用于处理水的模块、反应器、系统和方法与流程

本公开涉及水处理技术，并且特别涉及废水处理。

背景技术：

下面列出了被认为是与本公开的主题相关的参考文献：

-第wo2011/073977号国际专利申请公布

-第wo2008/130885号国际专利申请公布

-第wo2013/059216号国际专利申请公布

-第wo2013/039626号国际专利申请公布

本文中对上文的参考文献的认可不应被推断为意味着这些参考文献与本公开的主题的专利性以任何方式是有关的。

背景

水处理反应器系统可以根据所需的处理类型而变化。一些反应器被认为是生物反应器，因为它们通常利用微生物用于使存在于待处理水中的有机污染物生物地降解。一些反应器采用曝气装置，特别是用于搅动待处理的水。

wo2011/073977描述了一种用于处理废水的系统，该系统包括：至少一个水处理路径，该至少一个水处理路径具有至少一个废水入口、将该路径的内部与外部空气隔开的至少一个氧可渗透的水不可渗透的壁以及至少一个已处理水出口，并且该至少一个水处理路径布置成当废水从至少一个废水入口流到至少一个已处理水出口时用于废水的至少需氧处理；至少一个废水供应管道，其将废水供应到水处理路径的至少一个废水入口；以及至少一个已处理水管道，其从至少一个水处理路径的至少一个已处理水出口供应已处理的废水。

wo2008/130885描述了一种支持膜的生物膜装置，该生物膜装置具有在包含待处理水的罐中的多个中空纤维气体可渗透膜。膜具有约200微米或更小的外径，并且占罐容积的0.5％至4％之间。膜上所支持的生物膜占反应器中的待处理水体积的约40％至80％之间。膜通常是竖直指向的，并且扩展器可以位于装置底部附近以分散膜。还描述了废水处理过程。

wo2013/059216描述了一种用于在膜生物膜反应器中使用的模块和包括这种模块的系统。模块包括由中空纤维膜的片材形成的织物和位于相邻膜片材之间的隔离件材料，隔离件材料缠绕在模块中的中心芯管周围。

wo2013/039626描述了一种具有曝气器的曝气系统，当加压空气的供应被关闭或排放时，曝气器通常充满空气。水不会到达曝气器的专用气泡排放孔，专用气泡排放孔被防止堵塞。曝气器具有主体，该主体具有穿过主体的壁的孔，用于排出气泡。孔由主体的壁上的裙部包围。裙部延伸到孔的高度下方。曝气器主体通过开放的底部室连接到加压气体源。曝气器主体与室的内部之间的开口位于孔的高度下方。当气体供应关闭时，水进入室内，并可能进入裙部。然而，水只能升高直到其到达裙部和开口，这两者都在孔下方，并且整个曝气器主体保持干燥。曝气器污垢减少，并且当供应的气体返回时，曝气器开始快速产生均匀的气泡流。

总体描述

本公开基于改进的反应器的开发，该改进的反应器用于处理水或含介质的水。具体地，已经开发了一种用于处理水的高效的、有成本效益和节省时间的模块，该模块利用长形的套筒状外壳，气体在该套筒状外壳中流动并且可以从套筒状外壳的至少一部分扩散到外壳的外部的水，气体被选择成参与在套筒外的水中的物质(例如，污染物、有机物质)的分解；水进一步暴露到从扩散器装置排出的气体的流，如下文进一步讨论的。

因此，根据其第一方面，本公开提供了一种水处理模块，该水处理模块包括至少一个长形的气体外壳，该长形的气体外壳包括气体入口和两个竖直的壁。至少一个竖直的壁具有水不可渗透而气体可渗透的膜，该水不可渗透而气体可渗透的膜具有面向水的侧面和面向气体的侧面。因此，两个竖直的壁在所述气体外壳的外部的水和所述外壳内的气体之间隔开。气体外壳具有卷绕或缠绕的构造，从而界定了用于气体外壳中的气体的回旋状水平路径和在气体外壳的相对的面向水的侧面之间，即在回旋状外壳外部形成的一个或更多个水处理空间。该模块还包括具有至少一个气体扩散器的扩散器装置，该至少一个气体扩散器构造成将气体的流(通常以气泡形式)引入到该一个或更多个水处理空间中。

在操作中，气体穿过所述膜扩散到该一个或更多个水处理空间中，并且参与水中污染物的分解。此外，在操作中，扩散器装置尤其引起了水中的紊流，这改善了处理的性能。

在一些实施方案中，穿过膜扩散到水处理空间中的气体是氧气或包含氧气，并且通常在膜上形成生物膜的细菌利用扩散的氧并导致存在于水中的有机污染物的分解。从扩散器装置中的至少一个扩散器排出的气体搅动水处理空间中的水，使得水中的细菌营养物质更可用于细菌，并且使附着在壁的面向水的侧面上的生物膜破坏(通过冲刷壁)，从而减少或甚至避免壁和水处理空间的生物膜堵塞。

回旋状的外壳可以界定构造成与所述水连通的一个或更多个长形的水处理空间。在一些实施方案中，回旋状的外壳连同其一个或更多个水处理空间和扩散器装置均浸没入(部分地或全部)在水中。水可以在专用罐、水池、天然水源等内，如下面进一步描述的。在一些其它实施方案中，回旋状的外壳连同其一个或更多个长形的水处理空间使一端部与进给水入口流动连通，并且另一端部与已处理水出口流动连通。

扩散器装置通常位于回旋状气体外壳下面。在一些实施方案中，扩散器装置中的气体扩散器包括位于一个或更多个水处理空间下方的气体释放开口。因此，并且根据一些实施方案，从气体扩散器喷射或释放的气体的流提供水处理空间中的水的混合，外壳的面向水的侧面的至少一部分的冲刷，使水富有用于分解其中的物质所需要的气体等。

在一些实施方案中，模块包括一个或更多个第一隔离件元件，该一个或更多个第一隔离件元件布置在长形的气体外壳内，并构造成在两个竖直的壁的相对的面向气体的侧面之间保持第一最小距离。该一个或更多个第一隔离件元件通常具有厚度或者其它方式构造成保持第一最小距离在约1mm至约20mm之间。

在一些实施方案中，模块包括一个或更多个第二隔离件元件，该一个或更多个第二隔离件元件布置在一个或更多个水处理空间内，以在所述相对的面向水的侧面之间保持第二最小距离。该一个或更多个第一隔离件元件通常具有厚度或者以其它方式构造成保持第二最小距离在约1mm至约20mm之间。

在一些实施方案中，该一个或更多个第一隔离件元件的厚度在1mm至10mm之间，有时在2-4mm之间。

在一些实施方案中，该一个或更多个第二隔离件元件的厚度在1mm至10mm之间，有时在2-6mm之间。

该一个或更多个第一隔离件元件和第二隔离件元件不需要具有相同的厚度，并且在一些实施方案中，该一个或更多个第一隔离件元件和第二隔离件元件的厚度是不同的。

该一个或更多个第一隔离件元件或第二隔离件元件可以具有网格或网的总体形式。虽然它们可以构成独立元件，但是在一些实施方案中，隔离件元件一体形成在竖直的壁中的一个的至少一部分上。例如，这种一体的隔离件元件可以构造为在至少一个竖直的壁上的邻接物(abutments)。邻接物可以具有轨道、凹部、波纹、钩形突出部或其任何组合的形式。

外壳的两个竖直的壁通常是一体的；例如形成(例如通过挤出)为长形的套筒。在还有的一些实施方案中，两个竖直的壁在其顶部端部和/或底部端部焊接至彼此。

通过一个实施方案，气体外壳卷绕成螺旋形。通过另一个实施方案，气体外壳被卷绕(折叠)以形成手风琴状(之字形或“来回蛇形”)的气体流动路径。

水不可渗透而气体可渗透的膜的面向水的侧面的至少一部分支持生物膜在其上的生长。在一些实施方案中，支持生物膜生长的水不可渗透而气体可渗透的膜的面向水的侧面是经处理的表面或包括支持生物膜成长的材料。在一些实施方案中，膜提供了用于生物膜在其上生长的大的表面积，并且膜的渗透性为期望的细菌赋予了选择性优势，例如来自外壳内的空气供应为需氧细菌、来自外壳内的甲烷供应为针对甲烷的甲烷氧化菌赋予了选择性优势，从而支持生物膜成长。

扩散器装置包括用于将气体的流排出到水处理空间中的水中的气体开口。

在一些实施方案中，扩散器装置包括将气泡提供到水处理空间中的水中的气体开口。在这种情况下，扩散器装置被认为是气体喷射装置。

在一些实施方案中，气体扩散器装置包括具有间隔开的气体开口的气体管道。

在一些其它的实施方案中，扩散器装置形成为位于所述气体外壳下方的第二长形的外壳。在一些实施方案中，第二长形的外壳与所述气体外壳一体地形成，如下文进一步描述和示出的。

