CN109311058B - 颗粒分离装置及包括其的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种颗粒分离装置，与包括其的系统。所述颗粒分离装置包括：生物反应器，存有微生物的污泥；第一流动路径，使污泥通过并排出生物反应器；第一过滤器，安装有第一格网以根据尺寸对微生物进行分离；第二流动路径，使已通过第一过滤器的流出水流入；第三流动路径，连接到第二流动路径并将流出水排出到外部；第四流动路径，连接在第二流动路径的一侧处的表面上，使流出水循环到生物反应器；第五流动路径，允许通过第四流动路径排出的流出水通过第一过滤器并移动到生物反应器；以及第一泵，用于产生流出水的流，其中第一格网能够旋转地安装在第一过滤器中。本发明使微生物在生物反应器中被分离及集中，以提高除氮效率。

Description

颗粒分离装置及包括其的系统
技术领域
本发明涉及一种颗粒分离装置，且更具体来说，涉及一种可在生物反应器中选择性地将特定微生物从具有不同粒径的各种微生物分离并从生物反应器排出分离的特定微生物的颗粒分离装置。
背景技术
在当今利用各种环境友好型工艺的工业场所，废水处理仍然是一个挑战。
具体来说，通过包括物理化学工艺例如除气或氨化(ammonification)及生物工艺(例如硝化、反硝化或植物吸收及吸附在内的各种方法来实现除氮。其中，生物硝化-反硝化是最广泛使用的除氮工艺。
在1990年代，引入厌氧铵氧化(anammox，anaerobic ammonium oxidation)作为一种除氮方式。近来，厌氧铵氧化被称为与作为预处理工艺的部分亚硝化(partialnitritation)相结合的脱氨(deammonification)工艺。到2015年已经报告了多于100个全面脱氨(full-scale deammonification)工艺。在实际使用中约50％或大于50％的全面脱氨工艺是基于其中亚硝化与厌氧铵氧化在单一反应器中同时进行并伴有异养反硝化(heterotrophic denitrification)以去除作为亚硝化的副产物的硝酸盐的序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)工艺。
以下反应流程1到反应流程3显示出其中在单一反应器中执行部分硝化、厌氧铵氧化及异养反硝化的除氮途径。
[反应流程1]
NH4 ++0.75O2+HCO3 -→0.5NH4 ++0.5NO2 -+1.5H2O+CO2
[反应流程2]
NH4 ++1.32NO2 -+0.066HCO3 -+0.13H+
→0.26NO3 -+1.02N2+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O
[反应流程3]
0.26NO3 -+0.22H3OH+0.04CO2→0.13N2+0.26HCO3 -+0.3H2O
在单一反应器中的这种脱氨工艺中，期望部分亚硝酸盐及厌氧铵氧化占优势，同时异养反硝化作为用于另外去除作为根据反应流程2产生的副产物的NO3 -的副反应。然而，由于反应流程1中涉及的厌氧铵氧化细菌具有极低的生长速率(倍增时间：约11天)及极低的细胞产率(0.13g-干重/g-NH4-N)，因此与其他微生物相比，当厌氧铵氧化细菌在反应器中不占优势时，将通过反应流程2而被消除的NO2 -会被具有更高生长速率的异养反硝化细菌消耗，如反应流程4所示，因而使得单一反应器中的除氮无法顺利地执行。
[反应流程4]
6NO2 -+3CH3OH+3CO2→3N2+6HCO3 -+3H2O
另外，由于在硝化(nitrification)及厌氧铵氧化之间存在对NO2 -的底物竞争，如反应流程5所示，因此需要从反应器中连续地去除诱导硝化而不是部分亚硝化的硝化细菌。
[反应流程5]
NO2 -+0.5O2→NO3 -
另一方面，厌氧铵氧化细菌对氧具有低的抗性，因此通常存在于由亚硝化细菌形成的薄膜内。因此，厌氧铵氧化细菌可以颗粒体(granule)形式存在。
传统上，水力旋流器(hydrocyclone)已被广泛用于在废水处理系统中将厌氧铵氧化细菌与异养反硝化细菌分离。然而，由于这种水力旋流器在将厌氧铵氧化细菌与异养反硝化细菌(其在流体阻力或重量方面彼此没有显著差异)彼此分离时表现出非常低的效率且仅在固定条件下可操作，因此在工业设施中难以使用水力旋流器。
因此，需要一种用于在单一生物反应器中进行脱氨的装置，所述装置可使异养反硝化细菌及硝化细菌能够被分离并排出到生物反应器外部，从而使厌氧铵氧化细菌、尤其是由厌氧铵氧化细菌及亚硝化细菌形成的颗粒状微生物能够在生物反应器中被分离及集中，借此提高除氮效率。
发明内容
技术问题
本发明旨在提供一种可使单一反应器中存在的颗粒状微生物能够根据尺寸被选择性地分离以集中在反应器中或排出到反应器外部的颗粒分离装置。
技术解决方案
本发明的一个方面是提供一种可使在单一反应器中存在的颗粒状微生物能够根据尺寸选择性地分离以集中在反应器中或排出到反应器外部的颗粒分离装置。
根据本发明的一个方面，一种颗粒分离装置包括：生物反应器，存储含有颗粒状微生物的污泥(sludge)；第一流动路径，所述污泥通过所述第一流动路径从所述生物反应器排出；第一过滤器，包括第一格网，所述第一格网根据尺寸对通过所述第一流动路径排出的所述污泥中所含有的所述颗粒状微生物进行分离；第二流动路径，已通过所述第一过滤器的流出物流入所述第二流动路径中；第三流动路径，连接到所述第二流动路径以将所述流出物排出到外部；第四流动路径，连接到所述第二流动路径的一侧，且安装在所述第一过滤器的与所述第一过滤器的上面安装有所述第二流动路径的表面连接的表面上，以使所述流出物循环到所述生物反应器；第五流动路径，已从所述第四流动路径排出并通过所述第一过滤器的所述流出物通过所述第五流动路径流入所述生物反应器中；以及第一泵，产生所述流出物的流，其中第一格网单元能够旋转地安装在所述第一过滤器上。
