专利名称：采用薄膜过滤器处理废水的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及了一种废水处理过程，尤其是涉及了一种采用浸没式薄膜过滤器的活性泥浆处理过程。
典型的初次处理区域(它是废水处理一个供选用部分)引起一个物理过程，其中依靠飘浮和沉积方式去除一部分有机物。通常在初次处理区域中去除40-70％的悬浮固体颗粒。
二次处理区域通常为一个生物处理过程，其中在可控条件下利用细菌来从废水去除养分或不沉淀的悬浮固体颗粒以及可溶解的有机物。如果不处理，这些物质会造成不可接受的生物耗氧物(“BOD”)。一个典型的二次处理方法是活性泥浆过程，其中对废水充气和用活性泥浆搅拌，然后对废水净化掉各种微生物。往往这个需氧阶段与一个厌氧阶段，即一个在缺乏诱发氧气(不管是溶解的还是从亚硝酸盐或硝酸盐导出的氧气)下操作的阶段，以及一个缺氧阶段，即缺乏氧但存在硝酸盐的阶段相结合。在厌氧阶段完成磷的去除和在缺氧阶段完成脱硝。
Daigger的美国专利号5,480,548(其公布内容引入这里作为参考)很详细地公布了厌氧-缺氧-需氧的二次处理过程。Daigger说明了一个串联的生物反应器，由厌氧区、缺氧区和需氧区组成。Daigger还说明了从缺氧区到上游厌氧区，混合液体悬浮固体颗粒(“MLSS”)的缺氧再循环(“ARCY”)的需要性。Diagger说明了来自生物反应器的污水进入一个常规的重力分离器，从那里缓慢倾注被处理的污水，以及返回的活性泥浆(“RAS”)返回到上游缺氧区。除了Daigger，Hawkins的美国专利号5,601,719，Marsman的美国专利号5,342,522，Strohmeier的美国专利号5,798,044，Hong的美国专利号5,650,069，Timpany的美国专利号5,354,471，Wittmann的美国专利号4,961,854，Nicol的美国专利号4,787,978以及Yang的美国专利号5,942,108，每个专利公布了多区的生物反应器，在各区之间具有某个流动再循环，以保持有用微生物的浓度和改进生物养分的去除。但是，在每个情形中，这些专利说明了依靠一个澄清器之类的常规重力分离器，如同上述有关Daigger的讨论。根据重力的分离系统的一个问题是为了实现重力澄清的可接受量级，固体颗粒浓度必然受到限制。此外，这些系统对有害的病原体，如鞭毛虫和隐孢子虫，没有提供实际的壁垒。还有，这些过程对各种溶解有机物的去除没有作用。
Tanaka的美国专利号6,007,712说明了一个多区的生物反应器，其中在一个薄膜组件上产生悬浮固体颗粒的分离。Tanaka提供了不通过薄膜的不渗透水返回和循环到一个硝化箱或需氧箱。Tanaka还说明了薄膜过滤器的薄膜最好是亲水的，使得悬浮固体颗粒更难附着和弄脏薄膜。Tanaka又提供了“当悬浮固体颗粒成分附着时，可以依靠空气和渗透液体来定期地反冲”，以净化薄膜中的固体颗粒。Tanaka说明了需要再循环到需氧区，因为仅可以过滤薄膜上水的七分之一(1/7)，因此需要把余下的水返回到上游。Tanaka未提到如果薄膜组件浸入一个水化箱(或需氧处理箱)内，再循环水是有用的或是希望的。在任何情形中，Tanaka没有说明对薄膜组件的连续充气会提供充氧的MLSS，用于再循环到需氧区。Tanaka也没有提供适当去除有机物的骤增，如可能由于毒物泄漏造成的情形。
Anselme的美国专利号5,364,534公布了一个净化和过滤水的过程，包括把如活性炭的粉末状试剂引入到重力分离区下游和薄膜分离区上游的水流中。粉末状试剂从薄膜分离区的净化再循环到重力分离区的上游。Anselme没有提供生物养分和BOD的去除，因此对于处理城市废水以及含废水的许多其他生物养分和溶解有机物水源，是一个有限的设施。
