CN102186783B - 径流膜生物膜反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于水处理避免生物污染的膜生物膜反应器(MBfR)装置，该装置包括：中部芯管，该中部芯管具有界定腔的壁和界定穿孔区的一个或多个位于壁上的穿孔，所述芯管还具有第一开口端和第二基本闭合端；多根中空丝，每根丝具有界定内腔的壁、外表面、第一端与第二端；以及壳体，该壳体具有空腔、第一端盖、第二端盖和至少一个流出口；其中，所述芯管的第一开口端密封在第一端盖中，穿孔区延伸到壳体的中心空腔内，而其中多根中空丝的第一端是开口的并密封在第一端盖中，且多根中空丝的第二端是开口的并密封在第二端盖中。

Description

径流膜生物膜反应器
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年1月28日递交的美国临时申请序列号NO.61/084,250的优先权，通过引用将该申请的全部内容结合于此。
技术领域
本申请涉及改善用于水处理的膜生物膜反应器(MBfR)的装置、系统和方法。
背景技术
Rittmann已对膜生物膜反应器(MBfR)进行了描述(Adham等人，AWWAResearch Foundation Report(美国水行业协会研究基金会报告)P 156(2005)；美国专利NO.6,387,262)。在常规的MBfR装置中，中空纤维膜基质为能够代谢存在于出流(effluent stream)中污染物的生物膜提供生长表面。将气体引入中空纤维膜的腔内，在此处，气体通过膜壁扩散以接触生长在中空纤维膜外表面上的生物质。气体可以起到电子供体的作用使被氧化的污染物还原。通常将易燃的氢气(H2)用作电子供体是合理的，气体的利用率可以接近100％，使排放到大气中的过量气体最少。高效的气体利用还能降低操作成本。
虽然常规的MBfR装置能在实验室或受控的测试环境下发挥良好作用，但MBfR装置在本领域中的使用还存在许多问题。高填充密度能提高MBfR的效率，决定了在给定大小的MBfR装置中、在给定时间内能从出水中除去多少污染物。但高填充密度会造成生物污染，这降低了MBfR的操作效率，并需要对MBfR维护(如反洗、拆卸、清洗等)从而提高了操作成本。
对于MBfR装置和系统需要使填充密度最大化同时使污染最小化。
发明内容
下文描述和展示的多方面和实施方式是示例性和阐释性的，而非对本发明的范围进行限制。
一个方面中，提供了一种膜生物膜反应器(MBfR)装置。该装置包括中部芯管(core tube)，该中部芯管具有界定腔的壁和界定穿孔区的一个或多个位于壁上的穿孔，所述芯管还具有第一开口端和第二基本闭合端；多根中空丝，每根丝具有界定内腔的壁、外表面、第一端与第二端；以及壳体(case)，该壳体具有空腔、第一端盖、第二端盖和至少一个流出口(effluent port)。所述芯管的第一开口端密封在第一端盖中，穿孔区延伸到壳体的中心空腔内，而且其中多根中空丝的第一端是开口的并密封在第一端盖中，且多根中空丝的第二端是开口的并密封在第二端盖中。
在一种实施方式中，所述芯管包括能连接流入液源、将流入液引入管腔中的配件。在另一种实施方式中，第一端盖和第二端盖中的一个或两个包括用于连接气源、将气体引入多根中空丝的丝的内腔中的配件。
在另一种实施方式中，为了从多根中空丝的腔排出惰性物，所述装置还包括与多根中空丝的腔相通的排水口。在一种实施方式中，所述排水口位于装置内气体进入多根丝的腔的位置的相对端。
在一种实施方式中，将第一端盖和第二端盖密封在壳体内。
在另一种实施方式中，中空丝与一根或多根缠绕纤维(wrap fiber)结合以形成织物。在另一种实施方式中，织物螺旋卷绕在芯管上，形成从芯管径向向外延伸的径向织物层。在另一种实施方式中，径向织物层被插入材料(interleaf material)分隔。在另一种实施方式中，多根中空丝既与缠绕纤维结合又被插入材料分隔。
在另一种实施方式中，所述装置取向为垂直于位于第二端盖下的第一端盖，所述第一端盖供流入液体进入且第二端盖供气体进入。
在另一种实施方式中，所述中空丝由聚酯、三乙酸纤维素、聚乙烯和聚氨酯复合材料制成。在优选的实施方式中，中空丝由聚丙烯、聚氯乙烯或聚(对苯二甲酸乙二醇酯)组成。
在另一种实施方式中，所述装置还包括至少一个洗气(scouring gas)入口。在特定的实施方式中，所述至少一个洗气入口位于壳体的底部区域。在特定的实施方式中，所述至少一个洗气入口为多个位于壳体的底部区域的洗气入口。
另一方面中，提供了一种包括多个上文描述的装置的系统，其中，所述装置并联或串联排列。
另一方面中，提供了一种用生物质减少MBfR装置污染的方法。该方法包括提供一种装置：该装置具有中部芯管，所述中部芯管具有界定腔的壁和一个或多个位于壁上的穿孔；环绕芯管的多根中空丝，每根丝具有界定内腔的壁和外表面；以及容纳中部芯管和多根中空丝的壳体；将液体入流引入中部芯管内；将气体引入多根中空丝的内腔，所述气体供养中空丝外表面上的生物质的生长；允许液体入流流经所述一个或多个穿孔，以接触丝外表面上的生物质，所述液体入流的流动界定装置内的径向流径；并且在一个或多个位于所述壳体上的流出口收集流出水，其中，所述流入液体的径向流径利用生物质来减少装置的污染。
