CN103080022A - 为了封闭的膜系统的运行而利用在内部产生的生物气体的方法 - Google Patents

Abstract

在厌氧膜生物反应器(“AnMBR”)中，封闭的厌氧处理箱包括膜过滤器或连接至包括膜过滤器的外部箱。一袋生物气体在处理箱的顶部积聚。生物气体被从袋获取，被泵送至膜过滤器的底部以提供气泡来抑制膜的污损并返回至袋。降解废水时产生的过量的生物气体被从系统移除并可以用作产物。然而，生物气体和液体在系统中被维持于例如比大气压高10kPa或更多的高于大气压的压力，该压力足以对驱使渗透物穿过膜的跨膜压力至少提供物质帮助。可以降低系统的整体能量需要。此外，利用充足的压力，可以不需要附连至膜的吸力泵。

Description

为了封闭的膜系统的运行而利用在内部产生的生物气体的方法

技术领域

本说明书涉及厌氧膜生物反应器和用于运行该厌氧膜生物反应器来例如处理废水的工艺。

背景技术

以下不意味着下述全部内容为现有技术或公知常识。

在污水处理厂中，可用的单元过程中的一个可以涉及利用厌氧微生物来处理废水。即使厌氧处理箱可以开放，但在缺少添加的氧的情况下，箱中的水的主要条件可以为厌氧。厌氧微生物居于箱，并将废水中的可生物降解的材料主要转化成水和生物气体，该生物气体主要为二氧化碳和甲烷。

在膜生物反应器中，穿过膜过滤器而进行正在降解或已降解的废水的固液分离。膜过滤器可以直接浸没至处理箱中，或者可以浸没于带有来自处理箱的入口和返回至同一或另一处理箱的出口的单独的箱。膜典型地处于微细过滤或超细过滤的范围。可以由施加至膜过滤器的内侧容积的吸力将渗透物的通量(已过滤的水)吸引穿过膜。

发明内容

以下介绍旨在向读者介绍详细的公开以遵循而不是限制或限定任何权利要求。发明可以存在于包括附图的该文献的任何部分所述的装置要素或处理步骤的组合或子组合中。

在厌氧膜生物反应器(“AnMBR”)中，废水在厌氧箱中被微生物消化或降解，且通过膜过滤的方式提供废水的固液分离。在膜过滤系统中，典型地通过将吸力泵附连至膜过滤器的内侧表面，从而产生横贯膜表面的跨膜压差(TMP)，进而获得期望的通量。在本文所述的装置和工艺中，厌氧处理箱被封闭，以允许收集通过微生物消化废水而产生的生物气体。已收集的生物气体中的一些生物气体在箱中积聚，并通过生物气体的积聚、供给废水的压力或这两者的方式将内部的箱压力维持于高于环境压力的压力。施加上述环境压力以提供驱使通量穿过膜过滤器的TMP的部分或全部。

更详细地，厌氧处理箱虽然设有用于泵送或重力供给的废水的入口和用于产物生物气体的出口，但是可增压，在该意义上，厌氧处理箱是封闭的。封闭的处理箱包括膜过滤器或连接至包括膜过滤器的外部箱。在外部膜箱的情况下，处理液体从处理箱再循环经过膜箱并返回至处理箱。一袋生物气体积聚在处理箱的顶部。生物气体被从袋获取并泵送至膜过滤器的底部以提供气泡来抑制膜污损。在外部膜箱的情况下，生物气体被从处理箱的袋获取，被泵送至膜箱中的膜过滤器的底部，在膜箱的顶部被再收集，并返回至处理箱。

当降解废水时产生生物气体并在处理箱的顶部收集生物气体。在外部膜箱的情况下，生物气体可以在膜箱自身产生，且生物气体通过气体循环的方式被引入膜箱来提供气泡。从处理箱、膜箱或这两者移除过量的生物气体。被移除的生物气体为产物，该产物能够用作例如燃烧来发电的燃料。在稳态运行中，生物气体的移除的速率大致等于生物气体的产生的速率。然而，通过暂时地或周期性地限制或停止生物气体的移除，从而如果存在生物气体，则生物气体积聚以增加处理箱和膜箱中的水表面之上的生物气体袋的压力。生物气体压力可以例如比大气压高10kPa或更多。将膜箱或包括膜的处理箱维持于高于大气压的压力，产生了跨膜压力，该跨膜压力提供或至少增加穿过膜过滤器的渗透物的通量。可以降低系统的整体能量需要。此外，利用膜箱中的充足的压力，可以不再需要附连至膜的吸力泵。

