悬浮介质颗粒状活性炭膜生物反应器系统及方法

专利名称：悬浮介质颗粒状活性炭膜生物反应器系统及方法
技术领域：
本发明涉及工业废水处理系统及方法，且更明确地，涉及使用膜生物反应器的处 理系统及方法。
背景技术：
生活污水及工业废水的有效处理为增加生活质量及干净水的保护的极重要方面。 与直接将废水排放至水源(诸如河川、湖及海洋)内(合乎标准的实施直到约半世纪前才 有)有关的问题显而易见，也就是生物及化学废弃物对所有生命形式会产生危险，其包括 传染病的扩散及暴露在致癌化学品中。因此，废水处理法已逐步发展成为范围从可净化来 自家庭群体的生活废水的普遍存在的地方性废水处理设施到可处理各种废水应用的特定 污染物的专业工业废水处理方法的系统。一般而言，废水处理设施使用多处理阶段以净化水，由此，其可安全地释放入水体 (诸如湖、河川、及溪流)内。目前，许多生活污水处理厂包括使用机械方法(例如拦污栅 (bar screan)以移除大物体的第一级处理阶段、及可沉降砂、砂砾及石头的砂或砂砾沟池。 有些处理系统还包括特定脂肪、润滑脂及油类可漂浮至表面以便撇除油脂的阶段。该废水 接着被送至第二级生物活性污泥处理阶段。活性污泥方法包括在曝气池内进行需氧生物处 理，典型地继而在澄清器/沉降池内进行处理。在排放前，该澄清器/沉降池流出物可或可 未经进一步处理，并使该污泥再循环回至曝气池以进一步处理，或在掩埋场、焚化炉内处理 前进一步处理、或若没有毒性组份则作为肥料。在该曝气池内添加空气至该混合液(进料废水及大量细菌的混合物)。来自空气 的氧被该细菌用以生物性氧化溶解或包含在该废水进料内的悬浮液中的有机化合物。生物 氧化作用典型地为可用以从废水移除有机污染物的最低成本的氧化方法且为最广泛使用 以处理经生物上可处理有机化合物污染的废水的系统。含有生物上难处理或难处理的有机 化合物的废水、或含有无机成份的废水典型地不能通过现有生物废水处理系统而妥当地处 理且通常需要更昂贵的方法才能移除该污染物。该来自曝气池的混合液流出物典型地可进入澄清器/沉降池于其内，废污泥(浓 缩混合液悬浮的固体)借助重力而沉降。然而，基于该废水及经济上的需要，一些生物氧化 系统使用不同处理方法以从该废水流出物移除固体。该澄清器/沉降池可经膜(膜生物反 应器取代)或可使用另一单元操作，诸如溶空气浮选装置。该来自澄清器/沉降池、膜或溶 空气浮选装置的液体流出物经排放或在排放前经进一步处置。使从该混合液移除的固体返 回曝气池以作为用于进一步处理的返回的活性污泥且可保留该系统内的细菌。定期地从本 循环管道移除某部分本返回的活性污泥以控制细菌在该混合液内的浓度。使用膜生物反应器科技以处理生活废水的实例愈来愈多，其可提供改进流出物质量、较小的物理印迹(每平方英尺的处置面积可处理更多的废水)、对不正常状况的耐受性 增加、对处理难以处理的废水(例如含不能够在现有澄清器/沉降池内经处理的高总溶固 体且需要明显更难以操作的固体沉降装置，诸如溶空气浮选装置或其它固体移除系统的废 水)的能力改善及各种其它操作优点。然而，膜生物反应器通常会产生在使用澄清器的现 有系统内并不会发生的膜污垢及发泡问题。膜污垢典型上是由起因于在该混合液悬浮的固 体内的生物生命形式的分解的细胞水聚合化合物所产生。现有工业生物废水处理厂技术的最近进展包括添加粉末状活性炭颗粒至该混合 液。在这些方法中，特定有机及无机化合物经物理性吸附至该粉末状活性炭颗粒的表面。 已知粉末活性炭系统的一个实例是由Siemens Water Technologies以品名“PACT1 ”供 应。由于可吸附生物上难处理的有机及无机化合物，从而使流出物具有较低的这些污染物 浓度，所以粉末状活性炭业经用于现有生物处理厂。该混合液包含粉末状活性炭可提供许 多操作好处。该炭可以使悬浮介质生物处理系统得到好处，其包括增加的污染物移除及对 不正常状况的增加耐受性。此外，该炭可以使生物上难处理的有机材料吸附至炭的表面上 且其暴露在该生态内的时间比在现有生物处理系统内的时间明显更长，因此可提供与固定 膜系统类似的优点。该炭也可以使更能够消化该生物上难处理的有机材料的特定菌株演 变。该炭被连续再循环回到具有返回的活性污泥的曝气池的事实意指该细菌可连续致力于 消化经吸附至炭表面上的生物上难处理的有机物。本方法也可生物性再生炭并可以使该炭 能移除的生物上难处理化合物比其在简单的填充床炭滤器内可移除的该生物上难处理化 合物明显更多，一旦该炭的吸附能力耗竭时，该填充床炭滤器也需要经常置换或昂贵地物 理性再生该炭。该混合溶液内的炭也可吸附并从流出物移除不能经生物氧化而处理的无机 化合物。然而，迄今，尚未能在粉末状活性炭添加下商业性使用膜生物反应器。在使用膜以 进行过滤的表面水处理系统内已经有部分使用粉末状活性炭。然而，使用膜及粉末状活性 炭的这些表面水处理系统业经报告具有炭磨损该膜及炭永久性堵塞和/或弄脏该膜的问 题。在排放或再使用前必需经处理的工业废水通常包括可含有乳化烃的含油废水。含 油废水可来自各种工业，其包括钢及铝工业、化学加工工业、汽车工业、洗衣工业、及粗油回 收及精炼工业。如上述，在第一级处理方法中可移除特定数量的非乳化油及其它烃，其中浮 油从顶部撇取。然而，通常使用生物第二级废水方法以从废水移除残留的油。第一级处理 法后残留的典型烃可包括润滑油、切割流体、焦油、润滑脂、粗油、柴油、汽油、煤油、喷射机 燃料等。