CN102639449A

CN102639449A - 用于控制反渗透和纳滤膜生物污染的填充床生物反应器

Info

Publication number: CN102639449A
Application number: CN2009801612765A
Authority: CN
Inventors: 哈利·布鲁威尔; 艾瑞克·魏特曼
Original assignee: Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS
Current assignee: Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2012-08-15
Also published as: PL2496528T3; TW201113227A; AU2009352159A1; EP2496528B1; EP2496528A1; US9206059B2; KR20120060218A; AU2009352159B2; US20120193287A1; ES2605624T3; DK2496528T3; TWI507368B; ZA201201263B; MX2012002708A; WO2011026521A1

Abstract

一种用于按照生物处理步骤去除已溶解的生物可降解化合物的装置和方法，所述生物处理步骤位于要避免生物污染的设备上游，是地下水、地表水或三级污水处理线的一部分，其中所述上游生物处理步骤在至少一个填充床生物反应器中实施，所述生物反应器包括装有填充成分的容器或储罐，所述装置和方法的特征在于：iv)所述填充床的所述填充成分的空隙率为至少70％，且通过所述填充床生物反应器的水的流速为至少20m/h，以在存在悬浮固体的情况下，使所述填充床对水中悬浮固体的去除率不超过30％；v)所述填充床的所述填充成分的比表面积为至少750m²/m³；vi)所述工艺无需使用任何生物灭除剂或生物抑制化合物。

Description

用于控制反渗透和纳滤膜生物污染的填充床生物反应器

技术领域

本发明涉及一种通过使用填充床生物反应器去除已溶解的生物可降解化合物，从而控制反渗透和纳滤膜生物污染的方法。

背景技术

膜分离技术越来越多地应用于人类消耗所需的水生产的水处理中，也越来越多地应用于工业中。在水处理中，主要的膜工艺包括微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。微滤和超滤是过滤工艺，其特征在于，对水中存在的固体物质(颗粒和胶体)的去除率极高，而纳滤和反渗透则可将溶解在水中的化合物去除。

与传统的水处理工艺相比，膜工艺具有若干优势，尤其是其所处理的水的质量更好且更稳定。

实施膜工艺所面临的主要挑战是对膜污染的控制。

膜污染的常见类型包括：

-由沉积在膜表面的颗粒和胶体所造成的污染

-结垢，即微溶性盐的沉淀

-有机污染，即有机化合物吸附在膜表面上

-生物污染，即生物膜在膜表面上过度增长

在反渗透和纳滤中，最为普遍的是，膜的分离层由耐氧化剂(例如，氯)能力十分有限的聚酰胺制成。目前，反渗透和纳滤单元中通常使用的模组类型即所谓的螺旋缠绕式模组。常用反渗透和纳滤膜的第二种类型是空心纤维。

在使用此类聚酰胺反渗透或纳滤膜的工厂中出现的不同类型的污染中，生物污染是出现频率最高的一种。膜生物污染导致能量消耗因压力需求的增加而增加。进一步需要注意的是，增加所需膜的使用频率会导致因停机时间增加而产生生产损耗，并导致膜使用寿命减少此外，模组间(进水和浓缩物之间)压力损失过高可导致模组产生机械损失。在任何情况下，生物污染均会导致每次进行水生产或处理的成本增加。

现有技术说明

控制反渗透和纳滤膜的生物污染通常通过以下方法中的一种或其组合来实现。一种方法是使用与膜相容的生物灭除剂或生物抑制剂，例如，非氧化性生物灭除剂，或者不断注入或用于进行刺激处理的单氯胺。另一种方法是使用螺旋缠绕式模组，其具有较厚的进水隔离器，用于降低进水和盐水之间的水头损失。其他常用方法是使用生物膜抗吸附技术，例如，在膜模组中使用改性膜表面或较高水流速度，或者通过(例如)氯化以及随后在膜上游进行的脱氯处理，使供给膜的进水消毒。另一种方法是对膜进行较为频繁的化学清洗。

上述方法均具有限制或缺点，例如，环境影响、成本、或效率有限。近几年，越来越多地应用另一种包括在RO或NF膜上游进行生物处理的方法。该方法可移除已溶解的生物可降解化合物，因此，这种方法不仅仅用于膜上的生物膜。这样即可避免或至少显著减少生物污染。基于去除养分的所有反渗透和纳滤膜生物污染控制工艺将过滤与生物处理结合，这些工艺均可在文献资料中找到。这些工艺基于砂过滤器、双层介质过滤器、多层介质过滤器和颗粒状活性炭过滤器以及膜生物反应器进行生物过滤。

