專利名稱:用于處理和改善水的水處理系統的制作方法
用于處理和改善水的水 處理系統
本申請要求了申請日為2007年5月10日、申請號為60/917，101的美國在先申請的優先權，該申請在此引入并作為參考。
發明的背景
技術領域：
本發明涉及在小型場所內處理和再利用水的系統。小型場所是指如住宅和小型企業。本發明更特別涉及可在住宅進行再利用和/或灌溉的水處理系統。本發明適用的水源包括藍水、黑水、灰水和從自然源得到的水(如降雨、暴雨徑流等)。
背景技術隨著對如全球變暖等環境問題的認識的增加，我們已經意識到需要尋找保護和有效利用自然資源的方式。人們已經對降低對通過化石燃料獲取能量的依賴給予了極大的關注并付出了巨大的努力。然而，另一種重要資源的有限供給的重要性還未得到足夠的重視。這種資源就是水。
據估計，地球表面積中大于75%的部分被水覆蓋。然而，這些水中僅一小部分可不經過處理飲用或使用。其中大于96%的水是洋、海和灣。在占4%的淡水中，68. 7%蘊藏在冰帽、冰川和永久性積雪中。(見earthobservatory. nasa. gov)。如鹽水占總水量的絕大部分，在將它用于飲用或其他目的時需要進行脫鹽處理。參見Cath的名為凈化液體的系統和方法、公開號為20060144789的美國專利；Sirkar的名為用直接接觸膜蒸餾和減壓膜蒸餾的設備和方法、公開號為20060076294的美國專利；Marcellus的名為鹽水、鹵水和臟水的脫鹽的機械及脫鹽方法和制造該機械的設備、公開號為20060076226的美國專利；Craven 的名為淡水的萃取設備、公開號為20050189209的美國專利。脫鹽方法需要相當大的能量來完成。按照加利福尼亞海岸委員會的說法，脫鹽成本范圍在2，500-15, 000kWh/AF(每英畝千瓦小時)。(見 http //www, coastal, ca. rov/desalrpt/dchapl. html)。
當水被用在住宅和/或商業環境中，最終使用的水在可用和/或可再利用之前可能需要精心制備、消耗能量，以及進行處理。甚至湖水和溪水可能攜帶使人致病的病原體， 所以對其進行處理和/或加工使其能被人類安全使用才是適當的做法。
傳統的廢水包含需氧的且以生化耗氧量(BOD)衡量的含碳化合物和含氮化合物 (通常以NH4+存在)。BOD是確定生物有機體在水系統中的耗氧速度(通過有機物質的降解)的化學過程。BOD用于水的質量管理和評估的生態學和環境科學中。BOD5表示在20°C 的溫度下經過5天的時間在黑暗中測量的微生物在水樣本中耗氧的速度。
在一些地區，執行控制水污染法律要求在廢水處理目標中除了去除含碳化合物和懸浮固體外，還需考慮去除氮和磷。磷和含氮化合物是細胞生長所需的重要營養物質，這樣持續將含磷和含氮水排放到自然界受納水體，如河水和溪水中，終將導致進一步逐漸肥料化和富營養化，造成普遍的水生植物的繁茂。這樣，反過來，危害水棲生物且造成水質量和水景觀質量的逐步降低。既然水生植物的生長最終依賴可得到的營養物質，則減少磷和含氮化合物的含量即可限制這些不期望的生長。
政府部門目前需要對這些廢水進行進一步純化，其中的重點是有機化合物、含磷化合物和含氮化合物。含磷化合物通常經過氧化沉淀被除去，即將化學物質加入到廢水中且將含磷化合物氧化為作為難溶性鹽而沉淀析出的磷酸鹽。含磷化合物通常也在單個水池或化糞池中沉淀。
進一步地，世界上一些國家存在一些由于可用的凈水和/或能用于洗浴和清潔的水不足產生的嚴重健康問題。NGOs已經做出了一些努力如扶輪國際呼吁需要增加能使用的可信禾口安全的水(見 http //www, rotary. orR/aboutrotary/president/boyd/water. iiiml)。在發展中國家，部分問題源于住宅中得到藍水(也就是安全的可用于煮飯、清潔、洗浴和飲用的水)的市政基礎設施難以使用。然而，即使在美國和歐洲，人們越來越意識到不管市政設施設計的有多好，即使在一些地區限制了水的供應，水的使用也已經對社會和經濟產生了影響。在美國的拉斯維加斯，美國經濟增長最快的地區之一，最近被報道說預計該市至2016年將用完其水資源。
