或消除浸出液中所含金属，如铁、钙、镁和锰的惰性盐，的存在。 

粉状活性炭在膜生物反应器中的存在还可能导致混合液的粘度比具有相同生物固体浓度的纯生物污泥小。在膜过滤中，膜环境内的污泥的粘度与膜过滤所需的能量成正比。在膜生物反应器中膜的沾污速率通常与通量率的指数成正比，因此MLSS粘度随添加粉状活性炭而减少既能提高膜的通过能力又能降低资金和能量消耗费用。在膜生物反应器中结合粉状活性炭将使得可以采用更高的混合液浓度，这能缩小生物反应器的尺寸和减少相关的资金和安装费用。 

膜生物反应器中的粉状活性炭可有助于物理洗涤膜表面，这能导致更高的工作流量和减少现场清洗频率，从而延长膜的寿命和减少相关的现场清洗费用。粉状活性炭与膜生物反应器的结合还能导致氨的更稳定的去除。粉状活性炭可以除去膜生物反应器自己并不能除去的抑制敏感硝化细菌的物质。 

由于粉状活性炭可以再生和重复利用，因此它在生物反应器中的使用具有显著优点。在一个实施方案中，含粉状活性炭的污泥可以在湿式氧化单元中再生，在本文中表示为湿式空气再生。活性炭的湿式空气再生可以在低于湿式氧化的温度下进行。例如，含生物固体和粉状活性炭的污泥可在约240℃-约260℃的温度下被湿式空气再生。炭的湿式氧化再生消灭了生物固体中可挥发的部分且氧化了吸附在粉状活性炭表面上的有机物以恢复其吸附能力。由湿式氧化再生过程恢复的含水泥浆主要由再活化的炭颗粒和被炭从废水中除去以及在再生过程中形成的无机灰颗粒构成。可通过已知的分离方法如美国专利4,778,598和4,749,492中公开的那些从再生炭中进一步分离所述灰，上述两篇专利都通过引用完全引入本文以用于所有目的。 

通过湿空气还原再生的粉状活性炭在回到生物反应器中时能产生比未用过的粉状活性炭质量更好的流出物。再生的粉状活性炭可能具有与未使用过的粉状活性炭不同的吸附性能，从而提高了吸附质量。粉状活性炭的湿式空气再生可能会改变孔结构以变得更适合于从废水中除去抑制性、毒性和/或难处理的材料。类似地，粉状活性炭的湿式空气再生可能改变孔结构从而变得不太适合于去除可能被生物吸收的材料。粉状活性炭的湿式空气再生可能影响表面化学从而改变其总的吸附性能。粉状活性炭的湿式空气再生可能改变其表面化学，导致更耐湿式空气氧化单元之内的进一步氧化的炭结构。 

湿式空气再生还能将某种可溶组分放入生物反应器的混合液中，这可提高生物活性和产生更多样化的生物种群。湿式空气再生还能将氨氮返回所述混合液中，这能减少或消除这些贫氮废物的营养氮需求，从而节约化学品和操作成本。湿式空气再生过程还是自热的，因此可以回收热量并提供给其它单元如蒸煮器。在此″自热″一词是指其中单元中所需的反应热由单元内的部分氧化提供的气化方法。需提供给湿式空气再生单元的额外能量可以通过就地焚烧一部分废污泥来提供。 

也可以在第二生物反应器中再生粉状活性炭。所述第二生物处理罐可工作在与第一生物反应器不同的条件下以提供具有与第一生物反应器中存在的第一生物种群中的细菌生物体比不同的细菌生物体比的生物种群的有利生长。例如第一生物反应器中可能是需氧细菌种群占优，而第二生物处理罐中可能是能消灭任何需氧细菌生物固体的兼性种群占优。进一步被送往第一生物处理罐的兼性细菌可以随后被第一生物反应器消灭。 

