专利名称：通过产生和利用氢氧气体从污水流中去除污染物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来处理污水流的方法和系统，所述污水流为诸如工业废水，城 市废水和其他。
背景技术：
如果未经处理就排放，许多污水中存在有害的物料可以对环境和/或人体健康造 成一种重大的风险。政府法规经常要求，必须在污水流可以被排放到环境中之前，对污水流 的各种有机，无机，化学，和微生物成分进行处理。例如，这种污水流包括工业和城市污水， 化学处理污水，动物粪便，造纸厂污水和其他的。图1呈现出一处理设备，图解说明现有技术中用来处理城市废水的系统。参见图 1，污水流入100进入废水处理设备的一初级澄清池102，在所述废水处理设备的一初级澄 清池102处，通过絮凝作用，沉积作用和其他主要的处理技术将原污泥104从废水中来分离 出来。从初级澄清池102出来的废水接着被运输到一曝气池106中，在所述曝气池106中， 需氧微生物108在有空气110存在的条件下，帮助处理的废水，所述空气110是被泵送到曝 气池106中的。接着将废水运输到二次澄清池112，在所述二次澄清池112中可以发生进一 步的处理。并且在二次澄清池中收集二次污泥114，且处理后的污水116被运输到水或其他 分布源的流出物主体中(例如，有时只有在被经过某种高级的处理步骤诸如消毒之后)。二次污泥114中的某些，通过118回收返回入曝气池106来帮助保持需氧生物降 解的处理。将剩余的来自于二次澄清池112中的二次污泥114和来自于初级澄清池102中 的原污泥104通过消化器进液120运输到厌氧消化池122。在厌氧消化池122中，厌氧微生 物124进一步降解污泥并产出副产物气体126，诸如甲烷128。将来自于厌氧消化池122中 的消化污泥作为液体130调离，所述液体130可以被直接应用于耕地或可以被送去脱水过 程132。来自于脱水过程，凝结(centrate)或小部分液体134通常被返回到净化结构100 的前端，且脱水的污泥饼136可以被用于焚化，土地应用，或其他适当的应用。生物固体是水和非常小的固体颗粒的混合物(主要为细菌和原生生物)。颗粒携 带一净负电荷，所述净电荷抵抗絮凝，例如，较小的颗粒聚结到较大的组分颗粒。为了产生 一基质，所述基质具有足够的多孔性以至于能够容许水通过基质的来活动并达到脱水，一 有机聚合电解质或聚合体通常被加入生物固体用作辅助调节。在简单的术语中，这些聚合 物本质上是具有许多活性位的长有机串或带，所述活性位具有一净负电荷。聚合物中和在 生物固体上的负电荷并将一颗粒结合到在聚合物上的每个活性位。聚合物具有以净作用来 相互粘贴的趋势，所述净作用创造出较大的颗粒，且结果是一多孔的基质，通过所述多孔基 质水可以在脱水程序中被排出。通常的聚合物调节具有许多与它所相关的问题。聚合物是昂贵的并且可以占一生物固体处理预算的操作花费的一重要的部分。生物固体的特征对于持续的基本原理的变化，和其对于提供确切数量的聚合物是困难的，所述聚合物需要在任何给定的时间来保证 足够的性能是可以不通过过量和浪费聚合物来获得的。通常被用来调节生物固体的聚合物 是高分子量，高电荷密度的材料，所述材料是抗生物降解的且被认为是对于水性生物有毒 的。存在关注的是任何在鱼和其他水生物种中的毒性作用。在储存的生物固体中的聚合物 的分解已经被与显著的气味的产出相联系起来了。污水流也可以通过灰化被处理。灰化是少数提供用于完全破坏病原体，病毒，和有 毒有机物的技术上可靠的方案的技术中的一种，其具有处理因包含高级的污染物而不能被 农业应用所接受的生物固体的能力。但是，高资本成本的一传统的焚烧炉和生物固体延伸 的预处理(例如，脱水)使得处理非常昂贵。因此，只有在非常大量的污水处理设备中，灰 化才通常地具有经济性，在所述污水处理设备中从规模效益中才可能获得利益。为了避免在现有技术的焚烧炉系统中，在的燃烧程序过程中禁止昂贵大量的输入 能量的消耗，生物固体必须被脱水来得到一具有大约30%的固体的饼。在这个水平上的干 燥，这种饼是一种可塑的，粘性的，半固体的材料，所述材料可以呈现出突出的可操作性问 题，所述问题相关于饼从脱水装置到焚烧炉的转移。饼的固体含量变化和伴随的热负荷的 变化也可以使燃烧处理非常难于控制的。生物固体的稳定对于废污泥的农业应用是一强制的先决条件，且取决于特定的地 点，可以通过联邦政府，州或者省当局来规定。这种规定保护了人体的健康和环境，防止了 与包含在生物固体中的病原体相联系的潜在风险。监管当局通常规定什么样的处理程序是 可以接受的和/或特定的病原体在什么水平是可以在治疗产品中容许的。通常，稳定出现 在一个或更多个以下的程序中依据特定时间/温度制度的，有机物质的生物降解，提高的 PH，减少湿气和废物处理。所有这些程序是相对昂贵的，且可能是需要消耗大量能量的，需 要大量的混合物，或是难以控制的。操作传统废水处理设备需要的电力通常需要从一配电网中购买。因为来自于电网 的能量已经是便宜的和安全的了，而用来发电的设备的资本成本是高昂的，且仅有低廉的 用来产生能量的燃料源是消化气体，因此目前只有很少动机来在原位产生电力。但是，存在 一定数量的关于利用消化气体作为一能量源的问题。