本发明的目的是克服上述一个或几个问题。
本发明的第二方面包括一个处理箱，具有一个入口和一个下游出口，入口与生物反应器的第一出口连接，来接受被处理的水。一个粉末活性炭(“PAC”)源在处理箱入口附近提供PAC到处理箱。一个薄膜过滤器在操作上与下游出口连接，其位置使得它对含有被处理水工作容积的处理箱，起到一个浸没式薄膜过滤器的作用。一个凝结剂源也可以在操作上与处理箱连接，在处理箱入口附近提供凝结剂到处理箱。处理箱最好包括在入口和出口之间的许多混合隔板。可以设有一个监测器来监测流入接受箱入口的被处理水中溶解有机物的浓度。监测器在操作上与PAC源连接，随着被处理水中溶解有机物浓度的变化而改变提供到处理箱的PAC量。
本发明的第三方面是利用活性泥浆去除废水中生物养分的一个设备，包括一个具有废水入口和下游被处理水出口的生物反应器，用于包含待处理废水和活性泥浆的混合物和沿着生物反应器入口和出口之间的处理路线流动混合物。一个薄膜过滤器在操作上与生物反应器出口连接，其位置使得它对含有废水和活性泥浆工作容积的生物反应器，起到一个浸没式薄膜过滤器的作用。一个处理箱具有一个与生物反应器连接而用于接受被处理水的入口和一个下游出口。一个PAC源在操作上与处理箱连接，在处理箱入口附近提供PAC到处理箱。一个薄膜过滤器在操作上与下游出口连接，其位置使得它对含有被处理水工作容积的处理箱，起到一个浸没式薄膜过滤器的作用。
本发明的第四方面是从废水去除养分的一个方法，包括提供废水到含有活性泥浆的串联、多区、活性泥浆生物反应器的一个入口上。生物反应器具有一个取出被处理水的下游需氧区和一个在废水入口和下游需氧区之间的上游需氧区。方法还包括通过一个浸没式薄膜过滤器在下游需氧区中过滤活性泥浆中的被处理水。用含氧气体净化浸没式薄膜过滤器中的固体颗粒，充氧的返回活性泥浆从下游再循环到上游需氧区。方法还包括从浸没式薄膜过滤器把被处理水送进到一个处理箱入口，在处理箱入口附近添加PAC到处理箱，沿着处理箱内处理路线流动被处理水和PAC，以及通过一个浸没式薄膜过滤器从PAC过滤被处理水。方法还可以包括在处理箱入口附近添加凝结剂或氧化剂到处理箱。也可以在处理箱中保持使溶解有机物新陈代谢的微生物繁殖。在一个优选实施例中，连续地添加PAC和监测送入处理箱入口的被处理水中溶解有机物的浓度，使得随着被处理水中溶解有机物浓度的变化而改变添加到处理箱的PAC量。
本发明的第一、第二和第四方面提供了充氧的返回活性泥浆从包含浸没式薄膜过滤器的需氧区到上游需氧区的再循环。这个循环不仅再分配了使溶解有机物新陈代谢的微生物，而且提供了充氧的返回活性泥浆源到上游需氧区，它降低了对上游需氧区提供补充氧气的需求。这使得废水处理的方法和设备起到更有效的作用。采用浸没式薄膜过滤器容许在生物反应器中MLSS的浓度更高，容许降低对活性泥浆过程的容积需求。采用浸没式薄膜过滤器也对如鞭毛虫和隐孢子虫的病原体提供了实际的壁垒，这在采用重力分离器的常规处理过程中是没有的。这些实施例具有一个带着PAC接受来自生物反应器水流的处理箱，并且包括在箱出口的浸没式薄膜过滤器，实施例提供了一个“多重壁垒”来保证如悬浮固体颗粒、混浊物和病原体的污染物将被适当地从植物污水去除。另外，添加PAC到下游处理箱提供了溶解有机物的更多去除。在引入处理过程的有机物骤增情形，如可能由毒物泄漏事件造成的情形中，在处理箱中采用PAC容许添加增大浓度的PAC。采用常规颗粒活性炭过滤器的处理过程不提供这种灵活性。此外，PAC的有孔结构提供了微生物增长的许多位置。除了被PAC吸收之外，在处理箱内微生物的增长将提供处理箱内有机物的氧化。这许多优点是由于被证实的处理设备的新颖组合所造成，并且可以经济地和可靠地达到。
