用于生物反应器型废水的生物处理的移动设备的制作方法

本发明涉及一种利用能够处理灰水和黑水的浸没式膜用于生物反应器型废水的生物处理的移动设备。其还涉及一种使得重新利用该废水，或可选地将其排放至自然界中同时保证保护环境成为可能的系统。这种生物处理传统上使用存在于储液器中的活化的净化污泥来完成，待处理的废水被供应在该储液器中。这些细菌实际上消耗有机污染物，然后膜系统使得能够执行固/液分离，如果适用，可从膜的下游获得被充分地过滤的滤液以排放。

根据本发明的设备受制于非常特别的约束条件，因为它必须1)紧凑，即，具有小的体积，2)具有相当大的操作自主性，因为其需要非常少的人为干预，以及3)鉴于所需的移动性，易于运输。

预期的潜在用途之一是铁道机车车辆例如铁路车辆中的来自火车厕所的废水的处理。可能有多种其他应用，特别是在公共厕所、用于各类活动的移动式厕所等的领域，以及任何其他形式的运输系统，例如船只、房车(rv)或非集合式公共卫生设备(ncs)、高速公路休息站等，本发明的特征之一是设备未连接到公共卫生网。

因此，它能够是移动的，如在火车的情况下，并且必须保证在尽可能长的时间上，几周和理想地几个月内，有效地处理来自废水的污染物，而无需人为干预。因此，有必要控制细菌学过程及其由曝气-缺氧-厌氧循环、温度、ph组成的各种参数以及过滤和膜堵塞参数，以确保生物质在紧凑性要求所施加的体积条件下的寿命和生长，从而在这方面实现自主性。

紧凑性旨在允许在维护阶段进行简化的处理，这典型地必须能够由单个操作员完成，而且不超过两个。为此，该设备必须具有允许由一个或两个人处理的体积、重量和配置。

为了解决这些问题和下文中将会描述的其他问题，根据本发明的利用膜来处理生物反应器废水的设备，其传统地具有用于待处理的废水的进口管和被连接至渗透泵的用于处理和过滤后的水的出口管，其特征在于，其包括容器，内部体积在50l和300l之间，并且具有带两个大的垂直侧面的平行六面体外观，该容器形成储液器，其中细菌的浓度在3g/l和30g/l之间变化，被分为由n-1(2≤n≤3)个垂直的中间间隔墙划分的n栏，每个中间垂直间隔墙具有在栏之间的使该栏之间的废水能够循环的上通道和下通道。包括也具有垂直外观的平行的平面过滤膜的组件的并且呈现1m²和12m²之间的膜表面面积的膜过滤器，也位于该栏中的一个栏的上部分中，在n＝3时为中央栏的上部分中，在上通道下面，该膜被连接至收集过滤后的水的下游收集器并且被连接至出口管，渗透泵确保跨膜流量小于亚临界流量。至少一个微细气泡扩散器位于每栏的基部，每个扩散器被连接至确保每个扩散器其中的气流大于或等于10nm³/h的调节电磁阀和泵装置。

这些几何和物理化学特性的组合确保满足被指定给本发明设备的紧凑性和自主性的目标。更具体地，在该体积中，通过这种几何构造的使用和适当的引导，例如气流速率，能够使生物质的最佳氧化作用以及用于其的受控的和稳定的环境的提供成为可能。这些来自于研究和测试的参数的开发，使得所有的引用参数能够达到令人满意的值，即，能够长期确保在细菌媒介的存在和生长的管理上的平衡而不会损害水力操作的动力学。

因此，在遇到的问题中，应当注意，在过滤期间，污泥趋于沉积在膜表面上，产生生物膜。有必要确保这不会变成紧密的“饼”，然后逐渐和越来越多地影响过滤。由此产生的堵塞将大幅度地降低系统的自主性。在本发明的上下文中做出的所有技术选择最终导致通过测量1)细菌浓度，2)其对膜的影响，以及3)该细菌的氧供应，通过管理储液器中污泥的水力流动等来控制过滤过程。

堵塞特别地受限于与膜对齐的切向流动，因为其由所选择的结构导致，其中膜表面被放置平行于水力流动，并且参与形成这些层流。然后，由扩散器发出的气流速率使得能够确保切向速度足以与膜表面一致。

根据本发明，由微细气泡扩散器所放出的气流在其各自栏中的方向和功能相同，引导两个相邻的栏的扩散器相对于废水的循环方向对立地工作，它们的气流速率又地被独立地进行控制。

