一种膜曝气生物膜反应器(MABR)的制作方法

本发明涉及膜曝气生物膜反应器(MABR)。具体地，本发明涉及一种膜曝气生物膜反应器的混合方法。

背景技术：

废水处理技术的革新很大程度上是为了满足日益严格的管控标准的需求以及减少处理工艺的资金和运作成本的需要。近年来，这些驱动力已经促使改进的生物膜工艺的出现，比如曝气生物滤池(BAF)和移动床生物膜反应器(MBBR)。基于生物膜的工艺的关键优势之一是由于较高的特定生物质浓度能够获得高容积反应速率。遗憾的是，由于氧气转移到厚厚的生物膜上受到限制，这种优势在大型工艺中很少被利用。废水处理系统中的生物膜通常比氧渗透深度更厚，通常是50μm到150μm，并且在高碳加载率下，该工艺的氧气转移速率受限。这个问题加上控制生物膜厚度的困难导致了生物膜技术主要应用于低速率工艺。

解决这个问题的新技术主要是基于增加比表面积(基于生物膜技术的颗粒)的方法，或者基于增加氧化能力和效率的方法，比如膜曝气生物膜反应器(MABR)。MABR一直被用作新颖的废水处理反应器生物膜，包括附着在表面的微生物群落。微生物群落在惰性载体上的自然固定(natural immobilization)得到优良的生物质保留和积聚而不需要固体分离装置。在废水处理方面，基于生物膜的工艺将水力停留时间(HRT)与固体停留时间(SRT)完全分开的能力对于生长缓慢的微生物而言是特别有用的，否则这些微生物会被清洗出系统，硝化生物膜就是一个较好的例证。

MABR比传统的生物膜技术有一些优势：

(1)如果纯氧被充分利用以及如果生物膜厚度控制措施到位，可以实现较高体积的碳氧需求量(COD)去除率。

(2)无泡曝气有潜力提供明显更高的氧气利用率并由此实现节能。此外，在挥发性有机化合物的生物处理过程中减少空气吹脱是可能的。

(3)由于独特的微生物菌落分层，同步硝化、反硝化和碳氧需求量去除率可以在相对较高的速率下实现。

(4)专门的降解微生物，比如氨氧化细菌，倾向于优先位于靠近生物膜-膜界面处，从而通过保护防止生物膜侵蚀而提高它们的停留。

可是，由于以上讨论的缺点，并没有出现该技术的商业化开发。直到现在，该技术在超出实验室规模的试验都是非常有限的。在好氧废水处理反应器中通常是不需要额外的搅拌，因为气泡曝气机或者表面曝气机已经有了相应的搅拌。在缺氧或者厌氧反应器中需要外部搅拌。这通常由大型水下搅拌器或者喷射搅拌器来实施，目的是使悬浮微生物或者悬浮微生物载体在整个容器中保持悬浮和移动。使用气泡或者表面曝气机和水下或者喷射搅拌器的缺点是它们只有在不会限制任何流体流动的储罐中才能提供有效的搅拌，并且它们有相对大的能量需求。

中国专利文件CN102531153A描述了一种MABR，其带有用于将废液从上顶部空间输送到下顶部空间的外部导管。不过该MABR使用位于容器底部的泵，防止生物质沉淀以及保持生物质在整个容器中悬浮和移动。S.J You和W.Y.Chen(International Biodeterioration&Biodegradation,vol.62,pp.2-249(2008))描述了一种使用叶轮搅拌并维持生物质悬浮在废液中的序批式膜反应器，因此使它不容易被清除掉。

本发明的目的是至少解决一个上文所提到的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是减少在膜曝气生物膜反应器(MABR)中搅拌所需要的能量，与此同时保持污染物-降解生物膜和待处理的废水之间进行有效接触，因此提高了废水生物处理系统的性能。在MABR中，生物膜自然固定在透氧膜上。氧气扩散穿过膜，进入生物膜，氧化在生物膜-液体界面处的污染物。氧气供给速率通过膜内氧分压(工艺参数)和膜表面积(设计参数)进行控制。但是，在传统的废水处理工艺中，通过将空气泵入到废水处理储罐的底部来提供氧气。然后空气通过扩散器进入到液体中，形成气泡，在废水中上升，将氧气传递到废水中并且还在处理储罐中形成搅拌。由于MABR没有空气泵入来产生气泡，经过长期试验证明要维持高性能率十分困难。

