专利名称：基于多孔过滤介质进行污水三级处理的设备和方法
技术领域：
本发明涉及通过使用多孔过滤介质进行污水三级处理(tertiary treatmentof sewage)的设备和方法，以净化来自污水处理厂的沉降池的排放废水(effluent wastewater)并将水应用在废水回收和再利用系统；更具体地，本发明涉及通过使用多孔过滤介质进行污水三级处理的设备和方法，其通过用具有大表面积和开孔的多孔过滤介质填装沉降和过滤池，可以同时除去包含在污水处理厂次级沉降池的排放废水中的悬浮固体、有机物和营养盐(nutritive salt)。
背景技术：
通常，污水包含如固体、有机物、氮和磷这样的污染物质。基于处理方法以三步进行污水净化初级处理、次级处理和三级处理。在初级处理中，用物理方法除去易于沉淀的悬浮固体。在次级处理中，除去溶解的有机物和有机固体，此次级处理为主要的污水处理步骤。在该步骤中，通常使用生物的方法。在三级处理中，通过使用物理的、化学的和生物的处理方法除去在次级处理中没有除去的有机物和营养盐。
在生物的次级处理中，最通用的方法之一是活性淤泥法(activated sludgemethod)，其目的是达到平均90％的有机去除率。然而，由于通常操作的生物的次级处理在除去废水污染物方面有局限性，因此需要进行三级处理以生产良好质量的水。
在污水三级处理中，基于欲除去的物质种类使用下列方法。如果必须从污水中除去包含悬浮固体的有机物，可以使用的方法如快速沙滤(rapidsand filtering)、絮凝沉淀和膜分离。如果欲除去营养盐的氮，使用硝化和脱硝的生物方法。如果必须除去磷，则广泛使用絮凝沉淀和其它的生物方法，氮和磷的生物去除方法，以及它们的改进法。
在使用快速过滤法时，净化后的废水的质量比较好。但是，该方法在污水处理设备的维护方面有问题。例如，必须经常进行反向洗涤。在膜分离法的情况中，它不适合大尺寸的污水处理设备，因为建造和维护这些设备要花费大量的钱。此外，它需要附加的反应槽和除去磷与氮及维护污水处理设备的高技术。
发明内容
因此，本发明的目的是提供使用多孔过滤介质对污水进行三级处理的设备和方法，通过用具有大的表面积和开孔的多孔过滤介质填装沉降和过滤池以使有效表面积最大化，并另外向其中提供氧和臭氧，该设备和方法能够除去来自沉降池的排放废水中的氮和磷，以及悬浮固体和有机物。
本发明的另一个目的是提供使用多孔过滤介质对污水进行三级处理的设备和方法，其通过最优化物理、化学和生物反应，可以同时除去包含在沉降池的排放废水中的有机物和营养盐，以便将净化的排放水应用在各种用途的废水回收和再利用系统中。
本发明的又一目的是提供使用多孔过滤介质对污水进行三级处理的设备和方法，其可以用简单的污水处理方法在低的设备建设和维护成本下稳定地满足来自三级处理的排放水的品质目标。
根据本发明的一方面，提供了使用多孔过滤介质进行污水三级处理的设备，包括沉降池的排放废水流入其中的反应槽；具有预定尺寸的表面积和开孔并填充在反应槽内的多孔过滤介质；用于通过沉淀排放废水中含有的悬浮固体颗粒而除去悬浮固体，以及连同悬浮固体颗粒的沉淀去除一起除去悬浮固体颗粒中含有的有机物和营养盐。
根据本发明的一方面，提供污水三级处理设备，其中反应槽包括填充有多孔过滤介质的前部(fore)反应槽，用于收集来自沉降池的排放废水和基于生物、物理和化学反应进行沉淀；填充有预定尺寸多孔过滤介质的后部(rear)反应槽，用于再处理来自前部反应槽的排放水；在排出部分(effluxportion)的上部的一侧上配置有溢流堰的排放槽，用于保留并排放来自后部反应槽的次级排放水；和具有多个流出口(efflux openings)的调整壁(rectifying wall)，用于隔开前部反应槽、后部反应槽和排放槽。
