CN101155760B

CN101155760B - 水处理方法

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Publication number: CN101155760B
Application number: CN2005800483627A
Authority: CN
Inventors: 翁姿官; 台·琼李·史蒂文; 台久华
Original assignee: GLAUS TECHNOLOGY BIOLOGICAL PRIVATE Co Ltd
Current assignee: Glaus Technology Biological Private Co., Ltd.
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: TW200718656A; AU2005334124A8; US20090127190A1; EP1899273A1; ATE463467T1; DE602005020521D1; AU2005334124B2; AU2005334124A1; HK1110064A1; CN101155760A; WO2007004987A1; US7875181B2; EP1899273A4; MY154628A; EP1899273B1

Abstract

一种水处理方法包括：(a)在废水中提供生物活性材料，生物活性材料包括用于能够从废水中移除一个或多个杂质的微生物，其中，所述在所述废水中至少40％体积的生物活性材料维持在粒状形式；以及(b)使废水的一部分穿过薄膜分离器，其中薄膜分离器阻止生物活性材料的穿过。

Description

水处理方法

技术领域

本发明主要有关一种水处理方法。本发明同样有关一种形成水处理中使用的生物活性颗粒的方法以及水处理系统。

背景

已经日益增加使用薄膜生物反应器(MBR)来处理废料。MBR系统利用具有室的反应器和薄膜隔离设备，所述室包括经活化的沉淀物(sludge)。经活化的沉淀物包括能够移除出现在废水中的污染物或不良品种的微生物。利用薄膜分离设备从废水中移除的固体，由于其空隙尺寸，也可选择性地保留在溶液中的污染物种。

与传统的活化沉淀物方法相比，MBR系统展现出许多优点，例如高流出品质，有限的空间要求以及既有污水处理厂的延伸。

与MBR系统有关的一个共同问题是，经活化的沉淀物使得薄膜脏污。薄膜脏污可能归咎于溶质物种或粒子的沉淀、溶解或吸收至薄膜的表面上和/或孔隙中。薄膜脏污可能为生物的本性本质，并且脏污物种可能包括生物絮状物，以及浮表物种，包括细胞外聚合性物质。薄膜脏污导致通过薄膜的显著流量下降，较高的贯穿薄膜压力以及其它操作效率不高。

薄膜的脏污导致MBR系统不得不关闭，同时将薄膜清理和/或更换。

对于避开薄膜的脏污，已有很多种尝试。例如，美国专利4,636,473揭示了一种用于防止薄膜脏污的精巧防脏设备。在美国专利4,636,473中揭示的防脏系统的缺点是，这个系统需要一个精巧的壳体配置，以及在一个选定的时间之后，或者到达一定的压力之后，将反流施加经过壳体，以避免薄膜表面的脏污以及防止在任何可观察到的结块物质形成于任何薄膜表面。这种设置的实施成本高，而且操作上有些麻烦。

李(li)等人已经尝试利用好氧性沉淀物来改善污水处理的薄膜性能。李(li)等人将粒状沉淀物播种在一沉浸式薄膜生物反应器中。反应器开始以粒状沉淀物播种至最多8gL^-1的容积浓度。3到5天的操作之后，反应器内的沉淀物浓度增至15+/-2gL^-1(也即粒状形式的沉淀物的容积百分比浓度在约32％至约38％的范围)。一旦达到稳定值，沉浸式生物反应器用来处理包含葡萄糖、蛋白质和微量营养物的合成废水。

李(li)等人发现，相对于无粒状形式的沉淀物操作的沉浸式薄膜时，沉浸式薄膜以约32％到约35％粒状沉淀物操作的沉浸式薄膜时，可将改善的渗透通量降低。然而，李等人中的沉浸式薄膜仍受到空隙阻塞以及胶体或溶质的吸附，这些将导致通量渗透的显著降低。

需要提供一种可避免，至少是改善一项或多项上述缺点的水处理系统。

概要

根据本发明的第一方面，提供了一种废水处理方法，包括如下步骤：

(a)于废水中提供生物活性材料，该生物活性材料包含一个或多个能够移除废水中杂质的微生物，其中，所述废水中至少40％体积的所述生物活性材料维持在粒状形式；及

(b)使废水的一部分通过薄膜分离器，其中该薄膜分离器阻止生物活性材料穿过。

在第一实施例中，所述废水中大致所有的生物活性材料皆维持在粒状形式。

根据本发明的第二方面，提供了一种废水处理方法，包括如下步骤：

(b)使废水的一部分穿过薄膜分离器，以产生相对于尚未穿过薄膜分离器的斥退水具有一较低杂质浓度的渗透水，其中，通过薄膜分离器阻止生物活性材料穿过。

根据本发明的第三方面，提供了一种形成应用于废水处理反应器中的生物活性颗粒的方法，所述的反应器包括与薄膜分离器流体导通的室，形成生物活性粒子的方法包括以下步骤：

(a)使生物活性播种材料悬浮于室内的废水中，所述生物活性播种材料包括能够从废水中移除一个或多个杂质的微生物；

(b)生长活性播种材料中包含的微生物，以形成较大的粒子；以及

(c)从室内移除选定排放粒子尺寸的粒子，同时，将选定的粒子尺寸的生物活性粒子保留在室内。

第三方面的一个实施例，该方法进一步包括步骤(d)：搅动悬浮材料，以至少部分地抑制薄膜分离器上粒子的沉积。在第三方面的一个实施例中，该方法进一步包括步骤(e)：在重复步骤(c)和(d)之前，将进一步的废水引入到室内。该方法可进一步的包括步骤(f)：提供在步骤(e)中额外的生物活性播种材料。优选地，步骤(e)和/或步骤(f)可被重复以在室内获得选定粒状尺寸的生物活性粒子。

