用于使用重量选择的废水处理的方法及设备与流程

本申请对2012年11月27号提出、题为“用于使用重量选择的废水处理方法及设备”的美国临时专利申请no.61/730,196要求优先权及其权益，藉此通过引用将其整体并入本文。

本公开内容一般涉及用于废水处理的方法及设备，且更具体地，涉及用于使用重量选择（gravimetricselection）的废水处理的方法及设备。

背景技术：

重力分离（gravityseparation）常用于除去与活性污泥方法相关的固体。已开发通过重量选择以改善固体沉降的方法学。也可应用该方法学来减少膜生物反应器(mbr)方法中的膜淤塞（fouling）或减少膜扩散器（diffuser）淤塞。现有三种途径来选择沉降良好的固体。第一种是活性污泥方法范围内的策略，以选择良好沉降的固体，例如通过使用好氧的和缺氧或厌氧的区域或选择器来改善沉降。但是，这些选择器的使用具有混杂的历史且其并不总是起作用。

第二种方法包括在反应器中使用剪切/搅拌，以选择沉降良好的颗粒固体。该选择还伴随在主流固-液重力分离器中污泥的溢流速率的增加。该选择方法经常是渐进且冗长的，并且，因为选择器与主流方法相关，其可导致与满足许可要求相关的问题。在大多数情况中，仅按序分批反应器方法（sequencingbatchreactorprocess）允许灵活性（flexibility），以随时间增加并修改溢流速率。

第三种方法包括选择并消耗（wasting）沉降差的泡沫并截留固体（通常通过在使用“分类选择器”的反应器的表面收集并“表面消耗”泡沫和固体）。尽管该途径原先意欲减少泡沫，但是其也选择性地洗去沉降不良的固体，因为这些缓慢沉降的固体倾向于在反应器中在该表面附近聚集。因此，该方法仅保留沉降良好的固体,从而提供可用于淘汰沉降差的固体的方法，但该方法在选择沉降固体中可能具有有限的用途。在实施该方法时沉降特性改善通常是不一致的，因为有时候沉降差的固体被保留并存留在污泥中（如果以超过例如分类器表面去除速率的速率产生它们的话）。

对于用于废水处理的方法和设备存在着未实现的需求，所述方法和设备不具有当前用于从废水中选择并分离固体的方法的缺点。

技术实现要素：

根据本公开内容的一个方面,提供了用于选择并保留具有优异的沉降特性的固体的方法。所述方法包括：将废水进料至对废水执行生物处理方法的处理器的进口；在处理器的出口处输出经处理的废水；将经处理的废水进料至选择具有优异的沉降特性的固体的重量选择器的进口；及在重量选择器的第一出口输出循环流。

本方法可进一步包括在重量选择器的第二出口输出废料流至固体处理，其中固体处理包括至少一次浓缩（thickening）、稳定、调理和脱水。可将废料流废弃并可使循环流返回至处理器。废料流可包含具有差的沉降和过滤特性的固体或就膜淤塞而言具有增加的潜力的固体。

本方法可进一步包括从重量选择器的第一出口供给循环流至处理器。循环流可包含具有优异的沉降特性的固体。

处理方法可包括：悬浮生长活性污泥方法、颗粒污泥方法、集成固定膜活性污泥方法、生物营养素去除方法、好氧消化方法或厌氧消化方法。

处理方法可包括生物处理方法。生物处理方法可包括管线内（in-line）固-液分离方法。

处理器可包含膜分离器。

处理器可包含旋流器（cyclone），其将废水加速并向废水提供剪切力，以将具有优良沉降特性的固体与具有差的沉降和过滤特性的固体分离。

处理器可包含离心机，其提供离心力和剪切力，以在废水中将具有优良沉降特性的固体与具有差的沉降和过滤特性的固体分离。

可对到旋流器的进料速率和旋流器的几何结构进行配置，以调节旋流器中的废水速度，以选择较大或较致密的固体或增加旋流器中分离可用时间。

将经处理的废水进料至重量选择器的进口的方法可包括：将经处理的废水进料至分离器的进口，所述分离器将废水分离成底流和流出液（effluent）；从分离器接收底流；及从底流中按重量选择具有优异的沉降特性的固体及将循环流供给至第一出口。

