用于增强废水处理过程的系统和方法与流程

相关申请

根据35U.S.C.§§119、120、363、365以及37C.F.R.§1.55和1.78，本申请要求9月8日提交的序列号为No.12/584,545的美国申请的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于增强废水处理过程的系统和方法。

背景技术：

市政和工业废水处理设施通常包括一级、二级和三级过程来处理废水，以除去污染物(例如，悬浮的固体、可生物降解的有机物、磷、氮、微生物污染物等)，以提供净化的流出物。所述净化的流出物通常须遵守严格的地方、州和联邦法规。

一级处理过程通常包括筛选、沉砂池和/或一级澄清器，以除去大的固体和其他悬浮物，以提供一级流出物。活性污泥是一种类型的二级处理，其利用含有大量微生物的生物反应器，所述微生物摄入所述一级流出物中的污染物以形成生物“絮凝物(floc)”。通常将氧气送入生物反应器以促进这些微生物絮凝物的生长。一级流出物(或在一些情况下，原污水)与生物絮凝物的组合通常称为混合液。在所述混合液中的微生物的群(population)或浓度通常被称为混合液悬浮固体(MLSS)。

在生物反应器中经过充分的处理之后，混合液中的生物絮凝物随通常后被送至二级澄清器，其中生物絮凝物通过重力从混合液中分离以提供二级流出物和沉降污泥。二级流出物或“净化的”流出物可排放回环境中或通过额外的三级处理过程进行处理。二级澄清器中的沉降污泥中的大部分通常通过活性污泥返回子系统而被再循环回到生物反应器。剩余的过量污泥从系统中废弃以控制混合液悬浮固体的浓度。

然而，从二级澄清器中的混合液中分离生物絮凝物是很困难的，因为所述生物絮凝物仅比水略重，因而其沉降缓慢。因此，典型的活性污泥法的第二澄清器经常是采用活性污泥作为二级过程的多数废水处理过程中的瓶颈。因此，从二级澄清器中的混合液中分离生物絮凝物的关键的固体分离步骤通常是限速过程，其受多种因素的控制，最显著的是生物絮凝物的比重或密度。

而且，由于沉降问题，尤其是由下述原因引起的沉降问题：丝状生物体的过度生长、由动胶菌生物体的过度生长或胞外的多糖物质所引起的粘性膨胀、针状絮凝物、离散的絮凝物、第二澄清器上过多的固体负载、过度的二级澄清器表面溢出率等，典型的活性污泥法中的二级澄清器中的固体分离可能不可靠。

序批反应器(SBR)系统也可用于处理废水。典型的常规SBR系统包括含有大量微生物的一个或更多个序批反应器，所述微生物摄入流出物废水中的污染物以形成生物絮凝物并处理所述废水。然而，在典型的常规SBR系统的沉降期期间，生物絮凝物缓慢沉降，原因是其仅比水略重。因为上文中讨论的多种类型的沉降问题，沉降期中的固体分离液也不可靠。这可导致处理能力降低和/或有效品质受损。

处理废水(例如，来自酿酒厂、药厂、食品加工厂、纸浆和造纸设施、乙醇生产设施等的废水)的另一种方法是使用厌氧处理反应器。厌氧处理反应器产生含有微生物群的厌氧环境，所述微生物摄入流出物废水中的污染物以形成生物絮凝物并处理所述废水。废水通常从厌氧处理反应器的底部附近送入，并进入污泥层中，所述微生物在该处消耗其中的废物。在操作中，被送入厌氧处理反应器底部的废水向上流过厌氧污泥层，以处理所述废水。

然而，如果流出物废水的流速太快，则厌氧污泥层可膨胀并变得分散。其结果可能是被处理的流出物中微生物的过度损失，这可使经处理的流出物的品质受损。

技术实现要素：

本发明的特征是用于增强活性污泥法的系统，其包括至少一个生物反应器。增重剂浸渍子系统连接至生物反应器，用于混合生物絮凝物和增重剂，以使增重剂浸渍进入生物絮凝物以形成增重的生物絮凝物。增重剂回收子系统配置为从增重的生物絮凝物中回收增重剂，并将回收的增重剂再次引入增重剂浸渍子系统。