根据本发明的第四方面，提供了一种污水处理系统包括：

反应器，具有用于容纳废水的室；

生物活性材料，用于悬浮于所述的废水中，生物活性材料包括用于能够从废水中移除一个或多个杂质的微生物，其中，在使用中，所述在所述废水中至少40％体积的生物活性材料维持在粒状形式；以及

薄膜分离器，与室流体导通，其中废水的一部分穿过薄膜分离器，来产生相对于未穿过薄膜分离器的斥退水来说，具有较低杂质浓度的渗透水。

根据本发明的第五方面，提供了一种废水处理反应器，包括：

室，包含悬浮在废水中的生物活性材料，生物活性材料包括用于能够从废水中移除一个或多个杂质的微生物，其中，所述在所述废水中至少40％体积的生物活性材料维持在粒状形式；以及

薄膜分离器，与室流动导通，以允许废水穿过，因此产生相对于未穿过薄膜分离器的斥退水来说，具有较低杂质浓度的渗透水。

根据本发明的第六方面，提供了一种通过以下过程产生的水，包括如下步骤：

(a)在废水中提供生物活性材料，生物活性材料包括用于能够从废水中移除一个或多个杂质的微生物，其中，所述在所述废水中至少40％体积的生物活性材料维持在粒状形式；以及

(b)使废水的一部分穿过薄膜分离器，其中薄膜分离器阻止生物活性材料的穿过。

根据本发明的第七方面，提供了一种废水处理方法，包括以下步骤：

(a)在废水中提供生物活性材料，生物活性材料包括用于能够从废水中移除一个或多个杂质的微生物，其中，所述生物活性材料的至少一部分是粒状形式；

(b)从废水中移除不是粒状形式的生物活性材料的至少一部分；以及

(c)使废水的一部分穿过薄膜分离器，其中薄膜分离器阻止生物活性材料的穿过。

附图说明

下列附图显示所揭露的实施例及用来解释所揭露的实施例的原理。然而，请理解的是附图只是用来解释的目的而设计，并不限于本发明。

图1为利用所揭露实施例的水处理方法的粒化薄膜生物反应器(GMBR)的示意图：

图2为图1的GMBR的操作的示意图；

图3为显示混合液体挥发性悬浮固体(MLVSS)、混合液体悬浮固体(MLSS)、GMBR中的MLVSS∶MLSSL比值随时间经过的变化的图形；

图4为显示直接排放悬浮固体(DDSS)、直接排放挥发性悬浮固体(DDVSS)、GMBR中的DDVSS∶DDSS比值随时间经过的变化的图形；

图5为显示GMBR反应器中的生物活性粒状尺寸粒子的均值粒子直径及沉淀物容积指标(SV1)随时间经过的变化的图形；

图6显示GMBR操作50天之后在反应器内的生物活性粒状尺寸粒子的立体显微镜影像；

图7为显示流入物中的化学氧需求(COD)(InfCOD)、斥退物流的直接排放中COD(DDCOD)、及渗透物流的直接排放中的COD(PCOD)随一段30天操作期间经过的变化的图形；

图8为显示GMBR的贯穿薄膜压力(TMP)及薄膜通量资料(FLUX)随一段55天操作期间经过的图形；

图9为显示MLSS、MLVSS及一段4小时液压留置时间(HRT)的MLVSS∶MLSS比值随一段40天操作期间经过的变化的图形；

图10为显示MLSS、MLVSS及一段8小时液压留置时间(HRT)的MLVSS∶MLSS比值随一段40天操作期间经过的变化的图形；

图11为显示DDSS、DDVSS及GMBR中的一段4小时HRT的DDVSS∶DDSS比值随一段40天操作期间经过的变化的悬浮固体的图形；

图12为显示DDSS、DDVSS及GMBR中的一段8小时HRT的DDVSS∶DDSS比值随一段40天操作期间经过的变化的悬浮固体的图形；

图13为显示生物活性粒状尺寸粒子的均值粒子直径及GMBR中一段4小时的HRT的SVI随一段40天操作期间经过的图形；

图14为显示生物活性粒状尺寸粒子的均值粒子直径及GMBR中一段8小时的HRT的SVI随一段40天操作期间经过的图形；

图15为显示GMBR中的一段4小时的HRT的InfCOD、DDCOD及PCOD随一段40天操作期间经过的图形；

图16为显示为GMBR中的一段8小时的HRT的InfCOD、DDCOD及PCOD随一段40天操作期间经过的图形；

图17为显示为GMBR中的一段4小时的HRT的TMP及通量(FLUX)随一段40天操作期间经过的图形；

图18为显示为GMBR中的一段8小时的HRT的TMP及通量(FLUX)随一段40天操作期间经过的图形；

图19(A-F)显示处于9(A)0天、9(B)5天、9(C)10天、9(D)15天、9(E)20天、9(F)20天的粒状微生物量的碎解而无沉降及排放步骤的立体显微镜影像；

图20为显当GMBR操作而无任何沉降及排放步骤时的贯穿薄膜压力(TMP)及薄膜通量资料的图形。

定义

本文中的下列词语和用语将具有如下意义：

“废水”这一用语作为由于最广义地包括例如家庭及工业活动、农业、林业及渔业等的工业活动等人类出现及/或活动的缘故而出现或形成于一环境中的含有有机及/或无机物质的水性流出物的共同代表，且需要被处理以获得净化水，而其主要目的是在于维持及/或改良环境及/或提供一可重新使用作为自来水的净化水的成产。

此处所用的“薄膜分离器”这一用语是指，可供废水中不同物种选择性地渗透的任何障壁或膜。障壁或膜的选择性渗透性允许当压力驱动力施加至废水中时，废水中不同物种以不同的速率被运送横越障壁或膜。由于废水中的一些物种相对于废水中的其它物种，优先地被运送横越障壁或膜，因此就可能从废水中分离物种。废水中的杂质相对于水分子而言，横越障壁或膜具有低的渗透性，且因此已经穿越过薄膜的水(渗透物)相对于尚未穿越薄膜的水(斥退物)，将具有较低的杂质浓度。此处所用的薄膜，预定涵盖现有技术已知的广泛不同的可能组态。例如，薄膜可用作一扁平膜、管状膜或中空纤维。薄膜也可由例如有机材料。聚合材料、无机材料及陶瓷材料等任何材料制成。示范性薄膜揭露于W.S.Winston Ho及Kanalesh K.sirkar，薄膜手册(Membrane Handbook)，28章，408-430页，Kluwer Academic Publishers，Norwel Massachusetts，美国。

“生物活性材料”这一用语，广义地解释为包含微生物组织的材料。微生物组织可包括多个，也即广泛的多种不同的微生物物种，例如自养性及异氧性及好氧性、厌氧性或兼养性细菌等，及较低的生物真核生物例如原生物；酵母菌，真菌，及一废水净化场的生物处理步骤中通常出现在经活化沉淀物中的其它生物，例如，多细胞生物例如草履虫(Paramaecium)及寄生虫，特别是细菌消耗性寄生虫。也应注意生物活性材料可含有在维持颗粒完整性方面扮演机构性角色的有些微生物体。

“生物性活性颗粒”及“生物量颗粒”，广义的解释为代表粒状及/或结块形的生物活性材料。

“经活化沉淀物”用语通常是用于能够劣化可生物分解材料的如上文所界定的微生物的经混合组织，也就是，特别是可分解有机及/或无机物。微生物的此等经混合组织是利用待处理水中的营养且因此将有机及无机物转换成生物量及新陈代谢产物例如，硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、二氧化碳等。此转换可发生于厌氧条件、好氧条件、缺氧自养条件及其组合之下。因为组成物高度地依据盛行条件而定，微生物的经混合组成的实际组成物可广泛的改变。

“生物活性播种材料”用语可指并非粒状形式的上述经活化沉淀物、纯微生物组织、经混合纯微生物组织、粒状沉淀物、经碎解纯微生物组织及其混合物。

除非另外指明，“包含(comprising)”及“包含(comprise)”及其语法变化预定代表“开放”或“包括性”语言使其包括引述元素且也准许额外、未引述元素。

此处在配置组件浓度上所用的“约”通常是指所陈述值的+/-5％，更常为陈数值的+/-4％，更常为所陈数值的+/-3％，更常为所陈数值的+/-2％，甚至更常为所陈数值的+/-1％，甚至更常为所陈数值的+/-0.5％。

此揭露全文中，可在一范围格式中的描述只为了方便及简洁使用且不应视为对于所揭露范围的范畴构成缺乏弹性的限制。为此，一范围的描述应被视为具有特定揭露的所有可能次范围及该范围内的个别数值。例如，如1-6等范围的描述应被视为具有例如从1到3、从1到4、从1到2、从2到4、从2到6、从3到6等特定解释的次范围，及该范围内的个别数字，例如1、2、3、4、5、和6。无论该范围宽度如何，皆适用此方式。

具体实施方式

现在将揭露一水处理方法及系统的示范性、非限制性实施例。

该方法可用来从废水移除杂质。如熟知该项技术的人员所知，废水中的杂质类型及数量将依据废水来源及所处理废水的应用而定。例如，如果废水为被处理用来作为饮用水的盐水或咸水，杂质可能包括金属离子例如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺，阴离子例如HCO₃ ^-、CO₃ ^-、Cl^-及SO₄ ^2-，及有机物例如羧酸。如果废水被处理用于高纯度水应用，例如用于电子件制造中，杂质除了举例例如硼、硅石及黄酸等其它物种外，也将包括上述杂质。

水处理方法可包含将废水供应至室的步骤。废水可能来自家庭来源，例如污水流出物，或它可能来自于工业来源，例如来自精炼过程的副产物的水。

在一个实施例中，水处理方法包含以生物活性播种材料来播种废水的步骤。

在一个实施例中，水处理方法包含当生物活性播种材料悬浮在废水中时，使其生长的步骤。

粒状形式的生物活性材料的容积浓度可能位于选自包含下列各物的群组的范围中：至少40％容积；至少50％容积；至少60％容积；至少70％容积；至少80％容积；至少90％容积；至少95％容积；及至少99％容积。

水处理方法可包含将含氧气体供应至废水的步骤。将含氧气体供应至废水的步骤可在水处理方法期间间隔地或连续地进行。

含氧气体可确保生物活性播种材料悬浮于废水中，且也可辅助准许生物活性播种材料的微生物经历氧化性呼吸。含氧气体可为空气。供应步骤可包含使含氧气体穿过一设置于室中的扩散器。扩散器可位于反应器的室的底部中。

在一个实施例中，水处理方法包含搅动悬浮材料以至少部分地抑制在薄膜分离器上粒子的沉积步骤。

搅动可由该将含氧气体供应至废水的步骤所引发。将含氧气体供应至废水的步骤可改变以促进或调节废水中的好氧性条件、缺氧性条件、缺氧厌氧性条件、及其组合。

另一个实施例中，水处理方法可包含将一例如氮等惰性气体供应至废水，以促进或调节废水中的厌氧缺氧性、及/或缺氧性条件的步骤。废水中的厌氧性、缺氧性及/或缺氧性条件可能促进缓慢生长的微生物的生长。

另一个实施例中，搅动可为悬浮材料的机械性搅动。机械性搅动可通过一位于该室内的叶轮进行。机械性搅动可用于来促进或调节废水中的缺氧性及/或厌氧性条件。

搅动步骤可包含在废水内产生剪力引发式流体系(shear-induced flowregimes)。剪力引发式流体系可防止生长的粒子，例如通过生长微生物的结合、吸附及/或沉淀等方式，沉积在薄膜分离器上。

一实施例中，利用含氧空气来产生剪力引发式流体系。空气的外表气体速度可选自于包括下列各物的群组的范围中：约0.01厘米·秒^-1至约20厘米·秒^-1；约0.05厘米·秒^-1至约20厘米·秒^-1；约0.1厘米·秒^-1至约20厘米·秒^-1；约0.5厘米·秒^-1至约20厘米·秒^-1；约1厘米·秒^-1至约20厘米·秒^-1；约1.5厘米·秒^-1 至约5厘米·秒^-1；约1.5厘米·秒^-1至约4厘米·秒^-1；约1.5厘米·秒^-1至约3厘米·秒 ^-1；约0.5厘米·秒^-1至约15厘米·秒^-1；约0.5厘米·秒-¹至约10厘米·秒^-1；约0.5厘米·秒^-1至约8厘米·秒^-1。

搅动步骤可用于一段选自包括下列各物的群组的时间期间：约50分钟至约3日，约50分钟至约2日，约50分钟至约1日，约50分钟至约12小时，约50分钟至约500分钟，约120分钟至约400分钟，约200分钟至约300分钟。

一实施例中，水处理方法包含使废水穿过薄膜分离器的步骤。一实施例中，薄膜分离器设置于室中(例如，一沉浸式薄膜分离器)。另一实施例中，薄膜分离器设置于室外侧且与室呈流体导通，例如一侧物流薄膜分离器。

可利用使废水接受一压力力量，以将水驱迫通过薄膜分离器以达成穿过的步骤。可由与反应器室呈流体导通的一或多个水或真空泵来施加压力力量。

废水穿过薄膜分离器的步骤可用于一段选自包括下列各物的群组的时间期间：约50分钟至约3日，约50分钟至约2日，约50分钟至约1日，约50分钟至约十二小时，约50分钟至约500分钟，约100分钟至约400分钟，约150分钟至约300分钟，约150分钟至约200分钟。

薄膜分离器可包含管或片形式的薄膜。穿过薄膜的水称为“渗透物”，且作为渗透物流自薄膜移除。未穿过薄膜但自反应器的室移除的水称为“斥退物”，且作为斥退物流从室中移除。

薄膜可对于溶液中及因此溶液中杂质的特定化学物种具有选择性。不同化学物种具有不同的分子尺寸，这导致横越薄膜的不同的通量率，且具有因而产生的化学物种选择性。此薄膜选择性地导致隶属于渗透水物流及斥退水物流的不同物种的浓度。例如，电子件制造程序所需要的高纯度水应用中，薄膜可被例如硅石、硼或有机碳等杂质物种选择性地渗透，因此相较于渗透物流，具有隶属于斥退物流的这些物种的较高浓度。

可在反应器的室内或外部提供有多重薄膜分离器。

在一个实施例中，水处理方法包含自室移除一选定尺寸范围的生物活性粒子，同时使一选定粒状尺寸的生物活性粒子留置在室内的步骤。在一个实施例中，水处理方法包含移除一段沉降时间期间之后尚未在重力下沉降于水中的生物活性粒子的步骤。应意识到，移除步骤可包含在沉降时间期间之后自一室移除尚未在重力下沉降于水中的粒状粒子。

一选定粒状尺寸的生物活性粒子留置在室内的步骤，可包含沉降与室底部相邻的生物活性粒状尺寸粒子。沉降步骤可包含停止搅动室中的废水一段时间，以容许该生物活性粒状尺寸粒子在重力下沉降至室底部。沉降时间将依据生物活性粒状尺寸粒子的所需要粒子尺寸及废水的雷诺数(Reynolds number)而定。示范性沉降时间选自包括下列各物的群组，包括：约30秒至约3小时，约30秒至约2小时，约30秒至约1小时，约30秒至约1800秒，约30秒至约1000秒，约30秒至约500秒，30秒至约300秒，30秒至约200秒，30秒至约100秒，30秒至约50秒。

生物活性粒状尺寸粒子可位于选自包括下列各物的群组的尺寸范围中：约50μm到约10mm，约50μm到约8mm，约50μm到约6mm，约50μm到约4mm，约50μm到约2mm，约50μm到约10mm，约100μm到约10mm，500μm到约10mm，约1000μm到约10mm，约100μm到约2mm，约200μm到约2mm，约400μm到约1.5mm，以及约600μm到约1.5mm。

排放粒子尺寸可为小于生物活性粒状尺寸粒子的任何尺寸。然而，应意识到的是，落在该粒状尺寸范围内的部分粒子可随着排放尺寸粒子自反应器排放。示范性排放粒子尺寸为具有小于选自包括下列各物的群组的尺寸的尺寸的粒子：约50μm，约100μm，约500μm，及约1000μm。

移除一选定尺寸范围的粒子的步骤可包含在沉降步骤之后，自含有悬浮粒子的室排放废水。悬浮粒子设置于经沉降粒子尺寸粒子上方，且优选地具有生物活性粒状尺寸粒子的尺寸范围。

可使用其它尺寸分离程序来移除一选定粒子尺寸的粒子，同时将一选定粒状尺寸的生物活性粒子留置在室内。例如，可使用一旋液分离器或网目滤器从尺寸过大粒子分离出尺寸不足粒子。

在一个实施例中，提供有形成应用于废水处理反应器中的生物活性颗粒的方法，所述的反应器包括与薄膜分离器流体导通的室。在起动时，反应器室充填有废水，且随后以生物活性播种材料加以播种。反应器可随后根据下列步骤以批次循环操作：

(i)生长生物活性播种材料内含的微生物以形成较大粒子。可选择性地，生长包含将含氧气体注射至废水中。

(ii)在生长步骤(i)期间搅动悬浮材料以抑制在薄膜分离器上粒子的沉积。

(iii)通过使水穿过薄膜，从粒子中过滤渗透物。使水穿过薄膜分离器的步骤，可进行一段时间以抽出一选定容积的渗透物来达成一“目标容积交换比”。在一个实施例中，目标容积交换比为，反应器的单一操作循环中，作为渗透物及斥退物自反应器移除的水的容积相对于反应器的总容积。在一个实施例中，目标容积交换比选自包括下列各物的群组：约20％至约90％，约30％至约80％，约40％至约70％，及约45％至约60％。

(iv)通过停止搅动步骤(ii)及/或停止注射至反应器室内的气体供应，来沉降粒状尺寸生物活性粒子。可允许粒状尺寸生物活性粒子沉降到室底部处。

(v)自沉降的粒子上方排放浮表物的一部分，以移除悬浮于溶液中的尺寸不足粒子。

(vi)可选择地，系统可在排放步骤的终点置于空闲状态。

根据步骤(i)至(vi)已经进行一完整循环之后，可重复整个循环以继续生长生物活性粒状尺寸粒子。

应注意在一些实施例中，可在第一批次循环之后省略步骤(i)，这样，既有生长生物活性粒状尺寸粒子继续生长增殖更多粒状粒子。其它实施例中，可将一新鲜的生物活性沉淀物供应源供应至反应器以增强粒子的生长。

反应器可包含一与反应器的室呈流体导通的废水导管。

反应器可包含一与反应器的室呈流体导通的斥退物流导管。斥退导管可用来自室移除尚未穿过薄膜分离器的斥退物流。

反应器可包含一与薄膜分离器呈流体导通的渗透物流导管。渗透物流导管可用来自薄膜分离器移除已经穿过薄膜分离器的水。

实施模式

将参照特定范例进一步更详细地描述本发明的非限制性范例且包括最佳模式，其不应以任何方式视为限制本发明的范围。

参照图1，显示根据水处理方法所揭露实施例操作的粒化薄膜生物反应器(GMBR)10。GMBR 10为一具有2.3L工作容积的柱型反应器(高度1.2米；直径6厘米)。GMBR 10包含一容纳有悬浮在废水中的生物活性颗粒的室12。生物活性颗粒容纳有能够自废水移除一或多个杂质的微生物。

GMBR 10也包含一以沉浸式薄膜模块14形式的薄膜分离器。沉浸式薄膜模块14由二十个40厘米长的中空纤维薄膜所组成，各薄膜具有0.1μm的一标称孔隙尺寸及0.025m²的工作表面积。薄膜模块利用单一死端过滤模式操作。模块一端被密封，同时自另一端抽出渗透物。

GMBR 10也包含一废水入口导管16及一废水进给泵18，以用废水来充填室12。

GMBR 10也包含一曝气入口导管20，以将空气传输至室12。一流计22设置于入口导管20上以指示通过的空气流率。入口导管连接至一设置于室12底部处的扩散器24。

GMBR 10也包含渗透物排放导管26，用来自薄膜模块14排放渗透物。压力表计28及流计30设置于排放导管26上，以分别测量渗透物被泵29自薄膜模块14排放时的流率及表计压力。泵29也可用来在薄膜模块14的室12内生成一真空且据此将水驱迫经过薄膜模块14的薄膜。

GMBR 10也包含可具有不同室高度的多重斥退物排放导管(34A、34B、34C、34D)。斥退物排放导管(34A、34B、34C、34D)可容许GMBR 10的操作者在沉降之后，选择性地排放不同尺寸的悬浮粒子。例如，导管34A位于导管34B上方，因此沉降之后相较于导管34B将具有较小粒子尺寸流自导管34A，如下文进一步描述。

现在参照图2，具有GMBR 10的操作的示意图。可由以下步骤来描述操作：

步骤1-(“填充”)：泵18经由导管16将废水供应至室12。

步骤2-(“反应”)：空气经由扩散器24供应至室12。扩散器24以3.5L·分钟^-1的空气流率来散布空气泡，其等同于2厘米·秒^-1的外表气体速度。空气内的氧在处于剪力引发式流体系流体下的时候，造成生物量经历氧化性呼吸。

步骤3-(“反应及过滤”)：在泵32作用下，利用经过导管26的沉浸式薄膜模块14的过滤，将水逐渐地自室12抽出。

步骤4-(“沉降”)：关断泵18以关断空气供应，以使得空气停止流过扩散器24。沉降的时间期充足，以容许一选定粒状尺寸的生物活性粒子沉降于排放导管(34A、34B、34C、34D)之一的下方。

步骤5-(“排放”)：浮表物的一部分由排放导管(34A、34B、34C、34D)之一排放。这意味着任何悬浮固体粒子(尺寸不足)将自室12被移除。

步骤6-(“空闲”)：GMBR 10在循环终点处被置于休止状态。

在步骤6的终点，反应器操作回到步骤1且开始一个新循环。

范例1

GMBR 10被灌有具有4克MLSS L^-1的初始生物量浓度的粒状沉淀物，且参照如上文所描述的步骤1至6以4小时循环顺序性地操作。反应器以每日六小时操作，其中有3分钟的充填(步骤1)、237分钟的曝气(步骤2)、177分钟的反应及过滤(步骤3)、40秒的沉降(步骤4)、1分钟的排放(步骤5)及1分钟20秒的空闲(步骤6)。

