CN104245601B - 用于使用生物反应器和膜过滤器处理废物流的方法 - Google Patents

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Abstract

用于处理包含可生物降解有机物质的流体含水废物流的方法，其包括：‑将所述流供给至生物反应器中，所述生物反应器包含含有生物质的流体；‑在基本厌氧的条件下，使所述可生物降解有机物质与生物质在生物反应器中反应；‑从生物反应器中获取第一流并使用所述第一流作为膜过滤单元的进料，在所述膜过滤单元中对所述进料进行过滤，从而形成滤出物流和滞留物流；‑使所述滞留物流返回所述生物反应器；‑从所述生物反应器中获取第二流作为污泥处理单元的进料，在所述污泥处理单元中，将所述第二流分成第三流和第四流，所述第三流具有比所述第二流提高的有机物质含量，所述第四流具有比所述第二流降低的有机物质含量。

Description

用于使用生物反应器和膜过滤器处理废物流的方法
本发明涉及用于处理流体含水废物流(fluid aqueous waste stream)的方法和适合于处理流体含水废物流的设备。
废物流的生物处理使用活性生物质(细菌)降解废物流(例如，废水流)中的可生物降解污染物(可生物降解有机物质)。
对于所谓的厌氧处理(无氧气)，厌氧菌(其通常是本领域中已知的)的菌群将污染物基本转换为甲烷和二氧化碳，其最终成为沼气。在厌氧的条件下，由于通常细菌仅将废物中的一小部分可生物降解物质用于细菌生长，因而剩余污泥(surplus sludge)(作为细菌生长的结果的新生物质(细菌))的产量通常相对低。
合适地，可生物降解有机物质的转换在生物反应器中进行，所述生物反应器包含含有生物质、来自废物流的未反应固体和无机反应产物的水性悬液(泥浆或污泥)。
可通过过滤(例如，膜过滤)从获自生物反应器的流体中分离这些生物质、未反应固体和颗粒无机反应产物。可将膜与废物流的生物厌氧处理的组合使用以提高来自废水处理过程的流出物的品质、减少厂房占地面积(plant footprint)并增加有机负荷。耦接到膜分离单元的生物反应器通常称为膜生物反应器。
但是，膜生物反应器的有机负荷率(每时间单位每反应器体积消化的COD的质量，例如kg COD/m3天)通常受到操作和膜单元的过滤能力的限制，特别是由于适用通量和膜污垢的强度。如果在太高的污泥(生物质)浓度下进行生物处理，这将导致膜表面的高浓度极化效应，其导致更高的滤饼层阻力并从而导致膜通量减少或高的操作压力。另外，为了在高固体浓度下操作，必须在膜表面施加更高的剪切应力，其导致更高的操作成本。
DE 10 2004 030 482 A1涉及一种发酵废物(特别是液体肥料)的方法，其中对获自生物反应器的流进行固液预分离步骤，其中该流的悬浮固体含量降低。仅在此之后，对剩余的液体流进行超滤和反渗透。被移除的固体返还到生物反应器。
WO 2005/058764涉及用于对有机废液进行厌氧消化的设备。所述设备包含浓缩器(2)，用于浓缩返回到消化罐的消化污泥(digested sludge)。用于浓缩消化污泥的浓缩器(2)可以是任意一种，只要其能够将消化污泥分离成固体和液体以浓缩污泥即可。在一个具体实施方案(图2)中，所述设备还包含离心浓缩机(7)，用于处理来自消化罐的消化污泥。在该机器中，消化污泥中的矿物成分被优先浓缩。因此，可优先将矿物成分从系统中排出，从而防止矿物固体的积累。特别地，虽然WO 2005/058764涉及使用离心技术并提及优先浓缩和排放矿物含量(即，无机含量)，但是明显该文献的图2未公开用于以下方法的设备，其中从消化罐获得进料，并且其中将所述进料分离成有机物质含量比所述进料高的流和有机物质含量比第二流低的的另一流，其中后者被完全地或部分地供给至消化罐。
在WO 2011/13092A1中，建议通过从分层生物反应器的中部段获取流出物来减少膜的结垢，其中固体浓度比顶部段和底部段中的固体浓度相对较低。因此，在反应器中保持较高的固体浓度，同时向膜分离单元供应较低浓度的流(过滤器进料)。随着时间的推移，这可最大可能地提高每单位膜系统能量输入下的膜通量率。WO 2011/13092A1还使用分离器(例如旋流器)，其中来自反应器的流被分离成较重的固体流和含有生物质的较轻的固体流。含有生物质(有机物质)的较轻的固体流至少部分地返回到生物反应器。因此，明显的是，该流具有比供给至分离器的流高的有机物质含量。
虽然上文引用的现有技术(特备是WO 2011/13092)可提供超过操作膜生物反应器的更常规方法的优点，例如，结垢倾向降低，需要更少能量来操作过滤单元和/或膜的清洁周期的次数减少，但是仍然需求用于在膜生物反应器中处理废物流的可选的或改进的方法和设备。
特别地，期望具有一个或更多个以下方面的优点的方法：膜生物反应器的整体能量消耗降低，膜污垢减少，膜寿命延长，膜生物反应器的可用性(停机以进行清洁或替换零件之间的时间)提高，通过膜的通量提高，生物反应器性能提高，处理能力提高，处理效率提高，整体资本支出(Capex)降低，整体操作费用(Opex)降低。
本发明的一个目的是提供这样的可选方法或设备，特别是提供了任意本文所述优点的方法或设备。
本发明人意识到某些固体相关参数是密切相关的。
特别地，本发明人意识到有机物质的特定级分与在实施用于处理包含有机物质的废物流的方法时导致或促成问题有关，特别是与在膜过滤的过程中导致或促成问题有关。
更特别地，本发明人意识到过滤器进料中相对小的有机颗粒(例如胶体)和可溶的有机分子在绝对值方面和/或相对于过滤器进料中的总固体浓度方面相对低的丰度也提供了优点。