在一个实施方案中，第二生物处理罐中的生物种群可以进一步吸收生物固体和通过进一步与吸附的有机物反应而使生物固体中存在的活性炭再生。可以具体选择第二生物反应器中的细菌使其能与活性炭上吸附的有机物反应和/或最小化要从废水处理系统中除去的生物固体量。例如，第二生物反应器中存在的细菌种群相对于第一生物反应器中的细菌显示更低的固体产量和更高的废物-消化效率，由此最小化固体的产生和随后最小化需从废水处理系统中除去的固体量。 

第二生物反应器可以包括一或多个连续流动罐和/或一或多个分批处理罐。在一个采用连续流动罐的实施方案中，循环的污泥连续或者周期性地进入一或多个罐。罐的容积可以基本恒定，从而相应的体积溢出并返回该废水处理系统。在一个实施方案中，污泥可在罐之间交换。可以向第二生物反应器提供混合和充气以控制环境。在另一个采用分批处理罐的实施方案中，循环的污泥连续或周期性地进入一或多个罐。罐的容积可以是变化的，从而处理后的污泥向第一生物处理罐的返回可以不与输入对应。可以提供混合和充气以控制环境。污泥可以在可以任何顺序包括以下一或多个步骤的分批式循环中进行处理来实现期望的目的：填充罐、混合、沉降、充气、倾析和将污泥返回处理过程。 

产生的再生粉状活性炭可在一或多个再循环管道中循环回第一生 物反应器，从而降低需从废水处理系统中除去的固体量。本发明的一个优点在于通过降低待从废水处理系统中除去的固体量，可同时降低随固体除去的活性炭量，导致与使用更少活性炭相关的更低费用。 

本发明的另一个优点在于将大量具有吸附的有机物的活性炭保留在废水处理系统之内使得吸附在活性炭上的有机物被保留在废水处理系统中进行进一步处理和破坏。吸附在活性炭上的有机物与未被吸附在活性炭上并将随第一排出液直接排出废水处理系统的有机物相比具有更长的在废水处理系统内的停留时间。有机物在废水处理系统中增长的停留时间在处理难以降解和降解慢的难降解有机物时尤其有利。增长的有机物停留时间可能导致难降解有机物的更多和/或完全破坏。 

本发明的另一个优点在于活性炭可通过废水处理过程中微生物的生物作用被连续地再生，消除了对通常从废水处理系统中除去的活性炭进行单独再生的步骤。 

含用过的粉状活性炭的污泥可从生物反应器如膜生物反应器中连续地、周期性地或断续地除去。含用过的粉状活性炭的污泥的去除可以自动或手动启动，且需要时，含用过的粉状活性炭的污泥可以但非必须在再生之前被导入收集罐。例如，膜生物反应器的水力滞留时间可能为约6到18小时之间，而固体停留时间可能为约10到40天。含用过的粉状活性炭的固体可以以基于在生物反应器内持续时间的预定时间间隔被完全除去。在一个实施方案中，每天有部分如10体积百分比的含用过的粉状活性炭的固体可被除去。再生活性炭可被连续地、周期性地和断续地返回生物反应器。 

如图1所示，本发明的一些废水处理系统100可包括生物反应器120、分离器130、任选性的惰性固体分离器140、粉状活性炭再生单元150和任选性的滤网110。待处理废水通过导管112进入废水处理系统100并穿过粗滤网110。滤网110的开口大小可以为约25mm到约6mm以除去大的垃圾物。积累在滤网110的接受面上的垃圾可被周期性地除去。 

滤过的液体被沿管道114输送到含有一或多种期望的细菌的第一生物处理罐120。粉状活性炭最初被通过管道122添加到第一生物处理罐120。 

进入生物处理罐120的废水与粉状活性炭和能消化废水中的可生物降解组分的细菌种群接触，产生混合液。第一生物反应器工作在有利于期望的细菌生长的条件下。废水中存在的有机物，包括难降解有机物在 内，可被吸附在粉状活性炭上。 

