下流式脱氮系统的制作方法

下流式脱氮系统的制作方法
【专利摘要】总体而言，本发明涉及用于处理水或废水的系统。根据本发明的一些实施方案，所述系统可以使用具有多个过滤床、至少一个入口、和至少一个出口的容器，并且所述系统可以包括：第一过滤床，所述第一过滤床包含第一颗粒状和/或角状介质，所述第一介质具有大表面积并且被配置用于所述水或废水的生物和物理处理；第二过滤床，所述第二过滤床包含第二颗粒状和/或角状介质，所述第二介质具有比所述第一介质小的表面积；其中所述水或废水经由所述至少一个入口进入所述容器，流经所述第一过滤床和所述第二过滤床，并且通过所述至少一个出口离开所述容器。
【专利说明】下流式脱氮系统
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2011年11月18日提交的美国临时专利申请号61/561，418的优先权，其通过引用将其整体结合在本文中。
[0003]发明背景
[0004]本发明一般地涉及用于处理水和/或废水的下流式脱氮系统。更具体地，本发明涉及使用具有用于有效硝酸盐移除和悬浮固体捕获的多种床深度的至少两种不同类型的介质的下流式系统。
[0005]水和/或废水如污水的处理是在本领域内众所周知的。处理系统和方法的范围包括，通过由砂组成的过滤床将水、废水或污水简单过滤，到将水、废水或污水分散并使固体在聚集前干燥。
[0006]水和/或废水典型会包含氮和悬浮固体，以及其他污染物。在将处理过的水和/或废水再循环或再引入至环境中之前，需要从处理过的水和/或废水中移除氮和悬浮固体二者。
[0007]通常，对于污染控制，设置有针对流出至河流中的处理过的污水中的氮化合物排放的限制。因此，已经引起了很多对优化脱氮系统的很多关注。生物活性过滤器已经成为用于面临严格营养物管控并且受寒冷气候条件或占地空间限制的废水处理设施的新出现的解决方案。当与常规活性污泥系统相比时，这种生物活性过滤器(BAF)通常在寒冷气候条件下弹性更好。此外，当与备选的系统如活性污泥及其许多变体相比时，BAF需要更少的空间，并且通常是最小的选择，同时保持有效的功能。
[0008]通过使用硝化和脱氮细菌从废水移除氮一般涉及有机氮和氨向硝酸盐的转化，接着通过脱氮微生物移除硝酸盐以产生氮气。将有机氮和氨转化为硝酸盐需要足够的曝气并且通常导致碳从系统中移除。因为在脱氮过程中需要碳，通常通过加入外部碳源例如甲醇而将碳再引入至系统中。外部碳源的引入一般导致氮气、二氧化碳、和水的产生。
[0009]此外，这种通过将微生物脱氮完成的生物还原在脱氮微生物所附着的过滤介质的表面区域上发生。因此，需要提供具有大表面积的过滤介质以便支撑更大量的脱氮微生物。然而，这种过滤介质通常缺乏有效捕获在水和/或废水中还可能存在的悬浮固体的能力。
[0010]使用可以向其中加入脱氮微生物作为用于对水和/或废水进行处理和脱氮的手段的、包含砾石或砂的过滤床在本领域中是已知的。然而，除了以上指出缺点之外，因为这种系统的大尺寸要求，这种深床过滤系统通常难以在现有和未来的处理设施中使用。对水和/或废水处理设施的空间限制外加随着人口增长而日益增长的处理需求，产生了对占据比先前系统更小的占地空间的更有效果、更有效率的水或废水脱氮系统的需要。
[0011]因此，需要提供可以有效地并高效率地从水和/或废水中移除过量的硝酸盐和悬浮固体二者，同时不增加这种系统所需的占地空间的水和/或废水脱氮系统。
[0012]发明概沭
[0013]本发明的方面可以包括用于处理水或废水的系统，所述系统使用具有多个过滤床、至少一个入口、和至少一个出口的容器，所述系统包括:第一过滤床，所述第一过滤床包含第一颗粒状和/或角状介质，所述第一颗粒状和/或角状介质具有高表面积并且被配置用于所述水或废水的生物和物理处理；第二过滤床，所述第二过滤床包含第二颗粒状和/或角状介质，所述第二颗粒状和/或角状介质具有比所述第一颗粒状和/或角状介质低的表面积；其中所述水或废水经由至少一个入口进入所述容器，流过所述第一过滤床和所述第二过滤床，并且通过至少一个出口离开所述容器。