废水中该残留烃的存在量范围可以为10至lOOOppm。在将水排放入环境内或在该 工业方法内再使用水之前，必需移除这些烃。除政府规定及生态顾虑外，该残留烃的有效移 除也具有好处，因为经妥当处理的废水可用于许多工业方法且可排除原水处理成本并降低 管理的排放顾滤。用以处理含油/工业废水的膜生物反应器的商业利用的发展一直很慢，其主因为 与该膜的油及化学污垢有关的保养问题。检测在已添加粉末状活性炭至该混合液的膜生物 反应器中所处理的工业/含油废水显示其具有与包括粉末状活性炭的现有生物废水处理 系统相同的处理优点。已注意到也可获得使用膜生物反应器的优点。然而，在添加及未添 加粉末状活性炭的情况下，膜生物反应器的平行比较证明已添加粉末状活性炭的膜生物反 应器具有这两种系统的所有处理优点，然而由于残留油及细胞外聚合化合物会弄脏该膜，所以未添加炭的膜生物反应器可能很难操作。该检测进一步证实虽然粉末状活性炭的添加 可提供很有希望成功的生物废水处理系统，但是该炭对膜有大量磨损及不可逆积垢的不利 影响。本磨损及不可逆积垢的严重性足以导致本系统的操作很昂贵(由为该膜的预期寿命 显著降低)。在未使用膜生物反应器的特定水处理方法类型中，使用颗粒状活性炭作为固定床 内的吸附介质。例如授予Irvine等人的美国专利第5，126，050号描述多阶段方法，其包括 用以吸附来自诸如源于废水或废颗粒状活性炭的有机污染物的颗粒状活性炭过滤阶段。将 该颗粒状活性炭维持在池内并经由分配器于底部提供流出物以防止流化该颗粒状活性炭 床。另一实例为Inoue等人的日本专利申请JP10323683，其描述用于从原水获得可携带水 的水净化处理方法。该系统包括在水池内的颗粒状活性炭床。吸附在颗粒活性炭上的有机 物质包括已附着于其上的需氧细菌。本系统及方法被描述为可处理水，诸如河川水、湖水、 池塘水、及地下水、而非废水。在这些系统内，一旦炭的吸附能力耗竭，则必需置换或再生该 炭的操作成本典型上是难于接受的。而且，这些系统并未利用生物氧化作用以降低吸附能 力需求或再生该炭。此外，Beyers等人的欧洲专利公开案EP1258460揭示使用经生物降解物接种的颗 粒状炭的填充床以进行地下水或其它水物料流内的氧合物的生物降解作用的方法。尤其， Beyers等人揭示其中该颗粒状炭经MTBT降解的微生物接种的优选实施方式。虽然本系统 可合并污染物的吸附作用及生物氧化作用，但是其经设计用于特定难以处理的废水需求， 所以其处理成本比生物处理系统明显较高。而且，其使用填充床技术，而非生物处理系统 (诸如膜生物反应器)。这些上文列举的实例的任一种的使用局限于其中处理成本并不是主要问题的应 用，因为其为相当昂贵的处理方法。此外，其全不包括膜生物反应器合并炭吸附作用的成本 及操作优点。在其它水净化应用中，颗粒状活性炭被保持在要被处理的水体内的悬浮液中。例 如，Ford的欧洲专利公开案EP0543579描述从水移除杀虫剂残留物及其它有机物质的方 法。由于废活性炭与经处理水一起连续移除，所以活性炭以连续方式添加。然而，该Ford 参考文献中所揭示的系统需要大量颗粒状活性炭才能移除污染物(杀虫剂残留物)。并没 有用于移除这些污染物的生物机制。日本专利文件JP62286591及JP63016096揭示涉及活性污泥浆体及颗粒状活性炭 的混合物的有机废水处理法。在浸没式膜生物反应器的研发前所揭示的这些方法使用颗粒 状活性炭与下游膜系统内的超滤或反渗透膜的组合。这些参考文献可处理与有机废水(例 如人类废弃物)有关的问题且并未实际上处理工业废弃物，诸如含羟的油废水。此外，本系 统的研发正如膜生物反应器首先被检测一样，且其目的为防止该混合液内的难处理有机化 合物弄脏该膜。本发明人已推测使用膜以取代现有澄清器/沉降池最后会导致有机化合物 的毒性浓度并干扰该曝气池内的正常生物氧化方法。然而，实际上已发现这些预测并未发 生且因此本技术并未商业化。而且，这些参考文献中所述的该系统的主要应用为具有相当 低化学需氧(COD)化合物(例如COD对生物需氧(BOD)比为约2 1)的生活废水(其不 同于其中该COD对BOD的比率明显较高的工业废水)的处理。如文中使用，生物上难处理化合物是指典型地在12小时滞留时间内不会经微生
6物分解的在废水中的COD化合物(有机和/或无机)类型。此外，如文中使用，生物抑制性化合物指可抑制生物分解程序的在废水中的化合 物(有机和/或无机)。因此，本发明的一个目标为提供膜生物反应器系统的方法及装置，该膜生物反应 器系统使用颗粒状活性炭以将生物上难处理有机物及无机物吸附至该颗粒状活性炭的表 面上，并使该颗粒状活性炭维持在生物反应器系统的膜分离步骤的上游。其可以向其中已 将粉末状活性炭添加至混合液的悬浮介质膜生物反应器提供好处，且在该混合液内的炭与 膜接触时不会产生磨损及积垢问题。本发明的另一目标为提供其安装仅需要最低的资金投资且具有低操作成本的有 效的方法及系统。本发明的又另一目标为施行特别适于处理工业及含油废水的此种方法及系统。 发明概要可通过该使用膜生物反应器来处理工业废水物料流的系统及方法(其包括将颗 粒状活性炭材料导入维持在膜操作系统上游的曝气部分内)而提供上述目标及其它优点。 该活性炭颗粒的大小经选择以使其在进入该含有浸没式膜的膜操作系统池前，可经筛选或 容易从该混合液物料流分离，由此可防止该膜的磨损。