涉及水处理的改进方法
技术领域
本发明涉及水处理系统、装置和方法。
背景技术
由城市人口和工业发展产生的污水在将其排放到地表水之前必须经过处理除去有害污染物。在排放之前用于除去这些污染物的处理方法有许多；这些都是基于化学、物理和生物方法。这些处理方法大多数都采用上流沉降或交叉流沉降而从早期处理中形成的淤泥中最后分离出澄清的污水。然而，从这些污水处理设施排放出的流出物必须满足越来越严格的环境排放标准。加之日益增加的污水生产，这可能意味着早期足够的处理系统或许就要变得不足，需要升级或替换才能维持一致的协调。
用新系统替换现有的系统会使现有的系统荒废。增添精制步骤将会涉及新的处理池，土建工程和工艺过程设备。这些都涉及固定设备的巨大投资。覆盖区域增加的需求也可能是昂贵的，而在某些情况下，额外增加空间或许不能得到满足。
现有技术容许通过在沉降池中替换薄层板，提高传统沉降池溢流速率2～8倍而增加沉降池的体积容量。然而，污水可以仍然超过具体参数如BOD(生化氧需求)物质，氨和总氮的排放容限。需氧污水处理工艺过程充分去除了这些污染物。然而，在许多情况下，在现有的化学或生物处理系统中还没有备用容量用于容纳额外的处理。
尽管传统的最后阶段沉降还有较长的水力停留时间，但是沉降期间的需氧生物处理由于污水中存在的溶解氧水平非常低而极度受限。因此，现有污水处理系统超过效能增加的性能改进，一般而言需要增添或替换现有的方法才能获得额外必需的需氧生物处理。
当处理系统处于正常工作之下而不能除去所需水平的可生物降解BOD物质时，对于污水处理厂的升级存在许多选择。
这些技术也适用于新的污水处理工作和替代污水处理工作。
这些系统广泛地基于两种技术。首先，是因空气流通而净化的污泥方法。在该系统中通过空气鼓泡到盛装污水的大池子中以向污水供氧。氧促进废水中的天然微生物生长，而这样使它们倍增而消耗生物可降解的有机物质，将这些物质转化成生物量(生物质)，这些生物量形式上成粒并因此从主要的溶液中变得可沉降。可溶的生物可降解物质(BOD)由此转化成可沉降的生物量。这些方法一般连续运行而生物量在已知称为沉降池或澄清器的第二池子中沉降。随后沉降的生物量或淤泥排出并泵入第三池中，在将其放入废料桶处理之前储存在该处至脱水。一定比例的污泥转运回主充气池中而维持高微生物的食物(BOD)比率，由此确保良好的处理水平。
总之，对于这种技术需要最低三个池子。这就具有巨大空间需求，且造价高昂。升级现有系统需要添加新处理池而提供额外的需氧生物处理容量。这种技术不能应用于现存的沉降池，因为充气方法将会产生涡流而妨碍沉降。
第二系统涉及固定膜方法。在这些膜中相对高速地处理废水，类似地固定于通过空气鼓风机充气的池中。然而，该池子用生物膜支撑物质如模制塑料环填充松散。当废水充气时，水中的微生物生长而逐渐粘附到填充物上。随着更多的氧供给，生物膜增长，将可溶BOD转化成生物量。尽管在这种情况下生物膜是固定的，但是在生物处理之后仍需要沉降。然而，这种方法不能结合现有的沉降处理，因为所用的充气方法是涡流的而因此这样会导致混合和妨碍沉降。
这些方法没有一种不需要具有显著民事成本和空间需求的额外处理池就能够用于升级现有的污水处理厂。
因空气流通而净化的污泥工艺的一个变体采用了结合膜过滤的生物处理，这称之为膜生物反应器(MBR)。微滤膜放置于因空气流通而净化的污泥池中，其中生物污泥仍通过鼓泡充气而进行充气。膜作用是过滤污泥。为了降低污泥污垢层对膜过滤器的堵塞，膜表面通过空气冲刷而保持清洁，高速的表面流流体，和/或反冲刷流通过膜过滤器。
然而，这些措施导致MBR工作的运行成本非常高，而尽管MBR方法有时能够利用现有的处理池，但是由于需要大量的膜提供足够的过滤功能和额外的泵抽和充气需求而这种技术也是成本高昂。