为了确保MABR成为一种有效的废水处理技术，关键是需要确保反应器被充分搅拌以及尽可能多的在膜-附着污染物-降解生物膜和待处理的富含污染物废水之间的有效接触。申请人提供了一种在MABR处理室或处理罐中充分搅拌废液并同时在MABR处理室中保持较低的搅拌液体所需能量的解决方案。这种搅拌会使液体在MABR处理容器中得到足够的搅拌，但是能使尺寸大于0.5mm分离的生物膜颗粒和其它悬浮固体沉降。

根据所提供的本发明，如附加权利要求中所述的，该类型的膜曝气生物膜反应器(MABR)包括：带有上顶部空间和下顶部空间的腔室；设置在腔室中并从上顶部空间延伸到下顶部空间的膜组，每个膜限定配置用于容纳气相的内腔；输送废液到所述膜组的机构，其中用于输送废液的机构包括设置在腔室中适于在下顶部空间和上顶部空间之间实现流体连通的抽吸管，以及设置抽吸管中的液体输送机构，在抽吸管中液体被从下顶部空间输送到上顶部空间，其中当液体持续在下顶部空间和上顶部空间之间输送时，所述输送机构形成带有力量的液体流，使得已从膜组上分离的生物质和其它固体颗粒沉降。

理想情况下，抽吸管包括与腔室底部隔开的废液入口。这防止了通过废液从膜上沉降下来的颗粒物堵住或阻塞入口。

在一个实施例中，抽吸管包括带有废液出口的向上延伸部分，该废液出口与包括至少一个废液入口的大体横向部分液体连通。优选地，抽吸管大体上是L型。合适地，所述至少一个废液入口设置在大体横向部分的下面。优选地，所述大体横向部分包括多个废液入口，其理想情况下设置在大体横向部分的下面(比如面对着腔室的底座)。合适地是，抽吸管设置在腔室里面，从而所述大体横向部分设置在下底部空间中。

在一个实施例中，所述至少一个入口设置在所述大体横向部分的下面，面对着下顶部空间同时远离上顶部空间。

优选地，设置在抽吸管中的液体输送机构选自设置在其中的用于将气体引入到抽吸管的机构、螺旋泵或叶轮，以提供用于将废液从下顶部空间输送到上顶部空间的机构。

当使用机械构件(如螺旋泵)或用于将气体引入抽吸管的机构时，利用在抽吸管内的废液和抽吸管外的废液之间产生压差形成废液的流动。这种压差使得废液从下顶部空间进入到抽吸管的底部，并向上流经抽吸管到达上顶部空间。

理想情况下，设置在抽吸管中的液体输送机构是设置在抽吸管内的用于将气体引入抽吸管的机构或螺旋泵，由此利用在抽吸管内的废液和抽吸管外的废液之间产生的压差将废液从下顶部空间输送到上顶部空间。

优选地，螺旋泵或用于将气体引入抽吸管的机构位于沿着抽吸管向上延伸部分的任一点。当使用螺旋泵时，废液沿着抽吸管向上延伸部分以朝着上顶部空间的向上方向被泵抽。当使用用于将气体引入抽吸管的机构时，通过附接在抽吸管向上延伸部分侧面的供气管(管道)输送气体，气体在抽吸管中朝着上顶部空间向上上升。通常螺旋泵与抽吸管之间通过技术人员所熟知的任何合适的机构机械连接起来。

在一个实施例中，当设置在抽吸管中的液体输送机构是用于将气体引入抽吸管中的机构时，利用通过将气体引入抽吸管在抽吸管内的废液和抽吸管外的废液之间产生压差，液体从下顶部空间被输送到上顶部空间。

在一个实施例中，抽吸管可以位于腔室的中心以及该组膜环绕抽吸管布置。

在一个实施例中，抽吸管可以位于腔室的侧面。

在一个实施例中，抽吸管可以位于腔室的角落。

在一个实施例中，抽吸管可以位于腔室的中心位置、侧面位置或者角落位置中的至少两处。

在一个实施例中，输送机构产生一流速，其使得腔室容积的所有废液翻转时间为1-60分钟之间。优选地，腔室容积的所有废液翻转时间为1-45分钟、1-30分钟或者1-15分钟。

优选地，输送机构配置用于在进入的废液中产生一流速，使得腔室的液体的水力停留时间在0.5小时或1小时或1.5小时或2小时和15天之间。

根据本发明，如附加权利要求中所述的，提供了一种如上描述的膜曝气生物膜反应器(MABR)的操作方法，所述方法包括启动液体输送机构迫使废液从下顶部空间经抽吸管到达上顶部空间的步骤，其中输送机构形成带有力量的液体流，使得已从膜组上分离的生物质和其它固体颗粒沉降，同时维持液体在下顶部空间和上顶部空间之间连通。

