CN105523688A - 用于处理废水的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于处理废水的设备，其包括：均衡池，所述均衡池设置为接收待处理的废水，并且可操作以充当厌氧水解反应器；与所述均衡池连接的第一澄清器，所述第一澄清器可操作以将所述废水与均衡池内的厌氧水解微生物分离；与所述第一澄清器连接以接收来自所述第一澄清器的废水的好氧生物反应器；所述好氧生物反应器可操作以进一步处理来自所述第一澄清器的废水；以及第二澄清器，所述第二澄清器可操作以接收来自所述好氧生物反应器的废水流出物以及将废水与好氧生物污泥分离；其中将一部分由所述第二澄清器分离的好氧生物污泥循环到所述均衡池。

Description

用于处理废水的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于处理废水的设备和方法。特别地，所述设备和方法适于废水的生物处理，并将在这样的背景下进行描述。
背景技术
在本说明书通篇中，除非上下文另有要求，否则词语“包含(comprise)”或例如“包含(comprises或comprising)”的变化形式应理解为暗示包括所述整数或整数组，但不排除任何其它整数或整数组。
此外，在本说明书通篇中，除非上下文另有要求，否则词语“包括(include)”或例如“包括(includes或including)”的变化形式应理解为暗指包括所述整数或整数组，但不排除任何其它整数或整数组。
存在多种用于处理废水的方法，包括例如活性炭吸收、化学氧化的化学方法；或者使用好氧微生物或厌氧微生物的生物方法。化学方法相对比较昂贵，并且由于废水中的有机污染物的高浓度，可能不是很有效。生物处理由于其成本效率优于化学处理或其它物理方法通常是优选的。
在生物处理中，对于其中待处理的废水含有高浓度的有机污染物(即在大于1,000ppm的化学需氧量(COD)水平)的废水，厌氧处理系统，如上流式厌氧污泥床(upflowanaerobicsludgeblanket，UASB)或膨胀颗粒污泥床(EGSB)远比好氧处理成本低。这是由于UASB/EGSB在处理高有机物含量的废水中的相对高效率。然而，对于处理含有低浓度的有机污染物的废水，由于效率在低于1000ppm的COD水平降低，此类厌氧处理方法未表现出太多优于好氧方法的优势。
对于处理COD小于500ppm的废水，例如城市污水，好氧生物处理是优选的。然而，对于处理COD为500ppm-1000ppm的废水，部分地由于高需氧量、高生物污泥生产量和高化学品消耗，好氧生物处理仍然相对昂贵。对于用于COD为500ppm-1000ppm的废水的生物处理系统，存在其中好氧处理方法和厌氧处理方法两者均非最佳的空白。
已经使用各种系统通过“组合”或混合好氧处理方法和厌氧处理方法来填补上述空白。在这些混合系统中，采用具有足够大容量的均衡池(equalizationtanks)来适应废水的质和量的高波动。使用均衡池用于废水处理设施的目的是减弱有机物波动，以防止生物系统的冲击负荷，最小化或控制废水流速的波动。这在工业废水处理中特别适合。此类均衡池可操作以均衡流量或浓度，或两者。就流量均衡而言，累积流量随时间的变化是确定对于恒定排放管线的最大体积的因素。就浓度均衡而言，可使均衡槽/均衡池的尺寸适合以限制排放量从而达到最大浓度。对于工业废水，停留时间可从数小时到数天变化。大体积的均衡池可能花费高达废水处理厂的总民用建筑成本的三分之一以上。因此，需要降低与工业废水处理有关的此类成本。
常规工业废水处理厂描述于例如美国专利6,312,599B1“Methodofusingwastewaterflowequalizationbasinsformultiplebiologicaltreatments”和PCT国际公开WO02/059044“wastewatertreatmentprocess”，以及韩国专利公开KR1020090055160“Wastewatertreatmentsystemandamethodutilizinganequalizationtankandbioreactor,capableofsubstantiallyimprovingwatertreatmentefficiencywithoutaddinganewreactor”中。