根据本发明的另一方面，一种颗粒分离系统，包括上述具有所述第一过滤器的颗粒分离装置，其中所述颗粒状微生物包括选自由厌氧铵氧化细菌、异养反硝化细菌、亚硝化细菌及硝化细菌组成的群组中的至少一种，且所述颗粒分离系统根据尺寸对所述颗粒状微生物进行分离并使分离的所述颗粒状微生物能够排出到所述生物反应器外部或能够集中在所述生物反应器中。
根据本发明的另一方面，一种颗粒分离装置包括：生物反应器，存储含有颗粒状微生物的污泥(sludge)；第一流动路径，所述污泥通过所述第一流动路径从所述生物反应器排出；第四过滤器，包括第一格网及刀片组件，所述第一格网根据尺寸对通过所述第一流动路径排出的所述污泥中所含有的所述颗粒状微生物进行分离，所述刀片组件能够旋转地安装在所述第一格网的表面上；第二流动路径，已通过所述第四过滤器的流出物通过所述第二流动路径被排出到外部；第三流动路径，连接到所述第二流动路径以将所述流出物排出到外部；第四流动路径，连接到所述第二流动路径的一侧，且安装在所述第四过滤器的与所述第四过滤器的上面安装有所述第二流动路径的表面连接的表面上，以使所述流出物循环到所述生物反应器；第五流动路径，已从所述第四流动路径排出并通过所述第四过滤器的所述流出物通过所述第五流动路径流入所述生物反应器中；以及第一泵，产生所述流出物的流，其中所述刀片组件包括旋转刀片。
根据本发明的另一方面，一种颗粒分离系统，包括上述具有所述第四过滤器的颗粒分离装置，其中所述颗粒状微生物包括选自由厌氧铵氧化细菌、异养反硝化细菌、亚硝化细菌及硝化细菌组成的群组中的至少一种，且所述颗粒分离系统根据尺寸对所述颗粒状微生物进行分离并使分离的所述颗粒状微生物能够排出到所述生物反应器外部或能够集中在所述生物反应器中。有利效果
根据本发明，在对过滤器提供第一格网且第一格网具有特定孔隙直径的情况下，颗粒分离装置可使厌氧铵氧化细菌能够通过连续的工艺被分离及集中，同时使异养反硝化细菌能够通过连续的工艺被分离及排出，借此提高除氮效率。
另外，在进一步提供第二格网和/或第三格网的情况下，颗粒分离装置可防止从生物反应器中排出的流出物中的异养反硝化细菌流回到生物反应器中。
附图说明
图1是根据本发明一个示例性实施例的颗粒分离装置的图。
图2及图3分别是根据本发明示例性实施例的第一过滤器的分解透视图。
图4及图5分别是根据本发明示例性实施例的壳体的图。
图6到图13分别是根据本发明其他示例性实施例的颗粒分离装置的图。
图14及图15分别是根据本发明示例性实施例的第四过滤器的分解透视图。
图16是根据本发明一个示例性实施例的生物反应器的图。
图17是示出根据本发明一个示例性实施例的一种生物反应器的控制操作的方法的图。
图18是示出根据本发明一个实施例的筛分(sieving)微生物的工艺的步骤的图。
图19是示出根据本发明一个示例性实施例的生物反应器中的颗粒状微生物的尺寸相依性分布的曲线图。
图20是示出根据本发明一个示例性实施例在生物反应器中厌氧铵氧化细菌及异养反硝化细菌的活性随着颗粒状微生物的尺寸分布而变化的曲线图。
图21是示出根据本发明一个示例性实施例在生物反应器中硝化细菌及亚硝化细菌的活性随着颗粒状微生物的尺寸分布而变化的曲线图。
图22是示出根据本发明一个示例性实施例的微生物的累积活性随着筛分孔径而变化的曲线图。
图23到图24分别是根据本发明其他示例性实施例的颗粒分离装置的图。
符号的说明
1：生物反应器
2：滞留槽
10：第一泵
20：第二泵
30：第三泵
40：第二过滤器
50：第三过滤器
60：马达
70：样品收集阀
11：第一流动路径
12：第二流动路径
13：第三流动路径
14：第四流动路径
15：第五流动路径
100、300：第一过滤器
200、400：第四过滤器
110、500、600：壳体
120、220：第一格网
121、221：第一格网中心凹槽
130：第一格网罩
131：第一格网罩中心凹槽
140：第一格网罩帽
111：第一流动路径连接孔
112：第二流动路径连接孔
114、116：第四流动路径连接孔
115、117：第五流动路径连接孔
150、250：刀片组件
160、260：刀片
170、270：清洁刷
1000、2000：颗粒分离装置。
具体实施方式
应理解，本发明可采用不同的方式来实施且不仅限于以下实施例，提供所述实施例是为了完成本公开并使所属领域中的技术人员透彻地理解本发明。
本文中，例如“上部”及“下部”等空间相对性用语是参照附图来定义。因此，应理解用语“上表面”可与用语“下表面”互换使用，且当一元件(例如层或膜)被称为放置在另一元件“上”时，所述元件可直接放置在所述另一元件上，或者可存在中间元件。另一方面，当一元件被称为“直接”放置在另一元件“上”时，则这两个元件之间不存在中间元件。
说明书通篇中，相同的组件将由相同的参考编号来标示。除非上下文另外清楚地指明，否则本文所使用的单数形式“一”及“所述”旨在也包括复数形式。此外，当在本说明书中使用用语“包括、包含或含有”时，是指出所述特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
本文所使用的用语“流出物”并不仅限于通过特定流动路径的流出物，且可指通过与存储含有各种颗粒状微生物的污泥(sludge)的生物反应器连接的第一流动路径11、第二流动路径12、第三流动路径13、第四流动路径14及第五流动路径15的所有流体。
以下，将参照附图详细地阐述本发明的示例性实施例。
