CN109906207A - 通过厌氧生物反应器处理高浓度废水的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了使用陶瓷膜厌氧处理对高化学需氧量的废水进行处理的方法、系统和设备。还提供了使用微生物燃料电池的后处理。

Description

通过厌氧生物反应器处理高浓度废水的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月21日提交的印度专利申请第201611036169号的优先权。该申请通过引用并入本发明。
背景技术
技术领域
实施方案涉及通过厌氧处理对高浓度废水进行处理。陶瓷膜也被纳入该处理中。
相关技术背景
厌氧处理已被用于处理浓缩的工业废水以及生活废水(参见“Comparisonsbetween the UASB and the EGSB Reactor”，Seung J.Lim)。Jewel(1987)报道，化粪池是最简单、最古老和最广泛应用的工艺。
厌氧处理是一种能量产生过程，与通常需要高能量输入以进行曝气的好氧系统相反。与传统的好氧技术相比，它消耗更少的能量、占据更少空间并产生更少的剩余污泥，是相对简单且廉价的技术。沼气产生的净能量使厌氧处理技术成为比其他处理方法更有吸引力的选择1。(参见Anaerobic Treatment of Industrial Effluents:An Overview ofApplications.Mustafa Evren Ersahin，Hale Ozgun，Recep Kaan Dereli和IzzetOzturk。)
厌氧废水处理的成功可归因于通过生物质固定将固体保留时间与水力保留时间有效分开。这通常通过生物膜或造粒来完成。使用膜技术将生物质与流出物分离是另一种在厌氧反应器中保留生物质的有吸引力的方法。(参见Developments and futurepotentials of anaerobic membrane bioreactors(AnMBRs)，Chettiyappan Visvanathan和Amila Abeynayaka。)
厌氧膜生物反应器(“An.MBR”)提供了高质量的无固体和病原体的流出物，归因于无论它们的沉降和造粒性能如何都可完全保留生物质的优异处理效率。此外，厌氧膜生物反应器可用于保留可降解废水中特定污染物的特殊微生物群落。因此，该技术提供了用于处理工业废水和/或极端条件的浆料的替代选择，极端条件例如高盐度、高温和高浓度的悬浮固体。根据膜组件的操作区分厌氧膜生物反应器。膜可以在压力下操作或者可以在真空下操作。
尽管厌氧膜生物反应器可以生成高质量且一致的产品，但是与操作相关的某些问题仍未被解决。例如，这些问题包括膜污染、聚合物膜的限制、在高温下特别是在嗜热范围内操作、聚合物膜对某些氧化剂或生物活动的敏感性、膜处理腐蚀性化学清洁的限制和处理高浓度的有机或无机悬浮固体的机械性能。
发明内容
需要一种可以解决膜相关问题的方法，并且为其在不同类型的废水中的广泛应用制造稳健的系统。还需要后处理或深度处理机作为厌氧工艺的一部分，使得经处理的水产品在排放标准内，并且运行成本低。如本文所报道的本发明的实施方案可以但不需要克服这些缺点中的一个或多于一个。它们还可以但同样不需要实现下面报道的一个或多于一个目标。
这些目标包括，例如：
1.开发厌氧膜生物反应器工艺用于处理不同类型的废水。
2.设计可在嗜中温和嗜热条件下的广泛温度范围内操作的厌氧膜生物反应器工艺。该工艺用水应该能够在不冷却的情况下处理高温水。
3.提出可在广泛的温度和pH应用范围内操作的厌氧工艺与高性能膜的集成。
4.确定厌氧工艺在不同阶段的质量平衡。提出一种高效的混合系统，该系统可以产生细碎形式的高反应性污泥，但仍然不会污染膜。
5.设计用于厌氧工艺的具有产生额外能量潜力的后处理工艺。