扩散器装置也是本公开的一部分。具体地，由本公开还提供的是扩散器装置，扩散器装置包括至少一个但优选多个气体扩散器，每个气体扩散器具有第一管道、第二管道和气体/液体室。第一管道在其顶部处与一个或更多个气体排出开口气体连通，并且在其底部处与第二管道流体连通。第二管道在其顶部处与气体/液体室流体连通。气体/液体室具有密封的顶部，该气体/液体室在其底部处向液体源开口，并且与加压气体源气体连通，该压力足以将液体移出室。在操作中，气体将液体从气体/液体室移出，并同时从两个管道移出液体(从排出开口出来)。一旦所有液体已经从两个管道中移出，则在气体/液体室与气体排出开口之间建立起直接的气体连接，导致气体排出的爆发。这种爆发使气体从所述室中流出和液体的重新进入，这导致气体排出爆发停滞；并且然后该操作周期重新开始。

该扩散器装置适合用于在本公开的水处理模块中使用。在这种使用中，液体源通常是待处理的水。这样的扩散器可以与气体外壳和/或隔离件元件隔开。在一些实施方案中，这种类型的扩散器装置与竖直的壁中的底部部分和/或第二隔离件元件的底部部分一体形成。在一些实施方案中，这种类型的扩散器装置一体地形成在气体外壳的底部部分处。

气体外壳可以借助支撑结构保持在在一起。

在一些实施方案中，提供顶部支撑结构，该顶部支撑结构连接到所述外壳的至少顶部部分，并且构造成当模块浸没入在水中时，使外壳维持其预期的回旋状水平路径构造。

在一些实施方案中，提供底部支撑结构，该底部支撑结构连接到所述外壳的至少底部部分，并且构造成当模块浸没入在水中时，使外壳保持其预期的回旋状水平路径构型。

在一些实施方案中，气体外壳的构造由中心竖直支撑结构(通常是从气体外壳的顶端部延伸到底端部的管状竖直支撑结构)支撑。中心管状支撑结构可以具有圆形横截面，例如，当气体外壳螺旋地卷绕时，椭圆形横截面、正方形横截面等相应地与气体外壳一起被卷绕以对应中心管状支撑元件的形状。

在一些实施方案中，中心支撑结构还提供了通道以接收待处理的水并将其引导到一个或更多个水处理空间中。

水处理模块有时可以包括一个堆叠在另一个顶部上的两个或更多个所述长形的气体外壳。在一些实施方案中，两个或多个长形的气体外壳由支撑结构间隔开(每对模块把支撑结构“夹在中间”)。在一些实施方案中，这种堆叠的模块在堆叠中的最低的模块的底部共用扩散器装置。

本公开还提供了一种生物反应器，该生物反应器包括具有进给水入口和已处理水出口的水处理罐和上述类型的一个或更多个模块。生物反应器可以包括同一罐内的一个、两个三个或更多个的模块。

在一些实施方案中，如下面进一步讨论的，容纳待处理的水的盆或天然池或人造池可用作罐。

在一些实施方案中，生物反应器构造成从被处理的水中排出固体。为此，并且根据一些实施方案，罐包括固体排出出口，并且有时还包括用于接收已处理的水并用于从所述已处理水中除去固体的分离罐。

在一些实施方案中，生物反应器包括在所述处理罐的顶部部分处的水堰，该水堰构造成用于接收已处理的水并将已处理的水传送到所述已处理水出口。在一些实施方案中，水堰构建成接收澄清的已处理的水。

在一些实施方案中，生物反应器设置有一个或更多个传感器，该一个或更多个传感器用于监测指示所述处理罐内的水的质量的各种参数。

生物反应器可以是系统的一部分。因此，本公开还提供了一种系统，该系统包括一个或更多个这样的生物反应器和用于控制所述一个或更多个生物反应器的操作的控制器。

在一些实施方案中，两个或更多个生物反应器被串联地相互连接，使得从生物反应器的一个或更多个处理罐流出的已处理水是串联的另一个生物反应器的后续一个或更多个处理罐的进给水。在一些实施方案中，两个或更多个生物反应器也可以并列地布置，以用于使经受处理的水穿过两个或更多个生物反应器并列的流动。在还有一些另外的实施方案中，该系统可以包括两个或更多个生物反应器的组合，该组合串联操作并且伴随着两个或更多个生物反应器并列地布置。

在一些实施方案中，控制器构造成从所述生物反应器的一个或更多个传感器接收数据，并且基于所述数据控制所述扩散器装置的操作。例如，当从已处理水出口排出的已处理水的质量低于预定阈值时，所述控制器操纵扩散器装置以增加喷射到水处理空间内的水中的气体(的体积和/或持续时间)。

本公开还提供了一种处理水的方法，该方法包括：将水引入到本文所描述类型的生物反应器的一个或更多个水空间中；将水处理气体引入到所述至少一个长形的气体外壳中；将气体引入扩散器装置中，从而使气体的流排入到一个或更多个水处理空间；以及收集已处理的水。如可以理解的，上面所界定的操作次序不是顺序的，而是通常全部并行地发生。

根据水中污染物的性质，气体可以是空气、富氧的空气或补充有甲烷、纯氧、纯甲烷或任何含甲烷或氧气体的空气。在待处理的水包括有机物和/或氨的情况下，水处理气体通常是富含氧的气体。当待处理的水包括含氮氧化物的化合物(例如硝酸盐)时，水处理气体也可以是富含甲烷的水的气体。

在一些实施方案中，该方法包括操作所述扩散器装置以连续或间歇地将气体引入到所述水处理空间中。在一些实施方案中，所引入的气体是离散气泡的形式。

在一些实施方案中，该方法包括连续地(i)将水引入生物反应器中；和(ii)收集已处理的水。

在还有的一些实施方案中，该方法包括周期性地排出已处理的水。在该实施方案中，通常在排出已处理的水时，阻止扩散器装置的操作。

在一些实施方案中，该方法包括以下中的任何一个：

-将悬浮形式的生物固体保持在处理罐中；

-使固体与已处理水分离并将所述固体的至少一部分循环到所述处理罐中；

-从所述处理罐的顶部位置排出已处理的水的至少一部分。

最后，在一些实施方案中，该方法包括接收表示所述已处理的水的质量的数据，并基于所述数据控制所述扩散器装置的操作。

附图简述

为了更好地理解本文中公开的主题并且例示其在实践中可以如何实现，现将参照附图仅通过非限制性示例来描述实施方案，在附图中：

图1是根据本公开的实施方案的水处理模块的示意性透视图。

图2a和2b分别是图1的水处理模块的示意性透视截面图(图2a)和分解图(图2b)。

图3a是根据本公开的实施方案的水处理模块的示意性透视图。

图3b-3d分别是图3a中的标记为b-d的区域的放大的更详细的剖视图。

图3e是图3d中标记为e的区域的放大的更详细的视图。

图4a是根据本公开的实施方案的水处理模块的示意性透视截面图。

图4b和图4c分别是形成这种处理模块的一部分的壁的平坦段的具有部分切下的侧视图和底部透视图。

图5a是根据本公开的实施方案的水处理模块的示意性透视截面图。

图5b是形成这种处理模块的一部分的壁的平坦段的具有部分切下的透视图。

图5c是图5b的节段的底部部分的分解图，示出了扩散器。

图5d是图5c的扩散器的操作阶段的示意图。

图6a和图6b分别是根据本公开的实施方案的从扩散器装置的上方看的侧视图和视图。

图7a-7b分别是根据本公开的另一个实施方案的模块的透视图和分解图。

图8a-8c分别是具有本公开的模块的罐的透视截面图(图8a)，这种罐的分解图(图8b)和具有多个这种罐的水处理系统图8c)。

图9a-9c分别是根据本公开的另一实施方案的具有模块的罐的透视截面体(图9a)，这种罐的分解图(图9b)和具有多个这种罐的水处理系统(图9c)。

图10a-10b分别是根据本公开的实施方案的容纳在加强结构中的堆叠的模块(图10a)和具有多个这样的模块的系统(图10b)。

图11a-11b分别是根据本公开的另一实施方案的容纳在加强结构中的堆叠的模块(图11a)和具有多个这样的模块的系统(图11b)。

图12a-12c是根据本公开的一些实施方案的用于对水进行反硝化的工艺流程图。

图13是根据本公开的一些实施方案的用于水的需氧生物处理的工艺流程图。

详细描述

参考图1，提供了根据本公开的一个实施方案的水处理模块，总体上标示为100，并且包括长形的气体外壳110，外壳110包括气体入口112并且气体入口112界定在两个竖直的壁114和116之间，该两个竖直的壁中的至少一个包括水不可渗透而气体可渗透的膜。每个壁114和116分别具有面向水的侧面114a和116a，以及分别具有面向气体的侧面114b和116b(面向水的侧面和面向气体的侧面还分别被称为“外表面”和“内表面”)。

两个竖直的壁在其顶端部118和底端部120中的任一个处被纵向地密封。密封可以通过焊接、粘合、缝合或固定地附接两个壁以形成液体密封的外壳的任何其它方式。在可选的实施方案中，外壳形成为单个单元，其中两个壁一体地形成为长形套筒的一部分。

气体外壳110被卷绕或缠绕(折叠)以形成回旋状的水平路径构造。在该特定实施方案中，气体外壳110以同心螺旋构造来卷绕。然而，其它构造同样适用。在一些可选的构造中，通过以椭圆形螺旋形式卷绕外壳来提供回旋状的水平路径。然而，在一些其它可选构造中，回旋状的水平路径通过缠绕手风琴状(“来回蛇形”或“之字形”)构造来提供，如图7a中所示。