根据本发明的一个方面，一种颗粒分离装置包括：生物反应器，存储含有颗粒状微生物的污泥(sludge)；第一流动路径，所述污泥通过所述第一流动路径从所述生物反应器排出；第一过滤器，包括第一格网，所述第一格网根据尺寸对通过所述第一流动路径排出的所述污泥中所含有的所述颗粒状微生物进行分离；第二流动路径，已通过所述第一过滤器的流出物流入所述第二流动路径中；第三流动路径，连接到所述第二流动路径以将所述流出物排出到外部；第四流动路径，连接到所述第二流动路径的一侧，且安装在所述第一过滤器的与所述第一过滤器的上面安装有所述第二流动路径的表面连接的表面上，以使所述流出物循环到所述生物反应器；第五流动路径，已从所述第四流动路径排出并通过所述第一过滤器的所述流出物通过所述第五流动路径流入所述生物反应器中；以及第一泵，产生所述流出物的流，其中所述第一格网单元可旋转地安装在所述第一过滤器上。
根据本发明的另一方面，一种颗粒分离装置包括：生物反应器，存储含有颗粒状微生物的污泥(sludge)；第一流动路径，所述污泥通过所述第一流动路径从所述生物反应器排出；第四过滤器，包括第一格网及刀片组件，所述第一格网根据尺寸对通过所述第一流动路径排出的污泥中所含有的所述颗粒状微生物进行分离，所述刀片组件能够旋转地安装在所述第一格网的表面上；第二流动路径，已经通过所述第四过滤器的流出物通过所述第二流动路径被排出到外部；第三流动路径，连接到所述第二流动路径以将所述流出物排出到外部；第四流动路径，连接到所述第二流动路径的一侧，且安装在所述第四过滤器的与所述第四过滤器的上面安装有所述第二流动路径的表面连接的表面上，以使所述流出物循环到所述生物反应器；第五流动路径，已从所述第四流动路径排出并通过所述第一过滤器的所述流出物通过所述第五流动路径流入所述生物反应器中；以及第一泵，产生所述流出物的流，其中所述刀片组件包括旋转刀片。
在一些实施例中，所述第一格网可具有50μm到500μm的孔隙直径。
所述刀片组件可包括附接到所述刀片的一侧的清洁刷，其中所述清洁刷可在所述刀片旋转时接触所述第一格网的一个表面的同时进行旋转。
连接到所述第一过滤器或所述第四过滤器的一侧的第一流动路径连接孔可具有大于连接到所述第一过滤器或所述第四过滤器的一侧的第四流动路径连接孔的面积。
在一些实施例中，所述第二流动路径可接触所述第一泵。
所述颗粒分离装置还可包括设置在位于所述第一过滤器或所述第四过滤器上游的所述第四流动路径上的第二泵。
所述颗粒分离装置还可包括设置在位于所述生物反应器上游的所述第五流动路径上的第三泵。
所述颗粒分离装置还可包括滞留槽，所述滞留槽存储从所述第二流动路径排出的所述流出物，以使来自所述滞留槽的所述流出物通过所述第四流动路径流入所述生物反应器中或者通过所述第三流动路径从所述颗粒分离装置排出。
在一些实施例中，所述颗粒状微生物可包括选自由厌氧铵氧化细菌、异养反硝化细菌、亚硝化细菌及硝化细菌组成的群组中的至少一种。
所述厌氧铵氧化细菌可具有100μm或大于100μm的粒径，且异养反硝化细菌及硝化细菌中的每一者可具有小于100μm的粒径。
所述颗粒分离装置还可包括样品收集阀，所述样品收集阀安装在所述第二流动路径上以对从所述生物反应器排出的所述微生物执行组分分析。
在一些实施例中，所述颗粒分离装置还可包括样品收集阀，所述样品收集阀安装在所述第三流动路径上以对从所述颗粒分离装置排出的所述微生物执行组分分析。
在一些实施例中，所述颗粒分离装置还可包括第二过滤器，所述第二过滤器设置在连接到所述第四流动路径的所述第二流动路径的一侧处，其中所述第二过滤器可包括孔隙直径为1μm到50μm的第二格网。
所述第二过滤器可包括能够旋转地安装在所述第二格网的表面上的刀片组件。
在一些实施例中，所述颗粒分离装置还可包括第三过滤器，所述第三过滤器设置在连接到所述滞留槽的所述第四流动路径的入口处，其中所述第三过滤器可包括孔隙直径为1μm到50μm的第三格网。
所述第三过滤器可包括能够旋转地安装在所述第三格网的表面上的刀片组件。
在一些实施例中，所述第一过滤器还可包括固定到所述第一格网的表面的刀片组件。
所述生物反应器可含有执行厌氧铵氧化(anammox，anaerobic ammoniumoxidation)的厌氧铵氧化细菌，其中所述厌氧铵氧化细菌可包括选自由以下组成的群组中的至少一种：待定厌氧铵氧化布罗卡地菌(Candidatus Brocadia anammoxidans)、待定斯图加特库氏菌(Candidatus Kuenenia stuttgartiensis)、待定伟格氏菌阶梯烧菌(Candidatus Scalindua wagneri)、待定丙酸厌氧铵氧化球菌(CandidatusAnammoxoglobus propionicus)及浮霉菌KSU-1(Planctomycete KSU-1)。
另外，生物反应器可含有执行亚硝化的亚硝化细菌及执行异养反硝化的异养反硝化细菌，其中所述亚硝化细菌可包括选自由以下组成的群组中的至少一种：亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)、亚硝化球菌(Nitrosococcus mobilis)、亚硝化亚硝化细菌(Nitrosomonas nitrosa)及亚硝化单胞菌低温霉素(Nitrosomonas cryotolerans)，且所述异养反硝化细菌可包括选自由以下组成的群组中的至少一种：假单胞菌(Pseudomonas)、芽孢杆菌(Bacillus)、螺旋菌(Spirillum)、生丝微菌(Hyphomicrobium)、土壤杆菌(Agrobacterium)、不动杆菌(Acinetobacter)、丙酸杆菌(Propionobacterium)、根瘤菌(Rhizobium)、角化杆菌(Cornebacterium)、食纤维菌(Cytophata)、硫杆菌(Thiobacillus)、产碱杆菌(Alcaligenes)、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、铜绿假单胞菌(P.Aeruginosa)、脱氮假单孢菌(P.denitrificans)、产碱杆菌属纤细弯钩菌(Alcaligenes sp.Curvibacter delicatus)、污物噬酸菌(Acidovorax defluvii)、独岛韩国菌(Dokdonella koreensis)、栖污泥黄杆菌(Flavobacterium limicola)、绣色土生单胞菌(Terrimonas ferruginea)及藤黄色土生单胞菌(Terrimonas lutea)。
