專利名稱：生物槽/氧氣補充系統(tǒng)的制作方法
生物槽/氧氣補充系統(tǒng)
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及受污液體，例如廢水的處理。更具體地 說，本發(fā)明涉及通過利用氣體補充系統(tǒng)從液體中除去污染物的方法， 該氣體補充系統(tǒng)控制該液體中溶解氧的水平。該氧包含能夠?qū)⑷芙夤?br> 體轉(zhuǎn)化成二氧化碳和懸浮固體的物種，該二氧化碳和懸浮固體與溶解 固體相比更容易與該液體分離。如果需要，本發(fā)明還預(yù)處理該廢水， 以除去大顆粒、脂肪、油脂和物理乳化油。還使用膜分離例如納米過 濾或反滲透除去不能生物降解的有機材料和無機離子。工業(yè)廢水包含各種污染物。這樣的污染物作為大顆粒(大 于一微米)、電荷穩(wěn)定的膠體顆粒(油水乳液等)和溶解物種例如糖、 蛋白質(zhì)或無機離子存在。調(diào)節(jié)要求廢水排泄到公共處理工廠(P0TW) 之前除去大多數(shù)或所有這樣的污染物。綜合處理方法已經(jīng)設(shè)計用來除去各種物理和化學(xué)物種。在 一種情況下，使用膜和分離方法。微過濾用來除去大顆粒，而超過濾 用來除去膠體和蛋白質(zhì)，反滲透用來除去離子和小物種。但是，后續(xù) 的清潔是昂貴的并且通常是效率低的，因為該膜被存在于水中的各種 物種弄臟。從水中除去大顆粒的另一種方法是用無機物種，例如三價 鐵離子、亞鐵離子或鋁離子凝結(jié)，以中和顆粒電荷。后續(xù)沉降可以在 澄清器中完成。但是，這種過程是緩慢的并因此要求大槽。在較大顆粒的除去之后，必須除去膠體材料和微分子。生
物降解是除去此類材料的尤其流行的方式。在厭氧或需氧槽中生長的 許多活性微生物能夠使這些可生物降解材料新陳代謝。厭氧降解通常 是有效的，但是，它可以花費數(shù)月乃至數(shù)年來破壞可生物降解的有機 污染物。需氧降解實際上更快并且可以用來在低得多的有機負(fù)荷量下 處理廢水。低的有機負(fù)荷量具有不大于大約2, 000百萬分之一 (ppm)的化學(xué)需氧量(COD)和生物需氧量(BOD)。生物需氧工業(yè)廢水處理應(yīng)該使用具有高或變負(fù)荷的有機材 料。低有機負(fù)荷量可能擾亂生物需氧廢水處理過程。令人遺憾地，大 多數(shù)工業(yè)廢水富含營養(yǎng)素并且組成持續(xù)改變。因此，仍需要提供工業(yè)廢水處理系統(tǒng)，該工業(yè)廢水處理系 統(tǒng)包括需氧生物降解，同時隨著時間適應(yīng)該工業(yè)廢水中營養(yǎng)素的量。 本發(fā)明滿足這些需要并且提供其它相關(guān)的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于處理受污液體，例如廢水的生物槽 補充系統(tǒng)。該廢水包含能夠?qū)⑷芙夤腆w轉(zhuǎn)化成二氧化碳和懸浮固體的 生物種。二氧化碳和懸浮固體與溶解固體相比更容易與水分離。廢水 預(yù)處理除去大顆粒、脂肪、油脂及其它物理乳化油。還使用膜分離， 例如納米過濾或反滲透除去不可生物降解的有機材料和無機離子。將純化廢水轉(zhuǎn)移至生物反應(yīng)槽用于進一步在其中去污。在
身功能。^氧化碳和懸浮固體是此種自身功能的天然副產(chǎn)物。必須補 充廢水中的氧濃度以致該生物種可以繼續(xù)轉(zhuǎn)化和除去該廢水內(nèi)的溶解 固體。布置在生物反應(yīng)槽廢水中的氧探針測量其中的實時氧濃 度。對實時氧濃度測量值起反應(yīng)的控制器經(jīng)由循環(huán)泵調(diào)節(jié)廢水的氧氣 補充速率。該循環(huán)泵將廢水從槽轉(zhuǎn)移到混合器。該控制器根據(jù)生物反 應(yīng)槽中的氧濃度改變循環(huán)泵的速度。該控制器還支配進入混合器的氣 合氣體的速率，廢水旋渦中形成的抽空區(qū)的尺寸，混合器頂部空間的 尺寸和混合器內(nèi)的壓力。該控制器控制調(diào)節(jié)這些變量中每一個的器件 以優(yōu)化在混合器中的氧氣補充期間廢水內(nèi)可溶解氧的量?；旌掀靼ń邮諒U水流的廢水入口和向廢水添加氧的氣 體入口。廢水入口可以包括水力旋風(fēng)頭入口，該水力旋風(fēng)頭入口通常 是圓形、多圓形或具有24:1、 10:1、 6:1、 2. 6: 1或1: 1的長寬比。廢 水中最大可溶解氧濃度對于每種水力旋風(fēng)頭入口和相應(yīng)的混合器壓力而不同。混合器還包括用于劇烈混合廢水和氧氣的加速器頭和下 管。該加速器頭使廢水旋轉(zhuǎn)進入該下管中的旋渦。輸入該下管的氣氣 可以在該旋渦內(nèi)形成中心抽空區(qū)。與該混合器集成的傳感器測量該抽 空區(qū)的特征，例如尺寸、形狀、長度和直徑。該混合器還包括充氧頂 部空間，該充氣頂部空間包含基本上純的氧氣。另一個傳感器能夠測 量該頂部空間的尺寸以確保離開該下管的廢水流的進一步有效充氧。 因此，折流板使該充氧廢水從下管出口轉(zhuǎn)向頂部空間。沒有溶解在廢 水流內(nèi)的大氧氣泡浮到該頂部空間中。在廢水進入生物反應(yīng)槽之前， 得自該頂部空間的附加氧氣溶于該廢水。在該混合器頂部中形成的導(dǎo) 管保留未溶解的氧氣以便與該廢水 一起選擇性再引入混合器的下管。也可以將氧氣補充系統(tǒng)與存儲槽、溶氣浮選系統(tǒng)和相應(yīng)的 液- 固混合器流體聯(lián)接。該溶氣浮選系統(tǒng)和液-固混合器用來除去較大 顆粒例如脂肪、油脂、及其它物理乳化油。根據(jù)以下參照附圖的更詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu) 點將會更清楚，所述附圖通過舉例說明本發(fā)明的原理。