壁114和116在它们相应的面向水的侧面之间界定连续且同样地螺旋的水处理空间122，水处理空间122形成在外壳110的相对的面向水的侧面之间。在一些实施方案中，回旋状的外壳界定了多于一个的长形水处理空间。这例如通过将竖直延伸的分隔壁从一个壁的一侧引入到它相对的壁(未示出)的面对侧来实现。

壁114和116两者是水不可渗透的。并且壁114和116两者中的至少一个有时包括气体可渗透的膜部分。在一些实施方案中，膜包含聚合物织物。例如，聚合物织物可以是非织造聚合物织物，例如由挤出涂覆或层压有第二面向水的聚合物膜或层的第一聚合物片材形成的织物。通过一些实施方案，第一聚合物片材包括聚烯烃(包括纺粘的聚烯烃)，例如聚乙烯(特别是高密度pe)或聚丙烯，或包括聚酯。

面向水的聚合物膜或层是可以使膜具有水不可渗透性同时允许气体可渗透性的膜或层。在一个实施方案中，面向水的聚合物片材包含由于其气体可渗透性而闻名的聚(丙烯酸正烷基酯)均聚物和共聚物。在另一个实施方案中，面向水的聚合物片材包含通常用于气体可渗透的包装中的聚(甲基戊烯)如聚(4-甲基-1-戊烯)(pmp)。

应注意，聚(丙烯酸正烷基酯)与聚烯烃相容，而聚(甲基戊烯)与聚酯相容。因此，在一个实施方案中，水不可渗透而气体可渗透的膜包括包含聚烯烃的第一聚合物片材和包含聚(丙烯酸正烷基酯)的面向水的聚合物片材；并且在另一个实施方案中，水不可渗透而气体可渗透的膜包括聚酯和包含pmp的面向水的聚合物片材。

形成水不可渗透而气体可渗透的膜的聚合物可以通过本领域已知的任何合适的技术(例如挤压涂布、热层压和/或冷层压)来进行组合。

本公开还提供了一种长形的外壳，其包括与所述外壳内的内部长形路径分离的壁和在所述长形外壳外部的空间，该壁包括挤压涂覆有第二水不可渗透而气体可渗透的膜的第一聚合物材料。

应当注意，上述的示例性聚合物织物和材料也适用于上述其它实施方案中。

气体穿过入口112进入气体外壳，并且当气体沿着气体外壳110流动时，气体的部分经由气体不可渗透的膜扩散到水空间中的周围水中。有时，并且根据一些实施方案，气体外壳110包括气体出口124，气体从该气体出口124或排出到大气中，吹入到水处理空间内的水中，被收集和/或再循环到气体外壳中。气体流动通常在从气体入口112到气体出口124的方向上，并且在图1中，该方向遵循大致水平的螺旋路径。

在使用中，当水空间122容纳弄脏的或被污染的水时，生物膜将在包含水不可渗透而气体可渗透的膜的壁的面向水的侧面上生长。模块100还包括扩散器装置126，扩散器装置126包括气体入口128，气体入口128经由专用管，例如歧管130与扩散器132进行气流连通，扩散器132各自具有构造成将气泡的流释放到水处理空间122中的至少一个开口。在一些实施方案中，扩散器装置126构造成并且可操作成引入气泡的流，使得气泡的流沿着气体外壳110的面向水的壁向上流动。在一些实施方案中，从扩散器的开口排出的气体有助于水紊动和混合，从而一方面支持生物膜生长，并且另一方面，通过生长的生物膜使水空间的堵塞最小化。

在图1所示的实施方案中，扩散器132位于外壳110的底部部分处，并且当操作时，气泡从开口134排出，穿过水处理空间122并大致沿着外壳110的相对的面向水的对面侧向上移动。这种气泡的流提供以下中的至少一种：(i)混合水体积以允许存在于水中的生物膜营养物质与悬浮在水中的生物膜接触并且大致沿着外壳壁的面向水的侧面的整个长度附接到膜；和(ii)冲刷附着在膜上的生物膜，从而使水空间由于生物膜的堵塞最小化；和(iii)使沉降生物质悬浮并均匀分布到水处理空间中的水体积中。

在一些实施方案中，扩散器132构造成提供细小的气泡。在一些实施方案中，扩散器构造为多孔的或有孔的管、冲孔的或有孔的膜、具有细孔的膜或喷嘴。

根据一些其它示例性实施方案，扩散器可以具有面向下的开口，例如在图4a-4c中看到的，或者可以具有如图5a-5d中所示的构造或如图6a-6b中所示的构造。扩散器可以构造为以连续模式操作，即引入连续的气泡的流，或者可以构造为以间歇模式或仅在需要时操作(例如当存在堵塞的风险或堵塞的迹象时)。

通过本公开的实施方案的示例性模块在图2a和图2b中示出。为了简单起见，相同的数字用于表示具有与图1的功能或结构相同的功能或结构的元件，并且读者参考图1的描述以获得结构或功能的解释。在图2a-2b中，注意扩散器装置126，扩散器装置126包括供给管128，该供给管128连接到通常是加压空气的气体源(未示出)，结合到具有多个气体排出开口(不可见)的歧管或管的阵列(在该示例中3个圆形管)123。在一些实施方案中，气体排出开口形成在管的底部。在一些实施方案中，歧管或管的阵列被布置为大致平行的直管的阵列。

加强结构还在图2a和图2b中示出，该加强结构包括顶部支撑元件140、底部支撑元件142和中心芯体元件144。构造为网状物的底部支撑元件还使空气能够从扩散器装置126通过整个水处理空间以及使水能够通过进入到水处理空间中。

在一些实施方案中，模块100包含加强/支撑元件中的至少一个。在一些可选实施方案中，所述加强元件的组合包括在模块中。

支撑元件(顶部、底部和/或芯体)构造成用于优选地当气体外壳被浸没(甚至部分地)在水中时，使外壳110保持在其回旋状构造中。例如，通过将外壳110连接到或以其它方式牢固地附接到所述加强结构来实现固定。有时，顶部支撑元件140和底部支撑元件142固定到中心芯体元件144。

底部支撑元件142还被构造成并且可操作成将外壳110保持在扩散器装置120上方。在多个模块100以一个堆叠在另一个之上的情况下，在底部模块下方可以有一个底部支撑元件142，以及在上部模块上方可以有一个顶部支撑元件140，或者也可以提供定位在两个堆叠模块之间的中间支撑元件。单个中心芯体结构144可以用于同心地对齐两个或更多个堆叠的水处理模块。

在一些实施方案中，中心芯体结构144还用作在间歇性气体从扩散器喷射和由此水混合事件之间的水的进给缓冲器(或进给槽)，从而在间歇混合事件期间穿过该进给缓冲器将水混合到水处理空间中，并且因此原废水(即处理前的水)不会与竖直的壁(和膜)直接接触，并且不会引起生物膜过度生长和随之发生的膜堵塞。

本公开还提供了一种生物反应器，该生物反应器包括在水处理室内的水不可渗透而气体可渗透的膜，以及一体地形成在所述生物反应器内的第二室，该第二室构造成接收待处理的水并将所述水传送到水处理室。在一些实施方案中，第二室物理地位于水处理室内。

加强结构可以以各种形状来构造，并且由各种材料形成，这些材料例如但不限于玻璃纤维、纤维加强聚合物和/或不锈钢。

在一些实施方案中，中心芯体元件144可以用作骨架，模块100的元件连接至该骨架并因此固定在适当位置中。在一些实施方案中，中心芯体结构144具有至少200mm的横截面尺寸。如所理解的，中心芯体结构144的尺寸可以根据模块的总体尺寸而变化。通常，相对于有效的体积使用，中心芯体结构的横截面尺寸应当是小的，但是不要太小，以允许气体外壳围绕其卷绕以及在操作期间足够的水流过其间。

现在转到图3a-3e，示出了与图1和图2的水处理模块类似的水处理模块，现在示出了隔离件元件。为了简单起见，图1和图2中所使用的相同附图标记用于表示图3a-3e中的相同元件，并且读者参考上述描述以获得这些元件的结构和功能的解释。

图3b提供了图3a中的部分b的放大图，并且示出了第一隔离件元件150，该第一隔离件元件150设置在长形的气体外壳110内，并构造成在外壳110的两个竖直的壁114和116的相对的面向气体的侧面之间保持第一最小距离。该实施方案的第一隔离件元件150具有网状结构。在一些实施方案中，第一隔离件元件150可以延伸穿过整个外壳，并且在一些其它实施方案中，数个分离的隔离件元件沿着外壳110布置，每个隔离件元件占据外壳的一部分。

第一隔离件元件150被设计成确保气体外壳110中的流动气体的开放通道，换句话说，确保气体外壳110的相对的面向气体的壁之间的最小距离。

如在图3c中可以见到的，第二隔离件元件160布置在水处理空间122中，位于外壳110的相对的面向水的面对的侧面之间。第二隔离件元件160构造成保持外壳110的所述两个相对的面向水的面对的侧面之间的第二最小距离。

在一些实施方案中，第二隔离件元件160是具有带凹部的邻接物162的阵列(即，每个邻接物在一侧上界定凹部而在另一侧上界定突出部)的片材，邻接物在片材的相对侧突出，一侧的突出部的顶点界定的平面和在另一侧的突出部界定的平面之间的距离界定隔离件元件160的厚度。通过形成片材的部分而形成的这些突出部(从而在相对侧上留下凹陷)还可以在图3e中看到。

