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CN109963815A - 具有定制磷酸盐控制的废水处理 - Google Patents

具有定制磷酸盐控制的废水处理 Download PDF

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CN109963815A
CN109963815A CN201780070783.2A CN201780070783A CN109963815A CN 109963815 A CN109963815 A CN 109963815A CN 201780070783 A CN201780070783 A CN 201780070783A CN 109963815 A CN109963815 A CN 109963815A
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effluent
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M·塔班普尔
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Nutrient Recycling And Upgrading Co Ltd
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Abstract

提供了用于处理废水的系统和方法。通过并入一个或多个中间磷酸盐回收反应器并对来自那些反应器的流出物和/或固体流进行操作，所述系统和方法在整个废水处理方法期间提供具有定制磷酸盐含量的流出物和固体流。

Description

具有定制磷酸盐控制的废水处理
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月5日提交的美国临时专利申请号62/404,326的优先权，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。
发明背景
磷是植物和动物营养素以及当今世界的环境污染物，意味着是地表水富营养化的主要来源。城市和农业废水流含有作为营养素进入元素循环的磷，但磷难以去除并以可再循环的形式回收，并因此比营养素更有害。污水处理装置通常必须将排放水中的磷水平降低至低水平。通常，此举通过将磷导向污水污泥或通常施加于土地的生物固体来进行。已设计了多种方法来从污水处理装置回收磷。然而，需持续努力提高废水处理行业所用磷回收方法的效率。
发明内容
提供了用于处理废水的方法。
处理废水的方法的一个实施方案包括：(a)使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；(b)将液体部分而非高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将溶解的磷酸盐的一部分从液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；(c)将高固体含量污泥与液态磷酸盐回收反应器流出物的至少一部分进行合并，以产生固体含量降低的污泥；和(d)将固体含量降低的污泥进料至位于磷酸盐回收反应器下游的污泥反应器中，在所述污泥反应器中将固体含量降低的污泥中的有机固体分解。
处理废水的方法的另一个实施方案包括：(a)使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机物质的高固体含量污泥；(b)将液体部分而非高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将溶解的磷酸盐的一部分从液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；和(c)将高固体含量污泥进料至水解反应器中，所述反应器使高固体含量污泥中的有机固体水解以产生经水解的污泥。
处理废水的方法的一个实施方案包括：(a)使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；(b)将液体部分而非高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将溶解的磷酸盐的一部分从液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；(c)将磷酸盐沉淀诱导剂加入高固体含量污泥，其中溶解的磷酸盐在高固体含量污泥中沉淀，以产生溶解的磷酸盐含量降低的污泥；和(d)将溶解的磷酸盐含量降低的污泥进料至位于磷酸盐回收反应器下游的污泥加工室中，在所述加工室中污泥经受物理分离、化学反应或它们的组合。