为了避免反渗透和纳滤膜被颗粒物质和胶体污染，最佳有效技术是通过微滤或超滤膜进行预处理。尽管许多工厂使用该方法进行构建，但在预处理中，仅少量去除或未去除已溶解的养分，并因此导致反渗透或纳滤膜上发生生物污染。

弗莱明(Flemming)等人公开了一种基于优化养分限制技术来防止膜生物污染的方法(H·C·弗莱明(H.-C.Flemming)等人，《海水淡化》(Desalination)，第113期(1997年)215-225页)。建议在正确位置上使用生物膜，以便最大程度地减少生物膜在无需生物膜的位置上形成，即进行生物膜形成控制。建议在需要避免生物污染的系统前面使用一个多表面区域(surface-rich area)，这样，生物膜可在此区域上形成并消耗水流中的可降解物质，从而减少生物膜在随后隔间中的增长范围。弗莱明等人公开的实验中所使用的生物过滤器是砂过滤器。其中公开了使用生物灭除剂或去除生物膜来克服生物膜所造成的流动阻力问题，以便进行消毒。此公开内容未针对以下内容进行详细说明，即如何形成此多表面区域，以及系统应如何运行以优化生物膜形成和养分消耗，从而防止下游设备发生生物污染。

布拉沃(Brouwer)等人公开了在反渗透系统上游使用

生物过滤器的方法。其中可看出，使用

对进水进行预处理降低了膜上的生物污染率(H·布拉沃(Brouwer)等人，《海水淡化》(Desalination)，第11卷，1-3期，2006年11月20日，15-17页)。但是，DeNutritor在处理高固含量物质(high solids loads)时具有一定局限性。这项技术要求进行充分预处理，以便获得令人满意的操作效果。在膜过滤至少去除悬浮固体的情况下，充分预处理增加了该技术的整个投资和运行成本。

的进一步缺点在于，所提出的概念可能因泡沫的类型，例如载体材料所使用的泡沫的类型，而无法直线式再生(In-line regeneration)。一旦生物过滤器上的压降达到无法接受的程度，则需要替换或维修泡沫，同时停止生产。这几乎意味着生物过滤器必须100％冗余才能继续运行。

此外，泡沫不具有任何受保护的表面积。这基本上意味着无法控制泡沫再生，使其在生物过滤器中的生物活性保持在一定程度。

WO01/72645公开了一种在反渗透装置前的具有两个处理阶段的系统，所述处理阶段即生物反应阶段以及调节阶段，在调节阶段中，生物抑制剂被添加到水中。此应用通过这两个协同作用阶段，解决了阻止下游膜的生物污染的问题。原则上，生物反应阶段中的载体材料可由不同材料制成，例如砾石、活性炭或塑料颗粒，这些材料具有较大表面以用于生物吸附工艺。较好的情况是，使用多层介质过滤器。在此第一阶段中，TOC的大部分发生微生物反应。此发明尤其着重说明了第二阶段的优势，即生物抑制剂的添加和两个阶段结合的效果。据称，原水中的生物可降解TOC的80％到90％可被去除。但由于此方法包括注入生物抑制剂，因此可推断出，WO01/72645的发明人仅使用生物过滤来去除养分不足以进行生物污染控制。此外，使用生物抑制剂可能成本较高，很可能无法持续进行，且可能阻碍此饮用水处理方法的应用。

WO01/72645公开了生物反应步骤中的过滤实施装置。但是，WO01/72645中并未公开无需(整体)过滤的生物反应器的优势。

发明内容

本发明涉及一种用于按照生物处理步骤去除已溶解的生物可降解化合物的方法，所述生物处理步骤位于要避免生物污染的设备上游，是地下水、地表水或三级污水处理线的一部分，其中所述上游生物处理步骤在至少一个填充床生物反应器中实施，所述生物反应器包括装有填充成分的容器或储罐。

