处理污水的方法

专利名称：处理污水的方法
技术领域：
本发明涉及处理各种类型污水如人粪尿、污泥和秽水的方法。
污水处理是环境保护技术的关键因素且为进行该处理花费了大量投资和操作费用。在污水处理期间，产生固体如污泥且报道了一种情况其中将污泥进行厌氧处理并将释放出的甲烷气回收以随后用于发电。该方法的问题是厌氧消化仅能完成约50％的污泥的降解且为释放出甲烷气花多达15-30天的时间。
表1列出了两种典型污水例子一收集的人粪尿和污泥的各种性能。很明显，它们含高含量BOD和悬浮固体(下面简称为“固体”)。在人粪尿的处理中，砂和砾石物料在粗砂室中除去且粗大的外来杂质用筛子或其它适宜的设备分离，随后生物处理并絮凝。将分离后的外来杂质，在生物处理中产生的剩余污泥和絮凝产生的絮凝后的污泥脱水并或者直接或在干燥后焚烧。
表1收集的人粪尿和污泥的性能
*通过2mm目试样的数据在秽水处理中，砂和砾石在粗砂室中除去且有比较好沉降特性的固体在初沉降皿中重力分离，然后进行生物处理。在初沉降皿中的污泥和生物处理产生的剩余污泥进行各种后续处理包括增稠、厌氧消化、脱水和干燥，随后焚烧。
这样，在污水和诸如在污水处理工艺中产生的污泥中的固体的处理从包括粗砂去除的工艺观点来看是很重要的，且它不会增大相当于固体(污泥)处理的污水处理的负担。
将分离后的外来杂质、剩余污泥、絮凝后的污泥和在初沉降皿中的污泥用机械设备脱水并干燥，但机械脱水设器和干燥器的缺点在于制造和操作费用较高。
目前使用的处理污泥的一个廉价方法是日晒干燥，其中污泥在砂层上脱水并干燥、为确保砂子不进入到干燥后污泥的固体中，必须小心处理使刮除器未达到污泥底部因而触及砂层。如刮除干燥后的污泥夹带了砂子，则在干燥床中的砂子必须用新砂子补充，更严重的是使焚烧工艺中未燃烧的污泥的量增加。
在粗砂室中沉降除去的粗砂是与含人粪尿污水(例如，人粪尿和”或污泥)或秽水中的其它类型固体的混合物，因而需要清洗。但清洗方法相当复杂，是一个又累又脏的工作。另外，除去的粗砂在焚烧后体积上并未下降，因而必须用掩埋法处理；降低掩埋地点的容量是日本各个地区日益增长的社会问题。
现在说明污泥和污水处理的核心技术—厌氧消化和氮处理技术之间的关系。
在有机污水如含人粪尿污水处理中的关键技术是生物处理，生物处理大致分为需氧处理包括硝酸化—脱氮方法一类和厌氧消化方法一类。
在厌氧消化方法中，污水中的有机物受厌氧微生物的作用，主要分解成甲烷和二氧化碳且该方法被广泛使用，因为处理费用比需氧处理低。
为防止水封闭体过营养化作用，需要从含人粪尿污水中除去氮；因为将除氮方法用于厌氧消化方法能降低处理费用，所有现存的除氮设备都可用于需氧处理方法，因而在氮处理方面花费很低。所有处理含人粪尿污水的设备(新建的或翻新)必须有除氮能力，因而没有为用于厌氧消化方法而建的新设备。
另一方面，对低能耗和低资源消耗的关注使得对花费低处理能耗的厌氧消化方法重新感兴趣。在厌氧处理方法中，比较高分子量的有机物在产酸细菌的作用下分解成低分子量有机酸等且这类低分子量有机酸用甲烷基因细菌(气化)最终转化成甲烷，甲烷气然后从水中蒸发出来。厌氧消化方法最大的问题是生活污水中绝大部分固体由很难降解的纤维素有机物和纤维组成，因此这类固体分解百分数太低难以转化成很容易用作能源的气体。
如表1所示，含人粪尿污水含高含量氮。在废水中的氮是过营养化的起因(“红潮”(red tide)或“蓝潮”(blue tide))，它引起了水封闭体相当大的破坏，因而需除去这些地区的废水中的氮，因此在几个地区已建筑了有除氮能力的废水处理设备。
生物硝酸化—脱氮在日本常用作除氮方法。另一种有效地除氮方法是氨汽提法，与生物硝酸化—脱氮方法相比，氨汽提需要简单的汽提设备且能在极短时间内从水中分离氨。尽管有这些优点，氨汽提法在实践中很少使用，理由如下在生物硝酸化—脱氮法中，氨最终分解成无害的氮和水，但在氨汽提法中，从水中蒸发出的氨必须随后分解，另外为维持水在适合汽提氨的温度(水温接近于100℃，温度越高，汽提越容易)，需要相当高的费用。甚至目前比氨汽提法更经济的生物硝酸化—脱氮法也决不是没有问题；必须消耗大量甲醇，而甲醇是必须从市场上购买的工业化学品；相当难处理的剩余污泥比厌氧消化法产生的量大。
人粪尿和家畜和家禽粪便含高含量的有机物和氮。从能耗角度看，用厌氧消化系统比用需氧法(如活性污泥处理法)处理这种液体废物更经济。但在厌氧消化中，大部分有机物(BOD源)被转化成甲烷气，因而对上清液(消化后的上清液不含固体)进行生物硝酸化—脱氮不是经济易行的，虽然详细理由未提及。考虑到它的性质，上清液适合用氨汽提法脱氮，但由于上述理由该方法很少在工业中使用。
在下列描述中，术语“污水”应包括中种类型污水如人粪尿和在流化态时有足够高水含量的秽水和污泥。