实施方案提供了用于高浓度废水的生物厌氧处理的方法和装置。实施方案包括至少一个连续搅拌的厌氧反应器，其可以在嗜中温或嗜热的生物条件范围下操作。实施方案还可以提供用于分离污泥和水的外部操作的陶瓷膜组件的集成。
在不同类型的废水下测试厌氧反应器，以开发生物工艺和操作参数。还为陶瓷膜过滤厌氧混合液的操作提供了条件。实施方案可以在不同反应器条件下呈现产甲烷活性的质量平衡和数据生成。实施方案可用于不同类型的废水。这些废水包括，例如，来自糖、乳制品和啤酒厂行业的那些。
实施方案可以在厌氧膜生物反应器中降低高达98％的化学需氧量(COD)。已经观察到高百分比的产甲烷作用，平均为0.3m3/Kg.COD气体生成。该系统的COD负荷为1Kg.COD/m3·天至20Kg.COD/m3·天，更具体地为3Kg.COD/m3·天至15Kg.COD/m3·天。反应器在30℃至70℃的温度范围内操作，更具体地在35℃至57℃的温度范围内操作。外部操作的陶瓷膜以错流模式操作。来自膜组件的液体通量为3lmh至50lmh，更具体地为5lmh至30lmh。
陶瓷膜在高温操作下表现出良好的耐受性，并且耐受在清洁期间可变的pH条件。它还提供了良好的机械强度以在高跨膜压力(TMP)下操作。与嗜中温过程相比，嗜热过程显示改善了沼气的产生。质量平衡数据显示，对于嗜中温范围，产甲烷作用为50％至90％，对于嗜热范围，产甲烷作用高达94％。
实施方案还提供了对厌氧产物水进行后处理的方法，用闭合回路中的微生物燃料电池深度处理厌氧膜生物反应器产物水以进一步降低COD。该工艺的典型流程如图1所示。
该工艺的主要优点可归纳如下：
1.集成的厌氧工艺，其结合了为高浓度废水提供高COD处理的高效厌氧反应器，几乎定量的甲烷气体产量，以及稳健且不结垢的膜系统。
2.独特设计的水力混合器，其确保即使在高MLSS浓度下反应器也能保持连续混合，同时保持污泥以提供高反应性环境并调节粒度，使其对膜保持不结垢并且通过膜的泄漏仍然可以忽略不计。
3.可在各种温度下灵活操作而无需改变基本设计的工艺。
4.与聚合物膜相比，提供数量级更高的通量的稳健膜系统设计能够承受高温工艺操作同时保持抗污染性并且能够用包括氧化剂的腐蚀性化学清洁化合物清洁。
5.与独特后处理的集成，其易于操作，在不添加任何悬浮固体污染的情况下提供产物，并有可能从工艺中提供额外能量。
附图说明
图1示出了本文报道的工艺的典型流程图。
图2示出了厌氧消化的代谢途径。
图3示出了本发明实施方案的详细流程图。
图4示出了本发明的后处理方法的概念流程图。
图5示出了实施例1中的COD减少。
图6示出了在下面的实施例1中在COD负荷条件下维持的甲烷气体产量。
图7示出了实施例2中稳定的反应器性能和98％的COD减少。
图8示出了实施例3中的COD结果。
图9示出了实施例3中的甲烷产生数据。
图10A示出了实施例4中的COD负荷增加。
图10B示出了实施例4在嗜热温度下的操作。
图11示出了实施例5中的膜通量和浊度。
图12示出了在嗜热条件下的陶瓷膜性能。
具体实施方式
在化学和微生物学方面，厌氧工艺是一个复杂的多步骤过程。有机材料在不存在如氧气的电子受体的情况下降解为基本成分，最后降解为甲烷气体。厌氧消化的基本代谢途径如图2所示。
厌氧消化集中在三个步骤：
a.水解
b.酸形成
c.甲烷生成
厌氧消化中的两个限速步骤是水解和甲烷生成。厌氧降解中的限速步骤取决于经受处理的废水的性质或复杂性。水解速率是pH、温度、水解生物质浓度和颗粒有机物类型的函数。不同组的细菌如发酵产乙酸菌(fermentative acetognes)、同型产乙酸菌(homoacetogenes)、氢营养型产甲烷菌(hydrogenetropic methanogen)和醋酸发酵产甲烷菌(aceticlastic methanogen)进行复杂有机物的厌氧降解。厌氧微生物，尤其是产甲烷菌，对环境变化高度敏感。产甲烷菌对基质负荷也非常敏感。产乙酸菌/产酸菌的最佳pH值为5.5至7.2，产甲烷菌的最佳pH值为6.8至7.8。
