TWI519488B - 用於在廢水處理中製造生質顆粒的方法及系統 - Google Patents

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Description

用於在廢水處理中製造生質顆粒的方法及系統 相關申請案
本申請案請求2009年12月30日申請之美國序號第61/291,147號案之優先權，其在此被全部併入以供參考之用。
發明領域
本發明係有關於用於處理廢水之方法及系統。特別地，本發明係有關於在廢水處理中製造生質顆粒的方法及系統。
 發明背景
來自工業處理或來自城市污水之廢水含有大量之需被移除之有機物。傳統之用於處理廢水之系統已使用聚集成生質顆粒，有時稱為活化污泥，之微生物以消化有機物。此等系統典型上含有二階段-一主要之含有顆狀生質顆粒之缺氧區，及一次要之含有活化污泥之有氧區。缺氧區一般係成本上更有效地用以移除大量有機物，但通常無法將有機物之濃度降低超過一特定量，例如，約800 ppm之化學需氧量(COD)。有氧反應器被用以使有機物之濃度降至更低之量，例如，約100 ppm COD。
活化污泥可用於移除有機物，但隨著時間，活化污泥內生物之生長需要將一部份自此系統清除。有氧廢水處理之不利條件之一係需棄置於有氧區形成之過量之活化污泥，有時稱為廢活化污泥。典型上，廢活化污泥於棄置前需藉由一或多種之化學、熱，或機械方法處理。移除之廢活化污泥典型上由約85%至99%之水所組成，其需以一諸如帶式壓濾之過濾方法與污泥分離。形成之濾餅可被焚化或填埋，或以其它方法處理。所有此等方法增加處理成本且具有環境後果。
某些先前系統試圖藉由轉移至缺氧區而棄置廢活化污泥。但是，此等先前系統發現需於供應至缺氧區前處理廢活化污泥。例如，某些習知技藝之系統已知用機械式破壞好氧細胞。此等型式之處理方法增加此方法之成本。
先前系統中之缺氧方法之一不利條件在於缺氧反應器內之生質顆粒之損失，特別是被建構使用粒狀生質顆粒者。一特別適合之缺氧反應器係稱為升流式缺氧污泥床反應器(UASB)，其於一升流式結構使用流體化生質顆粒。先前之USAB反應器顯示當來自缺氧反應器之流出物流至有氧反應器內時隨時間損失顆粒存貨之趨勢。損失之顆粒需以外部之顆粒源替換，此增加此方法之成本及使系統遭受擾亂之危險。再者，現存缺氧反應器之另一問題係其隨時間易具有大量之重金屬集結。
因此，仍需要於廢水加工處理之改良，特別是於缺氧及有氧反應器之生質顆粒之供應及棄置。
 發明概要
本發明解決習知廢水處理系統之多數個問題。本發明降低或去除來自有氧區之廢活化污泥之昂貴之下游管理、處理及棄置之必要性。本發明亦降低或去除購買用於缺氧區之昂貴生質顆粒之必要性。
依據本發明之一方面，一種用於處理廢水之方法包含先自一缺氧區內之廢水移除有機物，及形成生質顆粒。來自缺氧區之廢水流出物係轉移至一曝氣區，於其間，流出物係以一氧源及一活化污泥處理，以進一步自廢水流出物移除有機物及形成另外之活化污泥。來自曝氣區之活化污泥之一部份係轉移至缺氧區。缺氧區內之生質顆粒之生長產率係大於約6.0%。
依據本發明之另一方面，過量之生質顆粒係自缺氧區移除。
依據本發明之另一方面，一用於廢水處理之系統包含一缺氧區、一有氧區、一與缺氧區及有氧區流體連通之污泥轉移管線，及一於缺氧區內用以移除生質顆粒之出口。缺氧區具有一廢水入口，且含有用以移除廢水內之有機物及形成加外之生質顆粒之生質顆粒。污泥轉移管線將活化污泥從有氧區轉移至缺氧區。
本發明之前述方面係例示可藉由本發明達成者，且非意欲詳盡論述或限制可被實現之可能優點。因此，本發明之此等及其它方面由此間之說明會變明顯，或可自實施本發明而學習，二者於此被具體化或基於對熟習此項技藝者係明顯之任何變化而修改。
圖式簡單說明
第1圖係代表本發明系統之一實施例之示意圖。
 較佳實施例之詳細說明
現參考第1圖，一依據本發明之一實施例之系統係總括地以10表示。廢水係經由入口管線12進入系統10。廢水可來自任何來源，諸如，來自一工業處理，或來自城市污水。工業處理之例子包含油汽精煉廠、化學工廠、發酵槽等。依據本發明之一實施例，工業廢水來源係來自化學品及精煉產品之製造及分離，且於一特別實施例，來自諸如苯、甲苯、二甲苯之芳香族化學品，及諸如對苯二甲酸及經純化之對苯二甲酸之芳香族酸之製造及分離。依據另一實施例，工業廢水來源係來自包含諸如乙醇及丁醇之生物汽油；生物柴油；及生物餾出物之生物燃料之製造、分離，或純化。