关于流化床热处理设备有许多先有技术文献，下面提及的可作为最有代表性的情况(1)T.Oshita，DEVELOPMENT AND AP-PLICATIONS OF FLUIDIZED-BED COMBUSTION TECHNOL-OGY FOR WASTE MATERIALS，International Journal of Environ-mentally Conscious Design & Manufacturing，Vol.4，No.1，1995；该文献描述了流化床焚化炉的各个方面，包括i)流化床焚化炉的出口(其制造和操作机理)，ii)燃烧设备的改进和燃烧技术的进步，特别参照消毒处理装置(SDP)旋转流动型流化床燃烧炉和TIF非粉碎型旋转流动型流化床燃烧炉，和iii)应用技术；(2)USSN08/401370该美国专利申请说明书描述了流化床气化和熔化燃烧的方法和设备的各个方面，包括i)先有技术和它的问题的描述，ii)气化设备、熔化燃烧设备和使用这些设备的整个系统的具体操作条件，iii)气化设备的描述和iv)说明气化设备、熔化燃烧设备和整个系统的附图。(3)Metcalf & Eddy，Inc.，WASTEWATER ENGINEERINGTreetment，Disposal and Reuse，Second Edition，pp.1-920，McGraw-Hill，Inc.1979。
该书描述了物理、化学和生物处理废水的各个方面，包括工艺设计问题，处理方法，污泥处理方法和处理方法的新进展。
本发明在这样的情形下完成，其目的是提供一种方法，用该方法污水中有机物或在污水处理期间产生的固体的的能量被有效地用于污水处理。
本目的可用下列方法实现，其中在污水如废水或液体污泥处理工艺中产生的固体用热处理设备处理，所得热能和/或气体用于所述污水处理中。在一个优选的实施方案中，污水直接和/或在处理后用填充不易燃颗粒物如砂子的过滤器过滤，将截留的固体加到流化床热处理设备如流化床焚化炉或气化炉和，随后在热处理设备中不易燃颗粒物返回到过滤步骤。


图1是本发明一个实施方案的污水处理流程图；图2是本发明另一个实施方案的污水处理流程图；图3是本发明第三个实施方案的污水处理流程图；图4是本发明第四个实施方案的污水处理流程图；图5是本发明第五个实施方案的污水处理流程图；图6是本发明第六个实施方案的污水处理流程图；图7是本发明第七个实施方案的污水处理流程图；图8是本发明第八个实施方案的污水处理流程图。
现参照图1-4说明本发明方法的优选的实施方案，图1-4说明了使用处理含人粪尿污水(即人粪尿和污泥的液体混合物)方法的四种不同情况。实施方案1参见图1，将含人粪尿污水1料流加到预处理步骤2(通常使用一个筛子)并除去外来杂质3(粗大的固体如废纸和PVC)。流过筛子2的液体与无机沉淀剂4如用于除磷的氯化铁和用于除细小固体物的聚合物(有机高分子量沉淀剂)5混合。在用这些物质化学沉淀后，将流出物加到增稠步骤6且将增稠后的污泥6输送到脱水设备7如压带机、压滤机或离心脱水设备。无机沉淀剂4的加入量随含人粪尿污水1的浓度变化，如果氯化铁用作无机沉淀剂，其浓度范围通常为约1500到7000ppm。在实际操作中，需要加入的无机沉淀剂和聚合物优选通过用拟使用的添加剂进行现场沉淀试验来确定。除氯化铁外，熟石灰和铝基沉淀剂如明矾也是有效的无机沉淀剂。有效的聚合物是阳离子型和非离子型。如果不需要从含人粪尿污水1中除磷，可不加无机沉淀剂4。如果聚合物5被加到含人粪尿污水1中以使得甚至很细小的固体物也被除去，则具有增加固体物向气化炉19供应以产生更多气体的优点，同时避免否则会在含人粪尿污水1处理期间发生的任何问题。
离开增稠步骤6的分离后的水8在其加到厌氧消化步骤10之前临时保存在贮水中9中，步骤10中易分解的可溶性有机物主要被分解成生物气11如甲烷和二氧化碳，它们被输送到熔化炉22。消化器10的流出物被加到氨分离步骤12，其中用氨汽提将氨13从液体中分离出来。为处理残留的有机物、氮等，将氨汽提后的流出物送到后处理步骤14，在此进行常规处理如活性污泥处理，生物硝酸化—脱氮，絮凝，臭氧处理，膜处理和活性炭处理，根据需要这些处理可单独进行或组合进行。处理后的水15排列到河中。
在预处理步骤2中排出的外来杂质3用适当的机器15如螺旋挤压脱水设备进行脱水，增稠步骤6的絮凝后的污泥16用机械7如压带脱水设备脱水。将混合后的脱水滤饼17经加料斗18进气化炉19。如果在后处理步骤14产生污泥如絮凝后污泥，它可以沿返回路径(未示出)返回到增稠步骤6以使后续处理变得容易。脱水滤饼在其加到气化炉19中之前可任选进行干燥。
在气化炉19中，下列两种方法的任一种都可使用以生产气体。控制气化炉进料以提供0.1～0.25的空气比。(1)气化该方法涉及在700～1100℃下气化炉中加热，以生产低热值(1000～1500Kcal/Nm3)或中等热值(2500～4500Kcal/Nm3)的气体。至少一种选自空气、氧、水蒸汽等的气化剂20从炉底加入。(2)与燃烧混合的气化该方法涉及在气化炉中于400～850℃下生产气体，以生产与第一种方法生产的气体热值类似的气体，条件是使用较低的温度会产生相当多的焦油和碳化物。同第一种方法，至少一种选自空气，氧气、水蒸汽等的气化剂20从炉底加入。