实际上，这相当于说，扩散器在污泥循环回路中以相反的方向注入空气，这使得可以具有能够组织空气的循环速度的系统，使得可以更好地控制氧的传递速率，这与细菌浓度直接相关。过滤显然只有在空气扩散器被激活时才能完成，否则膜会迅速变脏，反而是由该扩散器注入的空气限制膜堵塞，大气泡的定期注入还使得可以“疏通(unclog)”膜。然而，有必要在氧气传递的需求和膜的动态撇渣的机械需求之间找到可接受的折衷，其中氧气传递的需求倡导废水的低移动速度的解决方案，膜的动态撇渣的机械需求相反地倡导更高的速度。

为了确保跨膜流速在亚临界流速以下，保证具有跨膜压的这种流速的均衡性和因此对水力回路的流变学的控制，膜被放置为使得，以相同的横向距离e一方面将膜彼此分开并且另一方面将末端膜与大的侧面或至少一个中央隔板分开，该膜的垂直侧面位于储液器的小的侧面附近。该想法不是为废水的流动提供优选的路径，优选的路径必须能够在相同条件下与膜表面相撞，而不考虑膜的位置，这有助于膜之间的全局流动是层流和均匀的。

在实践中，上部和下部通道在水力回路中产生压力损失，其形成储液器内部的至少一个回路，并且特别地使得可以控制其中的废水流动的速度，其中来自扩散器的气流速率有助于移动该水力回路中的污泥。湍流可以在这些位置产生，这在下部是有益的，因为它可以避免扩散器的许多孔口的变脏，这特别用于校准气泡：后者必须不能具有过大的直径，过大的直径会降低氧的传递能力。同时，由于能量损失，这些压力损失降低了系统的总效率，导致上通道和下通道的精细校准。生物反应器的设计中的指导思想之一，其在设计的每个步骤中都能找到，是对改进氧传递的不断关注，这对于确保根据所需目标的细菌媒介的可持续性至关重要。在这方面，气泡的尺寸必须保持尽可能的小，以保证最大可能的特定交换表面，这产生最好的氧的传递速率。此外，由相对的扩散设备控制的气泡的速度，生物质和气泡之间的接触次数被优化。

储液器的几何形状以及存在于该储液器内部的部件被设计和选择以改善流动的流体动力学，这也使得可以优化均匀的氧传递并且可以限制膜和扩散器的堵塞现象。

实际上，膜可以是平面超滤膜。被使用的膜表面接近于所算得的理论膜表面，使得渗透流量低于亚临界流量，例如15lmh。

更具体地，膜能够由具有过滤外墙和中空的内体积的矩形平面板形成，通过一个系统在靠近其的角处将彼此紧固，该系统维持其的分隔距离e并且包括拉伸每个膜的设备。

它们一方面在储液器的大侧面的对面被平行取向，另一方面在中间隔墙的对面被平行取向，或者在具有三栏的结构中的两个中间墙之间被平行取向。通过位于栏的底部的扩散器排放的气泡氧化的液体环境中的细菌处理过的在膜之间循环的废水流，基本上是层流的。因此，过滤是切向地完成，这使得空气流的存在是必需的，后者有助于在栏中的污泥的循环基本上沿着它们的轴线的方向。

该板通过形成垫片的垫圈在每个角处彼此保持距离，在每个膜的每个角中形成的圆孔口与该垫圈的圆形中央开口形成被旋转轴插入其中的通道，后者在该通道中被设置为具有凸轮。根据其位置，位于每个角中的凸轮被要求与位于其他三个角中的凸轮协同地，同时拉伸所有的膜板。

更具体地，在具有两栏的储液器的方案中，承载凸轮的轴连接储液器的两个大的侧面，并且其位于不具有膜的栏中的末端具有吸震挡块。该轴还包括用于将凸轮阻挡在每个膜的拉伸位置处的装置。

这些用于阻挡该凸轮的装置能够例如由在没有膜的栏中的靠近中间隔墙的侧面的被放置在轴上的螺母组成。在具有膜过滤器的所述栏的侧面上，凹口轴环从靠近中间隔墙的该轴径向地突出，并且被移动至与凹口冠部或凹口区接触，该凹口冠部或凹口区通过紧固该螺母被固定至该墙来朝向隔板并与隔板接触。

一种工具，可以是能够从外部被致动的能够被插入横向地穿过轴的孔口的简单杆件，使得可以旋转该轴以便拉伸膜板。

该膜还被连接至由具有中央孔口的垫片组成的中枢的轮轴，该垫片的中央开口与所述膜的相同形状的同轴开口形成用于过滤后的液体的排放收集器，该排放收集器具有垂直于膜的外观，在其末端通过法兰被关闭，该法兰中的一个法兰靠在该轮轴的第一端上，另一个法兰靠在中间墙的表面上且与该轮轴所靠的表面相对。该两个法兰相对彼此被紧固以便可调节地压缩该轮轴。这些垫片，如该系统的被应用于膜板的角的垫圈，具有相对应于膜之间的间隔距离的厚度e。可以回想到，这个距离也是两端膜与面对它们的墙之间遵循的距离，以避免不利于待处理的废水的任何流动轴线，这将导致非均匀过滤、细小气泡聚并成大气泡、污泥的不均匀循环速度以及潜在死区的产生。