去除已溶解的生物可降解化合物目的在于避免下游设备发生生物污染。待处理的水可以是地下水、地表水(河水、湖水、水库水、海水等)或三级污水。

本发明的特征在于，所述填充床的填充成分的空隙率为至少70％，以及通过所述填充床生物反应器的水的流速为至少20m/h，且最好在20m/h至400m/h之间，以在存在悬浮固体的情况下，使所述填充床对水中悬浮固体的去除率不超过30％。本发明的特征还在于，所述填充床的所述填充成分的比表面积为至少750m²/m³，以及所述工艺无需使用任何生物灭除剂或生物抑制化合物即可实现有效性能。

与生物过滤器和膜生物反应器相比，此生物处理工艺的优势为，设备设计较为简单且操作较为容易，从而降低了成本。

在一项优选实施例中，所述填充床的成分的受保护的表面积为至少350m²/m³。

在本发明的进一步实施例中，生物处理步骤与过滤步骤结合。此过滤步骤可以是传统过滤步骤、超滤步骤或微滤步骤，且可在所述填充床生物反应器的上游或下游实施。

在另一项实施例中，所述处理线进一步包括至少一个纳滤或反渗透膜。

在一项更为优选的实施例中，所述过滤步骤在所述填充床生物反应器下游以及所述反渗透或纳滤膜上游实施。

在本发明的一项实施例中，要避免生物污染的下游设备是饮用水配水网。

在另一项实施例中，所述处理线包括热交换器。在此项实施例中，原水中的固体含量很低，这样，本发明的生物处理工艺即可用于位于要避免生物污染的设备上游的独立配置中。

在一项优选实施例中，所述生物反应器中的生物可降解化合物的所述降解无需为所述生物反应器换气即可进行。

本发明进一步提供一种用于按照生物处理步骤去除已溶解的生物可降解化合物的系统，所述生物处理步骤位于要避免生物污染的设备上游，是地下水、地表水或三级污水处理线的一部分，所述系统包括至少一个填充床生物反应器，所述生物反应器包括装有填充成分的容器或储罐，以及用于将进水抽入所述填充床生物反应器中的至少一个构件。本发明的特征在于，所述填充床的填充成分的空隙率为至少70％，以及用于将进水抽入所述填充床生物反应器中的所述构件将通过所述填充床生物反应器的水的流速控制为至少20m/h，且最好控制在20m/h至400m/h之间，以在存在悬浮固体的情况下，使所述填充床对水中悬浮固体的去除率不超过30％。此项实施例的特征还在于，所述填充床的所述填充成分的比表面积为至少750m²/m³。此项实施例的特征还在于，所述系统包括位于所述至少一个填充床生物反应器上游的至少一个过滤装置。

在本发明的一项实施例中，所述上游过滤装置是膜过滤装置，优选为超滤装置或微滤装置。

在另一项实施例中，所述上游过滤装置是传统过滤装置。

在一项优选实施例中，所述系统进一步包括位于所述填充床生物反应器下游的反渗透或纳滤膜。

在另一项优选实施例中，所述填充床生物反应器进一步包括入口分配器，其使所述进水从所述容器顶部在轴向上均匀分配。

附图说明

图1所示为本发明的一项优选实施例，其中填充床生物反应器位于膜过滤步骤上游。

图2a所示为本发明的另一项优选实施例，其中填充床生物反应器位于膜过滤步骤下游。

图2b所示为本发明的另一项替代性实施例，其中筒式过滤器位于填充床生物反应器和RO膜之间。

图3所示为本发明的进一步实施例，其中填充床生物反应器位于传统过滤步骤的上游。

图4所示为本发明的一项实施例，其中填充床生物反应器位于传统过滤步骤的下游。

图5所示为本发明的另一项优选实施例，其中填充床生物反应器2位于配水网之前的过滤步骤的上游。

图6所示为本发明的另一项优选实施例，其中填充床生物反应器直接位于热交换器的上游，而没有额外的过滤步骤。

图7所示为根据已运行的测试的装置。

图8所示为具有三个不同生物反应器的生物防护器的试验性布局的示意图。

图9所示为图8所示装置中的三个生物反应器的耗氧量的测量结果。

图10所示为图8所示装置中的三个生物反应器的耗氧量在总耗氧量中所占的百分比。

图11所示为图8所示装置中的三个生物反应器的耗氧率。

图12所示为若干氮形态的去除和产生。

图13所示为耗氧量与硝酸盐产量之比。

图14所示为生物反应器V10的入口和出口处的压差。

图15所示为处理国内污水处理厂的UF出水的膜污染模拟器(MFS)的目测图，所述膜污染模拟器具有两种类型：具有上述仅使用V10的生物防护器；以及不具有上述仅使用V10的生物防护器。