附图说明

图1是带有外部膜箱的厌氧膜生物反应器的示意图。

图2是带有浸没于处理箱中的膜过滤器的厌氧膜生物反应器的示意图。

具体实施方式

在厌氧处理中，废水中的有机物质的消化，产生从废水的表面逸出的生物气体。例如，1g COD的葡萄糖在1atm且在0℃能够产生约0.7L的生物气体(二氧化碳和甲烷)。当额外的生物气体被产生至固定的容积中时，压力增加至高于1atm。在下述工艺和装置中，所产生的生物气体中的一些在AnMBR系统中在高于环境压力的压力下被收集并维持。与AnMBR系统中的膜过滤器接触的废水保持与已收集的生物气体相连通。也在高于环境压力的压力下维持与膜过滤器接触的废水，这有助于提供所需的TMP或通量。特别地，COD输入的速率(或者能够与有机材料的分解的速率相关的另一参数)与生物气体产生的速率相关。生物气体产生的速率与以最小废水深度运行的系统中的内部压力相关，并与接触于膜过滤器的废水的压力相关。与膜过滤器接触的废水的压力于是与TMP和通量相关。这样，AnMBR系统能够利用生物产生的生物气体来产生或增强膜过滤驱动力(TMP)。产生TMP可能使用常规的膜生物反应器所需的能量的10%至20%。

可选地，能够使与膜过滤器接触的废水的压力足够高来避免对于渗透吸力泵的需要。这降低了生物反应器的总资本和运行成本。例如，大型AnMBR系统可以具有多个膜列，各个列位于其自身的箱中或位于共同的箱中，并带有与各个列相关的渗透泵。即使必须增加供给泵的尺寸以克服系统中的额外的压力，购买、容纳、安装以及维持一个大型泵的成本也通常小于购买、容纳、安装以及维持相同总容量的两个或更多的单独的泵的成本。此外，即使生物气体产生对抗供给泵的压力，总的系统能量消耗也可能被降低。这是因为一个大型泵趋于比提供相同的总的流率和压差的两个或更多的更小的泵使用更少的能量。然而，在一些情况下，能够由重力将废水全部地或部分地供给至系统。使用未处理的废水的源和生物反应器之间的静压差来克服系统中的生物气体压力中的一些或全部。在该情况下，使用生物气体来产生TMP，提供了更大的能量节约，并且，即使仍然使用渗透泵，也提供能量节约。

图1显示了第一厌氧膜生物反应器10。厌氧消化处理箱12包括废水区域14和顶部空间16。未处理的废水典型地通过泵或重力供给的方式经过供给管线18而进入废水区域14。已消化的废污泥经过排泄道20而离开处理箱12。生物反应器10还具有包括浸没的膜过滤器22的不同的膜箱20。膜过滤器22优选地处于微细过滤或超细过滤的范围。膜过滤器22还优选地针对从外向内的流而布置并被制造成固体容忍设计(solids tolerant design)，例如，使用平片膜或强化空心纤维膜。虽然处理箱12和膜箱20具有各种入口和出口，但是处理箱12和膜箱20仍然可增压(pressurisable)且无材料生物气体泄漏，在该意义上，处理箱12和膜箱20均被密封。

正被处理的废水在处理箱12和膜箱20之间再循环。废水从处理箱12经过处理液体管线24而流动至膜箱20。进入膜箱20的废水中的一部分渗透穿过膜过滤器22并经过渗透管线28而离开膜箱20。被保留的废水从膜箱20经过处理液体再循环管线26而流动至处理箱12。平均而言，处理液体再循环管线26中的流率比处理液体管线24中的流率小经过渗透管线28而产生的渗透率。典型地，通过泵(未显示)而在处理箱12和膜箱之间沿一个方向流动，并且，通过泵或箱12、20之间的废水的压差而沿另一方向流动。

生物气体通过微生物消化废水而产生，并行进至顶部空间16中。一些生物气体典型地通过气体起泡管线中的泵(未显示)的方式从顶部空间16被获取并经过气体起泡管线30而进入膜箱20中。生物气体典型地经过靠近或低于膜过滤器22的底部的气体起泡器(未显示)而进入膜箱20。气体作为气泡而被释放，该气泡升高穿过膜过滤器22或与膜过滤器22接触以抑制膜的污损并产生穿过膜过滤器22的液体流。气泡在膜箱20中的废水的表面破裂，并将生物气体释放至位于膜箱20的顶部的袋中。被释放的生物气体随后经过气体再循环管线32而返回至处理箱12。通过管理处理液体再循环和气体起泡管线30中的泵或管理这两者，从而能够将膜箱20中的生物气体保持于稍微更高的压力，并进而将处理箱12中的生物气体保持于稍微更高的压力，以驱使生物气体返回至处理箱12。

最初允许生物气体在系统10中积聚以至少在顶部空间16中在期望的压力下产生一袋生物气体。此后，生物气体的持续的产生允许袋维持于容积和压力的期望的组合之上，同时也排放生物气体。被排放的生物气体能够用作例如燃烧来产生热、蒸汽或电的燃料。

生物气体经过泄放管线34而排放，该泄放管线34例如连接至顶部空间16或气体再循环管线32。泄放管线34具有排放阀36，该排放阀36被控制成当系统10中的气体压力超过预定的最大值时打开且当气体压力下降至低于预定的最小值的压力时关闭。优选选择预定的最小生物气体压力以对穿过膜过滤器22的TMP和通量至少提供材料增强。例如，预定的最小值可以比环境压力高10kPa或更多。可选地，预定的最小值可以足以使自身提供设计的通量并避免对于渗透管线28中的渗透吸力泵的需要。例如，预定的最小值可以为20kPa或更大。