该曝气部分包括废料排放口，当化学 需氧化合物的流出物浓度接近典型地由政府部门设定的极限时，可通过该排放口移除部分 废颗粒状活性炭，并添加具有吸附能力的另外的颗粒状活性炭至该曝气池。在典型的膜生物反应器系统内，有粗筛及细筛放在该曝气池的上游以防止大的和 小的颗粒沉降在该系统内或损害该膜。例如在生活污水膜生物反应器内，细筛也可移除会 缠绕该膜并导致操作问题的毛发。在本发明的应用中，若废水为工业废水，则另外要求在颗 粒状活性炭进入已设置膜的该膜操作系统池内之前，从混合液筛分该颗粒状活性炭。这在 各种构型中实现。在一个布置中，在该曝气池的上游设有粗筛但无细筛，且细筛或筛分系统 (其筛网尺寸小于所要使用的颗粒活性炭的下限有效粒度)位于曝气池内或位于该曝气池 与膜池之间。在特定实例中，粗及细筛(若必要，依据大小区分以移除废水中的一般污染 物)被设置在该曝气池的上游，而筛分系统(依据大小区分以移除该颗粒状活性炭)被配 置在曝气池内或在该曝气池与膜池之间。因此，本发明的一个目标为提供可防止该颗粒状 活性炭离开曝气池并进入含该膜的膜操作系统池内的分离系统。与可处理相同废水的未添加颗粒状活性炭的膜生物反应器比较，在混合液内使用 颗粒状活性炭可以使该膜生物反应器得到重要的操作优点。以筛分/分离系统(其可以使 大部分颗粒状活性炭维持在存在该膜的膜操作系统池的上游)使用颗粒状活性炭可防止 当粉末状活性炭用于膜生物反应器且该炭与该膜接触时业经发现的不可逆积垢及磨损。具 有至少约0. 3毫米的有效大小的颗粒状活性炭的使用可以使大部分或所有该颗粒状活性 炭从要被转移至该膜操作系统池以进行膜过滤的混合液物料流滤出。使该膜操作系统池内 的吸附材料减至最少或排除可以降低或排除经确定对，例如使用粉末状活性炭的膜生物反 应器的操作效率及有用寿命有害的该膜的磨损。在膜生物反应器系统，其包括用以防止炭与该膜接触的筛分/分离系统，内使用 颗粒状活性炭的文中该方法及系统可提供各种操作好处，其包括使该混合液更快适应废水物料流、膜积垢减少、由细胞外材料引起的发泡现象减少、该膜的磨损减少，其会延长该膜 的有用预期寿命、对进料浓度及流率的变异的耐受性改进、改进的污泥特性(例如更快脱 水、较低含油特性及处理的容易性)、及优于在类似的液压滞留时间下来自现有膜生物反应 器系统的流出物质量的流出物质量(其包括较低浓度的有机及无机杂质)。


本发明可参考附图，其中相同的数字是指相同或类似的要素，在下文进一步详述， 且其中图1为根据本发明用于处理废水的装置的实施方式的示意图；图2为图1的装置的第二实施方式，且其包括用于该废水物料流的脱氮部件；及图3为描述于膜生物反应器系统的各阶段下，生物上难处理且生物抑制性化合物 的进料浓度(以每升毫克数表示)、及残留流出物浓度(以原有浓度的百分比表示)的曲线 图。为促进对本发明的了解，当适于表示与该图示共有的相同或类似要素时，相同参 考数字业经使用。优选实施方式的详细说明图1描述工业或含油废水处理系统100的制造方法流程图。系统100通常包含曝 气池102及膜操作系统池104。曝气池102包括用于接收废水的入口 106、及用于将废水排 放至膜操作系统池104的出口 108。该曝气池102包括如用于将该混合液曝气的废水处理 技术中所知的空气扩散装置。此外，可包括视需要选用的增补空气扩散装置以如文中进一 步所述，将颗粒状活性炭维持在悬浮液中。经由入口 110而将来自曝气池102的经筛分/分 离的流出物引导至膜操作系统池104。在该膜操作系统池内，如膜生物反应器技术中所知， 该废水可通过一个或多个膜。出口 112可转移来自该膜生物反应器系统100的经处理流出 物。返回管114可连接膜操作系统池104及曝气池102以将返回的活性淤泥转移至曝气池 102。可经由混合液废料排放口 116而移除来自曝气池102的废颗粒状活性炭(也就是不 能够再有效吸附生物上难处理化合物的颗粒状活性炭)。废料出口 118可以连接至返回管 114以使用于丢弃的部分或所有该返回活性淤泥改道以控制该混合液浓度。添加种菌培养 基至曝气池102以促进微生物生长。预备筛分系统120位于曝气池102的入口 106的上游。本预备筛分系统可包括溶 空气浮选系统、粗筛或其组合。根据欲处理的特定废水，可选择性包括其它类型的预备处理 装置。细筛或分离器子系统122可包含在曝气池102内。可选择性或与该细筛或分离器子 系统122 —起，细筛或分离器子系统可配置在曝气池102与膜操作系统104之间。该细筛网 122可以是楔形线筛或旋转滚动筛或可防止该颗粒状活性炭通过混合液并因此与膜操作系 统104内的膜接触的其它分离方法。可借助重力使来自曝气池102的经筛分或分离的混合 液泵吸或流入(取决于该特定系统的设计)膜操作系统104内。在使用外分离系统(图中 未显示)的系统内，可借助重力使通过外细筛或子分离器系统的从该混合液所分离的颗粒 状活性炭再落入曝气池内或经由分开的入口而返回曝气池102。适用于本发明该方法及系统的筛或筛分系统的类型包括呈柱形或扁平构型且以 各重角度(其包括垂直定向、水平定向或其间的任何角度)布置的楔形线筛、金属或塑料多孔板、或织造织物；或主动筛分系统，诸如旋转滚动筛。也可使用其它分离技术，其包括在静 沉区内的重力沉降。