处理废水的方法的另一个实施方案包括：(a)使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；(b)将液体部分而非高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将溶解的磷酸盐的一部分从液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；(c)将磷酸盐沉淀诱导剂加入高固体含量污泥，其中溶解的磷酸盐在高固体含量污泥中沉淀，以产生溶解的磷酸盐含量降低的污泥；和(e)将溶解的磷酸盐含量降低的污泥进料至位于磷酸盐回收反应器下游的污泥加工室中，在所述加工室中污泥经受物理分离、化学反应或它们的组合。
处理废水的方法的另一个实施方案包括：(a)使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；(b)将液体部分而非高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将溶解的磷酸盐的一部分从液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；(c)将磷酸盐沉淀诱导剂加入液态磷酸盐回收反应器流出物，其中溶解的磷酸盐从液态磷酸盐回收反应器流出物中沉淀出来，以产生第二降低的磷酸盐流出物；和(d)将第二降低的磷酸盐流出物进料至位于磷酸盐回收反应器下游的加工室中，在所述加工室中第二降低的磷酸盐流出物经受物理分离、化学反应或它们的组合。
处理废水的方法的另一个实施方案包括：(a)使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；(b)将液体部分而非高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将溶解的磷酸盐的一部分从液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；(c)将高固体含量污泥与来自辅助废水处理反应器的流出物、污泥或两者混合；和(d)将混合物进料至位于磷酸盐回收反应器下游的污泥反应器中，在所述污泥反应器中将混合物中的有机固体水解。
处理废水的方法的另一个实施方案包括：(a)使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；(b)将液体部分而非高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将溶解的磷酸盐的一部分从液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；(c)将液态磷酸盐回收反应器流出物与来自辅助废水处理反应器的流出物、污泥或两者混合；和(d)将混合物进料至位于磷酸盐回收反应器下游的污泥反应器中，在所述污泥反应器中将稀释污泥中的有机固体水解。
处理废水的方法的另一个实施方案包括：(a)使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；(b)将液体部分而非高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将溶解的磷酸盐的一部分从液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；和(c)将液态磷酸盐回收反应器流出物进料至氮回收反应器中，所述氮回收反应器从液态磷酸盐回收反应器流出物中去除氨以产生氮回收反应器流出物。
附图简述
此后将参考附图描述本发明的说明性实施方案，其中类似数字指示类似要素。
图1是示出废水处理方法的第一实施方案的流程图。
图2是示出废水处理方法的第二实施方案的流程图。
图3是示出废水处理方法的第三实施方案的流程图。
图4是可用作氮回收反应器的包括一系列单价选择性阳离子交换膜和单价选择性阴离子交换膜的电渗析堆的示意图。
图5是示出图4的电渗析堆中所用工艺流程的工艺流程图。
发明详述
提供了用于处理废水的系统和方法。通过并入一个或多个中间磷酸盐回收反应器并对来自那些反应器的流出物和/或固体流进行操作，所述系统和方法能够在整个废水处理方法期间提供具有定制磷酸盐含量的流出物和固体流。因此，所述系统和方法向用户提供了在针对其设施优先权和规格调整的实施处理方法中的前所未有的通用性。
以说明方式，本方法可降低位于磷酸盐回收反应器下游的废水加工室中的溶解的磷酸盐浓度，从而使废水加工室更加能源或成本有效。例如，通过降低进入的污泥中溶解的磷酸盐的浓度，可使下游污泥脱水过程更加能源有效，或通过添加水解过程并调整进入的污泥的溶解的磷酸盐浓度和/或固体含量，可使甲烷消化器更有效。通过去除可在不需要的位置中沉淀的不期望的磷酸盐如磷酸铵镁(鸟粪石)，还可使磷酸盐回收反应器下游各个步骤处废水处理过程的效率更高。另外，通过使得能够控制离开废水处理设施的废物流中的氮磷比，本方法允许用户调整污泥和流出物以达到涉及污泥的土地施加或流出物释放入环境的政府法规。