廢水入口管線12供應至一緩衝或均化槽14。均化後，廢水係經由管線16供應至一缺氧區18內。於第1圖，缺氧區係以單一反應器示意地顯示，但是，熟習此項技藝者會瞭解缺氧區可以多數個呈串聯或並聯結構之反應器建構。熟習此項技藝者亦會瞭解多數個控制裝置，諸如，閥、量器，及泵係此項技藝已知，且於第1圖及此說明中忽略。
缺氧區18含有適於自廢水移除有機物之生質顆粒。生質顆粒含有能於缺氧環境消化有機物且因此產生另外之生質顆粒之微生物。生質顆粒可呈漿體或污泥之型式，但較佳地亦要係呈固體顆粒型式。於後者之情況，依據本發明之一特別實施例，缺氧可以一升流式缺氧污泥床反應器(UASB)建構。
典型上，缺氧區18之反應器係於約100℉操作。缺氧區18之反應器可載負任何適合之顆狀污泥存貨，例如，約7重量%總懸浮固體(TSS)，其中之約70%係揮發性懸浮固體(VSS)。適合顆粒會具有至少20公尺/小時且較佳係約75公尺/小時至約125公尺/小時之平均沉降速率。適合之顆狀生質顆粒係此項技藝已知且可購得。
缺氧區18係以使來自缺氧區18之流出物內之足夠有機物具有500至800 ppm COD等級之有機物含量而操作。典型之有機物移除速率係每天每2單位之揮發性懸浮固體移除約1單位之COD。
缺氧區18內之有機物質消化造成產生生物氣體，其係於管線20移除。生物氣體可作為能源，諸如，用以加熱缺氧反應器之燃料及/或用於一工廠之其它部分之爐之燃料。流出物自缺氧區18移除，且經由管線22供應至有氧區24。
有氧區24含有呈活化污泥型式之生質顆粒。活化污泥含有能於有氧環境消化有機物之微生物。有氧區22含有一用於諸如空氣或純氧之氧源28之入口26。於一特別實施例，空氣係經由有氧區之底部供應，如此，上升之空氣亦可作為促進活化污泥與廢水間接觸之目的。雖然有氧區24係以單一階段示意地顯示，熟習此項技藝者會瞭解有氧區24可以呈串聯或並聯之多數個反應器建構。
廢水流出物係經由管線30自有氧區24移除，且送至澄清器區32，以於經由出口34棄置廢水前沉降任何被夾帶之活化污泥或其它固體。雖然澄清器區32於第1圖係以單一階段示意地顯示，熟習此項技藝者會瞭解澄清器區可含有多數個階段。澄清器區32內之廢水之一部份可經由再循環管線36再循環至加壓式均化槽14。
有氧區24內之活化污泥之一部份經由一污泥轉移管線經由污泥移除，且連續供應至缺氧區18。驚人地，活化污泥可直接經由污泥轉移管線38轉移，而無需任何之用於將污泥引至缺氧區24內之處理步驟或預備加工處理，因此，降低此系統之成本。例如，於污泥被引至缺氧區24內之前，微生物細胞未經由機械、熱或化學機構破壞。
將污泥自有氧區24轉移至缺氧區18提供雙重目的。第一，此轉移降低或去除諸如乾燥、焚化或填埋廢或過剩之活化污泥之昂貴的下游加工處理之必要性。於一特別實施例，實質上整份之無需操作有氧區24之廢活化污泥係經由污泥轉移管線轉移至缺氧區，即，除了非故意地逸出此系統之小部份，諸如，經由流出管線30夾帶之部份，外之整份。
第二，添加經再循環之活化污泥至缺氧區18不可預期且驚人地增加缺氧區18內之生質顆粒之生長。雖然不欲受理論所約束，但相信並非所有好氧微生物於缺氧區18內被破壞或消化，相反地，其可藉由氧取代物，諸如，硫或磷，功能化而調整成缺氧條件。因此，進一步相信於許多應用，有氧區及缺氧區內之活化污泥具有相似之微生物量。
生質顆粒生長之增加可藉由生長產率而證明。生長產率係定義為產生之顆狀污泥質量除以移除之總有機碳(TOC)之質量，且可藉由下列方程式計算：
其中，
TSSf流出物質量係來自此區之水流出物中之逸出缺氧區之總懸浮固體之質量
TOC進質量係至缺氧區之供料內之總有機碳之質量
TOC出質量係至缺氧區之供料中之總有機碳之質量
未將未經加工處理之活化污泥自有氧區24再循環至缺氧區18，缺氧區內之生質顆粒之基線生長產率典型上係不大於約5.5%或6%。雖然係正生長產率，此等系統典型上經歷經由流出物內夾帶固體之生質顆粒之淨損失。但是，藉由直接添加活化污泥，生長產率可為大於約5.5%或6。於一特別實施例，生質顆粒之生長產率可為至少約7%。於一特別實施例，生質顆粒之生長產率可為至少約8%。於另一實施例，生長產率可為至少約10%。於其它特別實施例，生長產率可為至少約12%，至少約15%，至少約18%，或至少約20%。
