專利名稱：用于控制長立軸生物反應器中液體循環流動的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種控制長立軸(long vertical shaft)生物反應器中湍流、混和和氣體遷移特性的裝置和方法。
本發明涉及長立軸生物反應器，其用于廢水的需氧生物處理以及生物可分解的殘渣的需氧消化。特別是，本發明涉及改進這類生物反應器中的液壓流動的控制、交互區域混合和氣體轉移特性的裝置和方法。
背景技術：
長立軸生物反應器系統在現有技術中是公知的。例如，分別在1997年7月8日和1997年7月22日授權的Pollock的美國專利5645726和5650070涉及適用于生物可分解的殘渣和廢水的處理的生物反應器。這些生物反應器包括循環系統，該循環系統包括至少兩個較長并基本上垂直的并排或同軸腔室(即，下流腔室和上流腔室)，它們在其上端和下端彼此連通。尤其是，各腔室的上端通過表面水槽(surface basin)相連，而各下端連通到正好位于下流腔室下端之下的公共混和區中。不進行循環的“阻流”區(plug flow zone)正好位于混和區之下并與之連通。在這個專利申請中所用的“阻流”是指固體顆粒從混和區向位于反應器下端的排出口的純粹的向下遷移。純粹的向下遷移可以包括一些局部的反混。
使得要處理的廢水或殘渣水反復通過下流腔室和上流腔室、表面水槽和混和區并在它們之間循環。循環流動的一部分引向阻流區并在其下端作為排出物去除。
通常，稱為“混和液體”的包括生物體和微生物的含水液體通過將含氧氣體(一般為空氣)噴射到混和區和阻流區之一或二者內而通過循環系統驅動。一般，在用于廢水處理的反應器中，空氣噴射到反應器底部之上5～10英尺，并且可選的是，一部分空氣也剛好噴射到下流腔室下端之下。最深的空氣噴射點將阻流區分成最深空氣噴射點之上的具有局部反混的準阻流區以及最深空氣噴射點之下的沒有混和的嚴格的阻流區。流入的廢水引入上流腔室內、下流腔室下端之上的一小段距離處。開始時，空氣以穿過流入線路而進入上流腔室的深度噴射，從而導致液體在具有空氣提升泵(airlift pump)的性質的上流和下流腔室之間循環。一旦開始循環，所有空氣噴射轉移到混和區和/或阻流區。從這些區升起的氣泡吸入到上流腔室內并排斥在下流腔室之外(由于在下流腔室內的液體的向下流動超過氣泡的上升速率)。從而，所有氣泡傳輸到上流腔室內，并維持穩定循環。
通常，表面水槽在上流腔室頂部配裝有水平導流片，以迫使混和液體橫穿水槽的主要部分并在再次進入下流腔室進行進一步處理之前釋放廢氣。通過隨著循環流動從向下轉為向上流動而回轉速度頭，在下流腔室下端形成湍流區。這個混和區沒有準確地限定，而一般在15～25英尺深之間。響應等量的經處理的廢水從阻流區下端排出到如上所述的排出管線中，在混和區內的一部分混和液體向下流動到阻流區的頂部內。
在廢物、溶解氧、養分、和生物體(包括活性微生物群體)之間的反應基本上在反應器的上循環區發生，該上循環區由表面水槽、上流和下流腔室以及混和區限定。混和區內容物的大部分向上循環到上流腔室。在這個上流腔室中，未溶解的氣體(主要是氮氣)膨脹，從而有助于提供在反應器上部內驅動液體循環所需的氣體提升力。隨著液體在表面水槽中橫穿導流片而從液體中釋放出廢氣。位于上循環區之下的阻流區對從混和區向反應器下端的排出口向下流動的混和液體提供最終處理或“精練”(polish)。在壓力下噴射的含氧氣體易于溶解到阻流區內的液體中，在阻流區內存在局部反混，導致液體純粹的向下運動緩慢。未溶解的氣體(氣泡)在壓力下向上遷移到強湍流的混和區。在這個區內氣體向液體的傳輸非常高，達到整個反應器氧氣傳輸效率的65％以上。反應產物為二氧化碳和附加的生物體，它們與存在于流入的廢水中的未處理的固態材料結合而形成殘渣(或生物固體(biosolids))。
設計用于廢水和殘渣的需氧處理的長立軸生物反應器通常很類似。然而，廢水處理生物反應器一般需要非常小的阻流區。另外，殘渣處理生物反應器優選地包括兩個不同的充氣分配器，以用于將空氣在兩個不同位置處噴射到反應容器中，即噴射到混和區和阻流區內，如上所述。
在中溫范圍(直到約40℃)內殘渣生物固體的需氧消化的主要產物為二氧化碳、硝化氮以及減少的殘渣物質。在嗜溫范圍(大約45℃～70℃)下需氧消化的主要產物為二氧化碳和氨。
雖然現存的長立軸生物反應器(如美國專利5645726和5650070中所描述的)在廢水和殘渣生物固體的處理方面是有益的，但是它們有若干缺陷，這些缺陷約束了它們的商業效力。當這種現有技術的生物反應器設計為適應大范圍的負載和流量時，混和區和阻流區變得尺寸過大，導致在一些工作條件下液壓和氧氣傳輸效率損失。作為折衷，現有技術生物反應器一般針對一種條件-通常的平均負載和流量-加以優化。不幸的是，在每日負載條件下工作的典型的城市廢物處理廠中，平均條件一天僅僅暫時出現兩或三次。
