专利名称：废水的处理方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及废水的处理方法和装置。
背景技术：
下降的地下水位，人口增长，越来越多的工业化，灌溉农业的扩大使用，以及淡水的污染使得在全世界的淡水供给日趋紧张。再生的废水能用作补充水源，特别是用于非饮用水用途。农作物和园林绿化的灌溉，是回收水的一种合适的非-饮用水用途；其构成了总水需要量的约70％并且还从存在于废水中的一些养分中受益。再生废水的其他适当的非-饮用水应用包括洗涤，冷却，火灾的预防和控制，小溪的增多，喷泉，娱乐池塘，水泥调制，粉尘控制，和厕所冲洗。尽管非饮用水有多种用途，但通常只以很小的规模进行废水回收。从回收位置至使用位置回收水的运输以及有限的生产方法可以代表回收水更广泛应用的障碍。
废水的有效和高效的处理在经济和环境上都是很重要的。废水处理系统可包括焚烧系统，化学处理系统，电解系统，核辐射系统，和物理处理系统。这些不同的系统能提供质量各不相同的水。这些系统中有许多是成本高的并且相对难以运行和维持。物理处理系统例如过滤由于污垢问题和受阻的流动而难以发展。除化学和病原体杂质之外，引入的废水能包括可沉降固体，例如能破坏处理系统零件的硬的和研磨的物质，和可漂浮物质，如能弄脏物理处理系统的脂肪，油类，润脂油和纤维。有用的废水处理系统能提供稳定的排出物，能够自动控制，尺寸相对较小，提供可用的流体和固体副产品，以及成本相对较低。
发明内容
一般说来，本发明涉及一种利用膜分离或者空气浮选分离，或两者作为主要处理手段、将废水流处理成有益的水和固体组分的方法和装置。在处理方法之前，除去并分离出对膜分离器或者空气浮选分离器有负面影响的物质能够改进水的处理量，水质和系统部件的寿命。在用膜分离器或者气体浮选分离系统进行处理前，从废水中物理分离可沉降固体和可漂浮物质可达到更高的流速。
一方面，本发明涉及一种对含可沉降固体的废水进行处理以形成可再用流体部分的方法。该方法包括在第一保留区(containment zone)中将废水流分离成第一组分和第二组分。第二组分能输入包括气体浮选分离系统的第二保留区，以便形成泡沫部分和可再用的流体部分。另外，第二组分能施加至对于第二组分的选择成分是可渗透的膜上，并且第二组分可在该膜的表面上浓缩，以形成固体浓缩物和可再用的流体部分。第一组分包括一定量的可沉降固体，其量大于第二组分中可沉降固体的量。该方法可包括在分离第一组分和第二组分之前对废水流进行粉碎。在第二组分和膜之间可产生高剪切力。
在某些实施方案中，分离还可以包括通过废水流注入分离槽所产生的力，通过重力，或通过其组合使可沉降固体沉降。
当可应用时，本发明的方法可包括将气体的气泡引入气体浮选分离系统中的第二组分中；将第二组分保留在第二保留区中，其时间间隔足以使气泡上升并且通过第二组分以形成泡沫部分；以及从第二保留区中除去该泡沫部分以便留下可再用的流体部分。上升的气泡可吸附悬浮颗粒和溶解的有机化合物，并且能够使其漂浮至第二保留区的表面并形成泡沫部分。该方法还可以包括将第一组分和泡沫部分混合以形成淤浆流，并且在某些实施方案中，对该淤浆流进行处理。所述气体可包括臭氧。
可以对可再用的流体部分进行消毒。这可例如通过使可再用的流体部分暴露至紫外线辐射而完成。在某些实施方案中，消毒可包括将化学氧化剂，例如臭氧与可再用的流体部分混合。
可再用的流体部分可施加至不饱和土壤。该土壤可帮助除去和生产性的再使用包含在可再用的流体部分中的植物营养物，并使净化水返回至下层含水层(underlying aquifers)。
该方法可包括从膜中以淤浆部分的形式除去固体浓缩物并将淤浆部分返回至废水流中。该方法可包括在膜分离之前或之后，使可再用的流体部分通过过滤系统。过滤系统例如可以反冲以产生一定量反冲物质，并且其可以与淤浆部分结合。过滤系统可包括固定-膜生物过滤器。过滤系统可包括在第三保留区内、涂有生物薄膜的过滤介质。与生物过滤器的薄膜接触能够除去剩余的悬浮固体，硝化溶解且悬浮的氮化合物，并且使生化需氧量的其它源头减少。生物过滤器可以是可反冲的。
废水可以从下水道获得。第一组分和泡沫部分可以合并以形成能够返回至获取废水位置下游的下水道的淤浆流。在某些实施方案中，淤浆流可以输入第三保留区中，以便将其分离成上清液部分和沉降部分。在第三保留区中足够的停留时间能够使可沉降固体真正地沉降至该区的底部。在第三保留区中，固体颗粒可以通过主要是缺氧性的生物学方法来分解。上清液部分可以返回至第一保留区或者第二保留区或者输送至地下浸滤场(leach field)。
另一方面，本发明涉及处理含可沉降固体废水的装置。该装置包括可沉降固体分离器，所述分离器包括具有上端，下端，以及连接上端和下端的外壁的容器。可沉降固体分离器还包括部分成切线地穿过容器外壁的入口，邻近容器上端的第一出口，和邻近容器下端的第二出口。该装置还包括一分离系统。该分离系统可以是具有入口和渗透物出口的膜分离系统。入口和渗透物出口被膜分开。流体管道与可沉降固体分离器的第一出口和膜分离系统的入口流体连接。该膜分离系统还可以包括浓缩物端口。施加于膜分离系统入口的运动压力可以由与入口流体连通的进料泵提供。另外，分离系统可以是气体浮选分离系统，该系统包括入口和可再用的流体部分的出口，以及与可沉降固体分离器的第一出口和气体浮选分离系统的入口流体连接的流体管道。
可沉降固体分离器可以是涡流分离器。可沉降固体分离器还可以包括设置在容器第一出口和上端之间的通风和溢流口。可沉降固体分离器的第二出口可以是与用于清除固体、在容器底部的开口相连的沉降固体的出口；所述固体通过涡流被扫向开口。气体浮选分离系统可以分离并除去剩余的可沉淀和悬浮的固体，以及在可沉降固体分离器上清液中的某些溶解固体。
