CN105813988A - 用于水的生物纯化的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于水的生物纯化的方法，该方法包括：将水通过一个或更多个进口管或进口区导引到反应器内；将水和基质导引通过用于生物膜生长的载体元件，该载体元件具有高的保护表面积(>200m2/m3载体元件)和大的孔隙体积(>60％)；其中一个或更多个膜单元被浸没在反应器中的水中；其中渗透物通过膜的孔隙被抽出反应器；其中含氧气体通过通气系统被供应至反应器中；其中在正常操作期间，在反应器中的水位被维持为低于专门用于过量的污泥除去的一个或更多个出口管或出口区；其中在洗涤操作期间，当在反应器中的水位被临时提高到专门用于过量的污泥除去的出口管或出口区所处的水平时，强湍流被产生用于过量的污泥的除去。

Description

用于水的生物纯化的方法
描述
本发明涉及用于城市废水、工业废水、地表水和地下水在生物反应器中的生物纯化的方法，在所述生物反应器中，水和基质与用于生物膜生长的载体元件接触并且流出水(渗透物)通过在浸没式膜单元中的膜过滤出来，所述浸没式膜单元被置于其中保持载体元件的生物反应器中。
该工艺可被安排用于城市废水、工业废水、地表水和地下水的好氧纯化(aerobicpurification)。该工艺基于下述的原理：生物质在用于生物膜生长的形成的载体元件上被建立。载体元件借助于筛被保持在反应器中适当位置。载体元件在生物反应器中与膜表面接触。具有低浊度的渗透物采用浸没式膜过滤系统被抽出生物反应器，所述浸没式膜过滤系统包含由无机材料(陶瓷的或金属的)或聚合物材料制成的膜，这允许渗透物被再利用。通过通气设备提供含氧的气泡，所述通气设备被置于生物反应器的底部，优选地正好在膜元件的下方。气泡用于若干目的，包括提供用于微生物生长的作为电子受体的氧气，使载体元件和在生物反应器中的其他悬浮颗粒移动以及冲刷掉在膜表面上的沉积物。
背景
生物处理工艺
已知许多用于水的机械纯化、化学纯化和生物纯化的方法。生物纯化要求微生物的培养物在水中进行材料的期望的转变。生物纯化在很大程度上与机械纯化方法和化学纯化方法组合。
生物纯化常常被用于污染的水的纯化。传统上，生物纯化已经完全主导有机材料的除去，并且近年来，生物纯化还已经变得主导氮的除去(硝化、脱氮、厌氧氨氧化)，且相对常用于磷的除去(生物除磷(bio-Premoval))。
人们在好氧、缺氧和厌氧生物工艺之间作区分。在好氧工艺中，微生物需要分子氧作为电子受体。对于缺氧工艺，人们依赖于分子氧的不存在并且微生物将使用硝酸盐作为电子受体。对于氮的生物除去，人们将使铵氧化为硝酸盐的好氧工艺与还原硝酸盐为分子氮气体的缺氧工艺组合。对于生物除磷，微生物必须交替地暴露于厌氧(没有氧或硝酸盐)环境和好氧环境，以便触发在厌氧生物反应器中的磷释放和在好氧生物反应器中的超量吸磷。真正的厌氧工艺在氧和硝酸盐不存在下发生并且特征在于在水中的有机材料既是电子供体又是电子受体。厌氧工艺对于有机物质的高浓度工业排放是最相关的并且在完全分解中，终产物将是甲烷和二氧化碳的混合物(生物气)。
对于生物纯化人们需要的微生物可以大体上被悬浮于生物反应器中的水相中，或被附接于生物反应器的表面。采用悬浮的微生物的工艺被称为活化污泥工艺。在活化污泥工艺中的微生物必须能够形成絮状物，该絮状物在下游反应器中与水分离并且被返回至生物反应器。可选择地，悬浮的微生物可以在生物反应器中被保持在适当位置，因为纯化的水经由具有孔隙开口的膜从生物反应器被排出，该孔隙开口如此小以致微生物被阻挡在生物反应器中。这被称为膜生物反应器(MBR)工艺。
其中微生物被附接于表面的工艺被称为生物膜工艺。用于纯化水的生物膜工艺的实例是滴滤池、浸没式生物滤池、移动床工艺和流化床工艺。浸没式生物滤池包括具有相对开放的塑料的载体介质的过滤器和具有小直径的载体介质的过滤器(砂、陶粒球(Lecaball)、小聚苯乙烯球)二者。具有小直径的载体介质的浸没式生物滤池将相对快地被生物污泥(biosludge)堵塞并且必须定期地从操作中被取出用于反冲洗和污泥的除去。具有被保持静卧的开放的载体介质的浸没式生物滤池可以采用水的连续供应被操作持续相对长的时间，但是经验显示，即使具有大载体介质和开放的结构的过滤器也将在一段时间后被堵塞。因为在生物膜工艺中的微生物在生物反应器中被固定在载体材料的表面上，生物膜工艺自身独立于下游污泥分离。