优选实施例详述采用薄膜过滤器的废水处理设备10由两个主要部分组成，一个薄膜过滤器的生物反应器12和一个粉末活性炭(“PAC”)薄膜过滤器的反应器14。在以下实施例中，薄膜过滤器的生物反应器12和PAC过滤器的反应器14串联地展开成如
图1所示。但是，也有应用本发明薄膜过滤器的生物反应器12来提供适当的废水处理，此时可以利用薄膜过滤器的生物反应器而没有PAC薄膜过滤器的反应器14。
薄膜过滤器的生物反应器12由生物反应器的容器16组成，具有一个废水入口18和一个被处理水的出口20。许多溢流板22、24、26、28把生物反应器的容器16分成许多处理区。尽管优选实施例中设想为被溢流板22、24、26、28分成各处理区的单个生物反应器的容器16，熟悉该技术的人员将理解到可以采用由管道连接的几个分开的容器来替代。在图1所示的优选实施例中，各区为串联，包括一个厌氧区30、一个第一或上游缺氧区32、一个第一或上游需氧区34、一个第二或下游缺氧区36和一个第二或下游需氧区38。或者是，如图2所示，也可以在反应器12的头部引入一个包括搅拌器40的脱氧区39，以减小再循环充氧的MLSS对流入的厌氧区的影响。这个选用方式将在下面进一步描述。
通过废水入口18把废水引到装有适当搅拌器40的厌氧区30。在这个区中，提供磷酸盐的摄取，由此微生物吸收了废水流中进入的BOD。
废水接着流过溢流板22进入第一缺氧区32，它最好装有一个搅拌器42来脱硝。采用一个泵46通过管线44把脱硝的混合液体(称为缺氧再循环或“ARCY”)再循环到厌氧区30，在那里它与来自入口18的新鲜废水流混合，提供微生物来摄取磷酸盐。
缺氧区32的废水流过溢流板24进入第一需氧区34。需氧区34设有如扩散器48的适当充气装置，对充气室提供空气。在第一需氧区34的下游端有一个富氮再循环(“NRCY”)，它采用一个泵52通过管线50把富硝酸盐-氮的混合液体悬浮固体颗粒再循环到第一缺氧区32的上游部分。这个混合液体与来自厌氧区30的水流组合来脱硝。
第一需氧区34的废水流过溢流板26进入第二缺氧区36，该区具有合适的搅拌器54，以作进一步的脱硝。
第二缺氧区36的废水流过溢流板28进入第二需氧区38。一个薄膜过滤器56在操作上与第二需氧区38中的出口连接，容许已过滤的被处理水输送通过出口20，基本上没有来自MLSS的任何固体颗粒。如图1中示意表示，薄膜过滤器56位于第二需氧区38内，使得它浸没在其中。浸没式薄膜过滤器56具有微孔尺寸，提供了微过滤或超过滤。适当的薄膜过滤器可从加拿大Ontario的Zenon Environmental公司得到。在Zenon Environmental公司发布的Henshaw的美国专利号5,783,083中描述了一个代表性的适当薄膜过滤器，其公布内容清楚地引入这里作为参考。薄膜最好是亲水的，使得悬浮固体颗粒难以附着和堵塞薄膜。但是，为了保证固体颗粒不堵塞薄膜和进一步对第二需氧室38提供氧气，一个扩散器58位于薄膜过滤器56之下，对过滤器56底部提供空气来净化附着固体颗粒的薄膜。返回的活性泥浆由于被扩散器58引入氧气而充氧，它由泵62通过管线60从薄膜过滤器56附近再循环到第一需氧区34的入口附近。因为返回的活性泥浆充有氧气，这降低了必须通过扩散器48引入第一需氧区34的空气或氧气量。废料管线64提供了废的活性泥浆的排放。也可以直接从管线60吸出废流。
上面已经提到，如图2所示，通过在反应器头部上安装一个脱氧区39可以消除充氧的MLSS再循环的影响。在这个实施例中，返回的活性泥浆由泵62再循环到脱氧区39，而不是到需氧区34。在适当的保持时间以减少MLSS的氧浓度之后，它会流入厌氧区30并与原始废水流18混合。