在图1中，废水进料流可通过预备筛分系统120并进入曝气池102内。该曝气池可 将废水曝气以和颗粒状活性炭一起形成混合液(其含有废水及经混合液悬浮的固体)。可 添加颗粒状活性炭(其最好，例如经预湿润以形成颗粒状活性炭浆体)至系统100内的该 废水的一个或多个位置130a、130b、和/或130c。例如可添加颗粒状活性炭至预备筛分系 统120的进料流下游(例如位置130a)。颗粒状活性炭可选择性或一起直到添加至曝气池 102(也就是位置130b)。在特定优选实施方式中，可经由返回活性淤泥管道114(例如位置 130c)而导入颗粒状活性炭。在特定实施方式中，优选可添加该颗粒状活性炭在预备筛分系 统120前面(例如位置130d)，可借助包括使该颗粒状活性炭能通过其间并进入曝气池102 的筛分而设计用于本应用的预备筛分系统120。混合液可通过该细筛或分离器子系统122 并从进入膜操作系统池104内的经该混合液悬浮的固体中移除颗粒状活性炭。该颗粒状活性炭可提供能吸附难以处置的有机及无机化合物(生物上难处理、生 物抑制性或其它)的吸附位置。由于颗粒状活性炭仍维持在该系统内，所以微生物可成长 且最后可形成对分解该系统内的特定难以处理的化合物具特定驯化性的成熟菌株。而且， 再经过一段时间(例如几天至几周)，由于具有难以处理的化合物的颗粒状活性炭仍维持 在该系统内，具有高度专一性的微生物会变成第二、第三、及更高世代，从而增加其可生物 降解特定难以处理的化合物的效力。最后，部分或所有颗粒状活性炭会变得不能有效处置该生物上难处理或生物抑制 性化合物。其会导致较高浓度的生物上难处理或生物抑制性化合物进入该膜操作系统内， 在其中所述化合物可通过膜。颗粒状活性炭可达其吸附能力(初驯化后)，于此时，不能再 吸附另外的生物上难处理或生物抑制性化合物。此外，由于被称为黏液化(sliming)的现 象，其中该微生物会经多糖类和/或细胞外聚合物物质涂覆，所以颗粒状活性炭会变得无 效。本黏液层虽然起初可用以保护该微生物，但是可达到会堵塞孔位置由此防止接近难以 处理的化合物，因此会防止生物降解。于本阶段下，当确定颗粒状活性炭已损失所有或部分其用于降低生物上难处理或 生物抑制性化合物的流出物浓度的效力，可从该曝气池(经由废料排放口 116)排去部分含 颗粒状活性炭的混合液。如文中所述，可添加另外的颗粒状活性炭至合适添加位置中之一。 可监测入口废水及流出物废水化学需氧(COD)化合物浓度(也就是包括生物上难处理或生 物抑制性化合物)以测定该系统内的颗粒状活性炭及其伴随的生物质什么时候已失去其 有效性。入口及流出物COD的差除以该入口 COD浓度的标绘图可产生能表示该颗粒状活性 炭在混合液内的效力的逐渐损失的标绘图。从该进料流移除的COD数量可表示从该废水进 料所移除的生物上难处理和/或生物抑制性有机化合物的相对数量。由于操作者可逐渐获 得处理这样的特定废水的经验，其可测定本比率什么时候可表示有必要移除一部分在该曝 气池内的颗粒状活性炭并经新的炭取代以恢复用于该生物上难处理和/或生物抑制性化 合物的必需移除效率，例如维持该流出物符合管理要求。也可使用对该流出物的采样及特 定有机及无机化合物的浓度的分析以测定该混合溶液内的颗粒状活性炭及其伴随的生物 质什么时候经耗尽并需要部分置换。当特定有机或无机化合物的流出物浓度开始接近该设施的这些化合物的许可排放浓度时，根据本发明的文中的膜生物反应器系统的操作者可开始置换部分该颗粒状活性 炭。该许可的排放浓度典型地受该设施的许可而限制，例如参照美国环保署(the United States Environmental Protection Agency)或其它类似管理机构所管理的国家污染物排 放消除系统(the National Pollutant Discharge Elimination System(NPDES))许可计 划而决定。由于操作者可逐渐获得操作本系统以处理这样的废水的经验，所以其开始可预 期什么时候可进行该颗粒状活性炭的置换。当该操作者可确定颗粒状活性炭及其伴随生物 质的有效性正接近不能获得污染物的必要流出物浓度时，可停止图1上的管道118丢弃返 回活性污泥所进行的过量生物质的正常丢弃，且该过量生物质及所伴随的颗粒状活性炭经 由废料排放口 116而从曝气池102丢弃。相对于想要操作的特定膜生物反应器系统而言， 应该根据维持该混合液悬浮的固体在最佳操作范围内的必要性而测定所丢弃的材料数量。 置换一部分该颗粒状活性炭后，应该根据该操作者而监测流出物以决定是否已恢复必要的 移除效率。可根据该操作者的操作经验而进行另外置换。在供替代的实施方式中，可从筛分步骤移除颗粒状活性炭且可以使混合液的移除 减至最少。例如在其中筛分包括旋转滚动筛的系统内，可刮除炭颗粒以移除部分该颗粒状 活性炭且若必要可并入另外的新颗粒状活性炭。根据要被处理的特定废水的需求，可使用合适的颗粒状活性炭粒度以配合所选定 的筛分/分离方法。在特定优选实施方式中，该颗粒状活性炭的有效粒度的下限经选择以 使其可轻易地从进入其中已设置该膜的膜操作系统池内的混合液分离。一般而言，该颗粒 状活性炭的有效粒度具有约0. 3毫米的下限，其中该炭的大于99. 