CN110461448A - 与膜曝气生物薄膜反应器一起使用的低压可逆气升混合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于膜曝气模块的围绕物的设计，该膜曝气模块包括可逆的低压气升泵，以促进竖直水流过模块中的膜以及在膜之间流动。这些封闭式膜模块适用于膜曝气生物薄膜反应器，该膜曝气生物薄膜反应器用于处理水或废水。
Description
技术领域
本发明涉及一种低压气升混合系统，该低压气升混合系统与用于处理水或废水的膜支撑的生物薄膜反应器中的膜曝气模块一起使用。具体地讲，本发明涉及一种低压气升混合系统，该低压气升混合系统与膜支撑的生物薄膜反应器中的膜曝气模块一起使用，这些膜支撑的生物薄膜反应器包含低压气升泵，以在这些模块被安装在生物反应器或罐中时促进液体良好流过膜模块。
背景技术
膜支撑的生物薄膜反应器(MSBR)是这样的生物反应器，其中氧气(或其他气体)可以通过浸没的可透气的膜供应到水或废水、或者供应到附着的生物薄膜。这些膜可以是中空纤维、平面或螺旋卷绕的，并且这些膜可以由疏水多孔的或替代的致密可透气的材料(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基戊烯(PMP))制成。这些膜的一端连接到气体供应源，另一端可以是关闭的或敞开的以允许经使用的气体的排出。这些膜可以布置成阵列或盒，然后这些阵列或盒可以进一步连接以形成模块模块。当供应到这些膜的气体是呈空气、富氧空气或纯氧形式的氧气时，反应器更常见地被称为膜曝气生物薄膜反应器(MABR)。氧气可以被供应到膜的一侧，然后这允许氧气扩散通过该膜并溶解到另一侧的水中(水边界层在膜表面上)，或者直接扩散到生长为附着到该膜的生物薄膜中。如果氧气在生物薄膜中没有被消耗，则它可以继续扩散到生物薄膜周围的水中。穿过膜的氧通量与穿过膜的氧浓度梯度成比例，从而通过在膜内部的高氧分压和膜外表面处非常低的溶解氧浓度下操作可以实现高通量。其他气体能以与氧气相同的方式供应并以相同的方式起作用。
膜的富含氧的表面(该表面与含有可生物降解的有机和无机污染物的废水接触)为细菌生长提供理想的环境。在这里生长的细菌通过膜经由扩散而接收它们所需的氧气，并且从周围废水中经由扩散而接收它们需要的基质。结果是，细菌自然地定殖在可透气的膜的表面上，并且在膜的液体侧形成生物薄膜。
由于细菌消耗氧气并影响穿过膜壁的浓度梯度，所以此生物薄膜在膜的液体侧的活性对于通过该膜的氧通量具有深远的影响。由于生物薄膜中的细菌需要来自废水的营养物(基质)和来自膜的氧气，所以当溶解的氧的浓度和基质浓度都很高时，细菌的活性最大。细菌的活性可以通过限制氧气的供应(氧气的供应是由穿过膜的氧扩散速率来控制的)进行限制，或者可以通过限制溶解的基质的供应(溶解的基质的供应受到废水中的基质浓度和膜上的废水速度的影响)进行限制。生物薄膜的厚度、以及生物薄膜内的生物活性控制着穿过膜壁的氧通量传输和基质氧化速率。随着较厚的生物薄膜发展需氧，可能形成缺氧层和厌氧层，并且在生物薄膜的这些区域中生长的细菌可以去除有机和无机污染物(例如BOD和基于氮的污染物)。
为了在MABR中实现高氧传输速率和高基质去除速率，必须确保氧气到膜、以及基质到生物薄膜的供给均得以适当控制，并且确保不允许生物薄膜变得太厚，通常使用的是频繁冲刷生物薄膜表面来去除外层、以控制生物薄膜厚度。冲刷的频率和持续时间可以变化，以便去除足够量的生物薄膜以确保良好的性能。生物反应器中提供的液压混合条件必须确保将基质有效地递送到生物薄膜的外部。
其他气体和气体混合物(包括但不限于氢气、甲烷和二氧化碳)可以经由可透气的膜、以与氧气相同的方式供应。这些气体在MSBR中的传输速率由相同的因素控制，这些相同的因素控制着氧气在MABR中传输。生物薄膜的存在、其厚度以及细菌在生物薄膜内生长所需的物种的局部化学浓度都将影响过程性能。
