CN106132520A - 曝气生物膜反应器纤维膜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于膜支撑生物膜反应器(MSBR)等中的中空纤维膜，所述中空纤维膜包括限定内部管腔的基本上圆柱形侧壁，气体能够从所述内部管腔渗透通过所述侧壁，并且其特征在于所述纤维膜的外表面的至少一部分被设计成限定至少一个生物膜保持区域，所述生物膜保持区域用于将一定数量的生物膜保持在其中，特别是当所述纤维膜经受高剪切力的生物膜控制事件、诸如在反应器清洁周期期间所经历的事件时，以便去除过度的生物膜，从而防止反应器的堵塞。

Description

曝气生物膜反应器纤维膜
发明领域
本发明涉及一种中空纤维膜，所述中空纤维膜用于膜支撑生物膜反应器(MSBR)中，或者用于在这种反应器的通常称为膜曝气生物膜反应器(MABR)以及称为利用一组此类中空纤维膜的反应器的一个实施方案中，特别是用于大规模地处理流出物，诸如城市废水等。然而应理解的是，本发明的中空纤维膜可以与利用一个或多个膜将气体直接供应到生物膜的任何反应器一起使用。
发明背景
在MSBR中，生物膜自然地固定在气体可渗透膜上。氧气或其他气体穿过所述膜扩散到生物膜中，在所述生物膜中发生污染物的氧化或与在生物膜-液体界面处供应的其他生物可利用化合物的生物反应。气体供应速率由膜内气体分压力(过程参数)和膜表面积(设计参数)控制。MABR概念最初在美国专利No.4,181,604中描述，但是尚未实现成功的商业化，这主要是由于反应器中生物膜的量难以控制。特别地，已知过多的生物膜形成会导致生物反应器中发生堵塞/沟流，特别是在中空纤维型系统(主要的膜构型)中。
长期以来一直采用生物膜(包括附接到表面的微生物群落)来进行废水处理。微生物群落在惰性支持体上的自然固定允许极好的生物质保持和积累而不需要固体分离装置。在废水处理的情况下，基于生物膜的过程将固体停留时间(SRT)与水力停留时间(HRT)完全分开的能力对于生长缓慢的生物来说尤其有用，否则所述生物将从系统中被冲出，硝化生物膜就是一个相关的实例。已建立的生物膜过程，诸如滴滤器，在20世纪开始流行，因为它们提供了简单、可靠且稳定的操作。废水处理技术方面的创新在很大程度上是由以下需要驱动：满足越来越严格的管理标准的需要以及降低处理过程的资金成本和操作成本的需要。近年来，这些驱动因素促进了改善的生物膜过程，诸如生物曝气过滤器(BAF)和移动床生物膜反应器(MBBR)的出现。基于生物膜的过程的核心优点之一是潜在高的容量反应速率，所述容量反应速率可由于高特定生物质浓度而达到。不幸的是，这个优点在全规模(full-scale)过程中很少采用，因为在厚的生物膜中氧气输送受到限制。废水处理系统中的生物膜经常比氧气的穿透深度(通常为50μm至150μm)更厚，并且在高的碳装载速率下，所述过程的氧气输送速率受限。这个问题，连同控制生物膜厚度方面的困难，已经导致了生物膜技术的应用主要针对低速率过程。克服这种问题的创新技术主要基于以下方法：增加比表面积的方法(基于粒子的生物膜技术)，或增加氧化能力和效率的方法，诸如膜曝气生物膜反应器(MABR)。
将膜结合在废水处理反应器中的情况可以追溯到几十年前Schaffer等人(1960)报告将未指定材料的塑料膜用于废水的氧合作用时。在聚合物上观察到可见的生物生长并且据报告这对氧气输送速率不具有可观察到的影响。直到1978年Yeh和Jenkins(1978)报告特氟龙(Teflon)管在合成废水方面的实验结果时，才认识到膜用于氧合作用的可能性。这项工作受到了20世纪70年代初用于细胞与组织培养的中空纤维氧合作用系统的出现的启发。到1980年，授权了针对中空纤维废水处理反应器的第一篇专利，其中在微孔膜的表面上发生生物氧化。然而，所述技术的商业利用尚未出现，并且目前为止，所述技术的超出实验室规模的试验极为有限。
MABR具有优于常规生物膜技术的若干优点：
1.在完全利用纯氧并且在适当位置进行生物膜厚度控制测量的情况下，可实现相对较高体积碳氧需求(COD)的去除速率。
2.无泡曝气提供了显著较高的氧气利用效率同时随之发生能量节省的可能性。另外，在挥发性有机化合物的生物处理期间减少空气剥离是可能的。
3.由于独特的微生物种群分层，可以相对较高的速率同时实现硝化作用、反硝化作用COD去除。
4.专业降解微生物，诸如氨氧化细菌，倾向于优先相邻于生物膜-膜界面定位，从而通过免受生物膜侵蚀的保护来增强它们的保持力。