在一个实施方案中，增重剂回收子系统可包括分离器子系统，用于从增重的生物絮凝物中分离增重剂。分离器子系统可包括剪切磨机(shear mill)。分离器子系统可包括离心分离器。分离器子系统可包括超声分离器。分离器子系统可包括剪切磨机和离心分离器。分离器子系统可包括超声分离器和湿鼓磁性分离器。分离器子系统可包括超声分离器和离心分离器。剪切磨机可包括转子和定子，其中转子和/或定子包括狭槽(slot)，其尺寸使得增重剂从增重的絮凝物中的分离最佳。增重剂浸渍子系统可包括增重剂储槽和至少一个管线。增重剂浸渍子系统可包括增重剂进料器子系统，其配置为控制增重剂从增重剂储槽向增重剂浸渍槽的递送速率。增重剂进料器子系统可包括气动增重剂进料器子系统。气动增重剂进料器子系统可包括设置在增重剂储槽内部和至少一个管线内部的选定区域上的多孔介质。气动进料器子系统可以配置为递送受控的压缩空气供给至多孔介质以调节流化，并将增重剂递送至增重剂浸渍槽。增重剂浸渍子系统可包括浸渍槽和至少一个混合器。增重剂浸渍子系统可包括文丘里混合器/喷射器式混合器(eductor)。增重剂中的大部分可具有小于约100μm的颗粒。增重剂中的大部分可具有小于约40μm的颗粒。增重剂中的大部分可具有小于约20μm的颗粒。增重剂可包含磁铁矿。生物反应器可包括至少一个曝气池和/或一个或更多个序批反应器，用于接收废水流，并且用于将溶解氧引入至微生物群以由混合液悬浮固体的浓度限定的促进混合液中生物絮凝物的生长。至少一个生物反应器可以配置为至少一个厌氧处理反应器。该系统可包括絮凝剂注入子系统，其配置为将絮凝剂引入混合液以增强增重的生物絮凝物的沉降和增厚，并提供非浸渍生物絮凝物和/或部分浸渍的生物絮凝物与增重的生物絮凝物的团聚。该系统可包括至少一个澄清器，其配置为从混合液中收集增重的生物絮凝物并配置为提供二级流出物和沉降污泥。该系统可包括活性污泥返回子系统，其配置为将沉降污泥中的大部分再循环至生物反应器和/或增重浸渍子系统。该系统还可包括废弃子系统，其配置为废弃增重剂回收子系统的剩余的沉降污泥，以控制混合液中微生物的群。可以通过降低废弃子系统所废弃的沉降污泥的量增加生物反应器中混合液悬浮固体的浓度来增加该系统的生产能力。可降低废弃子系统所废弃的沉降污泥的量，以增加混合液悬浮固体的浓度，用于增强混合液中氨的硝化。可通过增加引入至生物反应器的溶解氧的量来增强硝化。生物反应器可包括至少一个配置为从混合液中除去氮的缺氧区。生物反应器可包括至少一个配置为从沉降污泥中除去磷的厌氧区。该系统还可包括混凝剂添加子系统，用于添加混凝剂以通过沉淀和/或混凝而除去磷。混凝剂添加子系统可向增重剂浸渍子系统和/或所述至少一个生物反应器和/或絮凝剂注入子系统中添加混凝剂，以通过沉淀和/或混凝而除去磷。增重剂比混合液可大于约1:5至1。系统二级流出物可具有小于约30mg/L的总悬浮固体浓度。增重剂浸渍子系统可位于生物反应器的下游和二级澄清器之前。

本发明的另一个特征是用于增强活性污泥法的系统，其包括至少一个生物反应器。增重剂浸渍子系统连接至生物反应器，用于将生物絮凝物与具有小于约100μm粒径的增重剂混合，以将增重剂浸渍到生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物。增重剂回收子系统配置为从增重的生物絮凝物中回收增重剂，并将回收的增重剂再次引入至增重剂浸渍子系统。

在一个实施方案中，增重剂中的大部分可具有小于约40μm的粒径。增重剂中的大部分可具有小于约20μm的粒径。

本发明的另一个特征是用于增强废水处理过程的方法，所述方法包括：a)在至少一个生物反应器中接收流入的废水，b)在生物反应器中形成生物絮凝物，c)将增重剂浸渍到生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物，和d)从增重的生物絮凝物中回收增重剂，以将增重剂再次引入步骤c)。

在一个实施方案中，该方法可包括将增重剂从增重的生物絮凝物中分离的步骤。该方法可包括收集增重剂并将增重剂再循环至步骤c)的步骤。该方法可包括提供增重剂的步骤，其中增重剂中的大部分具有小于约100μm的粒径。该方法可包括提供增重剂的步骤，其中增重剂中的大部分具有小于40μm的粒径。该方法可包括提供增重剂的步骤，其中增重剂中的大部分具有小于20μm的粒径。该方法可包括将溶解氧引入至微生物群的步骤，以促进由混合液悬浮固体的浓度限定的混合液中生物絮凝物的生长。该方法还可包括将絮凝剂引入混合液的步骤，以增强增重的生物絮凝物的沉降和增厚，并且使未浸渍的生物絮凝物和/或部分浸渍的生物絮凝物与增重的生物絮凝物团聚。