在一种实施方式中，该方法还包括使流出物的第一部分再循环通过所述装置。在另一种实施方式中，使40-50％的流出物再循环通过所述装置。可以将流出物的第二部分作为经过处理的流出物排出或用作随后处理阶段中的流入物。
在另一种实施方式中，将所述液体出流在装置的第一端引入中部芯管中，在装置的第二端将气体引入中空丝。
在另一种实施方式中包括了周期性的清洗循环，其中，将洗气引入中空的中部芯管内。在一些实施方式中，将洗气引入壳体的底部区域。
在一些实施方式中进行周期性的反洗循环，其中，将液体引入至少一个流出口。在特定的实施方式中，在周期性的反洗循环中，将洗气引入底部区域。
除了上述示例性的方面和实施方式，通过参考附图和研究下文说明将理解其他的方面和实施方式。
附图说明
图1A至图1E描述了现有技术的MBfR装置的特征；
图2A至图2B描述了示例性径流MBfR装置的特征；
图3A至图3D显示了中空丝、缠绕纤维和插入材料的视图(aspect view)；
图4显示了对示例性径流MBfR进行测试的系统的示意图；
图5A至5B为显示了示例性径流MBfR装置特征和性能特性的表格；
图6A至图6D为显示了示例性径流MBfR装置性能的表格；
图7为显示了不稳定态生物膜的理论硝酸盐通量为硝酸盐浓度的函数。
具体实施方式
I.介绍
做出了多个MBfR装置，并测试以确认使丝填充密度最大化且使生物膜污染最小化。如下文将要描述的，发现具有径向流体流动设计的装置提供最小量的丝生物膜污染以及期望的丝填充密度。在所述具有径向流体流动设计的装置中，流入液体进入装置中心沿径向向外的方向流动以接触多根中空丝，所述中空丝用于供养生物质的生长。现将对径流MBfR设计各个方面和特征进行描述。
II.定义
对本发明的装置及方法的特征进行描述前，为清楚起见而对下列术语进行定义。未定义的术语和缩写应参照其所属领域的常规意思。
本文中使用的术语“生物膜”和“生物质”共同地指生长在MBfR内中空丝外表面上的有机体。这些有机体通常对进入MBfR的流入液体中存在的一种或多种微生物的去除产生影响。本领域技术人员可以理解的是，生物膜或生物质可以在操作过程中聚集在MBfR内，以及本发明的MBfR装置供养(但不包括)生物膜/生物质的生长。
本文中使用的术语“生物污染”指这样的过程：生物膜/生物质通过该过程阻碍、阻断或以其他方式限制了液体和/或气体在MBfR中流动。
本文中使用的术语“惰性物”和“惰性材料”共同地指在中空纤维腔内堆集的碎片和其他物质。这些碎片和物质包括但不限于在引入中空纤维腔内的气体中存在的颗粒物质、从中空纤维外表面扩散到腔内的液体和溶质、生长在中空纤维腔内的有机体、以及灰尘。
本文中使用的术语“插入物”或“插入材料”指多孔的基本平板(planer)的材料以分隔中空丝和保持中空丝的间距。一种示例性的材料为用可再生塑料制成的展开的网状物(open mesh)。
本文中使用的术语“缠绕纤维”宽泛地包括能与中空丝结合来分离中空丝并保持中空丝间隔的惰性纤维(即，无需供养生物质的纤维)。缠绕纤维可以均匀地沿中空丝的长度方向被分隔，并可以在充分的张力下来限制中空纤维的移动，协助保持中空丝的间距。示例性的缠绕纤维由可再生塑料制成。
II.常规流动MBfR装置
MBfR装置中生物污染的问题已是众所周知的了，MBfR装置中生物污染的问题表现为以下形式(i)高背压、(ii)循环后迅速污染、和/或(iii)尽管经常进行循环仍然逐渐增加的污染，以及上述的各种变化形式。生物污染以整个MBfR装置内升高的压降为特征，这通常伴随着残余污染物水平的升高。也可以通过分析流出物中存在的微生物的数量和类型(如通过计数菌落、测量酶水平等)来对生物污染进行辨别。
图1A至图1C中描述了多个常规流动MBfR装置设计。这些装置通常包括壳体或外壳10，第一端盖12a和第二端盖12b，以及多根密封在端盖中的中空丝14。如箭头13所示，中空丝的腔对从端盖之一，如端盖12a，引入的气流开放。流入液体(通常为污水)通过流入/入口16进入壳体内，并通过流出/排出口20排出。图1B中的装置还包括额外的流入口19和额外的流出口21。该实施方式中，中空丝松散地填充在壳体内而未提供缠绕纤维。
图1D至图1E中显示了中空丝的更详细视图。如图1D所示，多根丝中的单根丝(如丝24)在丝的端部被封装，从而界定将气体分配到丝的腔内的歧管26。一种示例性现有技术的中空丝示于图1E中，其中，腔50由夹在微孔聚乙烯壁54之间的1μm厚的无孔、疏水性聚氨酯层52形成。丝的外表面58供养与污水60进行互相作用的生物膜56的生长。
现在参照图1C，所示装置显示了通过MBfR模块来改善流动的尝试。用中部挡板44将中部芯管30分隔成分配部分33和收集部分35。芯管包括按下面的方式对流入水进行分配的穿孔(如穿孔34)。流入水从流入口40进入，流经中部管的分配部分33的穿孔，开始与装置的下部区域36的多根中空丝37接触。装置的上部区域38的多根中空丝的流出水进入用于收集从流出口42排出的水的具有穿孔34的芯管的收集部分35。