5重量％高于该下限； 其优选具有约0.3毫米的下限至约2毫米的上限(根据美国标准筛系列(United States Standard Sieve Series)，相当于网目大小8至网目大小40)，其中该炭的大于99. 5重量％ 在下限与上限内；且在特定优选实施方式中，约0.5毫米至约1.4毫米(根据美国标准筛系 列，相当于网目大小14至网目大小35)，其中该炭的大于99. 5重量％在下限与上限内。业 经证明具有约0. 5毫米至约0. 6毫米的最小有效粒度的颗粒状活性炭可轻易地经合适分离 系统从该混合液筛分，且在经济上可行的操作条件下，也可在悬浮液内维持具合适密度的 颗粒状活性炭的此等有效大小。较小粒度的颗粒状活性炭会形成用于吸附生物上难处理和/或生物抑制性有机 物或无机物的每磅颗粒状活性炭的可用较大表面积。此外，较小粒度的该颗粒状活性炭可 以使混合液的悬浮液容易形成(可导致较低能源成本)。然而，较小粒度的该颗粒状活性炭 也导致更限制性筛分需求且增加该膜受通过曝气池的小颗粒的积垢及磨损的可能损害。另一方面，较大粒度的颗粒状活性炭可以使颗粒状活性炭更容易被移除且可潜在 性降低该膜上的永久性积垢及磨损。然而，根据该炭的密度，保持颗粒状活性炭在悬浮液 中所需的能源会随增加的颗粒状活性炭的有效粒度而增加。而且，为了适应减少的表面积 (以重量计)，根据特定废水进料，可使用较高浓度的颗粒状活性炭。最后可根据该系统所 希望的操作成本而决定合适的程度，其中将该颗粒状活性炭维持在悬浮液中的成本主要可 根据粒度及密度而不同。该混合溶液经曝气并由曝气池102内的颗粒状活性炭而处理后，如此经处理的混 合液可通过细筛或分离器子系统122且转移至膜操作系统池104。该细筛或分离器子系统 122可防止颗粒状活性炭进入膜操作系统池104内。过滤该颗粒状活性炭(例如在该混合
10液内)并将其维持在曝气池内，文中该方法及系统可以使该膜操作系统池的膜被颗粒状活 性炭弄脏和/或磨损的可能性减至最低或消除。该膜操作系统池104含有可从流出物112过滤在膜操作系统池104内的混合液中 的生物质及任何其它固体的过滤膜。如本领域技术人员所知，可以呈中空纤维膜形式或其 它合适构型的这些膜典型地很昂贵且最好保护这些膜使不受损害并延长其可用寿命。在本 发明的该方法及系统内，由于细筛122a和/或122b可实质上减少或排除进入该膜操作系 统池104的颗粒状活性炭及其它颗粒与粒子，所以可延长该膜操作系统池及其内的膜的寿 命。出口 112可从膜操作系统池104输送经过滤流出物。返回活性污泥管道114可从 膜操作系统池104将返回活性污泥物料流送至曝气池102以进一步处理该废水进料流。如 一般膜生物反应器，从该系统的废水管道118弃置过量污泥。图2表示使用一般生物脱氮操作法的膜生物反应器系统200的另一实施方式。对 于特定废水处理需求而需要的专业生物或化学处理系统也可使用本发明且对该系统的合 适修饰为生物废水处理领域技术人员所知。除了缺氧(无氧)部件202的扩充不同外，图2 的该实施方式与图1的实施方式类似。简单的有机炭源，诸如该废料本身的甲醇或生化需 氧内容物，可提供用于氮化方法的养料。将废水导入缺氧部件202内，该缺氧部件系与曝气 池102可保持流体性连通。此外，返回活性污泥物料流管道114可从膜操作系统池104将 该返回活性污泥物料流送至缺氧部件202以进行进一步处理。如在图1内所述的系统，有 可添加该颗粒状活性炭至该系统的多个位置(130a、130b、130c、130d及130e)。在一优选 实施方式中，系添加该颗粒状活性炭至位置130b。在所有其它潜在的颗粒状活性炭添加位 置(130a、130C、130d&130e)中，系添加另一混合装置至该缺氧区以将颗粒状活性炭维持 在悬浮液中。为了有效使用这些用于颗粒状活性炭添加的可供选择的进料位置130a、130c、 130d及130e，该废水需要进行某特殊处理(例如处理与脱氮有关的问题)以合理化本混合 的该另外操作成本。因此，在特定优选实施方式中，除非特定方法需要颗粒状活性炭，否则 在缺氧区内，该颗粒状活性炭并不存在于混合液中。所有废水处理方法皆具有使其成为独特方法的个别需求。因此，可根据特定应用 的需求而决定用于添加该颗粒状活性炭的最佳位置。文中本发明并不受限于第1及图2所 述，反倒是可适应不同类型的工业和/或含废水处理设施。可将该颗粒状活性炭的大小及该细筛经设计可移除的粒度最佳化以使进入该膜 操作系统池的颗粒状活性炭及炭细粉的数量减至最小。因此，本发明该方法及系统可以使 对该膜有影响的炭颗粒或粒子的磨损及积垢减至最少且仍可提供与该活性炭的使用有关 的操作优点。通常根据特定系统参数及要被处理的生物上难处理和/或生物抑制性有机或无 机化合物以符合设施的排放规定的废水而测定颗粒状活性炭在该混合液内的浓度。检测已 显示以典型混合液悬浮的固体浓度(在用于所使用特定膜生物反应器构型的正常范围内) 及约20%颗粒状活性炭浓度(以总混合溶液悬浮的固体浓度为基准计)操作膜生物反应器 适于移除存在于废水进料内的生物上难处理和/或生物抑制性有机化合物且不会在该筛 分系统上产生积垢问题。可添加较高浓度的颗粒状活性炭以提供可对抗会导致高于流出物 中的生物上难处理和/或生物抑制性有机或无机化合物的正常浓度的制造方法不正常的另一安全边缘。需注意该另外的颗粒状活性炭会导致增口的筛分需求，可根据能对抗制造 方法不正常的被视为适于该特定系统及方法的安全程度以实际经验决定可使用且又能获 得必要流出物质量的颗粒状活性炭的最低浓度。