气升泵已经在许多应用中使用、以在压力差低时将水从一个位置泵送到另一个位置。示例应用包括水产养殖，其中气升泵通常用于将水从一个罐移动到另一个罐。
相关的现有技术包括美国专利公开号2007/0182033，其描述了位于立柱底部的气泡发生器，当气泡发生器浸入在填充有水的罐中时可以促进整个罐的良好混合。倒置虹吸管(被结合到立柱基部的气泡发生器中)的设计是用于产生大气泡的间歇释放。美国专利公开号2016/0009578包括间隔式护罩，带有用于MABR曝气的倒置虹吸管，带有曝气器，其具有来自膜的单独空气供应。国际专利公开号WO 2016/209235涉及浮动膜模块的部署。权利要求强调纤维需要被加压到大于模块基部的流体静压力的压力。德国专利申请号100 04 863描述了一种围绕系统，该围绕系统包括多个面板，该多个面板用于封闭具有中空纤维膜的膜曝气模块，并且膜曝气模块在膜下方引入空气以产生气升系统。需要围绕膜的这种连续向上流动以确保膜始终是竖直的，因为膜仅在一端(下端)附接到歧管。
本发明的目的是克服上述问题中的至少一个。
发明内容
在MABR中，生物薄膜天然固定在可透氧气的膜上。氧气通过膜扩散到生物薄膜中，在生物薄膜中在生物薄膜-液体界面处供应的污染物发生氧化。氧供应速率是由膜内氧分压(工艺参数)和膜表面面积(设计参数)控制。然而，在传统的废水处理工艺中，通过将空气泵送到废水处理罐的底部来提供氧气。然后空气经由扩散器进入液体，形成气泡(气泡上升通过废水)，将氧气输送到废水中，并且还在处理罐中提供混合。由于MABR没有空气被泵送以产生足以提供充分混合的气泡，因此在长期试验中保持高性能率已被证明是非常困难的。
为了确保MABR可以成为更有效的废水处理技术，迫切需要确保反应器良好混合，并且在尽可能多的膜附着污染物降解生物薄膜与要处理的富含污染物的废水之间存在有效接触。诸位申请人已经提供了一种解决方案，该解决方案用于在MABR处理壳体或罐中充分混合废水流体，同时在MABR处理壳体中混合液体时保持低能量需求。
根据本发明，如所附权利要求中所阐述的，提供了一种用于与膜曝气生物薄膜反应器(MABR)类型一起使用的围绕物，该反应器包括：壳体，该壳体具有上顶部空间和下顶部空间；可透气的中空纤维膜阵列，该可透气的中空纤维膜阵列被布置成盒，其设置在壳体内并从上顶部空间延伸到下顶部空间；包括可逆的低压气升混合系统，以促进竖直废水流在膜上流动。
根据本发明，如所附权利要求中所阐述的，提供了一种用于与膜曝气生物薄膜反应器(MABR)类型一起使用的围绕物，该反应器包括：壳体，该壳体具有上顶部空间和下顶部空间；可透气的中空纤维膜阵列，该可透气的中空纤维膜阵列被布置成盒，这些盒进一步被布置成模块，其设置在壳体内并从上部顶部空间延伸到下部顶部空间；包括可逆的低压气升混合系统以促进竖直废水(液体)在膜上流动，其中，这些膜可以竖直地布置在模块中，在这种情况下，所得的液体流动将平行于膜，或者膜可以水平地布置在模块中，从而产生交叉流配置。
一种围绕系统，该围绕系统用于与具有由可透气的中空纤维膜盒阵列隔开的上顶部空间和下顶部空间类型的膜模块一起使用，其特征在于，该围绕系统包括：气升混合系统，该气升混合系统被配置用于将液体从该膜模块内部输送到该膜模块外部或者从该膜模块外部输送到该膜模块内部；以及多个面板，该多个面板被配置用于密封膜模块以形成封闭式膜模块。
一种围绕系统，该围绕系统用于与具有由可透气的中空纤维膜阵列隔开的上顶部空间和下顶部空间类型的膜模块一起使用，其特征在于，该围绕系统包括：
多个面板，该多个面板被配置用于形成封闭式膜模块；以及
