專利名稱：流化膜生物反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種流化膜生物反應器，該反應器將流化床生物膜反應器與膜過濾相結合，由此該反應器可以高效地處理污水，同時易于維護。
背景技術：
用于污水處理的生物反應器分為擴散-繁殖反應器(dispersed-growthreactor)和生物膜反應器(biofilm reactor)。在擴散-繁殖反應器中，如活性污泥工藝，生物質通常以懸浮絮凝物存在。為了減小反應器的體積，反應器中必須保持高生物質濃度，為了達到這種要求，通常采用從沉降槽中回收生物質。由此導致固體停留時間相對較短，所以這種類型的反應器通常不用于低濃度污水(low-strength wastewater)的厭氧處理。生物膜反應器獲得有效的厭氧處理所需的長固體停留時間的能力是出色的，因為生物質通過附著在介質的表面而保留在反應器中。這種反應器包括具有固定介質的填充床反應器(packed bed reactor)和具有流化介質的流化床反應器(fluidized bedreactor)。在流化床反應器中，流體通常以向上流的方式，以足夠的流速流經諸如沙子或者顆粒狀活性碳等顆粒物質的床，從而使這些顆粒被提起，并且在流體中保持懸浮狀態。在這里，顆粒向下的重力恰恰與流經顆粒周圍的流體的向上的流速相平衡。流化床反應器已經可見于許多環境應用中，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，允許反應器中保持高的生物質濃度，而高的生物質濃度是在分鐘量級而不是小時量級的短停留時間內高效處理所需要的，其他類型的反應器可能需要小時量級的停留時間。另一方面，擴散-繁殖反應器中配備膜來保持反應器中微生物的高濃度，從而使得在短停留時間內達到高的處理效率。為了達到這個目的，一般采用微濾膜或者超濾膜，它們允許被處理水通過膜，同時將微生物大小的顆粒物質-尺寸約為I米-保留在反應器中。由于從反應器的污水中除去了這樣的小顆粒狀物質，污水趨于相當干凈，并且可被容易地消毒，從而達到市政污水處理的質量，這種水用于灌溉糧食作物是足夠安全的。這代表了相對于傳統的污水處理系統的優點，傳統的污水處理系統要達到類似的污水處理質量標準，除了需要生物反應器外，通常還需要最終沉降槽除去較大的顆粒物質，并且還需要多介質過濾步驟除去細菌大小的較小顆粒物質。在這種情況下的膜生物反應器的優點是，處理系統使用的綜合處理系統體積小很多，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器系統性能的一個嚴重問題。膜污染是由于污垢物質沉積在膜表面和/或吸附在膜的孔隙基質中所引起的。因為膜污染增加了穿過膜的水力阻力(hydraulic resistance),所以膜污染降低了膜性能,隨之增加了資本和運行成本。已經有許多不同的方法來降低膜生物反應器中的膜污染。目前在膜生物反應器中常用的方法是，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，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。厭氧處理的一個特殊的要求是長的固體停留時間(Solids Retention Time, SRT),以防止緩慢繁殖的形成膜的厭氧細菌從反應器中被沖走。膜生物反應器對于諸如生活污水等低濃度污水的厭氧處理是有利的，因為膜防止了厭氧細菌被沖走，從而可提供所需的長的SRT，同時操作所需要的水力停留時間(hydraulic detention time)短，降低了反應器的尺寸和成本。但是，目前膜處理較高的能量需求趨于抵消其優勢。盡管已經進行了許多研究致力于減少這種能量需求，但是仍然需要進一步減少對能量的需求。
發明內容
