废水处理系统和方法与流程

本发明专利申请是一个分案专利申请。

本分案专利申请的原始申请，是国际申请日为2012年4月5日、国际申请号为pct/us2012/032414、中国国家申请号为201280029430.5、发明名称为“废水处理系统和方法”的发明专利申请。

本公开涉及水的处理，更具体地说，涉及复原废水的系统和方法，更具体地说，涉及用于接受废水且从废水产生基本上无残留淤泥的可饮用水的系统和方法。

背景技术：

本质上，水是大部分植物和动物生存的必需品。可饮用水也是在量和质方面都有限的资源。因为水被广泛地用于人的消耗品，并且用于支持食物来源的成长，所以连续可取得的稳定供应的可饮用水是必要的。在本文中，“可饮用”是指具有足够高质量的水，此水可被消耗或使用，而其具有的短期或长期伤害风险很低。尽管在不同的地理位置中必定存在广的忍受度变化，但基本的要求在所有地点都是相同的，可改变的仅仅是忍受度的水平。

为了从可饮用限度外的水(对一给定范围的任何可能的水)获得可饮用水，必须完成三件事情。此三件事情为：移除寄生虫；移除有害化学物；以及移除细菌和病毒。共同说来，寄生虫、有害化学物、细菌和病毒可被设想为污染物。若所有这样的污染物被移除，则所获得的水是纯净的。然而，因为人可忍受某种水平的污染(事实上某些寄生虫、细菌和病毒实际上可以是有益的)，所以不必将水平降至零以获得可饮用水。但对给定范围的有害物必须减少至低于可忍受水平。

寄生虫的移除需要过滤水生固体至一个微米范围的水平。因为人的眼睛无法见到小于大约25微米的固体，且因为过滤程序减慢水的运动，所以典型地市政系统将过滤至低于次25微米水平，但不低于3微米。因此，诸如隐孢子虫(cryptosporidium)和鞭毛虫(giardia)的寄生虫可在市政水中找到。

许多有害化学物不与过滤发生响应。取而代之地，其通过吸收和吸附而被移除。吸收是内部程序，而吸附发生于所使用的结合介质(矿物质)的外部。举例而言，碳可操作以吸收且吸附有害化学物。在某时点当介质(碳或其它物质)槽被填满时，该介质槽被抛弃且安装新的介质槽。但这并非过滤。有害化学物典型地为可被水溶解，且有害化学物需要被撷取。实现“撷取”牵涉两个因素。一个因素是具有各种矿物的分子式，其彼此连结作用以吸收或吸附化学物。第二因素是保留时间，使得在水中经过的化学物具有足够的时间被“撷取”，而非流通过。用于从水中“撷取”化学物的一种系统是可从位于dallas,texas的globalwatergroup获得的global-ls3-multi-media-treatmentprocess。

细菌和病毒典型地通过氯气减少。然而，氯气是有害化学物。世界卫生组织已经尝试停止使用氯气作为水的清洁剂，因为在水中未被清洁的氯气(且如上所述大多数水是未清洁的)将产生致癌物质。某些人估计，癌症死亡数中很高的比例是归因于氯气处理的水。消灭水中的细菌和病毒的替代方案是将水暴露至紫外光。

废水处理的一个主要问题是产生称为淤泥的副产品。淤泥是定义为含有从水中移除的污染物。废水淤泥承载所有的污染物、有害金属、化学物等等，且如今这种淤泥被抛弃于垃圾掩埋场。污染物接着溶入泥土且污染物自行寻找出路流至世界各地的地下水、河川和溪流。这并非好的现象。

在近海的石油和天然气工业中，因为并无抛弃淤泥的场地，所以设计出使用有氧观念的系统。这种系统使用有机物来蛀食有机淤泥。然而，基本上被清洁的剩余物并非完全无污染物。该剩余物接着被氯气消毒且接着被抛弃。因为剩余物并非完全清洁，所以会形成致癌物质而接着传播出去。

已知一种活化的淤泥系统。在此系统中水首先将被暴露至曝气，其中颗粒被打碎且被生物分解。接着，部分地清洁的水通过澄清器，且淤泥将被抽回直到大多数的淤泥被分解。剩余的淤泥然后被抛弃。此程序大约需要24小时，但仍存在有悬浮固体和病毒。