通常，在美國，許多家庭連接于提供輸入水，即稱為“藍水”的市政水源。美國環境保護局(USEPA)通過執行聯邦政府凈水和安全引用水法律設立了水的標準來實施聯邦政府凈水和安全引用水實施法規。自然純水不存在上述問題。在自然界，所有水都包含一些雜質。在溪水中流動的水，靜處在湖中的水，以及大地上通過泥土和巖石層過濾的水，溶解或吸附它所接觸到的物質。一些這樣的物質是無害的。事實上，一些人恰恰偏愛礦泉水，因為礦物質使水具有充分吸引人的口感。然而，在某種程度上，礦物質，像人造化學物質一樣， 被認為是使水味道不佳或甚至是危險的污染物。
一些污染物來自自然巖層腐蝕，其他污染物是工廠排出的，農田使用的，或消費者在家里或庭院使用的物質。污染源可能就在你身邊或可能離你數里遠。當地水質報告能說明在飲用水中存在何種污染物，被發現的污染物的量，以及每種污染物真實的或可能的來源。
一些地下水系統已經建立水源保護計劃來保護它們的源頭不受物質污染。同樣地，一些地表水系統也圍繞其水庫的分水嶺進行保護使水不受污染。現在，政府和水供應部門正系統地評估每個飲用水水源和確定污染物的潛在來源。該過程將有助于保護他們供應的飲用水免受污染，且主要結果將在以后的水質報告中呈現。
藍水適于各種家庭使用，因家庭和商業上汲取的水含有礦物質，藍水還可用于對藍水質量沒有要求的方面，如，澆灌草坪，沖廁所。當水用作普通家用時，可使用不同質量的水。三種質量的水通常存在于連接市政污水系統或化糞系統的系統中。這三種質量的水包括藍水，如在把止水塞放入浴盆前一直開啟輸入藍水的龍頭直到水變熱；灰水，如來自洗衣，淋浴，浴池的水等，其可能含有一些雜質；黑水，如來自廚房的水池，洗碗池，和廁所的水。按照USEPA，美國家庭平均每天使用400加侖的藍水，約30%是戶外使用，如灌溉草坪。 一些專家估計多于50%的商業和住宅灌溉水由于蒸發，流失，或過度灌溉被浪費。圖1示出了普通家庭用水設置情況。
當前一些可得到的水處理系統涉及商業或市政規模的水處理設備。如， StankewichJr.的美國專利號3，764，523，名為含BOD水的硝化，涉及在活性污泥存在下利用氧氣進行生物化學氧化，從含BOD水中除去含碳和氮食物的方法。
為了提高水資源危機的意識人們已進行了其他努力，至少對于景觀使用的灰水的再利用取得了初步成就。如，Art Ludwig的用灰水創造綠洲選擇、構建和利用灰水系統 (4thEd. 2006年2月)，討論了各種方法來節約新鮮(藍)水以及用洗滌水進行灌溉。澳大利亞新水公司已經開發了水回收系統，用于處理和回收家用灰水；以及雨水回收系統，用于在家庭中回收和儲存雨水(見www. newwater. com.au)。參見新水公司的水處理方面的PCT 公開號 WO 2005/095287。
水回收系統包括全天候平衡灰水的變化和成分的收集單元，可以自動溢出到下水道。混合的灰水隨后被泵抽送經毛發和棉絨阱進入處理單元，在其中進行生物處理，以及化學和物理過濾處理。處理后的污水隨后通過輕度溴消毒處理且保持至少30分鐘進行消毒。之后，污水被傳送到尺寸適宜家用的回收裝置的再利用部分。處理室有三個可替換的池，每一個每天能處理水235升，總的處理量大約是每天700升。新西蘭綠洲凈水公司開發的另一系統是凈水系列2000 (見www, oasisclearwater. co. nz)。該凈水系統不是一個專用的池。它是一個包括五個處理步驟的廢水曝氣處理系統。液體通過液壓分配器流過系統。 廢水首先進入預處理池，沉積池，從這里流進第二沉積池。水從第二沉積池出來后通過過濾器，在其中進行了生物和機械過濾。此后水進入中心曝氣池，然后進入澄清池。澳大利亞水_新星公司開發了另一種曝氣廢水處理系統(見www, aguanova. com, au)。水-新星公司(Aqua-Nova)的系統也是進行廢水處理。而丹麥的BioKube開發了另一種系統(見www. Biokube. com)。BioKube公司的系統可對污水進行生物清潔來制備可用于灌溉的再生水。 BioKube公司的系統在抽取廢水進入清潔池之前在一個預處理池中降解硫化氫。同樣可參照Hedegaard的美國專利公開號為2004/0173524廢水的生物提純方法及適宜實施該提純方法的小型機械設備。
發明內容