示出处理废水的方法的一个实施方案的流程图提供于图1中。起始废水将通常是含有水、溶解和沉淀的磷酸盐以及悬浮生物有机固体的污泥。污泥可为来自初级澄清池103的初级污泥102，来自初步WAS脱水室105的废物活化污泥(WAS)104，或两者的混合物。起始污泥可在城市污水处理设施中产生。然而，还可采用其他类型的污泥，包括由食品和饮料加工装置产生的污泥、工业加工废物、粪肥废物和屠宰场废物。任选地，首先可将起始污泥进料至有机酸消化器106中，在106中污泥中的可消化碳水化合物经受产酸和产乙酸，以产生含有溶解和沉淀的磷酸盐以及相对高浓度的挥发性和非挥发性脂肪酸的有机酸消化物107。取决于起始污泥的性质，溶解和沉淀的磷酸盐可包括磷酸镁、磷酸镁钙和/或磷酸钙。脂肪酸将通常包括乙酸和丙酸，但还可包括其他脂肪酸，诸如正丁酸、正戊酸、异丁酸、异戊酸、仲戊酸和它们的组合。起始污泥、有机酸消化物或两者的其他组分可包括溶解和沉淀的氮化合物，诸如硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐，以及硫酸盐、重金属和/或金属盐。
所述方法可以脱水步骤开始，该步骤在专用脱水室101中进行。该步骤将液体部分(液剂)108与固体部分(滤饼)109分离。脱水可例如通过离心、过滤或它们的组合来进行。应理解固体组分与液体组分的分离通常将不引起全部液体与固体部分或全部悬浮固体与液体部分的完全分离，而使得液体部分可保留低浓度的悬浮固体，且固体部分将表现高固体含量污泥的形式。高固体含量污泥的精确固体含量将取决于各种因素，包括进料至脱水室中的材料的固体含量和脱水过程的条件(例如，设备和持续时间)。然而，高固体含量污泥将表征为其固体含量大幅低于进料至脱水室中的材料的固体含量。仅以说明方式，离开脱水室的高固体含量污泥的一些实施方案将具有8重量％至30重量％范围内的固体含量。这包括具有12重量％至25重量％范围内的固体含量的高固体含量污泥的实施方案。然后，由脱水过程产生的液体部分108被传递至磷酸盐回收反应器110中。
出于本公开的目的，磷酸盐回收反应器是主要目的为从液体部分流入物中沉淀磷酸盐并从所得液态流出物中分离沉淀磷酸盐的反应器。因此，液态磷酸盐回收反应器流出物的溶解的磷酸盐含量大幅低于最初进料至磷酸盐回收反应器中的液体部分的含量。可在本系统和方法中使用的磷酸盐回收反应器的实例描述于美国专利号8,568,590中，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。
当液体部分108来源于有机酸消化物时，其将具有高水平的溶解的磷酸盐，因为起始污泥中通常存在的磷酸盐于有机酸消化器的轻度酸性环境中非常可溶。在磷酸盐回收反应器110中，通过将液体部分的pH升高至近中性pH值而引发磷酸盐的沉淀。仅以说明方式，具有5.5或更低的起始pH值的液体部分可通过将钙和/或镁加入磷酸盐回收反应器，将其pH升高至约6至8、包括约6至7范围内的值。此举可例如通过加入碱来实现，碱的形式为碳酸钙和其煅烧产物，氧化钙(石灰)，和/或氢氧化钙；白云石(碳酸镁钙)和其煅烧产物；菱镁矿和其煅烧产物；或钙饱和的弱酸离子交换树脂。在所述方法的一些实施方案中，调整磷酸盐回收反应器110中的磷酸盐沉淀条件，以使得至少50重量％的沉淀磷酸盐包含透钙磷石(CaHPO4·2H2O)，与鸟粪石(磷酸铵镁)或任何其他矿物磷酸盐相反。这包括产生含有至少55重量％、或至少60重量％透钙磷石的磷酸盐沉淀的磷酸盐回收反应器的实施方案。然后，可将沉淀磷酸盐111从磷酸盐回收反应器110中去除，并送至干燥器112中，并且然后可将所得干燥磷酸盐沉淀113包装114用作肥料。
然后，可将磷酸盐回收反应器110的液态流出物115(即，“液态磷酸盐回收反应器流出物”)的至少一部分用作污泥稀释剂以用于各种下游污泥处理过程。例如，可将液态磷酸盐回收反应器流出物115进料至混合罐116中，并与来自脱水室101的高固体含量污泥109混合，以产生相对于高固体含量污泥109而言固体浓度降低的稀释污泥117。这种固体含量降低的污泥的精确固体含量将取决于各种因素，包括进料至混合罐中的高固体含量污泥的固体含量，和利用磷酸盐回收反应器的液态流出物的稀释程度。然而，固体含量降低的污泥将表征为其固体浓度低于其所来源自的高固体含量污泥的固体浓度。仅以说明方式，离开混合罐的固体含量降低的污泥的一些实施方案将具有1重量％至29重量％范围内的固体含量。这包括固体含量降低的污泥具有约5重量％至约20重量％范围内的固体含量的实施方案。替代地，可在进一步加工之前将高固体含量污泥干燥以降低其含水量并提高其固体浓度。任选地，可将液态磷酸盐回收反应器流出物的任何未使用部分循环回到废水处理方法的其他部分以进一步加工。例如，如图1中所示，磷酸盐回收反应器110的液态流出物的第一未使用部分118可循环回到废水处理装置进水口工程(headworks)119，并且磷酸盐回收反应器110的液态流出物的第二未使用部分118'可循环回到有机酸消化器106中。
在本方法的一些实施方案中，固体减少的污泥117在混合罐116中经受另外的磷酸盐去除步骤。这一另外的磷酸盐去除步骤是与在磷酸盐回收反应器110中发生的磷酸盐去除分开且不同的处理步骤，并且用来更进一步降低溶解的磷酸盐的浓度。在此步骤中，将磷酸盐沉淀诱导剂121从诱导剂来源120引入混合罐116，在116处诱导剂使溶解的磷酸盐从污泥中沉淀出来。磷酸盐沉淀诱导剂可为例如升高混合罐中溶液pH的碱，或与溶解的磷酸盐反应形成磷酸盐沉淀的化学物如铝或铁盐或氢氧化钙。从固体含量降低的污泥中沉淀的磷酸盐可从污泥中分离并回收，或在污泥中被保留并隔离。