混合液和携有有机物的粉状活性炭沿管道124通到生物质分离器130。分离器130可以是适用于具体目的的任何分离器。在一个实施方案中，分离器130为固-液旋液分离器。在另一个实施方案中，分离器130为膜生物反应器。所述混合液和粉状活性炭中的生物质被从流出物中分离并通过管道132从分离器130中除去。流出物通过管道136从分离器130的出口排出。 

所述生物质与携有有机物的粉状活性炭的组合的一部分被通过管道134、152和114导回生物反应器120。在生物质与粉状活性炭组合中存在的细菌种群以期望的细菌种群种群恢复生物罐120中的种群。 

生物质与携有有机物的粉状活性炭的组合的另一部分被通过管道132导入任选性的惰性固体分离器140以除去细小的惰性重材料。惰性固体分离子系统包括细筛和旋液分离器。从生物固体与携有有机物的粉状活性炭的组合中除去的惰性固体被通过管道144排出，但不会排出较大部分的生物固体和粉状活性炭，因此大量的初始活性炭仍被保留在废水处理系统中。 

生物固体与携有有机物的粉状活性炭的剩余混合物被作为污泥通过管道142输入再生单元150。在一个实施方案中，再生单元150是工作在足够温度与压力下以再生粉状活性炭以及消灭留在来自分离器的污泥中的一或多种污染物的湿式空气再生单元。再生的粉状活性炭和污泥被通过管道152和114从湿式空气再生单元150中排出并输入生物反应器120。 

在另一个实施方案中，分离器150为第二生物反应器。在第二生物反应器中，污泥暴露于通过混合器和充气系统(未显示)调节的适合于期望的细菌种群生长的厌氧、缺氧和需氧条件。所述细菌进一步消化生物固体以及消灭吸附在粉状活性炭上的有机物。粉状活性炭上的有机物的破坏使粉状活性炭得以再生。第二混合液被通过管道152和114从第二生物反应器150中排出并输入第一生物反应器120。 

在另一实施方案中，可以在再生单元150下游流动连接第二再生单元(未显示)。例如，可以在第二生物反应器150下游流动连接湿式空气再生单元(未显示)以进一步再生至少一部分任何剩余的用过的粉状活性炭，以及提高对剩余在污泥/粉状活性炭混合物中的污染物的破坏。类似 地，可以在湿式空气再生单元150下游流动连接第二生物反应器(未显示)以进一步再生至少一部分任何剩余的用过的粉状活性炭和/或提高对任何剩余在污泥/粉状活性炭混合物中的污染物的破坏。 

在另一个实施方案中，通过管线136排出分离器130的流出物可在湿式氧化单元(未显示)中被进一步处理以进一步提高对剩余在所述流出物中的污染物的破坏。 

在废水处理系统操作过程中，粉状活性炭可根据需要被添加到第一生物反应器120中，以取代在各个固体分离阶段例如惰性固体去除期间无意中除去的任何粉状活性炭。然而，由于与典型的废水处理系统相比生物固体从废水处理系统中的去除被减少，粉状活性炭的无意损失也可被减少，从而降低了粉状活性炭的原料费。将粉状活性炭保留在废水处理系统内增长了吸附在粉状活性炭上的有机物的停留时间，从而提高了有机物的破坏效率且可以为完全破坏难降解有机物作好准备。 

图2显示了本发明的另一实施方案。废水处理系统200可以包括生物反应器220、膜生物反应器230和湿式氧化单元240。待处理废水通过管道214进入废水处理系统并与能消化废水中的可生物降解组分的细菌种群接触，产生混合液。混合液通过管道222通到膜生物反应器230作进一步处理。粉状活性炭可分别通过管道224和234直接加入生物反应器220和/或直接加入膜生物反应器230。含生物质和粉状活性炭的混合液可通过管道236通到再生单元(未显示)。通过管道232从膜生物反应器230排出的流出物被导入湿式氧化单元240以进一步处理降解缓慢的污染物。湿式氧化单元240的流出物通过管道242排出以供排放、再使用或附加处理。 