然而，在其他一些实施方案中，本发明不需要实现所有这些目的，并且本文中的权利要求书不应当限于能够实现这些目的的结构或方法。

本发明还涉及以下项目：

(1)一种用于增强活性污泥法的系统，其包括：

至少一个生物反应器；

连接至生物反应器的增重剂浸渍子系统，用于混合生物絮凝物和增重剂以使所述增重剂浸渍到所述生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物；和

增重剂回收子系统，其配置为从所述增重的生物絮凝物中回收所述增重剂，并将所述回收的增重剂再次引入所述增重剂浸渍子系统。

(2)项目(1)的系统，其中所述增重剂回收子系统包括用于将所述增重剂从所述增重的生物絮凝物中分离的分离器子系统。

(3)项目(1)的系统，其中所述分离器子系统包括剪切磨机。

(4)项目(2)的系统，其中所述分离器子系统包括离心分离器。

(5)项目(2)的系统，其中所述分离器子系统包括超声分离器。

(6)项目(1)的系统，其中所述分离器子系统包括剪切磨机和湿鼓磁性分离器。

(7)项目(1)的系统，其中所述分离器子系统包括剪切磨机和离心分离器。

(8)项目(1)的系统，其中所述分离器子系统包括超声分离器和湿鼓磁性分离器。

(9)项目(1)的系统，其中所述分离器子系统包括超声分离器和离心分离器。

(10)项目(3)的系统，其中所述剪切磨机包括转子和定子，其中所述转子和/或所述定子包括狭槽，所述狭槽的尺寸为使增重剂从所述增重的生物絮凝物中的分离最佳。

(11)项目(1)的系统，其中所述增重剂浸渍子系统包括增重剂储槽和至少一个管线。

(12)项目(11)的系统，其中所述增重剂浸渍子系统包括增重剂进料器子系统，所述进料器子系统配置为控制增重剂从所述增重剂储槽向所述增重剂浸渍槽的递送速率。

(13)项目(12)的系统，其中所述增重剂进料器子系统包括气动进料器子系统。

(14)项目(13)的系统，其中所述气动进料器子系统包括设置在所述增重剂储槽内部和所述至少一个管线内部的选定区域上的多孔介质。

(15)项目(14)的系统，其中所述气动进料器子系统配置为将受控的压缩空气供给递送至所述多孔介质以调节所述增重剂向所述增重剂浸渍槽的递送和流化。

(16)项目(1)的系统，其中所述增重剂浸渍子系统包括浸渍槽和至少一个混合器。

(17)项目(1)的系统，其中所述增重剂浸渍子系统包括文丘里混合器/喷射器式混合器。

(18)项目(1)的系统，其中所述增重剂中的大部分具有小于约100μm的粒径。

(19)项目(1)的系统，其中所述增重剂中的大部分具有小于约40μm的粒径。

(20)项目(1)的系统，其中所述增重剂中的大部分具有小于约20μm的粒径。

(21)项目(1)的系统，其中所述增重剂包括磁铁矿。

(22)项目(1)的系统，其中所述生物反应器包括至少一个曝气池和/或一个或更多个序批反应器，用于接收废水流和用于将溶解氧引至微生物群以促进由混合液悬浮固体的浓度限定的混合液中的生物絮凝物的生长。

(23)项目(1)的系统，其中所述至少一个生物反应器配置为至少一个厌氧处理反应器。

(24)项目(22)的系统，还包括絮凝剂注入子系统，其配置为将絮凝剂引入所述混合液以增强增重的生物絮凝物的沉降和增厚并且提供未浸渍的生物絮凝物和/或部分浸渍的生物絮凝物与增重的生物絮凝物的团聚。

(25)项目(24)的系统，还包括至少一个澄清器，其配置为从所述混合液收集所述生物絮凝物，并且配置为提供二级流出物和沉降污泥。

(26)项目(1)的系统，还包括活性污泥返回子系统，其配置为将沉降污泥中的大部分再循环至所述生物反应器和/或所述增重浸渍子系统。

(27)项目(1)的系统，还包括废弃子系统，其配置为废弃所述增重剂回收子系统的剩余的沉降污泥，以控制混合液中的微生物群。

(28)项目(27)的系统，其中通过减少所述废弃子系统废弃的所述沉降污泥的量增加所述生物反应器中混合液悬浮固体的浓度，从而增加所述系统的生产能力。

(29)项目(27)的系统，其中降低由所述废弃子系统废弃的沉降污泥的量以增加混合液悬浮固体的浓度，用于增强所述混合液中的氨的硝化。

(30)项目(27)的系统，其中通过增加引入所述生物反应器中的溶解氧的量来增强硝化。

(31)项目(1)的系统，其中所述生物反应器包括配置为从混合液中除去氮的至少一个缺氧区。

(32)项目(1)的系统，其中所述生物反应器包括配置为从沉降污泥中除去磷的至少一个厌氧区。

(33)项目(1)的系统，还包括混凝剂添加子系统，用于添加混凝剂以通过沉淀和/或混凝来除去磷。

(34)项目(33)的系统，其中所述混凝剂添加子系统向所述增重剂浸渍子系统和/或所述至少一个生物反应器和/或所述絮凝剂注入子系统中添加混凝剂，以通过沉淀和/或混凝来除去磷。

