发明领域
[0001] 本发明涉及一种用于
废水处理的方法和系统，并且更具体地涉及一种用于在废水处理装置中对来自臭氧发生器或脱气单元的排出气体进行回用以对废水处理装置的某一段提供一些或全部充氧需求的方法和系统。
背景技术
[0002] 一般来讲，在水处理装置中使用臭氧气体已有多年并且其应用似乎正在增加。例如，臭氧消毒被用于许多中型至大型处理装置中。此外，臭氧处理也常用于味觉、气味控制和
颜色控制。臭氧在水处理装置中的其它应用包括处理废水处理装置的
曝气池中的
污泥，如2007年12月18日公布的美国
专利No. 7,309,432和2000年7月11日公布的美国专利No. 6,086,766中所公开。臭氧的其它最近的应用包括
泡沫或膨胀控制（如2009年4月7日公布的美国专利No. 7,513,999所公开）以及对消化器或废水处理装置的其它段中的物流的处理（如美国专利
申请序列号13/685,330中所公开）。
[0003] 由于对回用水的需求上升，废水装置三级处理中的臭氧应用日益流行。作为强
氧化剂，臭氧是一种有效的消毒剂，其所产生的排放水除了由高溴水臭氧化所产生的副产物之外不含已知的毒性消毒副产物。臭氧也是在不添加化学制品或生成化学污泥的情况下实现脱色的有成本效益的方式。
[0004] 由于对过滤的二级流出物的臭氧化能够实现回用，因此臭氧流行于其中使用率相对自然系统（如湖泊和河流）中的水流量和贮存较高的“缺水(water stress)”区域。例如，在中国，年用水量占总可供应量的约20%，然而，由于获取成本限制和污染，已估计国家供水短缺超过400亿立方米。
[0005] 通常，对用于废水处理装置中的臭氧系统和技术的选择基于臭氧处理系统的总投资和运行成本，所述成本与通过使用臭氧处理所实现的益处和考虑对排放流出物的规章指令或要求平衡。因此，选择提供最佳经济价值的臭氧技术极为重要，无论废水处理装置的大小如何。
[0006] 臭氧发生器和
接触器以及臭氧破坏单元的典型投资以及与在废水处理装置中使用各种臭氧技术相关的运行和维护花费可能非常高。此外，由于臭氧在高于某些浓度时极具刺激性和毒性，因此通常使用臭氧破坏系统或单元来破坏来自接触器的废气中的任何残留臭氧以防止工作人员暴露于臭氧气体。
[0007] 氧气通常用作进料气来产生臭氧气体，该臭氧气体随后用于对供应水进行消毒或氧化。氧气可以气体或液体形式现场产生或以液态氧形式大批购得。美国的许多水和废水处理装置（plant）使用臭氧进行水处理，其中大部分是由购得的氧气产生臭氧。废水处理装置内的臭氧系统的年运行成本的大部分包括与产生臭氧有关的非常高的功耗以及与氧气供应相关的成本。
[0008] 臭氧可由空气中的氧气或由高纯度气态氧产生。这可通过若干种方法来实现，但最常见的技术是通过
电介质屏障使含氧进料流动通过电晕放电。干燥的氧气或空气气流经受高压/高
密度电流（这提供了驱动反应的
能量）时产生臭氧。
电场（field）在由电介质分隔的两个
电极之间作用，从而形成间隙，在整个所述间隙中发生能量释放。与通过空气进行操作相比，氧气供给臭氧发生器在给定的动
力（power）输入下将产生更多的臭氧并在产品气中产生更高的臭氧浓度。基于空气的臭氧化系统还需要额外的资本设备，包括干燥器以及
压缩机。
[0009] 适用于产生水处理用臭氧的液氧应优选地具有至少约99.0重量%的氧含量（其中水含量不超过每一百万份约7.8份(ppm)）、-80℉的等效大气