采用悬浮的微生物的工艺与采用固定的微生物的工艺在相同的生物反应器中的组合被称为IFAS(整合的固定膜和活化污泥(integratedfixedfilmandactivatedsludge))工艺。IFAS已经包含与具有开放的载体介质的浸没式生物滤池或移动床工艺组合的活化污泥。
在全球基础上，存在采用悬浮的微生物的明显地更多的生物纯化厂，但是生物膜工艺变得越来越流行。对于此的原因中的一些是活化污泥工艺具有许多缺点。其经常难以对污泥分离保持控制。这可导致污泥的大量损失并且在最坏的情况下，生物工艺崩溃，以及对于接收器的相关的后果。另一个缺点是，常规的活化污泥工艺对于反应器和对于在沉降池中的污泥分离二者都需要很大的容积。然而，采用常规的活化污泥工艺的优点是，水在开放的反应器中被处理，在开放的反应器中不存在反应器变得阻塞的风险。
传统的滴滤池是首先被用于废水的纯化的生物膜工艺。最初，滴滤池被填充有石头，但是现代滴滤池被填充有具有生物膜在其上生长的较大表面积的塑料材料。现代滴滤池是相对高的。水被泵送至滴滤池的顶部并且在整个表面上被均匀分布。氧的供应通过自然通风发生。难以在滴滤池中调节水的量、物质的负荷和氧的自然供应以使得一切最佳地运行。相对常见的是，在滴滤池的上部中的生物膜未得到足够的氧。因此，滴滤池通常具有较低的转化速率并且需要比其他生物膜工艺更大的反应器容积。为了避免变得堵塞，生物膜介质必须是相对开放的并且生物膜比面积(m2生物膜每m3反应器容积)变得相对小。这还有助于增加的反应器容积。即使采用开放的生物膜介质，在滴滤池中的堵塞和通道形成也是众所周知的问题，该问题可以被保持在控制下，因为人们确保滴滤池的每个部分都重复地经受水力负荷，该水力负荷是足够大的以将颗粒物质和变松的生物膜冲洗出滴滤池。在许多情况下，这意味着人们必须使水在滴滤池上再循环。在很多米的高度下，用于泵送的能量成本可能是巨大的。
浸没式生物滤池可以使用相对开放的生物膜介质，与现代滴滤池大体上相同的类型的塑料材料。塑料材料是静止的、浸没在反应器中并且氧气经由在反应器的底部的扩散通气机(diffuseraerator)被供应。采用此类型的浸没式生物滤池的问题是来自生物质的生长和通道的形成的堵塞。水和空气采取具有最小阻力的路径并且在通气的反应器中形成其中生物质积聚的区，导致厌氧条件。另一个缺点是人们无法到达在静止的生物膜介质下方的通气机。为了维护和替换通气机，人们必须首先从反应器中移除生物膜介质。
采用具有小直径的载体介质(砂、陶粒球和小聚苯乙烯球)的浸没式生物滤池具有很大的生物膜表面积。载体介质在正常操作期间是静止的，但是此类型的滤池将被生物污泥堵塞并且必须定期地从操作中被取出用于反冲洗和污泥的除去。该工艺对在废水中的颗粒敏感并且对于具有很多悬浮物质的废水，在每次冲洗之间的操作周期变得很短。因为用于冲洗和将通气机置于反应器的底部的装配，这些类型的生物膜反应器的建造是复杂的。对于此类型的生物膜反应器的常见名称是BAF(曝气生物滤池(biologicalaeratedfilter))并且最熟知的商标名称是Biostyr、Biocarbone和Biofor。
在移动床反应器中，生物膜在反应器中自由地四处飘动的载体材料上生长。载体材料是泡沫橡胶或塑料的小元件。使用泡沫橡胶块(foamrubberpiece)的工艺以名称Captor和Linpor为人所知。采用泡沫橡胶块的缺点是，生物膜有效面积太小，因为在泡沫橡胶块的外部上的生长堵塞孔隙并且防止基质和氧气进入泡沫橡胶块的内部部分。此外，人们必须使用防止泡沫橡胶块离开反应器的筛并且人们必须具有定期地将泡沫橡胶块泵送远离筛以防止这些阻塞的系统。因此，很少采用泡沫橡胶作为载体材料的工厂被建立。
然而，近年来，一系列采用移动床工艺的纯化工厂已经被建立，其中载体材料是塑料的小块。塑料的块通常在整个水体积中被均匀分布并且在实践中，人们在具有多达约67％的生物膜介质的填充度下操作。筛将塑料块保持在反应器中的适当位置。反应器连续操作而无需反冲洗。重要的是，必须存在所产生的污泥的稳定流至随后的分离工艺，使得颗粒负荷变得比对于活化污泥的分离小得多。还指出的是，这是连续工艺，与采用定期反冲洗的生物滤池工艺相对照。该工艺关于生物反应器的形状是非常灵活的。生物膜比表面积高于对于滴滤池的，但是明显小于在BAF工艺中的。然而，基于总体积，当考虑在BAF工艺中对于滤床的膨胀和对于冲洗水储器所需的额外的体积时，采用小塑料块的载体材料的移动床工艺已被发现与BAF工艺一样高效。采用小塑料块作为载体材料的移动床工艺的供应商的实例是KrügerKaldnes、Infilco、Degremont、BiowaterTechnology和Aqwisesystems。