图16所示为图15中所示膜污染模拟器(MFS)的压降变化。

具体实施方式

本发明涉及一种用于按照上游生物处理步骤去除已溶解的生物可降解化合物的方法，所述上游生物处理步骤是地下水、地表水或三级污水处理线的一部分。上游生物处理步骤在至少一个填充床生物反应器中实施，所述填充床生物反应器包括装有填充成分的容器或储罐。

去除已溶解的生物可降解化合物的目的在于，防止下游设备受到生物污染。待处理的水可以是地下水、地表水(河水、湖水、水库水、海水等)或三级污水。

本发明的特征在于，所述填充床的填充成分的空隙率为至少70％，以及通过所述填充床生物反应器的水流速度为至少20m/h，且最好在20m/h至400m/h之间，以在存在悬浮固体的情况下，使所述填充床对水中悬浮固体的去除率不超过30％。在此流速下，养分到生物膜中的转移增强，且保持较薄的活性生物膜层。

本发明的特征还在于，所述填充床的所述填充成分的比表面积为至少750m²/m³。在一项优选实施例中，所述填充床的所述成分的受保护的表面积为至少350m²/m³。本发明的比表面积可较为松散或结构化。本发明的比表面积提供竞争性生长表面积(competing growth surface area)，在其中微生物将能够定居并生长。微生物在比表面积上形成生物膜，并消耗流经填充床生物反应器的进水流中存在的养分。这导致养分缺乏，且随即导致下游膜系统处的微生物生长不足。因此，本发明的一个主要优势在于，控制要避免生物污染的膜的上游的比表面积处的微生物生长。

本发明的特征还在于，所述工艺无需使用任何生物灭除剂或生物抑制化合物。使用生物灭除剂，例如氯或过氧化氢等氧化剂的一个主要缺点在于，下游膜在多数应用中必须避免接触此类生物灭除剂。因此，必须在进水到达膜阶段之前进行用于去除生物灭除剂的另一步骤。可使用不会损伤下游膜的非氧化性生物灭除剂，但所述生物灭除剂必须从膜阶段所产生的污水流中去除。可添加少量生物灭除剂，以便进一步抑制微生物生长，且大体上不会妨碍下游膜阶段的功能。

在本发明的一项实施例中，此发明的填充成分可由金属、陶瓷或塑料制成，在优选实施例中，所述填充材料由高密度聚乙烯制成。密度可通过使用含有(例如)TiO₂或CaCO₃的成分母料来增加。对于多数应用，所述填充成分有两种密度，例如0.95kg/dm³和0.98kg/dm³。密度容差为+/-0.02kg/dm³。在本发明的一项优选实施例中，填充成分为

K1。

本发明的生物反应器既无意具有也不具有强大的过滤特性(实例2和图14)。

本发明的生物反应器包括装有填充材料的容器或储罐。

在本发明的一项实施例中，本发明的容器或储罐是密闭的。生物反应器的容器或储罐中不存在任何气相，即容器或储罐中的填充成分完全是液态的。在此实施例中，无需进行换气，因为所述实施例中待处理的水只具有相对有限的养分含量，且进入生物反应器的溶解氧浓度通常足以使养分有效地进行生物降解。

本发明的一个优势在于，只要避免水在生物反应器和要避免生物污染的设备之间消耗氧气，那么即使在缺氧或厌氧的情况下，不进行换气也不会带来任何不便，因为可能在膜上产生的缺氧或厌氧生物污染也由填充床生物反应器中的缺氧或厌氧生物生长而避免。

微滤和超滤是去除悬浮固体(颗粒和胶体物质)最为有效的技术。这些技术在去除固体方面的效率明显高于传统粒状介质过滤技术。但是，这些膜无法去除任何已溶解的化合物，包括已溶解的养分，而这些养分导致了反渗透或纳滤膜的生物污染。将此膜过滤技术与本发明的填充床生物反应器结合，即可克服这一缺点。

与传统生物过滤器相比，填充床生物反应器的优势在于：其设计更为简洁；反应器容积减少，从而降低投资成本；以及通过减少水头损失且使反冲洗频率降到最低或为零来使其操作简化，从而降低运行成本。反应器容积需求降低的原因在于固定生物质浓度较高，这种情况可能是填充材料的比表面积较大且生物膜厚度增加而造成。进一步优势在于，填充床生物反应器可(如果需要)直线式再生，生物反应器因受保护的表面积而再生后，将具有基本充足的生物活性，且因此，生物反应器无需任何冗余。