通过使用多孔过滤介质和优化物理、化学和生物反应，本发明的方法可以除去包含在来自沉降池的排放废水中的有机物和营养盐。在物理方面，通过使填充在反应槽中的多孔过滤介质的有效表面积最大化，本发明的方法增加了悬浮固体颗粒的沉淀效率。连同悬浮固体的沉淀去除一起，除去包含在悬浮固体中的有机物和营养盐。
在生物方面，本发明的方法在填充在反应槽中的多孔过滤介质的表面上形成高密度的微生物膜，并且增加了包含在来自沉降池的排放废水中的低密度有机物的处理效率。另外，如果使用微生物膜法(固定生长(fixedgrowth))，可以很容易地除去在悬浮微生物法(悬浮生长)中不能除去的过剩的有机物。
此外，在本发明中，另外使用化学方法。换句话说，添加絮凝剂和注入高纯氧或臭氧的设备以促进物理和生物处理效率。在此，在使用絮凝剂时，悬浮固体的沉淀效率提高，而在注入臭氧或高纯氧时，氧气透过率(oxygen transmission)增加，从而可以显著地增强生物作用。
根据本发明的一个方面，提供使用多孔过滤介质进行污水三级处理的方法，包括步骤a)收集来自沉降池的排放废水，使排放废水流过具有预定尺寸表面积和开孔并填充在前部反应槽中的多孔过滤介质，和基于生物、物理和化学反应处理悬浮固体和有机物；b)在后部反应槽接收前部反应槽中净化的排放水，使净化水流过具有预定尺寸表面积和开孔并填充在后部反应槽中的多孔过滤介质，和基于生物、物理和化学反应除去悬浮固体和有机物；以及c)将从后部反应槽中排放的水保留在排放槽中，并通过溢流堰将水排放。
同时，本发明的污水处理方法还包括通过提供絮凝剂和高纯氧或臭氧诱发(induce)磷去除和脱硝反应的步骤，以同时除去包含在排放水中的磷和氮，以及悬浮固体和有机物。
由以下结合附图给出的优选实施方案的描述中，本发明的上述和其它目的和特征将变得更加显而易见，所述附图中图1是根据本发明的实施方案使用多孔过滤介质的污水三级处理设备的透视图；图2A和2B是为本发明的主要成分的多孔过滤介质的说明图；图2C是多孔过滤介质的示意图，该多孔过滤介质的表面覆盖有沉淀的淤泥并在其上形成了生物膜；
图3是根据本发明的另一实施方案使用多孔过滤介质的污水三级处理设备的透视图；图4是根据本发明使用多孔过滤介质的污水三级处理设备的详细结构的透视图。
图5是为本发明的主要组件的改进的反应槽的示意图；和图6A和6B是两步骤排放部件的透视图和截面图，该排放部件为本发明的另一主要组件。
具体实施例方式
参考附图从下文给出的下列各实施方案的描述中，本发明的其它目的和特征将变得更加显而易见。
以下，参考图1至图6描述本发明的实施方案。通过装入孔径大小彼此不同的多孔过滤介质，使用多孔过滤介质的污水三级处理设备和方法使有效表面积最大化，以通过优化物理、化学和生物反应除去包含在沉降池的排放废水中的有机物和营养盐，以及通过向来自沉降池的排放废水提供氧气和/或臭氧同时除去氮和磷。本发明的方法不需要任何能源。它利用物质在流动时自然下落的重力沉降定律。
参考图1，根据本发明的实施方案，三级处理设备包括流入槽1，用于使来自沉降池的排放废水保持均匀流动；以预定尺寸的长方形形成的反应槽2，用于保留从流入槽1中排放的沉降池的排放废水；具有预定尺寸的表面积和开孔并且填充在反应槽2中的多孔过滤介质，用于沉淀包含在排放废水中的悬浮固体颗粒，以及连同悬浮固体颗粒的沉淀去除一起除去悬浮固体颗粒中的有机物和营养盐；排放槽5，用于排放反应槽2中的排放水；多孔调整壁4，用于分别隔开流入槽1、反应槽2和排放槽5；在排放槽5的上表面中形成的溢流堰，用于均一地排放排放槽5中纯化的水。