在負載和流量增大情況下，在該情況下空氣速率必須增大以滿足更大的生物空氣需求，損害了反應器的效率。這是由于空氣速率增大所造成的循環速率的增大。增大循環速率實際上降低了溶解氣體濃度，降低了微生物的呼吸速率，并增大了壓頭損失，如下面進一步詳細描述的。
液壓方面要考慮的問題當生物反應器的上循環區內的循環速度增大時，在最大壓力下用于空氣和水的混和時間減小。此外，對于任何給定的空氣速率，增大液體速度并由此增大流過空氣噴射點的液體體積會稀釋每單位液體體積內可用空氣的濃度。這將降低水中空氣的飽和潛力。通常，下流腔室大約為反應器主體橫截面積的四分之一，因此由增大的空氣速率而導致的在上流腔室內液體流動速度的增大幾乎四倍影響下流腔室內的液體速度。增大的空氣速率將持續增加循環速度，直到建立壓頭平衡為止(即，當與下流腔室相關的液壓阻力與額外空氣所產生的上流腔室內的氣體提升作用平衡時)。在較大管路中液壓損失相對小的大反應器中，下流腔室內的液體速度可以為10～15ft/sec。試驗表明對于每英尺/秒的向下速度，通過下流腔室的液體流量穿透阻流區大約1～1.5英尺。產生10～15英尺/秒的向下流速的非常高的空氣速率可以通過將大部分阻流體積混和到再循環流動中而有效地消除廢水處理生物反應器中的阻流區的作用。這些相同的現象也會使適用于處理殘渣生物固體的生物反應器中的阻流區減小約15～20％。
于是，由于生物反應器的下流腔室部分內的液壓損失直接施加到排出管線的壓頭損失(排出管線可以作為下流腔室、混和區和阻流區的延續而在液壓上實現)，因此要避免較高的下流腔室流速。克服這種壓頭損失需要對溢流加壓和/或將入流泵入反應器中，導致工作效率差。
交互區域混和方面要考慮的問題Tracer對適用于殘渣生物固體處理的生物反應器(如美國專利5650070中所描述的VERTADTM)的阻流區加以研究表明雖然10～15英尺/秒的循環液壓流穿入阻流區內基本上駐留于下流腔室下端之下15～25英尺，在穿透區之下仍存在微小的運動或流動。這個流動移動非常緩慢，并且相當于局部的反混“前沿”(front)。該“前沿”以大約每分鐘1～3英尺在干凈水中向下移動，并以大約每分鐘0.5～1.5英尺在4％的殘渣內移動。這個向下流動的液體大約與通過反應器的阻流區向上移動的氣泡的壓縮體積流動相當。導致較高混和速率的較高空氣速率允許這個“前沿”通過阻流區，即使在后者更快的情況下，從而降低了效率和阻流區的價值。
生物方面要考慮的問題公知的是生物氧化作用中生物需氧量(BOD)的消耗率為BOD最大濃度的函數。對于適量的生物體(微生物的生物量)，存在一個BOD濃度，超過這個濃度，去除率將不再增大。當液體循環速率增大時，在入流噴射點處的BOD濃度被稀釋，并且呼吸速率從理想的最大值下降到非常低的值，從而降低了反應器生物氧化廢水或殘渣中的有機物的能力。
在生物反應器的主循環區內保持較高的呼吸速率導致在循環區消耗大部分BOD。這使得阻流區以較低的呼吸速率工作，這又具有保持更多的溶解空氣用于浮選分離(即，在生物反應器表面分離水槽內的生物體的分離)的效果。于是，由于空氣噴射速率的增大而造成的循環區內呼吸速率的減小可以減少可用于隨后浮選分離的未溶解空氣。
總之，在已經優化的長立軸生物反應器中，增大空氣速率以適應負載或流量的增大將具有如下的副作用1.溶解氧氣程度較低；2.呼吸速率降低；3.排出管線內液壓損失增大；4.阻流區的局部混和；5.用于隨后浮選分離的溶解空氣減少；本發明不僅抵消這些副作用，而且可以聯機調節，以針對任何負載和流量改善生物反應器的性能。
發明內容
根據本發明，提供了具有細長的上流和下流腔室的需氧生物反應器，上流和下流腔室在它們的上端和下端流體連通。生物反應器還包括用于將生物可分解廢物排入上流腔室內的入流管道；用于從生物反應器下部抽出排出物的出流管道；以及用于將含氧氣體噴射到生物反應器中以驅動包括生物可分解廢物的液體在上流和下流腔室之間循環的氣體入口。本發明特征在于，該生物反應器還包括安裝在上流腔室內入流管道排出端上游的流動控制裝置，其中流動控制裝置可調節地控制液體的循環速度。
優選地是，循環液體在位于下流腔室下端附近的生物反應器的湍流混和區內從向下流動改變其流動方向為向上流動，而流動控制裝置還包括(a)安裝在混和區上端附近上流腔室內的上板，上板其中具有多個孔，該孔可允許循環液體從其通過；以及(b)安裝在生物反應器內混和區下端附近、上板之下的下板，下板對混和區和位于混和區之下的阻流區之間的液體流動提供局部阻擋。
流動控制裝置還可以包括多個在上板和下板之間垂直延伸的間隔開的流動轉向板，以及混和區內下板之上的沖擊板，用于使向下流動的液體轉向下板。
在使用中，流動控制裝置將液壓壓頭損失施加到上流腔室的下端，借此，與出流管道相連通的上板下側上的循環液體保持在比與入流管道相連通的上板上側上的循環液體高的壓力下，由此在不使用泵的情況下，使得生物可分解廢物通過入流管道流入生物反應器，而排出物通過出流管道流出所述生物反應器。