发明内容
本发明的一个目的是改进现存包括需氧生物处理的第一级和第二级沉降池而同时并不妨碍原始沉降工艺过程。
根据本发明的一个方面，提供了一种水处理的方法，至少包括以下步骤：
(a)以层流形式提供所述水；和
(b)向所述水中提供无泡供氧(曝气)。
本发明向无水沉降池中引入需氧处理而不对沉降工艺过程产生任何妨碍作用。本发明适用于任何沉降步骤或阶段，包括但不限于最常见的第一级沉降或最后的沉降。
层流，也已知为流线形流动，出现在流体以平行层流动之时，而层之间没有产生中断。在流体动力学中，层流是一种流态，特征是高动量扩散，低动量对流，压力和速率与时间无关。这与涡流相反，即，层流是平静的而涡流是剧烈的。
无量纲的雷诺数能够是描述流动条件是否产生层流或涡流的方程中的一个参数。雷诺数低于500，一般就认为是层流类型。
本发明方法的步骤(a)能够包括静态重力沉降，即薄层板沉降或采用薄层板组成部分。
优选，步骤(a)包括将水通过多个薄层板。
薄层板沉降建立完善，一般重力沉降系统通过控制污水流而使颗粒物从溶液中沉降出来而同时使澄清液体流流过处理池而进行工作的。沉降的效能，理论上与沉降池的高度无关，而与沉降可用的表面有关。因此，大的浅池对于移出颗粒物是更为有效的。实际上，局限在于固体将会在池子底部累积，导致正常流动中断而因此妨碍沉降。
在薄层板沉降系统中，这种局限性通过以一定角度放置浅池而被克服，以至于固体并不会累积，而是它们流下斜浅池的底部而到达移出收集点。因此，深度约60mm的沉降池在沉降固体时是有效的。装水池子不能倾斜，因此实际上这类型的沉降池通过将平板层堆叠到传统池中而实现，板子之间间隔约60mm。这些板子能够是垂直的，但是通常与水平方向呈约40～60°角度，如50°，而使固体下落到板子基部的距离相对较短，在板子基部累积斜滑而被移除。
对于每一块板子，沉降的有效区域是由板子覆盖的水平区域，因此随着板子堆叠，沉降的总面积不久将会超过非薄层板系统。按照这种方式，通过在沉降池底包括薄层板堆叠，表面积以及因此产生的沉降效率将能够提高至8倍。
薄层板沉降也辅助提供对水力冲刷的耐性。其能够经受早冲刷期间出现的更高流速，而同时还能提供沉降。如果包括辅助生物膜，则在膜中的生物量将在流冲刷期间并不会被冲洗掉，这正如现有的因空气流通而净化的污泥系统的情况那样。
在本发明一个实施方式中，步骤(a)包括将水通过薄层澄清器。
薄层澄清器，也已知称为斜板澄清器，主要用于水和污水处理工业以从流出液中的液体分离固体。澄清器传统上是一般的水和污水处理的四步方法的第三步，所述四步法为：流出液流的收集和均质化，BOD的生物处理等，澄清，以及最后(淤泥的)脱水。
无泡供氧能够通过将薄膜聚合物材料放置于含氧气体相和液相之间而提供。氧在传输通过膜厚而直接递送至液相中。
优选本发明的方法的步骤(b)包括通过一层或多层渗透膜提供无泡供氧。
一般采用两种类型的膜，这些是气体渗透的无孔膜和疏水性聚合物微孔膜。陶瓷膜的使用也是可能的。
借助气体渗透膜，气体溶解到膜中并借助浓度梯度传输穿过膜，该浓度梯度存在于并膜的管腔(气体)侧(该处气压相对较高(1～5bar)从而浓度也相对高)至外壳或液体侧(在该处氧在溶液中被带走或被消耗)。
无孔膜具有较小的孔(通常为0.1～10μm)而容许氧从管腔(lumen)侧扩散到液相。两种类型的膜都能用于各种操作模式以通过任何供氧气体，如氧气自身，空气，和其它已知的供氧物如硝酸盐提供无泡供氧或氧化作用。
本发明利用了最后阶段沉降的停留时间而容许需氧处理在相同的沉降环境中发生，如沉降池。停留时间能够类似于传统上所用的那些沉降池。长的水力(hydraulic)时间能够超过2h。