尽管上述专利公开寻求提高效率同时不增加成本，但它们通常描述将均衡池直接连接到曝气反应器的方法。然而，在操作中，由于均衡池中的厌氧污泥呈悬浮固体的形式，因此，均衡必须以水力停留时间(hydraulicretentiontime)非常长的分批形式或以低效率的连续模式操作。对于分批操作模式，在废水进入其中厌氧微生物悬浮的均衡池后，必须停止一段时间或期间以使厌氧微生物沉降并适当地与水分离。对于连续操作模式，由于厌氧微生物的连续洗出，厌氧微生物的量有限并且效率低。例如，如美国专利6,312,599所提到的，2-6天的废水流入的流量均衡产生基本上均匀的7天流出。由于均衡池直接接触下游好氧反应器，因此，当均衡池倾翻并且厌氧污泥溢流到下游好氧反应器时，好氧反应器处的发泡会成为问题。
本发明的目的是至少部分减轻上述问题。特别地，本发明的目的是就好氧反应器中的功率和污泥生成而言降低操作处理成本。
发明内容
本发明的目的是减轻上述问题。特别地，通过操作上游厌氧处理，就下游好氧反应器中的功率和污泥生成而言，本发明降低操作处理成本。本发明的实施方案在可操作以充当厌氧水解反应器的均衡池内安装澄清器(clarifier)。均衡池中的澄清器可尽可能多地捕获厌氧水解微生物并洗出在均衡池中的水条件下不能存活的微生物。
根据本发明的一个方面，包括处理废水的设备，其包括：均衡池，所述均衡池设置为接收待处理的废水，并且除执行均衡功能以外，还可操作以充当厌氧水解反应器；与所述均衡池连接的第一澄清器，所述第一澄清器可操作以将所述废水与均衡池内的厌氧水解微生物分离；与所述第一澄清器连接以接收来自所述第一澄清器的废水的好氧生物反应器；所述好氧生物反应器可操作以进一步处理来自所述第一澄清器的废水；以及可操作以接收来自所述好氧生物反应器的已处理废水的第二澄清器，所述第二澄清器进一步可操作以将已处理废水与好氧生物污泥分离；其中将一部分由所述第二澄清器分离的好氧生物污泥循环回所述均衡池。
优选地，所述均衡池的所述厌氧水解反应器功能包括移除化学需氧量(COD)。
优选地，所述第一澄清器构建于所述均衡池中，并且优选地，在这种情况下，所述第一澄清器包括用以接收由所述厌氧水解产生的厌氧污泥的第一部分和用以接收已分离的废水的第二部分。
优选地，所述第二部分呈相对于所述好氧生物反应器位于上游的料槽的形式。
优选地，所述第一澄清器包括用于将已分离的厌氧污泥引导回所述均衡池或引导出系统的潜水泵。
优选地，包括用以防止所述厌氧污泥流动到所述第二部分中的挡板。
优选地，所述均衡池包括至少一个可操作以防止悬浮固体在所述均衡池中沉降的机械搅拌器。
优选地，所述第一澄清器是使用混凝土、碳钢、不锈钢或纤维增强塑料(FRP)形成的。
优选地，所述具有水解功能的均衡池(EQ-H池)可操作地保持在溶解氧(DO)少于0.5ppm的厌氧条件。
优选地，所述EQ-H池的厌氧水力停留时间(HRT)为6小时到两天。
优选地，所述第一澄清器的厌氧水力停留时间为1小时到4小时。
优选地，所述EQ-H池中的混合液悬浮固体(mixedliquorsuspendedsolids，MLSS)为1000ppm-10,000ppm。
优选地，所述EQ-H池接收pH为5-10的工业废水。
优选地，所述均衡池包括检修盖(accesscover)。
根据本发明的第二方面，提供用于处理废水的方法，其包括以下步骤：(a)以厌氧方式用厌氧微生物水解废水；(b)将已水解的废水与所述厌氧微生物分离；(c)以好氧方式处理所述已水解的废水，所述处理形成好氧生物污泥；以及(d)将一部分所述好氧生物污泥循环以用于步骤(a)中的水解。
优选地，所述水解废水的步骤是为了降低所述废水中的化学需氧量(COD)。
优选地，所述将已水解的废水与所述厌氧微生物分离的步骤包括使用澄清器。
对于本领域的普通技术人员，在结合附图阅读本发明的具体实施方案的以下描述后，本发明的其它方面将变得清楚。
附图说明
为了本发明可以更容易地理解并结合实际效果，现将参照附图，所述附图示出了本发明的优选实施方案，并且其中：
图1示出了不具有EQ-H过程的常规工业废水处理厂的现有技术过程图；
图2是根据本发明的实施方案的具有EQ-H过程的工业废水处理厂的系统框图；并且
图3示出了与常规工业废水处理厂相比的EQ-H过程的结果。
本发明的其它设置是可能的，并且因此，附图不应被理解为代替本发明的描述的一般性。
具体实施方式
根据本发明的实施方案，提供用于处理废水的设备10，其包括设置为接收待处理的废水的均衡池20、第一澄清器30、好氧生物反应器40和第二澄清器50。除典型的均衡功能以外，均衡池20还可操作以充当厌氧水解反应器，特别是用于移除COD水平的厌氧水解反应器。COD水平理解为水质的量度，作为水中的有机化合物的量的间接量度。水解包括导致颗粒有机底物(substrate)转变为液化单体和/或聚合物的厌氧细菌的代谢活动。具有水解功能的均衡(下文中称为EQ-H)池20具有缓和水的质和量的变化的均衡功能。另外，均衡池也具有降低进入的工业废水的COD浓度的功能。均衡池20的均衡和COD移除功能的这种组合称为均衡-水解或EQ-H，并且所得池称为EQ-H池20。
