集成公用系统.pdf

本发明提供了一种集成公用系统(10)，包括：i)电源(12)；以及ii)废水处理系统(20)，其中，在废水处理系统(20)中利用来自电源(12)的废弃能量。

1.  一种集成公用系统，包括：
i)电源；以及
ii)废水处理系统，
其中，在所述废水处理系统中利用来自所述电源的废弃能量。

2.  如权利要求1所述的集成公用系统，其中，除主要水源之外，所述废水处理系统还可以是用于重用的回收水。

3.  如权利要求1或2所述的集成公用系统，其中，所述电源包括：释放废弃能量作为副产物的任何发电设备。

4.  如之前任一权利要求所述的集成公用系统，其中，对所述电源进行液体冷却，并在所述废水处理系统中使用所述液体的废弃能量。

5.  如之前任一权利要求所述的集成公用系统，其中，所述电源还包括能量存储设备。

6.  如之前任一权利要求所述的集成公用系统，其中，所述电源与建筑或装备的供暖系统耦合。

7.  如之前任一权利要求所述的集成公用系统，其中，所述电源、废水处理和能量再循环系统的集成操作由计算机化的监控和数据采集“SCADA”系统来调节。

8.  如权利要求7所述的集成公用系统，其中，所述SCADA系统通过遥测被链接至集中式服务支持功能以进行远程监控。

9.  如权利要求2至8所述的集成公用系统，其中，所述主要水源符合可饮用标准。

10.  如之前任一权利要求所述的集成公用系统，其中，所述废水处理系统包括：浸渍器单元；脱水单元，用于将水相与污泥/固相分离；增稠单元，用于最大化污泥相中的固体含量；污泥干燥和燃烧单元；水消毒单元，用于处理来自所述脱水单元的水相；以及水净化单元。

11.  如权利要求10所述的集成公用系统，其中，在所述消毒单元之前，对来自所述脱水单元的水相执行预处理步骤，以通过在所述预处理步骤中使用化学氧化、反渗透、离子交换或碳过滤中的任何一种或多种来最小化固体、生物需氧量“BOD”、化学需氧量“COD”、氮和磷的浓度。

12.  如权利要求11所述的集成公用系统，其中，所述预处理步骤优选地包括微过滤。

13.  如权利要求10至12中任一项所述的集成公用系统，其中，所述脱水单元包括：机械螺旋压榨机、澄清器、滗析离心机、沉淀器和增稠器和/或化学制品添加中的任何一个或多个，用于增强相分离。

14.  如权利要求10至13中任一项所述的集成公用系统，其中，所述增稠步骤所产生的污泥的固体含量至少约为8％。

15.  如权利要求10至14中任一项所述的集成公用系统，其中，将分离的固体焚化器附加至或结合在所述污泥燃烧中。

16.  如权利要求11至15中任一项所述的集成公用系统，其中，BOD、氮和磷的浓度分别不超过10、10和1mg/L。

17.  如权利要求11至16中任一项所述的集成公用系统，其中，通过使用集成的隔离消毒器和水暖单元来对由所述预处理步骤产生的排放流进行消毒。

18.  如之前任一权利要求所述的集成公用系统，其中，使用来自所述电源的废弃能量对任何生物活性材料进行消毒和去活。

19.  如之前任一权利要求所述的集成公用系统，其中，使用来自所述电源的废弃能量来进行采暖。

20.  如权利要求10至19中任一项所述的集成公用系统，其中，所述水净化单元包括：纳滤、反渗透、活性炭过滤和化学消毒中的任何一项或多项。

21.  如权利要求10至20中任一项所述的集成公用系统，其中，将从所述水净化单元输出的水通过热交换器。

22.  如之前任一权利要求所述的集成公用系统，其中，将所述废水处理系统输出的水再循环至所述装备。

23.  如之前任一权利要求所述的集成公用系统，其中，所述废水处理系统输出的至少一条水流经由所述水暖单元再循环至所述装备。

24.  如权利要求21至23中任一项所述的集成公用系统，其中，使用来自所述热交换器的废弃能量来对流入所述脱水单元的废物进行预加热。

25.  如权利要求10至24中任一项所述的集成公用系统，其中，将来自所述污泥干燥和燃烧单元的废气排放与来自所述电源的排放相结合。

26.  一种利用来自电源的废弃能量的方法，所述方法包括以下步骤：将来自所述电源的废弃能量引导至废水处理系统，在所述废水处理系统中，至少部分利用所述废弃热量来处理废水，并且，所产生的经过处理的废水流返回以供使用。