针对一系列废水处理应用领域，已经发表了关于MABR的基本方面和应用方面两者的百余篇研究论文，并且在过去的几年中，出版物的数量已经大幅激增。对MABR的兴趣逐渐增加，这可能是因为这项技术既能实现废水处理的过程强化，又能够提供显著节省能源成本的可能性。
存在与MABR相关的许多专利，然而，这些专利都没有并入有效的生物膜控制技术。EP2361367旨在通过提供用于确定何时必须启动生物膜控制的基础来处理生物膜控制的问题。
为了确保MABR在废水处理市场上能够进行竞争，存在以下关键的需要：确保氧合膜具有高氧气渗透性、稳健、有成本效益，并且适合于生物膜的固定。如果MABR旨在实现实验室规模的试验所指示的可能性，那么需要克服若干技术难题。全规模实现的主要障碍是可能导致显著性能劣化的过度生物质控制的问题。鉴于EP2361367中所公开的用于确定何时进行生物膜控制的方法，在生物膜控制程序期间防止完整的生物膜去除成为必要的。
这是MABR的悖论，因为根据生物催化的观点，生物膜越多，反应器的性能越好，然而超过了一定的限度，生物膜的累积可能会导致液体流动分布方面的严重问题。理想的MABR将以生物膜累积、部分去除并且重新生长的循环方式进行操作。为了将生物膜维持在最佳范围内，需要在控制操作期间防止完全的生物膜脱离的机制。迄今为止在文献中报告的许多实验室规模的研究是在低的膜填塞密度下进行操作的，并且因此生物质控制的问题未被优先化。在评估所述技术的前景时，必须仔细地检查先前研究的结果，在所述先前研究中使用高到足以实现MABR技术的商业应用的膜填塞密度来对组件(module)进行试验。这些研究(Semmens等人，2003年、Semmens，2005年)均显示：膜组件的显著堵塞通常在几周或几个月操作后发生。这种过度生物质形成的问题伴随着反应器满足其污染物去除效率的性能的劣化。
美国专利No.4,181,604(于1980年1月1日授权)描述了一种具有中空纤维多孔膜的若干回路的组件，所述回路的两端连接到包含废水的储罐底部处的管道。所述管道将氧气运送到膜的管腔并且氧气通过膜气孔扩散到生长在膜外表面上的需氧生物膜。在美国专利No.4,746,435中使用了相同的设备，但是控制包含氧气的气体的量以产生具有需氧区和厌氧区的生物膜。美国专利No.6,558,549描述了一种用于处理废水的设备，其中生物膜种植在沿垂直方向浸入废水储罐中的非刚性(薄片状)平面气体输送膜的表面上。所述发明是一种可能用于废水改造应用中的浸入型膜系统。然而，没有用于生物膜厚度控制的有效装置。气泡冲刷方法不可能是有效的，并且可能去除所有生物膜，从而与过程性能相冲突。
美国专利No.5,403,479描述了一种用于淤塞的膜的原位清洁系统。所述膜是通过包含杀生物剂的清洁流体进行清洁的。美国专利5,941,257描述了一种用于管道系统的二相流水动力清洁的方法。美国专利No.7,367,346描述了一种用于清洁中空管材和纤维的方法。这三篇专利适用于进行透析所使用的清洁透析仪以及水处理和分离中使用的中空纤维组件。它们不适用于以下系统：其中待清洁的材料用作生物催化剂并且所述系统不具有与清洁方法相关联的任何形式的过程感测。
本发明致力于提供一种用于膜曝气生物膜反应器的改进的中空纤维膜。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种曝气生物膜反应器纤维膜，其包括限定内部管腔的基本上圆柱形的侧壁，气体能够从所述内部管腔渗透通过所述侧壁；其特征在于所述纤维膜的外表面的至少一部分被设计成限定至少一个生物膜保持区域。
优选地，纤维膜的外表面限定一组经设计的生物膜保持区域。
优选地，外表面的经设计的生物膜保持区域包括一个或多个凹形区域。
优选地，外表面的经设计的生物膜保持区域包括一个或多个基本上径向延伸的突出部。
优选地，外表面的经设计的生物膜保持区域包括一个或多个基本上纵向延伸的波纹。
优选地，纤维膜的外表面是多边的。
优选地，限定管腔的纤维膜的内表面被成形为优化通过所述侧壁的气体输送。
优选地，纤维膜被形成为聚合物挤出物。
优选地，纤维膜包括开放端，气体通过所述开放端可以被供应到管腔。
优选地，纤维膜的外部直径的范围为在0.2mm至5mm之间、更优选地在0.35mm与0.9mm之间、并且最优选地为0.5mm。
优选地，纤维膜包含气体可渗透聚合物。
优选地，纤维膜包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