(35)项目(1)的系统，其中所述增重剂与混合液的比例大于约1:5至1。

(36)项目(25)的系统，其中所述二级流出物具有小于约30mg/L的总悬浮固体浓度。

(37)项目(25)的系统，其中所述增重剂浸渍子系统位于所述生物反应器的下游和所述二级澄清器之前。

(38)一种用于增强活性污泥法的系统，包含：

至少一个生物反应器；

连接至所述生物反应器的增重剂浸渍子系统，用于将生物絮凝物和具有小于约100μm粒径的增重剂混合以使所述增重剂浸渍到所述生物絮凝物中，以形成增重的生物絮凝物；和

增重剂回收子系统，其配置为从所述增重的生物絮凝物中回收所述增重剂，并将所回收的增重剂再次引入所述增重剂浸渍子系统。

(39)项目(38)的系统，其中所述增重剂中的大部分具有小于约40μm的粒径。

(40)项目(38)的系统，其中所述增重剂中的大部分具有小于约20μm的粒径。

(41)一种用于增强废水处理过程的方法，所述方法包括：

a)在至少一个生物反应器中接收流入的废水；

b)在所述生物反应器中形成生物絮凝物；

c)将增重剂浸渍到所述生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物；和

d)从所述增重的生物絮凝物中回收增重剂以将所述增重剂再次引入步骤c)。

(42)项目(41)的方法，还包括从所述增重的生物絮凝物中分离所述增重剂的步骤。

(43)项目(41)的方法，还包括收集所述增重剂并将所述增重剂再循环到步骤c)的步骤。

(44)项目(41)的方法，还包括提供增重剂的步骤，其中所述增重剂中的大部分具有小于约100μm的粒径。

(45)项目(41)的方法，还包括提供增重剂的步骤，其中所述增重剂中的大部分具有小于约40μm的粒径。

(46)项目(41)的方法，还包括提供增重剂的步骤，其中所述增重剂中的大部分具有小于约20μm的粒径。

(47)项目(41)的方法，还包括将溶解氧引入微生物群以促进由混合液悬浮固体的浓度限定的混合液中生物絮凝物生长的步骤。

(48)项目(47)的方法，还包括将絮凝剂引入所述混合液以增强增重的生物絮凝物的沉降和增厚以及使未浸渍的生物絮凝物和/或部分浸渍的生物絮凝物与所述增重的生物絮凝物团聚的步骤。

附图说明

通过以下对优选实施方案和附图的描述，本领域技术人员会想到其他目的、特征和优势，其中：

图1是本发明的用于增强废水处理过程的系统的一个实施方案的三维视图；

图2是示意侧视图，其更详细地显示图1中所示的增重剂进料器子系统的一个实施方案；

图3是显微照片，其显示根据本发明增重剂浸渍进入生物絮凝物以形成增重的生物絮凝物的一个实例；

图4是显示图1中所示的增重剂浸渍子系统的另一实施方案的示意侧视图；

图5A是图1中所示的分离器的一个实施方案的示意侧视图；

图5B是示意顶视图，其显示图5A中所示的剪切磨机的转子和定子中的狭槽的一个实例；

图5C是图5A中剪切磨机的一个实施方案的三维视图；

图6是图1中所示的分离器的另一个实施方案的三维前视图；

图7是图1中所示的分离器的另一个实施方案的三维前视图；

图8是可被图1中所示的增重剂回收子系统应用的湿鼓磁性分离器的一个实施方案的三维前视图；

图9是本发明的用于增强废水处理过程的系统的另一个实施方案的三维视图；

图10是图9中所示的生物反应器的一个实施方案的示意框图，所述生物反应器包括配置为除去氮的缺氧区和配置为除去磷的厌氧区；

图11是本发明的用于增强废水处理过程的系统的另一个实施方案的示意侧视图；

图12是本发明的用于增强废水处理过程的系统的另一个实施方案的示意侧视图；和

图13是示意框图，其显示本发明的用于增强废水处理过程的方法的一级步骤的一个实施方案。

具体实施方式

除了下文公开的一个或多个优选实施方案或实施方案，本发明能够有其他实施方案，并且能够以多种方式进行或实施。因此，应当理解，本发明不限于应用如下描述中阐述的或附图中示出的组件构造和布置的细节。如果本文中仅描述一个实施方案，则其权利要求不限于该实施方案。此外，除非有明确的和令人信服的证据表明某些排除、限制或免责声明，本权利要求书不应被限制性地解读。