本发明优选通过将薄层板沉降和需氧生物处理结合于一个单元或池子中而实现。
本发明的方法可以进一步包括以下步骤：
(c)提供邻近(紧靠)无泡供氧的生物膜。
优选通过将无泡供氧装置放置于薄层板下侧在有或无紧靠放置的塑料/金属/碳网下以提供生物膜生长的强化表面区域有助于需氧生物处理。薄层板提高了沉降效能；无泡供氧器向生物膜供给无涡流氧，负载有效污水处理的大生物量密度。对于本系统，沉降得以改进，BOD降低而也能够实现硝化/脱氮作用。重要的是本发明容许这些方法发生于作为最后沉降的相同容器中。
因此，新处理系统能够经过构建而将几个工艺过程组合于相同的容器池，单元等中，而由此需要很少或不需要额外空间。总的资本、空间和民间费用当相比于该问题的现有解决方案时都大大降低。
本发明的另一实施方式中，层流的水包括澄清的水层，而步骤(b)包括向澄清的水层提供无泡供氧。
本发明的水能够通过和/或由需氧生物处理源提供。
根据本发明第二方面，提供了一种水处理单元，包括：
一个或多个水层流通道；和
一个或多个无泡供氧器。
优选该单元包括多个薄层板以提供至少一个水层流通道。
一个或多个无泡供氧器可以含有一个或多个层流斜板。
可替代地，一个或多个无泡供氧器可以采用任何合适类型的支撑或支撑层或器件或设备与一个或多个薄层板结合至一起。
根据本发明另一实施方式，该单元包括在多个薄层板之下支撑的多个无泡供氧器。
在该单元中，所述无泡供氧器或每一无泡供氧器优选是如此前定义的气体渗透膜，更优选是无孔膜。
优选，本文中限定的单元是污水处理沉降池，更优选是薄层澄清器。
该单元能够包括一个或多个邻近所述一个或多个无泡供氧器的生物膜支撑件(支架)。
根据本发明第三方面，提供了一种水处理的方法，包括至少一个需氧生物处理步骤，并进一步包括本文中定义的方法。
根据本发明第四方面，提供了水处理的装置，包括至少一个需氧生物处理单元和如本文中所定义的单元。
本发明涵盖了本文中描述的本发明各种实施方式和方面的所有组合。应该理解到，任何和所有本发明的实施方式可以连同描述本发明另外的实施方式的任何其它实施方式采用。而且，实施方式的任何组成部分可以组合描述另外实施方式的任何实施方式的任何和所有其它组成部分。
本发明提供了至少以下优点：
第一级和第二级沉降池能够通过包括本方法进行使用，由此通过将第二或第三需氧处理引入沉降工艺过程而不妨碍沉降来加入这些处理池的设计。
因此，将这些工艺过程组合到一个池子中而这些处理池的数量和成本降低。
对于这些体系所需的空间相比于现有技术大大降低。
沉降一般是流出物处理的最后阶段；本发明容许将这个最后阶段升级以包括需氧污水处理。
氧气供给能够小心控制并由此控制生物膜中各种区域的活性和功能。
沉降工艺过程现在能够保持需氧；由无氧沉降池中盛装污水产生的问题能够得以控制。这个问题包括由于脱氮作用而出现的臭味产生和淤泥生成。
通过传统充气导致的空气鼓泡程度和污水流挥发性组分的溶出(striping)都能够降低。
污水处理厂对于BOD/COD和氨的需氧处理能力得以改进，并提高了水力容量。
本发明还有的一个优点是以成本有效方式升级现有工厂，尤其是改装的能力。许多污水处理厂由于仅有小的剩余容量而超出了严格的排放标准，而操作上寻求通过细小工艺过程替换进行改进以避免资本密集升级。
具体而言，重力沉降功能和需氧生物功能能够作为一个集成单元提供，或作为独立模块提供而在现有的水处理流出物澄清器中进行装配。这所具有的增加优点是流出物处理装置的效能或性能将会改进，而不会对传统需氧系统产生成本和空间需求。
具体实施方式
实验