虽然图1中未示出，但还可独立地对高固体含量污泥109、液态磷酸盐回收反应器流出物115或两者进行另外的磷酸盐去除步骤，之后在混合罐116中混合它们。(实际上，在进行另外的磷酸盐去除步骤之后，高固体含量污泥和/或液态磷酸盐回收反应器流出物完全不需要进行合并。例如，可从图1中所示的系统中省略混合罐116，并且可将高固体含量污泥109直接进料至下游污泥加工室、诸如水解反应器或厌氧消化器中。或者，可将液态磷酸盐回收反应器流出物直接进料至氮回收反应器中，如图3中所示，这在下文更详细论述。)
一旦已将固体含量降低的污泥117的固体浓度和任选的磷酸盐含量调整至期望规格，则可将污泥117进料至多个下游污泥反应器中，在所述反应器中将固体含量降低的污泥中的有机固体经过热处理、化学处理或它们的组合而分解。如图1中所示，下游污泥反应器可为厌氧甲烷消化器122，在122中通过产甲烷细菌将固体含量降低的污泥中的脂肪酸、醇和其他有机化合物转化成沼气。通常，沼气将主要包含甲烷和二氧化碳。然而，可产生其他沼气。可捕获甲烷消化器122的沼气，同时可将甲烷消化器122的甲烷消化物123进料至消化物脱水设备124中，在124处将其分成液体和固体废物流。这些流125中的一者或两者可从废水处理设施中释放以用于土地施加，或可循环回到废水处理过程的其他部分以用于进一步加工。例如，124的流出物可循环回到废水处理装置进水口工程119。任选地，可在进一步加工之前将固体废物流干燥以降低其含水量并提高其固体浓度。
替代地，如图2中所示，可将固体含量降低的污泥117进料至水解反应器系统126中，在126处将碳水化合物、蛋白质和其他有机化合物水解，之后使固体含量降低的污泥经受甲烷生成。这种水解预处理的主要目的是分解固体减少的污泥中的有机物质，从而使得污泥的后续甲烷生成和沼气生产更加能源有效。水解可使用热、压力、化学、生物、剪切应力或其他水解法来引发。可串联使用两个或更多个水解反应器，和/或可在单个水解反应器中顺序或同时进行多个水解过程。热水解反应器是通过将固体含量降低的污泥加热至通常约150℃至约200℃范围内的温度(但可使用在该范围外的温度)来引发水解的反应器；热压力水解反应器是通过将固体含量降低的污泥加热至通常约150℃至约200℃范围内的温度和介于90-130psi之间(但可使用在该范围外的温度和/或压力)来引发水解的反应器；化学水解反应器是通过将酸或碱加入固体含量降低的污泥来引发水解的反应器；热化学水解反应器是通过将热与酸或碱进行组合来引发水解的反应器；或生物水解反应器是进行酶催化水解、但在甲烷产生之前终止的反应器。水解反应器产生经水解的污泥127，其特征为提高的挥发性脂肪酸含量。任选地，经水解的污泥127可在混合罐129或水解后的其他步骤中与液态磷酸盐回收反应器流出物的一部分128混合，以提供低固体含量污泥130。低固体污泥的精确固体含量将取决于各种因素，包括进料至水解反应器中的固体含量降低的污泥的固体含量，和利用磷酸盐回收反应器的液态流出物的稀释程度(extend)。然而，低固体含量污泥将表征为其固体浓度低于进入水解反应器的固体含量降低的污泥的固体浓度。仅以说明方式，离开水解反应器的低固体含量污泥的一些实施方案将具有8重量％至30重量％范围内的固体含量。替代地，可在进一步加工之前将经水解的污泥干燥以降低其含水量并提高其固体浓度。然后，可将经水解的污泥在或不在稀释的情况下进料至厌氧甲烷消化器122中。
虽然图2中未示出，但可在进入水解反应器之前，在氨回收反应器中处理高固体含量污泥或固体含量降低的污泥以去除氨。
如由图1中虚线箭头和虚线所示，可通过在固体含量降低的污泥117离开混合罐116后将其分配来组合图1和图2的方法，其中固体减少的污泥的第一部分被直接进料至甲烷消化器122中，而第二部分被直接进料至水解反应器126中以用于如图2中所示的预处理。在图1和2中所示实施方案的任一者中，高固体含量污泥109可与辅助废水处理反应器的流出物混合，而不是(或除此之外还)与磷酸盐回收反应器的流出物混合，以产生固体含量降低的污泥117。类似地，低固体含量污泥127可与辅助废水处理反应器的流出物混合，而不是(或除此之外还)与磷酸盐回收反应器的流出物混合，以产生稀释的低固体污泥130。本文中所使用的术语“辅助废水处理反应器”指的是具有与在本方法的脱水罐101中初始脱水的废水不同的最初废水来源的反应器。因而，脱水室101的液体部分和固体部分均未流入辅助反应器。以说明方式，在起始废水为城市污水的城市污水处理装置的处理废水方法中，辅助废水处理反应器可为用来加工酿造厂废物的罐，所述废物然后与初级污泥、废物活化污泥、其他进入的污泥或一些它们的组合进行合并。通过在混合罐116中将酸消化物、酿造厂废物或其他污泥与高固体含量污泥109进行合并，可优化下游甲烷消化器122的效率。