如这里所用，名称“厌氧”定义为存在于基本上没有亚硝酸盐和硝酸盐(NOx)的废水处理区内的状态。名称缺氧”意味着存在于废水区内的条件，其中亚硝酸盐和/或硝酸盐使BOD新陈代谢。一个“需氧”区根据通过扩散器故意引入废水的氧量，可以包含氧气量到约2.0mg/L或更多。尽管用扩散器把空气引入室中，但可以优选采用与其他惰性气体混合的各种浓度的氧气(统称为“含氧气体”)。由于降低了存在于废水微生物内BOD的能量，通过入口18引入的废水通常包含很少量或不包含NOx。因此从第一需氧区来的NRCY对提供NOx很重要。
厌氧区30可以为任何适当尺寸。可以在较短时间内产生废水流中BOD的大量解吸，根据废水流的性质，可以进行厌氧处理约10分钟到约四小时。
缺氧区32，36起到脱硝区的作用，其中在废水中的亚硝酸盐/硝酸盐/氮转换成元素氮。在缺氧区基本上不存在溶解的氧。在缺氧区内废水处理的时间范围可以在约20到约90分钟。因为缺氧区中的微生物通过NOx化合物还原成氮气来寻求氧气，产生了NOx到元素氮的转换。然后氮气能够从液相逸出到大气中。
在需氧区，氧气促进由于微生物在废水中存在的氨的氧化。因此氨中的氮转换成NOx。废水承受需氧处理的时间可以根据操作条件而改变，但一般时间在约2-10小时之间。
熟悉该技术的人员可以理解到，根据输入废水的要求，可以改变优选实施例的厌氧-缺氧-需氧区的顺序。
PAC薄膜过滤器反应器14由处理容器或箱70组成，具有一个被处理水入口72和一个下游出口74。在被处理水入口72附近从PAC源70引入PAC。在被处理水入口72和出口74之间的许多隔板78搅动了被处理水和PAC的组合，以保证适当的混合和促进PAC从被处理水吸收溶解有机物。或者是，对此目的可以采用其他机构(如搅拌器)来替代隔板。一个薄膜过滤器80连接到出口74上，以过滤废水中的PAC和其它悬浮固体颗粒。薄膜过滤器80位于处理箱80内，使得它浸在被处理水/PAC混合物内。通过废PAC出口82从处理箱定期或连续地排出废的PAC，使得可以从PAC源76供应新的PAC。
某些被处理水可能需要添加凝结剂来协助去除悬浮固体颗粒、磷或其他物质。所以，优选实施例包括一个凝结剂源84，在被处理水入口72附近提供凝结剂到处理箱中。此外，某些被处理水可能需要添加氧化剂到被处理水流，来协助有机物的氧化，以促进反应器中微生物对有机物的同化。因此，一个氧化剂源85在被处理水入口72附近提供氧化剂。
因为可以容许在处理箱内构成高浓度固体颗粒，在反应器内的PAC浓度可以保持在10-15,000mg/L范围。结果是，可以控制处理箱中固体颗粒的保持时间，容许在处理箱内产生微生物的繁殖。PAC的多孔结构提供了微生物增长的许多位置。这些微生物将使水流中的溶解有机物新陈代谢和补充由PAC对有机物的吸收。
因为PAC按需要从PAC源76添加，在可能由毒物泄漏造成溶解有机物含量骤增的事件中，可以迅速增加PAC的送进，依靠吸收来从水流去除有机物。最好在生物反应器的容器16的被处理水出口20和到处理箱70的被处理水入口72之间设有一个监测器86，监测在被处理水中的溶解有机物量。监测器86与PAC源76连接，随着处理箱中溶解有机物浓度的变化而改变对处理箱供应的PAC。
采用泵88把来自处理箱出口74的废水泵压通过管线87，并且可以适用于排放到环境中或再利用，或者如图1所示，可以在92上排放之前在消毒系统90中消毒。