在水处理空间处，第二隔离件元件和外壳110一起来布置。在一些实施方案中，第二隔离件元件160可以沿着外壳110延伸贯穿整个水处理空间，并且在一些其它实施方案中，数个分离的隔离件元件布置在所述空间内，每个隔离件元件占据所述空间的一部分。

第二隔离件元件160被设计成确保用于水处理空间122内的水的开放空间；换句话说，确保在外壳110的壁的相对的面向水的面对的侧面之间的最小距离。虽然空间122有时会扩大，但是第二隔离件确保两个竖直的壁之间的间隙将不会小于由第二隔离件元件的宽度决定的最小距离。

应当注意，第一隔离件元件150和第二隔离件元件160的结构和构造仅是示例，并且不限于所示的那些结构和构造。此外，第一隔离件元件和第二隔离件元件可以具有相同或不同的构造，各自独立地可以是开放的流动或液压元件的形式，例如网，或是具有突出部的片材，诸如所示的带凹部的片材的形式。在一些实施方案中，突出部仅在一个方向上从片材(单侧突出部)延伸，并且在一些其它实施方案中，突出部在两个相反方向上从片材延伸(双面突出部)，如图3c和图3e中所示。

作为带凹部片材的替代方案，隔离件可以包括附接到至少一个竖直的壁的至少一侧的分散的单独和离散的三维元件，从而保持由离散元件的厚度决定的距离。在一些实施方案中，这些单独的元件由聚合物材料(如施加到竖直的壁的面向水的侧面和/或面向空气中的任一侧上的热胶)形成。在其它实施方案中，这些单独的元件由放置在一个或两个竖直的壁的面向水的侧面和/或面向空气的侧面中的任一个的侧面上的诸如塑料盘状物的片形成。

本公开还提供具有至少一个隔离件元件的生物反应器，该至少一个隔离件元件包括表面保持的、离散的、间隔开的邻接物(三维元件)。在一些实施方案中，间隔开的邻接物位于如本文公开的水不可渗透而气体可渗透的膜上。

本文还公开了一种长形的外壳，该长形的外壳包括与所述外壳内的内部长形路径隔开的壁和所述长形外壳外部的空间，该壁整体地包括本文中所描述类型的离散的间隔开的邻接物。

在一些实施方案中，具有间隔开的邻接物的膜形成本文所描述类型的生物反应器的一部分。

在一些实施方案中，第一隔离件元件和/或第二隔离件元件是任何上述隔离件构造的组合。例如，隔离件元件可以包括层压到带有凹部的片材等的网状结构。

由第一隔离件元件(如图示的隔离件元件150)所决定的最小距离和由第二隔离件元件(如所示的隔离件元件160)决定的最小距离是彼此独立的并且可以相同或不同。

第二隔离件的类型和/或宽度的选择可以取决于待处理的水的类型。第一隔离件的类型和/或宽度的选择可以取决于待引入外壳的气体的类型和一些操作条件，例如外壳内的气体压力等。

当使用相同构造的隔离件时，它们被布置成使得它们不互相交叉，例如当两个隔离件具有诸如所例举的凹部的突出部时，隔离件可以布置成使得来自一个隔离件的这种突出部/凹部基本上面对来自另一个隔离件相对的突出部/凹部，以避免突出部的相互交叉。类似地，当使用网格或网状物形式的一个隔离件和具有突出部的片材形式的另一个隔离件时，这些隔离件可以布置成使得突出部不配合到另一隔离件的开口中。

隔离件元件可以是相同或不同的材料。在一些实施方案中，隔离件元件150和隔离件元件160各自独立地由耐水聚合物材料制成。聚合物材料的非限制性实例包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)，聚丙烯、聚酰胺。

在一些示例中，隔离件的特征是具有由制造商确定并通过国际上已知的标准测试的高于2吨/平方米(有时高于20吨/平方米)的压缩强度，以符合至少两个要求：(i)承受加工期间所施加的力；和(ii)承受水压(主要适用于来自第一隔离件150的要求)。

图3e是模块100的一部分的顶部放大图，具体显示了顶部支撑元件140、具有气体出口124的中心芯体元件144。在图3a-3e的示例性实施方案中，长形外壳110在中心芯体结构144之上卷绕。

虽然在某些实施方案中，第一隔离件元件和第二隔离件元件是单独形成的元件，但是在一些其它实施方案中，第一隔离件元件或第二隔离件元件与外壳110的至少一个竖直的壁一体地形成。因此，有时一体式竖直的壁构造成提供数个功能：(i)防水性；(ii)水侧间距；(iii)气体侧间距和(iv)任选的气体渗透性和生物膜生长支持。这可以，例如但不限于，通过具有形成在内表面和外表面上的一体形成的突出部的水不可渗透而气体可渗透的膜来实现。

类似地，在一些其它实施方案中，第二隔离件元件与外壳110的至少一个竖直的壁一体地形成。这意味着外壳的竖直的壁中的至少一个构造成还提供距其相对的面向水的面对的竖直的壁的最小所需距离。换句话说，膜在一个面向水的侧面上具有突出部，该突出部保持距相对的面对的壁的间距。在一些实施方案中，一体的间隔壁构造成提供数个功能：(i)防水性；(ii)水侧间距；(iii)任选气体渗透性和生物膜生长支持。这可以，例如但不限于此，使用具有与其一体形成的向外延伸的突出部的水不可渗透的气体可渗透的(可选)膜来实现。

在一些实施方案中，外壳的两个竖直的壁中仅一个是气体可渗透的。在一些实施方案中，一个或两个竖直的壁中的仅部分是气体可渗透的。在还有的一些其它实施方案中，外壳的竖直的壁中的一个或两个基本上是完全是气体可渗透的。

本公开还提供了一种长形的外壳，该长形的外壳包括与所述外壳内的内部长形路径隔开的壁和所述长形外壳外部的空间，该壁的至少一部分包括气体可渗透的膜，所述壁还包括从所述外壳向外延伸和/或向内延伸进入所述内部路径的间隔开的邻接物。

现参考图4a-4c，示意性地示出了根据本公开的另一个实施方案具有扩散器装置的模块。通过变动100而与图1至图3中所使用的附图标记相同的附图标记用于标识具有相似功能的部件。例如，图1中的部件110是功能与图4a中的外壳210相同的外壳。读者参考上述相应的描述，以获得这样的元件的结构和功能的解释。

图4a-4c所示的实施方案与图1-3所示的模块不同之处在于曝气装置的构造方面，在于现在以形成在两个竖直的壁214'和216'之间的长形的第二外壳226的形式提供，该两个竖直的壁214'和216'分别是壁214和壁216的延伸部分并且和壁214和壁216一体形成。

扩散器装置226设置有形成在外壳226的底侧处的开口形式的气体入口孔264和间隔开的气体扩散器开口232，使得气泡从开口232排出到水处理空间222中并且沿着如箭头233所示的外壳210的壁的外表面上升。可以看出，扩散器装置226还包括隔离件元件250'，隔离件元件250'被示出为具有与元件250的构造相同的构造(尽管可以具有不同的构造)。

本公开还提供了一种长形的外壳，该长形的外壳包括与所述外壳内的内部长形路径隔开的壁和所述长形外壳外部的空间，所述外壳包括用于处理水的第一长形区域和与第一长形区域平行的第二长形区域，该第二长形区域构造成在所述第一长形区域处将气体排出到长形外壳的面。

图5a-5c示出了根据本公开的另一实施方案的水处理模块。为了简单起见，通过变动200而与图1至图3中所使用的附图标记相同的附图标记用于标识具有相似功能的部件。例如，图1中的部件110是功能与图5a中的外壳310相同的外壳。读者参考本说明书的相关部分以获得结构和功能的解释。

本公开的模块300的独特特征是扩散器装置中的扩散器，其可在图5b中看到，并且在图5c中更详细地示出。如下面将进一步解释的，该扩散器装置是可操作的以脉动地(用作脉动的排放扩散器)排放气体。在图5d中示意性地示出了操作方式。

本实施方案的扩散器装置326包括长形的倒槽形元件368，该长形的倒槽形元件368具有带有多个开口334和开放底部的密封顶端部370(见图5b)。如在图5c中可以最佳地见到的，元件368形成在具有多个凹陷375的带凹部的面板374和气体外壳310的竖直的壁316的底部部分之间。在面板374中形成的是长形凹槽，包括第一水平长形凹槽376a和三个竖直长形凹槽，三个竖直长形凹槽包括第二凹槽376b、第三凹槽376c和第四凹槽376d，第二凹槽376b从带凹部的面板374的顶部延伸到底部，第三凹槽376c从凹陷部分376a的端部向上延伸并且在面板的顶端部370下方终止，第四凹槽376d从面板的顶端部370朝向第一凹槽376a的中间部分向下延伸，但是在第一凹槽376a上方终止。凹陷和长形凹槽的深度以及界定顶端部370的壁的宽度大体相同，并且因此凹陷和凹槽位于壁316上并且依附到壁316的相对部分。通过这种依附，具有开放底部的液体/气体室378被界定在两个连续的凹槽376b之间，这两个连续的凹槽376b通过大致u形的管道380连接，该管道380包括向下的管道段380d和在开口334处终止的向上的管道段380u。壁316的底部部分包括多个孔口382，该多个孔口382各自通向室378中的一个，允许来自外壳310的气体穿过室的开放底部进入室378以填充室并从其离开以排空该室。通过穿过孔口382进入的气体压力的作用，气体将以脉动的方式从开口334中释放出来，这在下面将参考图5d进行图示。