虽然它包含了高百分比的甲烷，消化 气体也是用水来饱和的，且含有突出含量的硫化氢。这使得消化气体是腐蚀性很强的，且在 先于其使用之前是需要大范围的清洁的。此外，与在其自身中的产生程序相对比，消化气体 只是水处理程序的副产品。产生的气体的量是小部分的生物固体稳定程序和不能被修改来 满足变化的要求。富甲烷生物气体的燃烧也产生突出的温室气体排放。在大多数固体已经被从流入的废水中分离开之后，剩余的流出物通常被清除，为 了将其排放到环境中做准备。污水流出物的清除已经是以往通过添加氯化合物来完成的。 存在较大范围的与处理氯化合物相联系的健康和安全关注。在最近几年中，存在不断增长 的关注，所述关注是在流出物中的氯可以与有机材料相结合来产出氯化有机物，所述氯化 有机物既有毒又是潜在致癌的。虽然已经做出了一些努力来替换用较低毒性的氯化合物， 存在对于逐渐停止使用氯作为清除剂的广泛产业的趋势。在废水处理中被采用的其他清除技术涉及使用紫外光或臭氧来摧毁病原体。这 些处理都不能在处理的流出物中留下可评估的残留来影响环境。但是，这些系统资金和操作的花费都是相对高昂的。就紫外线处理来说，需要包括直通结构的建设，和多紫外灯炮 (灯)的资金花费。操作的花费包括能量，灯泡的替换，和有规律的清洁灯泡。对于用臭氧 来清洁主要的花费包括臭氧发生器和商业用作提供来源的氧气。当空气被用作提供来源， 臭氧发生器的尺寸必须是大约双倍的，因此是双倍的资本花费。对于水在一废物处理设备中的许多应用需要相对高质量的对于悬浮颗粒物是自 由的水，但是对于它不需要被氯化或具有一氯残留物存在，通常对于饮用水就是这样的。由 于存在悬浮的固体，所以最终的流出物不满足这些标准。因为悬浮的固体产生一聚合物需 要在补充水的自身中，因而作为一可替换的应用诸如构成聚合物是不合适的。目前，净化结 构对于这些高质量特质没有可替换的使用，除了使用饮用水，该饮用水必须从市政水供应 系统购买。本发明的发明人已经认识到需要改善的用于絮凝作用，灰化，脱水，能量效率，稳 定，流出物清除，和污水处理厂中高质量处理水的生产和用于处理其他类型的污水流的方 法和系统。
发明内容
一种用于废弃物处理系统中处理污水流的方法和系统，涉及运行废弃物处理系统 的一单元过程，通过将污水流与富氢氧气体接触，所述富氢氧气体是原位通过一氢氧气体 生成器生成的，所述氢氧气体生成器配备了水分解技术。在一个实施例中，氢氧气体生成器 涉及将一脉冲的电信号应用于一系列的密集的电极，将所述密集的电极放入污水流用来从 污水流的一水组件中产生富氢氧气体。在污水流中操作氢氧气体生成器可以实现单个或多 个在其他物质中用于废弃物处理，诸如调节，稳定，增厚和脱水的单元过程。在废弃物处理系统中，至少一部分的富氢氧气体可以被转移用于第二次使用，诸 如一燃料的来源用于例如灰化或生成粉末。氧气也可以被从富氢氧气体中分离出来用于废 物处理系统曝气池或用来供应臭氧发生器，所述臭氧发生器可以被用于废物处理系统的流 出物的清除。从富氢氧气体的燃烧中的排放可以被冷凝来复原在处理系统中的用于各种使 用的水。本发明附加的方面和优势将从以下其中的实施例的详细的说明中可见，从关于附 图开始。
图1是一示意图，阐明与现有技术中相对应的污水处理设备的组件；图2是一示意图，阐明与第一实施例相对应的污水流通过一污水处理系统的处 理；图3是一示意图，阐明与实施例相对应的一污水处理系统，在所述实施例中氢氧 气体产生装置可以在水处理系统中被用来执行一个或多个单元过程；图3-1是一示意图，阐明一废水处理设备，在所述废水处理设备中一氢氧气产生 装置是在设备的厌氧消化器和用于执行调节和/或絮凝单元过程的脱水程序之间合成一 体的；图3-2是一示意图，阐明一废水处理设备利用一氢氧气产生装置来代替厌氧消化器用于执行一稳定的单元过程；图3-3是一示意图，阐明一废水处理设备利用一氢氧气体产生装置来脱水作为灰 化单元过程的预处理；图4是一示意图，阐明通常的次要用途对于富氢氧气体通过一个或多个单元过程 来产生，所述单元过程采用依据图2，3-1，3-2，3-3和5的氢氧气体产生装置。图5是一示意图，阐明一设备符合于不同的实施例并显示出了它在污水处理设备 中的污水生物固体的处理中的应用，例如作为图3-1，3-2，和3-3的实施例。
具体实施例方式贯穿于本发明，参照于“一个实施例，，，“一实施例”或“某些实施例”意味着一特 别描述的特征，结构或性质是被包括在至少一个实施例中。因此出现的短语“在一个实施例 中，” “一实施例中，”或“在某些实施例中”在不同那个的短语贯穿于本发明的是不一定所 有的参照于相同的实施例。因此，在任何适合的方式描述的特征，结构，或性质可以结合在 一个或更多个实施例中。此外，被描述的特征，结构，性质和方式可以结合任何合适的方式在一个或更多个 实施例中。本领域的不同技术人员将认识到不同的实施例可以在没有一个或更多个特定的 细节的情况下，或与其他方法，组件，材料等一起的情况下被实践。在另一个例子中，公知的 结构，材料或操作没有被显示或没有被细节描述，以避免使实施例方面的模糊。图2是一示意图，阐明污水流202通过简单的处理系统204进行的处理，所述处理 系统204与第一实施例相对应。关于图2，例如污水流202可以包含一流入的污水流，诸如 工业或城市废水(原污水)。