气体浮选分离系统可包括气体浮选分离容器，所述分离容器包括具有上端，下端，以及连接上端和下端的外壁。入口可以邻近容器的上端，并且可再用的流体部分的出口可以在入口和下端之间。所述容器还可以包括在入口和上端之间的浮渣溢流和排气孔，以及在浮渣溢流和排气孔和下端之间的注气口(gas injection port)。注气口可以是流体循环线路的一部分，所述线路包括在气体浮选分离容器中低标高的端口，泵送入口管道，泵，文丘里喷嘴，和与注气口连通的回流管。循环通过喷嘴的流体将气体以小气泡形式引入液流中，所述气泡通过注气口引入气体浮选分离器中。
在某些实施方案中，在可沉降固体分离器的第一出口和膜分离系统的入口之间可包括平衡容器，该容器可以具有上端，下端，和连接上端和下端的外壁。该容器还可以包括在容器正常液位和上端之间的浮渣溢流和排气孔。平衡容器的入口可以在分离器第一出口的下面。平衡容器的出口可以处于下端处。
膜分离器系统进料泵可以接收如输入的澄清的废水，所述废水或者直接来自可沉降固体分离器的第一出口，或者在某些实施方案中来自平衡容器的出口。该装置还可以包括过滤系统，所述系统有入口和滤液出口，其中该入口与进料泵流体连通，并且滤液出口与膜分离系统进料入口流体连通。过滤系统可以是可反冲的过滤系统，固定膜生物过滤器系统，或可反冲的固定-膜生物过滤器系统。可反冲的过滤器可以包括过滤盘。
渗透物管道可以使膜分离系统的渗透物出口与消毒系统流体连接，所述消毒系统可以包括紫外消毒系统或者臭氧处理系统，或者两者。臭氧处理系统可以包括封闭的臭氧处理容器，该容器具有与渗透流动区域流体连通的臭氧注射区域。臭氧输送管道可以流体连接可沉降固体分离器的封闭气氛和封闭的臭氧处理容器。
澄清的流体管道可以使气体浮选分离容器的可再用的流体部分出口与消毒系统流体连接，所述消毒系统可以包括紫外消毒系统或者臭氧处理系统，或者两者。紫外消毒系统可以包括对紫外线辐射是透明的并且可再用的流体部分通过的一个或多个透明塑料管，包围塑料管的紫外线灯，和包含管和灯的组件的外壳。紫外线灯装置可以在包围灯的空间中产生臭氧。臭氧可以从外壳提取，所述外壳可以用作臭氧发生器。臭氧输送管道可以流体连接可沉降固体分离器的封闭气氛和臭氧处理系统的封闭的臭氧处理容器。暴露至紫外线辐射可以直接杀死生物体，并且如果溶解的臭氧包含在流体中的话，它可以产生进一步消毒、除去气味和颜色、减少生化需氧量，和氧化流体中有害的化合物的强力的氧化剂。
该装置可以包括废水泵，如与可沉降固体分离器的入口流体连通的粉碎废水泵。
该装置还可以包括与膜分离系统的浓缩物出口流体连通的限流器。限流器可用于调节处理的流量。该限流器可周期地用于阻滞流动，以便使可沉降固体分离器的容器和平衡容器两者的液位上升超过两容器的溢流口，借此使容器表面上积累的浮渣层及其他漂浮物通过浮渣溢流口和与淤浆部分管道流体连通的排气孔排入淤浆部分中。淤浆部分管道可以与可沉降固体分离器的第二出口流体连通。限流器的出口可以与可沉降固体分离器容器或者平衡容器流体连通。
在特定的实施方案中，该装置可以包括固体处理系统。固体处理系统可以包括一入口和一出口。所述入口可以与淤浆部分管道流体连通。固体处理系统可以包括具有与淤浆流连接的入口，和出口的容器。固体处理系统的体积足以例如通过主要是缺氧性的生物方法使淤浆流中的可沉降固体沉降和分解。固体处理系统的出口可以与可沉降固体分离器的入口流体连通。固体处理系统的出口可以与可重力沉降分离容器的入口流体连通。
另一方面，本发明涉及处理含可沉降固体的废水的装置。该装置包括涡流分离器和臭氧处理系统。涡流分离器包括具有上端、下端、和连接上端和下端的外壁的、封闭的分离器容器，在容器上端附近部分成切向地通过外壁的入口，在容器上端附近的第一出口，以及在容器下端附近的第二出口。臭氧处理系统包括封闭的臭氧处理容器，所述容器具有流体入口和与流体流动区域流体连通的臭氧注射区域。流体管道流体地将涡流分离器的第一出口连接至臭氧处理系统的流体入口，并且封闭的分离器容器和封闭的臭氧处理容器通过臭氧输送管道流体地连通。
所述方法提供了一种获得可再用水的简单、可靠、迅速、紧凑并且便宜的方法，该方法克服了传统废水生物处理方法的许多不足。例如，所述装置和方法与纸过滤器，膜，或者生物系统单独相比，将更可靠并且更有效地进行。该装置是完整的废水回收系统，尤其是，该系统能够使运输费用最小化，能够避免利用内在地不可靠的并且维护密集(maintenance-intensive)的废水处理，能够克服过去物理或化学系统的某些限制，能够产生可再用的或者容易地处理的残留副产品，能够是紧凑、经济、可靠、且无味的，并且能够产生适于各种再使用用途的高质量彻底地消毒的水，如灌溉及其他非苛刻的再使用用途，洗涤，冷却及其他工业用途，或者水产业以及排放至地表水体中。所述方法和装置还可以在装置的周围产生无味的环境。因此，废水回收系统特别适于其中所产生的水高效地再用于处理厂附近的就地应用或局部应用。
本发明的一个或更多个实施方案的细节阐明在下面的附图和说明中。本发明的其它特征、目的、和优点根据所述说明和附图，以及根据权利要求书将是显而易见的。
图1是包括固体处理系统的水回收系统的简图。
图2是包括将固体残留物返回至下水道的水回收系统的简图。
图3是分离槽的平面图。
图4是包括臭氧处理系统的水回收系统的简图。
图5是渗透物处理系统的简图。
图6是固体处理系统的简图。
图7是包括固体处理系统的水回收系统的简图。
图8是包括将固体残留物返回至下水道的水回收系统的简图。
图9是水回收系统的过滤部分和消毒部分的简图，其中过滤部分是膜分离系统。
图10是水回收系统的过滤部分和消毒部分的简图，其中过滤部分包括可反冲的生物过滤器系统。
图11是固体处理系统的简图。
在不同的附图中同样的参考符号表示同样的元件。