在一些实施例中，异养反硝化细菌及硝化细菌可通过第一格网被排出到第二流动路径。
由厌氧铵氧化细菌及亚硝化细菌形成的颗粒体可存在于生物反应器中。
颗粒状微生物可通过第一格网根据尺寸来分离，并通过第二流动路径被排出到生物反应器外部。
根据本发明的再一方面，提供一种颗粒分离系统，所述颗粒分离系统包括根据本发明的颗粒分离装置，其中所述颗粒状微生物包括选自由厌氧铵氧化细菌、异养反硝化细菌、亚硝化细菌及硝化细菌组成的群组中的至少一种，且所述颗粒分离系统根据尺寸对所述颗粒状微生物进行分离并使分离的所述颗粒状微生物能够排出到所述生物反应器外部或能够集中在所述生物反应器中。
在一些实施例中，所述颗粒状微生物可包括由所述厌氧铵氧化细菌及所述亚硝化细菌形成的颗粒体。
可对所述颗粒分离系统进行操作以防止所述由所述厌氧铵氧化细菌及所述亚硝化细菌形成的颗粒体通过第一格网同时允许所述硝化细菌通过所述第一格网。
可对所述颗粒分离系统进行操作，以使以由厌氧铵氧化细菌及亚硝化细菌形成的颗粒体的总体积100％计，80％或大于80％的所述颗粒体可被集中在生物反应器中。
如上所述，在其中执行脱氨工艺的生物反应器1中包含厌氧铵氧化细菌、亚硝化细菌、异养反硝化细菌及硝化细菌。如果厌氧铵氧化细菌不占优势，则异养反硝化细菌及硝化细菌占优势，从而造成导致除氮效率劣化。
因此，本发明人利用了厌氧铵氧化细菌的生态学特性，以使厌氧铵氧化细菌能够在含有各种微生物的单一反应器中的脱氨工艺中占优势。
具体来说，需要控制在单一反应器中的脱氨工艺中用于每种微生物的污泥停留时间(sludge retention time，SRT)。考虑到每种微生物的生长速率，用于每种微生物的适当的SRT如表1所示。
表1
微生物的种类 适当的SRT
厌氧铵氧化细菌 50天或多于50天
亚硝化细菌 10天或少于10天
异养反硝化细菌 3天或少于3天
硝化细菌 需要持续抑制生长
另外，与其他厌氧微生物相比，厌氧铵氧化细菌对溶解氧浓度极其敏感。因此，厌氧铵氧化细菌倾向于聚集在由亚硝化细菌形成的薄膜内以避免溶解氧的毒性，且大多数以尺寸为100μm或大于100μm的颗粒体(granule)形式存在。相反，异养反硝化细菌及硝化细菌因其对溶解氧的高抗性而大多数以尺寸为小于100μm(例如，小于80μm)的絮凝物(floc)形式存在，且因此在粒径等方面与厌氧铵氧化细菌明显不同。
作为通过将异养反硝化细菌及硝化细菌连续地排出到生物反应器1外部同时允许厌氧铵氧化细菌及亚硝化细菌存在于生物反应器1中来反复实验以提高除氮效率的结果，本发明人发现了可通过调整格网的孔径对上述细菌进行有效地分离，且可通过防止格网的孔隙被厌氧铵氧化细菌堵塞来连续地执行除氮，从而完成了本发明。
换句话说，为了解决在通过连续工艺使用过滤器从生物反应器选择性地排出异养反硝化细菌及硝化细菌的工艺中，格网的孔隙被厌氧铵氧化细菌堵塞从而造成从生物反应器1排出异养反硝化细菌及硝化细菌的效率降低的问题，本发明人发明了一种颗粒分离装置，其中具有相反的流出物流动方向的两个流动路径通过单一过滤器(第一过滤器或第四过滤器)，且安装在第一过滤器或第四过滤器上的格网或刀片组件适于可旋转，从而能够实现其中已由于来自生物反应器的液压而堵塞格网的孔隙的厌氧铵氧化细菌可通过液压返回到生物反应器1并进入生物反应器1中的连续的工艺。
图1是根据本发明一个示例性实施例的颗粒分离装置1000的图。
参照图1，颗粒分离装置1000包括：生物反应器1，存储含有颗粒状微生物的污泥(sludge)；第一流动路径11，污泥通过第一流动路径11从生物反应器1排出；第一过滤器100，包括第一格网120，第一格网120根据尺寸对通过第一流动路径11排出的污泥中所含有的颗粒状微生物进行分离；第二流动路径12，已通过第一过滤器100的流出物流入第二流动路径12中；第三流动路径13，连接到第二流动路径12以将流出物排出到外部；第四流动路径14，连接到第二流动路径12的一侧且安装在第一过滤器100的与第一过滤器100的上面安装有第二流动路径12的表面连接的表面上，以使流出物循环到生物反应器1；第五流动路径15，已从第四流动路径14排出并通过第一过滤器100的流出物通过第五流动路径15流入生物反应器1中；以及第一泵10，产生流出物的流，其中第一格网120可旋转地安装在第一过滤器100上。
在可旋转地安装第一格网120的情况下，颗粒分离装置1000使已由于来自生物反应器1的液压而堵塞第一格网120的孔隙的颗粒能够通过液压返送回生物反应器1并进入生物反应器1中，从而通过连续的工艺去除来自生物反应器1的不需要的颗粒。
生物反应器1可存储污水或污泥(sludge)且含有用于生物除氮的厌氧铵氧化细菌等以及异养反硝化细菌等。本文所使用的用语“厌氧铵氧化细菌等”是指由厌氧铵氧化细菌及亚硝化细菌形成的颗粒体，且用语“异养反硝化细菌等”是指包括除厌氧铵氧化细菌以外的异养反硝化细菌及硝化细菌的细菌。