本發明一方面提供了低保養費的處理黑水、灰水和自然水源的民用的模塊化系統。本發明包括進行以下處理的設備和方法分離水源，大型過濾(如過濾大的顆粒物質等)，在調配罐中添加分離物質的操作，輸送至曝氣池，最后過濾，及可選的最后凈化步驟。 本發明涉及在家庭中處理和使用水的方法和設備。
提供用于民用水處理的模塊化設備的一個優點是其能降低家庭再利用水操作和大型水處理站運行和從水處理廠向獨立住所輸送水所需的化石燃料量。另一個優點是在一些水資源有限的或是限制使用水資源(如在干燥氣候帶)的地區，增加了居民的可用水量。 本發明還有另一個優點是對于家庭來說由于以特定的循環更有效地再利用水而減少了用水量。同時本發明還有一個優點是在使用時根據水的質量分配水，如，用處理過的灰水代替藍水來灌溉草坪。
本發明的另一方面是提供一種水處理系統。該水處理系統包括用于接收來自水源的污水的沉淀池；至少一個用于接收來自沉淀池的污水的曝氣池；用于對來自至少一個曝氣池的廢水進行消毒的消毒器；用于檢測參數的檢測器；以及，用于根據檢測到的參數控制水處理系統操作的控制器。
沉淀池配置為與厭氧消化器連通。另外，厭氧消化器接收來自沉淀池的污泥。而且，通過檢測器檢測厭氧細菌活性的參數。控制器根據檢測到的參數對細菌活性進行調整。而且，曝氣池與曝氣源連通。曝氣源輸送曝氣物質，適宜的曝氣物質包括，如空氣、純化的氧氣，以及臭氧。曝氣源與調節器控制連接，用于控制輸送曝氣物質的速率，或水流的速率。此外，另一方面，通過檢測器檢測曝氣池的參數。例如，可根據檢測器檢測到的參數決定曝氣物質的輸送速率，或者通過系統的水的流速。消毒器可以是臭氧發生器、紫外線光源、熱源、蒸餾裝置、反滲透系統和/或化學處理裝置中的一種或者多種。在一些實施方案中，根據檢測器檢測到的參數啟動消毒器。進一步地，檢測器可檢測可溶固體的總量、電導率、溫度、色度、渾濁度、硬度、沉淀物、酸度、堿度、鈣含量、鎂含量、鈉含量、碳濃度、氯濃度、 硫濃度、鈉吸收比、溴濃度、痕量金屬濃度、重金屬濃度、硝酸鹽形式的氮濃度、磷酸鹽形式的磷濃度、鉀濃度、藥物化合物、激素和/或新陳代謝副產物中的一個或多個參數。檢測器與計時器通信連接，以及該檢測器能以一定時間間隔進行檢測。進一步地，檢測器能根據需要對控制器提供實時檢測數據。
本發明另一方面公開了一種水處理方法。該方法包括從水源接收污水，對從水源接收的污水進行需氧處理，對經過需氧處理的污水進行參數檢測，以及根據檢測參數的結果調整對污水的需氧處理。該方法還包括對從水源接收的污水進行厭氧處理。另外該方法還包括添加控制反應的物質的步驟。另外，根據檢測到的參數的結果完成添加控制反應的物質的步驟。該方法也可以包括一個或多個過濾步驟，也可以包括一個或者多個殺菌步驟或過程。殺菌步驟可選擇以下設備臭氧發生器、紫外線光源、熱源、蒸餾裝置、反滲透系統和/或化學處理裝置。進一步地，該殺菌步驟包括選擇不止一種殺菌處理方式，并根據檢測到的參數以連續的、并行的或者可選擇的方式進行殺菌處理。進一步地，在一些實施方式中對系統的輸出進行檢測。在另一個實施例中，對系統的輸出進行原地再利用。另外，可對從水源接收到的污水進行分離。
引用結合本說明書中提到的所有公開物、專利以及專利申請在此通過引用結合到本文中，實現與對每個單獨的公開物、專利以及專利申請進行具體和個別說明以通過引用結合到本文中相同的效果。
本發明具備新穎性的特征在附加技術特征中進行了詳盡的解釋。下文詳細地描述了本說明書的實施方式，通過下文的詳細描述將得到對于本發明的特征和優點的充分理解，在實施方式中運用了本發明的原理，且其中附圖如下
圖la-d示出了連接市政下水道或傳統化糞系統的住宅用水系統，如發明背景中所述，目前使用的雨水集流系統，說明了來自普通家庭和代表性的土壤層的水的成分。
圖2說明了在現行方法作用下的水的流向；
圖3a_d說明了幾個在使用地處理水的系統；
圖4a_b說明了使用地水處理設備的附加的細節；
圖5a_b是本發明的系統和方法的操作步驟的流程圖；和 圖6說明了通過本發明對水的流向的改變。
具體實施方式