本发明容许在最后的流出物澄清器中通过利用无泡供氧结合生物膜支撑和薄层板沉降而实施需氧生物处理。无泡供氧容许生物膜生长并维持在沉降池中而不会将涡流引入，否则引入涡流就会干扰和妨碍沉降。薄层板填充不仅为充气提供了支撑结构，也提供了增加的沉降效能和用于沉降可能由于递送到该系统中的需氧处理而存在的任何剥落生物量的水力容量。
薄板填充能够由用于主支撑的耐腐蚀性材料如不锈钢和用于板自身的塑料板构建而成。无泡供氧膜能够由氧渗透聚合物致密膜如硅橡胶管材或微孔膜，由诸如聚丙烯或聚砜这些材料构成。
以下表格显示了通过本发明采用三种类型的无泡供氧器获得的氧化作用水平。充气水平基于对所选膜材料实验获得的氧通量和对每一膜类型可获得而计算的比表面积。
膜类型
聚合物平板型
材
致密聚合物管
材
微孔聚合物管
材
氧通量(g O2/m2h)
0.60
2.41
0.78
膜比表面积(m2/m3)
13.8
22.5
22.5
充氧能力(g O2/m3.h)
8.28
54.23
17.55
工作压力(bar)
1.0
2.0
1.0
去除的BOD(kg BOD/m3.天)
0.099
0.615
0.211
表1.(对于平板型材和管形聚合物和微孔膜具体充氧能力和需氧BOD的去除率)。
对于沉降池高达22.5m2/m2的膜比表面积，可获得高达0.615kg/m3.天的BOD去除率。
这些BOD去除率采用小规模试验设备进行测试。试验设备由4.4升装有与无泡供氧器和生物膜支架装配的单薄层板的池子构成。这个试验设备用人工污水以水力停留时间12h和0.212kg BOD/m3.天的BOD载荷进料。在容许生物膜成长几个星期之后，系统的BOD去除容量才进行检测。典型结果如下表2中所示。
膜比表面积(m2/m3)
5.52
预期充氧能力(g O2/m3.h)
13.3
未测定
去除的BOD(kg BOD/m3.天)
0.160
0.102
假设比表面积为22.5m2/m3下的去除BOD(kg BOD/m3.
天)
0.434
0.417
表2(采用聚合物膜在试验设备中用一个比表面为5.52m2/m3的薄层板进行的小规模测试结果。结果相比于如表1中描述的BOD去除理论计算，这些数字按照试验设备中所用调节至相同的膜比表面积(5.52m2/m3))。
测试表明，能够获得类似于期望值的BOD去除。预备设计表明，能够获得超过20m2/m3的膜比表面积(如以上表1中的详细描述)。对于如表2中所示的实验测试中BOD去除结果的外推表明，通过本发明获得约0.417kgBOD/m3.天的BOD去除是可能的。尽管这类似于传统需氧处理系统所预期的BOD去除容量，但是本发明实现的去除是与沉降同时进行的。
本发明辅助依靠有机碳去除的总氮去除的能力也进行测试。采用含有单一有机碳和单一氮源的人工污水，测试采用以上研究BOD去除的相同装置进行实施。结果如下表3中所示。
流入污水(mg/L)
流出液值(mg/L)
去除百分比
|
化学需氧量
65
27
59.0
氨氮(NH4-N
12
6.43
44.7
总氮
12
7.8
33.1
表3采用聚合物膜在测试装置中用单个薄层板在膜比表面积5.52m2/m3下同时有机碳和总氮去除的小规模试验的结果。采用更高的比表面积则去除率更高。
在容许通过无泡供氧的需氧处理结合重力沉降方面，本发明提供了许多其它实施方式，如：
(i)一个沉降结合需氧生物污水处理的单元。该产品具有几个优点在于其容许沉降器的停留时间也用于需氧生物污水处理。这在沉降池用于最后流出液处理但是污水质量并不足以最后排放的情况下尤其有用。在这些环境下，现有的沉降池能够转化成起到使BOD和/或营养物水平也能够降低作用的单元。现存还未知有这样的产品或装置容许沉降池的功能拓展到包括需氧生物处理，而同时维持其沉降功能。这种技术能够提供作为现有污水处理系统的改型或其能够提供作为新的容许在一个工艺过程池子中进行BOD去除和沉降的捆绑式处理。