文中使用位于膜操作系统池上游的颗粒状活性炭以吸附有机及无机材料(生物 上难处理、生物抑制剂性或其它材料)并提供悬浮介质的膜生物反应器的本发明适用各种 不同构型。此外，也可使用各种分离装置以该颗粒状活性炭维持在曝气池内。本领域技术 人员可知根据废水的个别特性及希望安装设施的区域，不同系统可具有不同经济优点。经控制可产生最佳处理条件的因素包括颗粒状活性炭的类型，其包括大小、形状、 硬度、比重、沉降速率、用于在该混合液内获得颗粒悬浮液(以维持该颗粒状活性炭呈悬浮 介质)的必要气流(或其它悬浮需求)、炭的起源及该炭源的处理、筛杆空隙或开口大小及 洞构型、颗粒状活性炭在该混合液内的浓度、该混合液挥发性悬浮固体的浓度、混合液悬浮 固体的总浓度、该返回活性污泥流率除以进入该膜操作系统池的混合液的流率的比率、水 力滞留时间及污泥滞留时间。本最佳化步骤可以使废水中生物上难处理的有机物通过该颗 粒状活性炭而进行的吸附作用、及部分该生物上难处理的有机物的吸附作用容易通过已悬 浮在混合液内的该颗粒状活性炭而降解生物需氧化合物(BOD5)、生物抑制性化合物、无机 化合物及细胞外聚合物物质。经确定可移除有效量的某些已知的生物上难处理化合物，诸如乙二胺四乙酸 (EDTA)、邻苯二甲酸二-正-丁酯、2，4- 二硝基酚、2，4- 二硝基甲基、甲基叔丁醚(MTBE)、以 及未经确认的化学需氧化合物的颗粒状活性炭的更合适类型包括具有约0. 5毫米至约0. 6 毫米的有效粒度且具有约1. 05至约1. 10的比重(于20°C下在水中)的颗粒状活性炭。而 且，希望颗粒状活性炭的硬度可以使由于互相碰撞而导致的细粉及其它微粒的产生减至最 少。适于本发明使用的更有用颗粒状活性炭包括来自以下的颗粒状活性炭木材、椰子、甘 蔗渣、锯屑、泥炭、磨浆废弃物或其它纤维素衍生的材料。一合适实例为具有标称网目大小 为14X35(根据美国标准筛系列)的Mead Westvaco Nuchar. ffVBo该活性炭颗粒可提供混合溶液内的微生物可附着于其上的吸附位置并可提供有 机物的高移除效率且不需要按比例延长水力滞留时间及污泥滞留时间。这些吸附位置起初 可作为用于生物上难处理或生物抑制性有机及无机化合物的吸附位置。如上述，最后已适 应该废水内的特定化合物的微生物可发育并成熟，因此导致增加的生物降解。其包括生物 上难处理化合物的生物降解，因为该微生物可维持在颗粒状活性炭的孔内，其维持时间比 在曝气池内的典型滞留时间更久。此外，又由于接触成熟微生物的时间增加，所以特定生物 抑制性化合物可实际上降解。本方法及系统的生物上难处理和/或生物抑制性有机及无机化合物的显著改进 的移除性为本技术，其包括，但不限于颗粒状活性炭吸附作用、悬浮介质生物废水处理、附 着生长/固定膜生物废水处理及膜生物反应器废水处理技术的多种特性的组合所致。在本 发明的方法及系统中，从进入膜生物反应器的膜操作系统内的该混合液所分离的颗粒状活 性炭的使用可以使所有这些处理技术的优点在建构、操作及维修花费不高的单一废水处理 系统内实现。本发明该装置的一个优点为废水中该生物上难处理有机物通过颗粒状活性炭而 进行的吸附作用可以使混合液内的微生物以另外时间消化在最低水力滞留时间及污泥滞留时间内的该生物上难处理有机物。当污泥增加至该混合溶液固体浓度如此高以致会扰乱 该特定膜生物反应器系统的操作的时候从含有废活性淤泥的该装置排放污泥。该系统及方法的另一优点为部分该生物上难处理有机物、生物抑制性化合物及无 机化合物可通过悬浮在该混合液内的颗粒状活性炭而吸附。吸附作用可以使这些化合物从 该装置移除(当必要时)，其由该曝气池而不是由含有该废活性污泥的返回活性淤泥管道 弃置(废水口 116)过量混合液而使该排放液中的难处理有机物、生物抑制性化合物及无机 化合物的浓度降低并在该膜生物反应器中获得更稳定的生物质。本发明该装置的又另一优点为可通过该颗粒状活性炭而吸附混合液内的细胞外 聚合物物质。这些物质的吸附可使该膜上的积垢速率降低、经过一段时间后的穿透膜压降 的增加速率降低、起泡的趋向降低、及一般而言，更稳定的膜生物反应器操作。可使用该改 进系统及方法的本特征以帮助生活废水膜生物反应器以及含油和/或工业废水膜生物反应器。本发明该装置的又另一优点为提供该混合液悬浮的固体内的微生物可附着的位 置。与使用类似水力滞留时间及污泥滞留时间操作的非颗粒状活性炭增强的膜生物反应器 比较，该方法的本方面可产生在响应不正常条件时更具适应性的混合液挥发性悬浮固体物 料流并可以使存在于废水内的该有机物的生物降解作用增强。万一上游制造方法不正常而 导致在混合液内从由漂浮的活微生物的一部分的损失时，该颗粒状活性炭的孔空间内的微 生物来源可作为种菌的来源。万一对该系统产生热冲击，在现有系统内，其会杀死特定细 菌，但是该孔空间内的部分微生物可存活，因此与不含颗粒状活性炭的现有系统比较，仅需 要该回收时间的一小段。例如该细菌为嗜中温细菌的系统内，由于增加的温度所产生的热 冲击，所以该颗粒状活性炭可以使孔位置内的某些细菌存活。同样，在其中该细菌为嗜热菌 的系统内，由于降低的温度所产生的热冲击，所以该颗粒状活性炭可以使孔位置内的某些 细菌存活。在这两种情况下，可大大降低该培养物再驯化所需的时间。