露点和小于约40ppm的总
烃含量（例如甲烷、乙烷、乙炔和其它烃类）。其它杂质例如氮气、氩气和其它惰性气体也可少量存在。
[0010] 许多当前的臭氧化系统通常使用氧气作为进料气并且进料流中仅约5-15%的氧气在臭氧产生期间转
化成臭氧。余料通常在残留臭氧破坏之后排出并且无有用的用途，除了少量已用于流出物的再曝气之外。虽然已开发出若干技术来使存在于产品气中的氧气再循环，但很少已成功地进行商业化（参见美国专利No. 4,132,637和No. 4,256,574）。另外，由于与干燥、纯化、压缩和装运废气相关的成本，臭氧排出气体的回收和再出售不是可行的选择。
[0011] 因此，需要的是被配置用于废水处理装置的系统和方法，所述系统和方法可减轻与使用臭氧技术相关的投资和运行花费，并且特别地可实际且有效地再利用臭氧排出气体以满足废水处理装置的其它段的充氧需求。这样，废水处理装置可从使用臭氧处理系统实现多种益处，从而抵消臭氧处理系统的高运行成本。
发明内容
[0012] 本发明可表现为（be characterized as）用于在废水处理系统中进行臭氧排出气体回用的方法，其包括以下步骤：(i)将含氧进料流导向臭氧发生器；(ii)运行所述臭氧发生器以产生含臭氧气流；(iii)将所述含臭氧气流导向所述废水处理系统内的臭氧处理系统以产生经臭氧处理的流出物和臭氧排出气流；和(iv)将所述臭氧排出气流导向所述废水处理系统的需氧段中的机械搅拌接触器。可将臭氧排出气流与补充(make-up)含氧流混合或合并，然后将合并流导向废水处理系统的需氧段。本发明的臭氧排出气体回用方法的一个关键方面是控制臭氧排出气流中的氧含量。优选地，通过响应于对臭氧排出气流的气体含量或废水处理段的需氧段中的溶解氧水平进行表征的
传感器或测量输入调节臭氧排出气流的氧含量来控制臭氧排出气流的氧含量，从而确保对废水处理系统的需氧段的充分充氧。
[0013] 臭氧排出气流的氧含量的调节可通过下列技术中的一种或多种来实现：调节含氧进料流至臭氧发生器的流量；调节提供给臭氧发生器的动力；或调节补充含氧流至臭氧排出气流的流量。或者，可通过调节废水处理系统的需氧段中的机械搅拌接触器的旋转速度来控制臭氧排出气流至废水处理系统的需氧段的体积流量。
[0014] 本发明还可表现为用于废水处理装置的臭氧排出气体回用系统，其包括：(a)含氧进料流；(b)臭氧发生器，其被构造用于接纳所述含氧进料流和产生含臭氧气流；(c)臭氧接触器，其使流出物与所述含臭氧气流接触以产生经臭氧处理的流出物和臭氧排出气流；(d)臭氧破坏系统，其被构造用于接纳所述臭氧排出气流和破坏包含于所述臭氧排出气流中的任何臭氧；(e)附加（supplemental）氧气传送
导管，其将所述臭氧排出气流耦接至所述废水处理装置的需氧段的机械搅拌接触器；和(f)控制单元，其用于通过响应于对所述臭氧排出气流的气体含量或所述废水处理段的需氧段中的溶解氧水平进行表征的传感器或测量输入调节所述臭氧排出气流的氧含量来控制所述臭氧排出气流的氧含量，从而确保对所述废水处理系统的需氧段的充分充氧。优选地，通过调节含氧进料流至臭氧发生器的流量；调节提供给臭氧发生器的动力；或调节补充含氧流至臭氧排出气流的流量；或上述技术的任意组合来控制臭氧排出气流的氧含量，从而确保对废水处理装置的需氧段的充分充氧。