详细说明参考图1-2，水回收系统包括可沉降固体分离器32，如涡流分离器，平衡且在适当位置清洗的容器52，过滤系统78，如可反冲的过滤系统，膜分离系统100，渗透处理系统62，和固体处理系统92(图1)或下水道20(图2)。废水21收集在地下储罐22(图1)或湿井96(图2)；所述废水可以包含卫生及其他的废物。地下储罐22或者湿井96包含可浸没的污水泵24。优选的是，泵24是粉碎泵，例如由Vaughan Chopper Pumps(Montesano，Washington)制造的切碎泵，该泵将同时将废水21中较大的固体切碎，或者粉碎成淤浆。淤浆由管道26泵送通过止回阀28并通过可沉降固体分离器32的入口30进入可沉降固体分离器32。
可沉降固体分离器32包括容器10，该容器10具有由外壁14连接到下端13的上端12。第一出口42位于靠近上端12的外壁14中。入口30部分成切向地穿过靠近上端12的外壁14。第二出口46邻近下端13。分离器32的封闭气氛40与连接到通风和浮渣溢流管45上的通风和浮渣溢流口44流体连接。下端13包括第二出口46，该出口连接到包括固体泵48的管道49。固体泵48可以是例如得自Monyo Inc.(Springfield，Ohio)的渐进腔式泵(progressing cavity pump)。参考图1，固体泵48和排水阀47通过管道45将固体排入固体处理系统92，所述系统通过输出口94排放处理过的物质。参考图2，固体泵48和排水阀47通过管道45将固体排放入下水道20。
参考图3，使分离器32的入口30定向，以产生围绕环形插入板(dipplate)34、溢流道36，和折流板38的顶端运行的离心式流动图案98。溢流道36连接至插入板34的内壁上。第一出口42从溢流道36引出流体。通风和浮渣溢流口44位于分离器32的一侧。第二出口46在容器10的中央。环形的内部折流板38接近第二出口46，所述折流板38呈圆锥形状向外张开。
参考图1-3，第一出口42通过流体管道51将溢流道36的内含物输送至气体浮选分离系统52。参考图1-2和4，平衡并在适当位置清洗的容器52通过入口54接收可沉降固体分离器32的排出物。入口54邻近容器52的上端55。容器52具有在入口54之下并且邻近下端57的、可再用的流体部分出口56。浮渣溢流和排气孔60设置在容器52正常液位之上、容器52的上端55，并排放至管道50中。外壁61连接下端57和上端55。
出口56流体连接到进料泵66。出口56是通过管道110至过滤系统78，和通过进料管道102至膜分离系统100的线路的一部分。合适的膜分离系统得自Komline-Sanderson(Peapack，New Jersey)和New Logic International(Emeryville，California)并描述于例如US6,027,656；4,952,317；5,014,564和5,837,142中；在此将其引入作为参考。来自膜分离系统100的浓缩物输出物通过浓缩物管道106，流量控制阀82，回流管道58，和可沉降固体分离器32的入口30。来自膜分离系统100的渗透物出口的渗透物通过管道104至渗透物处理系统62。来自进料泵66的支流通过排水阀105和管道111至连接管道80。必要时，洗涤液可以通过管道113供应到平衡和在适当位置清洗的容器52。可再用的流体部分从出口108排出。由于废水中大多数沉降和浮选的固体已经被可沉降固体分离器32除去，因此，膜分离系统100的分离特性能够被更有效地利用。
参考图2，残存固体返回至下水道20。来自下水道20的废水21排入湿井96，所述湿井的标高低于下水道20。不使用分离固体处理系统，而将来自泵48的沉降固体，来自管道45和50的泡沫、气体和可漂浮的固体以及来自管道80的过滤器反冲物在湿井96入口的下游位置返回至下水道20。
参考图4和5，膜分离系统100的渗透物出口管道104通过入口85将渗透物输送至臭氧接触容器86中。容器86是封闭的，其中渗透物入口85邻近上端89，而可再用的流体部分出口108邻近下端91。容器86包括位于稍低于入口85的循环出口93，稍微高于可再用的流体部分出口108的循环入口95，和邻近上端97并在容器正常的操作液位上面的泡沫和臭氧出口97。循环出口93是通过管道74，循环泵111，气体注射器喷嘴70，紫外消毒系统84和管道74返回至循环入口95的一部分管道。臭氧气体由臭氧发生器76提供给气体注射器喷嘴70。参考图4，来自出口97的泡沫和剩余的臭氧气体可通过管道114传送至可沉降固体分离器32的空间40中。参考图5，系统62包括能够插在渗透物管道104和臭氧接触容器86之间的、可反冲的生物过滤器系统112。当存在生物过滤器系统112时，可再用的流体部分可用于各种用途，如水产业，或者排放至其中水中的氮化合物被硝化是重要的并且具有低的生化需氧量的地表水体中。对于水产业用途，迅速的处理方法可以保存水中的热量。合适的可反冲的生物过滤器系统描述于US5,232,586和5,445,740中，在此将其引入作为参考，并且包括由AquacultureSystems Technologies Systems Technologies L.L.C.(Jefferson，Louisiana)制造的Bubble Washed Bead Filters和Propeller Washed Bead Filters。生物过滤器系统112可以通过管道107反冲进入下水道20或者处理系统92中。生物过滤器系统的反冲可以用重力来完成，其中利用压缩空气或机动的推进器对过滤介质进行搅拌并释放积累的物质。生物过滤器系统的反冲频率可以常规操作间隔进行，或者可以通过增加进料反压力来启动。