27.  如权利要求26所述的方法，其中，所述电源和废水处理系统可以如权利要求1至24所述。

28.  一种集成公用系统，实质上如以上参照图1所述。

29.  一种在废水处理系统中利用来自电源的废弃能量的方法，实质上如以上参照图1所述。

集成公用系统
技术领域
本发明涉及一种集成公用系统(utility system)。更具体地，本发明的集成公用系统的目的是，将废水处理的废弃能量循环利用，使其能够与现有供水系统相结合并得到重用。
背景技术
家用或非家用装备需要如电、水、水加热和污水处理之类的公用设施。大多数装备依赖于同网状服务的连接，这些服务无法被所有未来的建筑地点所使用，尤其是远离城市中心的地点。提供这些服务的基础设施无法满足日益增长的需求，也无法继续无限扩张。此外，将这些公用设施提供给偏远地区效率低而成本高。此外，从集中式工厂提供公用服务还可能易受自然灾害和基础设施故障的影响而中断。如果大部分居民都连接到相同的工厂，则对集中式工厂的破坏潜在地对大部分居民具有重大影响。
供电
传统的供电来自集中式的大型发电站，经由传输和分发网络将电力以网状输送至人口中心。电力需求持续增长，要求增加这些资本密集型基础设施的容量。长期规划需求基于估计预测，并且根据在局部级做出的判定来撤销长期规划需求，通常容量增长的动力产生于所述局部级。
此外，满足短期峰值需求水平通常造成较高的边际成本。为了提供发电和传输网络容量的投资确定性，对用户的供电合同正变得更加侧重于固定线路收费而不是可变耗电收费。这种间接的供消关系消除了在用户级提高能量效率的动机。
大部分发电依赖于化石燃料提供的热能，这带来了温室气体排放的后果。对于大型集中式发电，生物燃料一般没有竞争力，且可再生替代物可管理性较差而且较不成熟，因此不能依赖其产生基本负荷的发电量。
现场发电是一种传统替代方式，使用发动机驱动的发电机。典型地，在性能、使用管理方面，这些方式并不成熟，一般作为最后选用的手段。新兴的改进方案如房屋大小的斯特林(Stirling)发动机和燃气涡轮系统(仍采用化石燃料)，如果配置合适，该系统可以向装备提供组合的热和电。此外，这些发电系统都未被设计为与家用水和废水系统进行交互，以对水进行消毒并将水再循环给住户。
针对个人居住区的太阳能和风力发电系统也正变得日益普及，对于强度较低的能量摄取/产生而言，上述系统是可接受的选择方案。然而，使用这些系统，供应的连续性或对需求的满足得不到保证，而且这些系统也无法经济地提供大功率和峰值负荷需求。
废水处理
在大多数城市中心，集中式污水处理相对比较常见，在集中式污水处理中，每个装备连接至排水系统，以将污水传送至大型集中式废水处理厂(WWTP)。利用各种处理过程来处理废水，其中，生物处理(更具体地，活性污泥处理)是最主要的方法。
直到最近，大多数经过处理的污水排放被排放至本地受纳水体或海洋。最近，存在这样一种趋势：将三级处理添加至基本的活性污泥处理，以提高排放质量，并允许通过将排放物地下注入至蓄水层或再循环至水坝(用作饮用水水源)来间接重用排放物。
通常对来自大型集中式WWTP的过剩污泥进行机械脱水，然后将其处置为作为肥料补充掩埋于地下或用于农业使用。在人口高度密集的城区中，作为优选的处置选项，通常将过剩的污泥焚化。目前，多数大型集中式WWTP产生两种对环境有害的排放，即处理后的污水排放和过剩的污泥。废水和污泥处理/处置过程是温室气体(尤其是二氧化碳和甲烷)的非常重要的发生源，施加于地表或掩埋于地下的污泥会随时间产生温室气体。
集中式废水处理较为昂贵，在新城市发展中，安装网状系统正更多地成为一种约束。随着可靠的基于薄膜的处理过程的出现，目前全球存在一种更加分散化的废水处理系统的趋势。