在本实施方案中，多孔过滤介质3是由塑料或废塑料制成的。多孔过滤介质3可以形成为如图2A所示的卷簧形，或者如图2B所示的两端错开的(amiss)环形。
当在沉降池中填充上述形状的多孔过滤介质3，淤泥沉淀在多孔过滤介质3的表面上，以在其上形成如图2C所示的生物膜。
此外，填充在反应槽2中的多孔过滤介质3的大小为10～300mm，开孔率为50～90％。多孔过滤介质3应该保持大的表面积，具有高的开孔率。理想地，过滤介质的尺寸为10～300mm。由于本发明利用物质在流动时通过重力自然下降的原理，无需任何来自外部的其它能源，因此使反应槽2的压头损失最小化是重要的。另外，为了除去多孔过滤介质3的开孔之间沉淀的淤泥，将过滤介质的尺寸和开孔率分别限定为10～300mm和50～90％。
在本发明的实施方案中，从反应槽2的上部到下部，装填在反应槽2中的过滤介质的尺寸变大。这将使得淤泥容易在悬浮固体载量相对较高的反应槽的下部中沉淀。
参考图3描述本发明的另一实施方案。如图中所示，污水三级处理设备包括流入槽1，用于在污水处理厂(plant)收集外来的排放废水；形成在流入槽1的一侧并填充有50～300mm多孔过滤介质的前部反应槽7，用于通过生物、物理和化学反应处理来自流入槽1的排放废水；填充有10～200mm多孔过滤介质的后部反应槽8，用于再处理来自前部反应槽7的排放水；在上部中配置有溢流堰6的排放槽5，用于保存并排放来自后部反应槽8的排放水；以及具有多个流出口的多孔调整壁4，用于隔开流入槽1、前部反应槽7、后部反应槽8和排放槽5。
如果反应槽分为前部反应槽7和后部反应槽8，如图3所示，通过使填充在前部和后部反应槽7和8中的多孔过滤介质9和10的尺寸不同，可以提高反应槽的污染物去除效率和传送水的能力(water transmission capacity)。即，进入前部反应槽7的悬浮固体的浓度高于进入后部反应槽8的悬浮固体的浓度。因此，对前部反应槽7提供50～300mm的过滤介质，而对于后部反应槽提供10～200mm的过滤介质。
在本实施方案中，前部反应槽7和后部反应槽8由溢流沉淀和生物过滤池形成，并且多孔过滤介质9和10由模塑成预定形状(即如图2A和2B所示的卷簧形，或者两端错开的环形)的塑料或废塑料形成。
在本实施方案中，通过在各反应槽7和8的前部分中填充较小尺寸的多孔过滤介质9或10，而在后部中装入较大尺寸的，或者在各反应槽7和8的前部分中填充较大尺寸的多孔过滤介质9或10，而在后部中填充较小尺寸的，可以容易地除去淤泥。借助这一方式，悬浮固体可以在各反应槽7和8中的前部分沉淀更多，而在后部分沉淀较少。在此，装填在前部和后部反应槽7和8的多孔过滤介质9和10的开孔率为50～90％。
此外，通过根据反应槽7和8的深度使多孔过滤介质9和10的尺寸不同，可以容易地除去反应槽7和8的淤泥。换句话说，通过在反应槽7和8的上部装填较小尺寸的多孔过滤介质9和10而在下部装填较大尺寸的多孔过滤介质9和10，从而使淤泥可以沉淀在悬浮固体载量比其它部分高的反应槽的下部。
本发明的这一实施方案还包括如图4所示，在前部和后部反应槽7和8底面的预定位置处的淤泥保留槽11，以有效除去在污水处理过程中产生的淤泥；及空气供应器12和超声发生部件13，以有效除去粘附在保留槽11的过滤介质上的淤泥。在本实施方案中，当处理排放水时，悬浮固体和微生物沉淀并附着在前部和后部反应槽7和8中装填的多孔过滤介质9和10的表面。然后，随着时间过去，根据重力原理，过度沉淀和增长的淤泥滑落下来，并坍塌累积在反应槽7和8的下部。