[0014]本发明的其他方面可以包括用于从水或废水中移除硝酸盐的水或废水处理系统，所述系统包括:流入物入口，所述流入物入口用于从所述处理系统外部的源接收水或废水；容器，所述容器用于容纳所述水或废水，所述容器包括:第一过滤床，所述第一过滤床由第一过滤介质组成；第二过滤床，所述第二过滤床由第二过滤介质组成，所述第二过滤床支撑所述第一过滤床；以及支撑床，所述支撑床支撑所述第二过滤床；一个或多个喷嘴，所述一个或多个喷嘴提供所述支撑床附近的所述容器区域与所述系统出口之间的流体连通，所述喷嘴在流经所述容器之后提供用于流出物的出口 ；流出物出口，所述流出物出口用于从所述系统中移除处理过的水或废水；一个或多个入口，所述一个或多个入口用于将空气冲刷和反洗水引入至所述容器中，所述入口将空气冲刷和反洗水通过所述喷嘴提供至所述支撑床中、提供至所述第二过滤床中、并且随后提供至所述第一过滤床中。
[0015]从结合以下附图进行的本发明的以下说明中，这些和其他方面将变得显而易见，尽管在不背离本发明的创新构思的精神和范围的情况下可以进行变化和修改。
[0016]附图简沭
[0017]通过与附图一起阅读以下详细描述，可以更充分地理解本发明，在附图中相同的附图标记用于表示相 同的元件。附图描绘了特定示例性的实施方案，并且可以有助于理解以下详述。在详细解释本发明的任何实施方案之前，应该理解的是，本发明在其实施中不限于在以下描述中给出的或在附图中示例的构造细节和部件排列。所述的实施方案应该被理解为示例性的，并且不以任何方式限制本发明的整体范围。而且，应该理解的是，在本文中所使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应该被认为是限制。详述将参照以下附图，其中:
[0018]图1是根据本发明的一些实施方案的双介质下流式脱氮系统的描绘。
[0019]图2是显示作为根据本发明的一些实施方案的系统的结果的NOx-N浓度相对于水力负载速率的曲线图。
[0020]图3是显示作为根据本发明的一些实施方案的系统的结果的施加的NOx-N与移除负载速率的曲线图。
[0021]迸述
[0022]提供在本说明书中示例的内容以辅助参考附图公开的多个示例性实施方案的全面理解。因此，本领域技术人员将理解，可以在不背离所要求保护的发明的精神和范围的情况下，对在本文中所描述的示例性实施方案进行多种变化和修改。为了清楚和简要，省略了对公知功能和结构的描述。此外，如在本文中所使用的，可以将单数解释为复数，并且备选地，可以将任何复数的术语解释为单数。
[0023]本发明一般地涉及用于处理水和/或废水的下流式脱氮系统。更具体地，本发明涉及使用两种不同类型的用于有效硝酸盐移除和悬浮固体捕获的介质的下流式系统。根据本发明的一些实施方案，所述系统可以是浅床下流式系统。根据一些实施方案，本发明公开了浸入式生物、下流式脱氮系统，所述脱氮系统包括固定的、致密颗粒状和/或角状床，其具有通过重力向下流动的流入物水或废水。脱氮和过滤过程可以被认为是能够从二级处理过的流出物中移除N0x-N(N03-N加NO2-N)和悬浮固体的三级处理系统。
[0024] 脱氮和过滤系统可以提供(i)用于生物质附着和悬浮固体截留的单层颗粒状和/或角状介质；(ii)使用高表面积介质以确保与相同体积的其他介质类型(例如砂)相比更大的微生物种群量，从而潜在地能够得到更高的污染物移除率；(iii)在反洗期间空气的向上流动、逆流分布；和(iv)根据应用要求优化的自动化反洗序列。
[0025]参照图1，现在将讨论下流式脱氮系统I。下流式脱氮过滤系统10接收所要处理的水和/或废水、或流入物20，并且在处理后排出流出物30。通常，下流式脱氮过滤系统10包含至少两种(2)介质类型，对其调整尺寸并配置以辅助支撑和辅助脱氮过程并辅助多种悬浮固体的移除的微生物的培养。参照图1，所描绘的实施方案使用一层包括足够用于微生物附着和生长的表面区域的高表面积介质11。可以使用高表面积过滤介质如本受让人INFILC0-DEGREM0NT的以B10LITE?销售的过滤介质。B10LITE?介质是具有高比表面积、低密度、和良好耐摩擦性的膨胀粘土材料。B10LITE?具有确保生物质附着的孔隙率，并且尺寸范围为1mm至5mm。B10LITE?L2.7用于测试，其可以具有范围为2mm至3mm的粒径。此外，还可以包括包含不同特定尺寸的介质12的第二层。
[0026]高表面积过滤介质11容纳在适当条件下从流入物20中移除氮氧化物的多种微生物。可以包含例如砂的第二层12可以是不同的过滤介质并且可以捕获在流入物20中存在的悬浮固体。
[0027]然而，使用砂或其他材料作为第二层12中的第二过滤介质也可以辅助支撑微生物，并且因此可以辅助从流入物20中移除硝酸盐。因此，第二层12可以发挥捕获悬浮固体和进一步精制流出物用于额外的硝酸盐移除的两种功能。