用于过滤后的水的吸入管被紧固至抵靠在中间墙的法兰并且被连接至收集器。该法兰例如通过螺钉被拧紧，该螺钉的头部靠在该法兰中的一个法兰上并且该螺钉被拧紧在另一个法兰中，这使得可以调节该组件的压缩。

废水进口管实际上位于储液器的上部中，在上通道的上方，并且具有小于50mm的内直径。在实践中，在水力回路中，生物反应器被放置在防止可能损坏过滤膜的异物通过的装置的下游。该储液器还包括位于储液器的下部中的排空管，该排空管的上段穿过顶部穿透储液器并且具有至少等于20mm的直径。位于扩散器上面的下段，包括具有矩形出口孔的逐渐更平坦的部分，该矩形出口孔具有的表面面积基本上等于上段的表面面积。必须在数分钟时间内排空该储液器，这要求该管具有一定的截面面积。由于下部中受限的空间和确保均匀的水力流动，特别是由于大部分的扩散器，所以该管的截面必须如上所述在其中进行调整。

根据一种可能性，膜是具有0.04μm的孔径或具有对应于分子量150kda的截留分子量(mwco)的超滤膜。它们可以由聚醚砜pes制成。

非常普遍地，本发明被设计来用于约50l至300l的储存容积：更具体地，在50cm至200cm之间的高度，15cm至40cm的厚度以及与膜的宽度大致相同的宽度(见下文)。

该体积与最初提出的约束条件相匹配，即创建一个紧凑的移动产品，具有高细菌浓度和数月的自主性。

本发明现将参照附图来进行描述，其中：

-图1是具有两栏的膜生物反应器设备的储液器的截面示意图；

-图2示出了该储液器的各部件的透视图；

-图3是膜和收集器的拉伸系统的示意性剖视图；

-图4是使用这种系统被拉伸的膜的部分前视图；以及

-图5非常示意性地示出了具有三栏的储液器结构。

参考图1，储液器(1)通过中间隔墙(4)被横断地分为两栏(2)和(3)。栏侧向地受储液器(1)的平行于隔墙(4)的大的墙的限制。栏(2)包括由一组彼此保持相同距离e的数个平行的膜(6)(实际上，是约3mm厚的薄板膜)组成的膜过滤器(5)。两个末端的膜(6)还一方面与储液器(1)的外墙保持相同的距离e，另一方面与中间隔墙(4)保持相同的距离e。膜过滤器(5)包括收集器(7)，由膜(6)过滤的水通过形成在收集器(7)中的孔口被排放。这个收集器(7)被连接至出口管(8)，出口管(8)将过滤后的水带回至根据本发明的废水处理设备所属于的水力回路中，例如用于来自厕所的废水的在冲水系统的储液器的上游的回收环路。为了确保正确的排放过滤后的水，该管(8)出现在渗透泵(未示出)中，该渗透泵使过滤后的水再循环例如至该冲水系统储液器，或另一个后处理设备，或自然环境中。

图1还示出了用于为位于储液器(1)的两栏(2,3)的底部中的两个扩散器(11,12)供应空气的管(9,10)，并且和废水进口管(36)一样被连接在泵(未示出)的上游。上通道(13)和下通道(14)使得可以确保污泥在储液器(1)内部的环路中循环。

除图1中所示的设备以外，即扩散器(11)和(12)及其空气供应管(9)和(10)，膜过滤器(5)及其吸入管(8)，以及最后的废水进口管(36)，以下图2中可见的元件也出现在储液器中：排空管(37)和用于快速连接延长各种前述管的外部管的的板(15)。

为了确保其正确操作，膜过滤器(5)的膜(6)能够被拉伸，特别地在其表面区域的任何位置处他们之间保持相同的间隔e，因此确保污泥的最可能均匀的流动，而不会帮助迁移，并且还不会引入压力损失。该拉伸设备位于膜过滤器(5)的每个角处，并且以凸轮(18)为基础(具体地参见图3)。