本发明该装置的又另一优点为有机物的高移除效率且不需按比例延长水力滞留 时间及污泥滞留时间。其可减少会导致膜生物反应器的操作困难的细胞外聚合物物质的产 生。上文确认的5种优点的组合可以使该混合液更快适应废水进料、减少该膜的积 垢、改进对进料浓度及流率的变异的耐受性、产生可更快经脱水的具更容易处理的低含油 性的污泥，及产生具有有机及无机杂质的浓度低于使用现有膜生物反应器装置所获得的彼 等杂质浓度的流出物。使用颗粒状活性炭以取代粉末状活性炭可消除在粉末状活性炭膜生物反应器检 测中已被确认为问题的膜积垢及磨损。虽然使用颗粒状活性炭以取代粉末状活性炭不能有效的提供以重量计的炭的用 途，但是其可以使该炭从混合液滤出并消除对该膜的磨损及积垢损害。然而，由于使用颗粒 状活性炭以取代粉末状活性炭，所以该降低的吸附效率并不会显著地影响总活性炭增强的 膜生物反应器装置的效率。检测已显示该生物上难处理有机物的移除的主要机制与粉末状活性炭增强的装 置内的难处理有机物接触该微生物的滞留时间的增加有关。吸附在颗粒状活性炭上的混合 溶液挥发性悬浮固体内的微生物具有较长的时间可消化该难处理及非难处理有机物。用于生物降解的增加的滞留时间已经证实为用以降低该膜生物反应器流出物中的生物上难处 理及非难处理有机物浓度的主要因素，且并不需要该粉末状活性炭的较高吸附效率即可获 得所希望的结果。炭辅助的膜生物反应器内的颗粒状活性炭也可用以增强该难处理有机物及细胞 外聚合物化合物的移除或其移除效率优于粉末状活性炭增强的膜生物反应器。而且，由于 其较大的尺寸，其可从进入该膜操作系统池的混合溶液有效地过滤。可通过使用根据本发 明的颗粒状活性炭而消除或很显著地减少当使用该粉末状活性炭所发生的磨损问题。虽然已证明在膜生物反应器内使用粉末状活性炭颗粒具有与上述颗粒状活性炭 系统部分相同的优点，由于该膜的有用寿命会减至不能令人满意的程度，例如显著小于典 型的膜保用期，所以由该膜操作系统池内的粉末状活性炭颗粒所致的膜磨损不能令人接 受。由于该膜的成本代表膜生物反应器系统总成本的相当大部分，所以这样的有用寿命为 该膜生物反应器系统的操作成本的重要因素。实例改进具有约1，000加仑的容量(就中试规模而言)的含有缺氧部件的曝气池、及 相当于商业膜生物反应器系统的膜操作系统的中试规模可程序化逻辑控制性膜生物反应 器系统(来自 Siemens Water Technologies, Rothschild, Wisconsin, USA 的 Petro MBR Pilot Unit)以适于本发明中所述的颗粒状活性炭添加。将楔形筛设置于可从该曝气池将 混合液移至膜操作系统的泵的入口。包括水的基础合成进料具以下浓度的有机/无机物质每升48克乙酸钠；每升16 克乙二醇；每升29克甲醇；每升1. 9克氢氧化铵；每升0. 89克磷酸。该氢氧化铵及磷酸为 用于该膜生物反应器系统内的细菌的合适营养物平衡的来源。制备具有高浓度生物上难处理和/或生物抑制性有机化合物的试样精炼混合物。 更明确地，该试样精炼混合物含有以下浓度的生物上难处理和/或生物抑制性有机化合 物每升90毫克EDTA ；每升30毫克邻苯二甲酸二 -正-丁酯；每升120毫克2，4- 二硝基 酚；每升21毫克2，4_ 二硝基甲苯；及每升75毫克MTBE。将该精炼混合物喂至缺氧池。首先在未添加颗粒状活性炭的情况下，操作该膜生物反应器以获得基线。已确定 在颗粒状活性炭添加前，仅移除该流出物内的约92%生物上难处理或生物抑制性有机化学 需氧(COD)化合物，经长时间生物驯化后，该膜生物反应器经完全驯化，因此可以使约8% 这些化合物(以COD测定)进入该流出物内。为了测定颗粒状活性炭的效力，添加3800克具有14X35的标称网目大小(根据 美国标准筛系列)的MeadWestvaco Nuchar. WVB至该曝气池，且将可供应空气至该曝气池 的鼓风机调整为可将每分钟75标准立方英尺(75SCFM)喂至该曝气池。添加至该曝气池的 颗粒状活性炭的数量以该装置内的混合溶液悬浮的固体的20%为基准计，其经测定为每升 约5000毫克。该颗粒状活性炭驯化后，总膜操作系统流出物小于4%，因此可获得生物上难处理 或生物抑制性有机化合物(其以COD测定)的大于96%移除率。图3为描述于膜生物反 应器系统的各阶段下，生物上难处理及生物抑制性化合物的进料浓度(以每升的毫克数表 示)、及残留的流出物浓度(以占该原有流出物的百分率表示)的曲线圈。更详细地，图3 表示在驯化期间、及驯化后，颗粒状活性炭(GAC)添加前的该流出物浓度间的比较。由于颗粒状活性炭的吸附能力在小于一天内耗尽，一旦添加该颗粒状活性炭至该系统，流出物COD 浓度有很显著的初下降(其在图3中并未显示)，继而在该炭的吸附能力耗尽后，增加至约 6. 5%，且该炭及生物质开始一起作用以消化以COD测定的该生物上难处理或生物抑制性 有机化合物。该细菌完全固定在颗粒状活性炭的表面上(其可经电子显微镜评估而确认) 后，明显可知附着成长/固定膜系统的优点。该流出物内的残留COD降至进料COD的小于 4%，就生物上难处理或生物抑制性有机化合物的高浓缩进料而言，其可提供大于96%的 COD移除效率。本发明的方法及装置的使用可通过将该炭排斥在膜操作系统池外而排除该膜的 堵塞及磨损。通过使用较大尺寸的炭颗粒，可进行炭粒筛分和/或分离。另一方面，该粉末 状活性炭的小粒度可妨碍其从混合液有效的过滤。本发明的方法及装置已在上文及附图中描述；然而，修饰可为一般技术人员所知 且用于本发明的保护范围是由以下申请专利范围而定义。