因此，现有的延长曝气活化淤泥系统的程序太长，且该现有程序无法生成可饮用水。

技术实现要素：

本发明涉及回收废物的系统和方法，使得离开系统的流出物实际上等于可饮用水标准而具有基本上无污染的淤泥。在一个实施例中，在废水中的固体在消化器中经历曝气和酶作用一段时间。来自消化器的水的最干净部分接着被澄清。来自澄清器的淤泥以及浮渣被真空吸取回到消化器。来自澄清器的澄清水被输送至回收阶段，用于过滤以移除低至5微米的悬浮固体。当回收程序装载达到饱和时，以干净水往回冲洗的程序将所有捕获的悬浮固体送回消化器中。除了在往回冲洗期间之外，来自回收器的流出物接着通过：

1)水净化程序，用以移除寄生虫；

2)用以减少有害化学物的处理；以及

3)紫外(uv)光(或其它无害程序)，以将所有的细菌和病毒移除、消灭或去除活性，而均不产生淤泥。

来自此最终阶段的输出是可饮用水。在一个实施例中，单一的最终阶段可供于多重消化/澄清阶段。

以上概述本发明的较广的特征和技术优点，以便可较好地理解以下本发明说明的细节。下文将说明本发明的额外特征和优点，此举将形成本发明权利要求的标的。本领域的技术人员应了解所公开的内容和特定实施例可立即被利用为修改或设计用于执行本发明的相同目的的其它结构的基础。也应由本领域的技术人员认知这些均等的构造并非悖离如随附权利要求所述的本发明的精神和范围。被认为是本发明特征的新颖特征，作为本发明的组织和操作方法两者，与进一步方面和优点一起，当与随附附图接合而考虑时，将从以下说明更好地了解。然而，应明确地了解，各个附图仅提供用于图示和说明的目的，且各个附图并非意图成为限定本发明的定义。

附图说明

为了更完整地了解本发明，现参考以下说明书与附图，其中：

图1示出了根据本发明教示的水处理设备的一个实施例；

图2示出了用于图1的设备的回收流程图的一个实施例；

图3a至图3j示出了对图1所示出的系统的各方面的显示器信息的实例；而

图4和图5示出了废水处理系统的模块化形式，其中多重消化器/澄清器可供给单一最终阶段回收程序。

具体实施方式

图1示出了根据本发明教示的废水处理设备的一个实施例10。尽管此实施例示出了废水处理设备以40英尺的容器构建，但应了解，此处所论述的内容也可用于永久性的地下设备，如常用的市政处理中心。在本实例中的水、废水从右边进入，且可看到，可饮用水从左边离开。

废水进入消化器11，该消化器11基本上是含有曝气设备(未示出)并且以水中的废物为食的细菌的大型槽。来自下水道管路或来自废水的其它来源的供给水通过进入消化器。通常设置抬升站，以使得水流动。废水典型地来自卫生间、洗手台、浴室等等，且如果需要，可以在入口处设置筛网，以捕获大于给定尺寸的碎片，例如大于一英寸的碎片。在所示的实施例中，在消化器中设有空气通风口，该空气通风口由产生大致每分钟一立方英尺(cfm)的低压吹风系统运作。其取决于流入系统的水量而调节，以便在空气压力下产生水的恒定涡流。来自底部而对水提供滚动动作的空气流，供以打碎悬浮固体。沿着顶部也具有空气通风口。

若图1的实施例被设计成每天处理12,000加仑，则因为此系统为12小时的系统，所有消化器的尺寸将设计成能够容纳大约6,000加仑。当更多的水从右边进入时，水从左边被排入澄清器中。这是因为水溢流通过介于消化器部分11和澄清器部分12之间的隔间中的开口而发生。这些开口(在实例中为两个开口)被阻挡，使得在消化器中空气引发的动作不会传递至澄清器。

若输入的水减慢，则较少的水通过澄清器，因为水在澄清器和消化器之间正好平衡。在消化器和澄清器之间设有开口，使得最清洁的水(典型地在接近澄清器壁的消化器槽的横向和竖向中间之处)将自行寻找出路至澄清器中。流至澄清器的水来自何处并非关键，但其越清洁，则其越能更有效率地操作。开口被屏蔽，使得水无法完全流出。水迂回地通过开口并且减少了搅动。