[0028]多种特定尺寸的介质可以用于第二层12。可以选择介质的尺寸确定，以便在介质颗粒之间提供所需的空隙尺寸，其可以捕获水和/或废水中的悬浮固体。然而，预期的是，可以使用粒径为0.1mm至IOmm的砂。更具体地，可以使用粒径为0.5mm至2.5mm的砂。
[0029]此外，第一层11与第二层12的深度的比可以依赖于系统I所需的特定的应用和性能特征而变化。然而，预期的是，第一层11厚度比1.5英尺大，并且第二层12可以占总床厚度的最少11%。
[0030]除了第一和第二层11、12之外，下流式脱氮过滤系统10可以还包括第三层13，其主要功能是支撑第二层12。第三层13可以由任何数量的尺寸和形状的任何数量的材料组成。例如，第三层13可以由粒径为2mm至50mm的碌石组成。更具体地,第三层13可以由粒径为6mm至18mm之间的碌石组成。
[0031]流入物20 (例如二级处理过的流入水和/或废水)可以进入下流式脱氮过滤系统10，并且可以被迫使经过第一和第二过滤层11和12、支撑层13，并且可以通过喷嘴14从过滤层11、12中被推出。此时，流出物30可以离开系统。因为下流式脱氮过滤系统10是下流式系统，流入物可以单独通过重力穿过过滤层11、12。备选地，可以施加外力或压力。
[0032]为了使在过滤介质11上存在的微生物高效率地并且充分地从流入物20中移除硝酸盐，碳源必须存在。因此，下流式脱氮过滤系统10可以进一步包括碳源输入41。尽管可以使用多种碳源，常见的是使用甲醇。可以使用甲醇作为碳源，尽管也可以使用乙醇或乙酸酯。在操作期间，当消耗碳源时，微生物可以利用流入物20中存在的硝酸盐作为电子受体。因为在脱氮过滤系统10中维持的条件，因为不存在氧，在过滤介质上存在的微生物可以呼吸流入物20中存在的硝酸盐。碳源可以起电子供体的作用，引起硝酸盐的还原。此过程会导致形成N2,从而消除各种氮物种(NH3-N、NO2-N, NO3-N)。
[0033]在使用系统I的过程中，主要通过过滤介质内的截留移除流入物20中的悬浮固体。然而，因为使流入物20通过过滤介质，悬浮固体可以积聚在介质内。这种积聚会导致压头损失(headloss)或者甚至悬浮固体穿过未经检查的过滤介质，导致流出物30中不可接受的混浊。因此，通常需要移除来自过滤介质的被截留的颗粒。因此，系统I可以包括反洗水入口 42以辅助这种被截留的固体的移除。
[0034]可以经由反洗水入口 42将反洗水通过过滤介质向上进料。因为反洗水被输入至过滤介质中，它可以提升介质，导致床膨胀并呈现流化状态。这种膨胀和流化可以导致被截留的固体从介质中释放并冲洗出来。可以收集反洗废料并且可以将其经由反洗废料出口 51从系统中移除。可以单独处理反洗废料，或者可以将其逐渐加入至流入物20。
[0035]然而，依赖于系统I的具体应用和用途,反洗水单独地不能充分地从过滤介质移除被截留的悬浮固体。在这种情况下，可能需要额外的技术。因此，下流式脱氮系统10可以还包括用于移除被截留的固体43的额外的输入物。这种额外的入口 43可以包含用于额外的表面洗涤或空气冲刷的输入物。空气冲刷系统一般借助在反洗期间的水之前或之后或与水一起通过过滤介质底 部泵送的空气运行。因为通过空气冲刷系统引入的空气比通过反洗引入的水密度低，空气泡可以以更大速度移动，通过部分地或完全地将床流化并且允许介质颗粒使在其上生长的生物质分离，增加湍流并且辅助被截留的固体的移除。
[0036]归因于系统I的下流式排列连同为移除过量的生物质和被截留的固体的在逆流方向进行的经常反洗，可以实现更好的固体捕获。
[0037]用于生物过滤器的反洗序列必须符合多种要求:(i)整个过滤床必须清除截留的固体和过量的生物质；(ii)在反洗后在反应器中必须剩余足够的生物质气流和水流必须不能导致过滤介质损耗；(iv)必须使水和能量消耗最小化；和(V)必须自动启动并进行反洗序列。
[0038]已经开发了与下流式脱氮系统I结合使用的标准反洗序列以具体满足这种要求。反洗序列可以在启动期间进行优化并且基于操作经验修改。该序列可以在运行时、或达到预设的差压头损失时手动启动。
[0039]该序列的主要步骤是:(I)降低水位以防止介质损失并且快速排水以反冲洗排水喷嘴(underdrain nozzle) ； (2)水冲洗(3);空气冲刷；(4) 一系列同时的空气/水洗漆；和(5)水冲洗(6)空气吹扫(7)过滤器至废料(filter-to-waste)。用于反洗的水通常是储存在单独的洁净水槽中的处理过的流出物。反洗水和/或废水通常储存在单独的容纳槽中并且随时间被泵送返回至处理设备的头部。除了常规反洗之外，可以进行被称为氮气释放(Nitrogen Gas Release)的微型反洗(mini backwashe)。这些是短的、只有水的反洗，其被设计为移除硝酸盐脱氮过程中过滤运行过程中形成的氮气泡，以释放截留在床空隙中的氮气。这些氮气冲击帮助增加过滤运行次数，并且允许顺利的运行和有效的处理。