图3显示了本发明的废水处理系统的另一实施方案。废水处理系统300包括流动连接在膜生物反应器330上游的湿式氧化单元320。废水通过管道314进入湿式氧化单元320以进行氧化。由于膜生物反应器接受来自湿式氧化单元的流出物，其由此可经受更少的毒性干扰。此外，来自湿式氧化的不希望的副产物如羧酸可以在湿式氧化单元下游的膜生物反应器330中被生物降解。得到的流出物通过管道322通到膜生物反应器330。膜生物反应器330的流出物通过管道332排出以供进一步处理、再使用或排放。任选地，粉状活性炭可通过管道326加入湿式氧化单元330和/或通过管道336加入膜生物反应器330。 

本发明的某些方面可能特别涉及控制所述废物处理操作。例如，图4显示了与图1所示废水处理系统100相似的废水处理系统400。废水处理系统400包括生物反应器420、分离器430、任选性的惰性固体分离器440、粉状活性炭再生单元450和任选性的滤网410。待处理废水通过导管412进入废水处理系统400并穿过粗滤网410。 

滤过的液体被沿管道414输送到含有一或多种期望的细菌的第一生物处理罐420。粉状活性炭最初被通过管道422添加到所述生物处理罐420。 

进入生物处理罐420的废水与粉状活性炭和能消化废水中的可生物降解组分的细菌种群接触，产生混合液。第一生物反应器工作在有利于期望的细菌生长的条件下。废水中存在的有机物，包括难降解有机物在内，可被吸附在粉状活性炭上。 

混合液和携有有机物的粉状活性炭沿管道424通到膜生物反应器460。所述混合液和粉状活性炭中的生物质被从流出物中分离并被通过管道432从膜生物反应器460中移出输入收集罐470。流出物通过管道436从膜生物反应器的出口排出。 

所述生物质与携有有机物的粉状活性炭的组合的一部分被通过管道434、452和414导回生物反应器420。生物质与粉状活性炭的组合中存在的细菌种群以期望的细菌种群恢复生物罐420的种群。 

生物固体与携有有机物的粉状活性炭的剩余混合物被作为污泥通过管道442输入湿式空气再生单元450。湿式空气再生单元450工作在足够的温度与压力下以再生粉状活性炭以及消灭留在来自分离器的污泥中的一或多种污染物。 

控制器500可以响应于来自计时器(未显示)和/或位于系统内任何特定位置的传感器(未显示)的信号。例如，位于膜生物反应器460内的传感器可以指示膜生物反应器内的不及最佳条件。传感器可以监视一或多项运行参数如压力、温度、膜通量、混合液悬浮固体的一或多个特征、和/或处理后的流出物的一或多个特性。控制器500可以通过产生控制信号作出响应，使所有或一部分含用过的粉状活性炭的固体被从膜生物反应器中除去。类似地，位于管道436中的传感器(未显示)可以指示残余在来自膜生物反应器的流出物中的污染物水平已经达到不期望的水平。控制器500可以同样通过产生控制信号作出响应，使所有或一部分含用过的 粉状活性炭的固体被从膜生物反应器中除去。 

本发明的一或多个实施方案的系统和控制器提供了具有多种操作模式的多用单元，其可对多种输入作出反应以提高废水处理系统的效率。 

本发明的系统的控制器500可以使用一或多个计算机系统600来实现，例如图5所示。计算机系统600可以为，例如，通用计算机如基于英特尔PENTIUM型处理器、Motorol PoWerPC

处理器、惠普PA-RISC

处理器、Sun UltraAPARC处理器或任何其它类型处理器或其组合的通用计算机。或者，该计算机系统可包括特别编程的专用硬件，例如，为水处理系统设计的专用集成电路(ASIC)或控制器。 