厌氧处理可以在低速厌氧反应器如厌氧池或化粪池中进行。高速厌氧处理还可以分类为悬浮生长工艺或附着生长工艺。厌氧消化池、连续搅拌釜式反应器(CSTR)、升流式厌氧污泥床(UASB)和厌氧膜生物反应器是一些悬浮生长工艺。
在厌氧工艺中，厌氧微生物系统失电子形成甲烷，而不是因为不存在氧气作为电子受体，使用它们来使更多的微生物生长。这导致低生物质产量，其中较少的生物质产量是降低污泥处理成本的优势。然而，在反应器内维持缓慢生长的产甲烷菌的数量是困难的。在反应器中保留足够的生物质是成功操作厌氧工艺的关键因素。
已经进行了将细胞保留在反应器中的颗粒污泥和微生物生物膜的许多技术开发以维持更高的生物量。像UASB这样的厌氧颗粒污泥工艺已被证明是有用的。然而，各种工业废水的特性对污泥造粒过程产生负面影响，甚至导致脱颗粒和生物质的损失。高悬浮固体(SS)、高温、脂肪和油脂(FOG)含量、毒性、高盐度、有机负荷率(OLR)的显著变化和显著的HRT波动可以作为极端情况的实例给出，并且对厌氧反应器的性能产生负面影响。
本发明开发的厌氧膜生物反应器工艺可以通过提供工艺稳定性来克服上述缺点并且还能产生高质量的产物。作为与膜系统相结合的集成工艺，它还具有各种优点。
用于过滤厌氧污泥的聚合物膜是一项挑战，因为高度精细的悬浮污泥会迅速污染膜。如果膜在潜水状态下使用，则需要频繁的膜清洁，并且保持其生产力可能是艰巨的任务。膜可能需要高频率的化学清洁，这会影响膜的寿命和系统的总生产力。
本发明使用陶瓷膜系统用外部配置的水过滤污泥。陶瓷膜可耐受高达85℃的高温，并且还可防止由于错流流速造成的污垢。可以使用腐蚀性化学清洁条件清洁它们。
陶瓷膜是稳健的。它可以连续工作很长一段时间，提供高通量操作；与聚合物膜相比，通量可以高3倍至10倍。本发明开发的工艺使用较少的化学清洁。
不同类型和配置的陶瓷膜可用于该工艺。在实施方案中使用的陶瓷膜可以耐受1至14的清洁pH和高达110℃和85℃的温度以进行连续操作。该膜具有良好分布和可控的0.05μ的孔径。膜可以承受60psi的操作压力，取决于其结构，膜可以在内外模式下运行，也可以在外内模式下运行。在一个实施方案中，陶瓷膜的管径为3.6mm，其可处理高黏性流体。在其他实施方案中，管径为3mm至4mm。
虽然陶瓷膜可用于浸没式和侧流式操作，但本发明中使用的膜以侧流配置操作，这提供了若干操作优点。这些优点包括，例如，系统的紧凑性、膜的可及性以及在维护期间容易移除或打开组件。由于过滤单元可以从生物过程中分离出来，因此化学清洁更容易。在非操作时间或长时间关闭期间的保存和存储是简单的。
根据实施方案的方法的详细流程图显示在图3中。
参考图3，我们提出了厌氧膜生物反应器，其也被称为An.MBR。这包括结合了生物反应器和膜分离系统的紧凑型纯化系统。本文所述的工艺能够处理构成可生物降解的碳的高浓度废水。厌氧系统包括生物反应器、膜单元、反冲洗罐和膜清洁单元。该系统结合了多种工艺和操作，从而将可生物降解的碳化学转化为二氧化碳/甲烷，并将污泥和水物理分离。
系统操作从进料罐10开始，进料罐10可以是组合和储存来自不同流的水的平衡罐。它为生物过程提供了一致的进料。泵10A将水从进料罐10送到生物反应器。这是具有处理高度悬浮的细固体污泥的能力的污泥水泵。提供计量系统20以供应生物反应器中的pH平衡和微量营养素平衡。提供加热系统10B以维持生物系统的进料水温度。
在本发明的一个实施方案中，用三到四种不同的废水研究嗜中温过程，在另一个实施方案中，研究了嗜热过程。热源10B将给水温度控制在35℃至60℃。如果进料水是热的，则可能不需要加热水。加热系统用于保持温度。
线10C向生物反应器30提供进料水。线10C是绝热的，以避免水进入生物过程之前的温度损失。生物反应器30是混合的生物反应器，并且它也是绝热的以控制反应混合物的温度。废水中的成分在生物反应器30中分解。废水中的可生物降解的碳转化为二氧化碳和甲烷，而以有机氮形式存在的氮转化为氨氮。在转化为最终产物之前，废水中的可生物降解成分经历不同的步骤。它们首先在水解步骤中从长链分解成短链化合物。其他短链化合物在发酵步骤中转化为乙酸盐，最后转化为甲烷、二氧化碳和氨。