在第二种方法中，在气化炉19中产生的含氢气，一氧化碳，水蒸汽，焦油，碳化物和其它物质的气体混合物21被加到熔化炉22，在此它在高达约1350℃下用氧(空气)快速氧化，气体混合物21中的灰在高温下被熔化并作为炉渣23排出。对利用该产品气体有害的焦油物也被烧掉。生物气11与气体混合物21一起用作熔化炉22的能源。排出热气体24的热能在能量回收步骤25中作为余热锅炉的水蒸汽回收，另外，各种类型能量回收设备如气体发动机，柴油机和气体透平可单独使用或组合使用。能量回收步骤25的排出气体26被送到气体处理步骤27，其中气体处理设备如电收尘器，袋收尘器，涤气器，脱硫脱氮设备可单独或组合使用，这取决于待处理气体性能和允许的排放量。如果需要氨的处理技术如使用电子束的催化或非催化脱氮或脱硫和脱氮用在气体处理步骤27中，使用氨汽提步骤12的氨更经济。如果在用于脱硫和脱氮后仍有多余的氨，它可用硫酸吸收以生产肥料如硫酸铵。处理后的气体28被排到大气中。
厌氧消化步骤10通常用双消化方法(使用两个消化槽)来进行，但也可用任何其它已知技术来进行，如单消化方法和UASB(向上流动厌氧污泥罩)法。厌氧消化步骤10最好通过在38～40℃中等水温下发酵来进行，但生物气11也可用高温(55℃)或低温发酵来进行。在双消化的情况下，处理时间15-30天可作为指导数字。在厌氧消化步骤10中沉降的消化污泥可适当抽出以将其沿返回路径(未示出)返回到增稠步骤6 。
排出气体24可沿路径(未示出)流动与生物气11混合以供进一步使用。因为生物气通常有5000到6000Kcal/Nm3的热值，它们可用于提高排出气24的热值。
污水中的生物可降解有机物(它们为可溶物或不可溶物)被厌氧消化以生物气化，随后未消化的固体用热处理设备气化；用这样的方式，污水中的有机物和处理过程产生的固体物能几乎完全气化。这样，生物处理与热处理的组合使得不同的能源被转化成共同的气体形式，这样能以有效和容易的方式使用。
溶解后的氨在厌氧条件下不发生变化而是加到氨分离步骤12中。氨分离的常规典型的方法是氨汽提法(如，水蒸汽汽提，空气汽提和减压蒸馏)且氨与水蒸汽一起转移到蒸汽相。蒸汽相中氨13可直接加到气体处理步骤27中，但另外，它也可在低温下与水蒸汽一起冷凝形作为氨水使用。
拟加到气体处理步骤27的氨的浓度和量随要处理的排放气体的SOx和NOx浓度变化，因而加入氨的量最好根据检测的SOx和NOx的浓度来自动调整。如需要高浓度氨水，氨分离步骤或者用具有在溶剂等纯化中有用的回流能力的常规精馏塔来实施，或者用可循环进行氨汽提和浓缩的二级或三级浓缩器来实施。
虽然上述描述涉及含人类粪尿污水1的处理，应该注意到这也可与小规模秽水处理设备如农区的排水处理设备中污泥或其它类型的废水如食品加工废水和家畜或家禽产生的废水的处理一起来进行。在这种情况下，在小规模秽水处理设备中的污泥或其它类型废水在图1中作为物流30来供应。相反的情况当然是可能的，含人粪尿污水可作为料流30来供应，而食品加工废水、家畜或家禽产生的废水等作为料流1供应。此外，除了脱水滤饼17之外，其它有机废物31如生活垃圾(含纸、塑料、下脚料等)，其固化产品，其它设备的脱水滤饼，建筑废料如木头和废旧轮胎也可作为原料加到气化炉19中。如需要可加入有价值的有机废料如煤以增加气体混合物21的产量。
使用氮作为肥料也在本发明范围内，因为如表1所示在含人粪尿的污水中含大量的氮。另外，氨能够有效地用作脱硫或脱氮试剂。也应该提及的是仍打算气化的来自气化炉19的料流32，及被截留并从气化炉19和后续步骤设备中排出的灰含有磷并可收集用作磷肥。
用余热锅炉水蒸汽回收被推荐作为用于能量回收步骤25的一种方法以回收熔化炉22的排出气体24的能量。回收的水蒸汽可用作各种目的包括在氨分离步骤12中用作加热介质、气化剂20和发电机(使用水蒸汽透平的类型)的进料。如果流过余热锅炉的气体仍有足够的能量(热量或可燃物)，则下列方法可在能量回收步骤25中实施。
(i)将余热锅炉的气体用适当的设备如陶瓷过滤器除去灰尘并加到气体透平中以发电，水蒸汽用一个后续余热锅炉回收且余下的排到大气中；来自两个余热锅炉的水蒸汽加到水蒸汽透平中以发电；该方法对低热值高压(20-40atm)气体是合适的。
(2)将余热锅炉气体用气体净化器如涤气器处理并加到气体或柴油机中以发电，水蒸汽用一个后续余热锅炉回收和余下的排列大气中；来自两个余热锅炉的水蒸汽加到水蒸汽透平中以发电；该方法对常压含残余可燃物的低或中等热值的气体是合适的。实施方案2在图1所示的流程图中，分离后的水8可借硝酸化—脱氮法用活性污泥处理，参照图2描述本发明的第二个实施方案。