根据本发明的第二方面，提供了一种膜曝气生物膜反应器，其包括根据本发明的第一方面所述的多个中空纤维膜。
优选地，反应器包括用于将气体供应到纤维膜的管腔的装置。
优选地，每个纤维膜的至少开放端被捕获在锚定件中。
优选地，纤维膜是成组布置的。
附图简述
图1示出用于膜曝气生物膜反应器中的常规的现有技术中空纤维的横截面；
图2示出根据本发明的优选实施方案的曝气生物膜反应器膜纤维的横截面；
图3示出根据本发明的优选实施方案的一个替代性曝气生物膜反应器膜纤维的横截面；
图4示出根据本发明的优选实施方案的另一个替代性曝气生物膜反应器膜纤维的横截面；
图5示出根据本发明的优选实施方案的另一个替代性曝气生物膜反应器膜纤维的横截面；
图6示出根据本发明的优选实施方案的另一个替代性曝气生物膜反应器膜纤维的横截面；
图7示出根据本发明的优选实施方案的另一个替代性曝气生物膜反应器膜纤维的横截面；并且
图8示出根据本发明的优选实施方案的另一个替代性曝气生物膜反应器膜纤维的横截面。
附图详述
现在参考图1，示出了用于膜曝气生物膜反应器(未示出)中的常规的现有技术中空纤维F的横截面。中空纤维F的横截面基本上是圆柱形的，并且限定内部管腔L，通过所述内部管腔L可以供应气体，诸如氧气、空气、富氧空气、氢气或任何其他合适的气体，并且所述气体随后渗透通过中空纤维F的侧壁以便在使用中，使定植于中空纤维F的外表面上的生物膜发生氧合作用。可以看出，中空纤维F的外表面是基本上平滑且连续的表面。
然后转向图2，展示了用于膜曝气生物膜反应器(未示出)中的纤维膜的横截面，所述纤维膜一般被指示为10。纤维膜10包括形式上为环形的基本上圆柱形的侧壁12，并且限定沿纤维膜10纵向地延伸的内部管腔14。在使用中，气体(诸如氧气等)被泵送到管腔14中，并且通过将侧壁12提供为气体可渗透材料，气体可以渗透通过侧壁12，从而被供应到定植于纤维膜10的外表面16上的生物膜(未示出)。不同于现有技术的中空纤维，本发明的纤维膜10限定一个或多个、并且优选地多个经设计的生物膜保持区域18，所述生物膜保持区域18(如下文详细描述的)用于将一定数量的生物膜保持在其中，特别是当纤维膜10经受高剪切力的生物膜控制事件、诸如在反应器清洁周期期间所经历的事件时，以便去除过度的生物膜，从而防止反应器的堵塞。因此，一旦这种事件已经完成，被保持在保持区域18中的生物膜确保生物膜到完全操作水平的便利的再生长，从而显著地减少了这种清洁事件与返回到反应器的全部操作之间的前置时间。常规地，这将是显著地更长的周期，以便促进生物膜的重新播种以及在纤维的外表面上重新生长到操作水平。
不同于现有技术的纤维，在图2的实施方案中，外表面16是多边的并且包括四个凹形侧面20，每个凹形侧面20限定单个生物膜保持区域18。可以看出，侧壁12的内表面22也是多边的，所述内表面22的侧面数量对应于外表面16的侧面数量，尽管相对于外表面16的凹形侧面20，所述内表面22的每个侧面是相对较平坦的。然而，应理解的是，外表面16和内表面22两者的形状根据需要可以改变。例如，可能优选的是，外表面16和内表面22是基本上平行的，以便提供具有基本上均匀厚度的侧壁12，从而确保在围绕侧壁12的所有点处相等的气体输送，进而在外表面16周围产生相等的生物膜生长速率。然而，同样应理解的是，通过以下方式促进外表面16上的具有增加的或减少的生物膜厚度的区域可能是合乎期望的：适当地改变侧壁12的那个区域的气体渗透率，例如通过改变局部区域处的侧壁12的厚度。纤维膜12的外部直径的范围为优选地在0.2mm至5mm之间、更优选地在0.35mm至0.9mm之间、并且最优选地为0.5mm，所述直径是在纤维膜12的径向最外部末端处测量的。
纤维膜12优选地通过以下方式产生：通过适当成形的冲模(未示出)挤出聚合物以提供纤维膜10的所期望的外部轮廓和内部轮廓。然而，应立即理解的是，可以采用任何其他合适的制造纤维膜10的方法，并且可以改变选择用于形成纤维膜10的材料或材料组合。纤维膜12优选地由硅酮(聚二甲基硅氧烷(PDMS))或改良型的PDMS构成，不过也可以采用其他合适的材料。
参考图3至图8，展示了根据本发明的并且用于MABR中的纤维膜的替代实施方案，每个变体提供一种替代的侧壁轮廓，如由相应纤维膜的外表面和/或内表面的形状所指示的。
特别地，参考图3，展示了横截面类似于第一实施方案的纤维膜10的纤维膜110。然而，外表面116和内表面122是基本上彼此平行的，从而提供具有基本上均匀厚度的侧壁112。