本發(fā)明。在這些附圖中 [段15]圖l是體現(xiàn)本發(fā)明的廢水處理系統(tǒng)的示意圖； [段16]圖2是與本發(fā)明使用的液-固混合器的示意圖； [段17]圖3是圖2中大體上沿線3-3取得的該液-固混合器的剖 視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明使用的液-固混合器的部分剖視圖； [段19]圖5是用于從廢水除去膠體材料的重力懸浮體系的示意
圖；圖6是用于將氧氣和生物種混合以進行需氧降解的生物反 應(yīng)槽和系統(tǒng)的示意圖；圖7是液氧混合器的備選示意圖；圖8是可用于根椐本發(fā)明的另 一種液氧混合器的剖視圖；[段23]圖9是說明液氧混合器內(nèi)單個顆粒在三個時間間隔處的路 徑的示意圖；圖IO說明圖9中所示的單個顆粒在三個時間間隔處合成
速度矢量的圖示；圖lla-llh是結(jié)合到液氧混合器中的各個出口閥門的圖
示；和圖12是說明圖lla-llh中各個出口閥門的容器壓力對水 的溶解氧含量的曲線圖。 優(yōu)選實施方案的詳細(xì)描述如出于說明目的的附圖所示，本發(fā)明涉及處理廢水液的系 統(tǒng)以有利地利用需氧生物種將溶解固體轉(zhuǎn)化成二氧化碳和懸浮固體。 如出于說明目的的示例性附圖所示，廢水處理系統(tǒng)的本公開內(nèi)容總體 上參照參考數(shù)字IO。現(xiàn)轉(zhuǎn)向說明書中的代表性附圖，圖l示出了廢水 處理系統(tǒng)10，它具有與浮選槽14流體連通的液-固混合器12。該浮選 槽14是重力分離系統(tǒng)，例如美國專利號6, 797, 181中所描述，該文獻 的內(nèi)容在此引入供參考。一旦經(jīng)由浮選槽14從受污廢水中除去受污廢 水，包括大顆粒、脂肪、油脂和物理乳化油等，就將該經(jīng)純化廢水移 到存儲槽16。泵18向該經(jīng)純化廢水加壓以從存儲槽16轉(zhuǎn)移到液氧混 合器20中。液氧混合器20向該經(jīng)純化廢水加壓和充氧以引入生物反 應(yīng)槽22。該經(jīng)純化廢水仍含有溶解顆粒例如糖、蛋白質(zhì)或無機離子， 它們在該液流排泄到P0TW中之前必須被除去。該液氧混合器20通常 稱為液體旋風(fēng)顆粒定位器(LCPP)。在生物反應(yīng)槽22中將剩余的溶解 固體轉(zhuǎn)化成二氧化碳和懸浮固體。此后在經(jīng)由液氧混合器20充氧之后 更容易地將剩余廢物與該生物反應(yīng)槽22中的水分離。排放廢物并將去 污水轉(zhuǎn)移至POTW或類似物。將液-固混合器12與廢水或待處理的其它流體的源流體連 接。通常，泵(未顯示)用來向受污廢水流加壓并經(jīng)過該液-固混合器 12的受污廢水入口 24 (圖2)引導(dǎo)。如圖3所示，經(jīng)過入口 24引導(dǎo) 受污廢水并引導(dǎo)至液體加速器26中，該液體加速器26提高該液-固混合器12中受污廢水的線速度。通過該液體加速器26成切線地加速該 加壓受污廢水到該液-固混合器12的中心筒28中。在此，該加壓受污 廢水以高速接觸該中心筒28的內(nèi)表面30 (圖4)，此后在該中心筒 28內(nèi)進入旋轉(zhuǎn)運動。通常，該中心筒28是錐形的以致所得的旋渦32 具有較大上部直徑34和較小下部直徑36。該受污廢水然后經(jīng)由出口 40經(jīng)過下管38的底部離開液-固混合器12。該液-固混合器12根據(jù)角 動量推動該液體成旋流。這形成圖2所示的旋渦32。添加劑入口 42 可以引入用于處理受污廢水流的氣體、化學(xué)品或固體添加劑。在圖4中的一個尤其優(yōu)選的實施方案中，示出了詳述液-固混合器12。液-固混合器12與水力旋流器相似，但是與常規(guī)單端口 水力旋流器不同，該液-固混合器12具有2-級輸送機構(gòu)。液-固混合 器12包括上部反應(yīng)器頭44和下部下管38，經(jīng)過該下管38該受污廢 水和混合添加劑在其出口 40離開。該液-固混合器12經(jīng)設(shè)計以致該反 應(yīng)器頭44在該受污廢水經(jīng)由受污廢水入口 24進入時對該受污廢水施 加旋轉(zhuǎn)運動。旋渦32在下管38中形成并通?；旧暇鶆虻鼗旌咸砑?劑、液體、污染物和夾帶氣。反應(yīng)器頭44包括在外殼46中形成的入口 24以致受污廢 水入口 24與充氣間48流體連通。該受污廢水流經(jīng)由受污廢水入口 24 流入反應(yīng)器頭44并進入充氣間48，該充氣間48由中心筒28和外殼 46之間的空間界定?；?0和蓋子52包圍反應(yīng)器頭44的其余部分 并密封充氣間48以使壓力能夠在反應(yīng)器頭44和相應(yīng)的下管38內(nèi)增 大。在充氣間48中向受污廢水流加壓，該充氣間48圍繞布置在反應(yīng) 器頭44外殼內(nèi)的中心筒28的外部。中心筒28是與下管38流體連通 的圓柱形或多面構(gòu)件。中心筒28包括貫穿筒壁56的多個切向端口 54。 經(jīng)過該切向端口 54將受污廢水引導(dǎo)并以與中心筒28的內(nèi)表面30大體 上正切的方向引導(dǎo)進入該中心筒28。