中部挡板44防止流入水从分配芯管部分30直接流入收集芯管部分32中，从而减少与中空丝的接触。也可以利用独立/另外的分配芯管和收集芯管来构建类似的装置，使每一个分配芯管和收集芯管终止于壳体内，而不是通过安装挡板使穿过壳体的单根管分隔出分配部分和收集部分。
图1A至图1C所示的全部三种MBfR装置都受到生物污染问题的困扰。空气清洗和高液压流量(high hydraulic flow rate)在图1A至图1B装置中能有效地控制污染和保持均匀的流量分布(flow distribution)，但不能有效地控制图1C装置中的生物污染。图1C的装置由于污垢的聚集和丝对收集芯管的挤压而产生了高的压降，这限制了水流通过收集芯管上的穿孔(Adham etal.，supra，at 81)。
II.径流MBfR装置
A.设计
下面结合附图2-3对改进的径流MBfR设计进行描述。先参见图2A，径流MBfR装置100包括壳体110、穿孔的中部芯管130、和固定(如通过封装)在顶端盖144和底端盖145处的多根中空丝132。壳体110包括具有内表面的壁，该壁界定空腔或孔。壳体的空腔能与第一端盖和第二端盖配合，所述空腔可以任选地包括一个或多个O型环、方形环或其他密封类型142来对壳体的内表面进行密封。
中部芯管包括具有一个或多个位于管壁上的穿孔的穿孔区117。芯管的第一端优选对液流和/或气流开放，而第二端则应为基本封闭的从而引导进入管腔的液体/气体通过管壁上的穿孔流出。在图2A的实施方式中，芯管靠近流入口146的一端开放，使流体与外部流入流体源相通，且邻近端盖144的芯管的相对端(在图上为上端)是基本上或完全封闭的。流入口146可以包括穿孔的中部芯管130的一部分。流出口148可以位于壳体110上(如图2A所示)，或位于一端盖上(如图2B所示)。当流出口位于壳体上时，多个流出口(如口148a、148b、148c)可以间隔排列在壳体的纵向上。当流出口如图2B所示位于端盖上时，它应与壳体110的内表面如通过延伸至壳体110中的穿孔的管149保持流体流通。壳体110能够调整至为穿孔的管149提供凹穴(recess)，故它不会干扰中空丝的基本上为柱形的形式(如模块)，这将在下面进行描述。
多根中空丝132可以是单根丝、成捆或成束的丝，或提供在“管板(tubesheet)”中的丝，所述管板中，多根基本平行的丝嵌入在能折叠或卷起至提供具有期望密度的MBfR丝层的板材中。可以对丝的封装端进行机械加工以确保丝是开口的，并能通过气体。在一些实施方式中，可以以模件(即“模块”)形式将封装的中空丝从壳体110中卸下进行清洗或更换。
气体通过位于壳体110端盖144的气口113进入封装的中空丝的腔，而惰性物(即，惰性材料)通过设置于或接近端盖145处的排水口114从中空丝的腔排出或释放。惰性材料包括过量气体和存在于气源中的颗粒物质、从丝的外表面扩散到丝腔内的液体和溶质、灰尘、微生物和聚集在丝腔内的其他物质。
如图3A所示，多根中空丝132可以与一根或多根缠绕纤维150结合。缠绕纤维是基本上惰性的结构纤维或丝，所述基本上惰性的结构纤维或丝通常但不是必要地取向为垂直于中空丝。优选缠绕纤维具有一定弹性以允许丝发生弯折和拉伸，虽然弹性的量并不是至关重要的。可以以约1-6厘米的间距将缠绕纤维沿中空丝纵向进行分隔。缠绕纤维的张力足以保持每组中空丝的位置，使丝在操作条件下发生的偏离和移动最小化；但是所述丝能够发生弯折和拉伸。可以将丝分组，然后与缠绕纤维结合。每组可以包括2根至约200根丝。
如图3B至图3D所示地，插入材料160可以用来对单根中空丝132或成组的中空丝或每层中空丝进行分隔。与缠绕纤维相似的是，插入材料能维持丝的分组和间隔以使流动限制和污染最小化，因而减少了整个MBfR装置中的压降。插入材料160的层可以与中空丝的层交替，或与结合了缠绕纤维(如，织物)的中空丝的层交替，从而建立并维持中空丝之间的间隔。一种示例性的插入材料为塑料的展开式网状材料，如图3D所示。
需要注意的是，缠绕纤维和插入材料可以结合在单个MBfR装置内。在优选装置中，通过缠绕纤维连接的多根中空丝形成织物，该织物卷绕在芯管周围从而形成织物的螺旋卷绕或层。织物的螺旋层被插入物或间隔材料分隔，如图3B至图3C所述。
B.操作
在操作过程中，受到污染的流入水通过流入口进入径流MBfR装置并随后向外地朝径向方向流动，即从穿孔的芯管向壳体的内表面流动。流入水与其上形成有生物质(未示出)的中空丝的外表面接触。生物质中存在的一种或多种有机体能对除去存在于流入水中的污染物产生影响，从而得到具有污染物水平降低的流出水。
在壳体的内表面处或附近收集流出水，在该处，流入水的压力迫使流出水通过一个或多个排出口流出。任意量的流出水可以作为产品流出物从系统排出或经过MBfR装置循环回去，例如以进一步对丝和生物质暴露。
使气体通过气口进料到中空丝的腔内，并从丝的另一端收集惰性物，并将该惰性物通过排水口排出。大部分的气体通过中空丝的壁进行扩散以被在丝的外表面上生长的生物质利用。所述气体根据所存在的有机体和进行的代谢步骤可以为氢气、氧气或二氧化碳。
所述装置还可以包括一个或多个洗气入口(如图2A所示的口115)来引入气体对中空丝的外表面进行清洗。洗气入口可以位于壳体的底部区域或底端盖上，使来自所述口的气体对壳体的内表面和丝的外表面进行清洗。可以在常规操作过程或反洗过程中引入洗气，这将在下文进行描述。额外的洗气入口(未示出)可以位于或接近流入口，用于引入气体通过径向气流对中空丝的外表面进行清洗。一种示例性的洗气为氮气，然而其他的气体也能产生合意的结果。由于清洗通常涉及将气体排放到大气中，故易燃的或毒性的气体的使用是较不希望的。可以将洗气的引入称为清洗循环。MBfR装置还可以包括任意数量的用来侵入气体或液体试剂的口。
C.测试
对径流MBfR装置性能进行评价的测试系统的示意图如图4所示。该系统包括径流MBfR 200、配置进料罐220的自动进料补料构造中的循环泵210。示出了氢气输送系统250、氮气输送系统255和二氧化碳输送系统260。具有取样口290的流出物排放线允许采样进行分析。将待净化的水泵入MBfR装置200中的穿孔的芯管(参见图2A)内，水从该处径向流过中空丝，并在壳体中聚集，然后通过一个或多个流出排出口排出。
将两个三通阀270置于系统内，重新引导水流到流出排出口来逆转流动方向。在逆流方向上，水从流出排出口流回，对中空丝的外表面进行清洗并在穿孔的芯管内收集，从而对中空丝进行反洗。通常每天进行1-6次反洗来降低整个MBfR装置的背压(压降)。反洗后，整个MBfR装置中的压降回落至额定的1-2磅/平方英寸(psig)。
测试系统安装有氮气输送系统255和多个(如4个)氮气入口/注入口256、257。位于MBfR装置200底部周围的氮气入口/注入口255是用于对壳体和中空丝的外表面进行清洗的，这样能减少生物质的量并降低整个MBfR装置200中的压降。位于对MBfR 200的穿孔的芯管进行进料的入口线上的氮气注入口257是为了通过径向注入氮气对丝进行进一步的清洗。在足以避免产生过量生物质堆积的频率下进行气体清洗，所述过量生物质堆积会在整个MBfR装置中产生压降。测试系统配备有气体分离排气阀295来排出用于清洗的氮气，也排出硝酸盐还原产生的氮气。其他的惰性气体，或甚至是空气，都可用于清洗。
测试系统还配备有二氧化碳输送系统260和二氧化碳注入口(未示出)。可以注入二氧化碳来调节(即，降低)MBfR 200内的pH，或为自养微生物提供碳源。例如，下式1中所示地，硝酸盐的自养还原(autotrophic reduction)产生了氢氧化物(-OH)。二氧化碳可以与氢氧化物反应产生重碳酸盐。二氧化碳的加入量通常是被还原硝酸盐的量的函数，同时保持MBfR内的pH为约7-8。
2.5H2+NO3 -→0.5N2+2H2O+-OH (1)
D.结果
为了测试径流MBfR装置设计的效能，用不同的中空丝材料和构造来制备了四种径流装置。三个“模块”使用三乙酸纤维素(CTA)丝，一个使用聚乙烯/聚氨酯复合材料丝(CPP)。除了中空丝不同以外，这些示例性装置使用了不同的缠绕纤维来支撑中空丝。对四个模块的每个(模块1-4)的说明列于图5A的表中。
1.模块1
模块1使用了填充密度为45％且表面积为43.7m2的CTA纤维(图5A)。用大量紧密交织的缠绕纤维来制备紧实丝束。使包括模块1的MBfR装置运行63天，每天进行反洗但不进行氮气清洗。硝酸盐通量(NO3-N mg/m2/天)和压降(psi)数据描绘在图6A中。开始30天中的硝酸盐通量和压降升高。虽然硝酸盐通量的最大值达到1004(NO3-N mg/m2/天)，但并未获得稳定态值。随后的分析证实了压降是由形成了不均匀地分布在整个模块内的生物质而造成的。在模块外部观察到生物质的标志性浅棕黄色(light tan color)，生物质的量在排出口附近区域降低。
模块1具有总量为27卷(wraps)/层的丝。摊开模块后能发现在第4-17层之间的大量生物质，集中在约第8层(从外层开始数起)。反洗步骤看起来能保持对模块外层(而非内层)的生物质进行控制，却反而产生了生物质堵塞。
2.模块2
模块2使用了具有较低填充密度(即，20％)和相应较低表面积(19.4m2)的CTA丝(图5A)。使模块2运行51天，每天进行反洗但不进行氮气清洗。观察到的硝酸盐通量在20天后达到了约490NO3-N mg/m2/天的稳定态水平，然后稍有下降直至将模块从运行中取出(图6B)。平均硝酸盐通量为432(NO3-N mg/m2/天)。压力随着时间稳定升高，但未达到用模块1观测到的程度。
模块2从壳体中取出后进行的分析说明了生物质没有均匀地分布。与用模块1的情况相同的是，纤维束中部的生物质比表面处的生物质密度更高。
3.模块3
模块3使用了填充密度为20％且表面积为17.9m2的CPP丝(图5A)。该CPP丝的直径(300微米)稍小于模块1、模块2和模块4中使用的CTA丝(330微米)。模块3不具有缠绕纤维，且中空纤维非常松散。如上，每天对模块进行反洗但不进行氮气清洗。
整个模块3中的压降与模块1和模块2中观察到的具有不同的模式。具体来说，开始30天的运行，压降是很小的，然后迅速增加到3psi后又降低至1psi(图6C)。硝酸盐通量随着压力增加而降低，甚至当压力保持恒定时仍继续降低，在运行30天后达到500NO3-N mg/m2/天的峰值，平均为315NO3-N mg/m2/天。可以用肉眼透过壳体观察到模块内水的沟流(channeling)，在某些情况下沟流会导致水流直接从芯管到排出口。频繁的反洗和将氮气注入壳体内不会减少沟流。使模块3运行68天后取出。
4.模块4
模块4使用了与模块1和模块2中相同的CTA丝。模块4中缠绕纤维的填充介于模块1和模块2之间(图5A)。使模块4中的缠绕纤维松散的目的在于提供生物质在中空纤维外侧生长的空间，同时缠绕纤维提供了足够的张力来确保均匀的流量分布同时避免沟流。纤维填充密度为45％，鉴于整个模块直径降低故表面积仅为12.3m2。减小模块直径的目的在于允许完全将生物质从纤维上清洗掉。每天在运行中对模块4进行两次10分钟的反洗。另外在需要洗丝时向壳体和芯管中喷射氮气。
模块4中的硝酸盐通量虽然未表现出达到了稳定态，但在80天后保持稳定(图6D)。模块4中的压降在运行60天后稳定在2psi，随后升高到5psi。在第104天时将模块4从壳体中取出，用水进行洗涤，然后返回操作。硝酸盐通量在8天内恢复到800NO3-N mg/m2/天，并持续增加，同时伴随有压降，推测为由于生物质在丝和壳体之间发生了聚集，这比进行拆卸和清洗之前更加严重。氮气清洗无法除去聚集的生物质。在第153天时，再次将模块4从壳体中取出并进行洗涤，此时，数根丝由于疏忽而受到破坏，导致氢气泄露到壳体中，进而终止了模块4的研究。模块4在整个运行期间的平均硝酸盐通量为866(NO3-N mg/m2/天)。
模块4在硝酸盐通量、压降和运行时的总时间(虽然丝受到了破坏)上的性能优于模块1、模块2和模块3。模块4运行202天的平均通量为866NO3-N mg/m2/天，这是其他受测模块的两倍。
模块1-4的平均运行条件的总结列于图5B的表中。
E.结论
这些结果证实了径流MBfR能获得比其他报道的MBfR反应器更高的硝酸盐通量和较低的压降。径流MBfR装置设计的重要方面包括(i)丝束的厚度和(ii)缠绕纤维的张力。虽然填充密度也很重要，但是证实相比于填充密度为20％的模块2，填充密度为45％的模块1在硝酸盐通量上仅有轻微的改善。缠绕纤维的重要性已通过使用模块3时观察到的沟流清楚地证实了。
通常MBfR装置中的pH应该保持在8-9的范围内以供养生物膜。上述pH范围可以通过向MBfR中加入二氧化碳容易地获得。所有受测的MBfR需要进行周期性的清洗步骤来减少聚集的生物膜的量。最佳的结果是通过结合使用反洗、氮气喷射以及偶尔的拆卸和清洗而得到的。
转到效率的问题，图7所示表格示出了不稳定态生物膜的理论硝酸盐通量为大量液体中硝酸盐浓度(S，单位为mg-N/L)和膜厚度(Lf，单位为μm)的函数。对于低的硝酸盐浓度(即，＜0.2mg-N/L)来说，理论硝酸盐通量为850-1000mg-N/m2/day(假设氢气利用率没有限制)。如图6D所示地，具有内部芯管设计的模块4在大部分的运行中，达到了对于低硝酸盐浓度的MBfR的理论极限通量，这证实了径流MBfR装置的效率。
使用径流MBfR的进一步实验证实了可以通过循环部分的(如，40-50％)MBfR流出物回到MBfR流入口来达到改善污染物去除。这一结果的一种解释是简单地因为部分的水两次暴露于生物膜，使生物膜能从最终的流出物中除去更多的污染物。但还有一种理论是，混合物或具有“未经处理的水”的“处理的水”稀释了溶解在流入水中的氧气的总量，这有利于生物膜利用硝酸盐而不是氧气作为电子受体。其他稀释或除去流入水中氧气的方法也能产生类似的结果。
不受到理论局限的是，可以认为径流设计提高了入流在包覆有生物膜的中空丝上的速率和均匀性，从而提高了污染物除去效率，使生物污染最小化，并提高了进行周期性清洗的效率。根据经验对多种MBfR设计进行了测试，且结果证实了径流MBfR装置比使用其他流动布局的传统MBfR更优越。
III.用于中空丝、缠绕纤维和插入材料中的物质
A.中空丝
示例性装置中使用的中空丝由外径约为300μm，且内径约为150μm的三乙酸纤维素(CTA)制成。但是包括聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯或聚氯乙烯的其他材料也可以用于径流装置中。
一类能用于制备MBfR装置用中空丝的化合物为聚酯。传统上来说，酯是一类通过醇和有机酸的缩合反应形成的有机化合物。当酸为羧酸时，得到的酯具有结构R1-(C＝O)OR2，其中R1和R2独立地为H或大量的官能团。酯也可以通过磷酸、硫酸、硝酸、硼酸、苯甲酸及其他的酸形成。环状酯也被称为内酯。
酯作为氢键受体参与氢键结合。但是，酯不能起到氢供体的作用。这种情况允许酯基与许多其他的官能团形成氢键，同时阻止酯基之间的氢键。酯通常是疏水的，但R1和R2基团的性质会对具体酯的特征产生影响。
聚酯是一种或多种预选的酯单体的聚合物，通常根据特定的聚酯通过共沸酯化作用(azeotrope esterification)、醇酯交换反应(alcoholictransesterification)、酰化作用(即，HCl法)、甲硅烷基或甲硅烷基醋酸酯法(silyl or silyl acetate method)、或开环法(ring-opening method)、和上述方法的变体而形成。聚酯广泛地用于制备消费品，且其机械性能是公知的。
聚酯包括但不限于聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)、聚(对苯二甲酸丙二醇酯)(poly(trimethylene terephthalate)，PTT)、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)(PBT)、聚(萘二甲酸乙二醇酯)(poly(ethylene naphthalate)，PEN)、聚(对苯二甲酸环己二酯)(poly(cyclohexylene dimethylene terephthalate)，PCTA)、聚碳酸酯(PC)、聚(萘二甲酸丁二醇酯)(poly(butylene naphthalate)，PBN)和聚(乳酸)(PLA)。聚酯可以是均聚物或杂聚物(heteropolymer)。本文中的杂聚物包括共聚物。常见的聚酯共聚物为1，4-环己烷二甲醇(cyclohexanedimethanol，CHDM)。举例来说，PCTA为对苯二甲酸、间苯二甲酸和CHDM三种单体的共聚物。但是在一些行业中，术语“聚酯”和“PET”几乎可以互换使用，术语“聚酯”代表整类化合物。
当将纤维缠绕或编织成捆、绳子、织物等时，聚酯的许多优势是显而易见的。例如，聚酯广泛地用于纺织业中。最广泛使用的聚酯为PET(或PETE)，它以无定形(透明)与半结晶(白色或不透明的)形式存在，并且易于制成纤维和板材。通常用PET和其他二元醇与对苯二甲酸形成的聚酯来做绳子。
除了制备廉价之外，聚酯还特别结实、有弹性、耐磨并耐拉伸和收缩。聚酯织物防皱、防霉、快干并能保持热定型褶(heat-set pleat)和皱褶。聚酯展现出针对氧化剂、洗涤剂和表面活性剂的优异耐受性。虽然也能耐受阳光，但通常加入紫外(UV)稳定剂以在户外或在暴露于UV光时使用。
与大部分热塑性塑料类似的是，聚酯是可循环并且可以是未使用聚酯、再生聚酯、消费后聚酯(post consumer polyesters)、循环使用的单体或它们的组合和变体。一些聚酯(包括PET)能提供仅含碳、氧和氢(即，无硫、磷、氮等)的额外优势，这使它们成为焚化的候选。
示例性的聚酯中空丝由可熔纺的聚酯(如PET)制成，可熔纺的聚酯能发生熔融然后从喷丝头的孔挤出，在水或空气流中冷却、在一个或多个的步骤中结合了加热操作进行拉伸，然后用卷丝机缠绕到线轴(spool)上。中空丝是细的高效“无限”有韧性的中空聚酯管，能按需要将其剪切为任意长度。丝具有通常与废水接触的外表面和与喷射气体发生相互作用的内表面。内表面界定中空的内部空间。
径流MBfR中使用的中空丝的优选直径取决于具体的实施方式。中空丝直径可以小于500μm，或者甚至直径可以小于100μm。丝的直径甚至还可以小于50μm，小于20μm，或者甚至小于10μm。中空丝可以具有均匀的直径或变化的直径。在丝具有变化直径的情况下，所述直径可以在预选范围内。
可以将中空丝绕成束以形成复丝，然后将这些复丝装配进用于生物反应器的模块中，这将在下文进行描述。优选用小于10分特(dtex)的丝(即，分特＝1克每10000米)做线，而大于100分特的线通常用作单丝。中间丝可以用单丝和复丝的形式。单丝和复丝可以用作产业用织物(technical fabric)的经纱或纬纱。
一般用菲克扩散定律描述气体通过聚合物膜的扩散。溶解系数取决于具体的聚合物-气体组合和亨利定律。在适当的压力下，橡胶聚合物(在它们的玻璃化转变温度以下)中的低分子量气体的渗透为菲克方式(Fickian)，且符合用于不同的吸附方式(即，吸收(absorption)、吸附、加上微孔中的捕获、成群(clustering)和聚集(aggregation))的亨利定律。Klopffer，M.H.和Flaconnèche，B.，Oil&Gas Science and Technology-Rev.IFP 56，2001，No.3)。
可以通过下式2计算出中空丝的爆裂压力(burst pressure)
P＝T·(OD2-ID2)/(OD2+ID2) (2)
其中，P为爆裂压力，T为韧性，OD和ID分别为外径和内径，OD和ID为预选的变量，而韧性为与特定聚合物相关的常数。
所述优选使用的丝直径约为50-5000μm(OD)，或者甚至约为0.10mm-3000μm。一种优选的直径约为300μm。中空丝的最佳形状为圆形，但不规则形状也能产生合意的结果。优选密度一致但这不是必须的。优选的韧性(T)值约为10-80厘牛/特(cN/tex)，或者甚至约为20-60厘牛/特。
可以通过下式3计算孔隙体积百分数(percent void volume)(％V)
％V＝T(内侧面积)/(外侧面积)×100 (3)
可接受的孔隙体积范围约为1-99％，但对某些实施方式来说，优选的范围约为25-50％。
B.缠绕纤维和插入材料
缠绕纤维和插入材料可以由三乙酸纤维素、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯和它们的复合材料制成。缠绕纤维外径应约为100-500μm，约为150-450μm，或约为200-400μm。在一个实施例中，缠绕纤维是外径约为300μm且内径约为150μm的150旦的织造聚酯(textured polyester)。其他的尺寸和范围约为75-300旦的织造聚酯也可以得到类似的结果。