图5d中示出了该实施方案的扩散器装置的操作方式。首先(阶段1)，室378充满水，水穿过开放的底部进入。同样地，管道380的两段(通过段380d和380u示出)也充满水，水穿过开口334进入。然而，由向下的箭头表示的气体压力(穿过孔382；在该图中未示出)在室内和管道380中的水上施加排放力(阶段2)。在水位达到管道段380u(阶段3)的底部水平的阈值阶段之后，所有的水从管道排出，并且然后来自室378的气体可以以突发的形式穿过开口334流出，这将气体从室排出(第4阶段)，允许液体返回，如通过向上箭头所表示的，直到返回到初始阶段(阶段5)。

图6是另一实施方案的扩散器装置的示意图，该扩散器装置尽管结构上不同，但是以功能上相似于图5a-5d中的方式的方式操作。总体标识为402的扩散器装置是模块400的一部分，并且包括气体/液体室478，气体/液体室478具有开放底部并连接到加压空气源406。形成在室478内的是向上指向的第一大致竖直的管道480d，其在功能上等同于向下的管道380d，并且界定了容纳第二大致竖直管道480u的圆柱形空间404，，第二大致竖直管道480u在功能上等同于向上的管道380u并且与扩散器头部438流体连通，在该实施方案中扩散器头部438包括两个交叉的开口阵列(图6b)，但是也可以具有大量的其它构造。

从操作的角度来看，最初气体/液体室478、由第一大致竖直的管道380d和第二大致竖直的管道480u界定的圆柱形空间404填满了水。然后，气体压力施加排水力，如果水位在气体/液体室478中，该排水力导致其下降，并且同时管道在第一大致竖直的480d和第二大致竖直的管道380d中向下推动水，水穿过扩散器438离开。一旦第一大致竖直的管道480d和第二个大致竖直的管道480u排出水，如此建立的向下进入到第一大致竖直的管道480d中和向上在第二个大致竖直的管道480u中的气体连通导致气体排放从扩散器头部434爆发出来。该爆发排出气体，导致水重新进入和运行周期的重新开始。

现在转到本文公开的模块的可选构造，参考图7a-7b，其提供了根据另一实施方案的模块500的示意性透视图。为了简单起见，通过变动400而与图3a中所使用的附图标记相同的附图标记用于标识具有相似功能的部件。例如，图2中的部件110是具有与图7a-7b中的气体外壳510相同功能的气体外壳。

图7a和图7b示出了模块500，模块500具有气体入口512和气体出口524、顶部支撑元件540和底部支撑元件542和具有沿管(未示出)的整个长度散布的多个气体排出喷嘴的扩散器装置526。气体外壳510处于来回缠绕(之字形)构造，而不是上面所描述的同心的，螺旋形的构造。

在一些实施方案中，外壳510在支撑结构540的竖直元件543之上缠绕或围绕其缠绕。

在一些实施方案中，外壳510具有沿其长度的类似于气体入口512的数个气体入口512和数个气体出口(如气体出口524)，以便减少压降或水头损失。沿着长形外壳510的长度的一些点，存在用于排出冷凝水和泄漏物的出口(未示出)。另外，该模块以与上面所描述的其它实施方案的水处理模块类似的方式进行功能操作。

在一些实施方案中，模块形成生物反应器的一部分，其中所公开的模块中的一个或更多个被置于水环境中，例如，罐、盆、水池等，如下面关于图9a和9b所进一步详细描述的。

图8a-8b是生物反应器的示意图，而图8c是本文中所描述的生物反应器阵列的示意图，该生物反应器阵列在包括图8a和8b所示类型的多个生物反应器的系统内，该生物反应器阵列借助互连管处于流动连通。

具体地，如在图8a和图8b中见到的，模块600是其中一个堆叠在另一个顶部的两个缠绕外壳组件610的堆叠，具有顶部支撑元件640、底部支撑元件642和中间支撑元件641以及扩散器装置626。

每个模块600被包围在相应的罐602内，罐602包括构造成保持待处理的水的罐盖602'并且模块600浸没入在水中。顶部支撑元件经由附接元件645附接到罐602和罐盖602'。罐602包括进水口605和已处理水出口606。

在一些实施方案中，也如图8a-8c中所示，每个罐602还配备有集水堰608，集水堰608位于罐602的顶部并且构造成从罐602内的水的顶部水平收集已处理的澄清液。在一些实施方案中，堰608具有仅允许水进入堰的多孔槽的形状。在操作上，罐602容纳生物质，并且在扩散器装置不活动(即，在混合事件之间))且生物质被允许至少部分地沉淀在罐602中时的操作期，使已处理和澄清的水通过澄清的水的溢出而排出到堰608中。堰608中的水被引导到堰的底部处的已处理水出口。周期性地，通常也在用扩散器装置的混合事件之间，已沉降的生物质可以经由生物质排出出口(未示出)从罐602排出。排出的生物质然后可以再循环到生物反应器中或再循环到不同的生物反应器中或被收集以供将来使用。

本公开还提供了一种用于水处理的生物反应器，该生物反应器包括水处理空间和在所述水处理空间的顶部处的一体形成的堰(室)，所述堰构造成接收澄清的已处理的水并将所述澄清的已处理的水从生物反应器排出。在一些实施方案中，一体形成的堰是可操作的以当水处理空间中的水处于静止时(即在水中基本上没有混合或紊动)，排出澄清的已处理的水。

如本文公开的生物反应器还可以或作为堰608的可选方案配备有固液分离罐(例如澄清器)，固液分离罐用于接收包括悬浮固体的排出的已处理水并用于从所述已处理的水中除去固体。具体地，还如图12b中所示，其中具有悬浮固体的已处理的水(经由已处理水排出出口)排出到专用的水固体分离单元(“澄清器”)中。收集的生物质可以再循环到生物反应器中或被收集以用于将来使用，同时已处理的和澄清的水被收集。

此外，本文公开的生物反应器可以包括一个或更多个传感器，该一个或更多个传感器用于感测指示所述罐内的水的质量的一个或更多个处理参数。传感器可以是已知的或需要在水的质量监测和保障中使用的任何类型的传感器。这些传感器包括ph传感器、氧化还原电位(orp)传感器、溶解氧传感器、光密度传感器(浊度传感器)、化学传感器(例如用于确定包含硝酸盐或氨的含氮化合物的含量)和电位传感器等中的任何一种和任何组合。通常，但不排他的或强制的，传感器将位于已处理水的出口处，以便监测已处理水的质量。在一个实施方案中，所监测的参数用于控制生物反应器的一个或更多个元件的操作。在一些实施方案中，基于从一个或更多个传感器接收的数据，可以操纵扩散器装置的操作。例如，作为对流出物质量下降的任何指示的响应，可以增加由扩散器装置引起的混合频率和/或混合持续时间。

此外，生物反应器可以包括多个模块。在一个实施方案中，以与图8a-8b中所示的类似的方式将两个模块一个放在另一个的顶部上。

在一些实施方案中，各自包含一个或更多个模块，例如图1至图3或图8a或图8b中任一个所示的类型的模块的多个处理罐布置成串联连接以形成上游的处理罐阵列和下游的处理罐阵列，其中每个阵列中的模块全部并联连接。待处理的水首先进入上游的模块阵列并由上游的模块排列处理，然后将其传送到下游的模块阵列。

本文公开的生物反应器还可以是水处理系统601(水处理站)的一部分，例如图8c中示意性地示出的(一个生物反应器的盖子的部分已被移除以显示内部元件)，水处理系统601包括图8a-8b所示类型的多个生物反应器602。给水管道692将待处理的水供给到每个生物反应器，并且已处理水经由排出管道693排出。至气体外壳的气体(例如空气)经由第一气体管道694来供给，并且扩散器装置经由第二气体管道695接收气体，通常是空气，两个气体管道使用鼓风机gb1和鼓风机gb2被进给相应的气体。系统的操作由控制模块696控制。

图9a-9c示出了另一个实施方案的系统，如在图9a-9b中所见到的，该系统利用图7a-7b中所示类型的水处理模块并且与图7a-7b中使用的那些元件相同的元件用于相同的元件。图9c中所示的系统本身包括堆叠在底部系列的生物反应器上的顶部系列的生物反应器，但是在别的方面该系统在功能上类似于图8a-8c的系统，除了管道系统加倍，每个生物反应器系列一个管道的事实外。因此，与图8c中所使用的附图标记相同的附图标记用于管道系统的功能等效元件，其中“a”用于底部元件以及“b”用于顶部元件(例如，水管道692a和692b)。

在可选实施方案中，根据本公开的系统可以包括一起浸没在单个罐内的多个模块，如图10a和10b的示例性图示中所示。为了简单起见，与图8a和8b中使用的附图标记相同的附图标记用于标识具有相似功能的部件。