在图1和2a所示的优选实施例中，填充床生物反应器2与使用微滤膜或优选地使用超滤膜的过滤步骤3结合。两个处理步骤结合的目的是为了避免颗粒和胶体所造成的污染，以及控制下游反渗透或纳滤步骤4中的膜生物污染。

在根据图1的优选实施例中，填充床生物反应器位于膜过滤步骤上游，而在根据图2a的优选实施例中，其位于膜过滤步骤下游。

根据图1，进水1注入本发明的填充床生物反应器2中。随后填充床生物反应器2中的水在到达反渗透或纳滤步骤4之前，流入膜过滤步骤3。根据图2a，进水1在进入本发明的填充床生物反应器2之前，先注入膜过滤步骤3，随后到达反渗透或纳滤步骤4。

与膜生物反应器相比，根据图1和图2a的本发明的两项优选实施例主要具有两个优势。UF或MF膜上固体含量减少，即膜生物反应器中的悬浮生物质少于填充床生物反应器中的固定生物膜，对UF或MF膜的设计流率和/或清洗频率造成正面影响。此外，加压型UF或MF膜可用于此应用，但通常情况下，膜生物反应器使用淹没式膜(submerged membrane)。这种淹没式膜具有若干缺点，例如，价格较高、难以维护(清洗)、必须为渗透而排气，由此需要额外的气体去除设备等。

根据图1的优选实施例的优势在于通过膜过滤步骤，去除可从生物反应器的填充材料上的生物膜中分离的生物质。所分离出的生物质如果不去除，则可能在某些情况下，导致反渗透或纳滤膜的污染。

在此实施例中，反冲洗频率可降低，因为所分离出的生物质不会到达反渗透或纳滤膜。

根据图2a的优选实施例的优势在于，注入填充床生物反应器2的进水1中缺少悬浮物质。在根据图1的优选实施例的配置中，即使在去除率极低的情况下，可能被生物膜捕捉到的悬浮物质也可增加生物反应器的水头损失，且因此对其清洗频率造成影响。根据图2a的实施例的进一步优势在于，当超滤装置位于填充床生物反应器上游时，无需使用额外的进水泵来将水注入生物反应器，因为根据填充床生物反应器的功能要求，超滤装置中的泵会提供进水流。

在图2b所示实施例的另一项替代性实施例中，筒式过滤器8位于填充床生物反应器2与反渗透或纳滤膜4之间，以捕捉可从生物反应器上分离出且到达反渗透或纳滤膜4的所有生物固体。

本发明的另一项优选实施例包括替代膜过滤步骤的传统过滤步骤。在图3所示的优选实施例中，填充床生物反应器2位于传统过滤步骤5的上游，而在图4所示的优选实施例中，填充床生物反应器2位于传统过滤步骤5的下游。

传统过滤步骤5可为除了膜之外的任何类型的过滤器，例如，具有惰性成分或/和吸附剂过滤器介质的粒状介质过滤器、滤网式或精密滤网式过滤器、纤维束型过滤器或盘型过滤器。在此类传统过滤的情况下，存在一定的生物活性，但与膜过滤的情况类似，这些生物活性可能不足以对下游反渗透或纳滤膜4的生物污染进行合理控制。此时，使用辅助填充床生物反应器2可加强对有效养分进行的生物降解，且因此有助于控制反渗透或纳滤膜4的生物污染。

使用替代性过滤器而非UF/MF的主要原因在于成本较低。UF/MF在固体去除方面性能极佳，这种性能是螺旋缠绕型RO膜持久运行的先决条件。但是，悬浮固体并非必须100％隔离(与UF/MF的情况相同)。因此可使用成本更低的替代性过滤技术。结合本发明的填充床生物反应器，传统过滤技术可针对UF/MF提供具有成本效率的替代物。

另一项优选实施例涉及使用填充床生物反应器2以减少配水网，尤其是饮用水配水网6中形成生物膜的工艺。由于一些生物膜可从填充床生物反应器2上分离，因此较好的情况是，填充床生物反应器2在此情况下位于水处理线中最后一个过滤步骤的上游，如图5所示。减少有效养分量降低了对整个配水网6进行有效消毒所需的消毒剂量率。