近来，新的生物膜工艺，即连续流动间歇清洁(CFIC)工艺，已被BiowaterTechnology开发。CFIC包括在反应器中很少发生载体的移动的程度(典型地大于90％填充度)上的高度压紧的塑料载体。采用这样的配置，当废水以栓塞流的方式穿过反应器时，高的碳和营养素梯度在生物膜内侧产生，这导致比在移动床生物膜反应器中更好的基质传递。在通气的CFIC反应器中，氧传递效率(oxygentransferefficiency)将被改善，因为气泡将必须行进经过高度压紧的载体(highlypackedcarrier)，从而在气泡到达反应器表面之前产生长的保留时间和路径。高度压紧的载体还可以充当“滤池”以减少处理过的水中的固体浓度并且因此降低至随后的分离工艺的颗粒负荷，并且甚至在某些情况下，没有经历分离阶段的CFIC流出物的直接排放变得可行。通过用流入的废水升高水体积(降低的载体压紧程度)和提供强湍流以定期向前流动洗涤来除去在反应器中的过量的生物污泥。在洗涤期间包含高浓度的颗粒的流出水可以在小的分离单元中处理，例如污泥增稠器或细微筛滤池(finemicrosievefilter)。该工艺关于生物反应器的形状是非常灵活的。生物膜比表面积高于对于移动床生物膜反应器的，导致较小的反应器占地面积(footprint)。
废水再利用工艺
随着对水资源的增加的世界范围的压力，二级和三级处理的废水用于灌溉、农业和工业工艺用水、以及用于间接的且甚至直接的饮用水供应的再循环和再利用正在获得动力。在二级处理中，生物处理和化学工艺被用于除去大部分的有机物质。分离工艺，例如沉降和溶解气体浮选(dissolvedairflotation)，通常也被包括在二级处理中。来自二级处理工艺的流出物包含悬浮的残余物和胶状的颗粒物质，其可能需要在三级工艺中的进一步除去。最常用的三级处理工艺是深层过滤(depthfiltration)、表面过滤和膜过滤。当前，对于其中需要生物处理的废水再利用，主要三种技术的组合在世界范围内被使用：1)采用分离工艺随后深层过滤或表面过滤的生物处理；2)采用分离工艺随后膜过滤的生物处理和3)膜生物反应器(MBR)工艺。在水的再利用之前，三级流出物通常经历消毒阶段。如果目标是饮用水(间接的和直接的二者)则必须使用反渗透(RO)膜。
深层过滤是用于饮用水的处理的最古老的工艺之一并且是用于废水再利用的二级流出物过滤的最常用的方法。在深层过滤中通常使用砂、无烟煤和合成纤维。堵塞是深层过滤工艺具有的最常见的问题。过滤器必须定期地脱机取出用于反冲洗以防止堵塞。近来，连续操作的深层过滤工艺，例如Dynasand工艺，已经在废水再利用应用中变得比那些半连续工艺更流行。
表面过滤是使用织物材料作为过滤介质的过滤类型，所述织物材料例如布、纺织金属织物(wovenmetalfabrics)和多种合成材料。膜过滤也是表面过滤的类型。
采用常规的深层过滤和表面过滤，浊度突破是在废水再利用应用中的利益相关者的最常见的关注。虽然常规的过滤典型地具有初始低资金成本，但在化学品消耗和介质更换方面的操作成本可能高于用于膜过滤的。如果RO工艺在下游中被用于进一步的水纯化，则常规的过滤通常不能提供高质量的进料水(低淤泥密度指数，SDI)至RO，导致RO工艺的劣化的性能。
基于膜孔隙的尺寸，膜过滤可以被分类为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。在三级废水处理中，MF和UF通常被用于在二级生物处理之后的颗粒分离。关于膜，实质上存在两种基本的流动模式：从外到内和从内到外。在其中TSS和浊度在进料水中通常是高的大部分的废水应用中，从外到内是更常用的。关于膜模块使用两种工艺配置：加压式和浸没式，并且两种配置都是废水再利用应用中常见的。
采用二次澄清随后MF或UF的活化污泥已经在世界范围内被广泛用于新的废水处理厂并且更常用于升级现有的活化污泥厂以用于再利用。在该工艺中，膜过滤阶段(MF或UF)与活化污泥阶段通过二级流出物储罐被分开。