[0015] 最后，本发明可表现为用于在废水处理系统中供应附加氧气的方法，其包括以下步骤：(i)将所述废水处理系统内的含氧或含臭氧污泥流导向脱气单元；(ii)将含氧废气与所述污泥流分离以产生附加含氧气流；和(iii)将所述附加含氧气流导向所述废水处理系统的需氧、厌氧或缺氧段。响应于对臭氧排出气流的气体含量进行表征的传感器或测量输入来控制附加含氧气流的氧含量。
[0016]
附图简述结合以下附图，通过下文更详细的描述，本发明的系统和方法的上述及其它方面、特征和优点将更加明显，在图中：
图1为本发明的用于臭氧排出气体回用的系统的一个实施方案的示意图；和图2为本发明的用于臭氧有关气体回用的系统的另一个实施方案的示意图。
[0017] 详述现转向图1，其中示出本发明用于在废水处理系统的需氧段中进行臭氧排出气体回用的系统和方法的一个实施方案的示意图。
[0018] 从其中看出，废水处理系统10包括适于将废水流入物13导向废水处理系统10的需氧段20的引入导管（intake conduit）14。废水处理系统10的需氧段20可包括活化污泥池或旨在被构造用于采用
微生物和需氧过程来实现从水中除去废物目的的其它反应器。示出的系统还包括位于需氧段20下游的适于将至少一些
液体流出物与污泥流分离的一个或多个
澄清器22、用于运送液体流出物23的输出导管24；被构造用于将废物污泥送至废物槽29的废物活化污泥(WAS)管线26；和适于经由引入导管14将分离的污泥流的一部分运送且返回废水处理系统的需氧段20的返回活化污泥(RAS)管线28。
[0019] 将流出物23导向三级臭氧处理系统，图示为臭氧消毒系统30，其包括含氧进料流32、臭氧发生器34、含臭氧流33、臭氧接触器槽36和臭氧排出气流。经消毒的流出物38通常在约1至30分钟的
停留时间之后从臭氧接触槽36中移走并可用于各种回用。来自臭氧消毒系统30的废气包含从臭氧接触器槽36的顶部空间37导向臭氧破坏单元42以破坏臭氧排出气流40中的残留臭氧的臭氧排出气流40。从那里，臭氧排出气流40经由附加氧气传送导管导向废水处理系统10的需氧段20，所述附加氧气传送导管将排出气流耦接至一个或多个曝气/充氧单元50，排出气流在所述单元中用于对需氧段20的内容物44进行充氧。
[0020] 尽管未示出，本发明的系统还采用基于
微处理器的控制单元，其操作性地耦接至臭氧发生器34、一个或多个曝气/充氧单元50、氧气进料流32和多个传感器或测量设备（未示出），所述传感器或测量设备表征臭氧接触槽36、臭氧排出气流40和废水处理系统10的需氧段20中的气体含量（例如，氧含量、氮含量、二氧化
碳含量、臭氧含量等）、压力和/或
温度。
[0021] 含有高氧气浓度（相比空气中20.9%的氧气浓度）的臭氧排出气体的回用提供了以下优点：(i)与基于空气的曝气相比降低了动力成本和总体运行成本；(ii)利用来自臭氧接触器的基本上免费的氧气源，否则所述氧气源将被浪费；和(iii)与基于空气的曝气方案相比，高度灵活的曝气方案可满足较大范围的氧吸收率(OUR)和溶解氧(DO)需求。
[0022] 就臭氧排出气体回用方案与标准基于空气的曝气方案相比的较低动力成本和总体运行而言，熟知的是
电能是主要的运行成本并且曝
气动力通常消耗废水处理装置中超过一半的电能。基于氧气的曝气（包括用臭氧排出气体曝气）与基于空气的曝气系统相比通常使用较少的现场动力。例如，虽然许多基于空气的曝气系统中使用的现代细气泡扩散器系统具有约4.2kg/kWh的典型净水曝气效率(SAE)，表面型氧气曝气器，例如可得自Praxair, TMInc.的I-SO 基于氧气的曝气器，已在典型条件下表现出高纯度氧气高达6.2kg/kWh的SAE。