強制填充充氣間48的加壓受污 液體進入其上被賦予旋轉(zhuǎn)運動的中心筒28的內(nèi)部以在該中心筒28和 下管38內(nèi)形成旋渦32。該中心筒28可以裝配為六邊形、八邊形或任 何其它多面結(jié)構(gòu)。該切向端口 54在其至少一個平面中，更優(yōu)選在其每一平面中形成，如圖4所示。開放切向端口 54的數(shù)目，切向端口 54 的直徑，中心筒28的內(nèi)表面30的直徑和下管38的直徑?jīng)Q定受污廢水 旋轉(zhuǎn)和穿過液-固混合器12的速度。切向端口 54設(shè)定用來接收多個可移除限流器塞子58。通 常，將該切向端口 54鉆孔并攻螺紋以包括螺紋，該螺紋允許經(jīng)由螺絲 起子或其它工具移除該螺紋限流器塞子58。當(dāng)然，可移除地將限流器 塞子58插在切向端口 54內(nèi)的其它方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員想得到的。 通過開放切向端口 54的量調(diào)節(jié)施加到中心筒28內(nèi)旋轉(zhuǎn)受污廢水上的 混合能量的量。將可移除限流器塞子58插入切向端口 54降低進入中 心筒28的受污廢水的量并相應(yīng)地降低其中受污廢水的旋轉(zhuǎn)速度。相反 地，從切向端口 54移除可移除限流器塞子58有效地提高開放切向端 口 54的量。這提高受污廢水進入中心筒28的流速并提高其中受污廢 水的旋轉(zhuǎn)速度(混合能量)。調(diào)節(jié)開放切向端口 54的量也影響受污液 體進入中心筒28的流速，該中心筒28內(nèi)受污廢水在任何給定時間的 體積，充氣間48、中心筒28和下管38中的壓力，和將任何添加劑混 合到受污廢水中的總過程。這些變量幫助促進在液-固混合器12內(nèi)均 勻混合所述添加劑的過程。通常將添加劑，例如pH值/氧化還原化學(xué)物、絮凝劑、凝 結(jié)劑、粘土、 diotomatious 土等添加到受污廢水流中以改變它們的混 合物的等電位化學(xué)性質(zhì)和粘結(jié)其中的懸浮固體。添加劑的添加過程可 在受污廢水入口 24的上游完成，該入口 24在液-固混合器12的反應(yīng) 器頭44中形成。但是，液-固混合器12也可以包括添加劑入口 42以 即將在混合之前或在混合期間引入這些添加劑。或者，在混合之前經(jīng) 由如圖4所示的上游入口 60將添加劑添加到受污廢水流中。如圖2 和4所示，添加劑入口 44在反應(yīng)器頭44的蓋子52中形成。經(jīng)過添加 劑入口 42引入添加劑在反應(yīng)器頭44內(nèi)產(chǎn)生向下延伸進入下管38的中 心抽空區(qū)62。受污廢水經(jīng)由切向端口 54進入中心筒28，該切向端口 54具有圍繞著該中心筒28的內(nèi)表面30的旋轉(zhuǎn)運動。經(jīng)由添加劑入口 42加壓引入添加劑通過向內(nèi)表面30推動受污液體而產(chǎn)生中心抽空區(qū)62。該旋轉(zhuǎn)受污廢水流吸收和夾帶經(jīng)由添加劑入口 42引入混合器12 的添加劑。中心抽空區(qū)62形成旋渦32的內(nèi)部并引起添加劑和廢水在 旋風(fēng)旋轉(zhuǎn)室64內(nèi)進一步混合。該旋轉(zhuǎn)受污廢水吸收和夾帶經(jīng)由添加劑 入口 42引入混合器12的添加刑。具有上部量表68和下部量表70(圖 5)的傳感器66可以以電子、超聲、視覺或其它方式測量下管38內(nèi)中 心抽空區(qū)62的尺寸和位置。另外，傳感器68可用來測定中心抽空區(qū) 62的尺寸、特征和終點位置和旋渦32的物理形狀。控制器測定替代 被吸收到受污廢水流中并經(jīng)過出口 40運出和進入浮選槽14的添加刑
所需要的補充添加劑的量。通常認(rèn)為對于最佳絮凝在較低混合能量(機械混合器的 30-100轉(zhuǎn)/分[RPM])下需要較長混合時間(1-IO分鐘)。但是，情況 不是這樣。在較高混合能量(高達4， OOORPM，用機械混合器)下較短 混合時間(5-10秒)產(chǎn)生具有較低混濁度和較大，較容易漂浮浮塊的 較清潔水。因此，液-固混合器12的中心筒28內(nèi)部的混合可以僅持續(xù) 數(shù)秒，而產(chǎn)生優(yōu)異的浮塊，而沒有任何機械預(yù)混或潛在聚合物破裂。 受污廢水經(jīng)過液-固混合器12時的混合能量或速度很大程度上由設(shè)置 用來接收受污廢水的開放切向端口 54的數(shù)目決定，如此前論述那樣。多個液-固混合器12可以一起使用，這取決于化學(xué)添加劑 的類型和數(shù)量，所需的混合能量和要求用來優(yōu)化分離所需的混合時間。 這樣的多個液-固混合器12的集成在美國專利號6， 964， 740中進行了 更完全描述，該文獻的內(nèi)容在此引入供參考。這樣的多個液-固混合器 12允許單獨地對每種化學(xué)成分以最佳混合能量順序注射添加劑最佳 混合持續(xù)時間。此外，添加劑的用量和類型，中心抽空區(qū)62的尺寸和 位置，旋渦32中受污廢水的速度、壓力和流速和下管38的尺寸都可 以在每個各自的液-固混合器12內(nèi)改變。圖5示出了經(jīng)由溶氣浮選(DAF)從受污廢水流中除去固 體廢物的過程。其中添加了化學(xué)添加劑的受污廢水在出口 40離開液-固混合器12并流經(jīng)管子72、壓力閥74進入成核室76。