图4示出具有多边的外表面216和限定内部管腔214的基本上圆形内表面222的纤维膜210。
图5所示的横截面类似于图4所示的横截面，其展示了具有多边的外表面316的纤维膜310，所述外表面316包括四个凹形侧面320，每个凹形侧面320通过更明显的或更尖锐的顶点彼此分开、限定生物膜保持区域318。内表面322的横截面是基本上圆形的。
图6所示的横截面示出纤维膜410，所述纤维膜410在形式上同样是多边的，限定六个凹形侧面420和基本上圆形的内表面422。
转向图7，展示了具有外表面516的纤维膜510，多个基本上径向延伸的凸起524从所述外表面516突出，从而在相邻对的凸起524之间限定呈凹形波纹520形式的生物膜保持区域518，每个生物膜保持区域518基本上沿纤维膜510纵向地延伸。
图8示出又一个替代的纤维膜610，其包括具有基本上圆形外表面616和基本上圆形内表面622的侧壁612。然而，侧壁612还具有基本上径向延伸的突出部624的圆形阵列，从而在相邻对的突出部624之间限定基本上沿纤维膜610纵向地延伸的生物膜保持区域618。
在每一个上述纤维膜中，至少一个、并且优选地一组生物膜保持区域被限定在所述纤维膜的外表面周围，从而使得在高剪切力事件(诸如生物膜净化)期间，为了防止反应器的堵塞，将一定水平的生物膜保持在每个纤维膜的外表面上的保持区域中，以便促进在高剪切力事件之后生物膜的快速重新生长，从而允许反应器在减少的时间段内是完全可操作的。

Claims (16)

1.一种曝气生物膜反应器纤维膜，其包括限定内部管腔的基本上圆柱形的侧壁，气体能够从所述内部管腔渗透通过所述侧壁；其特征在于所述纤维膜的外表面的至少一部分被设计成限定至少一个生物膜保持区域。
2.根据权利要求1所述的纤维膜，其中所述纤维膜的所述外表面限定一组经设计的生物膜保持区域。
3.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中所述外表面的经设计的生物膜保持区域包括一个或多个凹形区域。
4.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中所述外表面的经设计的生物膜保持区域包括一个或多个基本上径向延伸的突出部。
5.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中所述外表面的经设计的生物膜保持区域包括一个或多个基本上纵向延伸的波纹。
6.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中所述纤维膜的所述外表面是多边的。
7.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中限定所述管腔的所述纤维膜的内表面被成形为优化通过所述侧壁的气体输送。
8.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中所述纤维膜被形成为聚合物挤出物。
9.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中所述纤维膜包括与封闭端相对的开放端，并且通过所述开放端能够将气体供应到所述管腔。
10.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中所述纤维膜的外部直径的范围为在0.2mm至5mm之间、更优选地在0.35mm与0.9mm之间、并且最优选地为0.5mm。
11.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中所述纤维膜包含气体可渗透聚合物。
12.根据权利要求1或2所述的纤维膜，其中所述纤维膜包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
13.一种膜曝气生物膜反应器，其包括多个根据权利要求1至13中任一项所述的中空纤维膜。
14.根据权利要求14所述的膜曝气生物膜反应器，其包括用于将气体供应到一个或多个所述纤维膜的管腔的装置。
15.根据权利要求14或15所述的膜曝气生物膜反应器，其中每个纤维膜的至少开放端被捕获在锚定件中。
16.根据权利要求14至16中任一项所述的膜曝气生物膜反应器，其中所述纤维膜是成组布置的。
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