图1中显示了本发明的用于增强废水处理过程的系统10的一个实施方案。系统10可用于增强废水处理过程，尤其包括活性污泥废水处理过程、SBR过程、厌氧处理反应器过程或者任何其他类似类型的废水处理过程。当用于增强活性污泥废水处理过程或SBR过程时，系统10包括至少一个生物反应器12(例如，曝气池)，其通过管线16接收废水14的流。生物反应器12优选地通过暴露于环境空气22的管线20将溶解氧18引入微生物群，以促进混合液24中的生物絮凝物23的生长。混合液24通常是废水14与生物絮凝物23的组合，并可以通过混合液悬浮固体(MLSS)的浓度来定义。在其它实例中，系统10还可用于增强厌氧处理过程。在这种情况下，将生物反应器12配置为厌氧处理反应器。为此，不向反应器12中引入氧，而是在其中产生厌氧环境。

系统10还包括增重剂浸渍子系统26，其在一个实施方案中其优选包括增重剂储槽34，所述增重剂储槽34连接至管线36、增重剂浸渍槽28和混合器30。增重剂浸渍槽28通过管线32接收来自生物反应器12的混合液24，或者通过管线77接收来自生物反应器底部12的沉降污泥。浸渍槽28优选接收未使用过的增重剂33(例如，如35所示，通过管线36来自增重剂储槽34的增重剂)和/或来自增重剂回收子系统74的再循环的增重剂38。

在一种设计中，增重剂浸渍子系统26优选包括增重剂进料器子系统110，其配置为控制未使用过的增重剂33向增重剂浸渍槽28的递送速率。增重剂进料器子系统110(图2)通常包括气动进料器子系统112，其包括多孔介质114，例如，设置在增重剂储槽34内的选定区域(例如，增重剂储槽34底部的区域116和118)上的多个不锈钢筛网。多孔介质114还优选设置在管线36的内部。在一种设计中，气动进料器子系统110配置为调节通过管线121向槽34中和向管线36的多孔介质114的压缩空气120的供给，以调节向增重剂浸渍槽28递送的增重剂33的递送速率。在一个实例中，多孔介质114可以是多孔的316不锈钢材料，其具有制造用于精确控制渗透性和强度的超平滑末道接触表面。多孔介质114产生均匀分布的空气120的层，其在储槽34的区域116和118中以及在多孔介质114上方的管线36中流化增重剂33。多孔介质114上方的边界层降低累积、摩擦和磨损。其还通过清除储槽34的区域116和118中以及管线36中增重剂33的压实和拖拽而使增重剂33更易于传送。气动进料器子系统的一个实例可获自Young Industries(Muncie,PA)。

在操作中，通过调节由管线121递送至多孔介质114的空气120(图2)的量来控制向增重剂浸渍槽28(图1)的增重剂33的递送速率。向增重剂浸渍槽28递送的较高速率的增重剂33可用于用增重剂初始浸渍生物反应器12和二级澄清器(下文中讨论)中的整个生物絮凝物23群。此后，可向增重剂浸渍槽28中供应维持量的增重剂33，以维持期望的增重剂浓度。

混合器30将槽28中的混合液或沉降污泥与未使用过的增重剂33和/或再循环的增重剂38混合，以将增重剂浸渍到混合液或沉降污泥中的生物絮凝物中，以形成增重的生物絮凝物。混合器30优选利用足以将增重剂浸渍到悬浮在混合液或沉降污泥中的生物絮凝物中以形成增重的生物絮凝物的混合能量。随后，通过管线37将槽28中增重的生物絮凝物送回至生物反应器12。经处理的二级流出物50通过管线51离开反应器12。

图3显示生物絮凝物23(其用未使用过的增重剂33和再循环的增重剂38浸渍以形成增重的生物絮凝物25)的一个实例的显微视图。

因为由增重剂浸渍子系统26产生的增重的生物絮凝物具有比未浸渍的生物絮凝物大的比重，所以其比未浸渍的生物絮凝物更快地沉降。因此，当与常规的活性污泥废水处理系统或SBR系统相比时，从系统10的混合液中分离增重的生物絮凝物所需的时间减少。厌氧处理系统的增重的污泥层也更加紧凑和致密，并因此可处理更高的流量，并且不易扩散。结果是系统10可显著增加这样的废水系统的生产能力，同时提供高品质的经处理的流出物。