参考图7-8，水回收系统包括可沉降固体分离器32，如涡流分离器，气体浮选分离系统52，例如泡沫分离罐，过滤系统78，如可反冲的过滤系统，消毒系统65，和固体处理系统92(图7)或下水道20(图8)。消毒系统65包括臭氧处理系统76和紫外消毒系统84。废水21收集在地下储罐22(图7)或湿井96(图8)中；所述废水可以包含卫生及其他的废物。地下储罐22包含可浸没的污水泵24。优选的是，泵24是粉碎泵，例如由Vaughan ChopperPumps(Montesano，Washington)制造的切碎泵，该泵将同时将废水21中较大的固体切碎，或者粉碎成淤浆。淤浆由管道26泵送通过止回阀28并通过可沉降固体分离器32的入口30进入可沉降固体分离器32中。
参考图3，7-8，第一出口42通过流体管道51将溢流道36的内含物输送至气体浮选分离系统52。参考图7-8和9-10，气体浮选分离系统52包括通过入口54接收可沉降固体分离器32的排出物的容器53。入口54邻近容器53的上端55。容器53具有在入口54之下并且邻近下端57的、可再用的流体部分出口56。注气口58设置在稍高于端口56并且邻近下端57，并且浮渣溢流和排气孔60向着容器53的上端55，排放至管道50。外壁61连接下端57和上端55。
出口56流体连接到消毒系统65。消毒系统65可以包括其中流体能够接触臭氧的臭氧处理区，例如作为包括臭氧的加压气氛中的喷雾。加压气氛可以通入其他的臭氧系统中。出口56是通过循环泵66，管道68，气体注射器喷嘴70，和管道74返回至注气口58的线路的一部分。管道68给臭氧处理系统69进料。用于浮选分离系统的气体，如来自臭氧发生器76的臭氧和空气的混合物供至注射器70。来自管道68的侧流管道72通过过滤器78，流量控制阀82，和紫外消毒系统84将来自泵66的一部分排出物通过入口88输送至输出平衡罐86，所述过滤器78可以是可反冲的过滤器。可再用的流体部分从出口90排出。
参考图9，过滤系统65可包括膜分离系统100。合适的膜分离系统得自Komline-Sanderson(Peapack，New Jersey)和New Logic International(Emeryville，California)并描述于例如US6,027,656；4,952,317；5,014,564和5,837,142中；在此将其引入作为参考。包含膜分离系统的系统可以产生主要用于工业应用如洗涤和冷却的、不含水的颗粒材料，其中残留物返回至下水道。气体浮选分离系统52的出口56流体连接到泵66，所述泵输出至膜分离系统100。旁通阀108控制臭氧处理系统69的流量，流量控制阀82控制膜分离系统100的流量，而排泄阀109控制下水道20的流量。膜分离系统100不仅有浓缩排出物106而且有渗透排出物104。管道106和110合并以对气体注射器喷嘴70供料，所述气体注射器喷嘴通过管道74流体连接到容器53的气体入口58。通过管道104，渗透排出物流体地连接到紫外消毒系统84和输出平衡罐86的入口88。管道104还连接到排泄阀105。排泄阀105和109分别通过管道107和111排空至下水道20。必要时，洗涤液可以通过管道113供应到气体浮选分离系统52。
在图1-3的系统运行时，进入地下储罐22或者井96的废水21由泵24经止回阀28通过端口30泵入可沉降固体分离器32中，其中流动以切线方向导向壁14，借此使分离器的内含物慢慢地循环。当分离器的内含物循环时，在废水中的可漂浮的物质，例如脂肪，油类和润脂油沿罐周边迅速地上升，使其主要地截留在插入板34和壁14之间的环形空间中。废水中可沉降固体，例如砂砾，沙，石头，刀片，塑料，及其他外来的固体物质通过沿分离器外周边进行循环而落至分离器32的底部。当可沉降固体到达分离器底部时，它们将由折流板之外的循环流体和对于中心相对静态的流体的速度差所产生的向心力向内清扫。到达折流板38外倾斜面的固体逐渐地向下滑动并落至罐的锥形底表面上。由折流板38下相对静止状态所产生的向心力向内清扫沉降固体并将其截留在折流板下面。一旦截留在折流板内，悬浮固体将慢慢地聚集并下沉至底部。沉降固体通过出口46排出分离器。相对不含可沉降和可漂浮的固体并主要包含溶解和悬浮的固体的流体在环形插入板36之内朝分离器顶端上升，并通过溢流道36和端口42排出分离器。通过端口46排出的组分，与通过端口42排出的组分相比包含更多的可沉降固体。
排出端口42的流体组分在入口54处进入平衡且在适当位置清洗的容器52中，并且通过泵66经出口56泵送出容器52，经管道110进入过滤系统78。在过滤系统78之后，流体通过管道102进入膜分离系统100。在膜分离系统100之内，一部分流体通过膜并以渗透物的形式输出至管道104，而其余流体以浓缩物形式通过管道106排出系统100。
流量控制阀82，污水泵24，循环泵66，和沉降固体泵48协调工作，以控制整个系统中的流量。在通常的操作条件下，阀82通常以与通过泵24进入系统的流量相匹配的方式进行设置，以致使，容器10和52中的液位保持稳定。通过阀82控制流量的一种方法是将阀82与容器52中的漂浮导阀互连，所述漂浮导阀例如由700-60型漂浮-控制的阀系统提供，该阀系统得自Bermad Control Valves(Anaheim，California)。通过增加进料压力而使通过膜分离系统的流量增加，所述压力可以通过限制流过阀82的流量而改变。
渗透部分排出管道104，其基本上不含悬浮的、可沉降的和可漂浮的固体。不同的后处理可由渗透处理系统62提供，所述处理系统将根据所产生的可再用的流体部分预定的最终用途而有所不同。