作为选择，在大量废物处理过程的情况下，污水流202也可以 包括例如中间污水流诸如澄清液或生物固体。在其他实施例中，污水流202可以包括例如 化学处理流出物，动物粪便，造纸厂流出物，垃圾堆浙出物，海的污水，流出的雨水，地下水， 地表水，原位处理程序流出物和环境污染物补救程序流出物。在经历了单元过程206之前， 污水流202可以受到初步处理步骤，如筛选和沉砂清除，具体描述如下。当污水流202包含 原污水流入物时，筛选和沉砂清除可能是特别重要的。在一个实施例中，单元过程206包括一个氢氧气体发生器207 (GGl)，在废物处理 系统204的进口 210和出口 212之间，其被插入流径208以从污水流202的水的组成生成 富氢氧气体214。较佳的，富氢氧气体214生成于污水流202，泡沫通过或否则穿过至少流 径208的一部份因此来接触至少一部分污水流202。在一些实施例中，水的部分是分开于 污水流207的通过使用半透膜或其他分离技术且气体发生器207被沉浸在隔离的水的组分 中。在其他一些实施例中，富氢氧气体可以产生的外部流动路径208，并增加单元过程206 来联系至少一部分污水流202。例如，用于氢氧气体发生器207的水源可包括自来水，地表 水，或水的组成部分，所述水的组成部分已被分离于污水流。单元过程206可以作为一个单步废水处理程序操作，其中规定的污染物，例如生 化需氧量(BOD)，氨，磷，悬浮固体和病原体。通过运作在流径208中的气体发生装置，从污 水流202中去除调节的污染物。例如，在污水流202中包含城市废水，有机污染物(生化需 氧量)是通过载于富氢氧气体214上的氧化化合物氧化的。挥发性污染物，它蒸发到不同 程度，在正常废水处理温度，如氨(无机)和丙酮，甲苯，二氯甲烷和二氯苯(有机)被剥离(从液相到气相转移)由废水通过向上流动富氢氧气体214，所述富氢氧气体214产生自氢 氧气体发生器207 (GGl)。固相污染物诸如悬浮固体和磷被通过自然浮选机理去除，所述浮 选机理是由富氢氧气体214建立的，所述富氢氧气体214以从氢氧气体发生器207 (GGl)的 微气泡的形式被产生。收集剥离的挥发性污染物，在单元过程206的表面，在与去富氢氧气 体214相结合，且被运输到第二程序模块222，在所述处理模块222中它们可以被连同富氢 氧气体220 —起被燃烧或从富氢氧气体中通过处理诸如膜分离用于进一步的处理(没有显 示)。通过从单元过程206中撇沫漂流物层或通过随后的沉降，固体部分216可以从液体流 中去除或直接去除。在这个实施例中，作为单步污水处理程序，生物处理不是单元过程206 的一组件，且因此生物固体的产生没有出现。在这个实施例的固体部分不是生物颗粒，而是 由惰性，无机固体216组成，其可以直接的被不经进一步处理地放置于垃圾堆中。处理后的 污水流是同时清除过病原体的，以至于它满足对于流出物218的管理的和工业的标准。其 后流出物218可以被直接释放到一表面水的主体中诸如河流，例如，或在废物处理系统204 中的重新使用。在另一个实施例中，流出物218可以经受进一步处理(没有显示)诸如第 三砂滤，在单元过程206之后并在释放和重复利用之前。在接触污水流202之后，富氢氧气体220的出口量可以从单元过程206运输到废 物处理系统204的第二程序模块222，例如诸如灰化单元。图4，如下所描述的，阐明了对于 富氢氧气体220不同的其他的第二用途，跟着的是它在单元过程206中的利用。取决于不 同类型的第二用途对于所述第二用途富氢氧气体220是被采用的，不使用的富氢氧气体或 第二程序222的副产品224，可以被复原，否则就被运输到一个或多个其他的处理模块226 用于在废物处理系统204或外部使用的第三方面。氢氧气体发生器207可以实现水分解技术，诸如钱伯斯(Chambers)在U. S.专利 号6，419，815和6，126，794中公开的类型，也出版于Xogen能量有限公司。(以下“Xogen专 利”)。像描述在Xogen专利中的，在3-5栏中，气体发生设备与实施例相一致，包括电极“电 池”每种包含两个或多个空间上隔开的电极，所述电极适应于被投入包含水的工作流体。在 这里描述的实施例中，工作流体包含污水流202。电极较佳的由相同的材料做成。一个电极 材料是不锈钢因为其花费较低和耐久性，但是其可能用其他有传导力的金属。保持电极之 间平等的间距并且较佳的减小电极间的间隔。但是，电极间的间隔不能被放置在过度接近 的位置，因为会发生电极间的电弧放电。已经可以确定的是Imm的间距或更少是最佳的间 距对于生成富氢氧气体，但是大至大约5mm的增长后的间距可以有效地工作，尽管由于在 电极间固体的积聚较不易于受积垢。间距在大于5mm也可以是可行的，但是倾向于减少氢 氧气体的输出和增加能量的需求。较佳的是包括许多对的电极(例如几打或几百)在每个电池中。电极可以几乎是 任何形状，但是较佳的包含平板，间隔接近的且相互之间是平行的。另一种实施例可以包括 同轴对齐的圆柱体。绝缘隔离片被插入相邻电极之间来保持在电极之间相等的间距来防止 在其之间的电流泄漏。在Xogen专利中的进一步描述，一高频脉冲直流(DC)电信号被应用于电极。