特别地，本发明人意识到这可通过若干可选方式实现，其各自包括：将已在生物反应器中处理的流体的第一流引导至膜过滤单元并且将正在生物反应器中进行处理或已在生物反应器中处理的流体的第二流引导至污泥处理单元中，在污泥处理单元中，所述第二流被分离成至少两种流(第三流和第四流)。第三流通常是浓缩的污泥，其具有比第二流的流体提高的固体含量；第四流通常是含水液体，通常具有降低的固体含量，特别地，也具有降低的相对小的有机颗粒和可溶性有机化合物的含量。本发明人已经意识到，通过将该第四流(部分地或完全地)返回到生物反应器或将该第四流(部分地或完全地)引导至过滤单元(通常在与第一流混合后)中，可提高过滤器进料和/或生物反应器中的流体的过滤特性，从而克服了或至少缓解了一个或更多个问题(例如上文指出的)。特别地，本发明人发现获得了更容易过滤的过滤器进料。
因此，本发明涉及用于处理包含可生物降解有机物质的流体含水废物流的方法，其包括：
-将所述含水废物流供给至生物反应器，所述生物反应器包含含有生物质的流体；
-在基本厌氧的条件下，使所述可生物降解有机物质与所述生物质在所述生物反应器中反应；
-从所述生物反应器中获取流体的第一流并使用所述第一流作为膜过滤单元的进料(过滤器进料)，在所述膜过滤单元中对所述进料进行过滤，从而形成滤出物流和滞留物流；
-使所述滞留物流完全地或部分地返回到所述生物反应器；
-从所述生物反应器中获取流体的第二流作为污泥处理单元的进料，所述污泥处理单元可设置在所述生物反应器外部或整合在所述生物反应器内，在所述污泥处理单元中，将流体的第二流处理并分离成第三流(其具有比所述第二流提高的有机物质含量)和第四流(其具有比所述第二流降低的有机物质含量)；
-将所述第四流完全地或部分地用于所述膜过滤单元的进料。用于所述过滤器进料的所述第四流(的一部分)通常与待供给至所述膜过滤单元的所述第一流混合。
另外，本发明涉及用于处理包含可生物降解有机物质的流体含水废物流的方法，其包括：
-将所述含水废物流供给至生物反应器中，所述生物反应器包含含有生物质的流体；
-在基本厌氧的条件下，使所述可生物降解有机物质与所述生物质在所述生物反应器中反应；
-从所述生物反应器中获取流体的第一流并使用所述第一流作为膜过滤单元的进料(过滤器进料)，在所述膜过滤单元中对所述进料进行过滤，从而形成滤出物流和滞留物流；
-使所述滞留物流完全地或部分地返回所述生物反应器；
-从所述生物反应器中获取流体的第二流作为污泥处理单元的进料，所述污泥处理单元可设置在所述生物反应器外部或整合在所述生物反应器内，在所述污泥处理单元中，将流体的第二流处理并分离成第三流(其具有比所述第二流提高的有机物质含量)和第四流(其具有比所述第二流降低的有机物质含量)；以及
-将所述第四流完全地或部分地供给至所述生物反应器。
另外，本发明涉及适合于实施根据前述权利要求中任一项的方法的设备，其包含：生物反应器(5)；污泥处理单元(6)，其适合于处理来自所述生物反应器的流体进料流(第二流)并形成具有比所述进料流提高的有机物质含量的流(第三流)和具有比所述进料流降低的有机物质含量的流(第四流)；以及膜过滤单元(7)，
-所述生物反应器(5)包含流体废物流的入口(8、8a)、流体流的出口(12、12a、12b)和气体出口(11)；
-所述污泥处理单元(6)包含源自生物反应器(5)的流体的入口(13)，所述入口(13)与所述生物反应器的流体出口(12、12a、12b)通过导管(2)以允许将流体从所述生物反应器(5)输送到污泥处理单元(6)的方式连接；
-污泥处理单元(6)包含所述第四流的出口(14)和所述第三流的出口(15)；
-膜过滤单元(7)包含流体的入口(16)，所述入口(16)与所述出口(12、12a)以允许将来自所述生物反应器的流体通过导管(1)将来自生物反应器(5)的流体输送到过滤器单元(7)的方式连接；
-膜过滤单元(7)包含滤出物的出口(18)和滞留物的出口(17)，其中过滤单元(7)的滞留物的出口(17)与再循环导管(9)以允许滞留物从过滤单元(7)返回所述生物反应器(5)的方式连接；
-污泥处理单元的第四流的出口(14)与导管(4、4a)以允许将所述第四流优选在通过流体出口(12、12a)与从生物反应器获得的流体混合后、作为过滤器进料(FF)通过入口(16)引入到所述过滤单元中的方式连接，和/或所述污泥处理单元的所述第四流的出口(14)与导管(4、4b)以允许将所述第四流通过相同的入口(8)再循环到所述生物反应器中或通过单独的入口(8b)再循环到所述生物反应器中的方式连接。通常，根据本发明的设备具有取出污泥的污泥出口(3b、103)。为了在生物反应器或所述设备的另外部分中保持期望(恒定)的生物质浓度，这是有利的。
在本发明的方法中，来自膜过滤单元的滤出物通常作为流出物被丢弃，或可在过滤单元的下游以本身已知的方式进行进一步处理。在一个具体实施方案中，从流出物中回收甲烷。这减少了温室气体甲烷向大气的排放。出于安全原因，这也是期望的。适合回收甲烷的方法描述在PCT/NL2011/050840中。
在有机物质(其可包含生物物质，例如碳水化合物、脂肪、蛋白质，但也可包含合成化学品)的厌氧转换中，通常产生甲烷(沼气)。可以以本身已知的方式对甲烷进行进一步处理，例如，可将其在任选纯化后用作能源。
另外，一部分有机物质可转换成生物质(细菌)。在所述方法的过程中形成的生物质通常被称为剩余污泥。通常完全地或部分地排放第三流。因此，避免了颗粒(特别是生物质)的不希望的积累。可选地或附加地，可直接从生物反应器排放。
可在污泥处理单元下游以本身已知的方式对排放的第三流或由生物反应器排放的流体进行进一步处理。例如，可在丢弃之前对其进行脱水。原则上，还可使第三流的一部分返回生物反应器。特别地，在有机物质/生物质在设备中的不可接受的积累可能是问题时，将从生物反应器排放剩余污泥(含有有机物质/生物质)。