EQ-H池20具有用以接收未处理的工业废水的第一流入物22和用以在分离水和厌氧污泥后从第一澄清器30排放已处理的工业水流出物的流出物24。EQ-H池20具有用以接收来自下游好氧生物反应器和第二澄清器50的已消耗的活化好氧生物污泥的第二流入物26。
EQ-H池20进一步包括至少一个搅拌器28，安装所述搅拌器28以防止厌氧污泥沉降在EQ-H池20的底部。优选地，包括多个搅拌器28，安装多个搅拌器28以防止污泥沉降在EQ-H池20的底部。搅拌器28也安装在EQ-H池20中以均衡水的质和量的波动。所述搅拌器可以是机械搅拌器。
EQ-H池20可操作以保持在溶解氧(DO)少于0.5份/百万份(ppm)的厌氧条件。本领域已知的任何厌氧水解微生物都是合适的，只要它们能够水解废水。
第一澄清器30与均衡池20连接，并且可操作以将EQ-H池20内的废水与厌氧水解微生物分离。在一个实施方案中，将第一澄清器30构建到均衡池20中以节省空间。第一澄清器30包括用以接收由厌氧水解产生的厌氧污泥的第一部分32(S8)和用以接收已分离的废水的第二部分24。第二部分24优选呈相对于好氧生物反应器40位于上游的料槽的形式。第一澄清器30包括用于将已分离的厌氧污泥引导回均衡池或引导出系统的潜水泵36。在第一澄清器30与第二部分24之间包括用以防止厌氧污泥流动到第二部分24中的挡板。所述挡板允许水通过，但不允许漂浮在第一澄清器30的表面上的较大粒子和污泥通过。第一澄清器30可使用混凝土、碳钢、不锈钢或纤维增强塑料(FRP)形成。
在各种实施方案中，EQ-H池20可包括检修盖(未示出)。此类检修盖可移动以允许人进入EQ-H池20，以对第一澄清器30和/或搅拌器28进行维护。优选地，检修盖位于EQ-H池20的最上面的顶板上，以确保在将其打开时，EQ-H池20没有液体损失。在各种实施方案中，检修盖是围绕其周边处于水封中的倒置U型盖，以从EQ-H池20的最上面的顶板通过孔切口(holecut)密封入口。最少化进入池的空气的任何盖也都是合适的。在各种实施方案中，EQ-H池20可由混凝土形成。在各种其它实施方案中，EQ-H池20可使用碳钢、不锈钢或纤维增强塑料(FRP)或者不会被水解副产物腐蚀的任何其它材料形成。
好氧生物反应器40与第一澄清器30连接以接收来自第一澄清器30的已处理废水，并且可操作以进一步加工或处理来自第一澄清器30的废水。与好氧生物反应器40组合的是第二澄清器50，其可操作以接收来自好氧生物反应器40的已处理废水，第二澄清器50进一步可操作以将已处理废水与由好氧生物反应器的废水处理产生的好氧生物污泥分离。
将一部分由第二澄清器50分离的好氧生物污泥经由第二流入物26循环回EQ-H池20。所述方法是连续的，直到已处理废水处于待排放的合适水平。有利地，这意味着好氧方法的高生物污泥生产量降低，因为它被部分进料到厌氧EQ-H池20中，从而降低污泥脱水的成本，因为从系统排放的体积减小。此外，进入EQ-H池20的好氧生物污泥有助于保持有机底物和最小化EQ-H池20中的厌氧微生物的稀释，这可帮助保持厌氧微生物的水解活性和缩短水力停留时间(HRT)。
接下来，将在废水处理的上下文中，特别是在使用工业废水均衡(EQ)池作为厌氧水解反应器用于移除COD和减少污泥以改善下游好氧方法性能并降低功率消耗以及污泥生产量的方法的上下文中，对设备10进行描述。
在操作中，EQ-H池20和澄清器30的下列参数适用。
●EQ-H池20保持在溶解氧(DO)少于0.5ppm的厌氧条件。
●EQ-H池的厌氧水力停留时间(HRT)可为6小时到数天。
●第一澄清器30的HRT可为1小时到4小时。
●EQ-H池20中的混合液悬浮固体(MLSS)可为1000ppm-10,000ppm。
●EQ-H池20的COD移除效率为10％-60％。
●EQ-H池20可接收pH为5-10的工业废水。
设备10的操作参照图1和图2进行描述，其中图1是指不具有EQ-H过程的常规工业废水处理厂；而图2是指使用设备10用于工业废水处理。应了解并理解的是，所描述的体积和操作参数仅用于说明目的。