壓力閥74調(diào) 節(jié)其中具有混合化學(xué)添加劑的受污廢水流的流速。受污廢水進入成核室76并經(jīng)過氣穴板78的流速直接地影響該受污廢水內(nèi)固體廢物顆粒 的成核和絮凝速率。 一般而言，浮選槽14從該受污廢水中除去固體廢 物80并經(jīng)由經(jīng)純化廢水出口 82從該浮選槽14過濾該經(jīng)純化廢水。除 去的經(jīng)純化廢水保存在存儲槽16中(圖1 )。更具體地說，總體上勻質(zhì)的受污廢水流經(jīng)由管道72流入 成核室76。布置在成核室76內(nèi)的氣穴板78具有其中形成的多個孔(未 顯示)以在廢水流進入相應(yīng)的起花室(bloom chamber) 84之前引發(fā) 成核和起泡。在成核室76中形成的泡沫極其小并且與受污廢水流內(nèi)的 絮凝劑附著。所得的泡沫在起花室84中結(jié)合并在尺寸方面增大。隨著 小泡沫尺寸增大并漂浮到浮選槽14頂部，固體廢物80的固體絮凝劑 泡沫在浮選槽14的表面形成。經(jīng)由一組槳86從浮選槽14的表面撇去 固體廢物80。該撇去的固體廢物80被放入脫水子系統(tǒng)88。更密實的 經(jīng)處理廢水(經(jīng)純化廢水90)沉到浮選槽14的底部用于經(jīng)由經(jīng)純化 廢水出口 82除去它們。此后槳經(jīng)純化廢水保存在存儲槽16(圖l)中， 然后泵送入液-氧混合器20用于在生物反應(yīng)槽22中的最終處理。在存 儲槽16中的經(jīng)純化廢水仍在其中含有添加劑及其它納米顆粒廢物。因 此經(jīng)由生物反應(yīng)槽22除去這些添加劑和廢物。將其它水提取物從脫水 子系統(tǒng)88再循環(huán)回到液-固混合器12中用于再加工。此后從處理系統(tǒng) 10完全除去脫水系統(tǒng)88中的相應(yīng)固體廢物80。圖6是顯示經(jīng)純化廢水通過生物反應(yīng)槽22進一步處理的 示意圖。如圖l所示，經(jīng)由泵18和液-氧混合器20將經(jīng)純化廢水從存 儲槽16轉(zhuǎn)移至生物反應(yīng)槽22。從存儲槽16 (圖1 )泵送的經(jīng)純化廢 水在圖6中表示為液體源90。該液體源90涵蓋能夠在生物反應(yīng)槽22 的范圍內(nèi)被處理的任何液流。優(yōu)選地，液體源90是保存在存儲槽16 中的經(jīng)純化廢水。經(jīng)由經(jīng)純化廢水入口 92將該經(jīng)純化廢水引入液-氧 混合器20。在圖6的實施方案中，液-氧混合器20包括第二再循環(huán)入 口 94，該第二再循環(huán)入口 94經(jīng)由循環(huán)泵98和相應(yīng)的再循環(huán)管線100 從槽96接收經(jīng)部分處理的經(jīng)純化廢水。與氧探針104連接的控制器 102調(diào)節(jié)再循環(huán)泵98以優(yōu)化生物反應(yīng)槽22內(nèi)的經(jīng)純化廢水的循環(huán)，如本文更完全描述的那樣。該控制器102還與處理系統(tǒng)IO的其它組件 連接，包括各種泵、閥門、氣穴板、混合器(液-固和液-氧)、入口、 出口、風(fēng)扇、傳感器和脫水子系統(tǒng)88組件。該控制器102處理從這些 器件收集的信息并，相應(yīng)地，經(jīng)由這些器件支配整個處理系統(tǒng)10。集成到生物反應(yīng)槽22中的液-氧混合器20可同其它液-氧 混合i殳備區(qū)分。例如，M. L. Jackson, "Energy Effects in Bubble Nucleation"， Industrial and Engineering Chemistry Research, Vol. 33， pp. 929-933 ( 1994 )中顯示，如果在較低的壓力下將氣體飽和到 液體中然后在越高壓力下泵送或轉(zhuǎn)移到浮選槽中，則在泡沫成核效率 方面達到高得多的氣體遷移。液-氧混合器2 0是達到此種液-氣混合的 理想設(shè)備。液-氧混合器20內(nèi)部的壓力可以總是不同于用來泵送經(jīng)純 化廢水流的壓力。壓力可用于精確地調(diào)節(jié)氣體劑量(氧氣、臭氧、二 氧化碳)以在小于1%內(nèi)補充飽和壓力氣體損失。增大經(jīng)純化廢水的流 速能夠像在90磅/平方英寸(psi )下那樣有效地在15 psi下輸送37 ppm氧氣。在較低壓力下較慢達到較高的氧濃度，而增大流速(轉(zhuǎn)移 壓力)更快地達到幾乎相等的氧氣速率。在低壓力下使用一個或兩個 液-氧混合器20因此比在非常高的壓力下使用一個液-氧混合器20更 有效。對生物反應(yīng)槽22的處理重要的是飽和淤渣顆粒經(jīng)由需氧 微生物的快速和有效的生物降解，該需氧微生物嵌在食品顆粒、溶解 有機物和氧氣內(nèi)。出于與液-固混合器12相似的理由，液-氧混合器 20是具有高碰撞效率的優(yōu)異混合器。微生物大到足以像顆粒那樣在整 個液-氧混合器20中移動，與賦予液-固混合器12的中心筒28中的受 污廢水和添加劑的旋轉(zhuǎn)運動相似。因此，所述微生物在氣旋混合器106 (圖7 & 8)內(nèi)具有變化的角和垂直流速。如在氣體(氧氣)的場合 下那樣，在高速下的此種移動顯著地提高微生物附近的氧氣和食品濃 度的梯度破壞，因為微生物消耗附近的食品和氧氣并產(chǎn)生這樣的梯度。 