在另一个实施方案中，增重剂浸渍子系统26'(图4，其中类似的部分用类似的附图标记表示)可配置为具有喷嘴31和漏斗45的文丘里混合器/喷射器式混合器27，所述漏斗45接收未使用过的增重剂33(例如，通过管线36从槽34接收)，和/或从分离器78接收再循环的增重剂38。增重剂浸渍子系统26'还可包括气动进料器子系统110，与上文中参照图2讨论的类似，用于控制向漏斗45(图4)的增重剂33的递送速率。如图1所示，文丘里混合器/喷射器式混合器27优选通过管线32接收混合液或通过管线77接收沉降污泥。

在操作中，管线32中混合液的速度或管线77中沉降污泥的速度通过喷嘴31而增加。漏斗45中未使用过的增重剂33和/或再循环的增重剂38通过管线39进入喷嘴31，并向下游行进至管线37。如43所示，管线37在41处变宽，从而引发紧密的混合和挟带。这将未使用的和/或再循环的增重剂浸渍到生物絮凝物中，以形成增重的生物絮凝物。如图1所示，增重的生物絮凝物随后通过管线37被送回生物反应器12。

在一个实例中，增重剂可以是磁铁矿，或任何类似类型的增重剂或本领域技术人员已知的、当浸渍于其中时增加生物絮凝物的密度的可磁力分离的无机材料。在一个实例中，大部分增重剂具有小于约100μm的粒径。在另一些实例中，大部分增重剂颗粒具有小于约40um或小于约20um的粒径。

系统10(图1)还包括增重剂回收子系统74，其通过管线76从生物反应器12接收沉降污泥。增重剂回收子系统74优选包括分离器子系统78，其从管线76中沉降污泥中增重的生物絮凝物中回收增重剂，并将增重剂38再次引入(再循环)至增重剂浸渍子系统26、26'(图1和4)。

在一种设计中，分离器子系统78可配置为剪切磨机112(图5A)，其剪切管线76中的污泥以从增重的生物絮凝物中分离增重剂。剪切磨机112理想地包括转子80和定子82。在操作中，管线76中的沉降污泥进入剪切磨机112，并沿着箭头180的方向流动，并进入转子80以及随后进入定子82。剪切磨机112设计为使转子80(图5B)和定子82之间存在严格的容限(close tolerance)，如83所示。转子80优选以高速度(例如，大于约1000rpm)驱动，以在剪切磨机112的区域182(图5A)形成增重剂和破坏的絮凝物(obliterated floc)的混合物。如箭头184所示，增重剂与破坏的絮凝物的混合物通过管线79离开剪切磨机112。图5C更详细地显示剪切磨机112的一个实施方案的结构。优选地，转子80(图5A-5C)和/或定子82包括狭槽，其起离心泵的作用，以从上方和下方的转子80和定子82吸取沉降污泥(如图5A的路径182、183所示)，并随后以很高的速度将物质从狭槽的尖端投掷出，以将增重的生物絮凝物破坏成增重剂与破坏的絮凝物的混合物。例如，转子80(图5B)可包括狭槽186，并且定子82可包括狭槽188。优选地，优化转子80中的狭槽186和/或定子82中的狭槽188以增加剪切能，以高效地从增重的生物絮凝物分离增重剂。转子80和定子82所产生的剪切取决于狭槽186和188的宽度，转子80和定子82之间的容限，以及转子的尖端速度。在一个实例中，转子80以约9000英尺/分钟的速度驱动。结果是剪切磨机112提供有效地和高效地从增重的生物絮凝物分离增重剂的剪切作用，以促进增重剂的回收。

在另一个设计中，分离器系统78(图6，其中类似的部分用类似的附图标记表示)可配置为超声分离器116。超声分离器116通常包括一个或更多个超声换能器(例如，超声换能器262、264、266、268和/或270，其可获自Hielscher Ultrasonics GmbH,Stuttgart,Germany)，其在管线76中的沉降污泥中产生压力和空穴的波动。这导致微湍流，所述微湍流产生剪切作用以产生增重剂与破坏的絮凝物的混合物，从而有效地将增重剂从沉降污泥中的增重的生物絮凝物中分离。所产生的增重剂与破坏的絮凝物的混合物通过管线79离开超声分离器116。

在另一个设计中，分离器子系统78(图7，其中类似的部分用类似的附图标记表示)，可配置为离心分离器118。离心分离器118通常包括位于水力旋流器300顶部的圆柱形部分302和位于部分302下方的圆锥形基底304。管线76中的沉降污泥通过端口303沿切线送入圆柱形部分302。较小的出口306(底流或排出端口)位于圆锥部分304的底部，较大的端口308(溢流或接受端口)位于圆锥形部分302的顶部。