分离后的水8与返回的污泥40及循环脱氮液41一道流入厌氧条件的第一脱氮槽42，在循环脱氮液41中的硝酸被活性污泥中的脱氮细菌还原分解(脱氮)为氮气。在第一脱氮槽42中，分离水8中的BOD物质起着脱氮还原剂的作用且如果它不够，可从外部加入有机工业化学品如甲醇46以补偿用作还原剂物质的不足。离开第一脱氮槽42的含活性污泥液体然后流入需氧条件下的脱氮槽43，在此该液体中的氨用活性污泥中的硝酸化细菌氧化成硝酸，随后绝大部分流出物返回到第一脱氮槽42，余下的被送到厌氧条件下的第二脱氮槽44中，在此硝酸被脱氮，流出物被送到需氧条件下的再曝气槽45。在需氧条件下的硝酸化槽43中，液体中还原物被氧化分解且不再流到第二脱氮槽44；因此必须加甲醇46或其它适合的脱氮还原剂到第二脱氮槽44。在残余甲醇于再曝气槽45中氧化分解后，含活性污泥的液体被加到沉降槽47中，在此它被分离成固体部分和液体部分。分离后的水48被加到图1所示的后处理步骤14中。沉降槽47不是分离含活性污泥液体成固体部分和液体部分的唯一设备，任何已知的分离器都可使用如膜分离器和离心分离器。部分分离后的活性污泥作为料流40返回到第一脱氮槽42中，余下的作为剩余污泥49输送到图1所示的增稠步骤6中。
在图2所示的流程中，甲醇46在合成步骤50于气体混合器21中由一氧化碳和氢气合成。且发现合成的甲醇与迄今使用的工业级甲醇一样有效，因而大大地降低了脱氮处理的成本。
在实施方案2采用的方案的硝酸化—脱氮方法中，大量的电需要用来操作各种马达驱动的机器如脱氮槽43的鼓风机(用来供应氧化氨必需的氧)，用来供应分离水8的泵，用来循环脱氮液体41的泵和强制返回污泥40的泵且这些机器可用气化炉19供应的气体发的电来驱动。实施方案3图2流程图中的部分返回污泥40可经过旁路管线并且在它与用来处理分离后的水8余下的返回污泥40混合前用臭氧处理。现参照图3说明本发明第三个实施方案。
图3所示的流程与图2所示的差别在于部分返回的污泥40流过旁路管线并加到臭氧接触塔51和加入的甲醇46是商购的而不是合成的产品。
图3所示系统假定了下列操作条件分离后的水8的流量50m3/天；分离后的水8的质量BOD＝1550mg/L，NH3-N＝800mg/L；硝酸化槽43中的水温23℃；活性污泥浓度2550mg/L；返回污泥40的浓度5900mg/L。来自沉降槽47的返回污泥的约20％流过旁路管线55以加入氧接触塔51，向该塔中加入100ppm来自臭氧化发生器的臭氧53。污泥保持在中间槽52直到没有残留臭氧且随后与余下的返回污泥40混合。因此甲醇的加入量可下降约10％，剩余污泥49的产生量下降约15％。因为臭氧有强烈的杀菌作用，流过旁路管线55的返回污泥的量增大或如果臭氧53直接加到返回污泥40中则必须小心。具体地说，首先加入的臭氧量必须极其少以使得它不会对活性污泥有任何有害影响且臭氧浓度根据不断监测操作情况逐渐增大。
甲醇46的加入量和剩余污泥49的产生量由于下列两个可能的原因降低由于臭氧53的作用，活性污泥中的微生物表面的细胞外聚合物被分解成可生物同化的低分子量物并溶于水中；其次，低分子量物质在脱氮作用中有效地起着还原剂的作用。
臭氧化发生器54所需的电由利用安装到图1所示系统热能回收步骤25中余热锅炉的水蒸汽的发电机来供应。实施方案4
在另一个实验中，含人粪尿污水料流用常规活性污泥法来处理且气化炉不仅加入在含人粪尿污水1处理期间产生的固体物而且加入主要由纸、塑料和下脚料等组成的生活垃圾。沉淀剂4或5未加到含人粪尿污水1中，该污水经有1mm网孔的旋转筛60过滤，临时保持在贮水槽9中并加入活性污泥曝气槽63中。下面参照图4说明进行该实验的实施方案。
含人粪尿的污水1通过旋转筛60以除去外来杂质3。分离水61在贮水器6中作短暂停留后，在需氧条件下与返回的污泥62一起供入曝气槽63中。流入液在曝气槽63中除去BOD组分，再供入沉降槽64中，在该槽中分离活性污泥。一部分分离出的污泥作为返回污泥62又供回到曝气槽63，而其余污泥作为剩余污泥66送入脱水步骤67，在这里它与除下的外来杂质3一起脱水。脱水污泥与生活垃圾68一起送入气化炉19中。
从沉降槽64中溢流而分离的水65中不含BOD组分，但是通过活性污泥处理既不能除去氮也不能除去磷，因此它们都以较高含量含于分离水65中。所以，最好将分离水65用作液体肥料而不是将它排入河中。
根据图1所示流程，燃烧由气化炉19产生的气体混合物21，并且处理含人粪尿的污水1所需的全部电能是由接在能量回收步骤25的发电机(使用气体发动机)提供。
除了在上述四种实施方案中使用的方法以外，含人粪尿的污水1也可通过各种其它已报导的方法及其改进来处理。
本发明还包括以下情况，即含人粪尿污水直接地和/或在处理之后，经受一个过滤步骤，这一步骤使用一个填充不可燃颗粒物如砂子的过滤装置，并且将截留的固体供入一个流化床热处理装置，下面参照图5-8描述这种情况的四个实施方案。实施方案5根据图5所示流程处理含人粪尿的污水1的料流。在过滤步骤72中通过砂子除去含人粪尿污水如人粪尿，污泥供料中的固体。分离水73在贮水器74中短暂停留之后，被送入分离水处理步骤76。而分离的固体77经过干燥步骤78或直接停留在料斗79中，然后被送到流化床气化炉80中，并在该炉中气化。产生的气体81经除尘之后，或者通过发电机(如气体透平，气体发动机或紫油机)用作能源，或者燃烧通过余热锅炉而产生水蒸汽，用作产生水蒸汽的能源，这些水蒸汽将通过水蒸汽透平用在发电机中。由气化炉80中得到的不可燃烧物82除砂子之外还包括固体物85。它们通过分离器84如重力分离器84被分离，或另外，它们也可以直接用作循环到过滤步骤72中的补充砂83。