本發明也包括一種改進長立軸需氧生物反應器的效率的方法，其中，生物反應器包括細長的上流腔室和下流腔室，二者在它們的上端和下端流體連通；用于將生物可分解廢物排入上流腔室的入流管道；用于從生物反應器下部抽出排出物的出流管道；以及用于將含氧氣體噴射到生物反應器中以驅動包括生物可分解廢物的液體在上流和下流腔室之間循環的氣體入口。該方法包括如下步驟(a)響應排入生物反應器中的生物可分解廢物的體積和/或濃度的變化，調節噴射到生物反應器中的所述含氧氣體的體積，由此優化廢物的需氧消化率；以及(b)減小液體的循環速度，以增大液體在上流腔室內的停留時間。
在描述本發明的實施例，但不應以任何方式理解為限制本發明的精髓或范圍的附圖中圖1是現有技術VERTREATTM生物反應器系統的概略垂直剖面圖；圖2a是配裝有根據本發明的流動控制裝置的現有技術VERTREATTM生物反應器系統的概略垂直剖面圖；圖2b是圖2a的流動控制裝置的放大剖面圖；圖3是現有技術VERTADTM生物反應器系統的概略垂直剖面圖；圖4是配裝有根據本發明的流動控制裝置的現有技術VERTADTM生物反應器系統的概略垂直剖面圖；圖5是圖2a的生物反應器的局部斷開的立體圖；圖6a是配裝有兩個流動控制裝置的圖2a的生物反應器系統的放大垂直剖面圖；圖6b是圖6a的流動控制裝置的放大剖面圖；圖7是在帶擋板的壓力容器中水中空氣飽和度相對于各種氣泡流量的滯留時間的曲線。粗線是原始的Hays數據(Sewage and Industrial Waste，1956)。單線是演示本發明的效果的計算數據，處于3到4分鐘滯留時間且空隙度超過10％。空隙度標準化為1個大氣壓；圖8a是呼吸速率(mg O2/gm/hr)相對于廢水流入強度(COD mg/L)的Michaelis-Menten方法曲線；圖8b是參照圖8a的呼吸速率的倒數與廢水流入強度函數的Lineweaver-Burk方法曲線，以確定最大呼吸速率(速度Vmax)；圖9是代表用于設計流動控制裝置的先進流動建模技術的主要發現的簡化圖。反應器中心線左側代表沒有空氣的液壓流動區域，而中心線右側代表有空氣的液壓流動形式。右側為比重與空隙度相對于深度的分布圖。
具體實施例方式
本申請涉及對長立軸生物反應器的改進，該生物反應器諸如是Pollock的美國專利5645726和5650070中所描述的，公開內容引用于此以備參考。
′726專利描述了一種用于處理廢水的現有技術的VERTREATTM系統，該系統利用空氣噴射來驅動包括廢物、養分和生物體的混和液體在生物反應器10內循環。在此使用的術語“廢水”應理解為包括攜帶任何類型生物可分解的家庭或工業廢物的水，例如普通的家庭廢物和農場、食品加工廠、煉油廠、紙漿廠、釀酒廠和其它工廠產生的排出物。對于“混和液體”，其意味著液體、固體和含氧氣體的混合物。固體包含存在于生物反應器系統中的活性微生物的各種群體。
如圖1所示，VERTREATTM生物反應器10包括具有外壁14的細長反應器容器12。具有開口的下端的液體循環管道16在生物反應器10的中心部分內縱向延伸。具有水平導流片22的表面水槽20位于循環管道16的上端。生物反應器壁14和管道16在反應器10中一起限定了至少兩個較長的基本上垂直并排或同軸的腔室，即管道16外表面和側壁14之間的上流腔室24和管道16內部之內的下流腔室26。各腔室24、26在它們的上端通過表面水槽20彼此連通，而在它們的下端通過共同的混和區彼此連通，該混和區位于下流腔室26的下端18。
生物反應器10還包括用于將諸如廢水或殘渣的流入物引入上流腔室24的入流管線30。優選地是，入流管線30具有向上翻轉的排出口32，該排出口32位于下流腔室26的下端18之上一小段距離處(圖1)。排出口32向上翻轉，以防止在上流腔室24內上升的氣泡通過而進入入流管線30。
用于從反應器容器12下部抽出經處理的排出物的出流管線34在生物反應器10內垂直延伸。在所示實施例中，出流管線34在容器12中部延伸過循環管道16。優選地是，至少一個充氣分配器36安裝在出流管線34上，以用于將空氣或任何其它適宜的含氧氣體噴射到反應器10內。設置了空氣供給管線38，以將空氣傳送到充氣分配器36。
液體在生物反應器10內的循環完全由空氣在壓力下的噴射而驅動(即具有空氣提升泵的特性)。開始時，空氣在一定深度處噴射，通過入流管線30而進入上流腔室24中，從而觸發了流體連通的各腔室24、26之間的液體循環。尤其是，液體在上流腔室24內上升，直到其遇到導流片22為止，導流片使得廢氣釋放。然后，液體橫穿表面水槽20，如圖1中箭頭方向所示，并向下流過下流腔室26。在下流腔室26的下端18，隨著液體再循環回到上流腔室24內，而流動方向反轉。通過液體流動方向上的這種反轉，剛好在下流腔室26之下產生湍流混和區，如后面將進一步描述的。
一旦已經建立了液體循環，空氣僅通過充氣分配器36噴射。來自充氣分配器36的氣泡被卷入上流腔室24內，并基本上排斥在下流腔室26之外，這是由于在該腔室26內的向下流動超過氣泡的上升速率。從而，基本上所有氣泡都傳送到上流腔室24，從而維持了穩定循環。
如圖1中清楚示出的，反應器10在功能上分為兩個單獨區域，即上循環區A和下阻流區B。循環區A包括頂置儲罐區C和位于下流腔室26下端18附近的混和區D。混和區D的尺寸取決于各種因素，如下面將進一步描述的。排出物從反應器容器12的底部連續抽出到出流管線34中導致一部分循環液體被吸入阻流區B，該阻流區B剛好位于混和區D之下。如在這個專利申請中所使用的，“阻流”指固態顆粒從混和區D向出流管線34的入口純粹向下遷移。如下面進一步描述的，阻流區B包括局部反混或準阻流區E和嚴格阻流或吸收區F。吸收區F位于最深的空氣噴射點之下。
循環液體的處理(即廢物、溶解的氧氣、養分和包括活性微生物群體的生物體之間的反應)主要在循環區A內發生。阻流區B對混和液體提供最終處理或“精練”。在阻流區B內，混和液體不再通過管道循環。而是以溶解的或膠狀形式存在的氣體和液體以相對緩慢的速度朝向反應器容器12的底部流動，在底部，排出物被抽出到出流管線34中。
在‘070專利中描述的現有技術VERTADTM系統示于圖3中。VERTADTM生物反應器10大致類似于圖1的VERTREATTM生物反應器10，除了它適用于殘渣而不是廢水的需氧消化。在此使用的術語“殘渣”應理解為表示一般總干燥固體在重量上少于7％的生物可分解固體的漿液。經處理的殘渣稱為生物固體，可以由機械裝置脫水到干燥重量的25～55％，以及通過加熱裝置達到干燥重量的90～95％。殘渣例如可以作為VERTREATTM系統中廢水處理的副產品。圖3的VERTADTM生物反應器10優選地包括用于將空氣在兩個單獨位置處噴射到容器12中的兩個充氣分配器36，即位于混和區D(即，靠近下流腔室26的下端18)內的第一分配器36和位于阻流區B內的第二分配器36。此外，圖3的VERTADTM生物反應器10需要比圖1的VERTREATTM系統更大的阻流區B。
本發明涉及一種流動控制裝置，其總體標示為100，用于調節液體和生物固體通過如上所述的現有技術VERTREATTM或VERTADTM生物反應器10之一流動。在本申請的附圖中，配裝有流動控制裝置100的生物反應器標記為101而這種生物反應器101的反應器容器部件標記為121。
如圖5中清楚示出的，控制裝置100包括配裝在上流腔室24的環形空間內的上板102，其優選地在下流腔室26下端18之上的一小段距離的位置處。上板102剛性地安裝在固定于循環管道16外表面上的內支撐環101和固定到反應器側壁14上的外支撐環103之間。在生物反應器101工作過程中，橫跨上板102產生較大的液壓差，從而其牢固保持到位是必不可少的。
上板102包括多個間隔開的開口108，以使得液體能夠從其通過。也設置了多個垂直可調節的調整閥(trim valve)110，它們在所選擇的開口108內可移動，從而調節液體通過其流動。每個調整閥110包括安裝在橫截面為X形的中心凸緣113上的上板111。凸緣113將調整閥110在相應的開口108內對中，如圖5中清晰示出的。每個調整閥110的位置垂直可調節，以調節液體通過各開口108流動。在所示實施例中，調整閥110連接到入流管線30的底部。因此，可以通過升高或降低相應的入流管線30，從表面上控制調整閥110的位置并由此控制相應開口108所提供的開口尺寸。
如圖5中清楚示出的，控制裝置100還包括環形下板104，其借助于多個間隔開的流動轉向板106連接到上板102上。下板104大約在混和區D的底端水平延伸。垂直設置的內裙部118從下板104的內邊緣向下延伸，而垂直設置的外裙部119從下板104的外邊緣向上延伸。于內裙部118與出流管線34及空氣管線38(二者都在反應器121的中心部分內延伸)之間限定了中心圓孔112。如圖2和圖5所示，外裙部119與反應器側壁14間隔開一小段距離，從而限定了一個周邊孔114。多個間隔開的徑向導流片116也從下板104向下延伸到稍低于內裙部118的深度。導流片116成直角與內裙部118相交。
如圖5所示，控制裝置100還包括環形沖擊板120，其安裝在出流管線34上、下板104之上一小段距離處(即，正好在下板中心孔112之上)。設置了多個間隔開的垂直支撐部122，以用于將沖擊板120連接到出流管線34上。沖擊板120直徑稍大于孔112，但小于液體循環管道16的內徑。如圖9中清楚示出的，在沖擊板120和下面的下板104之間限定了流體通道124，優選地是，與中心孔112流體連通的通道124的尺寸可以借助于連接到出流管線34頂部上的控制裝置126從表面上加以調節(圖6)。
在使用中，控制裝置100調節液體通過生物反應器101的循環，以改善其中需氧消化的效率。如上所述，液體在生物反應器101內的循環由空氣或者其它一些適宜的含氧氣體在壓力下噴射而驅動。要處理的廢水或殘渣通過入流管線30吸入容器121的上流腔室24內。由于通過將空氣噴射到系統中而維持了有效的循環，因此流入和流出生物反應器101的入流和出流不需利用泵。
優選地是，流入物排出到控制裝置100之上一小段距離處的腔室24內的循環液體中。在上流腔室24中，未溶解的氣體(大部分是氮氣)膨脹，從而提供驅動流體在反應器容器121上部內循環所需的空氣提升力。廢氣隨著液體橫穿表面水槽20的導流片22而釋放出來。然后，混和液體從表面水槽20吸入到循環管道16中，并向下流過下流腔室26。在下流腔室26的下端18，液體流動方向從向下反轉為向上流動，形成一個湍流混和區D。混和區D的深度取決于流動參數，但一般在15～25英尺數量級。響應等量的經處理的排出物被抽吸到出流管線34中，混和區D中混和液體的一部分繼續向下流入阻流區B。
控制裝置100的主要功能為減緩混合液體在上循環區A內的流動速度。這是通過大致將上板102和下板104分別安裝到混和區D的上端和下端而實現的。沖擊板120安裝到出流管線34上、下板104之上一小段距離處。向下流過下流腔室26的液體朝向下板104的外裙部119向外轉向。從充氣分配器36上升的氣泡穿過孔112和114(圖9)，導致液體向上流過轉向板106，而進入上流腔室24。液體在上流腔室24內上升的速度由上板102中開口108的大小加以約束。在本發明一個實施例中，至少一些開口108的尺寸可通過升高或降低調整閥110來調節。
控制裝置100具備多項重要優點。為了使生物反應器101以優化的速率消化廢物，需要充足量的溶解氧氣。于是，當生物反應器101的廢物負載增大時，也需要通過充氣分配器36增大空氣噴射速率。然而，如上所述，增大充氣速率也增大循環液體的速度，這具有若干副作用，即，降低溶解氧氣的濃度、減小呼吸速率、增大出流管線中的液壓損失、局部減小阻流區，并減少可用于浮動分離的溶解空氣。通過減緩循環液體的速度，控制裝置100消除了這些副作用，由此提高了生物反應器101的效率。下面將進一步描述控制裝置100的這些主要功能。
溶解氧氣含量增大如上所述，控制裝置100的帶開口的上板102減緩了液體在上循環區A內的循環速度，由此顯著增大生物反應器101內的溶解的氧氣含量/溶解的空氣含量。這是由于較慢的循環速度增大了在壓力下空氣/水的接觸時間(如Hay’s數據(圖7)所演示的)而產生的。例如，現有技術生物反應器一般在上流腔室24內大約3英尺/秒的混和液體速度下工作。在該腔室內的相應的平均空隙度大約為4～5％。利用本發明的相同生物反應器將在低于1.5英尺/秒的流動速率下工作，而在上流腔室24內產生大約8～10％的空隙度。因此，可以獲知較慢的液體循環速度不僅使上流腔室24內任意點處的空隙度加倍，而且使上流腔室24內液體的滯留時間加倍。如在本專利申請中所使用的，“滯留時間”指液體在上流腔室24內的兩點之間流動所消逝的時間(即，與在上流腔室24區域內的運行時間或駐留時間同義)。
現在參照圖7，點A代表在上流腔室24內在選定的樣本點處(例如上板102之上180英尺)的現有技術狀態，其處在1分鐘滯留時間并為大約4～5％空隙度。空氣飽和值大約為20％。點B代表在相同生物反應器10上、在上流腔室24內相同點處的本發明的效果，此時延遲到2分鐘滯留時間，并大約為8～10％的空隙度(假設恒定的空氣速率)。空氣飽和值約為60％。從而，通過使循環液體的速度減半，本發明使上流腔室24內選定樣本點處的溶解氣體飽和值為在該示例中的現有技術的三倍。
圖7也示出使噴射到包括流動控制裝置100的生物反應器101內的空氣速率加倍的效果。當空氣速率加倍時，空隙度增大1.7倍，而速度增大1.3倍(即，在諸如開口108的孔處，流量與跨過該孔的壓頭的平方根成正比地增加)。圖7中，點A1代表上流腔室24內的樣本點，其處于大約4％的空隙度以及4分鐘的滯留時間。點B1代表具有高出70％的空隙度和高出30％的速度(即，滯留時間短30％)的點。在這個示例中，盡管液體循環速度增大，空氣飽和值稍微增加(即，增大約1％)。于是，當生物反應器101在相對緩慢的液體循環速度下工作時，由于流動控制裝置100的運轉臨界的速度增大并不損害空氣飽和值或導致需氧消化的效率降低。
通過對比，如果生物反應器已經在高循環速度下工作(由于沒有流動控制裝置100)，將更多空氣噴射到系統中將導致工作效率下降。在圖7中，A11代表上流腔室24內的樣本點，其處于約4％的空隙度和大約40秒的滯留時間。點B11代表具有高出70％的空隙度和高出30％的速度(即30秒左右滯留時間小30％)的點。在這種情況下，使空氣噴射速度加倍可減小空氣飽和值約20％，并于是損害了需氧消化的效率。
如本領域技術人員所理解到的，循環流體通過上板102產生的壓力降導致通過開口108的10～20英尺/秒的局部流速以及水的5～15英尺的壓力降。這改善了混和，并可剪切(shear)氣泡，從而增大空氣/氧氣的傳輸，且改善了上流腔室24內的需氧消化。然而，剪切速度和壓力降正好位于可能對微生物造成損害的數值之下。
增大呼吸速率控制裝置100允許生物反應器10在較高的呼吸速率下工作更長時間段，從而總體上消耗更多的BOD。在入流噴射點的較低的速度和流動體積允許在生物反應器101中BOD更高的初始濃度。呼吸速率是生物活性的量度，而生物活性表示為每單位生物體每單位時間消耗的O2量(消耗BOD)。單位一般是每克生物體每小時的O2mg。BOD是廢水或其它流入物中的生物可氧化有機廢物的量度。COD是廢水或其它流入物中的化學可氧化有機碳的量度。BOD可以從COD中估算。根據測量呼吸速率的Michaelis-Menton和Lineweaver-Burk方法(圖8a和8b)，較慢循環速度反應器將在大約1.5倍呼吸速率下工作比較高速度反應器更長的時間段。例如，Michaelis-Menton曲線(圖8a)縱坐標表示反應速率，而橫坐標表示流入物濃度。這是一個典型的曲線，表明了在25mg/L COD之上呼吸速率增大非常小。另外，Lineweaver-Burk曲線(圖8b)可以利用呼吸速率的倒數和濃度來加以理解，而在曲線在縱坐標交點處獲得絕對值最大的呼吸速率(例如Vmax＝1/0.96×10-2＝104mg/g/hr)。
通過示例，現有技術生物反應器10在上流腔室24內大于3英尺/秒的液體速度下工作，并在稀釋和與內部循環混和后一般包含12mg/L的COD，相應的呼吸速率降為大約57mg/g/hr。在上流腔室24內1.5英尺/秒速度下工作的本發明的生物反應器101稀度為現有技術反應器的一半，并因此包含25mg/L的COD。該結果為反應速率從57增大到82mg/g/hr，或增大約44％。這表示在生物反應器效率上明顯提高。
此外，通過如上所述使呼吸速率最大而消耗生物反應器101循環區A內的大部分BOD使得阻流區B在較低或內源性呼吸速率下工作。這在促進生物絮凝和改善生物體在表面分離水槽內的分離方面是至關重要的。通過調節循環區A內的液體流動速度，對于任何給定條件，可以使氧氣攝取率更精確匹配氧氣供給率。當在嗜溫下工作時這非常重要，在嗜溫情況下，氧氣傳輸比中溫下工作更難。
液壓壓頭控制裝置100在生物反應器101內形成一個液壓壓頭，這使得流入物通過裝置100低壓側(下游)上的入流管線30在重力作用下流入，而排出物在壓力作用下通過裝置100高壓(上游)側的出流管線34排出。如上所述，上板102包括多個間隔開的開口108。優選地是，一些開口108為不可調節的、完全開放的開口，以適應最大流量的大多數，而一些開口108為調整開口，用于按需要適應流量的平衡。調整開口的尺寸可以從表面上通過調節可移動的調整閥110加以控制。
于是，跨過上板102的壓力降可調節，以滿足上述功能，以及設定理想的液壓壓頭，以消除泵送流入物或排出物以及所有循環流束。流量和負載需求經常自原始設計值改變，這些條件可以通過調節流動控制裝置100來再優化。流動控制裝置100在循環流動中的布置對于實現生物反應器101效率的改善是關鍵的。例如，上板102放置在下流腔室26中的任何地方會減小出流管線34上的壓頭，導致在該管線上流量減小或沒有流量。上板102放置在上流腔室24內、入流噴射點之上將減小或阻止入流管線30內的流動。為了使流動控制裝置100的效果最大，上板102必須放置在上流腔室24內、入流噴射點之下(即上游)的下流腔室26下端18附近。
調節反應器101內的液壓壓頭可能需要控制上流腔室24頂部的空隙度，以防止由于氣穴造成的不希望的振動(這一般在空隙度15～20％左右時發生)。流動控制裝置100具有使得流量隨著空氣速率增大而不成比例地增高的內在能力，但仍然保持適于最大化氧氣傳輸和生物呼吸的條件。如上所述，這是由于通過孔的流速與跨過孔的壓頭的平方根成正比增大。跨過帶開口的上板102的壓頭也是空氣速率的非線性函數。這些組合特征使得流動控制裝置100在臨界的增大流速下工作，即使在噴射到系統中的空氣大幅度增大情況下，從而保持如上所述的本發明的主要目的。
如果開口108堵塞(一般僅在上板102包括單獨一個開口108情況下有可能發生)，氣泡將趨于倒退到下流腔室26的下端18，并使得循環反轉，從而在上板102上施加相當大的反向壓力，使堵塞的開口108疏通(unplug)。另外，空氣管線可以安裝到下流腔室26內，以實現用于清洗的周期性的反向流動。
交互區域混和的控制流動控制裝置100的下板104使得液體從混和區D進入阻流區B，同時基本上防止液體從阻流區B進入混和區D(圖2)。先進的計算機建模技術表明隨著循環液體從下流腔室26的下端18向下流動，其橫穿沖擊板120并被朝向外裙部119和反應器側壁14向外導引。由于這種流動路徑，在外裙部119和反應器側壁14之間產生較小的正壓，而在沖擊板120和內裙部118所處的下板104內部之間形成較小的負壓。在沒有空氣噴射時，這個壓差導致圍繞下板104徑向循環，如圖9中反應器中心線左手側所示。
流動控制裝置100被構造成抵消上述圍繞下板104的徑向循環，以基本上防止液體進入阻流區B。認為這是通過兩個機構之一或二者的組合來實現的。第一機構在裙部119的外側上產生一個偏移的空氣提升力。從下板104向下延伸的內裙部118定位成將從充氣分配器36升起的氣泡的主要部分(即，大約75％)通過周邊孔114轉向，如圖9中反應器中心線右手側所示。由此，在周邊孔114內形成的空氣提升壓頭抵消了圍繞下板104徑向流動的趨勢。由于周邊孔114內的空氣提升壓頭可以調節成匹配該孔內流體的向下液壓壓力，該流體保持在基本“停止”狀態下。在徑向循環開始的情況下，液流中夾帶的氣泡趨于克服導致局部循環的力，從而恢復了平衡。任何向下通過周邊孔114的流動(即抵抗氣泡流動的液體流動)將增大空隙度，從而增大空氣提升力，而停止了流動。類似地，任何向上通過周邊孔114的流動(即，與氣泡流動一起的液體流動)將減小空隙度，損失空氣提升力，從而停止了流動。徑向導流片116同樣防止平行于內裙部118的局部循環。
第二機構用于防止阻流區B和混和區D之間的交互區域混和，并可以從圖9中看出，在圖9中，比重或空隙度(即，1-比重)沿著縱坐標繪出，而在流動控制裝置100附近的生物反應器101的深度繪于橫坐標上。從這個曲線可以看出下板104之上的流體明顯密度比其下的流體小。這個密度的差異趨于防止兩種流體在向下方向上混和。
于是，氣泡可以從阻流區B流到混和區D，但是不從混和區D流到阻流區B，這是由于各區之間(以及其中的氣泡)的局部液壓向下循環過慢。在沒有明顯向下流動的液體情況下，氣泡的方向單方向向上。
由此，流動控制裝置100提供了經調節的流動阻擋。尤其是，獨立安裝在出流管線34上的下板104和沖擊板120一同將阻流區B與來自于下流腔室26的向下流動的主體物理隔開(然而，如上所述，阻流區B響應自生物反應器101的流出而接收相對少量的混和區液體)。這使得阻流區B保持為恒定活性的體積，而與下流腔室速度無關，并因此保持恒定的駐留時間和飽和潛力。
如上所述，在開始時，先于液體循環開始，內裙部118將從充氣分配器36向上流動的氣泡按大約3/4的比例分成朝向外周邊孔114和朝向中心孔112。然后，氣泡優先向上遷移到上流腔室24內。于是，配裝有流動控制裝置100的生物反應器101將在向前方向上起動，而不需利用單獨的起動氣體(否則，在現有技術中，該氣體一般經由入流噴射管線引入反應器中)。
如本領域技術人員鑒于上述公開而理解到的，在不背離本發明精髓或范圍前提下可以在本發明的實踐中作出多種變動和修改。于是，本發明的范圍應根據所附權利要求書限定的實質內容加以理解。
權利要求
1.一種需氧生物反應器，具有細長的上流腔室和下流腔室，上流腔室和下流腔室在它們的上端和下端處流體連通；用于將生物可分解廢物排到所述上流腔室內的入流管道；用于從所述生物反應器的下部抽出排出物的出流管道；以及用于將含氧氣體噴射到所述生物反應器中以驅動包括所述生物可分解廢物的液體在所述上流腔室和下流腔室之間循環的氣體入口，其特征在于，所述生物反應器包括一個流動控制裝置，該裝置安裝在所述入流管道排出端上游的所述上流腔室內，其中所述流動控制裝置可調節地控制所述液體的循環速度。
2.如權利要求1所述的生物反應器，其特征在于，所述流動控制裝置包括(a)安裝在所述上流腔室內靠近所述下流腔室的下端的上板，其中所述上板包括多個間隔開的孔，以允許流體從其通過；以及(b)用于調節至少一些所述孔的尺寸的調節裝置。
3.如權利要求1所述的生物反應器，其特征在于，所述循環液體在所述生物反應器的湍流混和區從向下流動改變其流動方向為向上流動，該混和區位于所述下流腔室下端附近，并且所述流動控制裝置包括(c)安裝在所述上流腔室內、靠近所述混和區的上端的上板，所述上板其中具有多個孔，以允許所述循環液體從其通過；以及(d)安裝在所述生物反應器內、所述第一板之下靠近所述混和區的下端的下板，所述下板對所述液體在所述混和區和位于所述混和區之下的阻流區之間的流動提供局部阻擋。
4.如權利要求3所述的生物反應器，其特征在于，所述流動控制裝置包括多個間隔開的流動轉向板，該流動轉向板在所述上板和下板之間垂直延伸。
5.如權利要求4所述的生物反應器，其特征在于，所述下流腔室限定在所述生物反應器中心部分內垂直延伸的下流管道內；所述上流腔室限定在所述下流管道和所述生物反應器內壁之間；而所述出流管道在所述生物反應器的中心部分內垂直延伸過所述下流管道，其中，所述流動控制裝置還包括安裝在所述出流管道上、所述下板之上的所述混和區內的沖擊板，用于將向下流動的液體轉向到朝向所述下板。