具体来说，生物反应器1可执行脱氨且含有具有不同生长速率的厌氧铵氧化细菌、亚硝化细菌、异养反硝化细菌及硝化细菌。颗粒分离装置1000使异养反硝化细菌及硝化细菌能够从生物反应器1连续排出。考虑到上述微生物的生长速率，用于每种微生物的适当的污泥停留时间(SRT)如表1所示。
存储在生物反应器1中的污泥可通过第一流动路径11从生物反应器1排出，且第一流动路径11可安装在第一过滤器100上。
第一过滤器100可包括第一格网120，第一格网120根据尺寸对污泥中所含有的颗粒状微生物进行分离并可旋转地安装在第一过滤器100上。第一格网120可具有50μm或大于50μm、具体来说50μm到500μm、例如100μm到500μm的孔隙直径。
如上所述，当第一格网120具有50μm或大于50μm的孔隙直径时，在已通过第一流动路径11从生物反应器1排出的微生物中，可控制厌氧铵氧化细菌不通过第一过滤器100，同时允许异养反硝化细菌通过第一过滤器100。
图2及图3分别是根据本发明示例性实施例的第一过滤器100、300的分解透视图。
参照图2，第一过滤器100可包括第一格网罩130及其中安装有第一格网120的壳体110，其中第一格网罩130可设置在第一格网120的前表面及后表面上，且第一格网120可通过穿过第一格网中心凹槽121及第一格网罩中心凹槽131的第一格网罩帽140安放在这两个第一格网罩130之间。
第一格网120可具有通过来自生物反应器1的流出物的液压而旋转的扇(fan)形状。另选地，可设置被构形为与马达60的齿轮啮合的第一格网中心凹槽221，以使第一格网220可通过马达60旋转，如图3所示。被配置成使第一格网220可通过马达60旋转的颗粒分离装置1000的实例示于图6到图13中。
图4及图5分别是根据本发明示例性实施例的壳体(具体来说第一过滤器100、300或者第四过滤器200、400的壳体)的图。
参照图4及图5，壳体500、600的第一流动路径连接孔111可具有比壳体500、600的第四流动路径连接孔114更大的面积。以这种方式，第四流动路径14具有比第一流动路径11更小的流动面积及因此更高的流出物流速，由此无需对泵提供过量的电力便可驱动用于颗粒分离的连续的工艺。此外，壳体500、600具有第二流动路径连接孔112、第四流动路径连接孔116以及第五流动路径连接孔115、117。
再次参照图1，已通过第一过滤器100的流出物可流入第二流动路径12中。此处，已通过第一过滤器100的流出物含有异养反硝化细菌，但含有很少或不含厌氧铵氧化细菌。参照图6，颗粒分离装置1000还可包括样品收集阀70，样品收集阀70安装在第二流动路径12上以对从生物反应器1排出的微生物执行组分分析，具体来说分析在已通过第一过滤器300的流出物中是否存在厌氧铵氧化细菌或者所述流出物中的异养反硝化细菌等的种类及含量，从而防止厌氧铵氧化细菌排出到生物反应器1外部。
另外，第二流动路径12可连接到第三流动路径13及第四流动路径14，流出物通过第三流动路径13从颗粒分离装置1000排出，流出物通过所述第四流动路径14流入第一过滤器300中以返回到生物反应器1。
参照图7，第三流动路径13是流出物从颗粒分离装置1000排出所通过的通道，且可包括安装在第三流动路径13上的样品收集阀70，以对从颗粒分离装置1000排出的微生物执行组分分析。以这种方式，用户可分析在通过第三流动路径13排出的流出物中是否存在厌氧铵氧化细菌或者所述流出物中的异养反硝化细菌的种类及含量。
参照图8，颗粒分离装置1000还可包括第二过滤器40，第二过滤器40设置在连接到第四流动路径14的第二流动路径12的一侧处，其中第二过滤器40可包括孔隙直径为1μm到50μm的第二格网以滤除异养反硝化细菌等。
另外，第二过滤器40可包括可旋转地安装在第二格网的表面上的刀片组件150、250，其中刀片组件150、250可包括旋转刀片160、260以及附接到刀片160、260的一侧的清洁刷170、270，如下所述。此处，清洁刷170、270可在刀片160、260旋转时接触第一格网120的一个表面的同时进行旋转。
以这种方式，颗粒分离装置1000可使已从生物反应器1排出的异养反硝化细菌等能够通过第二过滤器40滤除并防止流入第四流动路径14中同时使异养反硝化细菌等能够通过第二流动路径12及第三流动路径13从颗粒分离装置1000排出。另外，在对第二过滤器40提供刀片组件150、250的情况下，颗粒分离装置1000可防止第二格网被异养反硝化细菌等堵塞。
参照图9，颗粒分离装置1000还可包括滞留槽2，滞留槽2存储已从第二流动路径12排出的流出物，以使来自滞留槽2的流出物通过第四流动路径14流入生物反应器1中或通过第三流动路径13从颗粒分离装置1000排出。
以这种方式，与流出物直接通过连接到第二流动路径的一侧的第四流动路径14的情况相比，流出物可在通过第三流动路径13从颗粒分离装置1000排出之前停留在滞留槽2中，由此可改善返回到生物反应器1的流出物的比例或分离效率。
参照图10，第三过滤器50，第三过滤器50设置在连接到滞留槽2的第四流动路径14的入口处，其中第三过滤器50可包括孔隙直径为1μm到50μm的第三格网。
另外，第三过滤器50可包括可旋转地安装在第三格网的表面上的刀片组件150、250。刀片组件150、250的形状及效果可与在第二过滤器40中所述的相同。
第四流动路径14连接到第二流动路径12的一侧且安装在第一过滤器100的与第一过滤器100的上面安装有第二流动路径12的表面连接的表面上，以使流出物循环到生物反应器1。举例来说，第四流动路径14可安装在第一过滤器100的上面安装有第二流动路径12的表面上。