用于过滤步骤72中的过滤介质可以是不可燃的颗粒物如粒径为0.3-3.0mm的砂粒。过滤步骤72所要求的过滤速率随着操作参数而变化，这些参数可以是例如待处理污水(液体污泥)的温度，其粘度，固体物的浓度及其状态(絮凝或非絮凝的)，过滤介质的粒度及过滤层的压力，因此过滤器的面积必须在预先现场试验的基础上确定。也可以使用压滤，但是如果有足够空间来建造过滤装置，优选重力过滤。在重力过滤的情况下，可以使用日晒干燥法。
如果过滤速率极低，可通过添加沉淀剂如聚合物(有机高分子量沉淀剂)或熟石灰来提高。
推荐用一个刮除器来去除分离的固体物77。
分离水处理步骤76可通过常规用来处理含人粪尿污水的方法来进行，如厌氧消化，氨汽提，活性污泥工艺，生物硝酸化—脱氮作用，絮凝，臭氧处理，膜处理和活性炭处理，这些方法可以单独或结合一起使用。
在分离水处理步骤76中产生的污泥5如剩余污泥或絮凝污泥需要与含人粪尿污水71一起送入过滤步骤72中。
根据本发明，除了污泥，由其它废水处理装置产生的污泥也可与含人粪尿污水71一起处理。还可以通过气化炉80气化由这类其它处理装置产生的分离污泥。
正如已经联系现有技术所述的，在每一步含人粪尿的污水处理之前提供了一个粗砂室，这不仅可以防止由于砂子淤积导致每个反应槽容积的减小，而且还可防止相关设备被砂子的磨损。在本发明中，过滤步骤72中作为过滤介质的砂子可以通过由污水带入系统的砂子来补充，因此粗砂室也可以用一个槽来代替，其中通过沉降除去比砂子大的卵石(或砾石)。由于卵石远比砂子沉降快，所以用来代替粗砂室的槽可以只有很小的容积。即使砂子与其它固体在过滤步骤72中被刮除，它也可以在气化炉80中用作流化砂。从而确保通过刮除完全除去固体。此外，由于砂子补充而在数量上有所增加的流化砂可以循环用作补充过滤步骤72中的砂层的砂子，并且这种砂是清洁的，因为任何杂质都通过热处理而除去。
至于在日晒干燥床中，过滤步骤72可以使用厚度20-30cm的砂层和同样厚度的底层卵石层，并优选在卵石层之下安装集水管如多孔管。固体中的水含量是由气化炉(热处理装置)的热值许可限而决定的，如果许可限床足够，固体可以有较高的水含量。
如果生物气11在涡流型熔化炉(未示出)中燃烧，并且如果通过余热锅炉的气体仍有足够的能量(热或可燃物)，可通过以下方法回收能量(1)由余热锅炉排出的气体通过合适装置(如过滤器)除尘，并送入一个气体透平以发电，其蒸汽通过下一个余热锅炉回收，剩余物排放到大气中，而由这两个余热锅炉产生的蒸汽被供入一个蒸汽透平以发电，这种方法适合于低热值的高压(20-40大气压)气体。
(2)用一个气体净化器如涂气器处理来自余热锅炉的气体，并将其送入一个气体或柴油发动机以发电，其蒸汽被下一个余热锅炉回收，剩余物则排入大气。由这两个余热锅炉产生的蒸汽被供入一个蒸汽透平以发电，这种方法适合于含有残留可燃物的大气压下的低或中热值气体。
由气化炉80产生的气体81而生产的电能可用作人粪尿处理车间的电力。
除了分离的固体77之外，有机废气86如主要由纸，塑料和下脚料组成的有机工业垃圾或生活垃圾也可以供入气化炉80中，这不仅可以补偿由人粪尿处理车间消耗的电力，而且可以向外部设备供电。实施方案6
本发明方法还可用于具有低于含人粪尿污水的杂质(如悬浮固体和BOD)浓度的秽水处理。下面参照图6说明这一实施方案。
秽水供料89首先在粗砂室90中停留，然后被供入初沉降槽91，在那里固体如砂子103和有机悬浮物104被依次除去，分离水92被供入使用活性污泥方法的污泥处理步骤93中，处理后的水94排入河中。除了标准的活性污泥方法，其它已知的处理方法如硝酸化—脱氮方法，以及生物除磷方法也可用在秽水处理步骤93中。
如已经提到过的那样，秽水具有相对较低的固体浓度并以较大的量供入，因此，与可以直接引入到过滤步骤72中的含人粪尿污水或液体污泥相反，秽水优选首先供入粗砂室90和第一沉降槽91中，使得秽水在进入过滤步骤72之前分为固体和液体部分。但是，如果过滤步骤72的固体载荷量足够小，秽水供料89可以通过直接引入到过滤步骤72的旁路管线95而分流。
在秽水步骤93中产生的污泥96被送到过滤步骤72。由过滤步骤72得到的分离水97被传送到秽水步骤93进行进一步处理。由过滤步骤72得来的分离固体98被送到料斗99，再从那里送到流化床焚化炉100进行燃烧，得到的灰101或者直接地或者在一个分离器84中分离非砂固体85后，通过管线83传输到过滤步骤72。