脉 冲信号可以几乎是任何波形且具有不同的电流等级，电压等级，频率和标间比率(即，一单 脉冲的持续时间对于在两个连续的脉冲之间的间隔的比率)。电源用于能源供应的可以包 括电源Iio伏特或电池，诸如12-伏特车用蓄电池。例如，能量供应可以包含两个12-伏特的电池，以一系列排列来提供一 24-伏特的供应。为了供给动力一大范围的气体发生器 GGl在一大的废物处理系统诸如城市污水处理厂，一更复杂的能量供应可以被需要用来产 生24-伏特脉冲DC信号，具有足够的能量来驱动需要的大电池。或，多个较小的电极电池 可以被提供用来在反应器或其他反应区中过多和空间隔开的，在所述反应器或反应区中的 情形中电池可以通过更简单的独立的电源供应来驱动。一控制器被用来与电池或其他能源连接来产生一中不同的脉冲的输出波形，诸如 一方波，一锯齿波，或一三角波，所述波形可以被应用于电极。最好的结果用来产生富氢氧 气体已经具有获得用的一方波。在一实施例一脉冲信号具有一传号-空号比大约11和 10 1之间和一脉冲频率大于10-250kHz。在脉冲信号从电源供应启动后，电极不断地且几乎瞬间地从水分子在一相互作用 区域产生富氢氧气泡沫，所述相互作用区域在电极间延伸并些微地超出电极的边缘。产生 的泡沫不是成束在电极周围或在电极上的，且因此容易地浮到液体的表面在反应容器或其 他反应区域中。因此，不存在需要增加化学催化剂来帮助溶液或电导或抑制成束于电极周 围或在电极上的泡沫。因此，许多不同类型污水流可以被用作工作流体，如可以是其他水 源，诸如水表面且普通自来水。图3是一示意图，阐明一废物处理系统240，在所述废物处理系统240中氢氧气发 生器GG2，GG3，GG4和GG5可以被用于进行废物处理系统240 —个或更多个单元过程242a， 242b，242c和242d (共同的单元过程242)。氢氧气体发生器GG2，GG3，GG4和GG5可以包 含相似于那些在这里描述的装置(项207和500)关于图2和5，例如。关于图3，废物处理 系统240包含城市废水(原污水)。但是，一致于不同的其他实施例，废物处理系统可以， 或，被安排和配置来处理不同类型的污水流，诸如工业废水，或者处理流出物，动物粪便，造 纸厂流出物，垃圾堆浙出物，海的污水，流出的雨水，地下水，地表水，原位处理程序流出物 和环境污染物不久处理流出物，例如。污水流入物可以用初步澄清池246处理，曝气池248 和最终澄清池250与所知的方法相一致，在所述方法中生物固体252被从污水流244中以 原污泥254和废活性污泥256的形式移出。在处理的废水之前可以作为流出物258释放，其必须通常地被清除来防止病原体 进入获得的水，在所述水中它们可以呈现出一健康的风险。如上面所描述的，传统的清除步 骤利用紫外(UV)辐射，氯或臭氧。与一个实施例相一致，清除处理单元260或是被替换或 者被补充通过一插入处理的污水流中的流径的氢氧气体发生器GG2，在最终澄清池250和 流出物出口 258之间。脉冲的电信号被应用于氢氧气体发生器GG2来操作产生富氢氧气 体且，通过其操作，清除处理的废水。过量的富氢氧气体(H2/02) 262可以接着被运输到第 二次使用在废物处理系统内，如下面所描述的关于图4。或者，一富氢氧气体(H2/02)的氧 气元件生产于一个或多个单元过程242，除了单元过程242a可以被运输到清除单元260作 为清除处理单元260的臭氧发生器的供给源，其对于流出物的清除可以导致实质上的全部 成本节省。通常地，在用作对于臭氧发生器的供给源之前，氧气元件可能需要被从富氢氧 气(H2A)2)中分离。一种可能的技术对于分离氧气元件从富氢氧气体中，被认为是变压吸附 (“PSA")，其中的一种版本是可用于气体分离设备的，由伯纳比，不列颠哥伦比亚，加拿 大的QuestAir科技有限公司出售。在图3中和在本说明中的任何地方，表示法”H2AV'被用于象征富氢氧气体，没有限制来清洁氢氧气体或纯的二原子的氢(H2)和二原子的氧(O2)气体混合物。富氢氧气体 通常地由主要是氢和氧的气体混合物组成，但是可以包含至少一些形式上的氧和氢，除了 二原子的氧(O2)和二原子的氢(H2),例如诸如氢基。富氢氧气体可以进一步包括可测量的 成分，除了氢和氧其可导致，例如，来自于在高浓度的污染物存在的情况下氢氧气体发生器 的操作或来自于与在污水流的污染物的反应中产生的氢氧气体。例如，小量(例如到 4%摩尔分数)的二氧化碳(CO2)气体通常可以存在于产生的富氢氧气中来自于废水或自 来水中。微量的氮也可以存在于富氢氧的气体，特别当从污水中产生，且可以表明氮化合物 的崩溃出现在污水中的。此外，氧和氢对应于实施例气体发生器GG2-GG5产生，通常被产生 于大约1 2的化学计量比，分别地，尽管此处用了缺乏化学计量比的表明或其他气体成分 在简化表示法"H2/02"。在稳定单元过程242c之前，生物固体252以废活性污泥256的形式存在可以经受 一增厚单元过程242b。与一个实施例对应，一传统增厚处理264诸如重力带过滤，分离，或 溶气浮选(DAF)，例如，被补充或被替换通过氢氧气体发生器GG3。氢氧气体发生器GG3较 佳的插入废活性污泥流中在最终澄清池250和下游生物固体处理程序诸如稳定242c，调节 242d，脱水266，干燥268和/或灰化270之间，例如。