有利地，本发明提供了一种或更多种以下优点：膜生物反应器的整体能量消耗降低，膜污垢减少，膜寿命延长，膜生物反应器的可用性(停机以进行清洁或替换零件之间的时间)提高，通过膜的通量提高，生物反应器性能提高，处理能力提高，处理效率提高，整体Capex降低，整体Opex降低(关于能量、化学物质)。
通过实施根据本发明的方法，特别可在满意的有机负荷率(kg COD/m3天)、优选提高的有机负荷率下操作膜生物反应器，同时控制膜的结垢。
另外，与其中不在污泥处理单元中对第二流进行处理的方法相比，所述方法还可以有助于避免不能够被厌氧菌降解的固体(例如无机颗粒)的积累或降低其含量。特别地，认为降低至少2重量％、优选至少10重量％、特别是20重量％至90重量％、更特别是30重量％至50重量％是可行的。
特别地，本发明人考虑到，在根据现有技术的方法中，向膜过滤单元供给相对小的颗粒有机物质和可溶有机物质与总悬浮固体(TSS)颗粒的重量-重量比率(其可表示为gCOD/g TSS)相对高的进料，可导致膜污垢增加，除非采取特定措施，例如增加化学清洗和回洗频率或者在更高横流速度下操作(其将提高操作成本)。
另外，本发明人考虑到，在现有技术中采取的措施至少在一些情况下可有促使形成额外的相对小尺寸的有机颗粒(例如，胶体固体)和相对大的可溶有机分子(例如，如果存在的可溶生物聚合物)(由于高应力以及大颗粒和细菌的崩解)，从而能够降低这样的措施的有利效果。相对高浓度的这样的有机颗粒和可溶有机分子可导致根据本发明的设备(用于进行所述方法)的可用性降低，或甚至膜寿命的降低(由于渗透到膜的多孔结构中从而可能被卡在那里)。
特别地，本发明人考虑到，有机可溶物质和尺寸小于20μm的胶体物质的存在可能促成不利效果，例如膜污垢。
预期在根据本发明的方法中，可避免或至少降低这样的不利效果。
另外，认为根据本发明的方法的有利之处在于降低了过滤器膜上膜堵塞或结垢的风险或程度，如可至少部分地由过滤器膜的进料中存在的矿物颗粒(例如，鸟粪石)造成。
图1和2示意性示出了根据本发明的设备，在所述设备中可实施根据本发明的方法。
除非另有说明，否则本文使用的术语“或”定义为“和/或”。
本文使用的术语“一个”或“一种”定为“至少一个/一种”，除非另有说明。
当提到单数的名词(例如，化合物、添加剂等)时，旨在包含复数。
本文使用的“可生物降解有机物质”为可以在基本厌氧的条件下被反应器中的生物质转换成有机物质，特别是生物质或甲烷的有机物质。
本文中使用的“有机物质”是在化学上可氧化的任意有机物质，例如可通过ISO6060:1989中描述的化学需氧量(COD)测试确定。有机物质的含量通常以g COD表示，即氧化所述有机物质所消耗的氧气克数。
除非另有说明，否则有机物质的含量(浓度)是每体积单位有机物质的量，表示为gCOD/l。
流体中的总固体(TS)由水以外的流体成分组成。总固体中有机物质的分数可通过COD测试确定。特别地，以下“燃烧试验”通常也是合适的：将已知量的流体在105℃下干燥至恒重，确定干样品的重量。残余重量是总固体(TS)。因此，TS测量值除了有机物质之外还可包含无机物质。为了区分有机物质和无机物质，将样品在550℃下燃烧，有机物质被烧掉，样品残余物由一种或更多种无机物质组成。燃烧试验通常是COD测试的实用的选择。流体中的“总悬浮固体”(TSS)由流体的固体部分组成，其通过如下方法获得：使用1.6μm过滤器(死端过滤)过滤已知量或体积的流体，获取滞留物，用蒸馏水洗涤所述滞留物，干燥经洗涤的滞留物并且确定残余干重。因此，TSS除了有机物质之外还可包含无机物质。为了区分有机物质和无机物质，将样品在550℃下燃烧，全部有机物质被烧掉，样品残余物由无机物质构成。燃烧试验通常是COD测试的实用的选择。
确定的体积(例如，实施所述方法的设备的单元，特别是生物反应器)中物质的平均含量是物质的总量除以所述确定的体积，例如，生物反应器中的平均总固体含量是生物反应器中固体的总重量除以流体的体积。
本文中使用术语“胶体”是指在17500G离心后保留在流体相中(通常颗粒小于20μm)并且在过滤时无法通过0.45μm过滤器的物质。
使用术语“可溶物质”或“可溶物”是指除水以外通过0.45μm过滤器作为滤液的一部分的物质。可溶有机物含量通过测量通过0.45μm过滤器的COD浓度来确定。
使用术语“总颗粒固体”或“总颗粒”是指未落入“可溶物质”的定义的全部固体，即，粒径为至少0.45μm的固体。
本文使用的“过滤器进料”(图中的FF)是在膜过滤单元中进行过滤的流体流。其通常包含第一流。另外，在一个有利实施方案中，其包含第四流(或第四流的一部分)，在将第四流用作过滤器进料的一个实施方案中，所述第四流通常与第一流混合之后过滤。
原则上，待处理废物流可以是包含在厌氧条件下可生物降解的有机物质的任意含水废物流。特别地，所述废物流可选自：城市废水流、工业废水流、污水流、来自发酵工艺的含水废物流(例如，残余发酵液)、含水泥浆和含水污泥。
生物反应器可以以本身已知的方式操作。通常，生物反应器中的平均总悬浮固体含量(TSS)至少在根据本发明进行处理的过程中为至少5g/l，特别为8g/l至60g/l，更特别为8g/l至45g/l，更特别为10g/l至35g/l。特别有利的是，根据本发明的方法可在相对高的总固体浓度，特别是在相对高的总悬浮固体浓度下进行操作，同时保持一个或更多个优点(例如上文提到的)。优选地，平均TSS为至少15g/l，更特别地为至少20g/l，至少25g/l或至少30g/l。