在澄清器12中，挡板和其它区域使得水尽可能的是静止的。挡板为交叉格状，且所有物质以一角度向下进入至一个、两个或甚至更多箱子102-1至102-n，每个箱子大约为一立方英尺。澄清器的构想是，使得来自消化器的水中的悬浮固体下落到这些箱子之一中。在底部的输送管以真空方式吸取下落的固体，且将该固体存放回消化器中。来到澄清器表面的任何浮渣(例如103-1至103-n)也通过撇渣器(未示出)撇除且返回至消化器。真空装置和撇渣器均为系统的空气流的部分。

正好来自于撇渣器下方的水是澄清器中最清洁的水落入堰104，该堰104是齿状的栅拦104-1至104-n，用以当水流动离开澄清器时留下固体。再次地，当水进入澄清器时，系统是开放的，使得各处的液位维持一致。因此，越多水进入澄清器，则越多水将落入堰且进入保持槽13。

如下文将论述的那样，来自保持槽的水由介质包204过滤，该介质包204作用为下文将论述的回收器。在一个实施例中，介质包是含有诸如micro-z的过滤介质的槽。介质捕获悬浮固体以降至大约5微米的水平。应了解，甚至在10微米系统仍将良好的工作。介质包204的输出，是缺乏超过设定水平的悬浮固体，而接着该输出流至水净化程序205。当回收器装满时(当压力累积至特定水平时为装满)，回收器以先前在程序中储存的纯水回冲。回冲终止于消化器11中，其中消化器槽中的细菌将继续蛀食悬浮固体。此举均通过计算机控制下的阀系统工作。

阀均设定于特定配置，以允许水流从一个输送管至另一个输送管。水进入回收器中，且当水离开回收器时，接着进入下文将论述的水净化系统205。回冲储槽是在允许可饮用水离开系统之前首先被充满的槽。当回冲储槽被充满时，计算机自动停止填充，并且将阀设定为直接从澄清器排出可饮用水。

应了解，如图1中所示的系统10并未描述必须用于操作系统的输送管、阀和控制装备。本领域的技术人员可以基于此处的论述(特别针对下文论述的图2)而容易地布置输送管并且布置阀。

在一个实施例中，如将针对图2论述的那样，系统具有七个阀。

澄清器的尺寸应基于水进入特定消化器的体积而调整。举例而言，若具有一个容器，则澄清器必须具有足够的总体积容量对12小时的操作等于至少14％的流体容量。完成此举的一个方式是将消化器的体积设计为与12小时的体积大致相同。所以对于每天(24小时)12,000加仑的系统，消化器将具有6,000加仑的容量。澄清器必须是消化器尺寸的至少1/6。为了允许涌流，可以对消化器分配更多的容量，且因此澄清器可能接近消化器尺寸的1/5。对于需要更多涌流控制的操作的分配可能在消化器之前或紧接着澄清器而具有更大相称的消化器或更大的保持槽。涌流也通过扩大回收程序及/或水净化程序而缓和。过度的流体是通过捕获悬浮固体和产量的净化而被保护。超过回收器和水净化程序容量的过度的流体自动地返回消化器。

系统是否将在相同的容器中具有回收器和水净化装置，是可选的。诸如由军队所使用的可携式系统或在洪水或灾难的情况下，最可能为相同的容器。另一方面，市政系统或许将具有一个容器(或地下槽)为消化器/澄清器，并且接着另一个设备将容纳回收器/水净化系统。通常，将用于产生空气动作和吸取的吹风系统将设在消化器/澄清器容器中，但吹风系统可能设在回收器中，或是单独元件。

当无回收和净化程序时，系统的输出将类似于具有悬浮固体、高大肠杆菌和淤泥的废水系统。因为此处所论述的回收和水净化程序，所以用于曝气程序的时间元素基本上减半、淤泥实际上被消除且输出的流出物将为“环保可行的(green)”，环境上无害正确的，且甚至可饮用的。