图3示出废水处理方法的替代实施方案的流程图，其中磷酸盐回收反应器110的液态流出物115被转移至氮回收反应器131中。氮回收反应器131的主要目的是从液态流出物115中去除氮。例如，氮回收反应器131可包括将液态流出物115中含有的氮转化成氨气和单价盐的电渗析堆。氮回收反应器的实例描述于美国专利申请公布号2015/0308001中，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。如适于本系统和方法，将液态磷酸盐回收反应器流出物、而非分离的厌氧消化物流入物进料至美国专利申请公布号2015/0308001的氮回收反应器中。
图4是示出氮回收反应器中电渗析电池堆的运行的示意图。电渗析电池堆包括单价选择性阳离子交换膜和阴离子交换膜。如图中所示，电渗析堆包括阴极402、阳极404、一个或多个单价选择性阳离子交换膜406以及一个或多个阴离子交换膜408。出于说明的目的，在这个实施方案中阴离子膜408是单价选择性阴离子交换膜。然而，还可使用非选择性阴离子交换膜。单价选择性阳离子交换膜406和单价选择性阴离子交换膜408以交替关系设置于阴极402与阳极404之间。阳极、阴极和离子交换膜被容纳在具有隔板的外壳(未示出)内。在堆内，阴极电池室410被界定于阴极402与其相邻阴离子交换膜408之间，并且阳极电池室414被界定于阳极404与其相邻阳离子交换膜406之间。多个电渗析电池室412a和412b被界定于堆中相邻的阳离子与阴离子交换膜之间。
在电渗析期间，在被浸于离子流入液中的阳极和阴极间施加电势。这分别使带电荷的阳离子和阴离子朝向阴极和阳极移动。离子的移动进一步受各自仅(或基本上仅)分别允许单价阳离子或单价阴离子通过的单价选择性阳离子交换膜和单价选择性阴离子交换膜控制。电渗析通常使用低电压(例如，25VDC或更低的电压)来驱动电流抵抗由流入物和产物溶液提供的电阻。运行电渗析所需的电力可由常规来源或光伏电池、甲烷供能的发电机或其他来源提供。
使用电渗析堆从磷酸盐回收反应器的液态流出物中回收氨和单价盐形式的氮的方法的工艺流程由图4中的箭头和图5的工艺流程图表示。将磷酸盐回收反应器的液态流出物416进料至电渗析电池室的第一亚组412a中，在该处离子经受与膜406和408的阳离子交换和阴离子交换。因此，多价阳离子和多价阴离子被选择性保留在电渗析池室的第一组(稀释电池室)412a中的产物流中，而包括铵离子的单价阳离子和单价阴离子穿过膜，变得浓缩于电渗析电池室的第二组(浓缩电池室)412b中的产物流中。在本文中称为氮回收反应器流出物的稀释流418从稀释电池室412a被传递出堆，以进一步加工和/或处置。提供诸如管道或管系的通道以将浓缩电池室412b的浓缩流出物420分成第一部分420a和第二部分420b。部分420a被进料至浓缩电池室412b中，在该处其经受进一步电渗析以进一步提高其单价阳离子和单价阴离子浓度。任选地，流出物420的第二部分420b被进料至阴极电池室410中，在该处铵离子通过与阴极402处产生的氢氧根离子反应被部分或完全转化成氨。然后，阴极电池室410的流出物422(阴极流出物)被传递出堆并且回收氨。单价盐可在浓缩电池室中充分再循环之后从420a回收。
浓缩电池室的浓缩流出物可循环回经过浓缩电池室多次，直至实现期望的单价离子浓度，在这时浓缩流出物可被传递出堆以回收氨和铵、进一步加工和/或处置。利用单循环稀释流出物产出与多循环浓缩流出物产出组合的方法的实施方案允许连续产出具有非常高离子浓度的产物流，从其中可连续去除离子。
所述方法的一些实施方案包括另外的步骤：使浓缩流的一部分420b经过阴极电池室410(阴极流)，以便升高或维持产物流中的pH。期望产物流的pH介于9与10之间，因为碱性条件促进铵转化至氨。然而，本方法的优点在于，通过利用阴极处经由水电解产生的氢氧根将铵离子转化成氨，将另外需要的化学碱的量得以减少。任选地，可将另外的化学碱加入产物流422，以完全将铵转化至氨。
在图4中所示方法的实施方案中，液态磷酸盐回收反应器流出物416包含铵离子、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子、碳酸氢根离子、氯离子、磷酸一氢和磷酸二氢根离子以及硫酸根离子。因此，磷酸盐回收反应器流出物具有大致不变的钙离子、镁离子和硫酸根离子浓度；浓缩流出物420的铵离子、钾离子、碳酸氢根离子和氯离子浓缩；并且阴极流出物422含有氨且铵离子、钾离子、碳酸氢根离子和氯离子浓缩。然而，用作氮回收反应器的流入物的液态磷酸盐回收反应器流出物的离子含量将取决于所处理起始污泥的来源和性质。具体而言，磷酸一氢根(二价)和磷酸二氢根(单价)形式的磷酸根离子还可以反映废水pH的比率存在。
在使用非选择性阴离子交换膜(即，并不选择性区分多价阴离子的阴离子交换膜)的电渗析堆的实施方案中，流入物中的多价阴离子将穿过阴离子交换膜，并与单价阴离子一起浓缩于浓缩流中。这种实施方案容许必要时将磷酸一氢根和磷酸二氢根两种形式的的磷酸根离子浓缩于浓缩流中。