特别地，生物反应器可以是混合反应器。
在一个具体实施方案中，反应器是具有分层流体区域(或区)的反应器(通常为混合反应器)，其包括上部区域、中部区域和下部区域。这样的反应器可根据例如PCT/US11/32293的公开内容，其内容通过引用并入本文，特别是图1和[0020]至[0023]段。从上部区域到中部区域到下部区域，固体含量定量变化(TSS含量不同)和/或定性变化(重/轻固体的分数不同，粗/细固体的分数不同)。特别地，与第二区域相比，第一区域可具有相对高浓度的重固体(高密度固体)，而相对低浓度的轻固体(低密度固体)。更特别地，反应器被设计成满足以下条件：相对重和相对大的固体倾向于沉积在反应器的下部区域(底部)。相对细或相对轻的固体倾向于漂浮到上部区域(在顶部处或接近顶部)。反应器的中间区域优选地满足以下标准中至少一条：
-中部区域中的TSS(可测量)少于至少下部区域，任选地还少于上部区域；
-反应器中部区域中的细和/或轻固体(可测量)少于上部区域；
-反应器中部区域中的粗和/或细固体(可测量)少于底部区域。在本实施方案和本申请的一般公开的背景下，术语“重”和“轻”、“细”和“粗”分别为明确的比较术语。
污泥处理单元可选自用于将包含固体的流体分离成固体含量降低的级分和固体含量升高的级分的本身已知的设备。污泥处理单元可特别地选自：旋流器(特别是水力旋流器)；螺旋冲压机；涡旋轴向分离器；滚筒筛；沉淀器；倾析器；电脱水装置；电渗透装置；电凝结装置；以及在比第一生物反应器低的总颗粒固体含量下操作的另外的生物反应器。因此，在污泥处理装置中的处理可特别地包括将所述流分离成固体含量降低的级分和固体含量升高的级分，所述分离选自：旋流分离(特别是水力旋流分离)；螺旋冲压；涡旋轴向分离；滚筒筛分离；沉淀；倾析；电脱水；电渗透；电凝结；以及在比第一生物反应器低的总颗粒固体含量下操作的生物反应器(特别地在厌氧条件下)中转换有机物质。一个或更多个污泥处理单元优选地适于除去胶体物质，特别是有机胶体物质。
在一个有利实施方案中，在将第二流供给至污泥处理单元之前将絮凝或凝结添加剂添加到第二流中或添加到污泥处理单元内，从而使所述流中的有机物质絮凝或凝结。在另一个有利的实施方案中，将絮凝或凝结添加剂添加到第四流中，随后优选地对所述第四流实施除去絮凝/凝结颗粒的步骤。絮凝或凝结添加剂以及合适的条件本身是本领域中已知的。合适的絮凝或凝结添加剂的实例是：无机金属盐凝结剂，例如氯化铁；氧化物(oxyde)/氢氧化物基凝结剂，例如石灰；以及聚合物凝结剂/絮凝剂，例如聚合电解质。这样的处理特别有利于降低可溶有机物质加小颗粒物质的含量。优选地，实施絮凝或凝结，从而使有机物质和尺寸小于20μm的胶体有机物质絮凝、或形成尺寸大于20μm的凝结颗粒(絮凝或凝结)。
另外，可使用吸附剂以除去有机物质，特别是胶体物质。其实例是活性炭和吸附树脂，例如离子交换树脂。然后可以以本身已知的方式(例如使用转筒筛)适当地除去粘附了有机物质的吸附剂。利用吸附剂的处理特别适于处理第四流(在污泥处理单元6中获得)或第二流。
膜过滤单元可选自本领域中已知的膜过滤器，例如本领域中已知的用于处理获自其中添加有含水废物流的厌氧生物反应器的流体的那些膜过滤器。通常，过滤膜是用于微滤的膜或用于超滤的膜。可根据需要选择孔径。孔径的下限可以为例如小至约0.01μm。优选地，孔径在0.03μm至0.8μm的范围，特别是0.1μm至0.5μm的范围。特别地，膜过滤单元可包括管状过滤膜、(平)板过滤膜或中空纤维过滤膜。合适的膜通常是本领域中公知的。特别合适的是横流膜过滤单元。横流膜过滤单元通常在至少0.2m/秒的平均横流速度下操作。优选地，其在5m/秒或更低的平均横流速度下操作，特别是在0.5m/秒至2.5m/秒或更低的平均横流速度下操作。通常使用泵、气举技术或这二者的组合产生横流。有利地，将生物气体体注入到管式过滤膜中作为气举技术。这有利于控制膜污垢。通常，当仅使用气举技术产生横流时，横流速度为约1m/秒或更低。
膜过滤单元包含滞留物的出口。该出口通常是包含再循环导管的再循环回路的一部分，该再循环回路用于使滞留物返回生物反应器。可在再循环回路中提供用于促进再循环流的气举。再循环回路可包含捷径(short-cut)导管，用于使一部分滞留物直接返回过滤单元，从而绕过生物反应器。
在一个具体的实施方案中，膜过滤单元包括在其中引入过滤器进料的膜槽，所述膜槽包含待过滤的流体和浸在待过滤流体中的平板膜或中空纤维膜。在这种情况下，优选地在过滤过程中使用沼气冲刷膜。
在一个具体的实施方案中，膜过滤单元浸在生物反应器中。在这种情况下，第四流通常返回到反应器中。
根据本发明，获自生物反应器的流体的一部分(第一流)绕过污泥处理单元并被用作在膜过滤单元中过滤的进料。因此，第一流被特征性地用作待在膜过滤单元中过滤的进料而没有进行过预分离步骤，在所述预分离中，TS含量通过移除固体而(大幅)降低。通常，将第一流直接供给到过滤单元中，或者将第一流用水或具有比第一流更低的TS含量的含水液体稀释，然后引入到过滤单元中，而不进行从所述流中除去固体的分离步骤。
获自生物反应器的流体的另一部分(第二流)在污泥处理单元中进行处理。
将来自污泥处理单元的流中之一(第四流)返回生物反应器或者也将其用作在膜处理单元中过滤的进料。
使获自生物反应器的一部分流体流绕过污泥处理单元的处理、提供了优于将获自生物反应器的全部流体都在污泥处理单元中进行处理的优点，特别在于利用具有相对低容量(因此相对小单元)的污泥处理单元可取得好的结果。