在操作中，通过端口303沿切线送入污泥所产生的离心力导致较密的增重剂从沉降污泥中的增重的生物絮凝物中分离。分离的增重剂被迫沿锥形部分304的壁308行进，并在端口306处离开。这将增重剂从增重的生物絮凝物中有效地分离。回收的增重剂38通过端口306离开，并可存放至增重剂浸渍系统26、26'(图1和4)。密度较小的生物絮凝物保持在污泥中并通过端口308经过管310离开，所述管310略微延伸到离心分离器118的中心的本体中。

虽然如上文中讨论的那样，分离器子系统78可以配置为切割磨机、超声分离器或离心分离器，但这并不是本发明必要的限制。在另一些设计中，如本领域技术人员已知的，分离器子系统78可以配置为管状钵(tubular bowl)、腔形钵(chamber bowl)、无孔框(imperforate basket)、叠片分离器(disk stack seperator)等。

在上文分离器78(图5A-5C)配置为剪切磨机112以产生增重剂与破坏的生物絮凝物的化合物的实例中，可使用湿鼓磁性分离器81(图8)或离心分离器118(图7)来从中回收增重剂。共同未决的、发明名称为“Fluidic Sealing System For a Wet Drum Magnetic Separator”的申请美国公开物No.2008/0164184和发明名称为“Collection System for a Rotating Wet Drum Magnetic Separator”的美国公开物No.2008/016483中公开了湿鼓磁性分离器81的设计和操作的其他细节；所述两个公开物均通过引用并入本文。

在其中分离器子系统78(图6)配置为超声分离器116以产生增重剂与破坏的生物絮凝物的混合物的实例中，湿鼓磁性分离器81(图8)或离心分离器118(图7)可用于从中回收增重剂。

如上文中参照图5A-7讨论的回收和再循环增重剂的结果显著降低废水处理系统10的操作成本。

系统10(图1)还可包括废弃子系统83，其废弃分离器子系统78的剩余的沉降污泥，以控制生物反应器12中的混合液24中的微生物群。

在另一个实施方案中，系统10'(图9，其中类似的部分用类似的附图标记表示)包括生物反应器12、增重浸渍子系统26和/或增重浸渍子系统26'(图4)，以及具有分离器78的增重剂回收子系统74，其与上文中参照图1-8所讨论的类似的方式起作用。在该实例中，系统10'还包括絮凝剂注入子系统42，所述絮凝剂注入子系统42通常位于生物反应器12的下游，但是也可以在系统10中任意期望的位置。在该实例中，絮凝剂注入子系统将絮凝剂44通过管线135引入混合液24。絮凝剂44增强悬浮于二级澄清器46中的混合液24中的增重的生物絮凝物的沉降和增厚，并且产生未浸渍的生物絮凝物和/或部分浸渍的生物絮凝物与二级澄清器46中增重的生物絮凝物之间的团聚。在一个实例中，絮凝剂44可以是阳离子或阴离子聚合物，例如2270(Ashland Chemical,New Jersey)，或本领域技术人员已知的任何类似类型的聚合物。

未浸渍的生物絮凝物和/或部分浸渍的絮凝物与增重的生物絮凝物的团聚产生更大的增重的生物絮凝物，以提供增重的生物絮凝物在澄清器46的沉降区64中的快速沉降。絮凝剂44还通过减小增重的生物絮凝物的尺寸和增加其密度来增强增重的生物絮凝物在澄清器46的增厚区66中的沉降和增厚。这产生了增重的生物絮凝物之间的“引流”通道，其允许澄清器46的底部69的水向澄清器46的顶部71流动，以及增重的生物絮凝物向二级澄清器46的增厚区66的底部69流动，以增强增厚过程。

系统10'还优选地包括二级澄清器46，其可用于从混合液中分离和收集增重的生物絮凝物。在一个实例中，耙或虹吸管(吸出管)子系统67用于从澄清器46的底部69处除去沉降污泥54。因为增重的生物絮凝物具有比非浸渍的生物絮凝物大的比重，所以其在二级澄清器46中比用于典型的活性污泥法系统中的非浸渍的生物絮凝物沉降得更快。因此，二级澄清器46有效地和高效地从混合液中分离增重的生物絮凝物以提供二级流出物50'。结果，当与典型的活化污泥或类似类型的废水处理过程相比时，从系统10'的混合液24分离增重的生物絮凝物所需的时间减少。这增加了系统10'处理废水14的能力。因此，系统10'比典型的用于活性污泥法的系统更有效、高效、可靠、具有成本效益和耐用。此外，可减小澄清器46和/或生物反应器12的尺寸，使得系统10'以更小的占地面积来处理相同量的废水。这降低了系统10'的安装成本和土地需求。此外，缓解了背景技术部分中讨论的与从二级澄清器中的混合液中分离生物絮凝物的过程相关的问题。