本文所使用的用语“连接到…的表面”可指可与对应的流动路径连接的一个壳体110、500、600的任何表面，而无论形成第一过滤器100、300或者第四过滤器200、400的壳体110、500、600的材料如何，且不受限制。举例来说，当第一格网120具有板形状时，第一流动路径11及第五流动路径15可安装在第一格网120的一个表面上，且第二流动路径12及第四流动路径14可安装在第一格网120的另一表面上。
以这种方式，即使当第一格网120的孔隙被通过第一流动路径11排出的污泥中所含有的厌氧铵氧化细菌堵塞时，在第一格网120旋转的情况下，颗粒分离装置1000也可使已通过第四流动路径14的流出物能够通过第一过滤器100而去往生物反应器1，从而迫使已堵塞第一格网120的孔隙的厌氧铵氧化细菌通过第五流动路径15流回到生物反应器1中。
颗粒分离装置1000还可包括产生液压的泵，已从生物反应器1排出的污泥及已通过第一过滤器100的流出物可利用所述液压通过第三流动路径13从颗粒分离装置1000排出或返回到生物反应器1。
尽管泵的种类及位置无特别限制，然而泵可包括分别连接到第一流动路径11、第二流动路径12、第三流动路径13、第四流动路径14及第五流动路径15中的一者或多者的一个或多个泵。举例来说，参照图1，第一泵10可连接到第二流动路径12。另选地，参照图23，第一泵10可连接到第一流动路径11。
参照图11及图12，颗粒分离装置1000还可包括除第一泵10之外的泵。具体来说，参照图11，颗粒分离装置1000还可包括第二泵20，第二泵20连接到位于第一过滤器300上游的第四流动路径14。参照图12，颗粒分离装置1000还可包括第三泵30，第三泵30连接到位于生物反应器1上游的第五流动路径15。图11及图12所示的颗粒分离装置1000也可包括参照图6到图10所述的样品收集阀70、第二过滤器40、第三过滤器50及滞留槽2。举例来说，颗粒分离装置1000还可包括第二泵20及滞留槽2，如图24所示。
图13是根据本发明另一实施例的颗粒分离装置2000的图。
颗粒分离装置2000包括：生物反应器1，存储含有颗粒状微生物的污泥(sludge)；第一流动路径11，污泥通过第一流动路径11从生物反应器1排出；第四过滤器200，包括第一格网120及刀片组件150，第一格网120根据尺寸对通过第一流动路径11排出的污泥中所含有的颗粒状微生物进行分离，刀片组件150可旋转地安装在第一格网120的表面上；第二流动路径12，已通过第四过滤器200的流出物通过第二流动路径12排出到外部；第三流动路径13，连接到第二流动路径12以将流出物排出到外部；第四流动路径14，连接到第二流动路径12的一侧且安装在第四过滤器200的与第四过滤器200的上面安装有第二流动路径12的表面连接的表面上，以使流出物循环到生物反应器1；第五流动路径15，已从第四流动路径14排出并通过第一过滤器100的流出物通过第五流动路径15流入生物反应器1中；以及第一泵10，产生流出物的流，其中刀片组件150包括旋转刀片160。
除了设置第四过滤器200、400代替第一过滤器之外，颗粒分离装置2000实质上相同于颗粒分离装置1000。具体来说，颗粒分离装置1000包括可旋转地安装在第一过滤器100、300上的第一格网120，而颗粒分离装置2000包括第四过滤器200、400，第四过滤器200、400包括安装在第四过滤器200、400上从而可在第一格网120的表面上旋转的刀片组件150。
现在，将详细阐述第四过滤器。
参照图14及图15，第四过滤器200、400可包括：第一格网120，根据尺寸对通过第一流动路径11排出的污泥中所含有的颗粒状微生物进行分离；以及刀片组件150、250，可旋转地安装在第一格网120的表面上。
具体来说，刀片组件150、250包括旋转刀片160、260以及附接到旋转刀片160、260的一侧的清洁刷170、270，其中清洁刷170、270可在刀片160、260旋转时接触第一格网120的一个表面的同时进行旋转。
尽管刀片160、260的形状无特别限制，然而刀片160、260可为轴向刀片，其中污泥的流入方向对应于污泥的流出方向。因此，刀片160、260可通过从生物反应器1排出的污泥的液压旋转，而无需用于旋转刀片160、260的任何单独的电力单元，如图14所示。另选地，刀片160、260可由马达60驱动，如图15所示。另外，参照图14及图15，刀片160、260可包括1到4个刀片，但并非仅限于此。
当刀片160、260旋转时，清洁刷170、270在第一格网120的表面上旋转，以将厌氧铵氧化细菌从第一格网120的孔隙中扫除，使得厌氧铵氧化细菌在被吸入第四过滤器的壳体110内的涡流之后，可通过第五流动路径15中的液压返回到生物反应器1。
根据本发明的另一方面，提供一种颗粒分离系统，所述颗粒分离系统包括颗粒分离装置1000、2000，其中生物反应器1存储选自由厌氧铵氧化细菌、异养反硝化细菌、亚硝化细菌及硝化细菌组成的群组中的至少一种颗粒微生物，且颗粒状微生物是根据尺寸来分离以排出到生物反应器1外部或被集中在生物反应器1中。
颗粒分离系统含有由厌氧铵氧化细菌及亚硝化细菌形成的颗粒体。此处，在除氮工艺期间，氧为剧毒的厌氧铵氧化细菌可聚集在由亚硝化细菌形成的薄膜内，如上文关于颗粒分离装置1000、2000所述。
可对颗粒分离系统进行操作以防止由厌氧铵氧化细菌及亚硝化细菌形成的颗粒体通过第一格网120、220，同时允许硝化细菌通过第一格网120、220，使得硝化细菌可从生物反应器1连续地排出，而厌氧铵氧化细菌可被集中在生物反应器1中。
优选地，由厌氧铵氧化细菌及亚硝化细菌形成的颗粒体被集中在生物反应器1中，使得厌氧铵氧化细菌可相对于异养反硝化细菌保持占优势。举例来说，以颗粒体的总体积100％计，可将80％或大于80％、尤其是90％或大于90％的颗粒体集中在生物反应器中。