[0040]运行的描述。可以将来自现有处理列(treatment train)的硝化流出物进料至用于下流式脱氮和过滤单元的流入物通道，并且可以通过一系列围堰均匀地分布至槽中。所要处理的水和/或废水可以通过重力在流入物围堰上流过并且向下通过介质(例如，BIOLITE?介质)。因为水和/或废水流经介质，附着的生物质可以将水和/或废水中的硝酸盐氮还原为可以释放到大气中的氮气。该阶段可以不需要任何外部曝气。然而，生物质可以附着至介质并且可以使用外部碳源如甲醇作为其电子供体来源。可以在进料反应器的通道中加入碳源，也可以在反应器中直接加入碳源。
[0041]归因于过滤介质内的固体截留和生物质生长，可能需要单元的反洗以移除截留的固体并且在介质上保持薄的、活性生物膜。可以基于流逝的时间或达到预设的差压头损失时手动或自动启动反洗。反洗序列包括许多不同的步骤，每个步骤的持续时间和程度在设备启动期间进行优化并且基于运行经验修改。
[0042]基本的反洗序列包括以下步骤:⑴快速排水以反冲洗排水喷嘴；⑵冲洗；(3)空气冲刷；(4)组合空气和水反洗；(5)水冲洗；(6)空气吹扫；和(7)用流入物水和/或废水的水冲洗(过滤器至废料)。
[0043]此外，还可以进行周期性的只有水的氮气释放，以消除归因于过滤运行给出中的脱氮过程期间的床空隙中氮气泡的截留的头部累积(head buildup)。
[0044]来自清洁井的泵可以供应用于反洗过滤器的洁净水。可以用自动流量控制阀和/或可变频率驱动器控制反洗水流速，同时正位移式或离心式鼓风机提供的空气可以用于空气冲刷。可以为空气冲刷鼓风机和反洗水供应泵提供备用的安装单元。
[0045]可以在排水池中收集来自快速排水步骤的水和/或废水，并且水和/或废水通常可以流至反洗废料槽中。来自其余步骤的水和/或废水可以收集在常见的反洗液槽中，并且流至反洗废料储存槽。储存的反洗水和/或废水通常返回至设备的头部。
[0046]皿。已经在多种设施上测试了根据本发明的一些实施方案的下流式脱氮系统。下面讨论的是仪器、方法、测试、和这些测试的结果中的一些。注意，这些测试是示例性的并且不单独包括本发明的整体。
[0047]测试目标。通常，进行测试以评价下流式脱氮系统关于下列各项的性能:(i)流出物NOx-N浓度；(ii)流出物总氮；(iii)流出物TSS和混浊度；和(iv)反洗。还评价了对以下参数的性能的影响:(a)水压(hydraulics) ； (b)介质深度；和(iii)温度。
[0048]位置描沭。用作测试位置的设备具有5M⑶的处理能力。设备工艺流程包括流入物筛滤和粗砂移除、预曝气和一级沉淀槽、曝气和二级沉淀槽、消毒和最终曝气，之后释放至本地河流中。将由一级和二级处理过程产生的固体通过厌氧消化处理并且干燥以最终将其设置为陆地用途。在以下表中给出了该设备在2010年前六个月的流入物和流出物水质量。
[0049]
【权利要求】
1.一种用于处理水或废水的系统，所述系统使用具有多个过滤床、至少一个入口和至少一个出口的容器，所述系统包括: 第一过滤床，所述第一过滤床包含第一颗粒状和/或角状介质，所述第一颗粒状和/或角状介质具有大表面积、低密度，并且被配置用于所述水或废水的生物和物理处理； 第二过滤床，所述第二过滤床包含第二颗粒状和/或角状介质，所述第二颗粒状和/或角状介质具有比所述第一颗粒状和/或角状介质小的表面积； 其中所述水或废水经由所述至少一个入口进入所述容器，流经所述第一过滤床和所述第二过滤床，并且经由所述至少一个出口离开所述容器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一颗粒状和/或角状介质的尺寸范围为I毫米至5毫米。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一颗粒状和/或角状介质的尺寸范围为2毫米至3毫米。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一颗粒状和/或角状介质由膨胀粘土、页岩、塑料或纤维材料组成。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一颗粒状和/或角状介质由不同材料的共混物组成。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二过滤床具有不小于所述第一过滤床的深度的10%的深度。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二颗粒状和/或角状介质包含具有0.1毫米至10毫米之间的粒径和大于1，500kg/m3的密度的砂。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述砂具有0.5毫米至2.5毫米之间的粒径。