此種混合的目標(biāo)還在于移除微生物代謝的產(chǎn)物的濃度梯度。微生物108的角運動(由圖7中的點表示)在液-氧混合器20的氣旋混合器106內(nèi)的三個順序位置示出。微生物108的位置以 由L、 L和T3表示的三個獨立的時期示出。時間序列1\、 L和T3示出 了在氣旋混合器106內(nèi)的螺旋經(jīng)純化廢水流內(nèi)在各種徑向位置處的微 生物108的位置。相應(yīng)的時間L、 L和T3分別與氣旋混合器106內(nèi)的 螺旋經(jīng)純化廢水流的三種半徑n、 n和r3相互關(guān)聯(lián)。圖8圖解了在該 三個示例性時期L、 L和L微生物1Q8的合成速度矢量110、 、 110〃。當(dāng)微生物108與氣旋混合器106的固體內(nèi)表面鄰接時，合成速 度矢量110大體上是徑向的。隨著微生物108在時期L和L向氣旋混 合器106的中心移動，合成速度矢量110'、 IIO"變得主要是軸向的， 或向下延伸到氣旋混合器106中。在該圖解中，微生物108在三個順 序時期限定在三個不同位置中。但是，應(yīng)該理解的是，時間是連續(xù)體 并因此微生物108的徑向和實際速度按連續(xù)變遷。本公開內(nèi)容分別在圖7和8中示出了兩種類型的液-氧混 合器20、 20'。這些液-氧混合器20、 2(T夾帶氧氣和液體以致生物學(xué) 微生物的需氧活性可以進一步清潔生物反應(yīng)槽22中處理過的經(jīng)純化 廢水。具體來說，液-氧混合器20、 2(K用來溶解和夾帶經(jīng)純化廢水流 中的氧氣。液-氧混合器20、 20'在構(gòu)造和操作方面是相似的。與液-氧混合器20、 20'中的每一個有關(guān)的相似參考編號表示相似或等同的 組件。泵送存儲槽16或浮選槽14的經(jīng)純化廢水經(jīng)過經(jīng)純化廢水 入口 92， 92'并進入氣旋混合器106、 106'。氣旋混合器106、 括加速器頭112、 112'用于對經(jīng)純化廢水流施加旋轉(zhuǎn)運動。該加速器 頭112、 112'與在圖4的反應(yīng)器頭44的中心筒28中形成的切向端口 54相似。在圖7的一個實施方案中，氣旋混合器106是沿壓力室ll4 的長度延伸的大體上直線的管子?；蛘?，如圖8所示，氣旋混合器106' 是變化形狀的，包括錐形。在兩種情況下，氣旋混合器106、 106'大 致延伸到容器114、 114'的底部。在加速器頭112、 112'的上游或經(jīng)由直接放置到氣旋混合 器106、 106'中在下游將壓縮氧氣或空氣引入經(jīng)純化廢水流中。如圖7和8所示，氣體入口 116、 116'分別與經(jīng)純化廢水入口 92、 92"充體連 通?；蛘撸部梢越?jīng)由入口/出口 118、 118'將氣體，例如氧氣或空氣 直接地引入容器114、 114\入口/出口 118、 118'幫助維持壓縮氣體 的頂部空間120、12(K以進一步為容器114、114'內(nèi)的經(jīng)純化廢水充氧。 如果希望容器114、 114'中更少氣氣，則通過打開入口/出口 118、 118' 以允許頂部空間120、 12(K內(nèi)的壓縮氣體逃逸來減小頂部空間120、 120'。還可以利用導(dǎo)管121、 121'通過將氧氣釋放和再循環(huán)回到下管 106、 106'減小頂部空間120、 120\相反地，打開入口/出口 118、 118' 并將加壓氧氣添加到容器114、 114'的頂部空間120、 12(K以增加容器 114、 114'的頂部空間120、 12(K內(nèi)的氧氣的量。頂部空間120、 120' 中的氧氣在離開氣旋混合器106、 106'之后被夾帶在經(jīng)純化廢水中。 該充氧經(jīng)純化廢水離開氣旋混合器106、 106'并從氣旋混合器106、 106'的底部往上流并流過由折流板124、 124'形成的角基座。相應(yīng)地， 該經(jīng)純化廢水在容器114、 114'的頂部附近離開折流板124、 124\沒
有被夾帶在經(jīng)純化廢水流中的大泡沫立即上升到頂部空間120、 120'。 容器114、 114'內(nèi)的其余充氧經(jīng)純化廢水和小夾帶泡沫向下流到排出 口 122、 122'并進入生物反應(yīng)槽22以便在槽96中進一步處理和去污。 需氧微生物在槽96中使用氧氣將溶解固體轉(zhuǎn)化成懸浮固體和二氧化 碳。如圖7中進一步所示，氧傳感器126通過感測容器114內(nèi)的壓縮 氣體的量監(jiān)測頂部空間120的尺寸。氧傳感器126與控制器102電連 通以致在放入槽96中之前最佳氧含量溶解在經(jīng)純化廢水流內(nèi)。在頂部 空間120超過上氧傳感器128的同時，將壓縮空氣添加到容器114中， 當(dāng)頂部空間120降到下氧傳感器130下方時，停止壓縮氣體供應(yīng)。充氧經(jīng)純化廢水流經(jīng)由如圖6所示的排放孔132離開液-氧混合器20、 2(K進入槽96。經(jīng)由浸沒在經(jīng)純化廢水內(nèi)的風(fēng)扇134使 槽96內(nèi)的微生物循環(huán)。通過氧探針104監(jiān)測槽96內(nèi)的相應(yīng)氧含量。 為了促進生物種的活性，控制溶解氧水平是必要的。生物種是經(jīng)由它 使溶解的污染物更容易與經(jīng)純化廢水分離的儀器。該生物種消耗來自 水的溶解氧以發(fā)揮正常自身功能。