膜生物反应器(MBR)通过将生物处理与UF或MF膜分离组合在一个单元中提供对活化污泥随后MF或UF的可选择方案。MBR技术中的一些使用与用于三级处理的那些相同的膜以及甚至膜设备。更常见地，膜和模块形式(moduleformat)关于MBR要求被特别地设计。虽然交叉流动的侧流MBR对于小规模工业废水处理和再利用不是不常见，但是以平坦片材形式(flatsheetformat)或以中空纤维形式的浸没式MBR在城市废水应用和工业废水应用二者中都是占主导的。
MBR工艺的主要优点之一是其消除二次澄清单元，这显著减少了生物处理厂的总占地面积。污泥膨胀(sludgebulking)问题与MBR工艺不太相关。另一个优点是，在不损失流出物中的生物质的情况下，人们可以将MBR中的生物质浓度升高至在典型的活化污泥厂中不能获得的水平。因此，采用MBR可以获得另外的占地面积减少。该工艺的缺点是其仍是成本高的且需要能量的。两个设计方面导致MBR中的高能量要求。一个是在浸没式MBR中，粗的气泡空气冲刷总是被用于减少在膜表面上的固体沉积物。另一方面是，高内部再循环流动(典型地进料水流动速率的3-6倍)被用于降低膜所位于的区与生物反应器的其余部分之间的污泥浓度差。
MB-MBR(移动床膜生物反应器)是混合系统，其中在移动床生物反应器之后是浸没式膜生物反应器。生物膜载体通过筛被保留在移动床生物反应器中并且与膜没有直接接触。
本发明是用于城市废水和工业废水在生物反应器中的生物纯化的方法，在所述生物反应器中，水和基质与生物膜载体元件进行接触并且处理过的水通过在浸没式膜模块中的膜过滤出来。通气被提供用于移动生物膜载体和冲刷膜表面二者。载体元件与膜表面直接接触。定期地，生物反应器将进入洗涤操作模式，用于维持膜渗透性和用于除去在正常操作期间已经在生物反应器中积聚的过量的污泥。
相关的现有技术
NO172687描述用于水纯化的方法和反应器。水被进料至填充有用于生物膜的载体的反应器中。这些载体具有在0.90-1.20范围内的比重和反应器容积的30％-70％的用于载体的填充度。此外，反应器具有混合设备且还具有以筛板的形式的装置以将载体保留在反应器中。
EP2438019A1描述用于水纯化的方法和反应器。水被进料至填充有用于生物膜的载体的反应器中。这些载体具有在0.8-1.4范围内的比重和反应器容积的90％-100％的用于载体的填充度。在正常操作模式下，载体被保持静止或受阻的移动。在向前流动洗涤操作模式下，通过减少载体的填充度，载体变成流化的，以用于除去过量的污泥。
从CN1730410A中已知用于水的生物纯化的反应器。反应器包含用于生物膜生长的载体并且这些元件具有0.7-0.95的比重和反应器的有效容积的50％-90％的用于载体的填充度。
CN02104180.6描述通过挡板被分成向上流动区(up-flowzone)和向下流动区(down-flowzone)的反应器。反应器包含用于生物膜生长的载体和用于分离的膜过滤设备。载体可以呈颗粒、粉末或小碎块的形式。膜位于向上流动区，并且通气机被正好固定在膜设备的下方。借助于挡板和被固定在反应器的壁上和挡板上的导流板(currentdirectingplate)，通过通气在反应器中产生内部水再循环。
US7288197描述包括移动床区和膜分离区的生物纯化系统。移动床区包含用于生物膜生长的、由聚合物泡沫制成的多孔载体。载体通过两个滤网被保留在移动床区中，一个滤网在该区的顶部而另一个在该区的底部。来自移动床区的流出水在膜分离区中采用膜过滤被进一步纯化。
JP07328624A描述用于通过使用反应器的废水的生物纯化的方法，所述反应器具有用于生物膜的固定的载体元件和浸没在反应器中的膜，并且空气通过在反应器的底部的喷嘴被引入。
JP06285496A描述用于废水的生物纯化的方法，其中废水被引入反应器中，该反应器具有浸没的膜和用于生物膜的聚氨酯泡沫载体元件。空气被引入反应器的底部以便产生湍流。
US2005/026985A1描述用于水处理的方法，其中水被导引通过填充有载体元件和第一与第二生物膜的反应器。
发明描述
本发明涉及用于城市废水、工业废水、地表水和地下水在生物反应器中的生物纯化的方法，在所述生物反应器中，水和基质与用于生物膜生长的载体元件进行接触并且流出水(渗透物)通过在浸没式膜系统中的膜过滤出来，所述浸没式膜系统被置于其中保持载体元件的生物反应器中。
该方法的特征在于
将水通过一个或更多个进口管或进口区导引到反应器内；