更具体地说，膜(6)被垫圈(19)分隔，垫圈(19)形成垫片并且围绕形成轴(20)的凸轮(18)的部分，轴(20)连接储液器(1)的大的侧面。轴(20)的凸轮部分(18)只需要存在于膜(6)处，特别地如图3和4中所示的。实际上，存在于每个膜(6)的每个角处的圆孔口与垫圈(19)的圆形开口同轴，一起生成旋转轴(20)处于其中的通道，或更具体地其凸轮(18)，能够旋转。轴(20)的末端中的一个包括对储液器(1)的墙或大的侧面中的一个相关的止动点(dogpoint)(21)(未示出)。轴(20)的另一末端包括抵靠储液器(1)的上墙的吸震挡块(22)。这个挡块(22)特别地用于吸收能够影响储液器的冲撞和震动，特别地在其被放置在轨道车辆中的实际条件下时。

轴(20)还包括横向孔口(23)，延长的工具可以被插入该横向孔口(23)中来使轴(20)以拉伸和限制膜过滤器(5)的膜(6)为目的而旋转，如图4中所示的此时凸轮形成的部分(18)被彼此分开。

当螺母(25)被紧固向中间隔墙(4)时在轴(20)上移动，有助于将与中间隔墙(4)固定在一起的凹口冠部或凹口区(26)压抵从轴(20)径向地突出的凹口轴环(27)，并因此将该组件限制在膜(6)的拉伸位置中，如通过图3和4所示的。膜过滤器(5)的膜(6)确实被拉伸至这里，准备好被使用。

各个膜(6)使用位于膜过滤器(5)的四个角中的垫圈(19)维持距离，如通过图3所示的，相似的解决方案被重复用在收集器(7)处。确实，在这个位置，收集器(7)也由一系列垫圈型的垫片(28)制成，垫片的中央孔口与形成在各个膜(6)中的同轴开口一起形成用于膜板(6)中的过滤后的液体的排放收集器(7)(用箭头符号表示)。这些垫片(28)具有与垫圈(19)相同的厚度，并且其在膜过滤器内部维持邻近的膜(6)之间的间隔e与角垫圈(19)相同。过滤后的水在收集器(7)中通过形成在膜(6)中的开口的边沿流动。

两个法兰(29,30)阻塞收集器(7)的两个末端，并且通过抵在法兰(29)的凹槽(32)中的螺栓(31)来连接，同时螺纹端结合在法兰(30)的螺纹孔口(33)中。法兰(30)具有被连接出口管(8)的吸入管(35)，该出口管(8)将过滤后的水输送向根据本发明的具有膜的生物反应器处理设备所属的水力回路。在这种特定使用场景中，被放置在下游的渗透泵(未示出)能够处理约90l/h的流量。实际上，该设备被指定为每小时处理15l至20l废水，相当于冲水系统在15次和20次操作之间(每次约0.45l水+0.3l含尿的粪便物和溶解的厕纸)，并且在这方面，该泵因此主要被制成需要的尺寸。在其他使用场景中，部件的体积和尺寸将与待处理的废水的量相关。

多次重点都在于，在反应器(1)中放置膜过滤器(5)的膜(6)以避免任何对污泥的有利的途径，那会对整个过滤过程不利。再一次强调，在栏的横向维度中，相同的厚度e一方面被保持在所有的膜(6)之间以及膜(6)和储液器(1)的外墙之间，另一方被保持在膜(6)和中间隔墙(4)之间。在宽度(未示出)上，即，在膜(6)的侧面上，然而其还适合于确保废水不能通过有利的通路。这是膜(6)延伸至储液器(1)的小的侧面附近的原因。

这些膜能够具有高达约6m²的表面面积。根据一种可能性，废水供应管(36)，具有约47mm的内径，在任何情况下小于50mm，出现在储液器(1)的上部中，优选地在污泥的水平面的上方，以产生水力间断，避免任何虹吸作用的可能。排空管(37)出现在下部中，并且装备有足够大的截面来允许快速排空，其上部具有约22mm或更大的直径，而其位于扩散器处并且具有更小的空间的下部，是扁平的且具有例如约24mm×9mm的矩形出口截面。

图5非常示意性地示出了具有通过隔墙(4,4')分开的三个邻近的栏(2,2',3)的储液器(1)，其中两个废水循环环路(通过示出流动的方向的箭头来表示)共处。扩散器(11,11',12)被放置在栏(2,2',3)的底部，执行与具有两栏的版本相同的功能。在这种结构中，膜过滤器(未示出)被放置在该两个循环环路共享的中央栏(3)的上部中。其与具有两栏的情景完全一样地工作，栏(2,2',3)之间的循环通过上通道(13,13')和下通道(14,14')来提供。

然而，所示的结构相对于本发明并不是穷尽的，相反地，本发明涵盖本领域的技术人员可获得的在形状、材料和结构方面的可替换的实施例。