如果从粗砂室90收集到的砂子夹带着卵石的话，任选地可以用一个筛子从卵石中分出砂子，使得只有砂子能引入到过滤步骤72。
在流化床焚化炉100中，填充在其中作为加热介质的砂子通过由炉底供入的空气而流态化，使得分离的固体98将与砂子混合并在极短时间内焚烧。为了获得均匀混合，优选地，在分离固体98被装入流化床焚化炉之前，用一个研磨机将其研磨成较小粒度。
焚化炉100的排出的尾气102可以供入余热锅炉，在此热量被转化为水蒸汽并供入发电机的蒸汽透平以发电，这些电可以用作工厂电力的补充来源，从而实现秽水的经济处理。实施方案7下面根据图7所示流程图叙述本发明的另一个实施方案。含人粪尿污水111如人粪尿或污泥的供料在粗砂室112中停留以除去砂子和卵石。流出物在接受槽113中作短暂停留，然后用粉碎泵114强制其通过预处理筛115(网孔1-3mm)，由此将流出物分为固体部分(筛上料)116和液体部分(分离水)117。筛上料116被送到筛上料脱水装置118，从中得到脱水筛上料。脱水滤液120与分离水117混合，在贮水器121中滞留足够的时间，以在它被引入到第一消化槽122(搅拌下保持厌氧条件)中之前调节液面的变化，引入第一消化槽之后，再引入到第二消化槽123(不搅拌，保持厌氧条件)。搅拌可以用气体或机械装置来完成。气体搅拌使用通过鼓风机从槽底强制鼓入的气相的气体，而机械搅拌使用旋转桨叶搅动槽中的液体。气体搅拌比机械搅拌产生更强的搅拌，但另一方面，它消耗更多的电。
在消化槽122和123中，易降解的有机酸快速分解为生物气(甲烷和二氧化碳)124，另一方面，经过较长时间后悬浮固体转变成低分子量物质，最后，它们也分解为生物气124。悬浮固体是高分子量物质，其中许多有较低的生物降解性，因此只有有限的一部分悬浮固体能分解为生物气。在第二消化槽123中也产生生物气124，但由于没有搅拌，固体将沉降，因此必须作为一部发消化污泥125排入过滤步骤126。在第一消化槽122中(进行搅拌)，砂子和其它高比重固体随着时间而积聚，优选定期排出沉积物。从第二消化器123得到的上清液127含有残留氮和磷，因此可用作液体肥料。如果上清液127将排入河中，优选除去氮和磷组分，以防止接受水的过营养化。为了从上清液127中除去残留的悬浮固体，可将上清液的一部分或全部通过旁路管线128送到过滤步骤126。滤液129与上清液127混合，或者排入河中或者用作液体肥料。
由过滤步骤126中排出的截留污泥130与脱水筛上物119和由粗砂室112得到的沉降砂131混合，并装入料斗132，由那里将它们供入流化床焚化炉133进行焚烧。由焚化炉133产生的燃烧气体134中的灰136通过除尘装置135如电收尘器或袋收尘器除去。尽管图中未示出，可以装上一个余热锅炉回收水蒸汽以便利用尾气134的热量，这也是一种有效利用能源的方法。如果需要，热回收管也可插入到流化床焚化器133中以便将水蒸汽作为能源回收。
在含人粪尿污水111的处理过程中，分离的砂子和夹带在过滤步骤126中刮除截留的污泥130中的砂子都将增加在焚化炉133的流化层中的砂量，因此，一部分流化砂137可以直接地，或者通过合适的分离装置如筛子或重力分离器分出流化砂中的外来杂质139之后，循环作为过滤步骤126的补充砂。循环砂是清洁的，因为任何污染物均进行了热处理。
粗砂室112中的沉积物131不仅含砂，而且还含有粒径约10mm的砾石，因此，在沉积物送到流化床焚化炉133中之前，优选用筛子或其它合适装置将砾石除去。沉积物131可以送到过滤步骤126，从而可将其用作过滤砂。如果筛上物116被送至过滤步骤126，它们不需脱水，从而可以省去脱水装置118。
含人粪尿污水可从粉碎泵114传送到第一消化槽122，而无需通过筛子115和贮水器121。在这种情况下，流入第一消化器122的污水具有如此高的固含量，以至不仅需要通过增加搅拌力度确保完全混合，而且应该引起足够重视以避免体积载荷变化的影响。
水温优选保持在38℃，以在第一消化槽122进行中温发酵，从而使有机物能以固定方式气化。一种方便的加热方法是将由流化床焚化炉133产生的热量而生产的水蒸汽直接注入第一消化槽122中。每个消化槽的有放容量应该这样调节使得分离水117的滞留时间约为15天。
生物气124，任选地在用铁基脱硫剂脱硫之后，可在一个气罐中暂时储存，然后用作流化床焚化炉133的辅助燃烧，或用作其它燃烧器的燃料。
用于过滤步骤126中的过滤介质可以选自已知类型的不可燃颗粒物，包括砂子(粒径0.3-3.0mm)，碎陶瓷，炉灰熔渣和沸石。过滤步骤126所要求的过滤速率随着操作参数而变化，这些参数可以是例如待处理污水(液体污泥)的温度，其粘度，固体的浓度及其状态(絮凝或非絮凝的)，过滤介质的粒径及过滤层的压力，因此过滤器的面积必须在预先现场试验的基础上确定。也可以使用压滤，但是如果有足够空间来建造过滤装置，优选重力过滤。如果在重力过滤方法中使用日晒干燥法，通过过滤和蒸发的协同作用可以实现有效的脱水，因此在天气热的地区推荐使用日晒和重力过滤的共同使用。通过参考已知的实例可以构造有效的日晒干燥装置。