最常见的独家住宅废水处理过程是化粪池系统。该系统不涉及任何机械组件，但需要较大的容器来进行废水的天然生物处理和污泥的保持，典型地约每5天左右将污泥抽出一次，以便在其他地点进行掩埋处置。此后，在法国的排水系统中，典型地将来自化粪池的污水用于地下灌溉，而废水通常最终排放至受纳水体。在世界上的许多地方，这些排放已经导致了对受纳水体的严重环境影响，这些影响主要是由与废水相关的养分所导致的水体的富营养化引起的。
为了克服上述某些问题，通常提供耗氧处理单元(“ATU”)。耗氧处理单元是小型机械生物处理单元，提供比化粪池更高等级的废水处理，但是这种单元仍依赖于如何向环境处置被污染的污水，通常被污染的污水还是流入敏感水体。这些ATU需要常规的维护和监控，以确保其按设计规范工作，并通常涉及较大的容积要求(典型地大约为数千升)。此外，还存在关于温室气体排放的问题，尤其是来自任何未经控制的厌氧分解的甲烷。
所有这些处理系统公共的生物处理工作效率可能对其维护和操作条件高度敏感，对常用的家用化学产品的过度加载尤为敏感。
在敏感的生态环境中，将处理后的废水排放至本地水体的处置方式(通常通过土地进行渗滤)是不可接受的。因此，需要一种针对独家住宅应用的可靠并且健壮的废水处理过程，在该过程中，废水可以被处理到能够进行重用的水平，从而消除了对环境的任何有害排放。必需以适度的成本来实现该过程。
通常，缺少与集中式废水处理方案的可能连接是地方当局同意开放乡村土地(尤其是单个地点)进行居住开发的主要限制。
节水
随着对从本地、自然环境中汲取的有限供水日益增长的需求，全球日益关注水源有限这项问题。传统的住房开发期望与网状的公用供应相连接，其中，尽管只有一小部分水实际用于饮用目的，但是所有的水都必须被处理达到可以饮用的质量。
位于城区之外的人们可能无法获取主要水源。这要求他们从天然水道或蓄水层取水，或依赖于屋顶收集的雨水。除了位置约束之外，在确保供应连续性方面，每种选项都面临质和量的问题。可以采用针对使用经济而特别设计的装置来实现节水，但是，不存在作为减小净消耗的方式的、将黑色废水现场再循环的方法。
美国专利4,052,858公开了利用来自电源的废弃热流来对水进行消毒的方案。然而，该文献中提供的方法未提供将废水现场消毒至“白水”质量的方式，及其随后与主水源的重新集成。此外，该文献没有公开污泥的分离和处理，或利用废弃热量来进行水、建筑或空间的供暖。也就是说，现有技术的废水处理系统未公开一种提供水和能量的现场再循环和重用的完全集成的系统。
本发明的集成公用系统的一个目的是，实质上克服上述现有技术的问题，或至少提供现有技术的一种实用的替代方案。
包括对背景技术的讨论完全是为了提供本发明的上下文环境。应当认识到，这种讨论不表示，在优先权日之前，在澳大利亚或其他地方，所引用的任何材料都是本发明相关领域内的公知常识。
在整个说明书中，除非上下文需要，否则，“包括”一词或其变型应被理解为表示包括所述整体或整体的组群，但不排除任何其他整体或整体的组群。
发明内容
根据本发明，提供了一种集成公用系统，包括：
i)电源；以及
ii)废水处理系统，
其中，在废水处理系统中利用来自电源的废弃能量。
优选地，除主要水源之外，还可以使用来自废水处理系统的经处理的水。
优选地，所述废弃能量具有废弃热能的形式。
优选地，所述电源包括：释放废弃能量作为副产物的任何发电设备。
更优选地，所述电源包括：内燃机或燃料电池中的任何一个或多个。在所述电源是内燃机的情况下，所述电源可以包括例如柴油循环、奥托(Otto)循环往复式发动机、斯特林(Stirling)循环或小型燃气涡轮中的任何一个或多个。