在图7-9的系统运行时，进入地下储罐22或者井96的废水21由泵24经止回阀28通过端口30泵入可沉降固体分离器32中，其中流动与壁14成切线定向，借此使分离器的内含物慢慢地循环。当分离器的内含物循环时，在废水中的可漂浮的物质，例如脂肪，油类和润脂油沿罐周边迅速地上升，使其主要地截留在插入板34和壁14之间的环形空间中。废水中可沉降固体，例如砂砾，沙，石头，刀片，塑料，及其他外来的固体材料通过沿分离器外周边进行循环而落至分离器32的底部。当可沉降固体到达分离器底部时，它们将由折流板之外的循环流体和对于中心相对静态的流体的速度差所产生的向心力向内清扫。到达折流板38外倾斜面的固体逐渐地向下滑动并落至罐的锥形底表面上。由折流板38下相对静止状态所产生的向心力向内清扫沉降固体并将其截留在折流板下面。一旦截留在折流板内，悬浮固体将慢慢地聚集并下沉至底部。沉降固体通过出口46排出分离器。相对不含可沉降和可漂浮的固体并主要包含溶解和悬浮的固体的流体在环形插入板36之内朝分离器顶端上升，并通过溢流道36和端口42排出分离器。通过端口46排出的组分，与通过端口42排出的组分相比包含更多的可沉降固体。
排出端口42的流体组分可以在入口54处进入气体浮选分离系统52，其中流体组分将遇到在分离器52的流体中上升的、在端口58处注入的、小气泡62的连续上升流，如空气-臭氧混合物。气泡62使固体和可漂浮物质上升至液面。空气-臭氧气泡使流体中的悬浮固体，蛋白质，油类，洗涤剂及其他表面活性剂上升该表面并形成泡沫的泡沫部分64和由泡沫分离得到的浮渣。将臭氧添加至由喷嘴70注射的空气中，可以帮助消毒，除去气味和颜色，以及使流体的化学需氧量减少。流体自入口54至出口56的向下流动将对抗气泡的向上流动，这将增加流体-气泡的接触时间和接触程度。
可再用的流体部分以净化状态排出出口56。可再用的流体部分基本上不含悬浮的、可沉降的和可漂浮的固体，并且可以是除臭、消毒、和无色的。在泵66的压力下，一部分可再用的部分由管道72转向通过可反冲的过滤系统78，所述过滤系统截留可能残留的任何更大的悬浮固体。来自过滤系统78的滤液通过流量控制阀82，然后通过紫外消毒系统84，所述系统将杀死可再用的流体部分中的、通过给予直接杀菌照射可能仍活着的生物。来自系统84的紫外线辐射也破环可再用部分中的残余臭氧，例如通过将溶解的臭氧转化成过氧化氢和高度活性的游离基，所述转化物质还将对水进行消毒，除去颜色和气味，并氧化不希望的物质。来自过滤器78的反冲物通过管道80输送至固体处理系统92，在该系统中，使沉降的和可漂浮的固体，以及来自在前处理阶段的泡沫和气体结合。
过滤系统78除去可能破坏膜分离系统100的膜，或者减小由该系统可完成的流量的大颗粒。对于过滤系统78，可以选择几种类型的过滤系统。一个优选的系统是使用多个盘形过滤器的、可反冲的过滤系统，如由ArkalFiltration Systems(Kibbutz Bet Zera，Jordan Valley，Israel)制造的圆盘过滤系统，该系统能够过滤出小至10微米的材料，利用多个过滤器组件提供连续流动。合适的过滤系统描述于US4,655,911中，在此将其引入作为参考。在图1所述的系统中，希望过滤器的孔为200微米或更小，或者20微米或更小，以便除去有关的颗粒材料。可反冲的过滤系统可以使用每次反冲一个过滤器组件的简单和可靠的反冲方法，而没有进行反冲的组件对于过滤水继续有效。空气-辅助的反冲步骤可以产生小量的反冲物，这将减少系统的反冲排出物。可反冲的过滤系统可以使用当组分过滤器的压差超过预定值时将启动的、自动反冲循环。
在可反冲的过滤系统之前进行的固体沉降和气体浮选分离除去了废水中大部分可沉降的、漂浮和悬浮的固体，借此使过滤器的工作负荷减至最少，并相应地使所需的反冲时间和次数减至最少。此外，当臭氧用于气体浮选分离系统时，能够减少或消除过滤系统78中的生物生长。
流量控制阀82，污水泵24，循环泵66，和沉降固体泵48协调工作，以控制整个系统。当首次启动操作时，使泵66运行，以便对气体浮选分离系统52充空气和臭氧，借此在容器53中使水净化，而泵24保持关闭状态，阀82关闭，以阻止任何排出物。在足以于容器53的底部使水净化的间歇之后，启动污水泵24并打开阀82。对流量进行设置，以便维持通过该系统的希望流量。在通常的操作条件下，阀82通常以与通过泵24进入系统的流量相匹配的方式进行设置，以致使容器10和53中的液位保持稳定。通过阀82控制流量的一种方法是将阀82与容器53中的漂浮导阀连通，所述漂浮导阀例如由Bermad 700-60型漂浮-控制的阀系统提供，该阀系统得自BermadControl Valves(Anaheim，California)。
随着时间的推移，容器52中悬浮和溶解的固体将日益变浓，这将堵塞系统100的膜。当保持渗透物流量时，膜的堵塞可导致更高的输送压力。当由外部控制系统检测到更高的压力时，在预定压力限度达到之后，可启动清洗循环。在清洗循环期间，可按照下列顺序(1)通过关闭泵24而停止经入口54向容器52的流动；(2)通过打开排泄阀105，和关闭阀82而对容器52进行净化；(3)对容器52填充洗涤液，例如通过输入端113填充热水和碱液的混合物；(4)打开阀82并关闭阀105；(5)使洗涤液通过膜分离系统100一段时间，其中一部分以渗透物和处理物的形式排出；和(6)关闭阀82并打开阀105，通过阀105，管道111将洗涤液泵出罐52并进入下水道20。在清洗循环之后，可通过关闭阀105和打开泵24而开始启动页序，以使新的流体能够通过入口54进入罐52。
在该系统操作期间，浮渣层将在容器10，32，52或53中流体的表面上发展。在离开输入泵24运转的同时，通过周期地关闭阀82一时间间隔可从系统中清除浮渣层。这将使容器10，32，52或53中的液位上升，并最终通过端口44和60、通过管道45和50溢入固体处理系统92(图1或7)或下水道20(图2和8)中。一旦浮渣层清除，可以再次打开阀82，以便通过阀82调整流量，以将液位返回至目标液位。