至于在日晒干燥床中，过滤步骤112可以使用厚度20-30cm的砂层和同样厚度的底层卵石层，并优选在卵石层之下安装集水管如多孔管。固体中的水含量是由气化炉(热处理装置)的热值许可限度而决定的，如果许可限度足够，固体可以有较高的水含量。
通过添加沉淀剂例如聚合物(有机高分子沉淀剂)或熟石灰可以提高过滤速率。
在优选的情况下(未示出)，上清液127可以进行曝气处理或需氧生物处理，并且处理后的液体或从液体分离出的污泥供入过滤步骤126中，作为需氧(氧化)处理的结果，上层清液127中的细残留固体将凝聚成粗的絮凝体，从而使过滤更加容易。
刮除器是推荐用来除去分离固体112的装置。实施方案8含人粪尿污水可以按图7所示简单流程进行处理，下面将参照图8，叙述具有在气化炉中气化未过滤固体这一附加特征的实施方案。
如图8所示，含人粪尿污水111的原料通过筛网141以除去大尺寸固体，然后供入厌氧消化槽142中。网孔适宜为1-10mm(对旋转筛)和5-20mm(对棒条筛)。为了分离砾石及其它污物，优选使用约3-7.8mm的筛孔。与图7所示实施方案相比，将流入厌氧消化器142的相对较小的砾石、砂子和有机悬浮固体的量将增加，因此在消化槽142中，优选进行能提供强力搅拌的气体搅拌。
为了进行气体搅拌，罐142中的汽相气体143被鼓风机144抽出，并强制通过管子145以接近槽142的底部，从而满意地搅拌其内容物。由于消化器142是单槽，其有效容积应设计成能够允许含人粪尿的污水111滞留至少20天，由于搅拌作用，从消化槽的流出物146中悬浮有固体，因此，它全部供入过滤步骤126以进行过滤。在这个实施方案中，没有安装粗砂室，因此有比实施方案7更多的砂子要沉积在消化槽42中，因此要比实施方案7更频繁地进行沉降砂147的排除。如果需要，从消化槽142来的流出物146可以在曝气槽(未示出)中进行几天的曝气处理，从而如实施方案7那样可以提高流出物146的过滤特性。
由过滤步骤126排出的截留污泥148与筛上物149混合，再装入料斗150，从那里供入流化床气化炉151以产生气体。由于进来的含人粪尿污水111夹带的砂子，以及当载留污泥148在过滤步骤126中被刮除下时其中夹带的砂子，使得气化炉151中流化砂的量增加，因此，一部分流化砂153可以直接地，或者通过合适的分离装置如筛网或重力分离器分出流化砂中的外来杂质155之后，循环作为过滤步骤126的补充砂。
产生的气体152不含灰尘并且既可通过发电机(如气体透平，气体发动机或柴油机)用作能源，也可通过燃烧用余热锅炉回收的水蒸汽，在发电机中通过蒸汽透平而使用。
如果气体152部分地在涡流型熔化炉(未示出)中燃烧，如果气体通过余热锅炉(用来产生水蒸汽)之后，仍含有燃料气体，它可以通过参考图5而叙述的气体81的同样方法而处理，从而回收能源。
用从气化151的气体152生产的电可用作为人粪尿处理车间的电力。
根据本发明，有机污水如食品加工废水和由其它处理装置得到的分离污泥可与含人粪尿污水111一起处理。此外，料斗150中也可以装入有机废料157，如有机工业废料，主要由低，塑料和下脚料组成的生活垃圾，以及脱水污泥，它们被装入气化炉150，并且这不仅可以补偿由含人粪尿处理车间消耗的电力，而且还可向外部设备供电。
由消化槽142中放出的生物气124可以与从气化炉152来的气体混合，并用作能源。实施例根据图7所示流程图进行实验，只是用流经床气化炉和气化熔化炉的组合来代替其中的流化床焚化炉。人粪尿供料(100m3/天)在粗砂室中停留以除去砂子和砾石。流出物在一个接受槽内作短暂停留，然后通过粉碎泵被强制通过筛孔1-3mm的预处理筛，由此将流出物分为固体部分(筛上料)和液体部分(分离水)。筛上料被送到筛上料脱水装置，从而得到脱水筛上料。脱水滤液与分离水混合，在贮水器中停留，然后引入37-38℃并处于搅拌条件下的第一消化槽(1500m3)，再引入37-38℃并不进行搅拌的第二消化槽。在第一和第二消化槽中，有机酸和一部分悬浮固体分解成生物气(主要由甲烷和二氧化碳组成)，其产量为985m3/天，而消化的污泥(浓度，23kg/m3，流速，12m3/天)被排入砂滤槽中。
砂过滤槽的有效面积为300m2，含有30cm厚的砂层，和同样厚度的底层砾石层，砂子粒径为0.4-1.0mm。过滤(脱水)时间是5天，脱水污泥的平均含水量为82wt％。截留的污泥(2.2吨)与在粗砂室中滞留而除下的砂子，1.2吨脱水筛上料(含水量，58wt％)，2.0吨废轮胎和2.0吨有机生活垃圾(主要由低，塑料和下脚料组成)混合，混合物在一个流化床气化炉(参见图1)中燃烧。
流化床气化炉具有以下参数砂1.3m3(2.0吨)；砂层厚度(静态层高)0.6m；砂子粒径0.4-1.0mm；气化温度；在流化层中500-600℃，在自由板上为700-800℃；空气比0.15；内压-20mmAg，空气流量147Nm3/h，产气量265Nm3/h；气体热值2500Kcal/Nm3。