将水和基质导引通过用于生物膜生长的载体元件，该载体元件具有高的保护表面积(protectedsurfacearea)(>200m2/m3载体元件)和大的孔隙体积(>60％)；
其中一个或更多个膜单元被浸没在反应器中的水中；
其中渗透物通过膜的孔隙被抽出反应器；
其中含氧气体通过通气系统被供应至反应器中；
其中在正常操作期间，在反应器中的水位被维持为低于专门用于过量的污泥除去的一个或更多个出口管或出口区；
其中在洗涤操作期间，当在反应器中的水位被临时提高到专门用于过量的污泥除去的出口管或出口区所处的水平时，强湍流被产生用于过量的污泥的除去。
当在反应器中的水位被临时提高到专门用于过量的污泥除去的出口管或出口区所处的水平时，混合机构被应用以在反应器中产生强湍流，使得过量的污泥从元件和膜表面被撕碎并且沉降的污泥被悬浮，并且因为进口水通过进口管或进口区被导引到反应器内并因此通过一个或更多个出口管或出口区将污泥带出反应器，当过量的污泥已经被除去时，在反应器中的水位被降低至低于专门用于过量的污泥除去的出口管或出口区所处的水平。
污染的水优选地通过一个或更多个进口管或进口区被连续地供应至反应器中。
载体元件优选地具有在0.8至1.1的范围中的比重。
在正常操作期间，载体元件的填充度优选地构成相应的反应器液体体积的10％至99％，更优选地80％至99％。
具有低浊度的渗透物采用包含膜的浸没式膜过滤系统被抽出生物反应器，所述膜由陶瓷材料、金属材料、聚合物材料或无机材料与聚合物材料的组合制成并且具有低于0.5微米的标称膜孔径，这允许渗透物被再利用。膜元件可以呈中空纤维形式或平坦片材形式。通过通气设备提供含氧的气泡，所述通气设备被置于生物反应器的底部，优选地正好在膜元件的下方。气泡用于若干目的，包括提供用于微生物生长的作为电子受体的氧气，使载体元件和在生物反应器中的其他悬浮颗粒移动以及冲刷掉在膜表面上的沉积物。
优选地，进料水的连续的流被供应至生物反应器。定期地，采用通过减少或停止渗透物流动升高生物反应器中的水位和/或借助于混合装置提供湍流(这流化生物反应器中的载体元件)的手段来除去过量的污泥。过量的污泥通过一个或更多个筛离开生物反应器，所述筛允许过量的污泥通过但将载体元件保留在生物反应器中。在水位被升高后，载体元件将变得自由移动，并且在载体元件与膜之间的频繁接触将对膜表面具有清洁作用。
膜随时间变得被积垢，其通过升高的跨膜压力(TMP)或降低的渗透物流动速率(渗透物通量)来指示。将应用定期的膜松弛(membranerelaxation)(经由停止过滤)和膜清洁(经由采用或不采用化学溶液的渗透物反洗)用于维持膜渗透性。膜积垢的程度和定期的膜松弛/清洁可导致生物反应器中波动的水位。优选地，在过量的污泥从生物反应器中被移除的相同的时期期间进行膜的化学加强的清洁。
根据本发明的方法的另一个优选的特征是，载体元件可以在洗涤周期期间提供膜的表面的清洁。相对于现有技术解决方案，这将导致对膜表面的较少的破坏并且延长膜的寿命。
方法的另外的优选的特征在从属权利要求中描述。
附图
在下文中将参考附图、借助于实施方案实例更详细地解释本发明。
图1A示意性地示出根据本发明的生物反应器的正常操作。
图1B示意性地示出在将水连续供应至生物反应器的条件下变松的并且正被洗出的污泥。
图2A示出具有通过出口管部分地溢出的流出水的生物反应器的正常操作。
图2B示出在将水连续供应至生物反应器的条件下变松的并且正被洗出的污泥。
优选的实施方案的详细描述
在图1A和图1B中概述用于在正常操作期间没有溢流的新的生物工艺的标准操作程序。进料水穿过进口管(1)和进料水分布器(2)并且连续地进入生物反应器(3)，生物反应器(3)包含用于生物膜生长的载体元件(4)。位于生物反应器(3)中的浸没式膜单元(5)产生渗透物(8)。通气单元(6)将含氧气体(10)引入生物反应器(3)内。在正常操作期间(图1A)，在生物反应器(3)中的水位低于出口管(9)的水平并且渗透物(8)是离开生物反应器(3)的唯一的流。污泥在生物反应器(3)中积聚。
当人们期望除去污泥时(图1B)，人们首先减少或停止渗透物(8)流动速率，这将升高水位。当水位上升到出口管(9)的水平时，人们确保在生物反应器中非常湍流的条件，使得松散的生物质、悬浮颗粒、在膜表面上的沉积物和生物膜的外层被撕碎并且被悬浮于水中。必要的湍流可以通过吹入空气、和/或采用机械搅拌器或通过循环泵送来建立。对于强湍流所需的时间可以是从1分钟至约半小时，这取决于生物反应器的形状和湍流的强度。足够的进料水必须穿过生物反应器以使变松的污泥通过管(9)被运出生物反应器。载体元件通过置于出口管(9)前方的筛(7)被保留在生物反应器中。将污泥运出生物反应器的必需的量的水通常是生物反应器容积的0.2至3倍，这取决于当人们通过增加渗透物(8)流动速率再次返回正常操作时悬浮固体的浓度必须是多低。