氢氧气体发生器GG3的操作较佳地导 致生物固体的漂浮性和其他悬浮颗粒(例如，收集固体在污水流的表面)，其导致在浓缩的 浮动层可以容易地被移除或自污水流中分离用于进一步的处理。在一具体实施例中，氢氧气体发生器GGS被放入被包含在一反应容器中的污水 中，并从大约60秒直到大约10分钟的间隔来操作，接着将气体发生器GG3的电源关闭。本 发明已经发现在操作气体发生器GG3的间隔后，大量的固体在污水的表面收集。在气体发 生器GG3的操作中当适量的固体可以在污水的表面收集，令人惊讶的大增长在浮动固体中 几乎立即发生，在气体发生器GG3去除通电和通过反应器的停止流循环之后(见附图5说 明，下方，来详细描述由泵526提供的循环流)。气体发生器GG3去除通电和停止循环流导 致静止的条件在反应容器内，所述反应容器容许固体无阻的飘浮。预备试验显示在操作气 体发生器GG3之后于一大约5分钟的间隔，接着没有循环流，去除通电于一段大约2分钟的 时期，固体浓度在漂浮层中的是4. 82%，相对的是0. 54%在供给材料中(例如，先于气体发 生器GG3的操作)。这代表一去除的93. 5%的污泥颗粒来自于原始供给材料。应该注意的 是这种分离有效，所述有效是相对于传统技术而言的，是在没有附加絮凝剂诸如有机聚合 物的情况下实现的。本发明的发明人参照于气体发生器的絮凝效果为“提取的气体絮凝作 用”。提取的气体絮凝作用单元过程包括一个或多个循环，没有循环包括以下步骤(1)用 来在大约60秒和大约10分钟之间操作气体发生器GG3 (通常地通过应用一高频率脉冲的 电信号)，(2)去除通电气体发生器GG3，(3)等待收集在流体表面上的单元固体(特别是在 大约30秒至2分钟之间)，以及(4)移除表面的固体(例如通过撇出表面)。循环可以被 持续地重复直到一期望得到量的固体被从污水中移出。生物固体252被应用于耕地上，通常必须是在应用以前被稳定的242c降低过病原 体的数量和生存能力。稳定通常需氧地实现(通过氧化)或氧氧地实现(通过转变有机材 料到甲烷，在有氧气存在下)。全部的方法是昂贵的用有氧稳定的是能量集中的和厌氧稳 定的是资本集中的。与一个实施例相对应，一氢氧气发生器GG4被用来稳定生物固体252 在污水流中和产生富氢氧气体(H2/02) 272。气体发生器GG4可以被放入反应容器502 (图3-2)，在所述反应容器中污水流进入直接接触富氢氧气体272产生于气体发生器GG4。比起 需要在一个传统的稳定处理274中所需要的利用氢氧气体发生器GG4来稳定可能需要一较 短时间的停留，来破坏或提供无害的有效量的病原体。因此，气体发生器GG4可以被直接浸 入连续的反应器来处理生物固体当他们通过反应器的处理区流动。在处理区中的气体发生 器GG4需要的尺寸和停留时间是满足规定的需要的稳定水平的功能(即，通过连续的反应 器的流径长度)。例如，如果目标是产生一 “A类”生物固体产品满足制定在美国环境保护 局("U. S. EPA")规章503中的标准，完成的产品通常必须具有粪大肠菌的密度在生物固 体少于1000最大可能数量(MPN)每克总的固体和一“矢量吸引缩小”诸如38%减少在挥发 性固体含量内。两种被认可的传统的方式来得到这种是通过亲热性需氧消化来处理的生物 固体，在温度从55°C到60°C维持一段时期10天(240小时)或在一可替代的时间/温度制 度50°C维持一段时间5天(120小时)。相反，实验性研究利用氢氧气体发生器GG4已经显 示出稳定和矢量吸引减少标准可以满足25°C的处理温度和4到6小时的批次停留时间。在反应容器内或流过处理区内，操作氢氧气体发生器GG4创造出一气氛，所述气 氛是相一致于稳定所需要的条件的。考虑到已知的特别系统的停留时间，当富氢氧气体被 释放时，反应器活处理区的实质内部的温度升高并可以被控制来获得需要的温度所必要的 温度。时间/温度制度可以被用户化来满足必需的规定和提供必需的病原体摧毁。液体的 停留时间也可以被单独于温度地被控制，具有的结果是可以获得任何时间和温度的结合。 以下的稳定化，生物固体也可以被脱水来用于农业应用或直接应用在液体注入规划中。氧 气通过气体发生器GG4释放产生高氧化的环境导致有机物质的氧化，其可以，在其自身中， 满足稳定化的需要。结合这两个稳定化的方法在一个步骤中提供潜在用于极度有效的处 理。结合这些条件可以有效地有作为“来进一步减少病原体的处理”作为描述在美国联邦环 保署(EPA)规章503中且可以产生可以被应用的A类生物固体，在液体的形式中，直接用于 耕地上。处理的材料可以产生更少的气味且吸引更少的矢量，诸如蝇的和啮齿类动物的，在 随后的处理和重复使用操作中。当这些优点与以释放的富氢氧气体272形式储存的产出能 量耦合时，期望的是稳定化单元过程242c的全部花费将会突出地低于传统的稳定化处理。在一些实施例中，一分离调节步骤242d在稳定242c后进行(或传统的274或通 过气体发生器GG4)，且脱水266之前。传统化学调节276涉及添加聚合物或有机聚电解质 来帮助固体颗粒的絮凝作用于从污水流中去除。调节相一致于一个实施例，利用氢氧气体 发生器GG5来补充或代替化学调节276。气体发生器GG5产生高氧化的和高温的状况，所述 状况倾向于破坏生物固体周围的多糖层，其可以呈现出对于生物固体絮凝作用的障碍。