优选地，对所述电源进行水冷或液体冷却，使废弃能量能够被导流至供水和废水处理系统。
再优选地，所述电源还包括：电能存储设备(例如电池)，使得能够在无需操作所述电源的情况下提供基本水平的电能，或在峰值需求时段期间提供补充电能。
再优选地，所述电源与可选的补充电源(例如太阳能或风力发电机)耦合，以最小化燃料消耗和电源负荷，并减小对环境的影响。
优选地，所述电源的燃料源包括：适用于所述电源设备的任何化学能量介质。
更优选地，所述电源的燃料源至少部分地包括生物燃料或氢中的任何一种。
优选地，所述电源与建筑或装备的供暖系统(包括水暖系统)耦合。
优选地，所述电源也被设计为：根据使用该电源的特定国家，来传送所需的电压和频率。
优选地，所述电源的操作由计算机化的监控和数据采集(“SCADA”)系统来调节。
优选地，所述废水处理系统的操作由SCADA系统来调节。
优选地，所述SCADA系统通过遥测被链接至集中式服务支持功能，以进行性能、可靠性和故障诊断的远程监控。
优选地，在需要专门为水源或废水处理系统产生废弃能量的情况下，能够在零发电机负荷下操作所述电源。
再优选地，所述电源还包括：辅助电源，以在峰值需求时段期间提供附加的加热和/或电能。
优选地，所述主要水源能够通过网状供应连接来获取、由水车(tanker)来运送或作为雨水收集在现场存储设施中，并且符合可饮用标准。在所述主要水源不符合可饮用标准的情况下，优选地，将所述主要水源通过所述废水处理系统进行循环，以将所述主要水源处理为符合可饮用标准。
优选地，所述废水处理系统包括：浸渍器单元，用于使废料均匀；脱水单元，用于将水相(aqueous phase)与污泥/固相分离；增稠单元，用于最大化污泥相中的固体含量；污泥干燥和燃烧单元；水消毒单元，用于处理来自脱水单元的水相；以及水净化(water polishing)单元。
优选地，在消毒单元之前，对水相进行预处理，以最大化地去除固体，并产生次污泥相。
优选地，将所述次污泥相再循环至脱水单元。
优选地，在脱水单元之后提供收集容器(holding tank)，以调节任何下游批处理流速率。
优选地，在沉淀步骤之前，所述浸渍器单元装有筛选器，以便于去除粗大固体，其中，粗大固体可以包括生物活性固体或非有机固体中的一个或多个。
优选地，所述脱水单元包括：用于增强相分离的沉淀器和增稠器、机械螺旋压榨机、澄清器、滗析离心机和/或化学制品添加中的任何一个或多个。
再优选地，增稠单元所产生的污泥的固体含量至少约为8％。
再优选地，可以通过来自提供给所述电源的燃料流的辅助燃料燃烧，来补充污泥燃烧单元的废弃能量。
优选地，当所述电源工作时，以批处理模式并在SCADA系统的控制下，执行污泥相和水相处理。
优选地，将分离的固体焚化器附加至或结合在所述污泥燃烧单元中，以对沉淀步骤之前筛选出的粗大固体和/或通常通过垃圾回收(garbage collection)进行处理的其他废料进行析构和消毒。
优选地，所述固体焚化器和/或污泥燃烧单元包括排出通道(exhause tract)。优选地，所述排出通道包括：旋风分离器或静电沉淀或微粒过滤装置中的至少一种，用于协助去除由焚化和/或燃烧而产生的无菌灰渣。
优选地，由于无菌灰渣中无机元素(如磷和钾)的浓度的缘故，可以以肥料的形式来利用所述无菌灰渣的化学成分。
优选地，将浸渍器单元包含在湿井(wet well)中，以控制通过废水处理系统的废物馈送速率。
再优选地，所述浸渍器单元包括：另外的机械或化学设备，用于增强分离。例如化学凝固剂注射剂，用于增强固体去除和/或脱水级中的沉淀。