与通过系统的总流量配合，周期性地打开和关闭沉降固体泵48，以便将受控量的固体残留物计量输送至固体处理系统92(图1或7)或下水道20(图2或8)。对于实施方案图1或7，在处理之前使固体高度浓缩至5％重量固体的范围内，以便使所需后处理的体积最小化。通过用泵48计量固体残留物，能够取得更高的固含量。通常，排泄阀47是关闭的，但它也能够打开以迅速地使罐32排空。
浓缩物向可沉降固体分离器32的返回可利用保留在浓缩物流中的动能，以有助于在容器10中保持流动，如离心式流动，并借此改善分离效率。甚至在污水泵24关闭之后也能够保持所述离心作用，借此，在容器52和10排空时，有助于将容器10中的固体限制在圆锥形-底的中央截面。
参考图9，该系统可以这样来操作首先打开阀108一段时间，以使气体如空气和臭氧填充容器53，借此净化排出端口56的水。此时阀82和109可以关闭，以便阻止来自系统的任何排出物。在保证水充分净化的时间间隔之后，可以关闭阀108并且可以打开阀82，以便调节流量，从而如上所述与输入泵的流量匹配。随后，使所有流量沿线路流经膜分离系统100，其中以渗透物排出该系统的侧流通过管道104并通过紫外消毒系统84。随着时间的推移，容器53中悬浮和溶解的固体将日益变浓，这将淤塞系统100的膜。当保持渗透物流量时，膜的堵塞可导致更高的输送压力。当由外部控制系统检测到更高的压力时，在预定压力限度达到之后，可启动清洗循环。在清洗循环期间，可按照下列顺序(1)通过关闭泵24而停止经入口54向容器53的流量；(2)通过打开排泄阀109并关闭阀108和82而净化容器53；(3)通过输入端113用洗涤液填充容器53，所述洗涤液例如热水和碱液的混合物；(4)打开阀82和105；(5)使洗涤液循环通过膜分离系统100一段时间，其中以渗透物排出的部分经阀105返回至下水道20；和(6)关闭阀82并打开阀109，以使洗涤液通过阀109，管道111泵送出罐52，并排入下水道20。在清洗循环之后，可通过打开阀108，关闭阀105和109，并打开泵24而开始启动顺序，以使新的流体能够通过入口54进入罐52。
由于已经由可沉降固体分离器32和气体浮选分离系统52除去废水中的大多数沉降和浮选的固体，因此，能够更有效地利用膜分离系统100的分离特性。此外，在膜分离前将臭氧引入流动流中可减少能在系统100中发生并能对其效率产生副作用的生物生长的形成。
参考图10，过滤系统65可包括与紫外消毒系统84结合、作为过滤元件的、可反冲的生物过滤器系统112。当存在生物过滤器系统112时，可再用的流体部分可用于各种用途，如水产业，或者排放至其中水中的氮化合物被硝化是重要的并且具有低的生化需氧量的地表水体中。对于水产业用途，迅速的处理方法可以保存水中的热量。通常，过滤器78被可反冲的生物过滤器系统112取代。由于臭氧可破坏生物过滤器介质上的生物薄膜，因此只允许空气通过注射器喷嘴70进入管道74的流动流。空气给系统52中的浮选分离提供气体并驱除出恶臭气体，另外，还给生物过滤器的好气微生物提供所需的氧。生物过滤器系统通常与臭氧不相容。合适的可反冲的生物过滤器系统描述于US5,232,586和5,445,740中，在此将其引入作为参考，并且包括由Aquaculture Systems Technologies Systems Technologies L.L.C.(Jefferson，Louisiana)制造的Bubble Washed Bead Filters和Propeller Washed Bead Filters。因为臭氧不注射入流动流中，因此消毒由紫外消毒系统84提供。生物过滤器系统的反冲可以用重力来完成，其中利用压缩空气或机动的推进器对过滤介质进行搅拌并松散积累的物质。生物过滤器系统的反冲频率可以常规操作间隔进行，或者可以通过增加进料反压力来启动。
在图4和5的渗透处理系统运行时，包括在臭氧接触容器86中的渗透物通过注气口70和紫外消毒系统84进行循环，在此期间，渗透物和臭氧一起注入并经受紫外线辐射。臭氧气体由循环流携带入接触容器86中，在容器中，臭氧气体上升，与从入口85至出口108的相反方向慢慢运行的新渗透物接触。流体自入口85至出口108的向下流动将对抗气泡的向上流动，这将增加流体-气泡的接触时间和接触程度。接触渗透物的小臭氧气泡可氧化渗透物中的物质，借此对其进行消毒，同时还除去气味和颜色。利用直接杀菌照射，紫外线辐射还对渗透物进行消毒，同时，照射与溶解臭氧的相互作用将产生过氧化氢和游离基，其进一步消毒、除去气味和颜色、并氧化不希望的溶解有机物质如在除草剂和杀虫剂中发现的有机物质。
可沉降固体分离器32，和平衡且在适当位置进行清洗的容器或者气体浮选分离系统52可具有封闭气氛。这将防止有气味的气体释放至系统周围的环境中。另外的气味控制可由罐中上升的注入气泡62在压力下释放至容器10的空间40或容器53的空间41中的剩余臭氧提供。所述臭氧也可以渗透过容器10的空间40。该臭氧还可以渗透过连通管道和固体处理系统92。该包含臭氧的气氛能够进一步减少气味，通过例如氧化空间中的硫化氢，硫醇，及其他恶臭的或者有害的气体。与臭氧的化学反应不仅除臭和破坏这些物质，而且还消耗了过量的臭氧。
由该系统产生的可再用的流体部分基本上是清澈、无味、无色、消毒、且不含悬浮固体的。利用描述于图1或7中的系统回收的可再用水可具有用于灌溉、洗涤和冷却用途的有益属性。例如，所述可再用水包含有机形态的所希望的植物营养物，包括例如呈氨或者尿素形式的微量无机物和氮，所述植物营养物能够被土壤颗粒截留并慢慢地转化成植物可用的硝酸盐。此外，可再用水可包含洗涤剂，它可使重粘性土壤更为多孔；和由臭氧注入产生过氧化氢，它能够改善植物根部的健康和活性。