生物反应器30是混合反应器，其使污泥水均匀混合。它包括两个主要部件，水力混合器30A和扩散器30B。生物反应器还包括顶部的开口30C，用于排出可生物降解的碳化合物降解后产生的沼气。来自线10C的预热的进料水进入水力混合器30A。独特地设计水力混合器30A，使得当水离开水力混合器时，它以在该区域中产生流体运动的一定速度离开。
在水力混合器30A中产生速度差，这有助于产生液体的运动。在混合器的整个长度上提供特定尺寸的喷嘴30D。两个喷嘴之间的距离为200m至1200m，更具体地为300mm至800mm。这些喷嘴30D设置在水力混合器30A的中心管的周围。在设计喷嘴位置时保持60°的角度，以便覆盖上部和下部的长度以进行混合。水力混合器的效率取决于通过设计喷嘴的出口速度。内管上的水的速度以及当从喷嘴30D排出时水的速度使反应器中进行混合。
基于无量纲分析得出了速度之间的关系。(弗劳德数和雷诺数)。中心管中的流体速度为0.3米/秒至2.5米/秒，更具体地为0.4米/秒至1.6米/秒。当流体离开喷嘴30D时，其速度增加到3米/秒至14米/秒。当流体离开喷嘴时，它在水力混合器的不同长度处产生圆周运动，这使得反应器中的总流体保持在混合状态。生物反应器30还包括扩散器30B，其设置用于冲洗生物反应器的顶部。扩散器30D的孔径为1mm至12mm，更具体地，为3mm至8mm。它分配从线40C收到的混合液。分配器30B的作用是通过从顶部冲洗来控制生物反应器内的发泡。它有助于减少和/或除去反应器内形成的泡沫以保持稳定状态。
实施方案包括用于分离污泥和水的陶瓷膜组件40。生物可降解组分降解后的生物反应混合物通过膜进料泵40A泵送进入膜组件。用于本发明的陶瓷膜是侧流内外管式膜。膜组件构成从两端灌封的多个陶瓷通道。生物反应混合物在1Kg/cm2至5Kg/cm2的压力下从内部进入膜组件，水通过组件的孔与污泥分离。例如，陶瓷膜可以是微滤膜或超滤膜。
在一个实施方案中，使用超滤级陶瓷膜，其孔径为0.01微米至0.05微米。陶瓷膜可以垂直或水平放置在生物反应器外面。膜组件可以一个在另一个上方垂直布置，以利用较小的占地面积并减少操作所需的总错流。如果需要，组件也可以水平串联布置。
在本发明的一个实施方案中，陶瓷膜组件40放置于垂直位置。它以错流模式运行。操作的错流流速为0.5米/秒至5.0米/秒，更具体地为1.5米/秒至4.0米/秒。陶瓷膜分离污泥和水。陶瓷膜组件的通量为5lmh至200lmh，更具体地为15lmh至100lmh。渗透水通过线40D从膜组件40中流出。陶瓷膜的交叉循环流分为两部分。一部分通过线40C在生物反应器30中再循环。线40C连接到扩散器30B。来自膜组件的错流循环流的另一部分也通过线40B再循环到生物反应器中。线40B连接线10C，然后线10C通常进入液压扩散器30A。
来自膜组件40的渗透物分成两部分，一部分通过线40F进入经处理的流出物罐50，而另一部分连接到反向扩散罐70。反向扩散罐用于在高压下对陶瓷膜进行几秒钟的中间物理清洁。它有助于去除膜表面上形成的薄污泥层。它还减少了化学清洁的频率。厌氧膜生物反应器系统中使用陶瓷膜的另一个优点是它需要几秒钟的反向扩散或反向脉冲，并且需要的水量较少，这提高了整个系统的回收率。经处理的流出物沿线50A排出。它还进入后处理步骤，其在本发明的另一个实施方案中描述。提供化学清洁罐60用于定期清洁陶瓷膜组件40。仅当膜通量由于结垢而下降并且未通过反向扩散或反向脉冲恢复时才需要化学清洁。各种化学物质如次氯酸钠、氢氧化钠、柠檬酸、盐酸用于清洁目的，这取决于用泵40A使溶液通过膜组件的结垢程度。将化学品再循环5分钟至60分钟并在碱性和酸性条件下浸泡0.5小时至12小时。陶瓷膜的优点是它可以承受2至11的化学pH。提供线40G用于膜组件中化学品的再循环。