本方法可进一步包括控制废水在旋流器中的速度，以致保留具有预定尺寸或密度的固体。

本方法可进一步包括控制水力负荷率，以选择具有预定尺寸或密度的沉降固体。

根据本公开内容的另一方面，提供了选择并保留具有优异的沉降特性的固体的设备。所述设备包含：包含进口和出口的处理器，配置该处理器以执行处理方法；及包含进口、废料流出口和循环流出口的重量选择器，其中将重量选择器的循环流出口连接至处理器进口。

可将重量选择器的进口连接至处理器的出口。

可将重量选择器的进口连接至分离器的底流出口。

重量选择器的循环流出口可向处理器供给循环流，循环流可包含具有优异的沉降特性的固体。

处理方法可包括：悬浮生长活性污泥方法、颗粒方法、集成固定膜活性污泥方法、生物营养素去除方法、好氧消化方法或厌氧消化方法。

处理器可包含生物反应器方法。所述生物反应器方法可包括管线内固体对液体分离方法。

处理器可包含旋流器，其将废水加速并向废水提供剪切力，以将具有优良沉降特性的固体与具有差的沉降和过滤特性的固体分离。

处理器可包含离心机，其提供离心力和剪切力，以在废水中将具有优良沉降特性的固体与具有差的沉降和过滤特性的固体分离。

可对进料速率和旋流器的几何结构进行配置，以调节废水在旋流器中的速度以：选择较大或较致密的固体；或增加旋流器中分离可用时间。

设备可进一步包含分离器，其具有连接至处理器出口的进口。

旋流器可控制废水的速度以调节溢流速率，以致保留具有预定尺寸或密度的沉降固体。

旋流器可控制水力负荷率，以选择具有预定尺寸或密度的沉降固体。

根据本公开内容的另一实例，提供用于选择并保留具有优异的沉降特性的固体的方法，其中所述方法包括：接收来自废水供给品（wastewatersupply）的废水；处理废水以提供经处理的废水；从经处理的废水中按重量选择具有沉降特性的固体；及向处理器供给所选固体以进一步处理所选固体连同从废水供给品中接收的更多废水（furtherwasterwater）。

附图说明

包括的附图提供对本公开内容的进一步理解，其被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，其图解了本公开内容的实施方案并与详细说明一起用于解释本公开内容的原理。没有作出以下尝试：比对于本公开内容及可能实践其的各种方式的基础理解可能必需的更详细地显示本公开内容的结构细节。在附图中：

图1显示活性污泥方法的实例，其中污泥的消耗经由取自澄清器的底流的废料流来发生；

图2显示根据本公开内容的原理的活性污泥方法的实例，其中直接从反应器槽中取出废料流并将其施用至重量选择器，使较致密且大的颗粒返回至反应器，并将代表废弃固体的较轻级分从系统中取出；

图3显示根据本公开内容的原理的活性污泥方法，其中从澄清器的底流取出废料流并将其施用至重量选择器，使大且较致密的颗粒返回至反应器，并将代表废弃固体的较轻级分从系统中取出；

图4显示了将典型退化的污泥沉降性能与图2或3的活性污泥方法的改善的沉降性能进行比较的图；

图5显示了将在典型系统中的一种处理通道处的退化的污泥沉降性能与根据本公开内容的原理的类似通道（parallellane）的改善的沉降性能进行比较的图；

图6显示了对于根据本公开内容的原理的活性污泥方法，污泥容积指数(svi)相对时间的图。

具体实施方式

参照在附图中描述和/或图解及在以下说明中详述的非限制性的实施方案和实施例，更充分地解释本公开内容及其各种特征和有利细节。应注意，在附图中图解的特征不必需按比例绘制，且即使在本文中没有明确陈述，如本领域技术人员将认识到的，一种实施方案的特征可用于其它实施方案。可省略众所周知的部件及处理技术的说明，以致不会没有必要地模糊本公开内容的实施方案。本文中使用的实施例仅意欲促进理解可能实践本公开内容的方式，并进一步使得本领域技术人员能够实践本公开内容的实施方案。因此，本文中的实施例和实施方案不应当解释为限制本公开内容的范围。此外，注意到，贯穿附图的若干视图中，相同的参考数字（referencenumerals）代表相似的部分。