圖Ib示出了利用重心引力收集雨水的雨水集流系統。如，雨水從房屋屋檐下落進入雨水溝。該雨水溝隨后運送雨水且將其完全排入管體式水塔。當該管體式水塔內的雨水達到其150加侖的容量時，溢出的水通過管道且完全流入900加侖的鼓狀池。兩個300加侖的桶收集從900加侖的鼓狀池溢出的水，以及任何其它的溢出水流入公共排污系統。水龍頭位于管體式水塔和900加侖的鼓形罐的底部。當水龍頭打開時，管體式水塔和鼓形罐中的水壓將水排出。如，構建一個庫頂為42' x48'、坡度在約1到2的系統，用作收集器的系統。在小的降雨期間一天能收集400加侖雨水，在暴雨期間，幾個小時就能收集1500加侖。單憑經驗方法計算的被收集的平方英尺面積上的雨水的量，約為，在我們的25X40英尺的屋頂上，每一次降雨有400加侖水。
灰水是除了廁所和源于丟棄垃圾而被浪費的養料外的所有廢水。灰水的特征在于它的氮含量和黑水中的氮含量相比更少，黑水也就是來自廁所的水。本領域的技術人員應該意識到，氮是最嚴重和難以除去的影響潛在飲用水供應的污染物之一。另外，灰水含有較少的能夠通過水傳播有機物的病原體。最終，灰水比黑水降解更快。如圖Ic所示，灰水通常包括5%的混合成分1，10%的廚房水2，15%的洗衣水3，和30%的洗浴水4。對于普通家庭，剩余的使用水，即40 %的部分，是來自廁所。灰水通常含有50 %磷，10 %氮和40 %化學需氧量，而黑水含有50%磷，90%氮和60%化學需氧量。如圖Id所示，水在到達水位和飽和區之前通過不飽和區排放到土壤上。這樣水必然通過自然過程得到過濾，這與雨水通過土壤，巖石等實質是自然的過程得到過濾相似。
在大多數住宅的供水系統中，包括市政系統，水從水源210如井，河，湖，水庫或市政水源中得到。隨后水通過輸水系統212進行輸送。通常水在經分配216到最終使用者 220之前經過幾個級的處理214。一旦最終使用者使用水，如，通過洗浴，洗衣，煮飯等，可收集的水經收集220而被輸送到廢水處理設備224。經過處理的水隨后經排放226，如，回到水源210，或循環水經第三級清潔230后經分配232輸送給最終使用者使用。第二，最后的第三級處理使用通常是市政使用如綠化灌溉，可參照，如，加利福尼亞紅杉市的關于循環水白勺背景，可從 http //www. redwoodcity. org/pub 1 icworks/water/recyc 1 ing/background. htm得到。
如表1所示，加利福尼亞能源協會報道了在水的輸送周期中所使用的能源，如下
表 1
用水循環環節的能量強度范圍
權利要求
1.一種用于處理和改善水的水處理系統，包括 一個用于接收來自水源的污水的沉淀池；至少一個用于接收來自沉淀池的污水的曝氣池； 一個用于對來自至少一個曝氣池的廢水進行消毒的消毒器； 一個用于檢測參數的檢測器；以及，一個用于根據檢測器檢測到的參數控制水處理系統操作的控制器。
2.如權利要求
1所述的水處理系統，其中，該沉淀池與一個厭氧消化器連通。
3.如權利要求
1或2所述的水處理系統，其中，該曝氣池與曝氣源連接。
4.如權利要求
3所述的水處理系統，其中，該曝氣源用于輸送曝氣物質，該曝氣物質從以下物質中選擇空氣、純化的氧氣和臭氧。
5.如權利要求
4所述的水處理系統，其中，該曝氣源與一個用于控制其輸送曝氣物質的速率的調節器控制連接。
6.如權利要求
1或2所述的水處理系統，其中，消毒器是一個或多個臭氧發生器、紫外光源、熱源、蒸餾裝置、反滲透系統和/或化學處理裝置。
7.如權利要求
1所述的水處理系統，其中，該檢測器與計時器通信連接。
專利摘要
本實用新型提供一種用于處理和改善水的水處理系統，該系統公開了一個用于接收來自水源的污水的沉淀池；至少一個用于接收來自沉淀池的污水的曝氣池；一個用于對來自至少一個曝氣池的廢水進行消毒的消毒器；一個用于檢測參數的檢測器；以及，一個用于根據檢測器檢測到的參數控制水處理系統操作的控制器。該民用水處理系統，其將減少大型水處理站運行和從水廠向獨立住所輸送水所需的化石燃料。該系統在一些限制水資源或是水資源有限的地區(如在干燥氣候帶)增加了居民的可用水量。而且，該系統可使家庭用水量在特定的周期內具有更高的使用效率。
文檔編號C02F9/14GKCN202089861SQ200890000080
公開日2011年12月28日 申請日期2008年5月8日
發明者小帕特里克·T·奧利根 申請人:小帕特里克·T·奧利根導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan