專利名稱：流化膜生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流化膜生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器將流化床生物膜反應(yīng)器與膜過濾相結(jié)合，由此該反應(yīng)器可以高效地處理污水，同時(shí)易于維護(hù)。
背景技術(shù)：
用于污水處理的生物反應(yīng)器分為擴(kuò)散-繁殖反應(yīng)器(dispersed-growthreactor)和生物膜反應(yīng)器(biofilm reactor)。在擴(kuò)散-繁殖反應(yīng)器中，如活性污泥工藝，生物質(zhì)通常以懸浮絮凝物存在。為了減小反應(yīng)器的體積，反應(yīng)器中必須保持高生物質(zhì)濃度，為了達(dá)到這種要求，通常采用從沉降槽中回收生物質(zhì)。由此導(dǎo)致固體停留時(shí)間相對(duì)較短，所以這種類型的反應(yīng)器通常不用于低濃度污水(low-strength wastewater)的厭氧處理。生物膜反應(yīng)器獲得有效的厭氧處理所需的長固體停留時(shí)間的能力是出色的，因?yàn)樯镔|(zhì)通過附著在介質(zhì)的表面而保留在反應(yīng)器中。這種反應(yīng)器包括具有固定介質(zhì)的填充床反應(yīng)器(packed bed reactor)和具有流化介質(zhì)的流化床反應(yīng)器(fluidized bedreactor)。在流化床反應(yīng)器中，流體通常以向上流的方式，以足夠的流速流經(jīng)諸如沙子或者顆粒狀活性碳等顆粒物質(zhì)的床，從而使這些顆粒被提起，并且在流體中保持懸浮狀態(tài)。在這里，顆粒向下的重力恰恰與流經(jīng)顆粒周圍的流體的向上的流速相平衡。流化床反應(yīng)器已經(jīng)可見于許多環(huán)境應(yīng)用中，尤其用于去除污水中的硝酸鹽和高氯酸鹽。這里，微生物生長成附著在流化顆粒上的致密生物膜，允許反應(yīng)器中保持高的生物質(zhì)濃度，而高的生物質(zhì)濃度是在分鐘量級(jí)而不是小時(shí)量級(jí)的短停留時(shí)間內(nèi)高效處理所需要的，其他類型的反應(yīng)器可能需要小時(shí)量級(jí)的停留時(shí)間。另一方面，擴(kuò)散-繁殖反應(yīng)器中配備膜來保持反應(yīng)器中微生物的高濃度，從而使得在短停留時(shí)間內(nèi)達(dá)到高的處理效率。為了達(dá)到這個(gè)目的，一般采用微濾膜或者超濾膜，它們?cè)试S被處理水通過膜，同時(shí)將微生物大小的顆粒物質(zhì)-尺寸約為I米-保留在反應(yīng)器中。由于從反應(yīng)器的污水中除去了這樣的小顆粒狀物質(zhì)，污水趨于相當(dāng)干凈，并且可被容易地消毒，從而達(dá)到市政污水處理的質(zhì)量，這種水用于灌溉糧食作物是足夠安全的。這代表了相對(duì)于傳統(tǒng)的污水處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的污水處理系統(tǒng)要達(dá)到類似的污水處理質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，除了需要生物反應(yīng)器外，通常還需要最終沉降槽除去較大的顆粒物質(zhì)，并且還需要多介質(zhì)過濾步驟除去細(xì)菌大小的較小顆粒物質(zhì)。在這種情況下的膜生物反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是，處理系統(tǒng)使用的綜合處理系統(tǒng)體積小很多，只需要很 小的空間，也就是說，它占用空間較小。然而，膜污染是影響膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)性能的一個(gè)嚴(yán)重問題。膜污染是由于污垢物質(zhì)沉積在膜表面和/或吸附在膜的孔隙基質(zhì)中所引起的。因?yàn)槟の廴驹黾恿舜┻^膜的水力阻力(hydraulic resistance),所以膜污染降低了膜性能,隨之增加了資本和運(yùn)行成本。已經(jīng)有許多不同的方法來降低膜生物反應(yīng)器中的膜污染。目前在膜生物反應(yīng)器中常用的方法是，通過在膜下方引入空氣或回收的生物氣，在膜附近引入高湍流和橫流。此方法相當(dāng)有效，但是需要高的能量消耗。另外，穿過膜的液體或氣體的反脈沖(back pulsing)以及定期清潔是常見的做法，這也需要高的成本。好氧處理是最常見的生物污水處理系統(tǒng)，但是需要大量的能量用于空氣的注入。然而，厭氧處理操作不需要引入空氣或氧氣，相反，生成生物氣形式的有用的能量。厭氧處理的一個(gè)特殊的要求是長的固體停留時(shí)間(Solids Retention Time, SRT),以防止緩慢繁殖的形成膜的厭氧細(xì)菌從反應(yīng)器中被沖走。膜生物反應(yīng)器對(duì)于諸如生活污水等低濃度污水的厭氧處理是有利的，因?yàn)槟し乐沽藚捬跫?xì)菌被沖走，從而可提供所需的長的SRT，同時(shí)操作所需要的水力停留時(shí)間(hydraulic detention time)短，降低了反應(yīng)器的尺寸和成本。但是，目前膜處理較高的能量需求趨于抵消其優(yōu)勢。盡管已經(jīng)進(jìn)行了許多研究致力于減少這種能量需求，但是仍然需要進(jìn)一步減少對(duì)能量的需求。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題因此，本發(fā)明的目的是提供一種污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許更有效地生物處理生活污水以及工業(yè)污水，同時(shí)降低相關(guān)能量使用以及維護(hù)需求。解決問題的手段本發(fā)明的污水處理系統(tǒng)的特征是，結(jié)合了流化床反應(yīng)器和膜過濾。本發(fā)明的流化膜生物反應(yīng)器(Fluidized Membrane Bioreactor, FMB)包括生物反應(yīng)器,該生物反應(yīng)器包含生化活性有機(jī)體；流化顆粒，該流化顆粒是有機(jī)體所附著的支持介質(zhì)；以及膜，該膜允許除有機(jī)體外的被處理水通過。流化顆粒與膜直接接觸。本發(fā)明的流化膜生物反應(yīng)器可以兩種不同的模式之一使用一種是膜置于生物反應(yīng)器的內(nèi)部，另一種是膜過濾在生物處理系統(tǒng)之后作為單獨(dú)的步驟實(shí)施。膜可以是不同類型的膜，如中空纖維膜、管式膜、或平板膜。流化顆?？梢允巧匙?、或者顆粒狀活性碳、或者其他常被用于傳統(tǒng)流化床反應(yīng)器中的物質(zhì)。比如，顆粒狀活性碳(Granular Activated Carbon, GAC)的尺寸通常為0. 3毫米或者更大,其比粉末狀活性碳(Powder Activated Carbon,PAC)大。具體地，尺寸為0. 3 0. 7毫米的GAC是優(yōu)選的。這種尺寸的GAC不僅在吸附或固定顆粒物質(zhì)方面是有效的，而且通過對(duì)膜的沖刷，在防止膜堵塞方面也是有效的。流化膜生物反應(yīng)器可以有效的用于厭氧以及好氧處理系統(tǒng)。發(fā)明的效果流化床反應(yīng)器和膜過濾的結(jié)合的優(yōu)勢不僅在于提高了生物質(zhì)停留時(shí)間，而且，通過反應(yīng)器中與膜直接接觸的流化顆粒的吸附和沖刷的綜合作用，明顯降低了處理污水所通過的膜的堵塞。因此，流化床系統(tǒng)的正常作用以節(jié)能的方式幫助解決了常規(guī)膜生物反應(yīng)器的一個(gè)主要問題。因此，就不再需要耗費(fèi)很多能量注入額外的氣體用于劇烈攪拌。
本發(fā)明的流化膜生物反應(yīng)器在幫助獲得高的污水處理效率方面特別適用于厭氧處理，因?yàn)槠溆兄诒３珠L的SRT。


圖I為本發(fā)明的FMB的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中，膜安裝在生物反應(yīng)器的內(nèi)部；圖2為本發(fā)明的FMB的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中，膜安裝在生物反應(yīng)器的外部;
圖3為圖I所示實(shí)施例的變體的示意圖,其用于厭氧處理系統(tǒng)；圖4為圖2所示實(shí)施例的變體的示意圖,其用于厭氧處理系統(tǒng)；圖5為圖2所示實(shí)施例的進(jìn)一步變體的示意圖；圖6和圖7示出了吸入壓隨過濾時(shí)間的變化的結(jié)果，該結(jié)果從圖4所示的FMB中
所獲得。