如本公开内容中所使用的，除非另有明确说明，术语“包括，”“包含”及其变型表示“包括，但不限于”。

如本公开内容中所使用的，除非另有明确说明，术语“一个/种”和“所述/该”表示“一个/种或更多个/种”。

虽然可以按相继次序描述处理步骤、方法步骤等等，但是可对此类处理和方法进行配置，以交替顺序进行。换言之，可描述的步骤的任何顺序或次序不必需意味着要求以那样的次序来实施所述步骤。可以任何实际的次序来实施本文中描述的处理或方法的步骤。此外，可同时实施一些步骤。

当在本文中描述单种/个装置或物品时，将容易显而易见的是，可使用多于一种/个的装置或物品来代替单种/个装置或物品。类似地，当在本文中描述多于一种/个的装置或物品时，将容易显而易见的是，可使用单种/个装置或物品来代替多于一种/个的装置或物品。装置的功能或特征可被未明确描述为具有此类功能或特征的一种/个或更多种/个其它装置替代地具体化。

图1显示了活性污泥方法的实施例及用于执行活性污泥方法的系统100。系统100可包括预处理，其可包括棒条筛（barscreen）2、除砂器（未显示）、预处理室3、及流入液泵（influentpump）（未显示）。系统100可进一步包括第一分离器5、处理器6和第二分离器9。系统100可接收来自外部来源（未显示）（例如，如污水系统）的废水1及在预处理阶段处理废水1，所述预处理阶段可包括例如棒条筛2以从废水1中除去较大的物体，例如罐子、破布、棍棒、塑料包装等等。预处理阶段还可包括预处理室3，其可含有例如沙或砂砾室，以调节进入的废水1的速度，并因此允许例如沙、砂砾、石头、碎玻璃等等的沉降。可由例如沙或砂砾通道来代替预处理室3。预处理阶段可进一步包括用于去除例如脂肪、油脂等等的小槽。

接着预处理阶段，可将剩余的固-液混合物4a送至第一分离器5用于重力沉降，所述固-液混合物4a包括含有聚集固体的过量废水。第一分离器5可包括槽（如澄清器槽（clarifiertank）、沉积槽等），所述槽可具有各种形状（例如，如矩形、圆锥形、圆形、椭圆形等等）中的一种。第一分离器5可具有化学或压载（ballast）材料，添加所述材料以改善固体去除。第一分离器5从固-液混合物4a中沉降出较重的固体。可从第一分离器5输出所得的底流8a并将其送至固体处理，用于进一步处理，例如，如本领域普通技术人员所知的浓缩、稳定、调理、脱水、污泥处理等等。

可随后将所得的含有可溶性有机污染物和无机污染物及微粒材料的固-液混合物4b送至处理器6。处理器6可包括生物反应器。处理器6可包括曝气槽（未显示）和活的好氧细菌及兼性细菌。可添加空气至混合物4b中以进料处理器6中的生物反应方法（其中生长出好氧细菌）。好氧细菌将在溶解氧的存在下消化有机材料。

处理器6可进一步包括用于从有机物质和细菌的悬浮液中分离出相对纯的水的膜模块（未显示）。如果在处理器6中包括膜模块，则可从系统200（图2中显示）和300（图3中显示）中省略分离器9。可设置好氧细菌和膜模块，以使其在膜生物反应器(mbr)中连续运行。例如，固-液混合物可首先流经生物反应器，其中其可被保持与反应完成所需的同样长的时间，并随后通过膜模块。

经由可向固-液混合物4b供给空气的任何已知方法可将空气添加至处理器6。通常的方法是通过将压缩空气添加至由多孔柔性膜材料（包括epdm和聚氨酯）建造的微气泡扩散器（finebubblediffusers）（未显示）。处理器6输出通常称为混合液体4c的充氧的固-液混合物，其随后被送至第二分离器9。