优选地，当设置在抽吸管中的液体输送机构是用于将气体引入抽吸管中的机构时，液体利用腔室中抽吸管内的废液和抽吸管外的废液之间的压差被输送。这使得已从膜组上分离的生物质和其它固体颗粒沉降在腔室中以去除，同时维持液体在下顶部空间和上顶部空间之间连通。

在一个实施例中，废液以一定的流速进行输送，该流速使得腔室容积的所有废液翻转时间为1-60分钟。优选地，腔室容积的所有废液翻转时间为1-45分钟、1-30分钟或者1-15分钟。

优选地，输送机构配置用于在进入的废液中产生一流速，使得液体在腔室中的水力停留时间在0.5小时或1小时或1.5小时或2小时和15天之间。

在本发明的一个实施例中，提供了该类型的膜曝气生物膜反应器(MABR)，包括：带有上顶部空间和下顶部空间的腔室；设置在腔室中并从上顶部空间延伸到下顶部空间的一组膜，每个膜限定配置用于容纳气相的内腔；设置在腔室中的抽吸管，其中该抽吸管适于在下顶部空间和上顶部空间之间供应液体连通以及提供用于将废液输送到所述膜组，以及设置抽吸管中的液体输送机构，其中利用腔室中抽吸管内的废液和抽吸管外的废液之间的压差液体被从下顶部空间输送到上顶部空间，其中当液体持续在下顶部空间和上顶部空间之间输送时，已从膜组上分离的生物质和其它固体颗粒沉降在腔室中以去除。

优选地，设置在抽吸管中的液体输送机构是用于将气体引入抽吸管的机构或者设置在抽吸管中的螺旋泵，废液利用在抽吸管内的废液和抽吸管外的废液之间的压差从下顶部空间输送到上顶部空间。

根据以上描述的MABR装置，也提供了一种膜曝气生物膜反应器(MABR)的操作方法，所述方法包括启动液体输送机构的步骤，以利用腔室中抽吸管内的废液和抽吸管外的废液之间的压差迫使废液从下顶部空间经过抽吸管到达上顶部空间，其中当维持液体在下顶部空间和上顶部空间流体连通时时，已从膜组上分离的生物质和其它固体颗粒沉降在腔室中以去除。

在本说明书中，术语“膜曝气生物膜反应器(MABR)”应该理解表示膜支撑生物膜反应器(MABR)，用于处理废液以清除碳污染物、污染物硝化/反硝化和/或对废水成分进行异生物质生物处理，并且其通常采用空气/氧气/氢气/甲烷(气体)渗透膜(通常是中空纤维膜)在待处理的流体(流动相)和空气/氧气/氢气供给(气相)之间提供界面。液体中可溶解的有机化合物从生物膜-液体界面供应到生物膜，而空气/氧气/氢气是从生物膜-膜界面(通过膜扩散)供应到生物膜。典型地，由异质细菌种群(通常包括硝化、反硝化和异养细菌)组成的生物膜在膜的液相一侧生长。MABR可以实现无泡曝气和较高氧气利用率(高达100％)，生物膜被分隔成需氧/缺氧/厌氧区域以在单层生物膜中同时实现清除含碳有机污染物以及硝化和反硝化。欧洲专利2361367(都柏林大学)描述了该类型的MABR实例，包括包含气相、液相和在气相和液相之间提供界面的气体渗透膜的内腔。

在本说明书中，术语“抽吸管”应该理解成那些本领域技术人员通常知晓的抽吸管，例如在WO 2013177402 A1(Veolia Water Solutions&Technologies Support)中描述的在结晶反应器中用于搅拌的抽吸管。抽吸管提供了废液能通过其在MABR储罐中流动的导管。该抽吸管包括带有废液出口的向上延伸部分，该废液出口与包括至少一个废液入口的大体横向部分流体连通。抽吸管的大体横向部分通常垂直于膜组，同时该向上延伸部分通常平行于膜组。

在本说明中，术语“腔室(housing)”应该理解为储存容器，例如放置在MABR中的储罐。术语“腔室”和“储罐”可以交换使用。

存在一种称为立式螺旋泵的搅拌器。这种类型的泵可以在低排放压力下泵送较大体积。但是，这些泵产生的流速太大并且会在本发明的装置中保持太多悬浮的固体，所以不能使相关分离的生物质和流入固体沉降。