图10a示意性地示出了浸没入水中的单个模块600的另一个实施方案，模块600包括处于与图8a中所示的布置类似的布置中的两个气体外壳610。与稳定元件697一起装配的模块600的元件也连接到支撑元件640和642(在图10a中不可见)。稳定元件697通常构造成将浸没入的模块保持在适当位置中，并为它们提供足够的重量以便在水环境中使整个结构稳定。可选地，浸没入水中模块可以通过诸如螺旋锚、钩、吊架和螺栓的机械装置机械地附接到罐的地板上。

图10b示意性地示出浸没入在共同的罐602内的图10a的多个模块的实施方案的一部分。图10b还示出了的是进给水入口605、沉淀的污泥排出出口611、已处理水出口606，已处理水经由堰608的排出由排放阀606'控制，在扩散器装置的操作期间，该阀处于闭合构造。

图11a和11b分别提供了与图10a和10b中所示的模块和系统相似的模块(图11a)和系统(图11b)，尽管其是图7a-7b中所示的类型。该组模块放置在单个罐602中，每一个模块借助于稳定元件697保持在适当的位置中。

如本领域技术人员可以理解的，本文公开的模块、生物反应器和/或系统可以被构建和操作以结合其它类型的模块、生物反应器和/或系统来处理水。在一些实施方案中，包括如本文中所公开的多个模块或生物反应器的系统可用于与一种或多种其它类型的水处理模块组合来提供水的第一阶段或随后的水处理阶段。换句话说，本发明的系统可以作为完整的水处理站的一部分安装在其它水处理系统的上游和/或下游。不限于此，本文公开的模块、生物反应器和/或系统可以结合pct公开第wo/11073977号中公开的系统来操作，该公开的内容通过引用并入本文。总体上，wo/11073977描述了一种系统，该系统具有类似于本文公开的气体外壳的螺旋卷绕的外壳，该螺旋卷绕的外壳旨在保持和引导水并支持其内的生物膜生长。

本文公开的模块、生物反应器和/或系统可以构造成使用相应的不同类型的气体来处理各种类型的水。在下文中，当提到系统时，应当理解为类似地参照模块或生物反应器加上必要的修改。下文中，参照图12a-12c和图13a-13c中所示的流程图描述了利用本文公开的系统的水处理的一些示例性方法。为了简单起见，在图12a-12c和图13a-13c中使用相同的附图标记表示相同的元件。

总体上，该系统构造成通过执行以下一般方法步骤来进行水处理：

-将气体引入到气体外壳中；

-将待处理的水引入到生物反应器中；

-操作扩散器装置(连续地或周期性地或根据需要)以将气流引入到保持在生物反应器内的水中；

-收集已处理的水。

在一些实施方案中，引入到气体外壳的气体是空气。在一些其它实施方案中，引入到气体外壳的气体是富氧的空气、另一种含氧气体混合物或甲烷或含甲烷的气体混合物。

在一些实施方案中，系统以分批次模式操作，即，一批水被引入到生物反应器中，并且一旦水达到所需要的质量(所需要的质量取决于特定需要的水，并且通常是视具体情况而定的情况所确定的先验)则收集已处理的水。当以批量模式操作时，一旦已处理的水达到预定质量标准，，则已处理水通常经由处理水出口来收集。预定的质量标准可以根据以下变化：水的类型、已处理水的所界定的用途(例如用于饮用、用于灌溉、用于工业等)、处理阶段，例如，当系统是包括水处理系统的组合等的水处理站的一部分时。

在一些其它实施方案中，系统以连续模式操作，其中水从一个位置连续引入生物反应器中并从生物反应器的另一位置排出。

在还有的一些其它实施方案中，系统被操作使得待处理的水以基本上连续的模式进给，同时已处理的水周期性排出。已处理水的排出在扩散器装置的操作期间停止，并且因此罐内的水的混合也停止。

在一些实施方案中，气体装置周期性地操作。作为示例，扩散器装置可以每5-20分钟有规律地运行10-20秒。另外或可选地，扩散器装置可以根据需要来操作，例如，以允许当检测到这种积聚或水的质量劣化时(例如使用诸如orp或do的专用传感器)和/或当需要在经受处理的水中引起湍流并从而混合悬浮固体时，冲刷膜上过度积累的生物膜或改善已处理水的质量。在一些其它实施方案中，扩散器装置连续地操作。

现在转到使用根据本公开的一些实施方案的生物反应器的非限制性示例，图12a-12c各自示意性地示出了根据本公开的一个实施方案的工艺流程图，其说明了在气体外内使用甲烷作为电子供体气体(反硝化气体)来处理硝化水的顺序步骤。在本公开的上下文中，当涉及“硝化水”时，应理解为含氮水，并且具体地是含有溶解的氮氧化物的化合物，更具体地是硝酸盐和亚硝酸盐的水)。在一些实施方案中，硝化水的特征还在于低有机物浓度。

硝化水可以联接到甲烷的缺氧氧化，从而根据以下一系列化学反应产生二氧化碳、氮气和水：

ch4+4no3^-→co2+4no2^-+2h2o

3ch4+8no2^-+8h⁺→3co2+4n2+10h2o

为此，将甲烷气体进给到气体外壳中。

含甲烷的气体可以从各种来源获得。在一些示例中，含甲烷的气体是来自厌氧反应器，例如来自生物废水(污水)处理设施中使用的厌氧消化器的生物气体。

根据图12a中所示的一个实施方案，本文所示类型的生物反应器610接收硝化水。含甲烷的气体(“富含甲烷的生物气”)在气体外壳内被连续吹出，并且甲烷废气从气体外壳的出口排出。

混合由穿过扩散器装置引入的加压空气来周期性地进行，并且被喷射到螺旋卷绕的气体外壳的壁之间的水处理空间中，还从气体外壳的面向水的侧面提供生物膜的冲刷。一种生物膜，其在气体外壳的竖直的壁的外表面上形成，并且是可操作的以使用水中的氮氧化物氧化扩散穿过膜的甲烷气体，从而还原水中的氮氧化物(使水反硝化)。

根据图12b中所示的另一个实施方案，以与关于图12a所描述的类似的方式操作的生物反应器610构造成从曝气罐接收硝化的水。首先将包括悬浮固体、有机物质和氨的废水进给到曝气罐中，其中(i)有机物质借助曝气罐内的充气空气进行氧化(ii)氨被氧化成硝酸盐，从而提供硝化水，硝化水与其污泥一起进入生物反应器610中，其中硝化水经历反硝化。图12b中还示出了生物反应器610下游的澄清器，其构造成和被操作以接收已处理的水，并且其中已处理水中的固体被允许沉淀在澄清器的底部，以及然后只有无已处理水的固体(“反硝化流出物”)被收集在已处理的(反硝化的)水收集器(例如罐，管道等)中。澄清器中收集的污泥的至少一部分传送到污泥排放单元。

固体沉淀设备(澄清器)是本领域已知的，并且有时包括锥形盆，其中污泥排放物在锥形盆底部，同时水从位于污泥排放物上方(位于顶部位置处)的出口排出(溢流)。

离开生物反应器610的已处理水由澄清器接收，以用于在澄清器中进行随后的固液分离。有时，来自澄清器的部分污泥被连通(循环或再循环)到曝气罐中，在曝气罐中该部分污泥与上面所描述的待处理水混合。值得注意的是，从澄清器返回污泥是活性生物质，其处理曝气罐中的水。然后将其从澄清器中的水中分离出来，以便排出清澈的水并且以便将活性固体保留在系统中。

考虑到上述内容，本公开还提供了一种水处理方法，该水处理方法包括(i)使长形外壳浸没入在在硝化水内，该长形外壳包括与所述外壳内的内部长形路径隔开的壁和在所述长形外壳外部的硝化水处理空间，该壁包括水不可渗透的甲烷可渗透的膜；和(ii)使甲烷气体在所述内部长形通道内流动。

在一些实施方案中，甲烷气体扩散到硝化水处理空间中以参与氮氧化物物质在硝化水中的氧化还原反应。

在一些实施方案中，甲烷气体是来自厌氧反应器的生物气。

图12c提供了示意性的工艺流程图，其示出了利用图8c中所示类型的系统来处理废水的顺序步骤，类似于图12b中所例示的系统。在该实施方案中，从生物反应器610排出的水，含有由于也被引入到生物反应器中的甲烷气体的生物膜氧化而生成的所溶解的有机材料，被进给到曝气罐中，以便用在曝气罐中支持和促进脱氮的碳源使待处理的水富集。然后将含有悬浮固体的反硝化水在澄清器中进行固体除去，从澄清器中固体或者被移除到污泥排放单元，或者返回到曝气罐。已处理(澄清的)的水被排出到脱氮废水出口，其中，有时已处理水的至少一部分被连通/循环到生物反应器610，以用于进一步的使用。已经将固体从其除去的水或被引入生物反应器610中或作为反硝化流出物被收集。有时，离开生物反应器610的水可以重新传送到曝气罐。

有时，虽然没有示出，可以使用市售的甲醇、乙酸盐或其它可生物降解有机物质的源来促进缺氧反硝化过程。此外，有时，含有甲烷的气体可以作为生物气体从厌氧反应器接收，例如，从处理来自生物废水处理过程的剩余污泥的污泥蒸煮器接收。

上述操作构造克服了用于反硝化的资源(电子供体)不足以达到规定所要求的水平的问题。对于这种缺乏资源的常见解决方案是购买甲醇或乙酸盐或不同的可溶性可生物降解的有机材料，该有机材料用于进给到生物处理过程的缺氧脱氮部分。图12a-12c所示的方法由于连续供应所需的电子供体物质而允许进行更有效的反硝化处理。