技術問題因此，本發明的目的是提供一種污水處理系統，該系統允許更有效地生物處理生活污水以及工業污水，同時降低相關能量使用以及維護需求。解決問題的手段本發明的污水處理系統的特征是，結合了流化床反應器和膜過濾。本發明的流化膜生物反應器(Fluidized Membrane Bioreactor, FMB)包括生物反應器,該生物反應器包含生化活性有機體；流化顆粒，該流化顆粒是有機體所附著的支持介質；以及膜，該膜允許除有機體外的被處理水通過。流化顆粒與膜直接接觸。本發明的流化膜生物反應器可以兩種不同的模式之一使用一種是膜置于生物反應器的內部，另一種是膜過濾在生物處理系統之后作為單獨的步驟實施。膜可以是不同類型的膜，如中空纖維膜、管式膜、或平板膜。流化顆粒可以是沙子、或者顆粒狀活性碳、或者其他常被用于傳統流化床反應器中的物質。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是優選的。這種尺寸的GAC不僅在吸附或固定顆粒物質方面是有效的，而且通過對膜的沖刷，在防止膜堵塞方面也是有效的。流化膜生物反應器可以有效的用于厭氧以及好氧處理系統。發明的效果流化床反應器和膜過濾的結合的優勢不僅在于提高了生物質停留時間，而且，通過反應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，流化床系統的正常作用以節能的方式幫助解決了常規膜生物反應器的一個主要問題。因此，就不再需要耗費很多能量注入額外的氣體用于劇烈攪拌。
本發明的流化膜生物反應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，因為其有助于保持長的SRT。
圖I為本發明的FMB的一個實施例的示意圖，其中，膜安裝在生物反應器的內部；圖2為本發明的FMB的另一個實施例的示意圖，其中，膜安裝在生物反應器的外部;
圖3為圖I所示實施例的變體的示意圖,其用于厭氧處理系統；圖4為圖2所示實施例的變體的示意圖,其用于厭氧處理系統；圖5為圖2所示實施例的進一步變體的示意圖；圖6和圖7示出了吸入壓隨過濾時間的變化的結果，該結果從圖4所示的FMB中
所獲得。
具體實施例方式圖I是本發明的流化膜生物反應器的優選實施例，其中，包含流化顆粒3的生物發生器I安裝在膜5旁邊。膜5優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器I內保持垂直方向。流化床顆粒3被向上方向的進入流7流化，與此同時，與膜5進行物理接觸，以便于膜表面的物理運動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顆粒5流化，且引起床體擴張，超出靜止狀態床體的5%到300%，但是通常在25%到150%范圍內。支持介質可以是任何在潤濕狀態下比水重，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為尺寸在O. 3 O. 7毫米之間的GAC。已經證明，類似的材料在全尺寸流化床生物反應器中處理受污染的水，進行微生物的繁殖和有害的有機和無機痕量污染物的降解是有效的。用這種材料獲得50 100%的床擴張的典型的向上流速在I米/分鐘量級。流化床顆粒5為微生物提供支持介質的多種功能，吸附或停留精細顆粒物質和溶解的容易堵塞膜的有機物質，并且作為研磨材料，通過它運動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，從膜上產生了滲透液9。通過回收生物反應器I中適量的流體，流經管道11，來保持所需的顆粒流化程度。這股流和進入流7 —起在生物反應器I中產生必要的用于流化的向上的流速。雖然，在圖I的實例中，膜放置在生物反應器自身的內部，但是，膜過濾也可以在生物處理系統之后，作為單獨的步驟實施，這種結構的實施例示于圖2中。在這個實施例中，進入流13，在生物反應器I中經生物處理之后，被引入到獨立的腔15內，腔15內安裝有膜5，進入流13流經腔15內的膜5，被進入流13流化的顆粒3的主要功能是吸附或者停留堵塞物質的介質，并且作為研磨材料來降低膜污染。當使用外部模式時，生物反應器I自身可以是幾種不同設計中的任何一種，比如完全攪拌反應爸(completely stirred tank reactor)、過濾器(filter)、上流式污泥床反應器(upflow sludge blanket reactor)、折流板反應器(baffled reactor)、序批式反應器(sequencing batch reactor)、流化床反應器(fluidized bed reactor)、或者任何其他目前使用的或預期使用的生物反應器中的一種。目的就是使用流化系統以小能量消耗方式來降低膜污染。