可使用各种氨分离器和分离技术，将碱性阴极流出物中的氨和单价盐与流出物的其他组分分离。例如，阴极流出物可经过氨汽提塔，在该处其经受真空或者用空气或蒸汽喷射，以将氨从液相转移至气相。然后，气化的氨可通过制冷后冷凝，或通过在含有诸如硫酸、硝酸或磷酸的强酸的酸阱中中和以产生硫酸铵、硝酸铵或磷酸铵来回收。氨汽提的描述可见于Mondor,M.，Masse,L.，Ippersiel,D.，Lamarche,F.和Masse,D.I.，2008，Use ofelectrodialysis and reverse osmosis for the recovery and concentration ofammonia from swine manure，Bioresource Technology 99，第7363-7368页，以及美国专利号2,519,451中。
阴极和浓缩流出物中的碳酸氢铵和碳酸铵也可被回收，经由对流出物的热解蒸馏(例如，50-80℃下)，使用真空蒸馏塔分离氨和二氧化碳，之后是氨的冷凝。这种工艺更详细描述于McGinnis,R.L.，Hancock,N.T.，Nowosielski-Slepowron和M.S.,McGurgan,G.D.2013，Pilot demonstration of the NH3/CO2forward osmosis desalinationprocess on high salinity brines，Desalination 312：67-74中。
在从浓缩流出物中去除氨和铵盐之后，可从浓缩流出物和/或阴极流出物中去除诸如钾离子和磷酸根离子的其他离子。例如，在采用非选择性阴离子交换膜的情况下，磷酸盐离子将响应于电场穿过阴离子交换膜。然后，可通过多种已知技术从浓缩流中回收磷酸盐。在此描述的电渗析堆可单独部署或以多个堆并联的方式来布置。一旦已去除了氨和铵盐，浓缩流出物则可循环回到废水处理方法的其他部分以进一步加工。
虽然上述电渗析堆均包括单价选择性阳离子交换膜，但电渗析堆还可包括与单价选择性阴离子交换膜组合的无价选择性阳离子交换膜。这样的堆可具有与图4中所示电渗析堆相同的基本布局，不同之处在于膜406将为无价选择性阳离子交换膜，且膜408将为单价选择性阴离子交换膜。单价阴离子膜将仅(或基本上仅)使单价阴离子穿过到达浓缩流中。可进行浓缩流的酸化(例如，通过路径选择经过阳极电池室)，以便从体系中清除碳酸氢根，并因此产生不含碳酸根、但装载有各种阳离子与单价阴离子诸如氯、单价磷酸根、硝酸根和其他单价离子的盐的浓缩流。这些离子可稍后以受控形式被操作，以通过沉淀、蒸馏或其他方式分离它们的各种盐。
任选地，可将氮回收反应器131的流出物的至少一部分(“氮回收反应器流出物”418)进料至混合罐116中，并与来自脱水室101的高固体含量污泥109混合以产生固体含量降低的污泥117和/或循环回到废水处理方法的其他部分、包括进水口工程以进一步加工。如图3中所示，可进一步加工这种稀释污泥，正如图1和2中用磷酸盐回收反应器的流出物稀释的固体含量降低的污泥117。作为另一选项，可将消化物脱水罐124的液流133作为另一种流入物进料至氮回收反应器131中，如图3中所示。
措词“说明性”在本文中用来意指充当实例、示例或例示。在本文中描述为“说明性”的任何方面或设计不一定要解释为比其他方面或设计更优选或有利。此外，出于本公开的目的且除非另外指定，“一个/种”意指“一个/种或多个/种”。
已出于说明和描述的目的提供了本发明的说明性实施方案的前文描述。其不意图穷举或将本发明限制于所公开的确切形式，并且修改和变化按照上文教导是可能的，或可从本发明的实践中获得。实施方案被选择并描述以便解释本发明的原理，并作为本发明的实际应用以使得本领域技术人员能够在各种实施方案中并以适合于所设想特定用途的各种修改来利用本发明。预期本发明的范围由随附于此的权利要求书和其等价物来定义。

Claims (33)

1.用于处理废水的方法，其包括：
使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；
将所述液体部分而非所述高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将所述溶解的磷酸盐的一部分从所述液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；
将所述高固体含量污泥与所述液态磷酸盐回收反应器流出物的至少一部分进行合并以产生固体含量降低的污泥；和
将所述固体含量降低的污泥进料至位于所述磷酸盐回收反应器的下游的污泥反应器中，在所述污泥反应器中将所述固体含量降低的污泥中的有机固体分解。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水是有机酸消化物，其通过在有机酸消化器中消化包含可溶磷酸盐的起始污泥来形成，在所述消化器处所述污泥中的可消化碳水化合物经受产酸和产乙酸以产生所述有机酸消化物，其中所述起始污泥是初级污泥、废物活化污泥或它们的组合。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中从所述液体部分中沉淀并去除的所述溶解的磷酸盐的所述部分包含至少50重量％透钙磷石。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其进一步包括将磷酸盐沉淀诱导剂加入所述固体含量降低的污泥，其中溶解的磷酸盐在所述稀释污泥中沉淀。