(ii)营养物去除系统，其中硝化和脱氮能够实施作为最后流出液流沉降期间的一个休整步骤。这个系统将容许使用双功能生物膜，其中生物膜层仅靠无泡供氧器将是需氧的以实施硝化作用。离供氧器最远的层将是缺氧的而将起到脱氮体系的作用。控制通过无泡供氧器的空气/氧气流速和压力将会控制这些层的相对深度和活性。因为将这种营养物去除系统包括到最后的流出液流或初级沉降中，这种系统是属于新型的。
(iii)多级工艺过程能够组合到一个工艺过程的池子中，例如，初级沉降，化学处理，次级需氧生物处理，第三BOD和营养物休整和终结。氧递送管理将控制生物功能的活性，容许不同区域处理污水不同参数。按照这种方式，就能够实现营养物去除的改进。
(iv)无泡供氧功能也能够与重力沉降系统一起使用而防止处理池产生缺氧，缺氧可能会产生问题而导致“涨淤”现象，其中在缺氧条件下会发生脱氮作用，导致形成氮气气泡而引起淤泥颗粒浮动并导致最后排放中携带了固体。
该系统的一个优点总结于下表4中，其描述了对于传统沉降池，传统薄层板沉降池，和作为本发明一个实施例结合了重力沉降和生物处理的“生物沉降池”单元的结果。应该注意到，通过薄层板沉降池提供的优点并未提高固体去除率，而是在更短的水力停留时间下维持所需固体去除率所需水平的可能性。这容许既定沉降池处理的流量增加，或者安装的沉降池大小降低。
沉降之前
流出物
传统沉
降池
薄层板沉
降池
生物沉降池
(％去除率)
|
日常流出物(生物处理)
可溶BOD(mg/L)
氨(mg/L)
悬浮固体(mg/L)
34.0
9.7
3000
34.0
9.7
27
34.0
9.7
25
10.2(70％)
3.9(60％)
25
小市政污水处理厂(生物
的)
可溶BOD(mg/L)
氨(mg/L)
31
7.7
31
7.7
31
7.7
9.3(70％)
3.1(60％)
纺织印染(化学处理)
可溶COD(mg/L)
可溶BOD(mg/L)
207
50
207
50
207
50
103(50％)
15(70％)
表4.传统薄层板沉降相比于具有生物功能并结合重力沉降的生物沉降池单元的结果对照。
表4证实了生物沉降池的生物功能能够在沉降期间产生附加的BOD、COD和氨氮去除率，这在传统薄层板沉降池中并不能实现。
本发明的“生物沉降”功能能够具有全试验装置(20m2/m3)中可实现的膜特异性表面区域，这将会实现比表3所示更高的去除百分数。
以此实施例仅是针对典型处理装置，而非对于地表水排放的明确限制。
本发明的实施方式能够按照至少两种形式提供。
首先作为一个完整装置，能够用于完整污水处理系统新建，升级或替换应用的预备建设。
其次作为改装升级，由此模块能适配现有池子而采用现有池子就能增加额外需氧处理效能，而不会妨碍现有方法如沉降。
附图说明
本发明的实施方式现在将参照附图而通过仅以举例的方式进行描述，其中：
图1是根据本发明一个实施方式的薄层澄清器的示意性截面视图；
图2是显示两个薄层板和无泡供氧器的图1部分的放大；
图3是图2部分的放大；和
图4是气体可渗透膜的一个管道和邻近生物膜的功能视图。
沉降器(也称为澄清器或沉降池)是几乎所有生物处理工厂的一个组成部分，而作用是通过沉降而除去悬浮的固体。在需氧生物处理之后，细菌生物量，作为悬浮固体存在，必须在排放之前从清洁污水中分离出来。污水流进沉降池，而沉降池提供一段静止时期，通常至少2h，其中污水缓慢地流过池子或罐，容许细菌淤泥沉降而从所处理的污水中分离出来。所处理的污水随后能够以非常低水平的悬浮物质排放。