参照图1，常规工业废水处理包括连接到体积为10,000m3的好氧反应器T2的体积为10,000m3的均衡池T1。T2连接到体积为2,000m3的澄清器T3。机械搅拌器M1在功能上类似于所描述的搅拌器28。鼓风机M2被用来提供好氧反应器T2所需的氧气。
在操作中，从化学工业设施排放的废水(S1)的COD平均浓度为1,000mg/l并且平均流速为10,000m3/d。将其泵送到均衡池(T1)。机械搅拌器(M1)安装在T1中，以防止悬浮固体在T1中沉降并均衡水的质和量的波动。来自T1的流出物(S2)的平均质和量没有变化，保持1,000mg/l的COD和10,000m3/d的流量。S2进入好氧反应器(T2)并与生物污泥(微生物)混合。鼓风机(M2)将空气供应到T2。在曝气条件下，微生物消化S2中的有机物并将有机物转化为CO2和生物污泥。T2中的废水的COD浓度降低。废水和生物污泥的混合物(S3)进入澄清器(T3)，其中将水与生物污泥分离。来自T3的上清液是含有100mg/LCOD的已处理的水流出物。将浓度为约8000mg/L的在T3的底部的沉降的生物污泥部分地(S5)泵送到T2以在T2中保持好氧生物污泥浓度，并将过量的好氧生物污泥(S6)从生物处理系统排放出来，并进入污泥脱水设备以降低污泥中的水含量以进一步处置。
应理解的是，鼓风机的功率消耗和已消耗的好氧污泥的体积由好氧池的COD负荷(kgCOD/天)决定。较高的COD负荷需要更多的功率消耗并生成更多的已消耗的污泥。
相比之下，参照具有设备10和EQ-H厌氧水解过程的图2，从化学工业设施排放的废水(S1’)的平均COD浓度为1,000mg/L并且平均流速为10,000m3/d。将其泵送到EQ-H池20。然而，由于大量厌氧水解微生物(对于10,000m3的体积大于30,000kg)存在于EQ-H池20中，因此，这些厌氧水解微生物会消化废水中的生物有机废物。在各种实施方案中，厌氧微生物的体积优选大于2kg/L，或者大于3kg/L，或者大于4kg/L，保持微生物接近生长的S期并且最大化水解活性的任何体积的厌氧微生物都是合适的。因此，从EQ-H池20排出的流出物(S2’)的平均COD浓度会降低。此外，由于厌氧水解反应，废水中的难以生物降解的有机组分会分解并且变为更小且更容易生物降解的有机化合物。第一澄清器30将废水和厌氧水解微生物分离。来自第一澄清器30的上清液(S2’)溢流到下游好氧生物反应器40，而在第一澄清器30的底部的沉降的厌氧水解微生物(S8)循环回EQ-H池20。进入好氧反应器40的已处理的废水流出物S2与好氧生物污泥或微生物混合。鼓风机60将空气供应到好氧反应器40。在曝气条件下，微生物消化S2中的有机化合物并将有机化合物转化为二氧化碳(CO2)和生物污泥。因此，生物好氧反应器40中的废水的COD浓度会进一步降低。废水和生物污泥的混合物(S3)进入第二澄清器50，其中将经受处理的废水与生物污泥分离。来自第二澄清器50的上清液是含有80mg/LCOD的已处理的水流出物。在第二澄清器50的底部的沉降的生物污泥包含约8000mg/L的浓度，将其部分地(S5)泵送回好氧生物反应器40中以在好氧生物反应器40中保持好氧生物污泥浓度，并将任何过量的好氧生物污泥部分地(S7)循环回EQ-H池20中用于消化，同时将剩余部分(S6)从生物处理系统排放出来，并进入污泥脱水设备以降低污泥中的水含量以进一步处置。
应理解的是，将常规工业处理与设备10进行比较，鼓风机60的功率消耗和好氧生物污泥废物的体积显著降低，因为好氧池的COD负荷(kgCOD/天)由于EQ-H池20与第一澄清器30的组合的预处理而降低。更少量的COD负荷会需要更低的功率消耗并生成更少的污泥废物。
将常规工业处理与设备10进行比较的实验室研究(benchstudy)结果总结于图3中。
设备10中的COD比常规系统中的COD低约50％。设备10中的功率消耗是常规系统中的功率消耗的约四分之三。生物污泥废物的处置成本降低了差不多50％。设备10中的化学品消耗比常规系统中的化学品消耗少约50％。所有这些优点的总体节省使得与常规系统相比，设备10中降低约30％。
应理解的是，上述实施方案仅作为本发明的示例提供，并且相关领域技术人员清楚对它们的进一步修改和改进，因此，对它们的进一步修改和改进被认为在本文所述的本发明的宽广范围和界限内。特别是：
●EQ-H池20可包括多个隔间(compartments)。
●好氧生物反应器40可包括多个隔间。
●第一澄清器和/或第二澄清器可包括沉淀池作为第一部分32以接收厌氧污泥。
●pH控制器或其它形式的控制器可设置在合适的位置，以控制EQ-H池20中的pH水平。