第四流的含水量，作为(经测定体积的)所述流的总重量的重量百分比，通常高于生物反应器中的流体和第一流的含水量。原则上，第四流可基本至少不含颗粒有机物质，或甚至基本不含任何颗粒物质，尽管所述方法也可在依然存在大浓度的颗粒物质、特别是颗粒有机物质的情况下实施。因此，第四流中的有机物质含量通常低于反应器中的平均有机物质含量和第一流中的有机物质含量。特别地，可溶有机物质和相对小的颗粒(例如，胶体颗粒)的含量也降低。因此，当第四流与第一流混合时，其通常可用作稀释水从而形成过滤器进料，或用作生物反应器中流体的稀释水。因此，可在无外部稀释水供应的情况下适当地实施根据本发明的方法。预期第四流作为稀释水的两个用途可有助于膜过滤方面的优点。例如，在根据本发明的方法中，利用第四流减少生物反应器中的有机胶体和可溶物质通常也对第一流中可溶有机物质和小颗粒有机物质的含量具有期望的效果。如需要，通过再循环第三流的一部分来保持反应器中的生物质浓度。
若需要，对第四流进行附加的步骤以降低第四流中胶体含量，例如，使用其上吸附胶体的胶体吸附剂，或者如下步骤：在该步骤中使胶体利用凝结或絮凝步骤变为较大的(非胶体)颗粒、后接分离步骤来降低该胶体含量。在其中第四流(的一部分)返回生物反应器的实施方案中，认为在第四流中使用凝结剂或絮凝剂特别有利。预期带入生物反应器中的任何(过量)絮凝剂或凝结剂可有助于降低生物反应器中的胶体含量。还可以对第四流进行一种或更多种其他处理，例如电处理或臭氧处理，其有助于将有机胶体颗粒溶解成溶解的有机物质。
第一流和/或第二流可有利地获自反应器的一部分，其中与反应器中的平均含量相比，TSS含量或有机可溶物质和粒径小于20μm的胶体物质的含量相对低。
通常选择第一流和第二流的比率以便为过滤器进料或生物反应器中的流体提供如下文中将进一步具体描述的期望的总固体含量、期望的总悬浮固体含量、期望的总颗粒固体含量、期望的可溶有机物质加尺寸小于20μm的颗粒有机物质含量，或者任意这些参数的比率。
第一流和第二流的比率(体积/体积)通常在1:2至50:1的范围内，特别为至少1:1，更特别为至少4:1，例如约7:3或更高。在一个具体实施方案中，所述比率为19:1或更低。优选比率取决于有机物质相关参数，例如第一流中TSS或总可溶物和小颗粒(大小<20μm)含量，以及过滤器进料中期望的有机物质相关参数。
在本发明的方法中，有利地将第二流分成第三流和第四流，从而获得第四流，所述第四流具有比第二流中可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的含量低的可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的含量。所述降低可特别地在0.1％至90％的范围内，更特别是0.1％至30％的范围内。在一个优选实施方案中，所述降低为至少1％，特别是至少5％。
这可特别地通过对第二流进行凝结/絮凝步骤然后对所述流进行基于尺寸的分离步骤如过滤步骤、倾析、离心、沉淀、在水力旋流器中处理来实现。
还可对第二流进行使用电脱水或电凝结以使水分离于有机物质的分离步骤。
所得第四流特别适于与第一流一起用作过滤器进料。
通常，第四流中可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的含量小于12gCOD/l，特别为10g COD/l或更低，优选5g COD/l或更低、更优选小于3g COD/l，特别地小于1g COD/l，更特别地小于0.5COD g/l。第四流可基本不含有机物质。在实践中，其可能依然包含一些可溶有机物质加尺寸小于20μm的颗粒有机物质，例如约0.01g COD/l或更多，特别是约0.1g COD/l或更多。
在一个有利方法中，可溶有机物质加尺寸小于20μm的有机颗粒物质的总含量比生物反应器中总平均悬浮固体含量降低至少2重量％，优选至少10重量％，特别地20重量％至90重量％。
过滤器进料中总悬浮固体(TSS)的基于重量的浓度通常为5g/l至50g/l，前提条件是过滤器进料中的TSS含量通常小于生物反应器中的平均TSS含量。优选地，过滤器进料中的TSS浓度为35g/l或更低，更优选30g/l或更低，或25g/l或更低。特别对于侧流膜(side-stream membrane)过滤器，浓度优选为15至25g/l。对于浸入式膜(immersed membrane)，可有利地将浓度选择为5-15g/l。
膜过滤单元的过滤器进料(过滤器进料，第一流加任选地第四流或其一部分)中可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的含量优选地小于12g COD/l，特别地小于10gCOD/l，更特别地为5g COD/l或更低，更特别地为1g COD/l或更低。下限没有特别限制。所述含量可以为例如约0.1g/l或更高。
过滤器进料中可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的总含量(g COD/l)与生物反应器中总平均悬浮固体含量(g/l)的比率通常最大为0.40g COD/g TSS，优选0.1gCOD/g TSS至0.30g COD/g TSS，特别地0.5COD/g TSS至0.15COD/g TSS。
在一个具体实施方案中，过滤器进料中可溶有机物质加尺寸小于1.6μm的颗粒有机物质的含量相对低，特别地其含量小于9g COD/l，优选地小于4g COD/l，特别为0.9gCOD/l或更低。认为有机物质的该分数特别有助于不期望的效果，例如过滤膜的结垢。