参考图5，前部反应槽7流入部分的面积(area)14a形成得比后部反应槽8排出部分的面积14b大，以使流体在前部和后部反应槽7和8中以均匀的速度流动。考虑到在前部反应槽7中的淤泥沉淀引起截面积下降，本实施方案的设备形成可防止水流速度不等的结构。如果淤泥在前部反应槽中沉淀，传送水的能力会劣化。但是，本发明的实施方案的结构使得有可能平稳维持设备并连续保持处理效率。
参考图6A和6B，本实施方案建议将后部反应槽8的排出部分分为上部和下部的结构。即，在多孔调整壁4的中间还形成另外的上部调整壁15，向后部反应槽8的内侧延伸。多孔调整壁4隔开后部反应槽8和排放槽5。然后，通过使水从后部反应槽8的上部(upper)流入部分流至上部排出部分，以及使水从后部反应槽8的下部(lower)流入部分流至下部排出部分，最小化前部和后部反应槽7和8的死体积。
同时，尽管本发明的实施方案示出了装填在前部反应槽7中的多孔过滤介质9，但本发明的方法并不仅仅限于这些实施方案，而可以使用硫酸铝、铁盐、石灰和聚合物絮凝剂代替多孔过滤介质9，或者可以包括用于注入高纯氧和臭氧的部件以使污水的去除效率最大。
在下文中，将图3中的污水处理设备作为实例，描述污水三次处理方法。在本发明中，必须从污水中除去的是悬浮固体、有机物和营养盐如氮和磷。该方法是基于流动时的自然下降原理，而无需任何外部能源。
换句话说，污水处理厂的排放废水流进流入槽1并保留在前部反应槽7中。然后，排放废水经过装填在前部反应槽7中的具有预定尺寸的表面积和开孔的多孔过滤介质9和10，以基于物理和化学反应沉淀并分解(resolve)保留在污水中的悬浮固体和有机物。连同悬浮固体的去除一起，也除去了少量包含在悬浮固体中的有机物和营养盐。通过和多孔过滤介质一起向前部反应槽7中加入絮凝剂，或者注入高纯氧或臭氧，可以使污水处理效率最大化。
基于以下原理和方法在前部和后部反应槽7和8中除去悬浮固体、有机物、氮和磷。
首先，通过使用以下原理和方法除去悬浮固体。在通过生物处理之后保留在沉降池排放废水中的颗粒为活的或死的微生物、钉头絮状物(pin-floc)和未处理的胶体。这些物质引起混浊。通过在具有大的表面积的多孔过滤介质9和10上进行沉淀除去这些悬浮固体。经过多孔过滤介质9和10的颗粒引起局部湍流(local turbulence)，结果，颗粒之间的碰撞增加。碰撞和附着反应在过滤介质的表面上反复进行，从而颗粒的大小和密度增加，并且在过滤介质的表面重复地增厚(thicking)和压缩(compression)。在经过过滤介质之后仍保留的微小颗粒随后通过过滤介质层和增厚的淤泥，然后通过滤去(strain out)和截取(intercepted)而被除去。
现在，描述在前部和后部反应槽7和8中除去有机物的原理和方法沉降池的排放废水包含活的或死的微生物的悬浮固体，以及尚未除去的溶解的有机物。在此，用两种方式除去有机物。首先，通过除去反应槽中的悬浮固体除去包含在悬浮固体中的有机物。由附着在过滤介质表面的微生物的有氧或无氧生物降解操作除去尚未进行处理的溶解的有机物。生物降解降低了在反应槽中沉淀的淤泥量。在使用生物膜法的情况中，沉淀淤泥的淤泥寿命(age)，即固体停留时间(SRT)，比悬浮生长时间更长。因此，反应槽中淤泥自我消化，从而淤泥量显著降低。
根据本发明，基于以下原理和方法在前部和后部反应槽7和8中除去氮。
在沉降池的排放废水中，氮主要以NH4+-N、NO3-N和有机-N的形式存在。在它们之中，NH4+-N用于通过微生物的新陈代谢形成细胞，同时它由硝化过程转变为NO3-N。由于NO3-N在无氧条件下可被微生物脱硝，然后转化为氮气，因此可以除去NO3-N的氮。在除去以颗粒形式存在的有机氮中，物理方法如过滤和吸附是有效的，但不能除去具有高溶解性的物质如氨或硝酸盐。