[0023] 基于氧气的曝气的运行成本的另一组成部分是购买氧气的成本。然而，当使用臭氧排出气体时，购买氧气的成本基本上是免费的，因为臭氧排出气体中的氧气原先是废弃产物。基于氧气的曝气与基于空气的曝气系统相比的另一个优点是表面型或浮置式氧气曝气器与常规的基于空气的浸没式扩散器相比具有低投资成本。
[0024] 最后，表面型氧气曝气器（例如Praxair供应的I-SOTM单元）的安装和修理与许多浸没式扩散器的安装、维护和修理相比更加简单并且通常成本较低。例如，通过以机械方式将单元降低到完全曝气槽中来实现表面型氧气曝气器的安装。预定维护通常包括每年进行换油，对于表面型曝气单元而言这可在保持浮置的同时进行。根据运行历史，对表面型曝气器的机械修理，例如
叶轮或
齿轮箱的更换计划要求以每4年或更低的
频率进行。相比之下，与浸没式扩散器的安装、维护和修理相关的成本有点高，因为曝气槽通常必须在进行此类安装、预定维护或机械修理之前排空。
[0025] 用于臭氧排出气体回用的本发明的系统和方法的一个重要方面是控制臭氧排出气流的流量以便优化使用臭氧排出气体的曝气过程的能力。有效的气体回用控制系统可克服通常与臭氧有关气体回用相关的挑战和问题。例如，当考虑用于曝气目的的臭氧排出气体回用时遇到的常见问题是臭氧排出气流中没有足够的氧含量或纯度来满足目标曝气过程需求。排出气体中的氧气浓度同时影响所提供的氧气的量（浓度乘以气体体积流量）和曝气设备的效率（因为氧气的浓度越高，溶解给定
质量氧气所需的能量就越少）。适于确保臭氧排出气流中的氧含量足以满足曝气需求（从量和效率的观点出发）的控制方案是结合在线氧气纯度测量系统来估计臭氧排出气流中的实时氧气分压。估计的氧气分压可用于多种控制目的–例如，确立待添加到臭氧排出气流中以满足曝气过程需求的补充氧气（如果有的话）的所需体积，或控制来自臭氧接触系统的排气过程以维持高排出气体纯度。
[0026] 或者，可确立设定到达臭氧产生系统的最低氧气流量的控制方案，所述臭氧产生系统在到达待用臭氧排出气体处理的曝气池的平均流入物流量所需的臭氧排出气体中产生足够的氧气。可通过改变臭氧发生器的动力输入来控制此氧气流内的臭氧产量，以满足臭氧处理过程（例如消毒）的需求。所述控制方案可通过向臭氧排出气流添加附加或补充氧气来补偿高于平均水平的条件。或者，可通过改变到臭氧发生器的氧气流速和调节
维持期望臭氧反应所需的臭氧发生器动力来在臭氧接触器中的氧气流量的限制范围内满足较高或较低氧气曝气需求。例如，使用液相臭氧传感器并实现控制环路以通过改变臭氧发生器的动力输入来维持所需臭氧水平。臭氧排出气流中的所需臭氧水平和相应氧气水平可为反馈控制环路，采用基于进入曝气池的流入物流量的前馈控制。
[0027] 与臭氧排出气体回用相关的另一个问题或设计挑战是臭氧排出气体夹带过量空气，从而降低氧含量和氧气纯度水平。这通常是由臭氧接触槽的顶部空间中的低压条件（其通常导致臭氧接触槽上的通气
阀打开并将过量空气引入顶部空间，从而降低臭氧排出气流中的氧气纯度水平）；或臭氧接触器中发生的过量氮气
汽提所导致。
[0028] 为了解决低压问题，本发明的系统和方法构思了将氧气源经由压力校正阀耦接至臭氧收集槽并且将氧气（代替空气）在此类低压条件下引入臭氧收集槽。或者，可改变针对臭氧发生器和臭氧接触系统的氧气流速以维持接触系统中微正的压力，同时通过控制臭氧发生器动力来单独控制臭氧产量。