然而，在这个时间内没有氧供给，因为产生气泡将会干扰沉降工艺过程。因此需氧污染去除工艺过程终止于传统沉降池。沉降池占据了大面积的污水处理工厂，但却因此而不能有助于生物处理。
正如此前所提及的那样，沉降池引入标准薄层板，能够处理2～8被的传统沉降池的水流量。这种沉降池能够既适用于市政污水处理，又适用于工业污水处理。
图1显示了按照一般示意性形式的薄层澄清器2，其中来自需氧生物处理源(未显示)的水，具有作为悬浮固体的细菌生物量，一般中间和向下进入该薄层板沉清池2，而随后向上通过一组薄层板4。薄层板4利用了薄层板原理，其中几个平行倾斜的薄板最大化了任何可利用地面面积的可利用沉降面积。在已知的实例中，薄层板提供按照规则的平行六面体设置提供，要么按照矩形澄清器对齐，要么逆时针按照圆形澄清器对齐。
薄层板4提供水穿过这些薄板之间的层流。薄板4导致水中悬浮的或絮凝的物质沉淀，作为流体阻力对重力的函数。由于生物量颗粒击打薄板4，它们滑下薄板4而排放至澄清器2的增稠区8。
图2是图1的两个平行薄层板10，12部分的放大视图。在左手边薄层板10，随着生物量颗粒从向上通过薄层板10，12之间的水中分离出来而形成淤泥层14。生物量颗粒整个或基本从其中去除的水，能够定义为澄清层16。在澄清层16和淤泥层12之间，一般存在呢一个混合层18，其中生物量颗粒仍然是水的部分，但是由此就开始分离。澄清层16继续向上通过薄层板10，12而随后流出薄层澄清器2之外，通常是越过其一个或多个上壁或边沿，进行排放。
在图2中所示的层尺寸，为了清晰和理解之目的而进行了放大。
没有氧供给时，在薄层澄清器2中可能没有水的需氧生物处理。如以上所述，增加鼓泡充气将会在水中产生涡流，而因此与预想在水处理的这个阶段的澄清或沉降功能发生冲突。
本发明通过薄层板4，10，12之间的水薄板流动路径和通过提供一个或多个无泡供氧器如图2中所示的气体渗透膜20产生无泡供氧，而提供薄层水流的水，如图1和2中所示。图2显示了由薄层板12之下支撑而使之处于水的澄清层16中的气体渗透膜20的位置。
图3显示了图2部分的放大视图，包括邻接于能够支撑气体渗透膜20的膜支撑22的薄层板12，气体渗透膜20处于紧接薄层板12的位置。
气体渗透膜，一般具有亚微米孔径，或要不然就是致密气体膜，在本领域内是已知，而能够允许含氧气体如氧，空气或任何其它这种气体从其中通过，而不会在膜表面外侧形成气泡，这些气泡的形成将会与静止沉降功能相悖。
图3显示了来自膜表面的图形形式的氧流26。能够通过使用传统气泵将含氧气体供给到膜20，并且使用能够提供正确含氧气体通过膜而不会由此形成气泡的气体压力完成。
图3也显示了邻近膜20的生物膜支撑层24。一般而言，生物膜支撑层24能够容许在其上和/或附近形成生物膜，其细菌能够通过含氧气体供给的氧供养，而由此在沉降期间继续实施生物处理。
通过将气体渗透膜20安装于澄清层16中，在生物膜支撑层24内/上形成的生物膜，尤其能够在其通过超出薄层板4之前作用于澄清层16中保留的剩余BOD物质等。
图4显示了氧从气体渗透膜20的一个管进入生物膜28的移动，以及随着氧通过生物膜28并且由其内的细菌消耗的氧浓度和底物浓度的解释说明。
在一个可替代的实施方式中，薄层板4整个或基本上是垂直的。
在另一个可替代实施方式中，薄层板是无泡供氧器。
对于本发明所描述的实施方式的各种修改和变化对于本领域内那些技术人员而言是显而易见的，而不会偏离本文中所定义的本发明范围。尽管本发明已经结合具体的优选实施方式进行了描述，但是应该理解到，按照本文定义的本发明不应该不适宜地限制于这些具体的实施方式。