為了將經(jīng)純化廢水中的污染物從溶解固體轉(zhuǎn)化成懸浮固體，巨大量的有機添加劑是必要的。因此，必須 替換巨大量的氧氣以促進此種轉(zhuǎn)化。本發(fā)明過程中的耗氧速率不是固定的，這歸因于每一物種 產(chǎn)生的副產(chǎn)物中生物種的復(fù)雜種類。在該過程開始時耗氧速率相對緩 慢。 一旦經(jīng)純化廢水中特定的溶解污染物質(zhì)被消耗，生物種就分裂且 群體增加。此種特定的物種在大小方面加倍。這些后代重復(fù)該過程并 消耗更多溶解污染物。氧遞減速率隨著物種的群體生長而提高，直到 污染物水平耗盡或可獲得的溶解氧水平耗盡。在任一情況下，特異性 的物種群體開始減少。生物活性的此種"上升"和"下降"的結(jié)果是副產(chǎn)物的產(chǎn)生， 該副產(chǎn)物又必須通過第二組生物制劑消耗。第二組生物制劑經(jīng)歷與原 始組生物制劑相似的"上升"和"下降"循環(huán)。對于相應(yīng)的第三組生物制 劑等等，該過程再次重復(fù)。該過程繼續(xù)重復(fù)并輪轉(zhuǎn)經(jīng)純化廢水內(nèi)的給 定量的生物種。該過程繼續(xù)直到該消耗的所有副產(chǎn)物變少。在這一過 程中溶解氧被每一隨后波的生物種消耗。溶解氧的總消耗量隨產(chǎn)生的 副產(chǎn)物的量減少。本發(fā)明通過利用浸沒在槽96中的經(jīng)純化廢水中的溶解氧 探針104解決溶解氧含量的這種波動?？刂破?02接收溶解氧探針104 的信號以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)該槽96中的經(jīng)純化廢水內(nèi)的氧含量。該控制器 102可以經(jīng)由氣體補充系統(tǒng)調(diào)節(jié)循環(huán)泵98和/或啟動或截止上述入口 中任一個。在一個實施方案中，廢水處理系統(tǒng)IO經(jīng)由一系列與多個氣 體補充系統(tǒng)連接的泵經(jīng)濟地維持槽96中的合乎需要的溶解氧水平，每 一氣體補充系統(tǒng)根據(jù)需要使用不同的氣體或氣體共混物?？刂破?02 啟動氣體夾帶系統(tǒng)，該氣體夾帶系統(tǒng)用氧氣的濃縮共混物灌輸經(jīng)純化 廢水以經(jīng)濟地調(diào)節(jié)在高氧要求期間由微生物引起的需溶解氧量增加。
當(dāng)需氧量減少時，控制器102停用各種供氧系統(tǒng)?？刂破?02可能對 使用壓縮大氣而不是使用純氧的系統(tǒng)有利。如圖6所示，可以利用再循環(huán)泵98和相應(yīng)的再循環(huán)管線 100將槽96中的經(jīng)純化廢水再循環(huán)回到液-氧混合器20。再循環(huán)泵98是補充經(jīng)純化廢水流內(nèi)的氧供應(yīng)的關(guān)鍵機構(gòu)。再循環(huán)泵98確保經(jīng)純化 廢水能夠經(jīng)由液-氧混合器20被補充氧氣。液-氧混合器20 (經(jīng)由氣 旋混合器106)擔(dān)負(fù)有效的顆粒接觸和氣體(氧氣)溶解在廢水流中。 如先前所述，氣旋混合器106內(nèi)的顆粒移動對經(jīng)純化廢水流的有效充 氧是重要的。如圖9和10所示，微生物隨角速度和垂直速度改變在整 個氣旋混合器106中移動。這種"進"到"出"移動使在整個氣旋混合器 106中的氣泡與水簇合物混合。離心力然后使泡沫在沒有溶解氣體的" 饑餓"水分子內(nèi)部分裂。此種過程避免氣/水界面附近氣體濃度積累的 梯度。此種梯度抗進一步氣體溶解直到氣體分子移到?jīng)]有溶解氣體的 水層。換言之，擴散緩慢。如果使用具有相似高能量(高液體RPM) 的其它混合設(shè)備，則隨著氣體后續(xù)損失到大氣中泡沫聚結(jié)發(fā)生。泡沫 損失限制可經(jīng)濟溶解在廢水中的氣體的最大量。在液-氧混合器20中， 充氧在氣旋混合器106和相應(yīng)的加壓容器114內(nèi)發(fā)生。沒有被經(jīng)純化 廢水流夾帶的氣體向上冒泡并形成為頂部空間120的一部分，用于稍 后充氧。因此，沒有氣體逃逸并且從廢水流內(nèi)部冒泡出來的那些氣體 被有效地重俘獲和再使用。氣泡在高速度下的這種"進"到"出"運動的有效使用顯著 地增強梯度破壞。此種混合的目標(biāo)還在于移除微生物代謝的產(chǎn)物的濃 度梯度。氣旋混合器106內(nèi)的加速通常在常規(guī)操作期間為25-100G。 盡管經(jīng)純化廢水在氣旋混合器106中的停留時間僅是少許秒，但是泡 沫(或任何顆粒)的這種急劇加速在毫秒內(nèi)穿過短距離跨越氣旋混合 器106 (對于15 cm直徑單元，通常1厘米[cm])。小的泡沫尺寸(大 表面積)、大的泡沫通量和泡沫經(jīng)過氣旋混合器106的動態(tài)路徑促進 高速氣體轉(zhuǎn)移，而氣體損失小。如果需要的話，這實現(xiàn)除去揮發(fā)性 (volital)有機物質(zhì)或為水充氣(充氧)的優(yōu)異能力。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的是，隨后為過飽和壓縮空氣減壓產(chǎn) 生小泡沫。例如，這樣的泡沫在溶氣浮選過程中產(chǎn)生并且小至20微米。 但是，與機械葉輪攪拌一起使用壓縮氣體的技術(shù)不導(dǎo)致相似的效率。 泡沫分裂，氣體溶解，顆粒與顆粒碰撞，顆粒與泡沫與聚合物碰撞，聚合物展開等是其它系統(tǒng)中的特定問題。