气升混合系统，该气升混合系统包括气升通道和第一下降管，该气升通道和该第一下降管在其底部彼此处于流体连通、从而形成大致U形的管的两个竖直通道，该大致U形的管在两端处敞开，该气升混合系统被配置用于将液体从该膜模块内部输送到该膜模块外部或者从该膜模块外部输送到该膜模块内部；
其中，该围绕物在顶部和底部是敞开的，并且被封闭在该围绕系统内。
一种围绕系统，该围绕系统用于与具有由可透气的中空纤维膜盒阵列隔开的上顶部空间和下顶部空间类型的膜模块一起使用，其特征在于，该围绕系统包括：气升混合系统，该气升混合系统被配置用于将液体从该膜模块内部输送到该膜模块外部或者从该膜模块外部输送到该膜模块内部；以及多个面板，该多个面板被配置用于密封膜模块以形成封闭式膜模块，其中，该膜模块在该模块的底部和顶部处是敞开的，从而与该模块下方的液体直接流体连通，其中这些面板在液体的表面上方延伸，使得从该模块底部进入的液体流必须通过该气升混合系统离开，或者通过该气升混合系统进入该模块的液体流必须通过该模块的敞开的底部离开。
在一个实施例中，该围绕系统还包括：模块化领部，该模块化领部被配置用于附接到封闭式膜模块并且在该系统内的液体的表面上方竖直延伸。这增加了上顶部空间超过液体的表面的高度。替代性地，该多个面板在该上顶部空间上方竖直延伸并且延伸超过该系统内的液体的表面。
在一个实施例中，该气升混合系统包括气升通道和第一下降管。优选地，第一下降管和气升通道彼此处于流体连通并且彼此相邻，从而形成大致U形的管的两个竖直通道。然后可以将气体注入此气升混合系统的任一侧，从而在气升通道中产生向上的流动并且在U形的管的另一个通道(第一下降管)中引起向下的流动。以这种方式，引起从U形管的一个竖直通道到另一个相邻的竖直通道的流动。
在一个实施例中，该气升混合系统包含第三竖直通道，从而使得该气升混合系统成大致W形状，其中，该第三竖直通道是第二下降管，并且其中，这些竖直通道中的一个是与该第一下降管以及与该第二下降管处于流体连通的气升通道。
在一个实施例中，围绕系统进一步包括竖直返回通道，其中，该竖直返回通道与该大致U形的管或W形的管的邻近竖直通道处于流体连通。
优选地，大致U形的管(和W形的管)在两端是敞开的，其中大致U形的管(或W形的管)的远离竖直返回通道的一个开口端形成进入封闭式膜模块的内部的端口。大致U形的管(或大致W形的管)的靠近该竖直返回通道的另一开口端形成通向该封闭式膜模块外部的端口。
在一个实施例中，竖直返回通道或者与气升通道或者与第一下降管和/或第二下降管处于流体连通，并且竖直返回通道从围绕物的顶部延伸到围绕物的底部或者直接在下方延伸到模块的竖直返回通道的顶部。优选地，该竖直返回通道对该封闭式膜模块外部的环境是敞开的，并且被配置用于提供连续通道以将液体从该储罐内或另一储罐或处理系统内的隔室的一个位置供应到大致U形的管或者供应到储罐中的另一位置。
在一个实施例中，第一下降管与封闭式膜模块内部的液体处于流体连通，并且气升通道与封闭式膜模块或竖直返回通道外部的液体处于流体连通。
在一个实施例中，第一下降管和第二下降管与封闭式膜模块内部的液体处于流体连通，并且气升通道与封闭式膜模块或竖直返回通道外部的液体处于流体连通。
在一个实施例中，第一下降管和/或第二下降管与封闭式膜模块或竖直返回通道外部的液体处于流体连通，并且气升通道与封闭式膜模块内部的液体处于流体连通。
在一个实施例中，该气升通道进一步包括空气注入端口，该空气注入端口被配置用于接收空气并将空气递送到该气升通道中，使得U形或W形的气升混合系统的任一竖直通道能够成为气升通道并反转该封闭式膜模块内液体的竖直流动方向。优选地，供应给该气升通道的空气是源于来自这些膜的排出空气、或者来自外部源的补充空气、或者两者。