图6所示的进一步优选实施例涉及使用填充床生物反应器2以控制下游设备的生物污染，而无需额外的过滤步骤。此方法在以下情况适用，例如，待处理的水中悬浮物质含量较低，或者要避免生物污染的下游设备对悬浮物质的存在敏感度较低。在此优选实施例中，要避免生物污染的设备可为，例如，热交换器7，如图6所示。

本发明还公开了一种按照生物处理步骤去除已溶解的生物可降解化合物的系统，所述生物处理步骤位于要避免生物污染的设备上游，是地下水、地表水或三级污水处理线的一部分，包括至少一个填充床生物反应器，所述填充床生物反应器包括装有填充成分的容器或储罐，以及用于将进水抽入填充床生物反应器的至少一个构件。

本发明的特征在于，所述填充床的所述填充成分空隙率为至少70％，且本发明的特征在于用于将进水抽入填充床生物反应器的所述构件将通过所述填充床生物反应器的水的流速控制为至少20m/h，且最好在20m/h和400m/h之间，这样，在存在悬浮固体的情况下，使所述填充床对水中悬浮固体的去除率不超过30％。此项实施例的特征还在于，所述填充床的所述填充成分的比表面积为至少750m²/m³。在一项优选实施例中，所述填充床的所述成分的受保护的表面积为至少350m²/m³。本实施例的特征还在于，其包括至少一个过滤装置，所述过滤装置位于至少一个填充床生物反应器的上游。根据本发明的此系统的优势在于，填充床生物反应器的上游过滤装置大体减少注入填充床生物反应器的进水中的悬浮物质。生物反应器的水头损失因此降低，从而影响生物反应器的清洗频率。

在一项优选实施例中，所述上游过滤装置是膜过滤装置，其中超滤或微滤装置较佳。此实施例的一个优势在于，当超滤装置位于填充床生物反应器上游时，无需使用额外的进水泵将水注入生物反应器，因为根据填充床生物反应器的功能要求，超滤装置的泵会提供进水流。

在另一项实施例中，所述上游过滤装置是传统过滤装置。本发明的传统过滤装置可为除了膜之外的任何类型的过滤器，例如，具有惰性成分或/和吸附剂过滤器介质的粒状介质过滤器、滤网式或精密滤网式过滤器、纤维束型过滤器或盘型过滤器。结合本发明的填充床生物反应器，传统过滤技术可针对UF/MF提供具有成本效率的替代物。

根据本发明，所述系统可进一步包括位于填充床生物反应器下游的反渗透或纳滤膜，其结合膜过滤装置通过上游的填充床生物反应器来避免生物污染。

在另一项优选实施例中，填充床生物反应器进一步包括入口分配器，用于使进水从容器顶部开始在轴向上均匀分配。入口分配器应使水在轴向上均匀分配，以免通过介质的水发生短流。

根据本发明的一项实施例的填充床生物反应器包括密闭容器或储罐，其具有底部和顶部，并可在加压条件期间运行。

容器或储罐的一部分装有载体介质，所述载体介质在其中均匀分配，其密度高于或接近待处理的水的密度。待处理的出水被抽入容器或储罐的顶部，并通过入口分配器均匀向下分配。入口分配器应使水在轴向上均匀分配，以免通过介质的水发生短流。在储罐底部安置有出口筛网，其包括一系列支渠，或具有开口的筛网，其用于阻止介质通过其中。在正常运行过程中，生物反应器作为固定床运行。在再生过程中，生物反应器进行反冲洗，从而使用现有进水泵更改流向，并转换阀位置。介质扩展，并作为流化床运行，以释放正常运行过程中生物反应器内捕捉到或生长出的多余固体。

本发明的填充床生物反应器可在压力下降时进行反冲洗，较好的情况是，生物反应器应在所有系列的生物反应器的水头损失小于0.2bar时进行反冲洗。

反冲洗率必须足够高，以便形成流化床来去除悬浮固体，从而避免生物活性遭受明显损失，其中损失最好低于20％。较好的情况是，反冲洗时长应不超过120秒，且可使用进水或已处理的水进行反冲洗。根据本发明，在反冲洗过程中，无需进行换气。

如果需要进行反冲洗以减少压降并去除多余的悬浮固体，则需要空余顶部空间以形成流化床。根据本发明的一项实施例，所需的空余顶部空间用于扩展流化床以冲洗固体，该空间至少占反应器容积的20％。