圖I和圖2的實施例示出了配備有通風裝置17的用于好氧生物處理系統的FMB。然而，根據本發明的FMB也可有效地用于厭氧生物處理系統，這種實施例示于圖3和圖4中。在這些實施例中，取消了通風裝置，所產生的生物氣經氣體分離器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防止厭氧細菌被沖走，這樣可以進一步提供長的SRT。流化床和膜反應器的結合有助于保持厭氧處理所需要的長的SRT，提高有機廢棄物到微生物的質量傳遞，并以節能的、產生生物燃料的方式降低潛在的膜污染。因此，本發明的過程將有益于好氧膜生物反應器，另外，也使得厭氧處理成為一個比過去更受歡迎的處理低濃度污水的系統。圖5示出了圖2中實施例的進一步的變體。在這個實施例中，膜5是管式膜，磨料顆粒3在膜5內被流化，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，在這個實施例中，可以附加連接GAC分離器23。分離的GAC24與進入流13 —起被引入腔內。圖6是研究根據本發明的FMB中GAC對膜污染的影響的實驗結果。圖6比較了吸入壓在恒流操作下，有或者沒有GAC作為流化介質時的瞬態行為，該吸入壓的瞬態行為是膜污染的一個指標。在本實驗中使用的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器外，因此膜處理來自生物反應器中的污水。在該測試中使用的是中空纖維膜。對于具有GAC的FMB，GAC在反應器中連續地被流化。圖6顯示，當反應器中無GAC時，吸入壓(或膜污染)顯著增加。然而，觀察到使GAC連續流化時的吸入壓瞬態行為與使用干凈水時的吸入壓的瞬態行為幾乎一致。圖7示出了另一個研究根據本發明的FMB中GAC對膜污染的影響的實驗結果。FMB的反應器類型與圖6中實驗所用的相同。然而，在本測試中，GAC在FMB中的流化在時間A時停止，并在時間B時開始，而不是在反應器中連續地流化。圖7顯示，當GAC的流化停止時，吸入壓增加。但是，當GAC的流化開始時，吸入壓迅速減小至幾乎接近反應器中使用干凈水的水平。從這些實驗結果可以明顯看出FMB膜清潔的有效性。
權利要求
1.一種流化膜生物反應器，其特征在于，所述流化膜生物反應器包括 生物反應器，該生物反應器包含生化活性有機體； 流化顆粒，該流化顆粒是有機體所附著的支持介質； 膜，該膜允許除有機體外的被處理水通過； 其中流化顆粒與膜直接接觸。
2.根據權利要求I所述的流化膜生物反應器，其特征在于，所述膜安裝在所述生物反應器的內部。
3.根據權利要求I所述的流化膜生物反應器，其特征在于，所述膜安裝在所述生物反應器的外部。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的流化膜生物反應器，其特征在于，所述流化顆粒在潤濕狀態下比水重，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.根據權利要求4中任一項所述的流化膜生物反應器，其特征在于，所述流化顆粒為顆粒狀活性碳。
6.根據權利要求I至3中任一項所述的流化膜生物反應器，其特征在于，所述膜為中空纖維膜、管式膜、或平板膜。
7.根據權利要求I至3中任一項所述的流化膜生物反應器，其特征在于，所述生物反應器中的處理為好氧處理。
8.根據權利要求I至3中任一項所述的流化膜生物反應器，其特征在于，所述生物反應器中的處理為厭氧處理。
9.根據權利要求6所述的流化膜生物反應器，其特征在于，回收生物反應器中產生的生物氣，來輔助顆粒流化。
10.根據權利要求I至3中任一項所述的流化膜生物反應器，其特征在于，通過引入污水進入流和/或回收的反應器流體來流化顆粒。
全文摘要
本發明涉及一種流化膜生物反應器，所述流化膜生物反應器包括生物反應器，該生物反應器包含生化活性有機體；流化顆粒，該流化顆粒是有機體所附著的支持介質；以及膜，該膜允許除有機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器的內部或外部。所述顆粒可為顆粒狀活性碳或者其他合適的物質。流化顆粒不僅作為微生物的支持介質，而且作為吸附或停留其它可造成膜污染的物質的介質，以及作為研磨材料清潔膜表面。
文檔編號B01D39/00GK102639448SQ201080042670
公開日2012年8月15日 申請日期2010年3月8日 優先權日2010年3月8日
發明者佩里·L·麥卡蒂, 裵在鎬, 金正桓 申請人:仁何大學校產學協力團