在本发明中，通过在前部反应槽7中形成的高密度生物膜另外发生硝化反应，并且当到后面部分时，形成无氧状态，从而预计因利用余留有机物的微生物的脱硝而发生脱硝反应。
包含在悬浮固体中的氮和磷作为前部和后部反应槽7和8中沉淀的淤泥被定期除去。
此外，本发明通过在前部反应槽7中供应高纯氧(之后将变为溶解的氧)诱发有机物的氧化和硝化，以及在后部反应槽8中诱发脱硝反应以将它们变为氮气。
在提供臭氧(O3)时，促进了难以分解的有机物的生物降解。
因此，可以有效去除有机物和絮凝的钉头絮状物。另外，诱发了硝化，此外促进了后部反应槽中的脱硝。
基于以下原理和方法除去前部和后部反应槽7和8中的磷。在沉降池排放废水中的磷以溶解的PO4-3-P形式和以包含在微生物细胞中的固体状态存在。微生物细胞的形成除去部分溶解的磷。也就是说，基于在有氧/无氧状态下微生物的新陈代谢进行磷的生物去除。当在有氧状态下磷被过度摄入细胞时，通过除去过量的淤泥可以除去磷。通过过滤介质沉淀除去固态磷。使用絮凝和沉淀的方法可以有效除去磷。至于絮凝剂，可以使用硫酸铝、铁盐、石灰和聚合物絮凝剂。由絮凝剂的金属离子以AlPO4、FePO4、Ca5(OH)(PO4)3的形式沉淀磷。在此，也可以以有机颗粒的形式沉淀有机磷。
如上所述，当根据本发明将絮凝剂加入流入槽1时，可以有效除去悬浮固体，并且可以有效絮凝溶解的磷，然后将其沉淀。
此外，本发明的方法可以周期性地清洁并除去附着在前部和后部反应槽7和8的多孔过滤介质上的淤泥。
与其它常规方法如沙滤相比，本发明的方法因大的开孔和高的开孔率可以最大化地沉淀包含在排放水中的悬浮固体。因此，可以有效进行污水三级处理并将净化水用于废水回收和再利用体系。另外，相比于普通的过滤方法，本发明的方法因非常长的反向洗涤周期，而堵塞的开孔较少，消耗的能量较少。由于用作多孔过滤介质的废塑料或塑料的比重小，因此容易维护污水处理设备，并具有资源再利用的效果。
尽管本发明已对一些优选的实施方案进行了描述，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离权利要求中所限定的本发明的范围下可以进行各种改变和修正。
权利要求
1.一种使用多孔过滤介质进行污水三级处理的设备，包括沉降池的排放废水流入其中的反应槽；具有预定尺寸的表面积和开孔并填充在反应槽内的多孔过滤介质，用于通过沉淀排放废水中含有的悬浮固体颗粒而除去悬浮固体，以及随着悬浮固体颗粒的沉淀去除一起除去悬浮固体颗粒中含有的有机物和营养盐。
2.权利要求1中所述的设备，还包括安装在反应槽排出部分的上表面中的溢流堰，用于将反应槽中净化的水排放到外面。
3.权利要求1中所述的设备，其中多孔过滤介质是由尺寸为10～300mm的废塑料或塑料形成的。
4.权利要求1中所述的设备，其中小尺寸的多孔过滤介质填充在反应槽的上部，从反应槽的上部到下部，多孔过滤介质的尺寸变大。
5.权利要求1中所述的设备，其中填充在反应槽中的多孔过滤介质的开孔率为50～90％。
6.权利要求1中所述的设备，其中反应槽包括填充有多孔过滤介质的前部反应槽，用于收集来自沉降池的排放废水和基于生物、物理和化学反应进行沉淀；填充有预定尺寸多孔过滤介质的后部反应槽，用于再处理来自前部反应槽的排放水；在排出部分的上部的一侧上配置有溢流堰的排放槽，用于保留并排放来自后部反应槽的次级排放水；和具有多个流出口的调整壁，用于隔开前部反应槽、后部反应槽和排放槽。
7.权利要求6中所述的设备，其中填充在前部反应槽中的过滤介质是由预定尺寸的多孔过滤介质形成的。