在一个有利方法中，前往膜单元的过滤器进料中可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质(表示为g COD/l)与总悬浮固体(表示为g TSS/l)的重量-重量比率小于0.80g COD/g TSS，特别地小于0.50gCOD/g TSS。该比率为0或更高；在实践中，该比率通常为0.001或更高，特别地为0.005或更高。对于侧流过滤膜，特别有利地是所述比率小于0.50g COD/g TSS或小于0.25g COD/g TSS。对于浸入式膜，可能有利地是所述比率为0.75gCOD/g TSS，或低于0.5g COD/g TSS。
根据本发明的方法适于在根据本发明的设备中实施。图1示意性示出了这样的设备。标准项如泵、阀等未示出。根据公知常识和本文披露的信息，本领域技术人员能够确定何处需要或期望它们。
所述设备包含：生物反应器(5)；污泥处理单元(6)，其适合于将来自生物反应器的流体流(第二流)分离成有机物质被浓缩的流(第三流)和包含较少有机物质的流(第四流)；以及膜过滤单元(7)。
所述生物反应器可以是适合于对含水废物流进行厌氧处理的任意类型的生物反应器。所述生物反应器包含至少一个用于流体流(用于第一流和用于第二流)的出口(12、12a、12b)。通常还存在沼气的出口(11)。在图1中，还示出了流体废物流的入口(8、8a)。对于其他流，例如来自污泥处理单元(6)的第四流、由膜过滤单元(7)再循环的滞留物，可使用该入口或设置单独的入口。还设置了(沼)气的出口(11)。沼气可以以本身已知的方式进行进一步处理(例如，燃烧、纯化)。
污泥处理单元(6)包含用于源自生物反应器(5)的流体的入口(13)，所述入口(13)与生物反应器的流体的出口(12、12a、12b)通过导管(2)以允许将流体从生物反应器(5)输送到污泥处理单元(6)的方式连接
污泥处理单元(6)包含第四流的出口(14)和第三流的出口(15)。
膜过滤单元(7)包含流体入口(16)，所述入口(16)与出口(12、12a)以允许将来自生物反应器的流体通过导管(1)从生物反应器(5)将流体输送到过滤器单元(7)的方式连接。
膜过滤单元(7)包含滤出物的出口(18)和滞留物的出口(17)，其中过滤单元(7)的滞留物的出口(17)与再循环导管(9)以允许滞留物从过滤单元(7)返回生物反应器(5)的方式连接。若需要，可提供旁路(19)，通过所述旁路，滞留物可直接返回过滤单元。可使所有滞留物返回反应器。但是，也可提供使滞留物的一部分再循环到第一流/过滤器进料中的设备。同样，可提供丢弃滞留物的装置。
在图1中，污泥处理单元的第四流的出口(14)与导管(4、4a)以允许将第四流优选在通过流体出口(12、12a)与获自生物反应器的流体混合后、作为过滤器进料(FF)通过入口(16)引入到过滤单元中的方式连接。任选地，污泥处理单元的第四流的出口(14)还与导管(4、4b)以允许将第四流通过相同的入口(8)再循环到生物反应器中或通过单独的入口(8b)再循环到生物反应器中的方式连接。
可使用来自污泥处理单元的第三流的出口(15)以从设备中丢弃第三流(3、3b)，或者可向生物反应器第三流提供再循环导管(3a)。至少在后一种情况下，如需要，生物反应器通常包含丢弃来自生物反应器的内容物(剩余污泥)的出口，以防止生物质的不可接受的累积。该出口未示出在图1中。
图2示出了本发明的另一个设备。该设备在很大程度上与图1中示出的设备相对应。在该实施方案中，污泥处理单元的第四流的出口(14)与导管(4、4b)以允许将第四流通过与废物流相同的入口(8)再循环到生物反应器中或通过单独的入口(8b)再循环到生物反应器中的方式连接。
图3示出了本发明的又一个设备。
该设备还可包含另外的处理单元(未示出)，例如上文所述用于凝结/絮凝处理的单元。这样的单元有利地设置在生物反应器(5)和污泥处理单元(6)之间，适于允许向第二流添加凝结剂/絮凝剂并且进一步将如此处理的第二流供给至污泥处理单元，在污泥处理单元中形成第三流和第四流。
在图1和图2中，污泥处理单元是在生物反应器外部的外部装置。也可使用将污泥处理单元整合在生物反应器中的设备。在这样的实施方案中，在生物反应器中的污泥处理单元中对生物反应器的流体进行分离步骤，其中将所述流体分离成第三流和第四流，其中第四流的可溶性有机物质和小的有机颗粒(尺寸小于20μm的颗粒)与总悬浮固体的重量-重量比率，与被引入到污泥处理单元中的流体(第二流)相比降低，其中将第四流(完全地或部分地)用于降低第一流中的可溶性有机物质和小的有机颗粒(尺寸小于20μm的颗粒)与总悬浮固体的重量-重量比率。第三流(浓缩的污泥)通常被丢弃或返回生物反应器。第四流通常具有降低的总悬浮固体浓度。胶体和可溶(有机)物质含量通常也降低。有利地，将第四流完全地或部分地用于降低第一流中的总悬浮固体浓度。剩余部分通常返回生物反应器。可整合到生物反应器中的污泥处理单元的一个实例是沉淀装置。
图3示出了图1和图2的实施方案的组合，其中“102”表示用于使第二流到达污泥处理单元106(参照图2中的单元6)的导管，“103”相当于图2中第三流的导管3，“104a”相当于图2中第四流的导管4。项108b和113-115分别相当于图2中的项8b和13-15。
现在通过以下实施例来描述本发明
比较例
对于比较试验，持续向生物反应器供给来自生物乙醇设备的小麦稀釜馏物。所述生物反应器是10-L厌氧消化器。在中温条件(mesophilic condition)(37℃±0.5)下操作反应器并持续产生沼气。来自反应器的第一流被输送到侧流管式横向流超滤膜。横流速度保持恒定并以过滤/回洗模式操作膜。所述膜能够回收澄清流出物(滤出物)，滞留物被再循环到反应器中。每日提取污泥(流2)以避免悬浮固体在反应器中的过量积累。反应器以这种结构操作4个月。
实施例1