6.如權利要求5所述的生物反應器，其特征在于，所述流動控制裝置還包括內裙部和外裙部，該內裙部從所述下板的內部向下延伸，并在所述內裙部和所述出流管道之間限定了一個中心孔；而外裙部從所述下板的外部向上延伸，并在所述外裙部和所述生物反應器的所述內壁之間限定了一個周邊孔。
7.如權利要求6所述的生物反應器，其特征在于，所述氣體入口位于所述流動控制裝置之下的所述阻流區內，而氣泡從所述阻流區升起通過所述中心孔和周邊孔。
8.如權利要求3所述的生物反應器，其特征在于，所述流動控制裝置還包括調整閥，用于可調節地控制所述上板內形成的至少一些所述孔的尺寸。
9.如權利要求8所述的生物反應器，其特征在于，所述調整閥可遠程控制。
10.如權利要求9所述的生物反應器，其特征在于，所述調整閥可操縱地連接到所述入流管道上并可與其一同移動。
11.如權利要求7所述的生物反應器，其特征在于，所述中心孔和周邊孔大致尺寸相同。
12.如權利要求7所述的生物反應器，其特征在于，所述流動控制裝置還包括多個間隔開的徑向導流片，該導流片從所述下板向下延伸到比所述內裙部稍微低的深度，并與所述內裙部成直角相交。
13.如權利要求7所述的生物反應器，其特征在于，所述內裙部將所述氣泡的主要部分轉向到所述周邊孔。
14.如權利要求2所述的生物反應器，其特征在于，所述流動控制裝置將液壓壓頭損失施加在所述上流腔室的下端附近，由此，所述上板與所述出流管道連通的下側上的所述循環液體保持在比所述上板與所述入流管道連通的上側上的所述循環液體高的壓力下，由此導致所述生物可分解廢物通過所述入流管道流入所述生物反應器中，而所述排出物通過所述出流管道流出所述生物反應器，而不需要使用泵。
15.如權利要求5所述的生物反應器，其特征在于，所述沖擊板的位置可以遠程調節，以改變所述中心孔的尺寸。
16.在一個長立軸需氧生物反應器中，該生物反應器具有細長的上流腔室和下流腔室，上流腔室和下流腔室在它們的上端和下端流體連通；用于將生物可分解廢物排入所述上流腔室的入流管道；用于從所述生物反應器的下部抽出排出物的出流管道；以及用于將含氧氣體噴射到所述生物反應器中以驅動包括所述生物可分解廢物的液體在所述上流腔室和下流腔室之間循環的氣體入口，改進之處包括安裝在所述上流腔室內、所述入流管道排出端上游的流動控制裝置，其中所述流動控制裝置可調節地控制所述液體的循環速度。
17.一種提高長立軸需氧生物反應器的效率的方法，該生物反應器具有細長的上流腔室和下流腔室，上流腔室和下流腔室在它們的上端和下端流體連通；用于將生物可分解廢物排入所述上流腔室的入流管道；用于從所述生物反應器的下部抽出排出物的出流管道；以及用于將含氧氣體噴射到所述生物反應器中以驅動包括所述生物可分解廢物的液體在所述上流腔室和下流腔室之間循環的氣體入口，所述方法包括以下步驟(a)響應排入到所述生物反應器中的生物可分解廢物的體積和/或濃度的變化，調節噴射到所述生物反應器中的所述含氧氣體的體積；(b)降低所述液體的循環速度以增加所述液體在所述上流腔室內的滯留時間。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述循環速度是通過在所述上流腔室內一位置處局部阻擋所述液體的流動而降低的，所述位置在所述生物可分解廢物排入所述上流腔室的位置的上游。
19.如權利要求18所述的方法，還包括在所述下流腔室的下端與所述含氧氣體噴射到所述生物反應器中的位置之間的位置處局部阻擋液體在所述生物反應器中的向下流動。
20.如權利要求17所述的方法，還包括將液壓壓頭損失施加到所述上流腔室的下端，由此導致所述生物可分解廢物通過所述入流管道流入所述生物反應器并通過所述出流管道流出所述生物反應器，而不需要使用泵。
全文摘要
本發明涉及對用于廢水的需氧生物處理和生物可分解殘渣的需氧消化的長立軸生物反應器的改進。本發明包括改善這種生物反應器中的液壓流動、交互區域混和和氣體傳輸的流動控制裝置(100)和方法。流動控制裝置(100)包括帶開口的上板(102)，該上板安裝在生物反應器(10)的上流腔室(24)內，并包括下板(104)，下板位于上板之下、流體連通的生物反應器的混和區和阻流區之間的連接點處。至少上板(102)中的一些開口(108)配裝有可調節的閥(110)，用于調節通過其的液體的流動，并由此調節流動控制裝置(100)所施加的液壓壓頭損失大小。優選地是，上板(102)位于上流腔室(24)內、流入物排入生物反應器(10)的入口(30)上游處。流動控制裝置(100)降低了液體在生物反應器上循環區內的循環速度，并也提供了一個物理分隔，基本上約束了混和區(D)和阻流區之間的交互區域混合。
文檔編號C02F3/22GK1427804SQ01809103
公開日2003年7月2日 申請日期2001年5月9日 優先權日2000年5月11日
發明者戴維·C·波洛克 申請人:諾拉姆工程及建造有限公司