在 多糖中的减少改变生物固体的表面的性质来因此降低需要的聚合物量或，在某些情况，来 完全地消除聚合物添加的需要。因此，在调节单元过程242d中氢氧气体发生器的执行减少 了调节的花费，减少了毒性和气味产生的问题，且同时从生物固体污水流252的水元件中 释放富氢氧气(H2/02) 278。富氢氧气体278可以复原和运输用于第二次使用在废物处理系 统240中或其他地方。相似于稳定化242c，调节处理242d的气体发生器GG5可以通过其中 污水流流动浸入反应容器502 (图3-1)或放置于导管或其他流径的反应区内。此外，氢氧 气体发生器的利用可以容许全部的稳定和调节被同时执行于单独结合的稳定/调节单元 过程内，作为以下关于图3-2的论述。图3-1，3-2和3-3进一步表现了说明的关于污水处理设备的的实施例，所属污水处理设备包括氢氧气体发生器500用于处理包括生物固体的污水流。关于图3-1，3-2和 3-3，在300-系列中参照的数字相联系与图1中相应的100-数字系列的，如上所描述的。例 如，在图3-1，3-2和3-3中，主要的澄清池是通过参照数字302来表达的，其对应于参照数 字102对于相应的图1的单元过程。在图3-1，3-2和3-3中的细节用500-系列标号，参照 数字被描述在下方图5中更详细的地方。关于图3-1，气体发生器500被说明在厌氧消化器 322和脱水处理332之间的操作中用于执行调节和/或絮凝单元过程。在图3-2中，为了污 水流的稳定的目的，气体发生器500被操作来代替厌氧消化器(122来自于图1)。在图3-2 的实施例中，气体发生器500也可以起调节单元过程或结合稳定/调节单元过程的作用，取 决于进入反应容器502中的污水流的性质。在图3-3中，气体发生器500被操作来代替传 统的脱水处理(132来自于图1中)作为与实施例表述相一致的结合脱水和灰化步骤的一 部分。实施例应用于废水生物固体的处理被示意说明在进一步的细节图5中。图5表示 一个图2的氢氧气体发生器GG2-GG5具体实施例，且更具体地说，提供了气体发生器500的 附加的细节实行图3-1，3-2和3-3。关于图5，气体发生器500被浸入包含流体悬浮物504 反应容器502，所述流体悬浮物504包括水和生物固体。流体悬浮物504可以被稀释，如在 流入的污水中，或可以被更进一步的浓缩，如在废活性污泥，原污泥或浓缩污泥中。流体悬 浮物504通常包括大部分的生物浮块(生物固体)，其具有的团聚的比重只略微大于1.0。气体发生器500可以被安装在框架510上，所述框架被从一组漂浮物522上挂起 以至于气体发生器500的下沉在一期望的水平被保持在流体504的表面下。或者，气体发生 器500可以被安装来固定盖子或其他固定的支撑用于在反应容器502中的一固定的高度上 放置。在显示在图5的具体实施例中，漂浮物522可以用来密封反应容器502的顶部。框 架510是可以调节的以便于气体发生器500的下沉水平可以被调节，不依赖于在反应容器 502中的流体504的深度。在另一个实施例中，气体发生器500被放置在一基架或其他的支撑物上以便于她 被放置在反应容器502中的流体504的深度的中间部分之下。在反应容器中低处放置反应 容器500 (或其他反应区域)增加了距离，所述距离是富氢氧气体的泡沫必须通过流体504 升高的，因此增加了他们的停留时间和接触生物颗粒或其它能处理得分子的可能性。较佳 的，气体发生器500被放置于至少略微高于反应容器502的底部来避免在气体发生器500 的电极之间的沉淀物和污泥的积聚。气体发生器500包括一系列的空间相近的电极板，所述电极板通常垂直定向并被 安排以便于相邻板之间的空间对于反应器内的物质是敞开的，同时在板的顶部和底部边 缘。来自于电源505的一脉冲的电信号被通过电力传输线507提供到电击板。脉冲电信号 的应用导致水分子在流体悬浮物504中被溶解于相互作用区域，所述相互作用区域在板之 间延伸，并略微地超过在板之间的开口，因此来形成包括氢和氧的富氢氧气体。富氢氧气体 在相互作用区域中收集来形成泡沫，所述泡沫通过在板之间的流体504升高，且可以接着 被在气体污染物盖524下的流体悬浮物504的表面收集。因为在流体悬浮物504中的生物 浮块的团聚密度(特定的重力)只有限地大于1.0，上升的泡沫可以运输浮块往上并进入接 触在污染物盖524下被收集的释放的气体泡沫中的氧气和氢气，和/或大气。在产生富氢氧气体的过程中，热被产生在气体发生器500周围且在反应容器502流体悬浮物504的温度可以升高。反应容器502中内的物质的一部分可以在不断的和可变 的基准上被分离，并通过热交换器506经过供给/分离泵526再循环来维持流体悬浮物504 的温度，在对于讨论中的特定的应用中期望的水平上。除提供温度控制之外，再循环回路也 可以在反应容器502中提供一定程度的强制式搅和来帮助保持在悬浮物中的生物固体，且 因此在一位置来被向上对于流体悬浮物504的表面或另一种接触区域进行运输，所述接触 区域是更可能接触富氢氧气体的。样品口 508可以在再循环线中被提供来容许生物固体的 样品被对于不同参数来收集和分析，以便于决定处理的程度，所述处理已经被在任何特定 时间所获得。