具體實(shí)施例方式圖I是本發(fā)明的流化膜生物反應(yīng)器的優(yōu)選實(shí)施例，其中，包含流化顆粒3的生物發(fā)生器I安裝在膜5旁邊。膜5優(yōu)選地可以是中空纖維膜、管式膜、或平板模。例如，中空纖維膜在生物反應(yīng)器I內(nèi)保持垂直方向。流化床顆粒3被向上方向的進(jìn)入流7流化，與此同時(shí)，與膜5進(jìn)行物理接觸，以便于膜表面的物理運(yùn)動(dòng)和生物降解以及吸附作用幫助降低膜污染。流體所需要的向上的流速是使支持介質(zhì)顆粒5流化，且引起床體擴(kuò)張，超出靜止?fàn)顟B(tài)床體的5%到300%，但是通常在25%到150%范圍內(nèi)。支持介質(zhì)可以是任何在潤濕狀態(tài)下比水重，比重范圍約在I. 05 3之間的顆粒，也就是從密度大的塑膠珠到砂粒，并且尺寸在O. I 5毫米之間的顆粒。特別有效的支持介質(zhì)為尺寸在O. 3 O. 7毫米之間的GAC。已經(jīng)證明，類似的材料在全尺寸流化床生物反應(yīng)器中處理受污染的水，進(jìn)行微生物的繁殖和有害的有機(jī)和無機(jī)痕量污染物的降解是有效的。用這種材料獲得50 100%的床擴(kuò)張的典型的向上流速在I米/分鐘量級(jí)。流化床顆粒5為微生物提供支持介質(zhì)的多種功能，吸附或停留精細(xì)顆粒物質(zhì)和溶解的容易堵塞膜的有機(jī)物質(zhì)，并且作為研磨材料，通過它運(yùn)動(dòng)的物理作用和吸附附著在膜上的顆粒，來幫助清潔膜表面。過濾后，從膜上產(chǎn)生了滲透液9。通過回收生物反應(yīng)器I中適量的流體，流經(jīng)管道11，來保持所需的顆粒流化程度。這股流和進(jìn)入流7 —起在生物反應(yīng)器I中產(chǎn)生必要的用于流化的向上的流速。雖然，在圖I的實(shí)例中，膜放置在生物反應(yīng)器自身的內(nèi)部，但是，膜過濾也可以在生物處理系統(tǒng)之后，作為單獨(dú)的步驟實(shí)施，這種結(jié)構(gòu)的實(shí)施例示于圖2中。在這個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)入流13，在生物反應(yīng)器I中經(jīng)生物處理之后，被引入到獨(dú)立的腔15內(nèi)，腔15內(nèi)安裝有膜5，進(jìn)入流13流經(jīng)腔15內(nèi)的膜5，被進(jìn)入流13流化的顆粒3的主要功能是吸附或者停留堵塞物質(zhì)的介質(zhì)，并且作為研磨材料來降低膜污染。當(dāng)使用外部模式時(shí)，生物反應(yīng)器I自身可以是幾種不同設(shè)計(jì)中的任何一種，比如完全攪拌反應(yīng)爸(completely stirred tank reactor)、過濾器(filter)、上流式污泥床反應(yīng)器(upflow sludge blanket reactor)、折流板反應(yīng)器(baffled reactor)、序批式反應(yīng)器(sequencing batch reactor)、流化床反應(yīng)器(fluidized bed reactor)、或者任何其他目前使用的或預(yù)期使用的生物反應(yīng)器中的一種。目的就是使用流化系統(tǒng)以小能量消耗方式來降低膜污染。
圖I和圖2的實(shí)施例示出了配備有通風(fēng)裝置17的用于好氧生物處理系統(tǒng)的FMB。然而，根據(jù)本發(fā)明的FMB也可有效地用于厭氧生物處理系統(tǒng)，這種實(shí)施例示于圖3和圖4中。在這些實(shí)施例中，取消了通風(fēng)裝置，所產(chǎn)生的生物氣經(jīng)氣體分離器18分離出來。分離出的氣體可通過管道19用于輔助流化顆粒，或者通過管道20、21排出。流化顆粒3通過在其表面形成生物膜來允 許保持長的SRT。另外，膜5防止厭氧細(xì)菌被沖走，這樣可以進(jìn)一步提供長的SRT。流化床和膜反應(yīng)器的結(jié)合有助于保持厭氧處理所需要的長的SRT，提高有機(jī)廢棄物到微生物的質(zhì)量傳遞，并以節(jié)能的、產(chǎn)生生物燃料的方式降低潛在的膜污染。因此，本發(fā)明的過程將有益于好氧膜生物反應(yīng)器，另外，也使得厭氧處理成為一個(gè)比過去更受歡迎的處理低濃度污水的系統(tǒng)。圖5示出了圖2中實(shí)施例的進(jìn)一步的變體。在這個(gè)實(shí)施例中，膜5是管式膜，磨料顆粒3在膜5內(nèi)被流化，為了更有效的清潔膜。為了防止顆粒5的流失，比如GAC的流失，在這個(gè)實(shí)施例中，可以附加連接GAC分離器23。分離的GAC24與進(jìn)入流13 —起被引入腔內(nèi)。圖6是研究根據(jù)本發(fā)明的FMB中GAC對(duì)膜污染的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6比較了吸入壓在恒流操作下，有或者沒有GAC作為流化介質(zhì)時(shí)的瞬態(tài)行為，該吸入壓的瞬態(tài)行為是膜污染的一個(gè)指標(biāo)。在本實(shí)驗(yàn)中使用的FMB為圖4中所示的類型，也就是，膜模塊安裝在厭氧生物反應(yīng)器外，因此膜處理來自生物反應(yīng)器中的污水。在該測試中使用的是中空纖維膜。