增加之生長產率降低或去除替換缺氧區18內昂貴顆粒之必要性。於一特別實施例，過量之顆粒，即，比以所欲顆狀存貨操作缺氧區18所需者更多之顆粒，被產生。於此實施例，過量之顆粒經由出口40自缺氧區移除。過量之顆粒可被使用或出售以供其它廢水處理系統使用。
於一較佳實施例，用以移除過量顆粒之出口40係與缺氧區18之反應器之底部分隔開，如此，經移除之顆粒實質上係無會聚集於反應器之底部或其附近之金屬及惰性材料。此等金屬及/或惰性材料可經由一位於缺氧區18之反應器底部或其附近之清除管線42自反應器移除。
實施例1
依據本發明之一實施例之方法及系統係於一實驗室試驗工廠證實。缺氧區係以一具有一溢流再循環之10L之升流式缺氧污泥床反應器(UASB)建構。反應器係維持於38OC及6.8之pH。
含有不同量之TOC之來自於一經純化之對苯二甲酸製造方法之廢水流係以2.2公尺/小時之升流速率供應至UASB。自UASB反應器頂部取得之水之一部份被再循環，且另一部份係供應至以三個呈串聯之曝氣池建構之一有氧區。空氣被供應至每一曝氣池。廢污泥係自最後曝氣池之底部再循環至UASB，且經轉移之污泥之量係以經再循環之廢活化污泥固體對UASB內之固體之比率測量。於一用以建立基線生長產率之另外測試，無廢污泥被轉移回UASB。
第1表所示之結果證實本發明之方法不可預期地提供UASB中之增加的顆狀生質物生長，其係藉由當廢活化污泥於無任何預處理或加工處理步驟而直接自有氧區轉移至缺氧區時之生長係數增加而證實。
實施例2
依據本發明之一實施例之方法及系統亦以一商業規格之試驗工廠證實。缺氧區係以一具有851立方公尺之反應器體積之Biothane EGSB反應器建構。反應器係維持於38OC及6.8至7.0之pH範圍。
一含有變化量之TOC之來自經純化之對苯二甲酸製造方法之廢水流係以2.6公尺/小時之升流速率供應至此反應。自反應器頂部取得之水之一部份被再循環，且另一部份係供應至一有氧槽。廢污泥係自曝氣槽底部轉移回到缺氧反應器，且以經再循環之廢活化污泥固體對缺氧反應器內之固體之比率測量。於二另外之基線測試，無廢污泥被轉移回到缺氧反應器。
第2表顯示之結果證實本發明之方法不可預期地提供缺氧反應器內之增加的顆狀生質物生長，其係藉由當廢活化污泥於無任何預處理或加工處理步驟而直接自有氧區轉移至缺氧區時之生長係數增加而證實。
熟習此項技藝者可輕易瞭解本發明容許廣泛之用途及應用。除此間所述外之本發明之許多實施例及改造，與許多改變、修改及等化配置可於未偏離本發明之實質內容或範圍下由本發明及其先前說明而變明顯或合理暗示。
因此，雖然本發明已於此關於特別實施例而詳細說明，需瞭解此揭露內容僅係說明及例示本發明，且僅係用於提供本發明之完整且能實施之揭露。前述揭露並非意欲或被闡釋為限制本發明或排除任何此等其它實施例、改造、改變、修改及等化配置，本發明僅受限於所附之申請專利範圍及其等化物。
10．．．系統
12．．．入口管線
14．．．緩衝或均化槽
16．．．管線
18．．．缺氧區
20．．．管線
22‧‧‧管線
24‧‧‧有氧區
26‧‧‧入口
28‧‧‧氧源
30‧‧‧管線
32‧‧‧澄清器區
34‧‧‧出口
38‧‧‧污泥轉移管線
40‧‧‧出口
42‧‧‧清除管線
第1圖係代表本發明系統之一實施例之示意圖。
10．．．系統
12．．．入口管線
14．．．緩衝或均化槽
16．．．管線
18．．．缺氧區
20．．．管線
22．．．管線
24．．．有氧區
26．．．入口
28．．．氧源
30．．．管線
32．．．澄清器區
34．．．出口
38．．．污泥轉移管線
40．．．出口
42．．．清除管線

Claims (20)