用于气体发生器500的单元过程的应用，在城市和工业污水处理环境中，可以包 括例如，如这里所描述的，消毒，增厚，调节，脱水和稳定。操作参数水平的结合可以被最优 化对于每一种单元过程，且可以对于每种应用和对于每种污水流源是独特的。某些操作参 数，可以各自地不同，包括气体发生器500的浸入深度，通过电源505提供气体发生器500 的能源大小，对于气体发生器500的电极的脉冲电信号的性质，和温度以及流体悬浮物504 在反应容器502中的停留时间。脉冲电信号的性质可以被通过电源505控制，包括脉冲频 率，振幅，脉冲持续时间，标记空间(mark space)比，波形(即，方波，锯齿波等)，和相 对于地的电压。其他应用和相应的操作参数也可以对于本领域技术人员来说是明显的。调节破坏或降解天然的多糖层，所述多糖层出现在生物浮块的表面上且用作对于 脱水的妨碍物。当浮块被向上抽出通过升高富氢氧气体的泡沫，它们被带入直接接触在泡 沫中的通过气体发生器在高氧化作用接触区域中产生的氢气和/或氧气。因为多糖层代表 浮块颗粒的最外层的边界，这些层将被优先地降解。多糖层的大部分的除去影响了减少或 完全排除对聚合物添加到随后的普通的脱水过程中的需要。如图3，3-1和3-2所显示的， 经调整处理的生物固体可以被直接运输到普通的脱水装置，且脱水的饼可以用任何本领域 内普通的技术手段来安排或利用。实施例的应用于脱水是不同于脱水的普通概念。普通脱水，目标是获得最小的大 约20-30%的饼固体浓度，取决于生物固体的类型和下游处理的需要。当前的灰化方法需要 生物固体被脱水到大约20%-30%的固体，因为在饼中这些浓度存在足够的能量来蒸发液 体部分不需要附加辅助燃料。在图5的实施例中，因为灰化程序512包括生物固体颗粒的 燃烧和余留自由水的蒸发，释放到焚烧炉512中的最终的生物固体的固体浓度是相对不重 要的。当电源被提供到气体发生器500，来自于反应容器的水可以被释放到富氢氧气体中， 且获得的脱水的程度将正比于产生的氢氧气体的量。在这种方法中获得气体的量是更重要 与在反应容器502中的最终的固体浓度的。期望的是只有一小部分的水需要被转换成气体 来提供足够的能量用于灰化反应的残留的东西。在一个实施例中，足够量的氢氧气体的产生通过气体发生器500被期望导致相应 在固体浓度中的10%的增加，例如从大约3. 0%的固体到大约3. 3%的固体。在另一个实施 例中，在用氢氧气体灰化之前，固体浓度可以被增加到大约10%或20%的固体浓度。因为 灰化处理512的燃料(S卩，氢氧气体)可以被在内部产生，需要来输入的燃料可以减少或消 除。生物固体也可以以液体悬浮物而不是饼的形式被灰化，其可以消除用于普通的脱水作 为前处理步骤的需要，且伴随着材料处理与半固体或塑料的饼转移到焚烧炉512相联系的 问题。能够以流体悬浮物的形式灰化也对于使用非_典型的灰化技术提供潜力，其依次可以降低花费以致于灰化成为对于在较小的装置中使用的具有经济性吸引力的。灰化也可以 消除对于稳定和普通脱水的需要和花费，其可以使液体生物固体的灰化与其他管理选择竞 争时具有经济性。单元过程的不顾被通过特别的实施例来实现的，将产生富能量的气体。如图5所 示，这种气体可以被用于焚烧炉512，能量发生器514的燃料，或用于对于区域516的产出的 来源供给(有氧气从气体混合物中分离)。图4是一示意图，说明几种第二用途对于富氢氧气体(例如，220，262，272，278)通 过一个或更多个采用与图2，3-1，3-2，3-3和/或5相一致的氢氧气体发生器单元过程产生 的。如在图4所指出的，富氢氧气体可以被用作(A)对于污泥或生物固体的灰化的燃料，(B) 发电(和随后的热还原对于在长内使用)，和(C)产生热气体(用于干燥或其他热处理)。 富氢氧气体也可以被分开到它的氢和氧成分用于在一个或更多个第二程序或用途中使用， (D)例如，富氢氧气体的氧成分可以被被提供到清除处理的发生器区域或被泵入曝气池。当 氧被分离于富氢氧气体时，氢成分可以被运输到不同的第二用途中，诸如用于例如灰化，发 电，或干燥的燃烧中。最重要的单元过程的其中之一在污水处理中由有机物质通过需氧细菌的氧化组 成。通过压缩机将氧气提供于这些细菌，所述压缩机将压缩空气注入到曝气池中。有效的 电力对于泵空气进入曝气池是必须的。压缩机具有大型的马达，所述马达需要大量的电力 来操作，且，通常，它们占水处理厂的液体部分的需要的总能量的20%到30%。因此，对于 具有一电源整体来处理的过程这是巨大的利益。由气体发生器500产生的有效的富能量气 体，其可以被用于在原位上产生电力，容许设备来控制能量消耗和保证电力的足够的供应 是有效的。由本发明的实施例产出的气体是富氢氧的气体，其可以被燃烧带有最低的温室气 体作为副产物。气体不需要进一步的清洁，且产生的气体量可以被调节来对于能量的需要 匹配。在处理厂内利用产出的气体的能量的产出，将导致长期的低电力消耗和提供安全的 电力供应，其独立于境外市场条件。氢氧气体的燃烧的主要产物是热量和水汽。当富氢氧气体被燃烧用作干燥，发电， 或其他目的的时候，热燃烧排放可以被浓缩到冷凝的处理518来复原高质量的水，其可被 储存520来在用于不同用途的污水处理设备内使用。但是，除了饮用水，这些用途中的许多 不需要饮用水的质量但是它们需要比可用于第二流出物具有更高的质量。例如这些用途可 以包括冲洗厕所和尿壶，对于聚合物溶液稀释水和操作其他化学溶液。因此，从燃烧排气中 的水浓缩518可以替换水，否则从城市水供应中购买来用于饮用水不是需要的地方，因此 减少了操作花费。虽然主题已经被描述在了语言中，特定于结构特征和/或实施方法，可以被理解 为定义的主题在附加权利要求中对于特定特征或上面所描述的实施不是必需的。相反，特 定特征和上面所描述的实施没有被公开作为实施例形成权利要求的实现。