同样地，插入材料可以用惰性塑料材料如三乙酸纤维素、聚酯、聚乙烯和聚氨酯的复合材料等、聚乙烯或聚丙烯制成。插入材料应该具有足够多的孔来允许MBfR内的径向流动而不会造成严重的阻碍。插入材料可以由织造纤维(woven fiber)、穿孔的板材或膨胀材料制成。示例性的插入材料为挤出的聚丙烯菱形网，如图3D所示。一种特定的网的标称(nominal)孔径大小为0.110英寸×0.110英寸，厚度为0.046英寸，标称开口百分数(openpercentage)为66％。
IV.微生物的选择
上文的描述已例举了MBfR装置使用自养细菌和作为电子供体的氢气还原硝酸盐。但从上述公开中可以明显看到的是，该装置可以用于多种类型的污染物和合适的微生物。被氧化的污染物包括但不限于硝酸盐、亚硝酸盐、高氯酸盐、氯酸盐、溴酸盐以及一系列的卤代(halongenated)有机污染物等。
含氮污染物的去除通常是通过反硝化细菌或“硝化细菌”(主要包括好氧细菌、化能无机营养菌两组)来进行的。氨氧化细菌将氨氧化成亚硝酸盐，亚硝酸氧化细菌(NOB)将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。第一个过程是通过许多常发现于土壤中的兼性厌氧菌进行的。第二个过程(有时被称为“真”脱硝作用)是由多个选定组的细菌进行的，列举为脱氮副球菌(Paracoccusdenitrificans)、富养产碱菌(Alcaligenes eutrophus)、争论产碱菌(Alcaligenesparadoxus)、类黄假单胞菌(Pseudomonas pseudoflava)、脱氯弧菌库兹涅佐夫氏菌B-1168(Vibrio dechloraticans Cuznesove B-1168)、耐热不动杆菌(Acinetobacter thermotoleranticus)、脱氯艾德昂菌(Ideonella dechloratans)、GR-1(被识别为属于β-变形菌(β-Proteobacteria)的株)、脱氮副球菌、产琥珀酸沃林氏菌(Wolinella succinogenes)和真氧产碱杆菌(Ralstoniaeutropha)。类黄假单胞菌、富养产碱菌、争论产碱菌、脱氮副球菌和真氧产碱杆菌都能使用氢气作为电子供体。真氧产碱杆菌是优选的细菌，可购自美国模式培养物保藏所(ATCC：Manassas，VA，美国)保藏号为17697。
对高氯酸盐进行还原的细菌通常为兼性厌氧菌或微需氧菌。该细菌使用醋酸盐、丙酸盐、异丁酸盐、丁酸盐、戊酸盐、苹果酸盐、富马酸盐(fumerate)、乳酸盐、氯酸盐和氧气作为电子供体，但一般不使用甲醇、儿茶酚、甘油、柠檬酸盐、葡萄糖、氢气、硫酸盐、硒酸盐、富马酸盐、苹果酸盐、Mn(IV)或Fe(III)。大多数对高氯酸盐进行还原的细菌为变形菌，脱氯单胞菌(Dechloromonas)、脱氯菌(Dechlorosoma)和株GR1为β-变形菌，而固氮螺旋菌(Azospirillum)为α-变形菌。脱氯单胞菌株和脱氯菌株能利用乳酸盐作为电子供体，且脱氯菌株能利用乙醇作为电子供体。除了三种脱氯单胞菌株外，所有的对高氯酸盐进行还原的细菌都能利用硝酸盐作为电子受体。一些自养脱氯单胞菌株能利用氢气作为电子供体。这些菌株在本发明的设备、系统和方法中是特别有用的。
氢氧化细菌(hydrogen-oxidizing bacteria)包括氢氧化自养细菌和能利用有机碳和氢以及其他能源的细菌。在本发明的设备、系统和方法的一些实施方式中，氢氧化细菌是优选的。在存在被氧化的污染物时，这种细菌对足量的氧化形式的一级电子受体(primary electron acceptor)进行还原，从而保持在含水的水处理系统内的有活性的稳定态生物质。通过还原获得生长能量被称为异化还原。氢氧化细菌的实例包括但不限于都能利用硝酸盐的类黄假单胞菌、富养产碱菌、争论产碱菌、脱氮副球菌和真氧产碱杆菌，以及能利用高氯酸盐的脱氯单胞菌株。
可以将一种或多种(即，组合)上述确定的细菌接种到径流MBfR内，并允许其在中空丝的外侧形成生物膜。需要相似生长条件(如，喷射同样的气体)的细菌可以在同一张生物膜上生长，而具有不同生长要求的细菌通常生长在不同的生物反应器内。
作为替换或添加的方式，允许废水中的内源细菌在反应器内形成生物膜。该方法的优势在于废水中存在的细菌已经适应于可获得的营养物，并且因此已经能够对废水中被氧化的污染物进行代谢。
V.水处理方法
本发明的径流MBfR的一种示例性的用途是进行水处理。MBfR装置能与其他的水处理工艺结合使用，从而使存在于水中的化学物质(如氯)不会妨碍生物膜在MBfR中的形成和保持，或妨碍生物膜内微生物的代谢活性。可以使用MBfR来除去多种水载污染物，已在上文中对它们中的部分进行了确认。
在本公开的基础上，上述和其他的应用和实施将变得显而易见。在不背离本发明的实质及范围的情况下可以做出各种修改、替换和改变，本发明的范围由随附权利要求确定。