在图2A和图2B中概述用于在正常操作期间具有污泥离开的新的生物工艺的标准操作程序。进料水穿过进口管(1)和进料水分布器(2)并且连续地进入生物反应器(3)，生物反应器(3)包含用于生物膜生长的载体元件(4)。位于生物反应器(3)中的浸没式膜单元(5)产生渗透物(8)。通气单元(6)将含氧气体(10)引入生物反应器(3)内。在正常操作期间(图2A)，生物反应器(3)中的水位可以高于污泥离开管(12)的水平，并且包含污泥的处理过的水可以经由重力通过竖直管(11)和污泥离开管(12)离开生物反应器。污泥还可以在正常操作期间经由泵送离开生物反应器，泵送典型地在人们将新的生物反应器与一个或更多个其他生物反应器在生物反应器组中组合时应用，在所述生物反应器组中，污泥和/或水至其他生物反应器的再循环被需要。载体元件通过置于竖直管(11)前方的筛(7)被保留在生物反应器(3)中。
当人们期望除去过量的污泥时(图2B)，人们首先减少或停止渗透物(8)流动速率并且关闭污泥离开管(12)，这将升高水位。当水位上升到出口管(9)的水平时，人们确保在生物反应器中非常湍流的条件，使得松散的生物质、悬浮颗粒、在膜表面上的沉积物和生物膜的外层被撕碎并且被悬浮于水中。必要的湍流可以通过吹入空气、和/或采用机械搅拌器或通过循环泵送来建立。对于强湍流所需的时间可以是从1分钟至约半小时，这取决于生物反应器的形状和湍流的强度。足够的进料水必须穿过生物反应器以使变松的污泥通过竖直管(11)和出口管(9)被运出生物反应器。载体元件通过置于竖直管(11)前方的筛(7)被保留在生物反应器中。将污泥运出生物反应器的必需的量的水通常是生物反应器容积的0.2至3倍，这取决于当人们通过增加渗透物(8)流动速率和打开污泥离开管(12)再次返回正常操作时悬浮固体的浓度必须是多低。
实施例
如下描述关于本发明的应用实施例。
新的生物反应器可以是用于二级废水处理和流出水再利用应用的独立式好氧生物反应器。
图3A、图3B和图3C示意性地示出将新的生物反应器与厌氧生物反应器组合。首先，新的生物反应器可以正好被置于厌氧生物反应器的顶部上(图3A)。进料水向上流过厌氧生物反应器(13)并且经由两个生物反应器(13和3)之间的孔口进入新的生物反应器(3)。孔口允许水和污泥穿过，但不允许载体元件穿过。其次，新的生物反应器可以被置于厌氧生物反应器的侧面(图3B和图3C)。进料水流过厌氧生物反应器并且经由重力或泵送进入新的生物反应器。图3B示出，在新的生物反应器的洗涤操作期间从出口管(9)出来的洗涤水不被再循环回到厌氧生物反应器。图3C示出，分离单元被用于分离污泥(16)与洗涤水中的流出水(15)并且分离的污泥(16)被再循环回到厌氧生物反应器(13)用于厌氧消化，所述分离单元可以是沉降槽、污泥增稠器、溶解气体浮选单元或细孔筛。在厌氧生物反应器中产生的生物气经由生物气排放管(biogasventingpipe)(17)被收集。
图4A和图4B示意性地示出与新的生物反应器整合的生物脱氮工艺(biologicalnitrogenremovalprocess)。在图4A中，两阶段工艺，缺氧的固定膜生物反应器(18)被置于新的生物反应器(3)前方。有机物质的除去和硝化二者都在新的生物反应器中发生。富含硝酸根离子的内部再循环流(19)被再循环至缺氧生物反应器。在图4B中，三阶段工艺，在缺氧的固定膜生物反应器(18)之后是好氧的固定膜生物反应器(20)，在好氧的固定膜生物反应器(20)之后是新的生物反应器(3)。好氧生物反应器(20)被设计主要用于进料水中的有机物质的除去，并且新的生物反应器(3)主要用于硝化和膜过滤。内部再循环流(19)被再循环至三阶段工艺中的缺氧生物反应器(18)。