图2示出的控制系统的一个实施例20，该控制系统用于启动图1设备的泵和阀。首先，废水进入废水消化器11用于曝气程序。较清洁的水被推送至澄清器12以从流出物中分离出淤泥，且接着最清洁的水渗漏出堰而到达保持槽13中。保持槽流出物流至介质包204中。介质包捕获悬浮固体。水接着流过介质包且进入最终阶段过滤、uv及/或化学清洁(氯气化)程序205。举例而言，过滤程序可从globalwater取得(商品名ls3tm)。水接着通过输出205-1从程序205排出为净化的水。可使用的过滤器的另一实例显示于2008年11月21日所申请的pct申请号为pct/us2008/084434(wo2010/059165a1)的pct申请“porousblocknanofibercompositefilters”，此申请在此处并入作为参考。

若回冲储槽206为空的或低量的，则压力转换器206-2感测此状态，且来自程序205的净化的水通过反转阀bv4和开启阀rv5改道至回冲储槽。止回阀fs2防止来自槽205的清洁水流回到介质包204。应了解，在此实施例的回冲储槽206中，压力转换器206-2位于远离水流入口/出口206-1，以防止错误读数。

当回冲储槽被填满时，如由差动压力转换器206-3所侦测到，则计算机将系统停止。各个阀接着改变它们的流动方向状态，使得水从保持槽203流过介质包204至最终阶段程序205。系统接着重新启动。程序205的输出能够透过出口205-1而流出系统20，用于任何希望的重新使用(卫生间、浴室、维护保养、贮槽再充注、直接配置或饮用)。此为环境上“环保可行的”输出。

当介质包(或若使用多于一个则该包)204充满悬浮固体时，压力转换器pt3向计算机发送信号以将系统停止。阀bv2和bv3开启，阀3wbv1改变方向，且阀bv4关闭。计算机接着重新启动系统，且此次泵送程序回洗介质包204，直到回冲储槽排空回到消化器11中。其接着从包204输送悬浮固体回到消化器11中，且完成回洗程序。

计算机再次自动地停止系统。再次地，各个阀改变它们的流动方向，使得从保持槽13流动的水通过介质包204至程序205。计算机接着再次重新启动系统，此次为开启阀bv5和反转阀bv4，以便重新填充回冲储槽206。当回冲储槽被填满，各个阀回复到它们的正常位置，使得已经处理的所有的水现在可以在程序205的输出部处获取。

应了解，并非来自程序205的所有的水必须改道至回冲储槽，使得如果需要，可获得连续的输出供应。也应了解，如果需要，单一的回冲储槽可供应多重介质包或多重系统。

图3a至图3j示出了用于系统的各种方面的显示器信息的一些实例。

图3a示出了用于回冲操作的“槽水平”。数字以英寸为单位表明槽中水的水平。“低位设定”是目前在回洗运转期间所使用的关闭点。取决于槽的垂直测深，其通常为大约8英寸。

图3b示出了“高位设定”，且为当槽被填充时的关闭点。通常将其设定为大约30英寸。“低位设定”和“高位设定”是系统的校准变量，且“低位设定”和“高位设定”对不同的系统可改变。

图3c示出了“fs1pps”，且为在泵送至ls3tm(ls3为globalwater的商标且ls3产品可从globalwater取得)期间于流体传感器fs1(flowsensor1)中所产生的每一秒脉冲。“fs1pps设定”显示泵的速度。系统调整vfd(可变频率驱动)速度，以与fs1pps的设定点匹配。

图3d示出了用于回洗的泵设定点。

图3e示出了在正常泵送至ls3^tm期间，来自流体传感器fs2的pps，且主要供以作为系统正在工作的指示器。在回洗期间，若系统侦测到ls3^tm中的脉冲，则系统将发出警铃且关闭。其通常仅在阀故障时发生。

图3f示出了压力转换器pt1和pt2。pt1在回收器介质之前，且pt2是在介质之后并且在ls3^tm元件之前。系统对各自记忆最高的读数且系统储存该读数用于显示器。

图3g示出了介于pt1和pt2之间的改变(差值)。因此psi＝pt1-pt2。若在泵送操作期间，psi大于“bfpsi设定点”，则系统在完成目前泵送操作后将尽快自动回洗。