第二分离器9分离固-液混合物4c，以产生底流4f和作为流出液10的澄清废水，可随后将所述底流4f作为分开的污泥7的一部分循环并送回至生物反应器6。可从该方法中废弃底流生物质（biomass）8b（或混合液体）的一部分并将其送至固体处理，用于进一步处理，例如，如本领域普通技术人员所知的浓缩、稳定、调理、脱水、污泥处理等等。

或者，处理器6可包括可悬浮在处理器6（而非第二分离器9）中的泥浆中的膜（未显示），可适当地分割（partition）处理器6以获得恰当的气流，以产生所需的污泥保留时间(srt)的速率从处理器6的基底抽取过剩气流。

注意到，代替处理器6或除了处理器6以外，系统200可包括如本领域所知的例如颗粒污泥方法、集成固定膜活性污泥方法、具有相关的内部循环的各种厌氧、缺氧和好氧区域的生物营养素去除方法、好氧消化方法、厌氧消化方法等等。

图2显示了用于执行根据本公开内容的原理建造的活性污泥方法的系统200的实施例。系统200可包括与系统100类似的设置。系统200可包括旋流器（未显示）、水力旋流器（未显示）、离心机（未显示）、沉积槽（未显示）、沉积柱（未显示）、过滤器（未显示）等等。除系统100中的部件以外，系统200包括重量分离器11。系统200具有借助于在重量选择器11中通过例如从混合液体（或充氧的固-液混合物4d）中直接消耗的重量选择来选择优良沉降固体的能力。优良沉降的固体可包括展现例如小于120ml/gm，并优选小于或等于100ml/gm的污泥容积指数(svi)的固体。

重量选择器11可包括例如澄清器、沉降槽、旋流器、水力旋流器、离心机等等。重量分离器11可包括进口和多个出口，包括废料流出口和循环流出口。可将重量分离器11进行布置，以在其进口接收来自处理器6的出口的充氧的固-液混合物或混合液体4d。或者（或另外地），可将物流4c输入至重量选择器11。在操作期间，重量选择器11可对混合物4d中的颗粒进行分类、分离和/或分选，所述混合物4d基于例如颗粒的向心力与流体阻力的比率可包括液体或液-固悬浮液。重量选择器11可从混合物4d中分离出优良沉降的固体并将固体作为底流4e在其循环流出口输出，可将所述底流4e进料回至处理器6，用于进一步处理（如生物反应、消化等）。重量选择器11在其废料流出口可将剩余的液体/液体-悬浮液作为废料流8c输出，所述废料流8c可含有较小的颗粒和胶体，其具有引起mbr膜淤塞、在流出液10中引起浑浊、及诱导膜空气扩散器淤塞的潜力，所述废料流8c可从系统输出，用于进一步处理例如，如污泥处理、脱水等等。

图3显示了用于执行根据本公开内容的原理建造的活性污泥方法的系统300的另一实施例。系统300可包括与系统100类似的设置。除系统100中的部件以外，系统300可包括重量选择器11，可将其布置，以致在其进口接收来自第二分离器9的出口的底流4f。系统300具有借助于在重量选择器11中通过例如从更加浓缩的返回污泥7中直接消耗的重量选择来选择优良沉降的固体的能力。

重量选择器11可处理底流4f，通过从液-固混合物中分离出较重的固体及在循环流出口将较重的固体作为底流4e输出及在重量选择器11的废料流出口输出所得的溢流8c。可将溢流8c送至固体处理，用于进一步处理例如，如稳定、脱水等等。可将底流4e与分开的污泥7一起循环并将其返回至处理器6，用于进一步处理。

根据本公开内容的另选方面，部分（或全部）的污泥的消耗可从第二分离器9（未在图中显示）的底流直接发生。

重量选择器11可包括用于从液-固混合物中选择并分离固体的任何一种或更多种重力分离装置，包括，例如沉降槽、沉降柱、旋流器、水力旋流器、离心机和/或等等。在重量选择器11中，可使用亦称作上升速率的溢流速率作为从液体（或污泥）中选择优良沉降的固体的参数。可调节该溢流速率以增加差沉降的固体的消耗，同时仅保留优良沉降的固体。溢流速率的增加可促进对优良沉降的固体的选择直至达到某一点，此时保留时间不足以用于固体的恰当分类。重力选择装置的目标溢流速率应当是基于方法所期望的srt，及从系统中除去特定质量的生物质的相关需要。必须使特定的溢流速率与所使用的特定装置协调，但将通常预期是第二分离处理7的溢流速率的10到100倍。