在本发明的一项实施例中，在生物反应器位于UF膜后方的情况下，不必对生物反应器进行反冲洗。

本发明的目标在于，最大程度地减少RO膜中微生物的生物生长。通过在RO膜上游提供载体表面，即可实现该目标。所需载体表面的数量取决于养分/有机碳消耗程度，养分/有机碳消耗对于最大程度地减少RO膜上的生物生长是必要的。需要确定的一个主要特性是，RO膜的进水中可剩余多少生物活性(表示为每单位体积和每时间单位体积的氧当量)，以阻止或最大程度地减少生物生长。根据本发明，载体总表面与下游RO膜表面的最低比率为100％。

在本发明的另一项实施例中，在养分浓度无法满足既定标准的情况下，循环回路可添加到填充床生物反应器中。

实例

实例1：测试装置

要测试此装置的效率，则根据图7所示的装置运行测试。

在测试装置1中，出水通过超滤步骤注入本发明的填充床生物反应器并按照最后一个步骤进行反渗透步骤。

在图8中，图示了生物防护器试验性布局的示意图。本发明按照三个生物反应器的顺序进行测试，其中V10是第一生物反应器，随后分别是V20和V30。

在此装置中每个生物反应器中测量耗氧量。图9所示为每个生物反应器的定时耗氧量。从中可看出，耗氧量最高的是第一生物反应器V10，其次是V20，最低的是V30。

图10所示为不同生物反应器的耗氧量在7天时间内测量的总氧气使用量中所占的百分比。第一生物反应器(V10)在耗氧量中所占比率最高(50-75％)，其次分别是V20(20-33％)和V30(3-20％)。

在图11中，图示了所有三个生物反应器的耗氧率。从中可看出，耗氧率最高的第一生物反应器(V10)，其次是V20，最低的是V30。

在同一生物防护器试验性布局中，于2009年6月23日在采样点sp1、sp2、sp3和sp4处测量了氮浓度(图8)。根据测量结果，使氨、硝酸盐、亚硝酸盐以及有机氮保持氮质量平衡。图12所示为若干氮形式的去除和产生，其中在第一反应器中，氨/硝酸盐的去除和产生率最高，在第二和第三反应器中，氨/硝酸盐的去除和产生率较低。生物反应器中的氧气使用直接与细菌生长以及存在的有效养分和碳源的去除相关。

图13所示为“已测量”的耗氧量以及“所需”的耗氧量，所述耗氧量是基于针对三个生物反应器所产生的硝酸盐量，其中生产1mg NO₃-N所需的理论性氧气使用系数为4.33mgO₂。

从这些测量结果中(图9到图13)可推断出，在使用一系列三个串联生物反应器，且从国内污水处理厂注入UF出水的情况下：

1.第一生物反应器中的耗氧量最高(最多达到三个生物反应器的HRT中总氧气使用量的70％)，其次是下游第二和第三生物反应器，在下游第二和第三生物反应器中，耗氧量大幅下降。

2.第一生物反应器中的耗氧率最高(OUR)，其次是下游第二和第三生物反应器，在下游第二和第三生物反应器中，耗氧率大幅下降。

3.养分消耗在生物反应器的轴向上进行，这表示在第一生物反应器中去除率最高，而在下游第二和第三生物反应器的氨去除率较低。

4.三个生物反应器中的耗氧量很大程度上与硝酸盐生产量相关，即所测量出的耗氧量主要是由氨和亚硝酸盐氮的氧化作用而造成的。

5.在轴向上的养分消耗导致耗氧量和耗氧率均较低，且因此是生物反应器下游的生物膜生长率较低。

未测量水中有机物含量。由于入口和出口之间差异较小，以及COD、TOC和BOD分析并不可靠，因此，COD、TOC和BOD测量几乎没有任何价值。这样对于COD、TOC和BOD而言，将非常难以获得可靠的质量平衡。但由于氨型氮在生物反应器的轴向上明显减少，因此可预期，有机化合物将沿着生物反应器呈现类似的递减式浓度分布。

实例2：生物反应器的非过滤特性

基于自养细菌所进行的氮氧化，可计算出预期固体生长量。以下参数用于计算在注入来自国内污水处理厂的UE出水的生物反应器中预期氮氧化污泥产量：

通过计算，生物反应器V10中的污泥日产量为2.64mgMLSS/l。在一个月的时间内，因生长而累积的污泥产量应为约1.9gMLSS/l，如图14所示。但是，使用可用碳源和细菌性腐化工艺的异样细菌生长未计算在内。从图14中可看出，在既定时期内，V10上没有增加任何压力。这一发现可支持关于生物反应器既无意具有也不具有强大的过滤特性的论述。