本发明采用薄膜过滤器处理废水的设备与先前技术的废水处理设备和方法相比有许多优点。采用薄膜过滤器的生物反应器容许更高浓度的混合液体悬浮固体颗粒，由此降低了反应器容器的容积要求。薄膜过滤器提供了去除鞭毛虫、隐孢子虫和其他病原体。被充气的混合液体悬浮固体颗粒从下游需氧区到上游需氧区的再循环减少了对上游需氧区34必须提供的补充充气量，因而降低了操作成本。采用PAC薄膜过滤器的反应器14与薄膜生物反应器16串联，提供了另外的优点。采用两个薄膜过滤器有助于以更高的可靠性来选择优质水流。由两个串联薄膜过滤器提供的“多重壁垒”提供了适当处理的更大保证，必须保证水流质量作为间接的水再利用用途，或者作为对敏感水域的排放。采用两个薄膜过滤器提供了对留在植物废水中的病原体的优良防护。PAC薄膜过滤器的反应器提供了加强去除可能通过上游薄膜过滤生物反应器的残余和溶解的有机化合物。在PAC薄膜过滤反应器中采用PAC容许快速增加PAC浓度，有助于更多吸收有机物，如在毒物泄漏事件中可能要求的那样。可以连续监测和自动调节增加PAC的需求。以独特和经济的方式组合已知和已证实的技术来达到这许多优点。
权利要求
1.一种从废水去除生物养分的方法，包括提供废水到含有活性泥浆的串联多区活性泥浆生物反应器的入口，生物反应器具有一个取出被处理水的下游需氧区以及一个在废水入口和下游需氧区之间的上游需氧区；通过一个浸没式薄膜过滤器从下游需氧区中的活性泥浆过滤出被处理水；用含氧气体净化浸没式薄膜过滤器中的固体颗粒；以及从下游需氧区到上游需氧区再循环充氧的返回活性泥浆。
2.权利要求1的方法还包括从浸没式薄膜过滤器把被处理水送进到一个处理箱入口；在处理箱入口附近添加粉末活性炭(PAC)到处理箱；沿着处理箱内的处理路线流动被处理水和PAC；以及通过一个浸没式薄膜过滤器从PAC过滤出被处理水。
3.权利要求2的方法还包括在处理箱入口附近添加凝结剂到处理箱。
4.权利要求2的方法，其中沿着处理路线流动被处理水和PAC包括了通过一系列混合隔板流动被处理水和PAC。
5.权利要求2的方法还包括在处理箱入口附近添加氧化剂到处理箱。
6.权利要求2的方法还包括在处理箱中保持微生物繁殖，使被处理水中的溶解有机物新陈代谢。
7.权利要求2的方法还包括连续地添加PAC。
8.权利要求2的方法还包括监测送入处理箱入口的被处理水中溶解有机物的浓度，随着被处理水中溶解有机物浓度的变化而改变添加到处理箱的PAC量。
9.采用活性泥浆来去除废水中生物养分的一个设备，包括一个生物反应器，包含待处理废水和活性泥浆的混合物，生物反应器分成许多串联的处理区，并且具有一个废水入口、一个下游需氧区、以及一个在废水入口和下游需氧区之间的上游需氧区；一个在下游需氧区中的薄膜过滤器，薄膜过滤器位于下游需氧区中，使得它对含有废水和活性泥浆工作容积的生物反应器，起到一个浸没式薄膜过滤器的作用，浸没式薄膜过滤器过滤从生物反应器通过第一出口流动的被处理水；一个充气装置，在操作上与薄膜过滤器连接，用含氧气体净化薄膜过滤器中的固体颗粒；以及在下游需氧区中的一个第二出口，连接到在上游需氧区中的一个入口，从下游需氧区到上游需氧区再循环充氧的返回活性泥浆。
10.权利要求9的设备还包括一个处理箱，具有一个入口和一个下游出口，入口与第一出口连接来接受被处理的水；一个粉末活性炭(“PAC”)源，在操作上与处理箱连接，在处理箱入口附近提供PAC到处理箱；以及一个薄膜过滤器，在操作上与下游出口连接，薄膜过滤器的位置使得它对含有被处理水工作容积的处理箱，起到一个浸没式薄膜过滤器的作用。
11.权利要求10的设备还包括一个凝结剂源，在操作上与处理箱连接，在处理箱入口附近提供凝结剂到处理箱。
12.权利要求10的设备还包括一个氧化剂源，在操作上与处理箱连接，在处理箱入口附近提供氧化剂到处理箱。
13.权利要求10的设备，其中处理箱具有在入口和出口之间的许多混合隔板。