从上面由此得出，本公开还提供了生产含有机化合物的溶液的方法。该方法包括：(i)使长形外壳浸没入在水中，长形外壳包括与所述外壳内的内部长形路径隔开的壁和所述长形外壳外部的水处理空间，该壁包括水不可渗透的甲烷可渗透的膜；和(ii)使甲烷气体在所述内部长形路径内流动；(iii)将已处理的水与活性污泥罐连通，从而生成含有有机化合物的溶液。

在一些实施方案中，该方法包括将空气(或至少包含含氧物质的任何其它气体)排放到所述水处理空间中。生物膜在引入水中的含氧物质存在的情况下氧化甲烷，并且尤其是在溶液中产生有机化合物。例如，有机化合物可以是甲醇、乙酸酯、丁酸酯等。然后可以将该溶液用作诸如本文所描述的那些反硝化过程中的电子供体溶液。在一些实施方案中，甲烷气体是来自厌氧反应器的生物气。

现在转到图13，提供了根据本发明的又一个其它实施方案的工艺流程图，其示出了用于有氧处理水的操作步骤并利用了图8c中所示类型的生物反应器610。在该示例中，特别示出了监测和控制元件。待处理的水被引入到生物反应器610中，其中气体外壳使用鼓风机gb被进给含氧气体。鼓风机gb的操作由控制鼓风机gb是活动的(t1)或是关闭的(t2)的持续时间的控制器来控制，因此气体经由其扩散器装置(未示出)扩散到生物反应器610中。确定时间段t1和t2以尤其是提供在水中悬浮物质的混合，外壳壁的和在生物反应器中沉降的污泥的充分/有效的冲刷之间的平衡。如所理解的，t1和t2可以根据需要在系统的操作期间进行调整，并且该调整可以由控制器来控制。

图13还示出了流量指示器“fi”模块以及质量指示器“qi”模块，流量指示器“fi”模块允许监测从水源到系统的水流，质量指示器“qi”模块包括用于感测存在于生物反应器610中的已处理的水的质量的一个或更多个传感器。这些传感器可以提供控制器数据，控制器数据包括如上所描述的表示氨离子浓度、cod浓度、氧化还原电位(orp)、浊度等中的任何一个的参数。控制器接收该数据并且构造为至少引起t1和t2中的任一个的改变，例如通过响应于流出物质量下降的任何指示，增加t1和/或减小t2。

图13中进一步示出的是阀，该阀可以处于由控制器决定的打开或关闭构造中，并且在一些实施方案中当鼓风机gb被激活时，该阀关闭。

最后，可以得出，本公开还提供了一种在水处理期间确定水的曝气时间表的方法，该方法包括接收与水的质量有关的数据并根据所述数据改变气体扩散/排出时间表。在一些实施方案中，从本文所描述类型的质量指示器接收所述数据。在一些实施方案中，曝气时间表包括来自本文所描述类型的气体扩散装置的曝气持续时间。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种水处理模块，包括：

至少一个长形的气体外壳，其包括气体入口和两个竖直的壁，至少一个竖直的壁包括具有面向水的侧面和面向气体的侧面的水不可渗透而气体可渗透的膜，所述两个竖直的壁在所述外壳的外部的水和所述外壳内的气体之间隔开，所述气体外壳处于卷绕或折叠的构造中，从而界定回旋状水平路径以及形成在所述外壳的相对的面向水的侧面之间的一个或更多个水处理空间；和

扩散器装置，其包括气体扩散器，所述气体扩散器构造成用于将气体的流引入到所述一个或更多个水处理空间中。

2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述回旋状外壳界定了一个或更多个长形的水处理空间，所述一个或更多个长形的水处理空间构造成与所述水连通。

3.根据权利要求1或2所述的模块，其中，所述气体扩散器包括定位于所述一个或更多个水处理空间下方的气体释放开口。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的模块，包括一个或更多个第一隔离件元件，所述一个或更多个第一隔离件元件布置在所述长形的气体外壳内并且构造成保持在所述两个竖直的壁的相对的面向气体的侧面之间的第一最小距离。

5.根据权利要求4所述的模块，其中，所述一个或更多个第一隔离件元件构造成使所述最小距离保持在约1mm至约20mm之间。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的模块，包括一个或更多个第二隔离件元件，所述一个或更多个第二隔离件元件布置在所述一个或更多个水处理空间内，以保持在所述相对的面向水的侧面之间的第二最小距离。

7.根据权利要求6所述的模块，其中，所述一个或更多个第二隔离件元件具有1mm至20mm之间的厚度。

8.根据权利要求4至7中的任一项所述的模块，其中，所述一个或更多个隔离件元件是网格的形式。

9.根据权利要求4至7中的任一项所述的模块，其中所述一个或更多个隔离件元件与所述竖直的壁中的至少一个一体地形成。

10.根据权利要求8所述的模块，其中，所述隔离件元件构造为在所述至少一个竖直的壁上的邻接物。

11.根据权利要求10所述的模块，其中，所述邻接物是轨道、凹部、波纹、钩形突出部或其任何组合的形式。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的模块，其中，所述两个竖直的壁一体地形成为长形的套筒。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的模块，其中，所述外壳被卷绕成螺旋形。

14.根据权利要求1至12中的任一项所述的模块，其中，所述外壳被折叠以界定来回路径。

15.根据权利要求1至14中的任一项所述的模块，其中，所述水不可渗透而气体可渗透的膜的所述面向水的侧面包括支持所述面向水的侧面上的生物膜生长的材料。

16.根据权利要求1至15中的任一项所述的模块，其中，所述扩散器包括用于将气泡排入到所述水处理空间中的气体开口。

17.根据权利要求1至16中的任一项所述的模块，其中，所述扩散器装置形成为在所述气体外壳下方的第二长形的曝气外壳。

18.根据权利要求17所述的模块，其中，所述曝气外壳与所述气体外壳一体地形成。

19.一种包括至少一个气体扩散器的扩散器装置，所述至少一个气体扩散器具有

第一大致竖直的管道，第二大致竖直的管道和气体/液体室；

所述第一管道在其顶部处与一个或更多个气体开口气体连通并且在其底部处与所述第二管道流体连通；

所述第二管道在其顶部处与所述气体/液体室流体连通；并且

所述气体/液体室具有密封的顶部和在其底部处的通向液体源的至少一个开口，所述密封的顶部与处于足以使液体从所述室中移出的压力下的气体源气体连通。

20.根据权利要求1至18中的任一项所述的模块，包括权利要求19所述的扩散器装置。

21.根据权利要求20所述的模块，其中，所述液体源是水。

22.根据权利要求20或21所述的模块，其中，所述扩散器一体地形成在所述长形的气体外壳的底部部分。

23.根据权利要求1至18、20和21中的任一项所述的模块，其中，所述气体外壳中的所述气体选自空气、含有至少氧气的气体、含有至少甲烷的气体。

24.根据权利要求1至18和20至22中的任一项所述的模块，包括支撑结构，所述支撑结构至少连接到所述外壳的顶部部分或底部部分，并且构造成当所述外壳浸没入在水中时使所述外壳维持在其预期的回旋状水平路径构造中。

25.根据权利要求1至18和20至24中的任一项所述的模块，包括一个堆叠在另一个顶部的两个或更多个所述长形的气体外壳。

26.根据权利要求1至18和20至25中的任一项所述的模块，其中，所述卷绕的构造是螺旋形的，并且所述模块包括构造成接收所述水并将其引导到所述一个或更多个水处理空间中的中心竖直管。

27.一种生物反应器，包括具有进给水入口和已处理水出口的水处理罐和一个或更多个根据权利要求1至18和20至26中的任一项所述的模块。

28.根据权利要求27所述的生物反应器，其中，所述处理罐包括固体排出出口。

29.根据权利要求27或28所述的生物反应器，包括用于接收已处理的水并用于从所述已处理的水中除去悬浮固体的分离罐。

30.根据权利要求27至29中的任一项所述的生物反应器，在所述处理罐的顶部部分包括水堰，所述水堰构造成接收实质上不含悬浮固体的已处理的水，并将已处理的水传送到所述已处理水出口。

31.根据权利要求27至30中任一项所述的生物反应器，包括至少一个传感器，所述至少一个传感器用于感测指示所述罐内的水的质量的一个或更多个处理参数。

32.一种系统，包含根据权利要求27至31中的任一项所述的一个或更多个生物反应器和用于控制所述一个或更多个生物反应器的操作的控制器。

33.根据权利要求21所述的系统，包括处于串联中的相互连接的两个或更多个生物反应器，使得从一个生物反应器流出的已处理水是进给到所述串联的后续模块中的水。

34.根据权利要求32或33所述的系统，包括并联地相互连接的一个或更多个生物反应器。

35.根据权利要求32至34中的任一项所述的系统，其中，所述控制器构造成从所述至少一个传感器接收数据并且基于所述数据来控制所述一个或更多个生物反应器中的进给水入口、气体入口、扩散器、已处理水出口和固体排出出口中的至少一个的操作。