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述污泥反应器是水解反应器，其使所述稀释污泥中的有机固体水解以产生经水解的污泥。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括将所述水解反应器的所述经水解的污泥与所述液态磷酸盐回收流出物的一部分混合，并将混合物进料至厌氧甲烷消化器中，在所述消化器中将所述混合物中的有机化合物转化成甲烷。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述污泥反应器是厌氧消化器。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其进一步包括将磷酸盐沉淀诱导剂加入所述高固体含量污泥，其中溶解的磷酸盐在所述高固体含量污泥中沉淀，之后将所述高固体含量污泥与所述液态磷酸盐回收反应器流出物的一部分进行合并。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其进一步包括将磷酸盐沉淀诱导剂加入所述液态磷酸盐回收反应器流出物，其中溶解的磷酸盐从所述液态磷酸盐回收反应器流出物中沉淀出来，之后将所述高固体含量污泥与所述液态磷酸盐回收反应器流出物的一部分进行合并。
10.根据权利要求4所述的方法，其中在加入所述磷酸盐沉淀诱导剂时沉淀的所述溶解的磷酸盐包含至少50重量％透钙磷石。
11.用于处理废水的方法，其包括：
使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机物质的高固体含量污泥；
将所述液体部分而非所述高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将所述溶解的磷酸盐的一部分从所述液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；和
将所述高固体含量污泥进料至水解反应器中，所述水解反应器使所述高固体含量污泥中的有机固体水解以产生经水解的污泥。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水是有机酸消化物，其通过在有机酸消化器中消化包含可溶磷酸盐的起始污泥来形成，在所述消化器处所述污泥中的可消化碳水化合物经受产酸和产乙酸以产生所述有机酸消化物，其中所述起始污泥是初级污泥、废物活化污泥或它们的组合。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中从所述液体部分中沉淀并去除的所述溶解的磷酸盐的所述部分包含至少50重量％透钙磷石。
14.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其进一步包括：将所述液态磷酸盐回收反应器流出物的一部分与所述经水解的污泥混合以产生低固体含量污泥；并且将所述低固体含量污泥进料至厌氧消化器中。
15.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其进一步包括将所述高固体含量污泥与辅助废水处理反应器的流出物进行合并，之后将所述高固体含量污泥进料至水解反应器中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述辅助废水处理反应器是氮回收反应器。
17.用于处理废水的方法，其包括：
使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；
将所述液体部分而非所述高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将所述溶解的磷酸盐的一部分从所述液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；
将磷酸盐沉淀诱导剂加入所述高固体含量污泥，其中溶解的磷酸盐在所述高固体含量污泥中沉淀，以产生溶解的磷酸盐含量降低的污泥；和
将所述溶解的磷酸盐含量降低的污泥进料至位于所述磷酸盐回收反应器的下游的污泥加工室中，在所述加工室中所述污泥经受物理分离、化学反应或它们的组合。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水是有机酸消化物，其通过在有机酸消化器中消化包含可溶磷酸盐的起始污泥来形成，在所述消化器处所述污泥中的可消化碳水化合物经受产酸和产乙酸以产生所述有机酸消化物，其中所述起始污泥是初级污泥、废物活化污泥或它们的组合。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中从所述液体部分中沉淀并去除的所述溶解的磷酸盐的所述部分包含至少50重量％透钙磷石。
20.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中所述污泥加工室是脱水室。