实施方案提供了用于后处理来自厌氧膜生物反应器系统的经处理的流出物的方法。通常，好氧过程根据需要主要应用于后处理。在本发明的实施方案中，应用微生物燃料电池以进一步从厌氧膜生物反应器处理的流出物中除去可溶性COD。使用微生物燃料电池(MFC)的优点是它可以在厌氧和好氧条件下工作。由于来自厌氧工艺的经处理的流出物已经不含氧气，并且还含有可溶性COD，因此可以进行MFC操作的厌氧反应。使用MFC的目的是减少来自厌氧膜生物反应器的经处理的流出物的可溶性COD，并将其COD减少至可放电极限或在不添加任何悬浮固体的情况下重复使用。
图4示出了本发明的后处理方法的概念流程图。在基本MFC电池中，使用两个电极和一个阳离子交换膜。可以使用各种类型的电极材料，如不锈钢、钛、碳、碳刷、碳棒。本发明的一个实施方案使用石墨板作为电极材料。石墨材料具有高导电性、低成本高效益并且可以在高电流密度下操作并且提供相对低的电阻。在MFC中使用的两个电极中，一个充当阳极而另一个充当阴极。电极通过非均相阳离子交换膜分离。用于本发明的阳离子交换膜是非均相阳离子交换膜，其允许正离子通过它。MFC的一个电池由阳极、阳离子交换膜和阴极组成。多电池MFC可以用1个电池至10个电池制得。
在本发明的一个实施方案中，使用4电池MFC堆叠来处理厌氧膜生物反应器流出物。在MFC中，厌氧膜生物反应器处理的具有低ORP的流出物通过阳极室，而高ORP富氧水通过阴极室。低ORP区水的残余COD在阳极表面上有厌氧细菌膜的阳极室中开始降解，而降解产生电子、二氧化碳、水和氢离子。产生的电子被阳极电极吸引，产生的氢离子通过离子选择性阳离子交换膜传输。
通过阳离子交换膜，氢离子进入阴极室，在那里与氧气接触形成水分子。在阳极室中产生的电子完成电路并产生电位差。这种电位差只不过是产生的电。在处理来自厌氧膜生物反应器的流出物的残留COD时，MFC不需要像好氧过程中所需的任何额外能量，并且在这个新型后处理步骤中反而产生能量。
在本发明中，MFC单元在HRT为0.5小时至20小时、更具体地为2小时至12小时的条件下操作，以降低残余COD。MFC单元平均降低了COD50％至70％，并使污水在排放限制内。同时观察到有机化合物的降解产生高达1.5V至2.0V的电压。通过MFC模块的发电量为3.3mW/m3。
参考本发明的案例研究
进行了许多实验以验证和证实本发明上述的结果。在嗜中温和嗜热温度范围内研究厌氧工艺。在嗜中温范围内，在37+/-1℃的温度下研究反应器，而在嗜热范围内，温度增加到57+/-1℃。使用不同类型的水条件如葡萄糖水、乳品废水和啤酒厂废水来理解反应器以及膜性能。
实施例1葡萄糖水研究
在该部分研究中，反应器使用模拟水运行，在模拟水中葡萄糖作为COD和BOD的贡献者和其他成分用于碱度、TDS和宏量/微量营养素均衡。系统按照图3中所示的流程图运行。这是研究的初始阶段，因此通过控制通过膜的通量，使反应器在低有机负荷下运行。最初反应器在5000毫克/升的进料COD下操作，然后逐渐将该COD增加至15000毫克/升。随着进料COD的增加，反应器HRT逐渐增加。从最初的32小时开始，反应器的HRT逐渐增加到70小时。这样做是为了维持反应器的有机负荷并避免在启动期间的冲击负荷。随着COD的增加，MLSS也增加，并且在进料COD为14000毫克/升时增加至25000毫克/升。在试验期间，反应器的COD负荷为3.4Kg/m3·天至4.2Kg/m3·天。
表1
HRT MLSS 进料COD COD减少
小时 毫克/升 毫克/升 ％
32 11700 5200 91.45
39 13000 7800 91.00
47 19300 9300 97.00
58 19000 11000 98.30
70 25500 14000 99.11
如表1所示，随着COD的增加，COD减少得以维持/改善。该研究延长至下一阶段，其中厌氧反应器的有机负荷增加至10Kg/m3·天。进料COD保持在15000毫克/升的范围内并且膜通量增加。随着通量的增加，反应器的HRT从70小时降低至40小时。