1权利要求
一种用于减少经处理流出物中生物上难处理和/或生物抑制性化合物的浓度的膜生物反应器工业废水处理系统，该系统包括用于将工业废水物料流曝气的曝气池，该池包括废料排放口；一个或多个用于将颗粒状活性炭导入曝气池内的与该曝气池相连的颗粒状活性炭输入位置；在该曝气池内的颗粒状活性炭的经曝气悬浮液；含一个或多个位于该曝气池下游的膜的膜操作系统池，该膜操作系统池接收来自曝气池的混合液并排放经处理的流出物；及位于该曝气池内的细筛或分离子系统，用于将颗粒状活性炭维持在含有混合液的曝气池内，其中当用于移除生物上难处理和/或生物抑制性化合物的该颗粒状活性炭的效力已被降至与系统需求有关的顺从水平相接近的水平时，可操作该废料排放口以从曝气池移除颗粒状活性炭。
2.根据权利要求1所述的系统，其中该一个或多个颗粒状活性炭输入位置的至少一个 位于曝气池的上游，与该曝气池直接连通或与从该膜操作系统池排放的返回活性污泥物料 流连通。
3.根据权利要求1所述的系统，其中该颗粒状活性炭具有至少约0.3毫米的有效粒度。
4.根据权利要求1所述的系统，其中该颗粒状活性炭具有约0.5毫米至约1. 4毫米的 有效粒度。
5.根据权利要求1所述的系统，其中该颗粒状活性炭从废水物料流吸附生物上难处理 有机物、生物抑制性化合物及无机化合物。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述曝气池包括脱氮部件。
7.根据权利要求6所述的系统，其中该颗粒状活性炭被维持在与该脱氮部件隔开的曝 气池内。
8.根据权利要求1所述的系统，其中该颗粒状活性炭具有孔空间，在其中微生物附着 并产生用于消化该废水物料流内生物上难处理化合物的另外的微生物。
9.根据权利要求1所述的系统，其中该工业废水为含油废水。
10.根据权利要求1至9项中任一所述的系统，其中该颗粒状活性炭于20°C下在水中 具有约1.05至约1. 10的比重。
11.根据权利要求1至9项中任一所述的系统，其中该颗粒状活性炭具有硬度水平，其 使得通过颗粒的互相碰撞而导致的细粉及其它微粒的产生减至最少。
12.根据权利要求1至9项中任一所述的系统，其中该颗粒状活性炭衍生自选自以下所 组成的组的材料木材、椰子、甘蔗渣、锯屑、泥炭、磨浆废弃物、及其它纤维素衍生的材料。
13.一种用于净化含有生物上难处理和/或生物抑制性化合物的工业废水物料流的方 法，该方法包括将该废水物料流导入具有种菌培养物的曝气池内以产生混合液；将颗粒状活性炭导入该曝气池内；将该颗粒状活性炭维持在曝气池内的悬浮液中；使该颗粒状活性炭留在曝气池内，历时一段足以在颗粒状活性炭的孔内形成能有效处理通过该颗粒状活性化合物而吸附的生物上难处理和/或生物抑制性化合物的成熟微生 物的时间；并且将来自该曝气池的基本上不含颗粒状活性炭的混合液流出物传送至膜操作系统池。
14.根据权利要求13所述的方法，其中该颗粒状活性炭通过与从曝气池排放的混合液 筛分而维持或保持在该曝气池内。
15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括当该颗粒状活性炭的效力降至与顺从 需求水平相接近的水平时，从曝气池弃置一部分该颗粒状活性炭，并将具有较大吸附能力 的另外的颗粒状活性炭导入该曝气池内。
16.根据权利要求15所述的方法，其中弃置该部分颗粒状活性炭包括弃置含颗粒状活 性炭的混合液。
17.根据权利要求13至16项中任一所述的方法，其中该颗粒状活性炭于20°C下在水 中具有约1. 05至约1. 10的比重。
18.根据权利要求13至16项中任一所述的方法，其中该颗粒状活性炭具有硬度水平， 其使由颗粒的互相碰撞而导致的细粉及其它微粒的产生减至最少。
19.根据权利要求13至16项中任一所述的方法，其中该颗粒状活性炭衍生自选自木 材、椰子、甘蔗渣、锯屑、泥炭、磨浆废弃物、及其它纤维素衍生的材料。
20.一种通过膜生物反应器而处理工业废水物料流的方法，其包括使颗粒状活性炭悬 浮在膜生物反应器的曝气池所含的混合液中，并在该混合液接触曝气池下游的膜操作系统 的膜之前，使该混合液通过筛或分离系统以将该颗粒状活性炭留在曝气池内，其中该混合 液基本上不含会磨损该膜的颗粒状活性炭。
全文摘要
本发明提供使用膜生物反应器以处理工业废水物料流的系统及方法，其中将颗粒状活性炭导入曝气部分内并维持于膜操作系统的上游。该活性炭颗粒的大小经选择以使它们在混合液进入含有浸没式膜的膜操作系统池之前可经筛分或容易从该混合液物料流分离，从而避免该膜被炭颗粒磨损。该曝气部件包括废料排出口，当化学需氧化合物的流出物浓度接近典型地由政府部门设定的极限时，一部分废颗粒状活性炭可通过该排出口而被移除并通过添加具有更大吸收能力的新的或再生的颗粒状活性炭而取代。
文档编号C02F3/00GK101952209SQ200880127140
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月19日 优先权日2007年12月19日
发明者W·G·康纳 申请人:沙特阿拉伯石油公司