GMBR 10被进给经预处理的市政废水(已经容许其沉降两小时)，所述市政废水具有介于0.23至2.7克COD L^-1d^-1之间且平均为2克COD L^-1d^-1的有机负载率。

充填及曝气(步骤1&2)在各循环起点的同时间开始。薄膜过滤(步骤3)在曝气起点之后60分钟开始。通过薄膜过滤来移除等同于反应器工作容积的3/8的渗透物流。

在沉降步骤之后，通过经过排放口的直接排放(步骤5)来移除等同于反应器工作容积的1/8的浮表物(斥退物流)。

每4小时循环所移除的废水总量，等同于反应器工作容积的50％，而提供50％的容积交换比及8小时的液压留置时间。

GMBR反应器10利用经预处理(经沉降)污水作为流入物进给料在原污水废水上作测试。57日的连续操作期间并未观察到显著的脏污。可从图3可以看出，朝向操作终点维持有4.5克MLSSL^-1的稳定生物量浓度。如图4所示，具有经预处理污水的MBR中的DDSS(直接排放悬浮固体)，在最后两周操作期间小于200mg L^-1且平均为165mg L^-1。如图5所示，在操作期间终点，生物量尺寸为0.28mm，SVI为49mL L^-1。

图6显示生物量的立体显微镜影像。

参考图7，直接排放(斥退物流)及渗透物流中的COD浓度，朝向操作期间终点分别稳定于35mg L^-1及低于20mg L^-1。

图8显示操作期间贯穿薄膜压力(TMP)及薄膜通量的轮廓。通过泵29将真空压力施加于沉浸式薄膜模块14上，以达成所需要的TMP来进行薄膜过滤。维持12LMH的一稳定通量而无任何显著的TMP增加，代表操作期间薄膜脏污并不显著。

范例2

GMBR 10进行第二测试以评估4小时及8小时的不同液压时间(HRT)的粒状沉淀物的特征。

通过下列组成物(gl^-1)来准备一具有乙酸钠(sodium acetate)作为碳来源的合成废水：醋酸盐2.562，NH₄Cl 0.2，K₂HPO₄ 0.045，CaCI₂·2H₂O 0.03，MgSO₄7H₂O0.025及FeSO₄·7H₂O 0.02。

合成废水媒体以下列微营养物设定比例性剂量(mgL^-1)：H₃BO₃ 0.05，ZnCl₂ 0.05，CuCl₂ 0.03，MnSO₄·H₂O 0.05，(NH₄)₆·Mo₇O₂₄·4H₂O 0.05，AlCl₃ 0.05，CoCl₂-6H₂O 0.05及NiCl₂ 0.05。

合成废水具有2000mg CODL^-1的化学氧需求(COD)。合成废水适当地稀释至4/3克CODL^-1且进给至反应器中以提供4公斤COD m^-3d^-1的有机负载率。

GMBR 10起初以一段8小时的HRT及4克COD L^-1d^-1的有机负载率(OLR)来操作及稳定化。然后将HRT调整至4小时而OLR不变。GMBR 10在顺序化批次模式中操作，且其中薄膜过滤分别开始于4及8小时的HRT的曝气起点后的30分钟及一小时。操作方案勾勒于下列表1中。

表1.不同HRT的各循环中的操作方案

HRT (小时)	循环时间 (分钟)	充填 (分钟)	曝气 (分钟)	沉降 (秒)	排放 (分钟)	过滤 (分钟)	流入物 COD (mg L^-1)
								4	120	3	117	40	1	87	667
8	240	3	237	40	1	177	1333

[0143] 在GMBR 10操作过程期间进行去泞(desludging)，以尽量减少直接排放(斥退物流)中的悬浮固体量。例如，在一段4小时的HRT的案例中，从25天实行去泞，以维持大约3.5g L^-1的MLSS及1.14克COD克MLSS^-1日^-1的F/M比(食物/微生物比)。

利用标准研究室方法(APHA 1998)来分析pH、COD、混合液体挥发性悬浮固体(MLVSS)、混合液体悬浮固体(MLSS)、溶解氧及沉淀物容积指标(SVI)。

利用以雷射为基础的粒子尺寸分析器(得自英国沃瑟斯特夏的马芬(Malvern)的马芬仪器(Malvern instrument)的Malvern Mastersizer 2600)或具有Image Pro Pius软件(媒体控制论(Media Cybernetics)，版本4，美国)的立体显微镜(日本，Olympus SZX9)来测量生物量尺寸。

4及8小时的HRT导致具有最小的薄膜脏污的稳定效能，且生物量浓度在四周操作后被稳定在4.3及6.1gMLSSL^-1(参照图9和图10)。

图11及图12显示两HRT的直接排放悬浮固体浓度。DDVSS浓度在最后两周操作期间分别在4及8小时的HRT为112mg L^-1及810mg L^-1。操作终点生物量尺寸及SVI值分别在4及8小时的HRT为0.73mm及0.54mm，及68及47毫升g^-1(参照图13及图14)。

直接排放中的操作终点COD浓度分别在4及8小时的HRT为20mg L^-1及27mgL^-1(参照图15及图16)。渗透物中的操作终点COD浓度分别在4及8小时的HRT为8及14mg L^-1(参照图15及图16)。