图5示意性地示出与新的生物反应器整合的组合的生物脱氮和生物脱磷工艺。该工艺包括4个生物反应器并且它们是：厌氧生物反应器(21)、缺氧生物反应器(22)、好氧的固定膜生物反应器(20)和新的生物反应器(3)。厌氧生物反应器(21)和缺氧生物反应器(22)二者都不包含载体元件。有机物质在最前面的三个生物反应器(21、22和20)中被除去并且部分硝化在好氧生物反应器(20)中发生。另外的硝化和膜过滤在新的生物反应器(3)中发生。内部再循环流(19)使硝酸根离子和悬浮的生物质再循环至缺氧生物反应器(22)用于借助于来自厌氧生物反应器(21)的水解的有机物质脱氮。第二内部再循环流(23)使聚磷菌(phosphorousaccumulatingorganism)(PAO)再循环至厌氧生物反应器(21)。采用这样的流动布置，PAO可以摄取进料水中的挥发性脂肪酸(VFA)，该挥发性脂肪酸在PAO细胞内被转化成高能量的聚合物，并且当PAO进入好氧生物反应器(20)时，储存的聚合物可以被用作用于PAO摄取水中的磷的能源并且在它们的细胞中将其储存为多聚磷酸盐(poly-phosphate)。最后，已经富集在PAO中的磷经由在洗涤水中除去的污泥从系统中被除去。
相对于现有技术的优点
相对于活化污泥+二次澄清+MF/UF工艺，本发明具有以下优点：
新的工艺消除二次澄清，这显著减少工艺的总占地面积。污泥膨胀问题与新的工艺不相关。
在新的生物反应器中的生物质密度可以比在活化污泥工艺中高得多，这导致较高的有机负荷和较低的占地面积。
当应用高填充度的载体元件时，在新的生物反应器中的氧传递效率可以比在活化污泥工艺中的氧传递效率显著更高。采用以高填充度的、大致静止的载体元件，气泡必须行进经过高度压紧的载体，从而在气泡到达生物反应器表面之前产生长的保留时间和路径。
相对于MBR工艺，本发明具有以下优点：
在本发明中，对于生物膜工艺和膜冲刷(membranescouring)二者都使用粗的气泡可以减少高能耗，高能耗典型地对于MBR工艺被观察到。
在本发明中，在洗涤周期期间，在载体元件与膜之间的碰撞对膜表面具有清洁作用。前提条件是载体元件不破坏膜结构和不显著减少膜寿命，这可以通过适当选择载体元件的类型和膜的类型来实现。
在新的生物反应器中的生物质密度可以比在MBR工艺中显著更高，这导致较高的有机负荷和较低的占地面积。
在新的生物反应器中的生物质的大部分(>50％)呈在载体元件上的生物膜的形式，这导致比典型的MBR工艺低的悬浮固体浓度。两个主要的优点与低悬浮固体浓度相关：一个是膜积垢可以被缓解，因为极高的悬浮固体浓度反向地影响膜渗透性；并且另一个是用于在MBR工艺中的高内部再循环流动(高能耗)的必要性变得降低，所述高内部再循环流动被需要来降低在膜所位于的区与生物反应器的其余部分之间的污泥浓度差。
对于新的生物反应器，在向前流动洗涤操作期间的污泥除去可以与进行通常在MBR工艺中被实施的膜化学加强的反洗(CEB)和膜现场清洁(CIP)同时被实施，这减少非渗透物(nonpermeate)生产时间。
相对于MB-MBR工艺，本发明具有以下优点：
在本发明中，对于生物膜工艺和膜冲刷二者都使用粗的气泡可以减少高能耗，高能耗典型地对于MB-MBR工艺被观察到。
在本发明中，在载体元件与膜之间的碰撞对膜表面具有清洁作用。前提条件是载体元件在标准操作条件下不破坏膜结构和不显著减少膜寿命。
在新的生物反应器中的生物质密度可以比在MB-MBR工艺中高得多，这导致较高的有机负荷和较低的占地面积。
对于新的生物反应器，在洗涤操作期间的污泥除去可以与进行通常在MB-MBR工艺的MBR阶段中被实施的膜化学加强的反洗(CEB)和膜现场清洁(CIP)同时被实施，这减少非渗透物生产时间。
反应器设计的描述
新的生物反应器(3)的设计不代表对本发明的限制，但其将典型地具有平坦的底部和竖直的壁。生物反应器(3)的有效深度将典型地在1.5米至12米、通常地3米至8米的范围中。用于生物反应器(3)的制造的材料的选择对于工艺不是重要的并且可以自由地选择。
进料水至生物反应器(3)的流入可以用管或通道构造来布置。进料水可以在生物反应器的顶部处进入，使得其具有水位间隙(waterlevelgap)(参见图1A和图1B以及图2A和图2B)或其可以具有浸没式进口。
水穿过生物反应器的流动的方向既可以是水平的也可以是竖直的。
来自生物反应器的过量的污泥和再循环水的出口可以包含一个或更多个出口区，该出口区典型地具有筛(7)以将载体元件保留在生物反应器中。在竖直管(11)被需要以利于设置出口管(9和12)高度的情况下，出口可以被置于靠近生物反应器的顶部或靠近生物反应器的底部。
对于在生物反应器中的膜系统的位置没有限制，只要膜系统浸没在水中。优选地，膜被置于靠近于且高于通气系统并且在其中载体元件和生物反应器中的其他颗粒被流化的区中。