表2
HRT MLSS 进料COD COD减少 COD负载
小时 毫克/升 毫克/升 ％ Kg/m<sup>3</sup>·天
70 25500 14000 99.1 3.30
65 28700 14300 98.6 4.62
61 27800 14300 98.8 4.92
55 26600 13200 98.0 5.00
50 23000 15700 97.0 6.59
45 22400 15600 99.0 6.24
40 23400 15000 98.0 9.00
如表2和图5所示，在整个试验期间保持系统的COD减少。在该以葡萄糖废水为案例研究期间的陶瓷膜系统操作在8lmh至20lmh通量下进行。膜组件的平均出口浊度＜5.0NTU。这表明膜对所有固体污泥的截留率。操作期间没有污泥损失。因此厌氧反应器可以保留更多的MLSS并且可以操作高COD负荷。在试验期间，在COD减少和甲烷生成方面进行了质量平衡研究。在所有步骤中观察到超过90％、更具体地95％的甲烷生成，并且甲烷气体生成为0.33m3/Kg COD。
如图6所示，在所有COD负荷条件下维持甲烷气体产量。质量平衡列于表3中。
表3
参数 单位 值
每千克COD生成的平均气体量 M<sup>3</sup>/Kg/天 0.33
水解％ ％ 92.77
酸化％ ％ 97.00
甲烷生成％ ％ 95.00
实施例2乳品废水研究
使用如图3所示的类似流程图进行乳品废水的研究。反应器温度保持在37℃，处于嗜中温范围。使用具有乳品废水的模拟水作为进料。将微量营养素添加到进料水中。废水的组成如表4所示。
表4乳品废水的组成
组分 贡献％
碳水化合物 52.3
蛋白质 6.6
糖 34.9
脂肪 6.2
对于乳品废水，系统连续运行123天。如图7所示，观察到稳定的反应器性能并且COD减少保持在98％。
进行乳品废水的质量平衡以了解水解、酸化和甲烷生成方面的进展。
详情列于表5中。
表5
与葡萄糖水相比，观察到在乳品废水试验的情况下气体生成较少，这可能是由于存在高分子量化合物。当反应器在相同的HRT条件下操作时，第一步水解百分比也较低。在这种情况下观察到平均67％的甲烷生成。
实施例3啤酒厂废水研究
用具有6000ppm平均进料COD的模拟啤酒厂废水研究该工艺。在适应阶段期间，向反应器供给模拟废水。遵循相同的流程图，如图3所示。在改变进料水特性后，花费将近50天来完成系统中98％的COD减少。进料水的组成如表6所示。
表6
名称 浓度，ppm 溶液
硫酸铵 11 氮源
磷酸氢二钠 140 磷酸盐源和缓冲液
乙醇 3.54 碳源
麦芽汁 1000 碳源
麦芽糖 860 碳源
蛋白胨 150 碳源
酵母膏 500 碳源
最初几天，反应器在70小时的HRT下操作以稳定系统，然后将HRT逐渐减少至30小时。然后在30小时HRT和5Kg COD负荷下操作。在这种情况下，反应器显示出98％的COD减少。在100天的连续试验期间观察到COD减少。
该试验的质量平衡研究也表明甲烷气体生成速率为在30小时HRT下0.21m3/kgCOD，同时增加到在70小时HRT下0.27m3/kg COD。在更高的水力保留时间，COD向甲烷的转化更多。图9显示了与甲烷气体生成有关的数据。
实施例4
在本发明中，前三个实施例通过将反应器温度控制在37℃在嗜中温范围内操作。在所有情况下，观察到来自厌氧反应器的COD减少在各种COD负荷和HRT条件下保持超过95％。还可以看出甲烷气体产量存在差异。当用简单的葡萄糖废水操作时，它显示出高的甲烷转化率，观察到的气体产量接近理论值。但在乳品废水和啤酒厂废水的情况下，气体产量分别下降了21％和40％。观察到，当变为到更复杂的水时，嗜中温条件下的转化率变慢。