图3h示出了电流(安培数)的模拟至数字转换，该电流在移动各种球阀时消耗。在此实施例中，一次移动一个球阀，使得一个单一的调节电路便可测试所有的球阀。此显示器用于故障排除的目的。

图3i示出了模拟至数字的转换，为紫外线(uv)灯中的电流(安培数)所产生的结果。此显示器用于故障排除的目的。

图3j示出了模拟至数字的转换，为氯气泵中的电流(安培数)所产生的结果。此显示器用于故障排除的目的。

图4和图5示出了水处理系统的模块化类别，其中多重消化器/澄清器可供给单一最终阶段回收程序。图4示出了每天处理250,000加仑(或一千立方米，亦即264,500gpd)的实例的模块化系统40。在此实例中，各个容器41-1至41-5容纳消化器(d)和澄清器(c)，其中澄清器具有以上所论述的尺寸。各个消化器经尺寸设计成在24小时中处理大约1/5th或50,000加仑，且因此消化器部分将持有大约25,000加仑的水。

废水(或任何需要复原的水)透过入口401流进，且废水通过阀403-1至403-n和404-1至404-n的系统而计量供给至分别的槽。至各个消化器的入口通过分别的输送管402-1至402-n。应了解，尽管输送管和阀显示为互相连接，但此连接并非必要，且废水可从废水的独立来源流入各个消化器。应了解，流至某些消化器的水可为下水道类型的水，且流至其它消化器入口的水可为雨水排水类型的水。事实上，如果需要，多重类型的废水可输入至相同的消化器中。不论于输入部处的水以何方位流至各种消化器，在集群中来自所有消化器/澄清器的输出可由单一回收器42处理，该回收器42的尺寸设计为每天处置250,000加仑。至回收器42的输入部通过输送管405，且可饮用水的输出从出口410流出。因为在此实施例中消化器/澄清器是单独元件，所以该消化器/澄清器实际上可以位于任何希望的位置，且该消化器/澄清器无须彼此或甚至与回收器42一起在相同的地理位置。唯一的附带条件为需要反馈，该反馈将含有超过过滤器限度(在此实例中为5微米)的悬浮固体的水从回收器反馈至消化器。在图4中反馈由箭头402图示。然而，即使回收器处置来自五个不同消化器/澄清器对的水，应了解，反馈必须为仅仅一个消化器。也应了解，消化器和澄清器无须在相同的外壳中，且事实上如果需要，数个消化器可供给至共同的澄清器中。

集群被设定于250,000加仑或一千立方米，因为这是净化水的理想效率。系统尺寸必须被设计为能够处置流率，并且仍能够移除寄生虫、有害化学物、而且消灭细菌和病毒。这是设计此集群的用途。因此，为了每天处理2,000立方米，系统将需要两个集群，等等。

图5示出了具有两个集群40的系统50。系统50可以每天两千立方米的速率处理废水。处理四千立方米的水当然将需要四个集群。因此，此处所论述的内容可放大至任何必须的尺寸，且此放大可随着需求增加而完成。而且如所论述，集群无须均建设在相同的位置。因为无淤泥输出，所以甚至当放大至每天一百万加仑或每天两千五百万加仑(100个集群)，系统仍然是环保可行的。集群可以用输送管布置，以使得一者可以替代另一者，以便用于清洁和维持的目的。

如上文所论述的那样，存在着传感器以侦测压力、侦测电源容量、气体流等等，其均为使得系统正常工作的重要元件。如果需要，不论是一个容器或是一百个容器，其均可从共同的地点监控。

尽管已经详细说明了本发明及其优点，应了解，可以在不悖离由所附的权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下作出各种改变、替代和替换。再者，本申请的范围并非意图限制为说明书中所述的程序、机器、制造、组成物质、构件、方法和步骤的特定实施例。如本技术领域中的技术人员将从本发明的公开内容而立即地理解的那样，现有的或往后将发展出的程序、机器、制造、组成物质、构件、方法或步骤，将如此处所述的相对应实施例实行实质上相同的功能或实现实质上相同的结果者，可根据本发明而利用。因此，所附的权利要求意图包括此等程序、机器、制造、组成物质、构件、方法或步骤的范围。