该处理方法可以是相对迅速的。该系统的大小部分地可由容器10，52和53的尺寸来确定，所述容器与其宽度相比可以是更高的，并且具有相对小的体积。在容器10中，通常水的保留时间约为15分钟，而在容器52或53中通常为10分钟。比较起来，生物处理系统的水力保留时间在4小时和几天之间。在表面罐中废水可处理大约30分钟，这将保持废水的热值，这可通过设备附加的泵送能来补充。因为城市废水通常的温度为65-70°F，因此，在寒冷的月份可将热量释放入温室中。此外，由于图1-2，4和7-9的系统使用物理分离方法，因此该体系的间歇应用更为方便，例如当需要水时。与物理系统相比较，使用生物净化方法的系统要求更稳定的操作条件。
描述于图2或8中的系统可以是紧凑的、具有很小的覆盖区(footprint)，使其在土地缺乏并且地价昂贵的经济发达地区潜在的发展是很实用的。此外，由于固体返回至下水道，因此，减少了将固体高度浓缩的需要。因此，与图1或7的系统中的泵相比，泵48能够以更高的工作循环运行。
该系统的紧凑特性，以及该系统低的气味和噪声发射，使之能够靠近居住区。只要在附近有下水道，该系统就可以坐落在需要循环水的位置附近，例如坐落在市区公园或者高尔夫球场附近。该系统的属性使之能够实现更低成本和更实用的废水回收。
参考图6或11，固体处理系统92包括地下储罐114，其可以与处理住宅废水的化粪池类似。罐114有一入口116，折流板118和在该罐的两个保留区之间的管道120，以及出口122。入口116接收来自管道45和50的系统的其它部分中收集的自落沉降固体，气体，泡沫，和可漂浮的固体和来自管道80的过滤反冲物。罐114的排出物通过端口122送回到罐22中。
固体处理系统92或94的操作可类似于化粪池的操作。该系统可作为未受热的、未混合的厌氧消化池来操作。通过设计，支流的固体含量与单一家庭住宅一般的化粪池相比，可高出50-100倍。因此，在罐中的保留时间可以增加至使悬浮固体能够有相当长的时间进行聚集和沉降。如果例如利用1000加仑保持力的一般单一家庭化粪池来处理20家的污水，那么，停留时间大约为8-16天。在沉降和浮渣层之间不受阻碍空间中，罐114的流体可返回至系统的罐22中，而不是浸滤场。这样的流体可能已经进行了通过兼性的和缺氧性的过程的部分分解。残留在由罐114返回至罐22的流体中的某些已溶物质的命运，取决于概述于表1中的系统中使用的过滤的种类而有所不同。
表1
来自容器10的空间40或41的臭氧气体可进入固体处理系统92的空间，以破坏硫化氢，甲烷并去除气味。正如传统的化粪池情况一样，如通过泵车可周期性地除去和处理砂砾及其他惰性的残存固体。
至此已描述了本发明的许多实施方案。然而，应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围下可进行各种改进。例如，尽管可将市政污水和卫生污水用作废水的主要来源，但其它来源也是合适的，它们包括鱼池和鱼塘，家畜饲育场，食品加工厂，湖泊，河流与溪流。此外，如果想要最高纯度的水，那么可将反渗透用作膜分离系统的后处理。在实施方案中，研磨机组件可与沉降固体泵一起使用。此外，可以使用其他的固体处理系统，如加热和混合的厌氧消化池或自动加热嗜热的厌氧消化池(ATAD)。
权利要求
1.一种对含可沉降固体的废水进行处理以形成可再用流体部分的方法，该方法包括将废水流分离成第一组分和第二组分，所述第一组分包括一定量的可沉降固体，其量大于第二组分中可沉降固体的量；并且或者使第二组分输入包括气体浮选分离系统的第二保留区，以便形成泡沫部分和可再用的流体部分；或者将第二组分施加至对于第二组分的选择成分是可渗透的膜上，并且第二组分在该膜的表面上浓缩，以形成固体浓缩物和可再用的流体部分。
2.权利要求1的方法，其中，第二组分施加至对第二组分的选择成分是可渗透的膜上，并且第二组分在膜的表面上浓缩以形成固体浓缩物和可再用的流体部分。
3.权利要求1的方法，其中，将第二组分输入包括气体浮选分离系统的第二保留区，以便形成泡沫部分和可再用的流体部分。
4.权利要求1-3任一项的方法，其中，分离包括通过重力沉降可沉降固体。
5.权利要求4的方法，其中，分离还包括借助使废水流流入分离槽所产生的力而沉降可沉降固体。
6.权利要求1的方法，还包括从膜中以淤浆部分的形式除去固体浓缩物并将淤浆部分返回至废水流中。
7.权利要求1-3任一项的方法，还包含对可再用的流体部分消毒。
8.权利要求7的方法，其中，消毒包括将可再用的流体部分暴露至紫外线辐射中。
9.权利要求7的方法，其中，消毒包括将化学氧化剂与可再用的流体部分混合。
10.权利要求9的方法，其中化学氧化剂包括臭氧。
11.权利要求9的方法，其中，消毒还包括将可再用的流体部分暴露至紫外线辐射中。
12.权利要求2的方法，还包括在分离第一组分和第二组分之前对废水进行粉碎。
13.权利要求2的方法，还包括在第二组分和膜之间产生高剪切力。
14.权利要求2的方法，还包括在将第二组分施加至膜上之前，通过过滤系统对第二组分进行筛选。
15.权利要求14的方法，还包括反冲该过滤系统。
16.权利要求2的方法，还包括将可再用的流体部分暴露至固定-膜生物过滤器中。
17.权利要求3的方法，还包括将气体的气泡引入气体浮选分离系统中的第二组分中；将第二组分保留在第二保留区中，其保留时间间隔足以使气泡上升并通过第二组分以形成泡沫部分；和从第二保留区中除去泡沫部分以便留下可再用的流体部分。
18.权利要求3的方法，还包括将第一组分和泡沫部分混合，以形成淤浆流。
19.权利要求18的方法，还包括处理该淤浆流。
20.权利要求3的方法，还包括将可再用的流体部分施加至不饱和土壤中。
21.权利要求3的方法，还包括使可再用的流体部分通过过滤系统。
22.权利要求21的方法，还包括反冲该过滤系统。