因此，本发明的另一个实施方案描述了在嗜热条件下的系统操作，其在57℃反应器温度下进行。该系统使用啤酒厂废水进行操作。如图3所示的同样的流程图也用于该试验。逐渐增加厌氧反应器温度以达到嗜热范围。还改变一些工艺参数以稳定系统。最初COD减少降至20％，但随着HRT增加至90小时，其改善至>90％。在嗜热范围内气体产量也增加。在试验开始期间，最初将膜通量设定为5.0lmh，但在稳定后，系统通量增加至12.5lmh。此外，膜通量的增加增加了厌氧生物反应器的COD负荷。COD负荷从1.0Kg.COD/m3·天增加到7.0Kg.COD/m3·天，如图10A所示。
图10B显示了在嗜热温度范围内操作生物系统时获得的结果。在稳定反应器两个点后，可以在图10B中看到COD减少下降。第一次下降是在运行118天，此时反应器的温度从55℃增加至57℃。COD减少的立即下降表明该过程对温度的微小变化敏感。
随着细菌培养随时间适应变化的条件，性能再次稳定。当反应器的HRT从90小时突然降至70小时后，COD减少第二次下降。这种变化也暂时影响了反应器的性能，随后HRT逐渐下降至40小时，表明性能没有损失，COD减少维持在>95％。
研究了在嗜热条件下研究的厌氧膜生物反应器的质量平衡。它显示94％的甲烷生成，气体生成为0.38m3/Kg COD。表7提供了质量平衡的数据。
表7
实施例5
本发明公开了陶瓷膜在高度悬浮的生物混合物中分离污泥和水的应用。还公开了陶瓷膜的物理和化学清洁方法，以在污染状态下恢复通量。陶瓷膜特性的细节在表8中描述。
表8
参数 详述 单位 值
膜类型 陶瓷 - -
品牌 CeraQ - -
供应商 QUA - -
外壳 钢 - -
操作模式 错流
膜面积 - m<sup>2</sup> 0.11
管内径 - mm 3.6
操作压力 - psi 10-60
操作温度 - ℃ 110
pH耐受性 - 2-11
陶瓷膜组件在5lmh至20lmh的宽范围通量下操作。保持20lmh的通量并未在整个操作过程中产生任何问题。观察到总固体截留率，产物水浊度在最大操作时间内<5NTU。通过从膜的渗透侧施加反压来进行膜的物理清洁。在5分钟至120分钟的时间间隔之后，更具体地在10分钟至40分钟之后，在陶瓷膜中应用反向扩散。施加的反压为20psi至60psi。图11显示了膜通量和产物浊度的关系图。
在嗜热范围内的厌氧生物反应器的测试期间也使用相同的陶瓷膜。由于陶瓷膜具有在嗜热条件下耐受高温范围的能力，因此在固体截留率和一致的渗透率方面表现良好。图12示出了在嗜热条件下的陶瓷膜性能。
在两个温度范围内的陶瓷膜操作期间，当用简单的渗透水反向扩散恢复通量时，用化学品清洁膜。在100小时至1000小时的过滤周期后进行化学清洁。在此过程中使用次氯酸盐和柠檬酸化学清洁来清洁膜。两种化学物质分别通过陶瓷膜组件循环，并且还浸泡一段时间。用于化学清洁的次氯酸盐浓度为100ppm至2000ppm氯，并且其被浸泡0.5小时至5.0小时。应用的柠檬酸浓度为500ppm至5000ppm，并且浸泡1.0小时至10小时。如图11和图12所示，膜通量在化学清洁后恢复。
实施例6
使用微生物燃料(MFC)工艺应用于厌氧膜生物反应器产品的后处理以使厌氧产物的COD达到排放极限。
在本发明的一个实施方案中，厌氧系统的平均进料COD为13000毫克/升，厌氧系统在出口处产生500毫克/升的平均COD。当该COD进入MFC系统时，观察到COD减少超过50％，降至<250毫克/升。MFC的COD结果如表9所示。
表9
最初从MFC单元观察到的COD减少较少。当在电极表面上形成活性生物膜后，COD减少得到改善并开始产生COD符合排放标准的废水。
结论
实施方案显示了陶瓷膜在厌氧膜生物反应器方法中的新应用。厌氧处理，用于处理高COD浓度废水，当与陶瓷膜结合使用时，可获得高度一致的结果。陶瓷膜可以在很宽的温度和pH范围内使用。在使用不同类型的废水的试验期间，不管污泥特性的变化如何，陶瓷膜产生一致的产物质量。在不同类型的水和温度下测试的厌氧工艺在COD降低和气体生成方面显示出一致的结果。就气体生成而言，嗜热条件显示出比嗜中温条件更高的转化率，这是嗜热范围操作的附加优点。还报道就温度控制和其他工艺参数而言，厌氧膜生物反应器是高度敏感的过程。本发明还描述了用于厌氧膜生物反应器产物水的后处理方法。可以通过使用微生物燃料电池的新方法处理厌氧膜生物反应器工艺的产物。在后处理中，在通过MFC处理的厌氧膜生物反应器产物水中观察到约50％的COD减少。低成本的后处理使厌氧膜生物反应器的污水达到预期的排放和再利用水平。