在一个实施例中，大致U形的管包括位于管两侧的空气注入端口，空气注入端口被配置用于接收空气并将空气递送到大致U形的管的任一竖直通道中，使得大致U形的管的任一竖直通道能够成为气升通道，使得封闭式膜模块内的液体的竖直流动方向可以反转。优选地，供应给该气升通道的空气是源于来自这些的膜的排出空气、或者来自外部源的补充空气、或者两者。
在一个实施例中，该空气注入端口被配置用于以脉冲或周期性方式或两者的组合连续地释放空气。
在一个实施例中，该空气注入端口连接到空气虹吸管，该空气虹吸管被配置用于允许空气积聚并周期性地释放到该空气注入端口。
在一个实施例中，该空气注入端口被配置用于轴向地、径向地、轴向且径向地或以一定角度引入空气，以便在该气升通道内引起湍流水流。
在一个实施例中，该空气注入端口在框架系统的该模块化领部内的水表面下方小于3.0米。
在一个实施例中，该气升混合系统被配置用于相对于该封闭式膜模块外部的液位控制该封闭式膜模块内的液位。
在一个实施例中，围绕系统的四侧封闭式膜模块中的至少一个面板被配置用于各自容纳该气升混合系统。
在一个实施例中，围绕系统的四侧封闭式膜模块中的至少两个、三个或所有面板被配置用于容纳该气升混合系统。
在一个实施例中，该气升混合系统被配置用于沿向上或向下方向泵送液体通过该封闭式膜模块。
在一个实施例中，该围绕系统进一步包括液体流动分配装置，该液体流动分配装置位于该封闭式膜模块的顶部空间中并且被配置用于在整个封闭式膜模块中提供均匀的水流动。从气升混合系统进入封闭式膜模块的液体沿着模块内部的液体的表面均匀分布。替代性地，离开封闭式膜模块并进入气升混合系统的第一下降管的水均匀地源自封闭式膜模块的液体表面。为了实现这一点，该系统进一步包括一个或多个堰(weir)，该一个或多个堰附接到竖直通道的开口端、与封闭式膜模块的内部处于流体连通，每个堰沿着该堰的长度或沿着喇叭口进水口的口部具有均匀的V形槽口或不同尺寸的V形槽口，每个堰还附接到竖直通道的开口端、与封闭式膜模块的内部处于流体连通。
在一个实施例中，该围绕系统是模块化的，并且其中，多个封闭式膜模块可以一个堆叠在另一个的顶部上。
在一个实施例中，下部气体歧管可以清除由于冷凝或液体泄漏而可能积聚在歧管中的液体。优选地，通过增加穿过这些膜的气流、或者通过直接供应到该下部歧管的补充空气、或两者的组合，高空气流量被递送到该下部歧管，以便将积聚的液体输送到该气升系统或者输送到该液体表面。
在一个实施例中，该围绕系统可改造成现有的膜模块。
在一个实施例中，还提供一种类型的膜曝气生物薄膜反应器(MABR)，包括：框架并具有上顶部空间和下顶部空间；膜阵列，该膜阵列设置在该框架内并在该上顶部空间和该下顶部空间之间延伸；其特征在于，该膜曝气生物薄膜反应器进一步包括如上所述的围绕系统。
在一个实施例中，空气注入端口位于框架系统的模块化领部内的液体表面下方0.5m至3m之间。优选地，空气注入端口位于框架系统的模块化领部内的液体表面下方0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3.0米。理想地，空气注入端口在框架系统的模块化领部内的液体表面下方小于2.5米，即在框架系统的模块化领部内的液体表面下方0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5米。
在一个实施例中，提供一种与膜支撑的生物薄膜反应器中的膜模块一起使用的围绕系统，该类型的膜模块具有由在该模块中平行固定的可透气的中空纤维膜盒阵列间隔开的上顶部空间和下顶部空间，其中，这些盒是封装的中空纤维膜的线性布置，该线性布置包括其中封装有大量中空纤维膜或多束中空纤维膜的上部歧管和下部歧管，其特征在于，该围绕系统包括：
(i)多个面板，该多个面板被配置用于密封该膜模块以形成封闭式膜模块，该封闭式膜模块在顶部和底部敞开、但是被封闭在该围绕系统内；
(ii)模块化领部，该模块化领部被配置用于竖直地附接到该封闭式膜模块，从而增加该上顶部空间的高度；