14.权利要求10的设备，还包括一个监测装置，监测流入接受箱入口的被处理水中溶解有机物的浓度，监测装置在操作上与PAC源连接，随着被处理水中溶解有机物浓度的变化而改变提供到处理箱的PAC量。
15.权利要求10的设备，还包括一个连接到出口的消毒器，消毒处理箱的水流。
16.利用活性泥浆去除废水中生物养分的一个设备，包括一个具有废水入口和下游被处理水出口的生物反应器，用于包含待处理废水和活性泥浆的混合物和沿着生物反应器入口和出口之间的处理路线流动混合物；一个薄膜过滤器，在操作上与生物反应器出口连接，薄膜过滤器位于生物反应器中，使得它对含有废水和活性泥浆工作容积的生物反应器，起到一个浸没式薄膜过滤器的作用；一个处理箱，具有一个与生物反应器出口连接而用于接受被处理水的入口和一个下游出口；一个粉末活性炭(PAC)源，在操作上与处理箱连接，在处理箱入口附近提供PAC到处理箱，以及一个薄膜过滤器，在操作上与下游出口连接，薄膜过滤器的位置使得它对含有被处理水工作容积的处理箱，起到一个浸没式薄膜过滤器的作用。
17.权利要求16的设备，还包括一个凝结剂源，在操作上与处理箱连接，在处理箱入口附近提供凝结剂到处理箱。
18.权利要求16的设备，还包括一个氧化剂源，在操作上与处理箱连接，在处理箱入口附近提供氧化剂到处理箱。
19.权利要求16的设备，其中处理箱具有在入口和出口之间的许多混合隔板。
20.权利要求16的设备，还包括一个监测装置，监测流入接受箱入口的被处理水中溶解有机物的浓度，监测装置在操作上与PAC源连接，随着被处理水中溶解有机物浓度的变化而改变提供到处理箱的PAC量。
21.一种从废水去除生物养分的方法，包括提供废水到含有活性泥浆的串联多区活性泥浆生物反应器的入口，生物反应器具有一个取出被处理水的下游需氧区以及一个在废水入口和下游需氧区之间的上游需氧区；通过一个浸没式薄膜过滤器从下游需氧区中的活性泥浆过滤出被处理水；用含氧气体净化浸没式薄膜过滤器中的固体颗粒；以及从下游需氧区到生物反应器入口上游的一个脱氧区，再循环充氧的返回活性泥浆。
22.权利要求21的方法还包括从浸没式薄膜过滤器把被处理水送进到一个处理箱入口；在处理箱入口附近添加粉末活性炭(PAC)到处理箱；沿着处理箱内的处理路线流动被处理水和PAC；以及通过一个浸没式薄膜过滤器从PAC过滤出被处理水。
23.权利要求22的方法还包括在处理箱中保持微生物繁殖，使被处理水中的溶解有机物新陈代谢。
24.权利要求22的方法还包括监测送入处理箱入口的被处理水中溶解有机物的浓度，随着被处理水中溶解有机物浓度的变化而改变添加到处理箱的PAC量。
全文摘要
采用活性泥浆从废水去除生物养分的一个设备(10)和方法，包括一个生物反应器(12)，用于包含待处理废水和活性泥浆的混合物。生物反应器(12)分成许多串联的处理区(30，32，34，36，38)，包括一个废水入口(18)、一个下游需氧区(38)以及一个在废水入口(18)和下游需氧区(38)之间的上游需氧区(34)。一个薄膜过滤器设在下游需氧区中，使得它对包含废水和活性泥浆工作容积的生物反应器，起到一个浸没式薄膜过滤器(56)的作用。浸没式薄膜过滤器过滤从生物反应器通过第一出口(20)流动的被处理水。一个充气装置(58)在操作上与薄膜过滤器(56)连接，净化薄膜过滤器(56)中的固体颗粒。在下游需氧区(38)中的一个第二出口与上游需氧区中的入口连接，从下游需氧区到上游需氧区再循环充氧的活性泥浆。
文档编号C02F3/00GK1449363SQ01814775
公开日2003年10月15日 申请日期2001年7月26日 优先权日2000年7月27日
发明者格伦·T·戴格, 艾伯特·M·沃尔曼, 萨德赫·N·穆尔蒂, 埃德温·J·弗莱舍, 托马斯·A·布罗德里克 申请人:Ch2M希尔公司