图17及图18描绘不同HRT的薄膜过滤效能。在4及8小时的HRT记录下稳定的过滤通量，代表具有最小的或不存在薄膜脏污。

下列表2显示两HRT的关键参数的稳态值，包括均值生物量尺寸、渗透物的可溶COD及DD、及渗透物的COD移除效率及临界通量。

表2.不同HRT的MBR操作的关键参数

以COD为基础的COD移除效率(％)	98.6±0.1	98.8±0.1
			DD中的可溶COD(mg L^-1)	24±3.4	34.9±6.2
临界通量(LMH)	90	80

可从表2看出，与渗透物相关联的CCD移除效率在4及8小时的HRT超过98.6％，且达成超过80LMH的高临界通量。

总言之，在所测试的4及8小时HRT达成了令人满意的反应器效能。

从上述数据中可以相信，在GMBR 10中成功地形成及/或维持粒状生物量粒子，可通过对于沉淀物粒子的一重复性选择达成。为此，如上文所勾勒的GMBR 10的操作可确保轻且散布的粒子被洗出，同时较重组份则留置在反应器系统中。用以驱动粒状生物量粒子的形成及留置的选择压力，可被共同地分类为微生物体性及/或液压性本质。GMBR 10在充填、反应、过滤、沉降、排放及空闲的顺序性批次模式中操作。结果，GMBR系统中生长的微生物受到周期性操作循环的重复性选择程序。

可以相信，GMBR 10操作循环内的混合液体的沉降及浮表物的排放，在促进粒状生物量的发展上扮演了重要因素。然而，例如微生物饥饿及流体动力性剪力及反应器中的流型式等其它操作、环境及生理条件也会贡献于GMBR中的粒状生物量的发展。

为了验证沉降及排放对于GMBR 10中粒状生物量粒子发展的效应，GMBR 10被预灌有粒状生物量且在无任何沉降及排放步骤(步骤4及步骤5)下操作。取而代之，经由薄膜过滤移除了等同于反应器工作容积的1/2的渗透物。

图19显示反应器生物量的立体显微镜影像，并展现出当GMBR在无任何沉降及排放步骤下操作时所发生的生物量的严重碎解。

图20显示当GMBR在无任何沉降及排放步骤下操作时，贯穿薄膜压力(TMP)及薄膜通量的轮廓。利用将真空压力施加在沉浸式薄膜模块上，达成近似12LMH的稳态通量以进行薄膜过滤。通过数周操作之后，从起初4.7kPa至近似10kPa(且升高)的快速且显著的TMP增加来达成此作用。这显示出发生严重的薄膜脏污。薄膜效能的此严重劣化有可能由碎解的生物量所造成，所述碎解的生物量将大量的脏物物种，例如溶退细胞(lysed cells)、细胞外聚合性物质(PES)及可溶微生物产物(SMP)等，释出至废水悬浮物中。这些脏物物种将敏捷地充填于薄膜中的孔隙及通道，且造成薄膜过滤性的显著丧失。

应用

所揭露的实施例提供了合并粒状生物量及薄膜过滤两者的利益的用以处理废水的新方法。

通过例如使用微或超过滤薄膜的薄膜过滤可达成接近洁净的流出物。通过所揭露的水处理方法，克服或至少改善了与现有技术中废料处理方法相关联的脏污问题。在GMBR中尽量减少此薄膜脏污，其可在出现稳定粒状生物量下进行混合液体的薄膜过滤。

此外，微生物集合成紧实粒状生物量，传达了例如保护不受掠食、抗化学毒性及用于有效生物处理的能量源及碳的较好可取得性等利益。此外，密集性细菌族群已知为水平基因转移(HGT)的热点，其为微生物社群用来分散现有分解代谢路径的一策略，且可适应于异生物素在其环境中的出现。因此，颗粒内的微生物的紧密装填可利于水平基因转移，因为可将这些生物分解路径予以编码的基因可更容易分布至其它微生物，故其转而可增强颗粒劣化顽抗性或毒性化合物的能力。

有利地，发明人可发现，具有至少40％粒状形式、较佳至少90％或更多粒状形式的生物活性材料的沉浸式薄膜的操作，显著地降低孔隙阻塞及胶体或溶质吸附于薄膜上。有利地，相对于只有甚少或毫无粒状形式的生物活性材料的沉浸式薄膜，该反应器能够随时间经过一较高通量渗透物操作。

有利地，发明人可发现，在所揭露的水处理方法中未必采用任何载体。

有利地，发明人可发现，粒状粒子的尺寸防止或至少抑制薄膜上的脏污。因此，可改善或避免先前技艺相关联的脏污问题。

虽然已经参照特定媒体来显示本发明，任何液体媒体可被处理以降低其中的可物理性、化学性及生物性移除材料。

虽然已经参照特定反应器组态及一特定组的操作标准协议来显示本发明，可引进反应器组态及操作标准协议的变异，以建立具有同时性薄膜过滤的粒状沉淀物来处理废水以达成具有最小的薄膜脏污的几乎洁净的流出物。

虽然已经示范所揭露实施例在反应器中留置近似6000mg L^-1的生物量，生物量浓度为所施加废水负荷的函数，且可在具有较高废水负荷的GMBR中留置超过10000mg L^-1的较高生物量浓度。

熟知该技术的人在阅读上文所揭示的内容之后，将得知本发明的各种不同其它修改及改用而不脱离本发明的精神与范围，且所有此等修改及改用预定位于随后的权利范围的范畴之内。

参考文件

1.APHA.1998.水及废水的标准检查方法，第20版，美国公共健康协会，华盛顿。(Standard methods for the examination of water and wastewater，20^th edition.American Public Health Association，Washington，D.C.)