计算机系统600可以包括一或多个通常连接到一或多个内存设备604的处理器602，所述内存设备604可以包括例如磁盘驱动存储器、闪存设备、RAM存储设备或用于储存数据的其它设备中的任何一种或多种。内存604通常用于储存程序和在系统400和/或计算机系统600运行期间的数据。例如，内存604可用于储存与一段时间内的参数有关的历史数据，以及操作数据。软件，包括用于执行本发明的实施方案的程序代码，可被存储在计算机可读和/或可写的永久性记录介质(参照图6进一步讨论)上，然后通常被复制到内存604中，然后在其中它可被处理器602执行。所述程序代码可以用多种编程语言例如Java、VisualBasic、C、C#或C++、Fortran、Pascal、Eiffel、Basic、COBAL中的任一种或其多种组合中的任一种编写。 

计算机系统600的部件可通过一或多种互连机构606连接，其中所述互连机构606可以包括一或多条总线(例如在集成在同一装置内的各部件之间)和/或网络(例如在位于分离的分立器件上的各部件之间)。所述互连机构通常使得可以在系统600的部件之间交换通信(例如，数据、指令)。 

计算机系统600还可包括一或多种输入装置608，例如键盘、鼠标、轨迹球、麦克风、触摸屏及其它人机接口装置，以及一或多种输出装置610，例如打印装置、显示屏或扬声器。此外，(除了所述可由系统600的一个或多个部件构成的网络之外，或作为其替代方案)计算机系统600还可包含一或多个将计算机系统600连接到通信网络的接口(未显示)。 

根据本发明的一或多个实施方案，所述一或多种输入装置608可以包括用于测量系统400和/或其部件的参数的传感器。或者，传感器、计量阀和/或泵、或所有这些部件都可连接到与计算机系统600工作连接的 通信网络(未显示)上。任何一或多种上述装置都可连接到另一个计算机系统或部件上，以通过一或多个通信网络与计算机系统600通信。这样一种结构容许将任何传感器或信号产生装置设置在离计算机系统很远的位置和/或容许将任何传感器设置在离任何子系统和/或控制器很远的位置，并仍能在其之间提供数据。这些通信机制可采用包括但不限于利用无线规程的那些在内的任何适用技术来模仿(affect)。 

如图6所例示，控制器600可以包括一或多个计算机存储介质如可读和/或可写的永久性记录介质702，其中可以储存定义可被一或多个处理器602执行的程序的信号。介质702可以例如为磁盘存储器或闪存。在典型操作中，处理器602可使得数据，如执行本发明的一或多个实施方案的代码，被从存储介质702读入内存704中，从而使得与介质702相比数据可以更快地被所述一或多个处理器访问。内存704通常是易失的、随机存取存储器如动态随机存取存储器(DRAM)或静态存储器(SRAM)或能有助于数据往返于处理器602的其它适合装置。 

尽管计算机系统600举例显示为一种可以实施本发明的各个方面的计算机系统，但应当理解本发明并不局限于在软件或在举例所示的计算机系统上实施。实际上，本发明可以不在例如通用计算机系统、控制器或其部件或分部上实施，而是作为专用系统或专用可编程逻辑控制器(PLC)或在分布式控制系统中实施。此外，还应理解本发明的一或多个特征或方面可在软件、硬件或固件、或其任意组合中实现。例如，控制器500可执行的算法中的一或多段可在分开的计算机上执行，所述分离的计算机接着可以通过一或多个网络通信。 