基于图2配置系统，其中第二流的污泥处理(单元6)包括凝结/絮凝步骤以获得絮凝的污泥。用过滤器(0.300mm)将该污泥分离成浓缩的污泥(第三流)和液体流(第四流)。将具有比第二流少的总悬浮固体和胶体物质以及较低的有机物质含量的第四流返回到反应器中。
对于该试验，使用与参考阶段相同的生物操作条件。
在比较例和实施例1二者中，检查标准特性和污泥过滤特性。结果示出在下表中。
表：污泥过滤性特征
参数 单位 比较例 实施例1 降低(％)
临界通量 L.小时-1.m-2 13 16
TSS g/l 28±0.68 28.7±1.9 --
TCOD g/l 42±3.5 41±4.2 --
CCOD g/l 9.1±0.75 7.5±0.7 17.6％
CCOD/TSS gCOD/gTSS 0.295±0.013 0.255±0.017 13.6％
SCOD Mg/l 3.2±1.3 2.9±0.6 9.4％
SCR (×1012m-1) 3695±430 2794 24.4％
CST S 4240±598 3316±294 21.8％
TSS：总悬浮固体
TCOD：总COD浓度(化学需氧量)
CCOD：可溶&胶体COD(化学需氧量)
SCOD：可溶COD(化学需氧量)
SCR：在0.5巴下测量的比滤饼阻力(根据NF EN 14701-02测量)
CST：利用Triton Electronics Ltd型号304M测量的毛细抽吸时间
结果表明，实施例1和比较例二者的TSS浓度类似，但是在实施例1中，获得了较低的胶体有机物含量(CCOD)和较低的可溶有机物(SCOD)浓度。较低的CCOD浓度对污泥过滤性特征具有直接影响，对于实施例1，观察到了以下现象：
-较低的毛细抽吸时间(该值对应于液体级分在过滤器中扩散并前进1cm的距离所需时间)：与比较例相比，在第一试验中液体级分更容易在膜中扩散。
-较低的比滤饼阻力值(该值对应于在过滤期间形成的滤饼阻力)，因此更容易通过在过滤期间形成的滤饼过滤。
在持续操作中，比较例和实施例1二者使用相同的膜片。但是，为了比较这两种情况下的膜的性能而不受膜的历史的影响，使用新膜片进行临界通量测量。临界通量测量能够确定可操作膜的最佳通量：通量逐渐升高直到观察到不稳定的跨膜压力(高结垢行为)。结果表明，在比较例中，可保持约13L/小时/m2的操作通量，而实施例1可保持16L/小时/m2的操作通量。这清楚地表明，在根据本发明的方法中获得了更好的过滤性能，反应器运行需要更少膜表面和能量。
实施例2
实施例2用于说明基于图1的实施方案(即其中将第四流供给至过滤单元的实施方案)的技术效果。使用与实施例1中相同的污泥处理。
污泥(参考第二流)获自AnMBR中试装置。由该污泥生产具有降低的有机物质含量的液体(参考第四流)(如实施例1中)，然后将所述液体与未处理污泥(参考第一流)以限定比率混合并供给至过滤器中(过滤器进料)。然后确定该混合物的过滤性能并与初始污泥(来自生物反应器)进行比较。
确定来自生物反应器的未处理污泥和混合物(84％来自生物反应器的污泥+16％第四流)的过滤特性。结果示出在下表中。
表：污泥和混合物(84％污泥(第二流)+16％第四流)的过滤特性
结果清楚地说明，将来自生物反应器的污泥与第四流混合导致混合物中TSS和胶体COD降低。由于该降低，实现了30.9％的CST降低，说明混合物更容易过滤。
然后对来自生物反应器的未处理污泥、以及污泥与第四流的混合物进行临界通量测量。在清洗后，利用相同的膜进行临界通量测量。结果表明，污泥和第四流的混合物的临界通量测量更好(14L.小时-1m-2而不是12L.小时-1.m-2)。
这些结果证实，在过滤膜之前将来自生物反应器的污泥和根据本发明获得的具有降低的有机物含量的含水液体混合对于获得更好的膜性能是有利的。

Claims (17)

1.一种用于处理包含可生物降解有机物质的流体含水废物流的方法，其包括：
-将所述含水废物流供给至生物反应器中，所述生物反应器包含含有生物质的流体；
-在厌氧的条件下，使所述可生物降解有机物质与所述生物质在所述生物反应器中反应，从而形成甲烷；
-从所述生物反应器获取流体的第一流并使用所述第一流作为膜过滤单元的进料，即过滤器进料，在所述膜过滤单元中对所述进料进行过滤，从而形成滤出物流和滞留物流；
-将所述滞留物流完全地或部分地返回所述生物反应器；
-从所述生物反应器获取流体的第二流作为污泥处理单元的进料，所述污泥处理单元可设置在所述生物反应器外部或整合在所述生物反应器内，其中在将所述第二流供给至所述污泥处理单元之前将絮凝或凝结添加剂添加到所述第二流中，或者其中将絮凝或凝结添加剂添加到所述污泥处理单元内，从而使所述流中的有机物质絮凝或凝结，在所述污泥处理单元中，将流体的所述第二流分成第三流和第四流，所述第三流具有比所述第二流高的有机物质含量，所述第四流具有比所述第二流低的有机物质含量；