图2显示了备选的厌氧膜生物反应器110，其中，膜过滤器22直接地浸没至处理箱12的废水区域14中。没有单独的膜箱且没有处理液体管线24、26或气体再循环管线32。气体起泡管线30被重新配置成从顶部空间16获取生物气体​​并放出生物气体来提供靠近或低于膜过滤器22的底部的气泡。其他构件的配置和运行如参照图1所述。

可选地，未处理的废水可以在批量供给的过程中添加至厌氧膜生物反应器10、110，以降低供给泵的能量消耗，或甚至当驱动静压头(driving static head)的压力不大时允许使用重力供给流。在该过程中，仅在生物气体已从处理箱12被暂时泄放之后将未处理的废水添加至处理箱12，使得未处理的废水的泵不需要克服生物气体的压力。为了起动处理，渗透管线28中的渗透阀38被关闭且排放阀36被打开以从处理箱12的顶部空间释放压力。可以在顶部空间留存例如比大气压高1kPa的小的剩余压力，以防止外侧空气泄漏至处理箱12中。如果流动不是通过重力，则供给管线18中的入口阀40被打开，且供给泵被开启，以将未处理的废水添加至处理箱12。当已添加一批未处理的废水时，供给泵即使存在也被关闭，且入口阀40被关闭，且排放阀36被关闭。允许生物气体在厌氧膜生物反应器10、110中积聚直到在处理箱12中达到例如比大气压高10kPa的阈值压力。渗透阀38随后被打开以开始渗透。排放阀36可以不时地被打开，以如上所述在渗透期间移除过量的生物气体。当需要另一批未处理的废水时，重复供给过程。

由该文献保护的发明被所附权利要求限定。权利要求不限于本文所述的装置或工艺的具体示例。特定的权利要求可以不需要本文所述的任何单个的装置或工艺的每一个要素或步骤，或者本文所述的多个装置或工艺所共同的每一个要素或步骤。

Claims (9)

1.一种用于降解废水并产生生物气体的工艺，包括步骤(a)和步骤(b)，

该步骤(a)提供了一种系统，该系统包括：

(i)封闭的厌氧处理箱，具有用于保存所述废水的区域和用于保存通过降解所述废水而产生的生物气体的顶部空间；

(ii)对所述处理箱进行的废水的泵送供应；

(iii)膜过滤器，位于所述处理箱中或位于与所述处理箱处于液体再循环连通的封闭的外部箱中；

(iv)生物气体循环回路，适于从所述顶部空间抽取生物气体，将所述生物气体作为低于或接近所述膜过滤器的底部的气泡而排出，并且使生物气体返回至所述顶部空间；

(v)穿过所述膜过滤器而从所述装置移除渗透物的出口；以及

(vi)从所述装置移除产物生物气体的出口，

该步骤(b)维持所述顶部空间和与所述膜过滤器相连通的废水中的压力，该压力足以至少在物质上有助于产生穿过所述膜过滤器的渗透物的通量。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中，维持于所述顶部空间和与所述膜过滤器相连通的废水中的压力比环境压力至少大10 kPa。

3.根据权利要求2所述的工艺，其中，在没有泵产生的施加至所述膜过滤器的渗透侧的吸力的情况下，维持于与所述膜过滤器相连通的所述废水中的压力产生穿过所述膜过滤器的渗透物的设计的通量。

4.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述膜过滤器位于与所述处理箱处于液体再循环连通的封闭的外部箱内，所述外部箱具有所述膜过滤器浸没于其中的废水区域和所述废水区域之上的生物气体的顶部空间，且所述生物气体循环回路包括泵、在所述顶部空间和所述泵之间连通的导管、低于或靠近所述膜过滤器的底部的气体起泡器、在所述泵和所述气体起泡器之间连通的导管以及在所述外部箱和所述处理箱的所述顶部空间之间连通的导管。

5.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述膜过滤器位于所述处理箱内且所述生物气体循环回路包括泵、在所述顶部空间和所述泵之间连通的导管、低于或靠近所述膜过滤器的底部的气体起泡器以及在所述泵和所述气体起泡器之间连通的导管。

6.根据权利要求1所述的工艺，包括暂时地或周期性地限制或停止从所述装置移除生物气体以在所述顶部空间中积聚或维持至少预定的量的生物气体的步骤。

7.根据权利要求1所述的工艺，其中，当所述生物气体的压力超过预定的最小值时，从所述系统排放生物气体。

8.根据权利要求7所述的工艺，其中，保持所述系统中的废水的深度高于预定的最小值。

9.一种用于在厌氧生物反应器中抽取穿过膜过滤器的渗透物的工艺，包括：

将与所述膜过滤器相连通的所述生物反应器中的废水维持于比环境压力至少高10kPa的压力；

将通过降解所述废水而产生的一袋生物气体维持于比环境压力至少高10kPa的压力；以及

从所述袋抽取生物气体以产生低于或靠近所述膜过滤器的底部的所述生物气体的气泡。

Images