实施例 

实施例I 

进行了台架规模的研究来评价粉状活性炭处理(PACT

)和湿式空气氧化对从活性污泥处理中去除EDC的影响。 

使用两个同时并排工作的台架规模的需氧反应器。每个台架规模的反应器包括一个10L的带机械混合器与蠕动给料泵和排污泵的不锈钢圆柱形充气罐，其中所述蠕动给料泵和排污泵向所述充气罐输入原料和从中输出流出物。每个充气罐都在罐底装有空气扩散器以提供压缩空气。每个需氧反应器都以顺序分批模式操作，包括填充周期、充气周期、静 止周期和倾析周期。可编程定时器顺序通过(sequenced through)所述各个周期来控制所述分批操作。使用能根据需要自动向充气罐中添加酸或苛性碱的系统来控制每个充气罐的pH。流入废物被泵入反应器，并在第一反应器中与生物固体混合，在第二反应器中与生物固体和活性炭的混合物混合。所述废水和固体混合物被充气以足够长的一段时间以实现生物氧化和吸收，此时中断充气。各个反应器的水力停留时间(HRT)为约6小时。使两个单元中的混合液中的固体积累到大致相同的浓度。使固体沉降并从反应器顶部轻轻倒出流出物。在除去流出物之后，再次向各个分批反应器中充满流入废水并重复所述周期。 

在进行此研究之前，通过对四种可商购的粉状活性炭各自生成吸附等温线评价了它们的EDC去除。吸附等温线代表了每单位重量炭吸附的污染物量与污染物剩余浓度之间的关系。将试验结果绘制在双对数曲线图上，以残余污染物浓度为X轴，每单位吸附剂吸附的污染物量为Y轴。 

在炭吸附等温线步骤中，炭在接触期之后被从样品中滤出。为了确定用0.45微米的过滤器过滤对EDC去除是否有任何影响，对示踪(spiked)合成给料试样和示踪合成给料的过滤试样进行了分析。在以下所有试验中都使用了用EDC示踪的合成给料混合物： 

向上述给料中添加了以下内分泌干扰物： 

分析结果表明在过滤之后双酚A的浓度降低。表I是这些分析结果的汇总。 

为选择适于去除EDC的炭，测试了各种炭介质上的EDC吸附。测试了褐煤、沥青和木材基炭。所测试的炭包括来自MeadWestvaco，Co.(Covington，VA)的Westvaco Nuchar SA-20，记作炭A；来自Norit Americas，Inc.(Marshall,TX)的Norit Hydrodarco C，记己作炭B；来自Jacobi Carbons(Philadelphia,PA)的Jacobi Aquasorb BP-4，记己作炭C；来自Calgon Carbon Corp.(Pittsburgh,PA)的Calgon WPX，记作炭D。表II是所测各种炭介质的残余EDC浓度汇总。 

由所述雌二醇数据为四种炭各自制备炭吸附等温线。所述等温线不是使用乙炔基雌二醇和雌素酮结果制备的，因为有大量不可检测到的结果。也未使用由双酚A获得的结果，因为此化合物具有可过滤性。图7显示了对于雌二醇为四种炭各自制备的炭吸附等温线。 

图7中的等温线表明炭D显示出优异的β雌二醇吸附性能且可在处理后的试样中实现更低的浓度。因此选择炭D作进一步测试。 

各个系统都在如表III所示的等价条件下操作。 

表III中公布的有和没有粉状活性炭时为活性污泥系统保持的活性污泥系统工作参数表明，两个系统都工作在相当的水力停留时间和混合液浓度下，差别在于一个系统中包含粉状活性炭。 

EDC分析 

提取试样并通过将2升试样滤过C18高性能萃取圆盘达到试样浓度。 所述C18圆盘用10ml50/50的二氯甲烷(DCM)/醋酸乙酯溶液清洗，和用10ml甲醇继之以20ml I型水漂洗来整理。将所述2L试样滤过圆盘，然后首先用5ml醋酸乙酯、再用5ml醋酸乙酯与DCM的50/50混合物、继之以单独5ml DCM洗提。用氮气将抽出物吹至接近干，以几次乙醇漂洗转移到校准的2mL琥珀小瓶中，干燥到接近干并在乙醇中恢复到直至1.5mL。在分析之前将试样贮存在4℃的冷却器中。 