-通常在将待供给至所述膜过滤单元的所述第四流全部或其一部分与待供给至所述膜过滤单元的所述第一流混合之后，将所述第四流完全地或部分地用作所述膜过滤单元的进料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第二流分成所述第三流和所述第四流，从而获得第四流，所述第四流具有比所述第二流中的可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的含量低的可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的含量。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述第四流的可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的含量小于10g COD/l。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述膜过滤单元的所述进料，即过滤器进料中可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的含量小于12g COD/l。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述过滤器进料中可溶有机物质加尺寸小于1.6μm的胶体有机物质的含量小于9g COD/l。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述污泥处理单元包含选自以下的一个或更多个装置：旋流器；螺旋冲压机；涡旋轴向分离器；滚筒筛；沉淀器；倾析器；电脱水装置；电渗透装置；电凝结装置；以及在比第一生物反应器低的总颗粒固体含量下操作的另外的生物反应器。
7.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中可溶有机物质和尺寸小于20μm的胶体有机物质絮凝或凝结以形成尺寸大于20μm的凝结物或絮凝物，所述凝结物或絮凝物利用分离装置除去。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中将絮凝或凝结添加剂添加到所述第四流中，从而使所述流中的有机物质絮凝或凝结。
9.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中对所述第二流或所述第四流进行吸附处理，其中有机物质被吸附剂吸附，其随后从所述流中分离。
10.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中前往所述膜过滤单元的所述进料，即过滤器进料中总悬浮固体的基于重量的浓度为5g/l至50g/l。
11.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述过滤器进料的可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质，表示为g COD/l，相对总悬浮固体，表示为g TSS/l，的重量-重量比率小于0.8。
12.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中与所述生物反应器中的总平均悬浮固体含量相比，进行过滤的所述进料中总悬浮固体含量降低至少2重量％。
13.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中进行过滤的所述进料中可溶有机物质加尺寸小于20μm的胶体有机物质的总含量，表示为gCOD，相对所述生物反应器中总平均悬浮固体含量的比率为0.4或更小。
14.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述生物反应器是混合反应器，所述混合反应器可以是具有分层流体区域的反应器，所述分层流体区域包括上部区域、中部区域和下部区域。
15.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述膜过滤单元是横流膜过滤单元。
16.一种适于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的设备，其包括：生物反应器(5)；污泥处理单元(6)，所述污泥处理单元(6)适合于将来自所述生物反应器的流体流，即第二流，分成具有比来自所述生物反应器的所述流体流更高有机物质含量的流，即第三流，和具有比来自所述生物反应器的所述流体流更低有机物质含量的流，即第四流；以及膜过滤单元(7)，
-所述生物反应器(5)包括流体废物流的入口(8、8a)、流体流的出口(12、12a、12b)和气体的出口(11)；
-所述污泥处理单元(6)包括源自所述生物反应器(5)的流体的入口(13)，所述入口(13)与所述生物反应器的所述流体的出口(12、12a、12b)通过导管(2)连接用于将流体从所述生物反应器(5)输送到所述污泥处理单元(6)；
-所述污泥处理单元(6)包含所述第四流的出口(14)和所述第三流的出口(15)；
所述设备还包括设置在所述生物反应器(5)和所述污泥处理单元(6)之间的用于凝结/絮凝处理的单元，所述用于凝结/絮凝处理的单元适于允许向源自所述生物反应器的流体，即第二流，添加凝结剂/絮凝剂并且进一步将如此处理的流体供给至污泥处理单元；
-所述膜过滤单元(7)包含流体的入口(16)，所述入口(16)与来自所述生物反应器的所述流体的出口(12、12a)通过导管(1)连接以将流体从所述生物反应器(5)输送到所述过滤器单元(7)；
-所述膜过滤单元(7)包括滤出物的出口(18)和滞留物的出口(17)，其中所述过滤单元(7)的所述滞留物的出口(17)与再循环导管(9)连接用于将所述滞留物从过滤单元(7)返回所述生物反应器(5)；
-所述第四流的出口(14)与导管(4、4a)连接用于将所述第四流作为过滤器进料(FF)通过入口(16)引入到所述过滤单元中。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述设备设置有污泥出口(3b、103)以从所述设备提取污泥。
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