优选地，所述预处理步骤包括：微过滤，用于最大化地去除固体物质。
优选地，所述预处理步骤导致所产生的排放流中的生物需氧量(“BOD”)、化学需氧量(“COD”)、氮和磷浓度的最小化。
再优选地，BOD、氮和磷的浓度分别不超过10、10和1mg/L。
再优选地，通过使用如化学氧化、离子交换、反渗透(reverseosmosis)或碳过滤之类的技术来进一步减小BOD、COD、氮和磷的浓度。
优选地，通过使用集成的隔离消毒器和水暖单元来实现对由预处理步骤产生的排放流的消毒。
优选地，将集成的消毒器和水暖单元维持在至少约70℃的温度。
再优选地，排放流在集成的消毒器和水暖单元中的驻留时间至少约为30分钟。
优选地，排放流通过消毒系统的循环由SCADA系统控制。
优选地，所述水净化单元包括纳滤、反渗透、活性炭过滤和化学消毒中的任意一项或多项。水在所述净化单元中的保持时间取决于所利用的物理和/或化学过程，并且，可能需要相应地调整所述净化单元的大小，以提供一定的容积。
优选地，将从所述净化流出的流导回所述污泥干燥和燃烧单元。
优选地，从所述水净化单元流出的水与来自主要水源的水具有相同的质量。
再优选地，在需要冷却的情况下，使净化后的水通过热交换器。按照这种方式，可以在废水处理系统内保持来自热交换器的废弃能量，以用在别处。
优选地，在废水经过废水处理系统的处理之后，将处理后的废水再循环至所述装备以进行重用。
优选地，至少一条经过处理的废水流经由所述水暖单元返回所述装备。
再优选地，将来自热交换器的废弃能量引导至进入水加热单元的经过处理的废水。可选地，可以使用来自热交换器的废弃能量来对流入脱水单元的废物进行预加热，以提高相分离的效率。
优选地，由主要水源来补充再循环的废水流。
优选地，将废水处理系统中的污泥干燥和燃烧单元的废气排放与发电机的排放相结合。
优选地，使用SCADA系统来监控和管理废气排放温度。
再优选地，在排放水平超过本地排放控制限制的情况下，采用排放控制后处理技术使污染最小化。
优选地，使用来自所述电源的废弃能量对任何生物活性材料进行消毒和去活(deactivate)。
根据本发明，还提供了一种利用来自电源的废弃能量的方法，所述方法包括以下步骤：将来自所述电源的废弃能量引导至废水处理系统，在所述废水处理系统中，至少部分利用所述废弃能量来处理废水，并且，所产生的处理后的废水流返回以进行重用。
所述电源和废水处理系统可以如上所述。
附图说明
下面参照本发明的一个实施例和附图，仅以示例方式来描述本发明，附图中：
图1是本发明的集成公用系统的流程图。
具体实施方式
为了说明集成公用系统中所要采用的废水处理方法的性能，使用来自大城市污水处理厂的主要排放物，以实验室规模来评估多种处理过程。处理方法包括：微过滤、化学氧化、反渗透和颗粒活性炭吸收。
首先通过商用微过滤筒(micro-filtration cartridge)对来自污水处理厂的主要排放物进行过滤(5微米，因此使用0.5微米筒)。以60分钟保持时间，使用完全混合反应器，采用过氧化氢，对微过滤之后、继而被加热至45℃的排放物进行化学氧化。基于化学需氧量，以化学计量添加速率的1.5倍来添加过氧化物。然后，将化学氧化后的排放物通过商用RO(反渗透)过滤筒，最后以60分钟保持时间，使RO排放物与10g/L剂量率(does rate)的商用颗粒活性炭(GAC)接触。针对生化需氧量(BOD)、总悬浮固体(TSS)、总氮量(TN)、总凯氏氮量(TKN)和总氧化氮量(NO_t)来对所有样本进行分析。以下表1示出了该测试工作的结果。
表1测试结果(均以mg/L为单位)