  1. 一種用於處理廢水之方法，包含於一缺氧區處理廢水以自該廢水移除有機物且形成生質顆粒；將廢水流出物自該缺氧區轉移至一曝氣區；於該曝氣區以一氧源及一活化污泥處理該廢水流出物，以進一步自該廢水流出物移除該有機物且形成另外之活化污泥；將該活化污泥之一部份自該曝氣區轉移至該缺氧區；且其中，該等生質顆粒之生長產率係大於約6%。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含：將該等生質顆粒之一部份自該缺氧區移除。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該缺氧區包含一升流式缺氧污泥床反應器。
  4. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，該等生質顆粒之該經移除部份包含於該缺氧區形成之過量顆粒。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該缺氧區之該等生質顆粒之該生長產率係至少約7%。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該缺氧區之該等生質顆粒之該生長產率係至少約12%。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該廢水包含工業廢水。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該廢水包含來自一用以製造對苯二甲酸之方法之流出物。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該廢水包含來自一用以製造一生物燃料之方法之流出物。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，除自該曝氣區轉移至該缺氧區之該部份外，實質上無活化污泥於操作期間自該曝氣區移除。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，自該曝氣區轉移至該缺氧區之該活化污泥部份係直接且無任何處理步驟而被轉移。
  12. 一種用於處理廢水之方法，包含於一缺氧區處理廢水，以自該廢水移除有機物且形成生質顆粒；將廢水流出物自該缺氧區轉移至一曝氣區；於該曝氣區以一氧源及一活化污泥處理該廢水流出物，以進一步自該廢水流出物移除該有機物且形成另外之活化污泥；將該活化污泥之一部份自該曝氣區轉移至該缺氧區；及自該缺氧區移除該等生質顆粒之一部份。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，該缺氧區包含一升流式缺氧污泥床反應器。
  14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，該等生質顆粒之該經移除部份包含於該缺氧區形成之過量顆粒。
  15. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，該廢水包含工業廢水。
  16. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，該廢水包含來自 一用以製造對苯二甲酸之方法之流出物。
  17. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，該廢水包含來自一用以製造一生物燃料之方法之流出物。
  18. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，除自該曝氣區轉移至該缺氧區之該部份外，實質上無活化污泥於操作期間自該曝氣區移除。
  19. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，自該曝氣區轉移至該缺氧區之該活化污泥部份係直接且無任何處理步驟而被轉移。
  20. 一種用於處理廢水之系統，包含一具有一廢水入口之缺氧區，該缺氧區含有生質顆粒，該等生質顆粒係用以移除該廢水內之有機物且形成另外之該等生質顆粒；一與該缺氧區呈流體連通之曝氣區；一與該曝氣區及該缺氧區呈流體連接之污泥轉移管線；及一於該缺氧區之出口，其係用以自該缺氧區回收粒狀生質物。
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