36.根据权利要求32至35中的任一项所述的系统，其中，所述控制器基于从所述至少一个传感器接收的至少一个参数来控制扩散器装置的操作。

37.一种用于处理水的方法，所述方法包括：

-将水引入到根据权利要求27至31中的任一项所述的生物反应器的一个或更多个水处理空间中；

-将水处理气体引入到所述至少一个长形的气体外壳中；

-将气体引入所述扩散器装置中，从而促使气体的流排入到所述一个或更多个水处理空间中；以及

-收集已处理的水。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述水处理气体是空气、含氧气体或含甲烷气体。

39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述水包括有机物和/或氨化合物，并且所述水处理气体是含氧气体。

40.根据权利要求37所述的方法，其中，所述水包含含氮氧化物的化合物，并且所述水处理气体包括甲烷。

41.根据权利要求37至40中的任一项所述的方法，包括操作所述扩散器装置以将气体连续地或间歇地引入到所述水处理空间中。

42.如权利要求41所述的方法，其中，所引入的气体是离散的气泡的形式。

43.根据权利要求37至42中的任一项所述的方法，包括连续地(i)将水引入到生物反应器中；和(ii)收集已处理的水。

44.根据权利要求37至43中的任一项所述的方法，包括周期性地排出已处理的水。

45.根据权利要求44所述的方法，当排出已处理的水时阻止扩散器装置的操作。

46.根据权利要求37至45中的任一项所述的方法，包括以下中的任何一个：

-从已处理的水中分离固体并将所述固体的至少一部分循环到所述处理罐中；

-从所述处理罐的顶部位置排出已处理的水的至少一部分。

47.根据权利要求46所述的方法，其中，从已处理的水中分离固体在所述处理罐的外部进行。

48.根据权利要求46所述的方法，其中，从已处理的水中分离固体在所述处理罐内进行。

49.根据权利要求37至48中的任一项所述的方法，包括接收表示所述已处理水的质量的数据，并且基于所述数据控制至少所述扩散器装置的操作。

50.一种用于处理水的方法，所述方法包括：

-将水引入生物反应器的一个或更多个水处理空间中，所述生物反应器包括具有进给水入口和已处理水出口的水处理罐和一个或更多个水处理模块，

所述水处理模块包括：

至少一个长形的气体外壳，其包括气体入口和两个竖直的壁，至少一个竖直的壁包括具有面向水的侧面和面向气体的侧面的水不可渗透而气体可渗透的膜，所述两个竖直的壁在所述外壳外部的水和所述外壳内的气体之间隔开，所述气体外壳处于卷绕或折叠的构造中，从而界定回旋状水平路径和形成在所述外壳的相对的面向水的侧面之间的一个或更多个水处理空间；和

扩散器装置，其包括气体扩散器，所述气体扩散器构造成用于将气体的流引入到所述一个或更多个水处理空间中；

-将水处理气体引入所述至少一个长形的气体外壳中；

-将气体引入所述扩散器装置中，从而促使气体的流排入到所述一个或更多个水处理空间中；以及

-收集已处理过的水。

51.根据权利要求50所述的方法，包括操作所述扩散器装置以间歇地将气体引入所述水处理空间中。

52.一种生物反应器，包括具有进给水入口、已处理水出口的水处理罐、一个或更多个基于生物膜的水处理模块和气体扩散器；所述水处理罐在其顶部部分包括水堰，所述水堰构造成接收实质上不含悬浮固体的已处理的水，并将已处理的水传送到所述已处理水出口。

53.根据权利要求52所述的生物反应器，其中，所述一个或更多个基于生物膜的水处理模块包括支持生物膜在其上生长的水不可渗透而气体可渗透的膜。

54.根据权利要求52所述的生物反应器，包括污泥排出出口，用于从所述处理罐排出沉淀的污泥。

55.根据权利要求52至54中的任一项所述的生物反应器，包括已处理的水的排出，所述已处理水的排出由排放阀控制，所述排放阀在所述气体扩散器的操作期间处于关闭位置。

56.一种水处理模块，包括至少一个长形的外壳，所述至少一个长形的外壳包括两个竖直的壁，每个壁具有面向水的侧面和面向气体的侧面，并且另外每个壁包括相对面对的且间隔开的邻接物。

57.根据权利要求56所述的水处理模块，其中，所述间隔开的邻接物是轨道、凹部、波纹、钩形突出部或其任何组合的形式。

58.根据权利要求56或57所述的水处理模块，其中，所述间隔开的邻接物界定一个或更多个隔离件元件的厚度，并且所述隔离件元件具有不同的厚度。

59.根据权利要求56至58中的任一项所述的水处理模块，其中，所述隔离件元件具有不同的形状。

60.根据权利要求56至59中的任一项所述的水处理模块，其中，所述邻接物是在所述壁的两个相反方向上延伸的突出部的形式。

61.根据权利要求56至60中的任一项所述的水处理模块，其中，所述竖直的壁中的至少一个包括水不可渗透而气体可渗透的膜。

62.一种用于在水处理模块中使用的隔离件元件，所述水处理模块包括至少一个长形的外壳，所述至少一个长形的外壳包括两个竖直的壁，每个壁具有面向水的侧面和面向气体的侧面，所述隔离件元件包括分散开的单独的和离散的三维元件，所述三维元件附接至所述竖直的壁中的至少一个壁的至少一个侧面并且构造成保持由所述离散元件的厚度决定的距离。

63.根据权利要求62所述的隔离件元件，其中，所述三维元件由施加到所述竖直的壁中的面向水的侧面或面向空气的侧面中的任何一个上的热胶形成或是放置到所述两个竖直的壁的一个或两个中的面向水的侧面和面向空气的侧面中的任何一个的侧面上的元件。

64.根据权利要求62或63所述的隔离件元件，用于在支持膜的生物膜反应器中使用。

65.根据权利要求62至64中的任一项所述的隔离件元件，用于在水处理模块中使用，在所述水处理模块中所述两个竖直的壁形成螺旋地缠绕的气体外壳。

66.一种用于处理水的方法，所述方法包括：

-将水引入到生物反应器的一个或更多个水处理空间中；

-将水处理气体引入到所述至少一个长形的气体外壳中；

-将气体引入到所述扩散器装置，从而促使气体的流排入到所述一个或更多个水处理空间；以及

-收集已处理的水；

其中所述气体被间歇地引入到所述水处理空间中，并且其中所述气体被引入的持续时间和/或频率由表示所述生物反应器中的水的质量的至少一个参数决定。

67.根据权利要求66所述的方法，其中，所述气体的引入和气体的流的排出引起水的混合。

68.根据权利要求66或67所述的方法，其中，所述至少一个参数是由选自由以下项组成的组中的任何一个传感器决定的参数：ph传感器、氧化还原电位(orp)传感器、溶解氧传感器、光密度传感器、化学传感器和电位传感器。

69.一种水处理生物反应器，包括水处理室和一体地形成在所述水生物反应器内的第二室，所述第二室构造成接收待处理的水并将所述水传送到所述水处理室。

70.一种水处理模块，包括：

至少一个长形的气体外壳，其包括气体入口和两个竖直的壁，至少一个竖直的壁包括具有面向水的侧面和面向气体的侧面的水不可渗透而气体可渗透的膜，所述两个竖直的壁在所述外壳的外部的水和所述外壳中的气体之间隔开，所述气体外壳处于卷绕或折叠的构造中，从而界定回旋状水平路径以及形成在所述外壳的相对的面向水的侧面之间的一个或更多个水处理空间；和

扩散器装置，其形成为在所述至少一个长形的气体外壳下面的第二长形的曝气外壳，所述扩散器装置包括气体扩散器，所述气体扩散器构造成用于将气体的流引入到所述一个或更多个水处理空间中。

71.根据权利要求70所述的水处理模块，其中，所述扩散器装置是可操作的以脉动地排放气体。

72.一种水处理模块，包括：

至少一个长形的气体外壳，其包括气体入口和两个竖直的壁，至少一个竖直的壁包括面向气体的水不可渗透而气体可渗透的膜，所述面向气体的水不可渗透而气体可渗透的膜在其面向水的侧面上涂覆或层压有第二聚合物，所述两个竖直的壁在所述外壳的外部的水和所述外壳内的气体之间隔开，所述气体外壳界定形成在所述外壳的相对的面向水的侧面之间的一个或更多个水处理空间；和

扩散器装置，其包括气体扩散器，所述气体扩散器构造成用于将气体的流引入到所述一个或更多个水处理空间中。

73.一种水处理模块，包括：

至少一个长形的气体外壳，其包括气体入口和两个竖直的壁，至少一个竖直的壁包括具有面向水的侧面和面向气体的侧面的水不可渗透而气体可渗透的膜，所述两个竖直的壁在所述外壳的外部的水和所述外壳内的气体之间隔开，所述气体外壳处于卷绕或折叠的构造中，从而界定回旋状水平路径以及形成在所述外壳的相对的面向水的侧面之间的一个或更多个水处理空间；和

扩散器装置，其包括气体扩散器，所述气体扩散器构造成用于将气体的流引入到所述一个或更多个水处理空间中；

其中，所述膜包括第一聚合物织物和面向水的层，所述第一聚合物织物包括第一聚合物片材，所述面向水的层包含第二聚合物层。

74.根据权利要求73所述的水处理模块，其中，所述第一聚合物选自高密度聚乙烯、聚丙烯和聚酯，并且所述第二聚合物选自：聚(甲基戊烯)和聚(丙烯酸正烷基酯)。