圖12示出了使用圖lla-llh中所示的一組八個水力旋風(fēng) 反應(yīng)器頭136a-136h獲得的夾帶水平。水力旋風(fēng)反應(yīng)器頭136a-136h 具有如所示的各種旋風(fēng)入口長寬比。這些長寬比包括24: 1 (圖lla); 10:l(圖llb); 6:l(圖llc); 2.6:l(圖lld); l:l(圖lle); 圓形(圖llf );四個小圓(圖llg);和蓮篷頭排列(圖llh)。圖 12示出了使用圖lla-llh的各種水力旋風(fēng)反應(yīng)器頭136a-136h的水溶 解氧含量(Ppm) /容器壓力(psi )。水力旋風(fēng)反應(yīng)器頭的選擇可以顯 著地影響夾帶的或引入液體的溶解氧的量。該容器壓力由引入液-氧混 合器20的液體的壓力，入口 92的尺寸和氣旋混合器106的直徑?jīng)Q定。 在已知的容器壓力下選擇合適的水力旋風(fēng)反應(yīng)器頭板以在從液-氧混 合器20排出的經(jīng)純化廢水流中獲得所需水平的溶解氧含量。可以通過膜分離除去殘留在廢水中的其余無機離子或不 能生物降解的有機材料。此時除去了幾乎所有其它污染物。因此，膜 對失效或堵塞不太敏感。因此，去污水排出口 138從槽96除去基本上 清潔和去污的水。雖然為說明的目的詳細(xì)描述了各種實施方案，但是在不違 背本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以進行各種改變。因此，本發(fā)明除 了附隨的權(quán)利要求之外不應(yīng)受到限制。
權(quán)利要求
1. 生物槽氧氣補充系統(tǒng)，包括存儲廢水的槽；為該廢水充氧的混合器；測量該槽中廢水的氧濃度的探針；和對該探針測量值響應(yīng)的用于調(diào)節(jié)廢水氧氣補充速率的控制器。
2. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，包括將廢水從該槽轉(zhuǎn)移至該混合器的循環(huán) 泵，其中該控制器設(shè)置該循環(huán)泵速度以優(yōu)化廢水氧濃度。
3. 權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中該控制器基于由該探針提供的氧濃度 信息設(shè)置循環(huán)泵速度。
4. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中該混合器包括用于將廢水旋轉(zhuǎn)到下管 中的加速器頭。
5. 權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中該旋轉(zhuǎn)廢水在該下管中形成旋渦。
6. 權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中該旋渦包括中心抽空區(qū)。
7. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中該混合器包括充氧頂部空間。
8. 權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中該頂部空間包含基本上純的氧氣。
9. 權(quán)利要求7的系統(tǒng)，包括測量該頂部空間尺寸的傳感器。
10. 權(quán)利要求7的系統(tǒng)，包括改變該頂部空間尺寸的端口。
11. 權(quán)利要求7的系統(tǒng)，包括使充氧廢水從下管出口轉(zhuǎn)向該頂部 空間的折流板。
12. 權(quán)利要求7的系統(tǒng)，包括用于將氧氣從頂部空間轉(zhuǎn)移以便與 廢水再混合的導(dǎo)管。
13. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中該控制器從該探針接收實時氧濃度 信息。
14. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中該混合器包括廢水入口和氣體入口。
15. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中該混合器與存儲槽流體聯(lián)接。
16. 權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中該存儲槽與溶氣浮選系統(tǒng)和相應(yīng)的 液-固混合器流體聯(lián)接。
17. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中該混合器包括水力旋風(fēng)頭入口。
18. 權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該水力旋風(fēng)頭入口是大體上圓形、 多圓形或具有24:1、 10:1、 6:1、 2. 6: 1或1: 1的長寬比。
19. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中廢水中最大可溶解氧濃度對于每種 水力旋風(fēng)頭入口和相應(yīng)的混合器壓力是不同的。
20. 生物槽氧氣補充系統(tǒng)，包括 存儲廢水的槽； 為該廢水充氧的混合器； 測量該槽中廢水的氧濃度的探針；對該探針測量值響應(yīng)的用于調(diào)節(jié)廢水氧氣補充速率的控制器；和 用于將廢水從該槽轉(zhuǎn)移至該混合器的循環(huán)泵，其中該控制器設(shè)置 該循環(huán)泵速度以優(yōu)化廢水氧濃度。
21. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中該存儲槽與溶氣浮選系統(tǒng)和相應(yīng)的 液-固混合器流體聯(lián)接。
22. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中該混合器包括水力旋風(fēng)頭入口。
23. 權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中該水力旋風(fēng)頭入口是大體上圓形、 多圓形或具有24:1、 10:1、 6:1、 2. 6: 1或1: 1的長寬比。
24. 權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中廢水中最大可溶解氧濃度對于每種 水力旋風(fēng)頭入口和相應(yīng)的混合器壓力是不同的。
25. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中該控制器基于由該探針提供的氧濃 度信息設(shè)置循環(huán)泵速度。
26. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中該混合器包括用于將廢水旋轉(zhuǎn)到下 管中的加速器頭。
27. 權(quán)利要求26的系統(tǒng)，其中該旋轉(zhuǎn)廢水在該下管中形成旋渦， 該旋渦包括中心抽空區(qū)。
28. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中該混合器包括充氧頂部空間，該充 氧頂部空間包含基本上純的氧氣。
29. 權(quán)利要求28的系統(tǒng)，包括測量該頂部空間尺寸的傳感器。
30. 權(quán)利要求29的系統(tǒng)，包括響應(yīng)于該傳感器的輸入而改變該頂部空間尺寸的端口。
31. 權(quán)利要求30的系統(tǒng)，包括使充氧廢水從下管出口轉(zhuǎn)移到該頂 部空間的折流板。
32. 權(quán)利要求30的系統(tǒng)，包括用于將氧氣從頂部空間轉(zhuǎn)移以便與 廢水再混合的導(dǎo)管。
33. 權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該控制器從該探針接收實時氧濃度信息o
34. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中該混合器包括廢水入口和氣體入口。
35. 生物槽氧氣補充系統(tǒng)，包括 存儲廢水的槽；為該廢水充氧的混合器，其中該混合器包括水力旋風(fēng)頭入口、廢 水入口和氣體入口 ；該混合器中的用于使該廢水旋轉(zhuǎn)進入下管中形成旋渦的加速器 頭，該旋渦包括中心抽空區(qū)；測量該槽中廢水的氧濃度的探針；該混合器中的包含基本純的氧氣的充氧頂部空間；測量該頂部空間尺寸的傳感器；響應(yīng)于該傳感器的輸入而改變該頂部空間尺寸的端口； 使充氧廢水從下管出口轉(zhuǎn)向該頂部空間的折流板； 用于將廢水從該槽轉(zhuǎn)移至該混合器的循環(huán)泵；和 用于調(diào)節(jié)該廢水的氧氣補充速率的控制器，其中該控制器基于由 該探針提供的實時氧濃度信息設(shè)置循環(huán)泵速度。
36. 權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中該存儲槽與溶氣浮選系統(tǒng)和相應(yīng)的 液-固混合器流體聯(lián)接。
37. 權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中該水力旋風(fēng)頭入口是大體上圓形、 多圓形或具有24:1、 10:1、 6:1、 2. 6: 1或1: 1的長寬比。
38. 權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其中廢水中最大可溶解氧濃度對于每種 水力旋風(fēng)頭入口和相應(yīng)的混合器壓力是不同的。
39. 權(quán)利要求35的系統(tǒng)，包括用于將氧氣從頂部空間轉(zhuǎn)移以便與廢水再混合的導(dǎo)管。
全文摘要
本文公開了通過利用需氧生物種處理廢水液的系統(tǒng)。在溶氣浮選系統(tǒng)中預(yù)處理該污染的廢水流以除去懸浮固體廢物，包括大顆粒例如脂肪、油脂和物理乳化油。此后用氧處理該含溶解廢物的凈化廢水并進一步在生物反應(yīng)槽中去污。該生物反應(yīng)槽中的生物種消耗氧氣并發(fā)揮將溶解廢物轉(zhuǎn)化成可容易除去的二氧化碳和懸浮固體的自身功能。通過將廢水泵送穿過液氧混合器補充被該生物種消耗的氧氣?？刂破骰趯崟r氧濃度測量值調(diào)整泵速度，該實時氧濃度測量值由布置在該生物反應(yīng)槽中的廢水內(nèi)的相應(yīng)氧探針提供。
文檔編號C02F1/30GK101506102SQ200780031031
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月21日
發(fā)明者達瓦恩·E·莫爾斯 申請人:世界水技術(shù)有限責(zé)任公司