从生物催化的观点来看，在废水处理容器中膜和生物膜越多越好。可是，上述生物膜的某些限制积聚引起了严重的液体流动分布问题。所以，必须保持有效的流动分布。理想的MABR以生物膜积聚、部分清除和再生的循环方式运行。生物膜清除工作可以通过瞬时强烈的空气冲刷来实施，它可以分离大量的生物质。商业上必须增加膜的组装密度以提供单位反应器体积最多的气体传递膜。迄今为止许多实验室规模的研究在文献中报道的是采用较低膜组装密度运行。本发明描述了一种可以低能耗搅拌的装置，该装置形成废液流动以提供生物膜积聚、部分清除和再生；以及可以使尺寸大于0.5mm的分离的生物膜和其它固体颗粒沉降在装置底部。本发明也能实现反应器中的废液和所有的生物膜进行有效的接触。输送机构(例如抽吸管或者类似抽吸管的结构或者向上搅拌的流动通道)的插入也使得能对所述装置中的流动方式进行更多控制。它使得输送机构可以位于腔室中心的一处或几处，在腔室的侧面，或者在腔室的角落，被向下流过膜表面的流体紧密包围。

附图说明

参考附图，从以下描述的实施例中可以更清楚的理解本发明，实施例仅以实例的方式给出，其中：

图1示出了本申请中膜曝气生物膜反应器(MABR)装置的一个实施例的平面图(A)，正视图(B)和侧视图(C)。

图2示出了本申请中膜曝气生物膜反应器(MABR)装置的进一步实施例的平面图(A)，正视图(B)和侧视图(C)。

图3示出了本申请中膜曝气生物膜反应器(MABR)装置的进一步实施例的侧视图。

具体实施方式

本发明涉及处理废液的装置和方法，通过使用低能耗搅拌，其仅使废液产生流动且使得尺寸大于0.5mm的分离的生物质和其它固体颗粒沉降。本发明也可以实现废水和密集堆积的生物膜组的有效接触。输送机构(抽吸管或者类似抽吸管的结构或者向上搅拌的流动通道)的插入也使得能对所述装置中的流动方式进行更多控制。输送机构可以位于膜组的中心、侧面、角落，或者那些位置中两处或者更多的组合，并且被向下流过膜表面的流体紧密包围(参见，例如，图1和图3)。

下面参考附图，其中图1示出了本发明的膜曝气生物膜反应器(MABR)装置的大体实施例。具体地，图1A示出了本发明的典型MABR装置的平面图，大体采用附图标记1表示。MABR装置1包括位于腔室4中的MABR 2。MABR 2包括多个密集堆积的膜组20，其上生长和积聚了生物膜。为了确保废液的恒定液体运动，输送机构6大致放置在MABR 2的膜组20的中心处。该输送机构包括中空管7和叶轮8。在该实例中所述管7是抽吸管7。小马达(未显示)驱动叶轮8，使叶轮8转动或旋转。叶轮8的旋转引起废液流动，使废液从储罐4的下顶部空间14沿着箭头AA的方向运动到储罐4的上顶部空间12。这股向上的废液流经过抽吸管7，在储罐4中引起向下的废液流，从顶部空间12流向顶部空间14，使得所述液体与膜组20具有恒定的动态接触。

参考图2，其示出了装置的实施例，该装置中参考前述实施例描述的部件和步骤被指定了同样的编号。在该实施例中，MABR装置100包括在腔室4中的膜曝气生物膜反应器(MABR)2。MABR 2包括密集堆积的膜组20，其上生长和积聚了生物膜。为了确保废液在装置100中的恒定液体运动，输送机构6位于腔室4内并且大体上与MABR 2并列。输送机构6包括中空抽吸管7(如同图1)和叶轮8。小马达(未显示)驱动叶轮8，使叶轮8转动或旋转。叶轮8的旋转引起废液流动，使废液从储罐4的下顶部空间14沿着箭头AA的方向运动到储罐4的上顶部空间12。储罐4中从顶部空间14流向顶部空间12的废液流AA，使得所述液体与膜组20具有恒定的动态接触。例如，在这里描述的实施例中的输送机构6的位置可以是在腔室4的侧面16(如同图2B)，或者位于腔室4的侧面16和18的MABR 2的任一侧面(如同图2A和2C)。在进一步的实施例中，输送机构6位于MABR装置1、100的所有侧面和所有角落。