[0029] 针对两种问题的更优异的方案采用这样的控制方案，其(i) 改变排放管线中变速排出气体鼓
风机的速度以避免臭氧接触器槽中的低压条件并且使空气渗漏最小化；(ii)改变到达臭氧发生器中的氧气流量以维持臭氧接触器槽的顶部空间和臭氧排出气流中的氧气纯度水平；(iii)改变提供给臭氧发生器的动力以维持接触器槽中的适当臭氧残留。为了实现这些控制方案，推测
控制器的输入将包括位于臭氧接触器槽的顶部空间或臭氧排出气体导管中的臭氧传感器、氧气传感器和/或
压力传感器。控制变速排出气体鼓风机使得操作人员可维持臭氧接触器槽的顶部空间中具有微正的压力，或可对其进行控制以将排出气体中的氧气纯度维持在某个范围内。
[0030] 针对两种问题的更有意思的方案是使用侧流臭氧接触器来代替具有细气泡扩散器的典型臭氧接触器槽。侧流臭氧接触器增强了臭氧溶解并引入任何所需的附加氧气流量。使用此侧流接触器方法，可通过使接触时间最小化和快速扩大接触侧流后的管道尺寸来使接触侧流后的气体溶解最小化，从而促进相分离和使氧气溶解最小化。侧流实施方案将空气夹带问题减至最少，因为其为封闭的加压系统并且允许使用处于
正压的气/液分离器来除去排出气体。其也仅处理液体流的部分而使得其过饱和，因此我们仅将来自该流部分的氮气汽提到排出气体中。这极大地降低了排出气体中的氮气量。
[0031] 改变由臭氧发生器产生的臭氧百分率的任何控制方案将改变臭氧排出气体的含量和体积，并且对其的控制使得可平衡对三级处理中的臭氧的需求与对经由臭氧排出气流的氧气的需求之间的负荷。此类控制方案允许通过臭氧发生器和臭氧发生器动力对氧气流量进行基本上独立的控制。
[0032] 在优选的实施方案中，采用多个Praxair的I-SO™曝气系统使低压臭氧排出气流溶解在废水处理装置的需氧段中，所述曝气系统能够利用通
流管（draft tube）内的螺旋叶轮的旋转动作所产生的高强度涡旋来诱导气流从臭氧排出气流流出。I-SO™系统的臭氧排出气体诱导的能力避免了对臭氧排出气流的压缩以及相关的压缩成本。
[0033] 使用I-SO™表面型曝气系统和上述控制方案中的一种或多种，可几乎完全从封闭槽臭氧接触器系统中回收臭氧排出气体，只要维持臭氧接触器槽顶部空间中的最适压力即可。实际上，接纳臭氧排出气流的此类曝气单元的曝气单元数量和运行条件（即，叶轮的旋转速度）用于维持臭氧接触器槽的顶部空间中的适当压力，其在接触器槽的顶部空间中的压力过低时限制空气侵入以及在接触器槽的顶部空间中的压力过高时限制臭氧排出气体直接
通风或排弃到环境中。
[0034] 现转向图2，其中示出本发明用于在废水处理系统中进行臭氧有关气体回用的系统和方法的另一个实施方案的示意图。与图1的实施方案类似，废水处理系统10包括适于将废水流入物13导向废水处理系统10的需氧段20的引入导管14。示出的系统还包括位于需氧段20下游的适于将至少一些液体与污泥流分离的一个或多个澄清器22、用于运送液体流出物23的输出导管24；废物活化污泥(WAS)管线26；和适于经由输入导管14将分离的污泥流的一部分运送且返回需氧段20的返回活化污泥(RAS)管线28。
[0035] 在RAS管线28内存在污泥臭氧化系统70，污泥臭氧化系统70包括将RAS污泥导向塞流式臭氧化反应器的