系统10'(图9)还可包括活性污泥返回子系统70，其使用泵47将二级澄清器42中的沉降污泥54中大部分通过管线72再循环至生物反应器12，和/或将沉降污泥54通过管线119送至增重浸渍子系统26、26'。

系统10'(图1-9)处理废水14的能力可通过降低废弃子系统83所废弃的沉降污泥的量增加生物反应器12中MLSS的浓度而增加。还可通过降低废弃子系统83所废弃的沉降污泥的量来增加曝气池12中MLSS的浓度以增强混合液24中氨的硝化。硝化过程还可通过增加通过管线20而引入生物反应器12中的溶解氧18的量而被进一步增强。

如本领域技术人员已知的，可如90处所示向生物反应器12中，或如94处所示向增重剂浸渍槽28中添加混凝剂88(图1和9)，用于通过沉淀和/或混凝而从混合液24中除去磷和其他污染物。在另一些实例中，如92处所示，可向絮凝剂注入端口42(图9)添加混凝剂88，以通过沉淀和/或混凝而除去磷。在另一个实例中，可如94处所示向增重剂浸渍槽28(图1和9)中，或如103处所示向文丘里混合器/喷射器式混合器27(图4)中添加混凝剂88，用于通过沉淀和/或混凝而除去磷。

增重剂(例如，磁铁矿或本领域技术人员已知的类似类型的物质)与混合液和/或沉降污泥的比例可以大于约1.5至1.0。在一个实例中，二级流出物50具有低于约30mg/L的悬浮固体浓度，这可以符合对二级流出物50的地方、州和联邦的指导方针。

系统10"(图10，其中类似的部分用相似的附图标记表示)可包括生物反应器12'(例如，曝气池)，其具有配置为从混合液24中除去氮的具有混合器91的缺氧区87。在该实例中，如箭头101所示，连接至管线135的再循环管线100将混合液24再循环至缺氧区域87。生物反应器12'还可包括配置为从混合液24中除去磷的具有混合器95的厌氧区93。在该实例中，活性污泥返回子系统70的管线72将沉降污泥再循环至厌氧区84。可应用本领域技术人员已知的很多其他可能的生物营养物移除配置。

如上文中参照图1和9所示，虽然系统10包括增重剂浸渍子系统26、26'，其从生物反应器12接收混合液，并随后将增重的生物絮凝物分散回到生物反应器中，但这不是本发明的必要限制。在其他一些设计中，增重剂浸渍子系统26、26'可从生物反应器12中接收混合液，并在生物反应器和二级澄清器之间分散增重的生物絮凝物。例如，系统10"'(图11，其中类似的部分用相似的附图标记表示)可包括类似于上文中参照图1和4讨论的增重浸渍子系统26、26'，其在生物反应器12与澄清器46之间分散增重的生物絮凝物至管线137。

在其他一些设计中，增重剂浸渍子系统26、26'可位于生物反应器和二级澄清器之间。例如，系统10^IV(图12，其中类似的部分用相似的附图标记表示)包括位于生物反应器12和澄清器46之间的增重剂浸渍子系统26、26'。在该实例中，废水14可来自酿酒厂处理系统或类似类型的在输入的废水14中具有高浓度的生物可降解有机物质的处理系统。在该设计中，系统10^IV可以不需要图9中所示的活性污泥返回子系统70，因为通过除去流入的有机物质，足够的生物体得以生长以维持混合液24中适合的微生物群。

在本发明的一个实施方案中，用于增强废水处理过程的方法包括接收最后一个生物反应器中的废水流(图13，步骤200)。随后，在生物反应器中形成生物絮凝物(步骤202)。随后，将增重剂浸渍进入生物絮凝物，以形成增重的生物絮凝物(步骤204)。随后回收增重剂，并再次引入步骤204、步骤206。上文中参照图1-9详细地讨论了步骤200-206的操作的细节。

虽然在一些附图(而非另一些)中显示了本发明的具体特征，这仅是为了方便，因为根据本发明的每个特征可以与任何或全部其他特征组合。要广泛和全面地解释本文中使用的词语“包括”、“包含”、“具有”和“带有”，而不受限于任何物理互联。此外，不能认为本申请中公开的任何实施方案是唯一可能的实施方案。本领域技术人员会想到其他实施方案，其在以下权利要求之内。

此外，本专利的专利申请的审查过程中提出的任何修改均不是所提交的本申请中提出的任何权利要求要素的免责声明：不能合理地期望本领域技术人员起草可以字面上包括所有可能的等价方案的权利要求，很多等价方案在修改时是无法预知的，并且超出了对放弃(如果有的话)的合理解释，作为修改之基础的理由可承担不超过与很多等价方案的间接相关性，和/或有很多其他原因使得申请人不能期望为任何修改的权利要求要素描述某些非实质性的替代方案。