图1和图2描述的输送机构6在本领域中已知为抽吸管。围绕叶轮8的中空抽吸管7是喇叭状的结构，使得能够分配来自叶轮8的流体。由于在装置1中的抽吸管7的深度，虽然使用低能耗搅拌器，但它使得能够从所述装置1的深处抽吸输入流进入抽吸管7。搅拌叶轮8下面产生的低压导致液体从抽吸管7的底部冲进来，从而从储罐底部带动废液。

参考图3，其示出了装置的实施例，该装置中参考前述实施例描述的部件和步骤被指定了同样的编号。在实施例中，MABR装置200包括在腔室4中的膜曝气生物膜反应器(MABR)2。MABR 2包括密集堆积的模组20，其上生长和积聚了生物膜。为了确保废液在装置200中恒定液体流动，输送机构6位于腔室4内并且大体上与MABR 2并列。输送机构6包含中空管或者抽吸管7a、7b。抽吸管7a和7b具有大体向上延伸部分(轴)7a，7a带有废液出口52。向上延伸部分7a与大体横向部分(轴)7b流体连通，7b包括至少一个废液入口50。如图3所示，大体向上延伸部分(轴)7a基本上平行于膜组，而大体横向部分(轴)7b垂直于膜组20。

如图3所示，腔室4中抽吸管7a、7b内的液体和抽吸管7a、7b外的液体之间形成的压差引导抽吸管7a、7b中的流体沿AA方向。通过将空气或气体引入抽吸管7a的大体向上延伸部分(通过管道注入空气，或者通过鼓风机(泵)藕接至抽吸管7a的大体向上延伸部分)产生压差，或者通过在抽吸管7a的大体向上延伸部分内部放置螺旋泵来产生压差。注入空气或者气体的位置，或者螺旋泵放置的位置能够是沿抽吸管7a的向上延伸部分的任何地方。抽吸管7b的大体横向部分垂直于所述密集堆积的膜组20延伸并在所述密集堆积的膜组20下方被隔开。导管7b的大体横向部分包含至少一个废液入口50，通过入口50废液从下顶部空间14进入抽吸管7a、7b，然后被输送到上顶部空间12，并穿过膜组20。这产生了向下流过膜组20的流体(与导管7a中的流体AA方向相反)，将分离的生物质带到腔室(储罐)4的底部，在这里生物质能沉降和被清除。储罐4中废液的流体AA从顶部空间14流向顶部空间12，并且回到顶部空间14，使得所述液体与膜组20具有恒定的动态接触。

理想情况下，废液入口50(或者其中多个)设置在大体横向的部分7b的下侧70，面对着腔室4底部且与腔室4底部是隔开的。通常，多个废液入口50面向下顶部空间14或者一般对下顶部空间14打开，并且远离上顶部空间12。这防止了废液入口50被从膜组20上掉落并经过废液的颗粒材料堵住或阻塞。大体上与腔室4的底部隔开也有助于使分离的生物质沉降在腔室4的底部被清除。在这里描述的实施例中输送机构6的位置大体上位于腔室4的侧面16和18(如同图3)。在进一步的实施例中，输送机构6位于MABR装置1、100、200的所有侧面和所有角落。

本发明通过保持液体通过密集堆积的膜表面，解决了水处理设施中与先前使用密集堆积的生物膜支撑膜反应器的至少一个问题。这确保了腔室4的总液体体积被利用并确保了腔室4中所有的生物膜涂覆膜20与搅拌的液体接触。流体的方向也是重要的。MABR装置1、100、200确保流体向下穿过垂直的膜20。当生物膜厚度控制需要(空气)气泡冲刷时，生长在向下流体中生物膜更容易被从膜20的表面冲刷掉。剪切力方向的改变是比增大剪切力来清除生物膜更有效的方法。

题述发明的另一优势是装置1、100、200能以最小的操作间隔、持续高反应率来长时间持续运转。进一步的优势包括减少搅拌能量需求；提供了有效的液体搅拌，即使存在大量会限制流体流的膜时；以及在供应液体搅拌的同时实现悬浮固体沉降和清除。

在说明书中，术语“包括(comprise、comprises、comprised、comprising)”或者其任何变体以及术语“包含(include、includes、included、including)”或者其任何变体被认为是完全可以替换的，它们都应该给予最宽泛的解释，反之亦然。

本发明并不限于以上描述的实施例，在结构和细节上可以进行变化。