21.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中所述污泥加工室是水解反应器和/或甲烷消化器。
22.用于处理废水的方法，其包括：
使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；
将所述液体部分而非所述高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将所述溶解的磷酸盐的一部分从所述液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；
将磷酸盐沉淀诱导剂加入所述液态磷酸盐回收反应器流出物，其中溶解的磷酸盐从液态磷酸盐回收反应器流出物中沉淀出来，以产生第二降低的磷酸盐流出物；和
将所述第二降低的磷酸盐流出物进料至位于所述磷酸盐回收反应器的下游的加工室中，在所述加工室中所述第二降低的磷酸盐流出物经受物理分离、化学反应或它们的组合。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水是有机酸消化物，其通过在有机酸消化器中消化包含可溶磷酸盐的起始污泥来形成，在所述消化器处所述污泥中的可消化碳水化合物经受产酸和产乙酸以产生所述有机酸消化物，其中所述起始污泥是初级污泥、废物活化污泥或它们的组合。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其中从所述液体部分中沉淀并去除的所述溶解的磷酸盐的所述部分包含至少50重量％透钙磷石。
25.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其进一步包括：将所述第二降低的磷酸盐流出物与来自辅助废水处理反应器的固体污泥进行合并，之后将所述第二降低的磷酸盐流出物进料至位于所述磷酸盐回收反应器的下游的所述加工室中。
26.用于处理废水的方法，其包括：
使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；
将所述液体部分而非所述高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将所述溶解的磷酸盐的一部分从所述液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；
将所述高固体含量污泥与来自辅助废水处理反应器的流出物、污泥或两者混合；和
将混合物进料至位于所述磷酸盐回收反应器的下游的污泥反应器中，在所述污泥反应器中将所述混合物中的有机固体水解。
27.用于处理废水的方法，其包括：
使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；
将所述液体部分而非所述高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将所述溶解的磷酸盐的一部分从所述液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；
将所述液态磷酸盐回收反应器流出物与来自辅助废水处理反应器的流出物、污泥或两者混合；和
将所述混合物进料至位于所述磷酸盐回收反应器的下游的污泥反应器中，在所述污泥反应器中将所述稀释污泥中的有机固体水解。
28.用于处理废水的方法，其包括：
使包含溶解的磷酸盐和有机固体的废水脱水，以产生包含溶解的磷酸盐的液体部分和包含有机固体的高固体含量污泥；
将所述液体部分而非所述高固体含量污泥进料至磷酸盐回收反应器中，在所述反应器中将所述溶解的磷酸盐的一部分从所述液体部分中沉淀并去除，以产生溶解的磷酸盐含量降低的液态磷酸盐回收反应器流出物；和
将所述液态磷酸盐回收反应器流出物进料至氮回收反应器中，所述氮回收反应器从所述液态磷酸盐回收反应器流出物中去除氨以产生氮回收反应器流出物。
29.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括：将所述高固体含量污泥与所述氮回收反应器流出物的一部分进行合并以产生固体含量降低的污泥；和
将所述固体含量降低的污泥进料至位于所述磷酸盐回收反应器的下游的污泥反应器中，在所述污泥反应器中将所述固体含量降低的污泥中的有机固体水解。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述污泥反应器是水解反应器，其使有机化合物水解以产生经水解的污泥。
31.根据权利要求30所述的方法，其进一步包括将所述水解反应器的所述经水解的污泥与所述液态磷酸盐回收流出物的一部分混合，并将所述混合物进料至厌氧甲烷消化器中，在所述消化器中将所述混合物中的有机化合物转化成甲烷。
32.根据权利要求29所述的方法，其中所述污泥反应器是厌氧消化器。
33.根据权利要求28-32中任一项所述的方法，其中所述氮回收反应器包括电渗析电池堆。
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