水力旋流器分离在压力下发生，且可使用压降作为用于分离的能源。因此，如果重量选择器11包括水力旋流器，则应对水力旋流器进行配置，以致将进口定位，使得在水力旋流器中将进入的液-固混合物沿切线进料，以得到高径向速度。另外，水力旋流器可具有锥形形状。因此，可引发自旋运动，且可由水力旋流器的锥形形状产生流体的加速。这样产生了通过诸如细丝（filaments）的破坏或间隙水或结合水的替换之类的作用而改善颗粒的沉降特性的剪切力。旋流器的初始速度和/或直径（尺寸）的改变可导致所期望的固体级分的不同分离速率的选择，或相反地导致不合意的级分的溢流。

例如，可将一对水力旋流器安装在系统200（或300）的废污泥管线中并各自配置例如约20m³/hr的消耗速率。可将压力设置为例如大约1.7巴。可在系统200（或300）中包括在线压力传感器（未显示），所述在线压力传感器可为例如泵（未显示）的频率驱动提供控制信号，也可在系统200(或300)中包括所述泵。在系统200（或300）中的底流喷嘴（一个或更多个）可具有例如大约25mm的直径，从而减小了对于同步脆弱性的任何可能性。图4显示了关于该实施例的svi(ml/g)相对时间的图。

根据另一实施例，可在系统200（或300）中安装多个旋流器（例如一套七个旋流器）。可将各个旋流器配置5m³/hr的流速。可将压力设置为例如大约2.1巴并可将底流-喷嘴（一个或更多个）的直径设置为例如大约22mm。系统200（或300）可包括一个或更多个例如大约5mm宽度的内联筛（inlinesieves），以保护旋流器（一个或更多个）免于堵塞。图6显示了关于该实施例的svi(ml/g)相对时间的图。

离心机分离经常使用无孔转鼓离心机来发生，其中离心机的rpm的增加(例如,在500–5000rpm的范围)增加了重力从而增加了沉降速率。因此，如果重量选择器11包括具有转鼓、涡管及池（pond）部分的离心机，则离心机可将重量选择器11中的液-固混合物暴露于多倍可在例如沉降槽中发生的引力。可使用在离心机中转鼓和离心机涡管之间的很小的rpm差别（例如通常在1-10rpm的范围）从离心机的溢流池部分排出的沉降较差的固体中分离出沉降较好的固体。因此，通过控制水力负荷率、离心机转速、转鼓/涡管的rpm差别，及管理这些速率介于预定阈值之间，可控制对较大和/或较致密的固体的选择。例如，水力负荷率或转鼓/涡管的rpm差别的增加可改善对较大和/或较致密的固体的选取，而这些速率的减小可帮助增加重力分离可用的保留时间，且平衡的速率可用于管理该方法。池部分中的固体被消耗且较重的涡管形（scrolled）固体被保留并被返回至处理器6。

重量选择器11的重要特性是其使用侵略性的（aggressive）溢流速率以在与固体废料流相关的分离设备中保留优良沉降的固体的能力。这些优良沉降的固体倾向于更致密且更大，伴随基于stokian沉降的更好的沉降，这样允许快速去除重量选择器11中的材料。另一重要的特性是选择性去除来自液体/液-固混合物中的较小微粒和胶体，所述较小微粒和胶体具有引起mbr膜淤塞和/或在流出液10中引起浑浊、及在如处理器6中诱导膜空气扩散器淤塞的潜力。

美国专利申请公布no.us2013/0001160公开了含氨废水的生物纯化方法，其全部内容经此并入本文。所公开的方法提供了将含缓慢生长的厌氧氨氧化细菌(anammox)的重污泥相与轻污泥相重力分离（例如使用水力旋流器、离心机或沉降）及将重污泥相返回至处理含氨废水的曝气反应器，同时将轻污泥相进料至消化器用于气体生产。