Claims (21)

1.一种膜生物膜反应器装置，该装置包括中部芯管，该中部芯管具有界定腔的壁和界定穿孔区的一个或多个位于壁上的穿孔，所述芯管还具有第一开口端和第二基本闭合端；
多根中空丝，每根丝具有界定内腔的壁、外表面、第一端与第二端；以及
壳体，该壳体具有空腔、第一端盖、第二端盖和至少一个流出口，所述至少一个流出口与所述中空丝的外表面相通；
其中，所述芯管的第一开口端密封在第一端盖中，穿孔区延伸到壳体的中心空腔内，并且所述芯管的第一开口端具有连接流入液源的配件；
其中，该装置还包括至少一个洗气入口，所述洗气入口与所述中空丝的外表面相通；并且
其中多根中空丝的第一端是开口的并密封在第一端盖中，且多根中空丝的第二端是开口的并密封在第二端盖中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一端盖和第二端盖中的一个包括连接气源的配件。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述装置还具有位于壳体上的用于与所述多根中空丝的腔相通的排水口。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述排水口位于所述壳体的与所述连接气源的配件相对的一端。
5.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中，将第一端盖和第二端盖密封在壳体内。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的装置，其中，所述中空丝与缠绕纤维结合形成织物。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述中空丝被插入材料分隔。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，该装置取向垂直于位于第二端盖下方的第一端盖，所述第一端盖供流入液体进入且第二端盖供气体进入。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中空丝由选自聚苯二甲酸丙二醇酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸环己二酯、聚碳酸酯、聚萘二甲酸丁二醇酯和聚乳酸中的材料制成。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个洗气入口位于壳体的底部区域。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，洗气入口为多个位于壳体的底部区域的洗气入口。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个洗气入口位于流入口。
13.一种包括多个权利要求1-12中任意一项所述的装置的系统，其中，所述装置并联或串联排列。
14.一种用生物质减少膜生物膜装置污染的方法，该方法包括：
提供一种装置：该装置具有中部芯管，所述中部芯管具有界定腔的壁和一个或多个位于壁上的穿孔；环绕芯管的多根中空丝，每根丝具有界定内腔的壁和外表面；以及容纳中部芯管和多根中空丝的壳体；
将液体入流引入中部芯管内；
将气体引入多根中空丝的内腔，所述气体供养中空丝外表面上的生物质的生长；
允许液体入流流经所述一个或多个穿孔以接触丝外表面上的生物质，所述液体入流的流动界定装置内的径向流径；
在一个或多个位于所述壳体上的流出口收集流出水；
其中，所述流入液体的径向流径利用生物质来减少装置的污染。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，该方法还包括使流出物的第一部分再循环通过所述装置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述循环包括使约40-50%的流出物再循环通过所述装置。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述引入液体包括将液体出流在装置的第一端引入中部芯管中，所述引入气体包括将气体在装置的第二端引入。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，该装置还包括将洗气引入装置的芯管内。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将洗气引入壳体的底部区域。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，该方法还包括将液体从一个或多个流出口引入液体进行反洗，形成周期性的反洗循环。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述反洗包括在周期性的反洗循环中将洗气引入装置的底部区域。
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