采用HPLC-MS-MS技术对样品进行分析。HLPC分离在来自Agilent Technologies，Inc.(Santa Clara，CA)的Agilent1100系统上进行，该系统由自动进样器、二元梯度泵、溶剂除气单元和带烘箱的柱室组成。分析柱为可从Phenomenex(Torrance，CA)获得的Phenomenex Synergi MAX-RP(250mmx4.6mm，孔径为4微米)，在分析过程中其被保持在室温。在0.7mL/分钟的梯度洗提下分析15微升的进样。溶剂A为0.1％的蚁酸，溶剂B为乙腈。梯度变化程序如下：0-2分钟-95％A；2-10分钟-级变到100％B；10-20分钟-级变回95％A以在下次注射样品前使柱恢复平衡。MS/MS分析在可从MDS Sciex(Concord，ON，Canada)获得的SCIEX API4000三重四极质谱仪上进行。以正离子模式大气压化学电离实现离子化。目标分析物的识别与量化是通过多反应离子监测独特的母离子向子离子跃迁实现的。 

还如下表IV所示对给料、流出物和混合液试样进行了分析。 

使活性污泥单元投入使用并运行约8周，在2、6、7和8周取样，如表V所示。 

为获得流出物中的EDC去除，来自活性污泥法的流出物在提交分析之前被过滤。一种Whatman0.45微克硝酸纤维素膜过滤器被用于此步骤。表V是活性污泥处理系统的给料和流出物分析结果汇总，所有值的单位都为ng/L。 

表V活性污泥系统荷尔蒙和酞酸盐结果 

除一例外在所有测试中，有粉状活性炭操作的系统都显示出更大的β雌二醇减少。4.2ng/L的结果被假定是由于分析误差造成的，并非基于取样目的伪重复分析和事前分析获得的典型实际值，实际值可能＜1ng/L。粉状活性炭在活性污泥系统中的存在提高了EDC从污泥中的去除。 

实施例II 

为确定湿式空气氧化(WAO)对与那些固体有关的EDC破坏的影响，和确定在氧化过程中是否会形成所测类型的EDC，而进行了研究。 

WAO测试在不锈钢制造的实验室高压釜中进行。高压釜的总容积为750mL。为进行WAO测试，开始将200mL来自活性污泥系统的带有粉状活性炭的混合液添加到高压釜中。所述高压釜在充入压缩空气之后被放在加热器/振荡器装置中，并被加热到220℃并被保持在该温度以1个小时。氧化之后，高压釜被冷却至室温，废气被排出和加以分析以确保存在残余氧气。从高压釜中取出试样并提交分析。 

表VI中的入口浓度结果(ng/L)表明在具有粉状活性炭混合液的活性污泥的固体部分上没有可报告的EDC浓度。所述EDC可能在过程中被生物分解了，并不可避免地被粉状活性炭吸附了。然而，氧化结果(出口浓度)表明在WAO过程中没有形成所测类型的EDC。 

在说明书和权利要求书中诸如″第一″、″第二″、″第三″等序数词在修饰某一要素中的使用并不自动暗示某一要素对另一要素的优选、优先或顺序，或执行某种方法的过程的暂时顺序，而是只用作区别具有某一名称的一个要素与具有相同名称(如果不是使用所述序数词)的其它要素的标记来区分所述要素。 

在描述了本发明的至少一个实施方案的几个方面之后，可以理解本领域技术人员将很容易想到各种变化、修改和改进。这些变化、修改和改进也应属于此公开，也应当在本发明的精神和范围之内。因此，上述说明书和附图仅仅是举例性的。 

Claims (33)