2.李秀芬，高方书，华兆哲，杜国成，陈健，“利用为控制薄膜脏污而研究的具有粒状沉淀物的新型MBR的合成废水的处理方法，分离&净化科技，(2005)。(Xiufen Li，Fangshu Gao，Zhaozhe Hua，Guocheng Du，Jian Chen，“Treatmentof synthetic wastewater by a novel MBR with granular sludge developedfor controlling membrane fouling”，Separation & Purification Technology(2005)。)

Claims

1.一种废水处理方法，包括以下步骤：

(a)于废水中提供生物活性材料，该生物活性材料包含一个或多个能够移除废水中杂质的微生物，其中，所述废水中至少40％体积的所述生物活性材料维持在粒状形式，以及其中，粒状形式的所述生物活性材料具有从50μm到10mm范围的粒状尺寸；

(b)使废水的一部分通过薄膜分离器，其中该薄膜分离器阻止生物活性材料穿过；

其中，所述步骤(a)包括：

(i)在导入到一个反应器的室内的废水中播种生物活性材料；其中，所述室与所述薄膜分离器是流体导通的；

(ii)生长微生物中包含的活性播种材料，以形成粒状尺寸的较大粒子；

(iii)搅动悬浮材料以至少部分地抑制薄膜分离器上粒子的沉积；

(iv)通过允许粒状尺寸的生物活性粒子沉降在室内底部相邻的区域中以及从室内排放含有所述排放尺寸的悬浮物的水，而从室内移除排放尺寸的生物活性材料粒子，同时将粒状尺寸的生物活性材料粒子保留在室内；其中，所述排放尺寸小于所述粒状尺寸。

2.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中，所述废水中大致所有的生物活性材料皆维持在粒状形式。

3.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中穿过薄膜分离器的水，相对于没有穿过薄膜分离器的斥退水来说，产生了具有较低杂质浓度的渗透水。

4.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中反应器在批次模式中操作。

5.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：向废水中供应含氧气体。

6.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中所述步骤(a)(iii)中的搅动包含曝气所述废水。

7.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中所述步骤(a)(iii)中的搅动包含机械性地搅动废水。

8.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中粒状形式的生物活性材料具有粒子尺寸，所述的粒子尺寸选自包括下列各物的群组的范围中：50μm到8mm，50μm到6mm，50μm到4mm，50μm到2mm，50μm到10mm，100μm到10mm，500μm到10mm，1000μm到10mm，100μm到2mm，200μm到2mm，400μm到1.5mm，以及600μm到1.5mm。

9.根据权利要求1所述的废水处理方法，所述步骤(a)(iv)包括：允许粒状形式的活性生物材料在反应器中重力的作用下沉降。

10.根据权利要求9所述的废水处理方法，所述步骤(a)(iv)进一步包括：从室内移除以粒状形式沉降的活性生物材料上方的水。

11.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中反应器在连续模式中操作。

12.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中所述步骤(b)包括：

通过从薄膜分离器中穿过选定体积的水，来选定目标体积交换比，其中所述的目标体积交换比是，所述的穿过薄膜分离器的废水的体积相对于反应器的室内废水总的初始体积。

13.根据权利要求12所述的废水处理方法，其中目标体积交换比选自于包括下列各物的群组中，20％体积到90％体积，30％体积到80％体积，40％体积到70％体积，以及45％体积到60％体积。

14.根据权利要求1所述的废水处理方法，其中粒状形式的活性生物材料的容积浓度，选自于包括下列各物的群组的范围中：至少50％体积，至少60％体积，至少70％体积，至少90％体积，至少95％体积，以及至少99％体积。

15.一种废水处理系统包括：

反应器，具有用于容纳废水的室；

生物活性材料，用于悬浮于所述的废水中，生物活性材料包括用于能够从废水中移除一个或多个杂质的微生物，其中，在使用时，所述在所述废水中至少40％体积的生物活性材料维持在粒状形式，以及其中，粒状形式的所述生物活性材料具有从50μm到10mm范围的粒状尺寸；以及

薄膜分离器，与室流体导通；其中废水的一部分穿过薄膜分离器，来产生相对于未穿过薄膜分离器的斥退水来说，具有较低杂质浓度的渗透水；以及

一用于使用其他尺寸分离程序移除一选定粒状尺寸的粒子，同时使一选定粒状尺寸的生物活性粒子留置在室内的装置。

16.根据权利要求15所述的水处理系统，其中，薄膜分离器位于室内。

17.根据权利要求15所述的水处理系统，其中，薄膜分离器位于室外。

18.根据权利要求15所述的水处理系统，其中，粒状形式的生物活性材料具有粒子尺寸，所述的粒子尺寸选自于包括下列各物的群组的范围中：50μm到8mm，50μm到6mm，50μm到4mm，50μm到2mm，50μm到10mm，100μm到10mm，500μm到10mm，1000μm到10mm，100μm到2mm，200μm到2mm，400μm到1.5mm，以及600μm到1.5mm。

19.根据权利要求15所述的水处理系统，其中，粒状形式的活性生物材料的容积浓度，选自于包括下列各物的群组的范围中：至少50％体积，至少60％体积，至少70％体积，至少90％体积，至少95％体积，以及至少99％体积。

20.根据权利要求15所述的水处理系统，其中，所述废水中大致所有的生物活性材料皆维持在粒状形式。

21.根据权利要求16所述的水处理系统，其中，所述用于移除一选定粒状尺寸的粒子，同时使一选定粒状尺寸的生物活性粒子留置在室内的装置是具有不同室高度的多重斥退物排放导管，用于在沉降之后选择性地排放不同尺寸的悬浮粒子。

22.根据权利要求15所述的水处理系统，其中，所述用于移除一选定粒状尺寸的粒子，同时使一选定粒状尺寸的生物活性粒子留置在室内的装置是旋液分离器或网目滤器。