接下来，将参照实例更详细地阐述本发明。然而，应注意，提供这些实例仅用于说明，且不应以任何方式解释为限制本发明。另外，为清晰起见，将省略对所属领域中的技术人员显而易见的细节的说明。
制备例—准备生物反应器1
为了实施其中连续地执行亚硝化、厌氧铵氧化及异养反硝化的除氮工艺，准备10L的序批式反应器，如图16所示，且构建了能够实时监测氧化还原电位(oxidationreduction potential，ORP)、溶解氧(dissolved oxygen，DO)及pH的系统，使得DO可自动保持在0.5mg O2/L以下。
在排出速率为33％(以生物反应器的总体积计)且初始水力停留时间为10.5小时的条件下对生物反应器1进行了操作。为了提高除氮率，另外植入了微生物，然后将生物反应器中的水力停留时间调整到0.84天。一个循环是由12个逐步流入物-注入子循环(subcycle)组成，如图17所示。在每个子循环(sub cycle)中，控制曝气时间以依序诱导异养反硝化、厌氧铵氧化及部分亚硝化。
另外，为了评价相对于实际消化的污泥上清液的除氮性能，制备了模仿上清液组成的合成废水并将其引入生物反应器1中。
表2
Figure GDA0003061549620000151
Figure GDA0003061549620000161
实例及比较例
为了评价微生物活性随着第一格网的孔隙直径的变化，对从脱氨反应器收集的污泥进行依序筛分(sieving)以获得污泥样品，如图18所示。植入生物反应器1中的颗粒状微生物的分布如图19所示。通过收集残留在孔径为500μm的筛上的微生物而获得的污泥样品、通过收集残留在孔径为355μm的筛上的微生物而获得的污泥样品、通过收集残留在孔径为200μm的筛上的微生物而获得的污泥样品、通过收集残留在孔径为100μm的筛上的微生物而获得的污泥样品、通过收集残留在孔径为50μm的筛上的微生物而获得的样品以及通过收集穿过孔径为50μm的筛的微生物而获得的样品分别被称为“比较例1”、“实例1”、“实例2”、“实例3”、“实例4”及“比较例2”。
实验例1：比较颗粒状微生物的活性
对实例1到实例4以及比较例1到比较例2的各污泥样品中所包含的厌氧铵氧化细菌及异养反硝化细菌的活性进行了测量。具体来说，根据特定厌氧铵氧化活性(specificanammox activity，SAA)确定了厌氧铵氧化细菌的活性，且根据特定硝酸盐利用率(specific nitrate utilization rate，SNUR)确定了异养反硝化细菌的活性，并且评价结果示于图20中。另外，根据特定氧摄取率(specific oxygen uptake rate，SOUR)确定了硝化细菌及亚硝化细菌的活性，且评价结果示于图21中。
参照图20，在实例4的污泥样品(粒径：50μm到100μm)及比较例2的污泥样品(粒径：小于50μm)中的每一者中，异养反硝化细菌相对于厌氧铵氧化细菌占优势，而在实例3的污泥样品(粒径：100μm到200μm)、实例2的污泥样品(粒径：200μm到355μm)、实例1的污泥样品(粒径：355μm到500μm)及比较例1的污泥样品(粒径：大于500μm)中的每一者中，厌氧铵氧化细菌相对于异养反硝化细菌占优势。特别是，在粒径为200μm或大于200μm的污泥样品中，异养反硝化细菌几乎不被活化。
因此，可以看出当根据本发明的颗粒分离装置1000、2000的第一格网120、220具有100μm或大于100μm的孔径时，厌氧铵氧化细菌可在生物反应器1中占优势，而异养反硝化细菌可通过第一格网120、220排出到生物反应器1外部，且当第一格网120、220具有200μm或大于200μm的孔径时，异养反硝化细菌几乎不残留在生物反应器1中。
另外，参照图21，可以看出在实例1到实例4以及比较例1到比较例2的每个污泥样品中，亚硝化细菌相对于硝化细菌占优势。尤其是，可以看出，当使用孔径为200μm的第一格网120、220时，硝化细菌表现出极低的活性，且因此可充分地排出到生物反应器1外部。另外，可以看出在粒径小于100μm的污泥样品及粒径小于50μm的污泥样品中的每一者中，与其他污泥样品的活性相比，硝化细菌的活性几乎没有变化，而亚硝化细菌的活性降低。
因此，可以看出当根据本发明的颗粒分离装置1000、2000的第一格网120、220具有50μm或大于50μm的孔径时，颗粒分离装置1000、2000的操作条件可易于根据生物反应器1的条件(例如，生物反应器1中所含有的污泥的温度或性质变化)来控制。如图20及图21所示，由于当颗粒状微生物具有小于100μm或小于50μm的粒径时异养反硝化细菌及硝化细菌的活性几乎保持不变而厌氧铵氧化细菌及亚硝化细菌的活性大大降低，因此，颗粒分离装置的操作条件可易于通过依据要从生物反应器1排出且最终从颗粒分离装置1000、2000排出的微生物的比例将第一格网120、220的孔径调整为处于50μm到100μm的范围内来控制，根据表1所示SRT来确定，而不改变其他条件。
实验例2：比较厌氧铵氧化细菌与异养反硝化细菌的集中程度
基于实例1到实例3以及比较例1的每一污泥样品中所含有的厌氧铵氧化细菌及异养反硝化细菌的累积活性，通过筛分对每个污泥样品的微生物的集中程度进行了测量。结果示于图22中。
参照图22，在粒径为100μm或大于100μm的实例1到3及比较例1的污泥样品中，可以看出以对应的微生物的总体积100％计，通过筛分(sieve)对95.7％的厌氧铵氧化细菌及34.7％的异养反硝化细菌进行了集中。
因此，可以看出当根据本发明的颗粒分离装置1000、2000的第一格网120、220具有100μm或大于100μm的孔径时，厌氧铵氧化细菌可以高的产率在生物反应器1中分离并集中。