泵72。塞流式臭氧化反应器包括足够长度的管道78，其确保污泥在臭氧化反应器中的停留时间，该停留时间足以确保臭氧的有效溶解和臭氧与RAS管线28中的生物固体的反应。示出的实施方案还包括一个或多个臭氧气体注入系统，该臭氧气体注入系统包括氧气源32、用于产生富臭氧气体的臭氧发生器74和用于将富臭氧气体注入RAS污泥所穿过的臭氧化反应器的一个或多个
喷嘴或文丘里型设备76。
[0036] 在退出塞流式臭氧化反应器后，臭氧化污泥随后被导向脱气单元60或气液分离器以除去过量含氧气体。过量含氧气体66随后经由附加氧气传送导管导向，所述附加氧气传送导管将物流耦接至一个或多个曝气/充氧单元50，所述物流在所述单元中用于对废水处理系统10的需氧段20的内容物44进行充氧以进行曝气过程中的回用。脱气臭氧化污泥62经由引入导管14返回需氧段20。
[0037] 与早先描述的实施方案相同，所公开的系统和方法还采用基于微处理器的控制单元，其操作性地耦接至臭氧发生器74、一个或多个曝气/充氧单元50、氧气进料流32和多个传感器（未示出），所述传感器表征脱气单元60、含氧排放流66和废水处理系统10的需氧段20内的气体含量（例如，氧含量、氮含量、二氧化碳含量、臭氧含量等）、压力和/或温度。
[0038] 作为臭氧排出气体回用方法的一个实例，在市政废水处理设备的扩充段中得以体现。扩充段被设计为将来自臭氧接触器的臭氧排出气体用作用于在二级缺氧-厌氧-好氧3
(AAO)工艺中进行曝气的氧气源。废水处理装置的扩充将设备的容量从约120,000m/日增
3
加至约150,000m/日。通过使用来自三级处理臭氧化系统的臭氧排出气体可完全满足对
3
扩充段中增量流（30,000m/日）的氧气需求，所述三级处理臭氧化系统应用于来自该装置的整个流出物流。
[0039] 氧气源为以大约16.5mtpd的速率
气化的液态氧。气化氧气随后与来自抽气（bleed air，其包含约78%的氮气）的0.5mtpd氧气混合，以提供臭氧发生器进料气中的氮气。已经发现，进料气中约1%至5%的氮含量导致较高臭氧产生动力效率。臭氧发生器使用进料气中的17mtpd氧气来制备臭氧流气体，其为大约9重量%的臭氧。该臭氧气体随后被供给到四个臭氧-接触槽中的浸没式扩散器中以维持臭氧接触槽中5mg臭氧/升的浓度。在臭氧接触槽中，由于臭氧反应、流出物中溶解氧的增加以及通过接触器的损耗的综合因素，估计损失约7mtpd氧气。剩余的10mtpd氧气可用于曝气或其它目的。回用富氧臭氧排出气流（即，约75-85%纯的氧气）并将其施加于市政废水处理装置的扩充段中的曝气区，特别是在设计用于氮和磷的生物营养物去除的倒置AAO工艺中。
[0040] 与基于空气的曝气（30,000m3/日，扩充段）相比，计划与使用臭氧排出气体进行曝气相关的投资和运行成本节约量就投资而言为约56%，就与在设备扩充中曝气有关的运行成本而言相对节约量大致相同。基于臭氧排出气体回用的曝气系统的另一个优点是其使用浮置式曝气器，因此无需排干（drain）曝气池来进行曝气器维护。
[0041] 虽然已通过具体实施方案及其相关过程对本文所公开的发明进行了描述，但本领域技术人员可对它们做出各种
修改和变换。例如，可将臭氧排出气流导向主要流入物流以提高溶解氧水平进行气味控制或补充废水处理装置中现有的基于空气的曝气系统和/或现有的基于高纯度氧气的曝气系统。另外，废水处理装置中的臭氧排出气体回收方法可联合来增强其它单元操作，例如上游厌氧处理、
膜生物反应器、固定膜系统、序列间歇式反应器等。