對(duì)于具有GAC的FMB，GAC在反應(yīng)器中連續(xù)地被流化。圖6顯示，當(dāng)反應(yīng)器中無GAC時(shí)，吸入壓(或膜污染)顯著增加。然而，觀察到使GAC連續(xù)流化時(shí)的吸入壓瞬態(tài)行為與使用干凈水時(shí)的吸入壓的瞬態(tài)行為幾乎一致。圖7示出了另一個(gè)研究根據(jù)本發(fā)明的FMB中GAC對(duì)膜污染的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。FMB的反應(yīng)器類型與圖6中實(shí)驗(yàn)所用的相同。然而，在本測試中，GAC在FMB中的流化在時(shí)間A時(shí)停止，并在時(shí)間B時(shí)開始，而不是在反應(yīng)器中連續(xù)地流化。圖7顯示，當(dāng)GAC的流化停止時(shí)，吸入壓增加。但是，當(dāng)GAC的流化開始時(shí)，吸入壓迅速減小至幾乎接近反應(yīng)器中使用干凈水的水平。從這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出FMB膜清潔的有效性。
權(quán)利要求
1.一種流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，所述流化膜生物反應(yīng)器包括 生物反應(yīng)器，該生物反應(yīng)器包含生化活性有機(jī)體； 流化顆粒，該流化顆粒是有機(jī)體所附著的支持介質(zhì)； 膜，該膜允許除有機(jī)體外的被處理水通過； 其中流化顆粒與膜直接接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，所述膜安裝在所述生物反應(yīng)器的內(nèi)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，所述膜安裝在所述生物反應(yīng)器的外部。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，所述流化顆粒在潤濕狀態(tài)下比水重，具有約I. 05 3的比重范圍，并且尺寸介于O. I 5毫米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中任一項(xiàng)所述的流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，所述流化顆粒為顆粒狀活性碳。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，所述膜為中空纖維膜、管式膜、或平板膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，所述生物反應(yīng)器中的處理為好氧處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，所述生物反應(yīng)器中的處理為厭氧處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，回收生物反應(yīng)器中產(chǎn)生的生物氣，來輔助顆粒流化。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的流化膜生物反應(yīng)器，其特征在于，通過引入污水進(jìn)入流和/或回收的反應(yīng)器流體來流化顆粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種流化膜生物反應(yīng)器，所述流化膜生物反應(yīng)器包括生物反應(yīng)器，該生物反應(yīng)器包含生化活性有機(jī)體；流化顆粒，該流化顆粒是有機(jī)體所附著的支持介質(zhì)；以及膜，該膜允許除有機(jī)體外的被處理水通過；其中，流化顆粒與膜直接接觸。所述膜安裝在生物反應(yīng)器的內(nèi)部或外部。所述顆?？蔀轭w粒狀活性碳或者其他合適的物質(zhì)。流化顆粒不僅作為微生物的支持介質(zhì)，而且作為吸附或停留其它可造成膜污染的物質(zhì)的介質(zhì)，以及作為研磨材料清潔膜表面。
文檔編號(hào)B01D39/00GK102639448SQ201080042670
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2010年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者佩里·L·麥卡蒂, 裵在鎬, 金正桓 申請(qǐng)人:仁何大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)