权利要求
一种从污水流中去除污染物的方法，所述方法包含以下步骤将两个相近的电极浸入污水流，污水流包含水的成分和挥发性污染物或固体相污染物的一种或全部，所述电极在它们之间形成相互作用区域的边界；应用一脉冲电信号到至少一个电极，因此从水成分中产生富氢氧气体，所述富氢氧气体在相互作用区域形成泡沫，所述泡沫升高到污水流的表面；接触挥发性污染物，固体相污染物或两者与至少泡沫中的某些，当它们通过污水流升高因此运输一部分的挥发性污染物，一部分的固体相污染物或两者到达污水流的表面；若存在的是挥发性污染物，将富氢氧气体的混合物和在污水流上的挥发性污染物分离并将混合物运输到第二程序来进行进一步的处理，和若存在的是固体相污染物，收集作为漂浮物层的固体相污染物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于第二程序包含混合物的燃烧。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于第二程序包含分离挥发性污染物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包含从污水流表面去除漂浮物层的 步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于固体相污染物不同于生物固体，在所述固体 相污染物中包含惰性固体，所述惰性固体不需要稳定化和进一步的处理。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于进一步包含将收集的固体相污染物在没有 经过进一步处理的情况下直接处理到垃圾堆的步骤。
7.—从污水流中去除污染物的系统，所述污水流包括水成分，所述系统包含两个相近的电极，所述电极被浸入污水中，在电极之间定义了相互作用区域；一电源，所述电源用于将脉冲电信号应用于提供给电极之中的至少一个来从水成分中 产生出富氢氧气体，所述富氢氧气体将在相互作用区域中形成泡沫，所述泡沫升高到污水 流的表面；一反应容器来包含所述泡沫，当所述泡沫升高时；一气体污染物盖来分离在污水流上的混合物富氢氧气体，和污水流的挥发性污染物， 通过那些泡沫形成的混合物，所述泡沫接触一部分的挥发性的污染物，运输一部分所述污 染物到污水流的表面；和用于运输混合物的装置到进一步处理的装置。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于进一步包含用于从污水流表面收集污水流 的固体相污染物的装置，所述固体相污染物已经被通过一些泡沫运输到在反应容器中的污 水流的表面。
9.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于用于进一步处理的装置包含用于燃烧 混合物的装置。
10.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于用于进一步处理的装置包含用于分离 挥发性污染物的装置。
11.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于进一步包含用于从污水流表面去除漂 浮物层的装置。
12.如权利要求7或权利要求8所述的系统，其特征在于所述固体相污染物不同于生 物固体，在所述生物固体中固体相污染物包含惰性固体，所述惰性固体不需要稳定化或进一步处理。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于进一步包含将收集的固体相污染物在没 有经过进一步处理的情况下直接处理到垃圾堆的装置。
全文摘要
一种用于废弃物处理系统中处理污水流的方法和系统，包括运行废弃物处理系统的一单元过程，通过将污水流与富氢氧气体接触，所述富氢氧气体是原位通过一氢氧气体生成器生成的，所述氢氧气体生成器配备了水分解技术。氢氧气体生成器包括将一脉冲的电信号应用于一系列的密集的电极，将所述密集的电极放入污水流用来从污水流的一水组分中产生富氢氧气体。在污水流中操作氢氧气体生成器可以实现在其他物质中用于废弃物处理的单个或多个单元过程，诸如氧化，剥离，漂浮，消毒，调节，稳定，增厚和脱水。至少一部分的富氢氧气体可以被运输用于一种在废弃物处理系统中的第二次使用，诸如一燃料的来源用于例如灰化或粉末生成。
文档编号C02F1/467GK101987754SQ20101026912
公开日2011年3月23日 申请日期2007年11月9日 优先权日2006年11月30日
发明者戴维里奇·范弗利特, 斯蒂芬巴里·钱伯斯, 赫伯特华莱士·坎贝尔 申请人:Xogen科技有限公司