通气系统(6)将被置于生物反应器的底部，优选地正好在膜系统(5)下方，使得空气被分布在生物反应器的水平范围的最大部分中并且同时，有效地冲刷膜表面。

Claims (14)

1.一种用于水的生物纯化的方法，所述方法包括：
将水通过一个或更多个进口管或进口区(1)导引到反应器(3)内；
将水和基质导引通过用于生物膜生长的载体元件(4)，所述载体元件(4)具有高的保护表面积(>200m2/m3载体元件)和大的孔隙体积(>60％)；
其中一个或更多个膜单元(5)被浸没在所述反应器(3)中的水中；
其中渗透物(8)通过所述膜(5)的孔隙被抽出所述反应器；
其中含氧气体(10)通过通气系统(6)被供应至所述反应器(3)中；
其中在正常操作期间，在所述反应器(3)中的水位被维持为低于专门用于过量的污泥除去的一个或更多个出口管或出口区(9)；
其中在洗涤操作期间，当在所述反应器(3)中的水位被临时提高到专门用于过量的污泥除去的所述出口管或出口区(9)所处的水平时，强湍流被产生用于过量的污泥的除去。
2.如权利要求1所述的方法，其中当在所述反应器(3)中的水位被临时提高到专门用于过量的污泥除去的所述出口管或出口区(9)所处的水平时，混合机构被应用以在所述反应器(3)中产生强湍流，使得过量的污泥从所述元件和所述膜表面被撕碎并且沉降的污泥被悬浮，并且因为进口水通过进口管或进口区(1)被导引到所述反应器(3)内并因此通过一个或更多个出口管或出口区(9)将污泥带出所述反应器，当过量的污泥已经被除去时，在所述反应器(3)中的水位被降低至低于专门用于过量的污泥除去的所述出口管或出口区(9)所处的水平。
3.如权利要求1所述的方法，其中污染的水通过一个或更多个进口管或进口区(1)被连续地供应至反应器(3)中。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述载体元件(4)具有在0.8至1.1的范围中的比重。
5.如权利要求1所述的方法，其中在正常操作期间，所述载体元件(4)的填充度构成相应的所述反应器液体体积的80％至99％，其中所述载体元件(4)在正常操作期间是近似静止的并且对所述膜表面(5)不具有或具有很小的洗涤效果。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述膜(5)呈中空纤维形式或呈平坦片材形式。
7.如权利要求1和6所述的方法，其中所述膜(5)由陶瓷材料、金属材料、聚合物材料或无机材料与聚合物材料的组合制成。
8.如权利要求1、6和7所述的方法，其中所述膜(5)的标称孔径小于0.5微米。
9.根据权利要求1和2所述的方法，其中在所述反应器(3)中的水位的增加和减少分别通过减少或停止和增加所述渗透物流(8)来实现。
10.如权利要求1所述的方法，其中在正常操作期间，包含污泥的处理过的水的一部分能够经由重力或经由泵送、通过一个或更多个出口管或出口区(9、12)离开所述反应器。
11.如权利要求1所述的方法，其中通过过量的污泥的除去，污染的水的不连续的供应通过一个或更多个进口管或进口区(1)被供应至所述反应器(3)，在所述反应器(3)中的水位已被升高之后停止污染的水的供应，并且借助于混合机构提供湍流以在所述反应器(3)中产生湍流以流化所述元件，使得所述过量的污泥从所述元件(4)和所述膜表面被撕碎并且沉降的污泥被悬浮，并且此后将进口水通过一个或更多个进口管或进口区(1)导引至所述反应器(3)中，使得污泥能够通过用于污泥的一个或更多个出口管或出口区(9)被带出所述反应器。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述出口管或出口区(9、12)被提供在所述反应器(3)的壁中或通过位于所述反应器(3)的外部的竖直管(11)被提供。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述洗涤周期与所述膜(5)的化学加强的清洁组合。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述载体元件(4)在所述洗涤周期期间提供所述膜(5)的表面的清洁。
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