●阀可设置在均衡池、第一澄清器和第二澄清器以及好氧生物反应器之间的合适的位置，以促进和控制系统中的废水流动。阀可合适地为单向阀。
●应理解的是，第一澄清器30和第二澄清器50可由其功能等效物替代。
应进一步理解的是，尽管本发明涵盖单个实施方案，但本发明也包括所讨论的实施方案的组合。因此，在一个实施方案中描述的不与另一个实施方案中描述的特征相互排斥的特征可组合以形成本发明的又进一步的实施方案。

Claims (18)

1.用于处理废水的设备，其包括：
均衡池，所述均衡池设置为接收待处理的废水，并且除执行均衡功能以外，还可操作以充当厌氧水解反应器；
与所述均衡池连接的第一澄清器，所述第一澄清器可操作以将所述废水与均衡池内的厌氧水解微生物分离；
与所述第一澄清器连接以接收来自所述第一澄清器的废水的好氧生物反应器，所述好氧生物反应器可操作以进一步处理来自所述第一澄清器的废水；以及
可操作以接收来自所述好氧生物反应器的已处理废水的第二澄清器，所述第二澄清器进一步可操作以将已处理废水与好氧生物污泥分离；
其中将一部分由所述第二澄清器分离的好氧生物污泥循环回所述均衡池。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述均衡池的厌氧水解反应器功能包括移除化学需氧量(COD)。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一澄清器构建于所述均衡池中。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一澄清器包括用以接收由所述厌氧水解产生的厌氧污泥的第一部分和用以接收已分离的废水的第二部分。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第二部分呈相对于所述好氧生物反应器位于上游的料槽的形式。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的设备，其中所述第一澄清器包括用于将已分离的厌氧污泥引导回所述均衡池或引导出系统的潜水泵。
7.根据权利要求5所述的设备，其中包括用以防止所述厌氧污泥流动到所述第二部分中的挡板。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述均衡池包括至少一个可操作以防止悬浮固体在所述均衡池中沉降的机械搅拌器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一澄清器是使用混凝土、碳钢、不锈钢或纤维增强塑料(FRP)形成的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述均衡池可操作地保持在溶解氧(DO)少于0.5ppm的厌氧条件。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述均衡池的厌氧水力停留时间(HRT)为6小时到两天。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一澄清器的厌氧水力停留时间为1小时到4小时。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述均衡池中的混合液悬浮固体(MLSS)为1000ppm-10,000ppm。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述均衡池接收pH为5-10的工业废水。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述均衡池包括检修盖。
16.处理废水的方法，其包括以下步骤：
(a)以厌氧方式用厌氧微生物水解废水；
(b)将已水解的废水与所述厌氧微生物分离；
(c)以好氧方式处理所述已水解的废水，所述处理形成好氧生物污泥；以及
(d)将一部分所述好氧生物污泥循环以用于步骤(a)中的水解。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述水解废水的步骤是为了降低所述废水中的化学需氧量(COD)。
18.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述将已水解的废水与所述厌氧微生物分离的步骤包括使用澄清器。
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