8.权利要求6中所述的设备，其中填充在前部反应槽中的过滤介质是由选自硫酸铝、铁盐、石灰和聚合物絮凝剂中的任何一种物质形成的。
9.权利要求6中所述的设备，还包括安装在前部反应槽下部中的高纯氧注入装置，用于诱发磷去除和脱硝。
10.权利要求6中所述的设备，还包括安装在前部反应槽下部中的臭氧注入装置，用于诱发磷去除和脱硝。
11.权利要求9中所述的设备，其中前部反应槽中多孔过滤介质的直径为50～300mm。
12.权利要求6中所述的设备，其中后部反应槽中多孔过滤介质的直径为10～200mm。
13.权利要求6中所述的设备，其中填充在前部和后部反应槽中的多孔过滤介质的开孔率为50～90％。
14.权利要求6中所述的设备，其中多孔过滤介质是由包括废塑料的塑料形成的。
15.权利要求6中所述的设备，其中在后部反应槽前面部分中的多孔过滤介质的尺寸是大的，而从前面部分到后面部分，多孔过滤介质的尺寸变小。
16.权利要求6中所述的设备，还包括分别安装在前部和后部反应槽下部的淤泥保留槽，用于收集和除去在污水处理过程中产生的淤泥。
17.权利要求6中所述的设备，还包括安装在后部反应槽下部中的空气供应器，用于除去在污水处理过程中产生的淤泥。
18.权利要求6中所述的设备，还包括安装在后部反应槽下部中的超声发生器，用于除去在污水处理过程中产生的淤泥。
19.权利要求6中所述的设备，其中前部反应槽流入部分的面积形成得大于后部反应槽排放部分的面积，以使在前部和后部反应槽中水流速度均匀分布。
20.权利要求6中所述的设备，还包括上部调整壁，其具有多个流出口并从调整壁的预定区域延伸到后部反应槽的内侧，该调整壁隔开后部反应槽和排放物保留槽，用于使后部反应槽的死体积区最小化。
21.一种使用多孔过滤介质进行污水三级处理的方法，包括以下步骤a)收集来自沉降池的排放废水，使排放废水流过具有预定尺寸表面积和开孔并填充在前部反应槽中的多孔过滤介质，和基于生物、物理和化学反应处理悬浮固体和有机物；b)在后部反应槽接收前部反应槽中净化的排放水，使净化水流过具有预定尺寸表面积和开孔并填充在后部反应槽中的多孔过滤介质，和基于生物、物理和化学反应除去悬浮固体和有机物；以及c)在排放槽中保留从后部反应槽中排放的水，并通过溢流堰排放水。
22.权利要求21中所述的方法，还包括步骤d)通过定期除去在前部和后部反应槽中沉淀的淤泥而除去包含在悬浮固体中的氮和磷。
23.权利要求21中所述的方法，还包括步骤e)通过向前部反应槽提供溶解氧诱发有机物的氧化和硝化，然后促进后部反应槽中的脱硝反应。
24.权利要求21中所述的方法，还包括步骤f)通过向前部反应槽提供臭氧(O3)以促进不易分解的有机物生物降解而除去有机物，增加絮凝颗粒的除去效率并诱发硝化，以及促进后部反应槽中的脱硝。
25.权利要求21中所述的方法，还包括步骤g)通过向前部反应槽加入絮凝剂而絮凝和沉淀溶解的磷，以提高除去悬浮固体的效果。
26.权利要求21中所述的方法，还包括步骤h)通过从前部和后部反应槽的上部到下部提供空气或超声波周期性地清洗并除去附着在多孔过滤介质上的淤泥。
全文摘要
本发明提供了基于多孔过滤介质进行污水三级处理的设备和方法。基于多孔过滤介质进行污水三级处理的该设备包括接收来自初级沉降槽的排放废水的反应槽；和位于反应槽中并具有预定尺寸的表面积和开孔的多孔过滤介质，用于沉淀排放废水中的悬浮物及除去悬浮物中的有机物和营养盐。
文档编号C02F3/10GK1741968SQ02830189
公开日2006年3月1日 申请日期2002年12月2日 优先权日2002年12月2日
发明者金英锡, 李文亨, 张弘邽, 张廷熹, 池在成 申请人:韩国建设技术研究院, 谈德系统株式会社