图4–6图解了由实施本公开内容的原理（包括实施系统200（图2所示）或300（图3中所示））产生的污泥沉降性能的改善。污泥容积指数(svi)代表在测试筒（testcylinder）中沉降30分钟标准化为1g固体的污泥层的体积，它是沉降性能的标准量度。通常大于150ml/g的svi是差的污泥沉降性能的指标，小于120ml/gm并优选小于或等于100ml/gm的svi是优良的沉降性能的指标。污泥的沉降性能确定可在活性污泥厂中操作的最大混合液固操作。即使在许多运行良好的处理厂，沉降性能也倾向于在一年的某些阶段期间（例如典型地在冬季末）退化。

如图4–6中所见，重量选择器11的使用提供并维持了优良的沉降性能，例如小于120ml/gm，并优选小于或等于大约100ml/gm。

图4显示了将系统100的方法中的污泥沉降性能的退化与系统200和300的活性污泥方法的改善的沉降性能相比较的图。该图证明了实施根据本公开内容的原理的重量选择器11的益处。尤其，所述图图解了与使用不包括重量选择器11的系统100（图1中所示）的沉降性能相比的使用系统200（或300）的沉降性能的比较。尤其，该图展现了以下结果：其中将一对旋流器安装在系统的废污泥管线中，及其中将旋流器设计在1.7巴压力下用于各自20m³/hr的消耗速率，具有25mm直径的底流-喷嘴，如前所指。

图4中的图对比了持续三年阶段的冬-春季节期间（例如12月1日至5月30日）系统中的污泥沉降性能的退化。如图中所见，尽管在冬季末svi达到高达大约190ml/g的水平，但是在相同阶段期间，沉降性能得到改善，因为使用系统200（或300）的svi保持低于100ml/g。

图5和6显示了将在典型系统中一条处理通道的退化的污泥沉降性能与在系统200（或300）中类似通道的改善的沉降性能相比较的图。尤其，该图展现了由在废水处理厂（wwtp）glarnerland工厂（其中安装一套7个旋流器，各自设计用于5m³/hr的流速）（进行）实际规模试验（full-scalepilottest）所产生的结果。将设计压力设置为2.1巴及将底流-喷嘴的直径设置为12mm。安装5mm宽度的内联筛以保护旋流器免于阻塞。结果显示了在一条液体处理通道的退化的污泥沉降性能（svi超过900ml/g）与在实验阶段期间类似通道的改善的沉降性能（svi保持约100ml/g不变）的对比。在废水处理厂glarnerland，性能对比看上去更加直接，其中一个处理系统（train）在没有重量选择器的条件下操作，且另一类似系统在相同阶段期间在具有如系统200（或300）中所见的重量选择器的条件下操作。

图6中的图还展现了由在废水处理厂strass工厂的试验产生的结果，其中一对旋流器被安装在废污泥管线中，其被设计用于各自20m³/hr的消耗。将设计压力设置为1.7巴并包括在线压力传感器，为在系统中使用的泵的频率驱动提供控制信号。归因于具有25mm直径的底流-喷嘴的尺寸，没有观察到对于堵塞的脆弱性。

正如图4-6明显看出的，在系统200（或300）中应用重量选择器11可减缓沉降性能的退化，否则将发生所述退化，其将导致操作问题并导致设计瓶颈。

活性污泥方法可包括可用于废水处理的生物反应器。活性污泥方法可进一步包括用于废水处理的替代方法，例如颗粒方法、集成固定膜活性污泥方法、好氧消化方法、厌氧消化方法等等。可将这些方法中的任一种结合至利用重量分离用于循环或去除生物质的分离装置上。

尽管已关于示例性的实施方案描述了本公开内容，但是本领域技术人员将认识到，可在所附权利要求书的精神和范围内对本公开内容进行修改性实践。这些实施例仅是说明性的且不表示为本公开内容所有可能的设计、实施方案、应用或修改的穷尽清单。