23.权利要求18的方法，还包括对过滤系统进行反冲，以产生一定量经反冲的物质并将该经反冲物质与淤浆流混合。
24.权利要求21的方法，其中过滤系统包括在第三保留区内、涂有生物薄膜的过滤介质。
25.权利要求1-3任一项的方法，还包含从下水道获得废水。
26.权利要求3的方法，还包括从下水道的某一位置获得废水；将第一组分和泡沫部分混合以形成淤浆流；以及将淤浆流返回至获得废水位置下游的下水道中。
27.权利要求18的方法，还包括使淤浆流输入第三保留区中，以便将淤浆流分离成上清液部分和沉降部分。
28.权利要求27的方法，还包括使上清液部分返回至第一保留区或者第二保留区中。
29.权利要求27的方法，还包括将上清液部分通至地下浸滤场。
30.权利要求17的方法，其中气体包括臭氧。
31.一种处理含可沉降固体的废水的装置，包括可沉降固体分离器，所述分离器包括具有上端、下端以及连接上端和下端的外壁的容器；部分成切向地穿过靠近容器上端的外壁的入口；邻近容器上端的第一出口；和邻近容器下端的第二出口；具有一入口和一出口的分离系统，该分离系统包括或者其中出口是渗透物出口并且入口和渗透物出口被膜分离的膜分离系统；或者其中出口是可再用的流体部分出口部分的气体浮选分离系统；以及流体连接可沉降固体分离器的第一出口和该分离系统入口的流体管道。
32.权利要求31的装置，其中，分离系统是膜分离系统。
33.权利要求31的装置，其中，分离系统是气体浮选分离系统。
34.权利要求31-33任一项的装置，其中可沉降固体分离器是涡流分离器。
35.权利要求32的装置，还包括流体连接膜分离系统的渗透物出口至臭氧处理系统的渗透物管道。
36.权利要求35的装置，其中，臭氧处理系统包括封闭的臭氧处理容器，所述容器具有与渗透物流动区域流体连通的臭氧注射区域。
37.权利要求36的装置，还包括流体连接可沉降固体分离器的封闭气氛和封闭的臭氧处理容器的臭氧输送管道。
38.权利要求32的装置，还包括流体连接膜分离系统的渗透物出口至紫外消毒系统的渗透物管道。
39.权利要求35的装置，其中，臭氧处理系统包括紫外消毒系统。
40.权利要求32的装置，还包括与膜分离系统的第一出口流体连通的限流器。
41.权利要求32的装置，还包括在分离器容器的第一出口和膜分离系统的入口之间的平衡容器。
42.权利要求31-33的装置，还包括与可沉降固体分离器的入口流体连通的废水泵。
43.权利要求42的装置，其中，废水泵是粉碎废水泵。
44.权利要求32的装置，还包括固定-膜生物过滤器系统和流体连接膜分离系统的渗透物出口至固定-膜生物过滤器系统的渗透物管道。
45.权利要求32的装置，还包括与分离器的第一出口和膜分离系统的入口流体连通的可反冲的过滤系统。
46.权利要求45的装置，其中，可反冲的过滤系统包括过滤盘。
47.权利要求33的装置，其中，可沉降固体分离器还包括设置在容器的第一出口和上端之间的通风和溢流口。
48.权利要求33的装置，其中，气体浮选分离系统包括包含上端，下端，和连接上端和下端的外壁的气体浮选分离容器，其中入口邻近容器的上端，可再用的流体部分出口在入口和下端之间，该容器还包括在入口和上端之间的浮渣溢流和排气孔；和在浮渣溢流和排气孔和下端之间的注气口。
49.权利要求33的装置，还包括流体连接气体浮选分离容器的可再用的流体部分出口与消毒系统的澄清的流体管道。
50.权利要求49的装置，其中，消毒系统包括紫外消毒系统。
51.权利要求49的装置，其中，消毒系统包括臭氧处理系统。
52.权利要求50的装置，其中，消毒系统还包括臭氧处理系统。
53.权利要求51的装置，还包括流体连接可沉降固体分离器的封闭气氛和臭氧处理系统的封闭的臭氧处理容器。
54.权利要求33的装置，还包括与气体浮选分离系统的可再用的流体部分出口流体连通的限流器。
55.权利要求33的装置，还包括与气体浮选分离系统的可再用的流体部分出口流体连通的过滤系统。
56.权利要求55的装置，其中，过滤系统是可反冲的过滤系统。
57.权利要求48的装置，其中，浮渣溢流和排气孔与淤浆部分管道流体连通，淤浆部分管道与可沉降固体分离器的第二出口流体连通。
58.权利要求57的装置，还包括包含入口和出口的固体处理系统，所述入口与淤浆部分管道流体连通。
59.权利要求58的装置，其中，固体处理系统的出口与可沉降固体分离器的入口流体连通。
60.权利要求59的装置，其中，固体处理系统的出口与气体分离器容器或者气体浮选分离系统的入口流体连通。
61.权利要求33的装置，还包括与可再用的流体部分出口流体连通的膜分离系统。
62.一种减少包含废水的容器中气味的方法，包括将臭氧引入该容器的空间中。
63.权利要求62的方法，其中，臭氧是来自废水处理的臭氧处理阶段的过剩臭氧。
64.权利要求62的方法，其中，该容器是下水道或者下水道的一部分。
65.一种处理含可沉降固体的废水的装置，包括涡流分离器，所述分离器包括具有上端、下端以及连接上端和下端的外壁的封闭分离器容器；部分成切向地穿过靠近容器上端的外壁的入口；邻近容器上端的第一出口；和和邻近容器下端的第二出口；包括封闭的臭氧处理容器的臭氧处理系统，所述容器具有与流体流动区域流体连通的流体入口和臭氧注入区域；以及流体连接涡流分离器的第一出口至臭氧处理系统的流体入口的流体管道，其中，封闭的分离器容器和封闭的臭氧处理容器由臭氧输送管道流体连接。
全文摘要
废水可以利用可沉降的固体分离器如，涡流分离器，膜分离系统以及气体浮选分离系统的组合进行处理。
文档编号C02F1/44GK1478059SQ01820024
公开日2004年2月25日 申请日期2001年10月4日 优先权日2000年10月4日
发明者史蒂文·B·马勒海姆, 史蒂文 B 马勒海姆 申请人:格里特循环技术公司