尽管本文已阐述了一些实施例，然而应该理解，提供这些实施例仅用于说明且不应以任何方式解释为限制本发明，并且在不背离本发明的精神及范围的条件下，所属领域中的技术人员可作出各种修改、改变、变更及等效实施例。本发明的范围应由随附权利要求书及其等效形式来界定。

Claims (20)

1.一种颗粒分离装置，包括：
生物反应器，存储含有颗粒状微生物的污泥；
第一流动路径，所述污泥通过所述第一流动路径从所述生物反应器排出；
第一过滤器，包括第一格网，所述第一格网根据尺寸对通过所述第一流动路径排出的所述污泥中所含有的所述颗粒状微生物进行分离；
第二流动路径，已通过所述第一过滤器的流出物流入所述第二流动路径中；
第三流动路径，连接到所述第二流动路径以将所述流出物排出到外部；
第四流动路径，连接到所述第二流动路径的一侧，且安装在所述第一过滤器的与所述第一过滤器的上面安装有所述第二流动路径的表面连接的表面上，以使所述流出物循环到所述生物反应器；
第五流动路径，已从所述第四流动路径排出并通过所述第一过滤器的所述流出物通过所述第五流动路径流入所述生物反应器中；以及
第一泵，产生所述流出物的流，
其中所述第一格网能够旋转地安装在所述第一过滤器上。
2.根据权利要求1所述的颗粒分离装置，其中所述第一格网具有50微米到500微米的孔隙直径。
3.根据权利要求1所述的颗粒分离装置，其中连接到所述第一过滤器的一侧的第一流动路径连接孔具有大于连接到所述第一过滤器的一侧的第四流动路径连接孔的面积。
4.根据权利要求1所述的颗粒分离装置，其中所述第二流动路径接触所述第一泵。
5.根据权利要求4所述的颗粒分离装置，还包括：
第二泵，设置在位于所述第一过滤器上游的所述第四流动路径上。
6.根据权利要求4所述的颗粒分离装置，还包括：
第三泵，设置在位于所述生物反应器上游的所述第五流动路径上。
7.根据权利要求1所述的颗粒分离装置，还包括：
滞留槽，存储从所述第二流动路径排出的所述流出物，以使来自所述滞留槽的所述流出物通过所述第四流动路径流入所述生物反应器中或者通过所述第三流动路径从所述颗粒分离装置排出。
8.根据权利要求1所述的颗粒分离装置，还包括：
样品收集阀，安装在所述第二流动路径上以对从所述生物反应器排出的所述颗粒状微生物执行组分分析。
9.根据权利要求1所述的颗粒分离装置，其中所述第一过滤器还包括固定到所述第一格网的表面的刀片组件。
10.一种颗粒分离系统，包括根据权利要求1所述的颗粒分离装置，其中所述颗粒状微生物包括选自由厌氧铵氧化细菌、异养反硝化细菌、亚硝化细菌及硝化细菌组成的群组中的至少一种，且所述颗粒分离系统根据尺寸对所述颗粒状微生物进行分离并使分离的所述颗粒状微生物能够排出到所述生物反应器外部或能够集中在所述生物反应器中。
11.根据权利要求10所述的颗粒分离系统，其中所述颗粒状微生物包括由所述厌氧铵氧化细菌及所述亚硝化细菌形成的颗粒体，且对所述颗粒分离系统进行操作以防止所述由所述厌氧铵氧化细菌及所述亚硝化细菌形成的颗粒体通过所述第一格网同时允许所述硝化细菌通过所述第一格网。
12.一种颗粒分离装置，包括：
生物反应器，存储含有颗粒状微生物的污泥；
第一流动路径，所述污泥通过所述第一流动路径从所述生物反应器排出；
第四过滤器，包括第一格网及刀片组件，所述第一格网根据尺寸对通过所述第一流动路径排出的所述污泥中所含有的所述颗粒状微生物进行分离，所述刀片组件能够旋转地安装在所述第一格网的表面上；
第二流动路径，已通过所述第四过滤器的流出物通过所述第二流动路径被排出到外部；
第三流动路径，连接到所述第二流动路径以将所述流出物排出到外部；
第四流动路径，连接到所述第二流动路径的一侧，且安装在所述第四过滤器的与所述第四过滤器的上面安装有所述第二流动路径的表面连接的表面上，以使所述流出物循环到所述生物反应器；
第五流动路径，已从所述第四流动路径排出并通过所述第四过滤器的所述流出物通过所述第五流动路径流入所述生物反应器中；以及
第一泵，产生所述流出物的流，
其中所述刀片组件包括旋转刀片。
13.根据权利要求12所述的颗粒分离装置，其中所述刀片组件包括附接到所述刀片的一侧的清洁刷，所述清洁刷适于在所述刀片旋转时接触所述第一格网的一个表面的同时进行旋转。
14.根据权利要求12所述的颗粒分离装置，其中连接到所述第四过滤器的一侧的第一流动路径连接孔具有大于连接到所述第四过滤器的一侧的第四流动路径连接孔的面积。
15.根据权利要求12所述的颗粒分离装置，其中所述第一格网具有50微米到500微米的孔隙直径。
16.根据权利要求12所述的颗粒分离装置，其中所述第二流动路径接触所述第一泵。
17.根据权利要求16所述的颗粒分离装置，还包括：
第二泵，设置在位于所述第四过滤器上游的所述第四流动路径上。
18.根据权利要求12所述的颗粒分离装置，还包括：
滞留槽，存储从所述第二流动路径排出的所述流出物，以使来自所述滞留槽的所述流出物通过所述第四流动路径流入所述生物反应器中或者通过所述第三流动路径从所述颗粒分离装置排出。
19.一种颗粒分离系统，包括根据权利要求12所述的颗粒分离装置，其中所述颗粒状微生物包括选自由厌氧铵氧化细菌、异养反硝化细菌、亚硝化细菌及硝化细菌组成的群组中的至少一种，且所述颗粒分离系统根据尺寸对所述颗粒状微生物进行分离并使分离的所述颗粒状微生物能够排出到所述生物反应器外部或能够集中在所述生物反应器中。
20.根据权利要求19所述的颗粒分离系统，其中所述颗粒状微生物包括由所述厌氧铵氧化细菌及所述亚硝化细菌形成的颗粒体，且对所述颗粒分离系统进行操作以防止所述由所述厌氧铵氧化细菌及所述亚硝化细菌形成的颗粒体通过所述第一格网同时允许所述硝化细菌通过所述第一格网。
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