1.废水处理系统，包括：

废水源；

流动连接在所述废水源下游的生物反应器，该生物反应器中包含吸附剂；

和流动连接在所述生物反应器下游的吸附剂再生单元。

2.权利要求1的废水处理系统，其中所述吸附剂再生单元包括流动连接到所述生物反应器的出口。

3.权利要求2的废水处理系统，其中所述吸附剂再生单元包括用于间歇地使所述生物反应器中形成的污泥被引入所述吸附剂再生单元中的装置。

4.权利要求2的废水处理系统，其中所述吸附剂再生单元包括湿式空气氧化单元。

5.权利要求2的废水处理系统，其中所述吸附剂再生单元包括第二生物反应器。

6.权利要求5的废水处理系统，其中所述生物反应器包含第一生物种群，且所述第二生物反应器包含第二生物种群。

7.权利要求1的废水处理系统，其中所述吸附剂为粉状活性炭。

8.权利要求1的废水处理系统，进一步包括流动连接在所述生物反应器下游和流动连接在所述吸附剂再生单元上游的分离器。

9.权利要求8的废水处理系统，其中所述分离器为旋液分离器。

10.权利要求8的废水处理系统，其中所述分离器为膜生物反应器。

11.权利要求10的废水处理系统，进一步包括流动连接在所述膜生物反应器下游的湿式空气氧化单元。

12.权利要求1的方法，其中所述废水包含一定浓度的内分泌干扰化合物。

13.废水处理系统，包括：

废水源；

流动连接到所述废水源的生物反应器，该生物反应器中包含吸附剂；和

流动连接到所述生物反应器的湿式空气氧化单元。

14.权利要求13的废水处理系统，其中所述吸附剂为活性炭。

15.权利要求13的废水处理系统，进一步包括流动连接在所述生物反应器下游和所述湿式空气氧化单元上游的第二生物反应器。

16.权利要求13的废水处理系统，进一步包括流动连接在所述生物反应器下游和所述湿式空气氧化单元上游的分离器。

17.权利要求16的废水处理系统，其中所述分离器为旋液分离器。

18.权利要求15的废水处理系统，其中所述第二生物反应器包括膜生物反应器。

19.权利要求18的废水处理系统，进一步包括流动连接在所述生物反应器下游和所述膜生物反应器上游的旋流分离器。

20.权利要求19的废水处理系统，进一步包括流动连接在所述旋流分离器下游和所述生物反应器上游的第二湿式空气氧化单元。

21.权利要求19的废水处理系统，进一步包括流动连接到所述湿式空气氧化单元和所述第一生物反应器的再循环管线。

22.权利要求13的废水处理系统，其中所述生物反应器为膜。

23.权利要求22的废水处理系统，进一步包括流动连接到所述膜生物反应器的入口的第二生物反应器。

24.权利要求23的废水处理系统，其中所述第二生物反应器进一步包含活性炭。

25.权利要求24的废水处理系统，进一步包括流动连接到所述第二生物反应器的出口和所述膜生物反应器的入口的旋流分离器。

26.权利要求25的废水处理系统，进一步包括流动连接到所述旋流分离器和所述第二生物反应器的再循环管线，该再循环管线包括湿式空气氧化单元。

27.废水处理系统，包括：

废水源；

流动连接到所述废水源的第一生物反应器，该第一生物反应器中包含吸附剂；

流动连接在所述第一生物反应器下游的第二生物反应器；和

流动连接在所述第一生物反应器下游和所述第二生物反应器上游的分离器。

28.权利要求27的废水处理系统，进一步包括：

位于所述第一生物反应器中的第一生物种群；和

位于所述第二生物反应器中的第二生物种群。

29.权利要求27废水处理系统，其中所述分离器为澄清器。

30.权利要求27的废水处理系统，其中所述分离器为旋流分离器。

31.废水处理系统，包括：

废水源；

包含出口和流动连接到所述废水源的入口的湿式空气氧化单元；和，

包含生物种群并流动连接到所述出口的膜生物反应器。

32.权利要求31的废水处理系统，其中所述膜生物反应器中进一步包含活性炭。

33.废水处理方法，包括：

提供废水源；

提供流动连接到所述废水源的生物反应器；

使所述废水与吸附剂和生物种群接触以生成含所述吸附剂的第一产物流；

使所述第一产物流中的部分所述吸附剂再生以生成第二产物流；和

将第二产物流通往生物反应器。

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