实例3：膜污染模拟器

本发明使用膜污染模拟器(MFS)进行测试(沃温维尔德(Vrouwenvelder)等人，2006年)。MFS是一种用于预测和控制污染的实用工具。使用MFS，污染可通过(例如)压降变化等运行参数以及无损(可视和微观)观测进行监控。

图15所示为处理国内污水处理厂的UF出水的MFS目测图，所述MFS具有两种类型：具有图8中的上述生物防护器；以及不具有图8中的上述生物防护器，其中对于具有生物防护器的配置，将在SP2处对水进行采样，对于不具有生物防护器的配置，将在SP1处对水进行采样。该图片是在使用干净RO膜和隔离器开始向MFS注水的11天后拍摄的。在可视运行11天后，可清楚地看出污染程度方面的差异。

这种目测通过两个MFS的压降变化实现，如图16所示。生物生长直接导致不具有上述生物防护器的MFS的压降增加，因为UF渗透进水无任何悬浮固体。此外，在非限制条件(存在养分、碳源和充足的氧气)下，生物生长通常呈指数增长。

Claims

1.一种用于按照生物处理步骤去除已溶解的生物可降解化合物的方法，所述生物处理步骤位于要避免生物污染的设备上游，是地下水、地表水或三级污水处理线的一部分，其中所述上游生物处理步骤在至少一个填充床生物反应器中实施，所述生物反应器包括装有填充成分的容器或储罐，

所述方法的特征在于：

i)所述填充床的所述填充成分的空隙率为至少70％，以及

通过所述填充床生物反应器的水的流速为至少20m/h，以在存在悬浮固体的情况下，使所述填充床对水中悬浮固体的去除率不超过30％；

ii)所述填充床的所述填充成分的比表面积为至少750m²/m³；

iii)所述工艺无需使用任何生物灭除剂或生物抑制化合物。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述填充床的所述成分的受保护的表面积为至少350m²/m³。

3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的工艺，其中所述生物处理步骤与过滤步骤结合。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的工艺，其中所述处理线包括至少一个纳滤或反渗透膜。

5.根据权利要求3和4所述的工艺，其中所述过滤步骤在所述填充床生物反应器上游实施。

6.根据权利要求3和4所述的工艺，其中所述过滤步骤在所述填充床生物反应器下游以及所述反渗透或纳滤膜上游实施。

7.根据权利要求5或6所述的工艺，其中所述过滤步骤是超滤或微滤步骤。

8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的工艺，其中位于所述处理线下游的待保护的设备是饮用水配水网。

9.根据权利要求1或2所述的工艺，其中所述处理线包括热交换器。

10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的工艺，其中所述生物反应器中的所述生物可降解化合物的降解无需为所述生物反应器换气即可进行。

11.一种用于按照生物处理步骤去除已溶解的生物可降解化合物的系统，所述生物处理步骤位于要避免生物污染的设备上游，是地下水、地表水或三级污水处理线的一部分，所述系统包括至少一个填充床生物反应器，所述生物反应器包括装有填充成分的容器或储罐，以及用于将进水抽入所述填充床生物反应器中的至少一个构件，

所述系统的特征在于：

i)所述填充床的所述填充成分的空隙率为至少70％，且用于将所述进水抽入所述填充床生物反应器中的所述构件将通过所述填充床生物反应器的水的流速控制为至少20m/h，以在存在悬浮固体的情况下，使所述填充床对水中悬浮固体的去除率不超过30％；

ii)所述填充床的所述填充成分的比表面积为至少750m²/m³；

iii)所述系统进一步包括位于所述至少一个填充床生物反应器上游的至少一个上游过滤装置。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述上游过滤装置是膜过滤装置，优选为超滤装置或微滤装置。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述上游过滤装置是传统过滤装置。

14.根据权利要求11至14中任一权利要求所述的系统，其中所述系统进一步包括位于所述填充床生物反应器下游的反渗透或纳滤膜。

15.根据权利要求11至14中任一权利要求所述的系统，其中所述填充床生物反应器进一步包括入口分配器，其使所述进水从所述容器顶部开始在轴向上均匀分配。