Claims (19)

1.一种处理包含可生物降解的化合物的废水的方法，其包括：
将废水进料至厌氧反应器；
在基本恒定的温度范围内操作厌氧反应器以产生包含悬浮固体和废水的混合液，其中所述厌氧反应器包括在反应器中液面上方操作从而控制反应器中的发泡的扩散器；
将混合液进料至少一个陶瓷膜中以分离悬浮固体和废水，从而产生纯化的水流。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括在进料废水的步骤期间连续搅拌所述厌氧反应器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基本恒定的温度范围为20℃至45℃。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述基本恒定的温度范围为36℃至38℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述基本恒定的温度范围为56℃至58℃。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述连续搅拌通过水力混合器进行。
7.根据权利要求6所述的方法，其中水力混合器喷嘴适应高达14米/秒的高速。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个陶瓷膜选自超滤陶瓷膜和微滤陶瓷膜。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷膜以1.5米/秒至4.0米/秒的错流流速操作。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷膜以15lmh至100lmh的通量操作。
11.根据权利要求1所述的方法，其还包括使用反冲洗清洁陶瓷膜以保持通量。
12.根据权利要求1所述的方法，其还包括通过使次氯酸钠、氢氧化钠、盐酸和柠檬酸的溶液循环通过陶瓷膜来化学清洁陶瓷膜。
13.一种由厌氧工艺调节的废水的后处理调节方法，其包括：
将产物水从厌氧膜生物反应器进料至微生物燃料电池，其中微生物燃料电池包括石墨电极和非均相阳离子交换膜。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述微生物燃料电池包括由非均相阳离子交换膜分离的高氧化还原电位区和低氧化还原电位区。
15.根据权利要求14所述的方法，其中将厌氧膜生物反应器的厌氧流出物进料至微生物燃料电池的低氧化还原电位区。
16.根据权利要求14所述的方法，其中将空气和水的混合物进料至高氧化还原电位区。
17.根据权利要求16所述的方法，其还包括在低氧化还原电位区中化学需氧量降低之后，由于微生物燃料电池中的高氧化还原电位区和低氧化还原电位区之间的电位差而产生电压。
18.一种处理包含可生物降解的化合物的废水的方法，其包括：
将废水进料至厌氧反应器；
在基本恒定的温度范围内操作厌氧反应器以产生包含悬浮固体和废水的混合液，其中所述厌氧反应器包括在反应器中液面上方操作从而控制反应器中的发泡的扩散器；
将混合液进料到至少一个陶瓷膜以分离悬浮固体和废水，从而产生纯化的水流；和
将纯化的水流送至微生物燃料电池进行深度处理，其中微生物燃料电池包括石墨阳极和阴极以及非均相阳离子交换膜。
19.一种进行权利要求1至18中任一项所述的方法的设备。
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