9.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括第三过滤床，所述第三过滤床支撑所述第二过滤床并且包含第三颗粒状和/或角状介质。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第三颗粒状和/或角状介质是具有2毫米至50毫米之间的粒径的砾石。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一过滤床支撑用于从所述水或废水中移除硝酸盐的微生物，并且其中所述第二过滤床辅助从所述水或废水中捕获悬浮固体。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个入口包括用于所述水或废水的第一入口，和用于将碳源引入至所述系统中的第二入口。
13.根据权利要求12所述的系统，其中引入至所述系统中的所述碳源是甲醇，用于在从所述水或废水移除硝酸盐中辅助在所述第一或第二过滤床中存在的微生物。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统是下流式系统，所述水或废水由于外力通过所述系统，所述外力包括重力。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述外力另外包括加压。
16.一种用于从水或废水中移除硝酸盐的水或废水处理系统,所述系统包括: 流入物入口，所述流入物入口用于从所述处理系统外部的源接收水或废水； 容器，所述容器用于容纳所述水或废水，所述容器包括: 第一过滤床，所述第一过滤床由第一过滤介质组成，所述第一过滤介质具有大表面积、低密度，并且被配置用于所述水或废水的生物和物理处理；第二过滤床，所述第二过滤床由第二过滤介质组成，所述第二过滤床支撑所述第一过滤床；以及 支撑床，所述支撑床支撑所述第二过滤床； 一个或多个喷嘴，所述一个或多个喷嘴提供所述支撑床附近的容器区域与系统出口之间的流体连通，所述喷嘴对于通过所述容器之后的流出物提供出口 ； 流出物出口，所述流出物出口用于从所述系统移除处理过的水或废水； 一个或多个入口，所述一个或多个入口用于将空气冲刷和反洗水引入至所述容器中，所述入口将空气冲刷和反洗水通过所述喷嘴提供至所述支撑床中、提供至所述第二过滤床中、并且随后提供至所述第一过滤床中。
17.根据权利要求16所述的系统，所述系统还包括碳源入口，所述碳源入口用于将碳源引入至所述容器中，以便支持通过在所述第一过滤介质中存在的微生物移除所述水或废水中的硝酸盐。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一过滤床占组合的第一过滤床和第二过滤床的深度的50% -89%。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一过滤介质由膨胀粘土、页岩、塑料或纤维材料组成。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一过滤介质由不同材料的共混物组成。
21.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一过滤介质包含特别改造以提供足以支撑用于硝酸盐移除的微生物的表面积的材料。
22.根据权利要求16所述的系统，其中所述系统是下流式系统。
【文档编号】C02F101/16GK103974914SQ201280056579
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年11月16日 优先权日:2011年11月18日
【发明者】阿米特·卡尔代特, 穆迪特·甘加尔, 约翰·D·戴森 申请人:茵菲科狄高曼公司