在脱水污泥于流化床气化炉中气化之后，流化层中的砂子供入一个分离器中以分离粒径为0.4-1.0mm的砂粒，它们被循环到砂过滤槽。
在流化床气化炉中产生的气体混合物包括氢气，一氧化碳，水蒸汽，焦油和碳化物，该混合物被引入到气化熔化炉中，在该炉中混合气与空气在约1350℃的高温下发生快速氧化反应，空气以1130Nm3/h流量提供，空气比为1.15，由此以1480Nm3/h的量产生热(湿)气，气态混合物中的灰分在高温下熔化并以熔渣排出，同时，将有损于放出气体的有效利用的焦油也烧掉了。
本发明提供了以下优点。
(1)由污水处理产生的固体(污泥)以前一直被认为不利于它们能源的利用，但是，根据本发明，这些固体被气化从而能经济又简便地发电，这些电是处理污水的一种不可缺少的能源形式。
(2)使用流化床进行焚烧和气化处理，保证了随污水而带入的砂子可以回收和循环，既能用作流化砂又能用作过滤介质，而此前一直认为它是一件麻烦的事情。
(3)带入的砂子是不可燃废物，一般必须作为掩埋材料来处理，根据本发明，它可以作为截留材料来装填流化床气化炉和焚化炉，这也能够有效地利用不可燃的砂子，从而可以延长现有掩埋处的使用时间。
(4)如果污泥夹带的砂子从砂过滤床上被刮下来，也不会引起麻烦，因此，可以以一种简单而有效的方法来实现污泥的完全刮除。
(5)在污水处理中粗砂除去步骤可以明显缩短，此外，沉降的粗砂可以方便地处理，从而可以减轻除去粗砂工序的麻烦和脏累。
(6)当污水中的固体通过流化床焚化炉或气化炉与生活和工业垃圾一起处理时，原料污水中所含的砂子，通过含于由污水处理得到的污泥中的形式被送到这些炉中，因此很适合用作流化砂。
(7)进行生物硝酸化—脱氮所需的还原剂可以由污水处理装置中的气化炉中产生的气体来合成和提供，这也有助于硝酸—脱氮工艺的经济实施。
(8)由污水处理设备的全部工艺步骤中产生的固体和外部提供的有机垃圾可以同时并且容易地转变成能量(气化)并用于发电，因此，通过利用由气化产生的能源，可以经济地完成污水处理的各方面的改进，例如利用氨汽提以防止过营养化的气体处理，向肥料的转变，减少由于发电产生的臭氧而引起剩余污泥的产生。
(9)通过将生物气化(厌氧消化)工艺和燃烧相结合形成气体，在污水处理过程中产生的固体几乎可以完全气化，并且不同的能源能转化为共同的气体形式，它可以简单而有效的方式利用。
权利要求
1.一种包括人粪尿、污泥和秽水的污水的处理方法，包括以下步骤(a)将污水供入粗砂室，并停留以除去砂子和砾石；(b)将流出物在接受槽中作暂时停留，然后强制其通过一个预处理筛，由此将流出物分为固体和液体部分；(c)将固体部分送到脱水装置，由此得到脱水的筛上料；(d)将分离水引入厌氧消化处理装置，或生物脱氮处理装置，或活性污泥处理装置中，进行处理产生消化的污泥或剩余污泥；(e)将消化污泥或剩余污泥引入含有一个砂层和底层砾石层的砂过滤槽中；(f)将截留的污泥和在粗砂室中停留而除下的砂子、由筛上料脱水装置得到的脱水筛上料、包括废轮胎和生活有机垃圾的废物混合，并在流化床热处理装置，例如流化床焚化炉或气化炉中燃烧该混合物；(g)在流化床热处理装置中燃烧脱水污泥之后，将流化层中的砂子供入一个分离器中以分离砂粒，并将分离出的砂子循环至砂过滤槽中。
2.根据权利要求1的方法，其中厌氧消化装置包括处于搅拌下的第一消化槽和不进行搅拌的第二消化槽。
3.根据权利要求1的方法，其中在流化床气化炉中产生的含氢气，一氧化碳，水蒸汽，焦油和碳化物的气体混合物被引入气化熔化炉，并在炉中与空气发生快速氧化反应，由此在气体混合物中产生热气体和灰分，所说的灰分熔化并以炉渣排出。
4.根据权利要求3的方法，其中在污水处理工艺中分离氨，并将其用于由所述热处理装置排出气体的脱氮和脱硫中，以及用于氮肥的生产中。
5.根据权利要求1的方法，其中在所述热处理装置中通过气化或气化和燃烧相结合产生的气体被转化成还原剂如甲醇，并在污水的生物脱氮中使用。
6.根据权利要求2的方法，其中在所说热处理装置中产生的能量供入一个臭氧化发生器中，而且产生的臭氧用于所述污水的处理工艺中，以控制在生物处理步骤中剩余污泥的产生。
全文摘要
在一种处理污水的改进方法中，在污水如废水或液体污泥的处理中产生的固体通过热处理装置而处理，而所得热能和/或气体又被用于所述污水的处理中。污水可以直接地，和/或经过处理后，经受一个过滤步骤，该步骤使用填充不可燃颗粒物如砂子的过滤器，而截留的固体送入流经床热处理装置如流化床焚化炉或气化炉中，此后，热处理装置中的不可燃颗粒物又返回到过滤步骤。这样处理污水可以有效利用污水中有机物的能量或在污水处理中产生固体的能量。
文档编号F23G7/00GK1154949SQ9611851
公开日1997年7月23日 申请日期1996年11月28日 优先权日1995年11月28日
发明者藤村宏幸, 铃木隆幸, 山田纪夫, 一木嘉之 申请人:株式会社荏原制作所