(iii)低压气升混合系统，该低压气升混合系统集成到该多个面板的至少一个面板中，该至少一个面板被配置用于将液体从该膜模块内部输送到该膜模块的外部，或者反之亦然，使得液体沿向上或向下的方向泵送通过该封闭式膜模块，以在其安装在生物反应器罐中时促进液体良好流过该封闭式膜模块，其中，该气升混合系统包括：
气升通道和第一下降管，该气升通道和第一下降管在其底部彼此处于流体连通，从而形成在两端敞开的大致U形的管的两个竖直通道；
竖直返回通道，该竖直返回通道的顶部与该大致U形的管的靠近该竖直返回通道的通道的顶部处于流体连通；
空气注入端口，该空气注入端口被配置用于接收空气并将空气递送到该气升通道的基部，以在该气升通道中的空气注入端口上方引起液体向上流动，从而在该第一下降管中引起液体相应的向下流动；
其中，该U形的管的远离该竖直返回通道的开口端形成通向该封闭式膜模块内部的端口，该U形的管的靠近该竖直返回通道的开口端形成通向该封闭式膜模块外部的端口，并且该竖直返回通道的下端允许该竖直返回通道和该生物反应器或罐的底部之间的流体连通。
在一个实施例中，该气升混合系统进一步包括第三竖直通道，从而使得该气升混合系统为大致W形状，其中，该第三竖直通道是第二下降管，并且其中，这些竖直通道中的一个是与该第一下降管和该第二下降管处于流体连通的气升通道。
优选地，该竖直返回通道对该封闭式膜模块外部的环境是敞开的，并且被配置用于提供连续通道以从该生物反应器或罐内或另一储罐或处理系统内的隔室内的一个位置供应液体。
优选地，第一下降管与封闭式膜模块外部的液体处于流体连通，并且气升通道与封闭式膜模块内部的液体处于流体连通。
优选地，该第一下降管和该第二下降管与该封闭式膜模块外部的液体处于流体连通，并且该气升通道与该封闭式膜模块内部的液体处于流体连通。
优选地，供应给该气升通道的空气是源于来自这些膜的排出空气、或者来自外部源的补充空气、或者两者。
优选地，该空气注入端口被配置用于以脉冲或周期性方式、或两者的组合连续地释放空气。
优选地，该空气注入端口连接到空气虹吸管，该空气虹吸管被配置用于允许空气积聚并周期性地释放到该空气注入端口。
优选地，该空气注入端口被配置用于轴向地、径向地、轴向且径向地、或以一定角度引入空气，以便在该气升通道内引起湍流液体流动。
优选地，该空气注入端口在该围绕系统的该模块化领部内的液体表面下方3.0米或更小。
优选地，该气升混合系统被配置用于相对于该封闭式膜模块外部的液位控制该封闭式膜模块内的液位。
优选地，四侧封闭式膜模块的面板中的至少一个被配置用于各自容纳该气升混合系统。优选地，四侧封闭式膜模块中的至少两个、三个或所有面板均被配置用于容纳该气升混合系统。
优选地，该系统进一步包括液体流动分配装置，该液体流动分配装置位于该封闭式膜模块的顶部空间中并且被配置用于提供均匀液体流动通过该封闭式膜模块。
优选地，该围绕系统是模块化的，并且其中，多个封闭式膜模块可以一个堆叠在另一个的顶部上。
优选地，该下部气体歧管可以清除由于冷凝或泄漏而可能积聚的液体，比如水。通过增加穿过这些膜的气流、或者通过直接供应到该下部歧管的补充空气、或两者的组合，高空气流量被递送到该下部歧管，以便将积聚的液体输送到该气升混合系统或者输送到该液体表面。
优选地，该围绕系统可改造成现有的膜模块。
在一个实施例中，提供一种类型的膜曝气模块，包括：框架、以及上顶部空间和下顶部空间，该上顶部空间和下顶部空间由平行装配在该膜曝气模块的框架中的可透气的中空纤维膜盒阵列间隔开，其中，这些盒是封装的中空纤维膜的线性布置，该线性布置包括其中封装有大量中空纤维膜或多束中空纤维膜的上部歧管和下部歧管。
在本说明书中，术语“膜曝气生物薄膜反应器(MABR)”应理解为意指用于处理废水液体以去除碳质污染物去除、硝化/反硝化污染物、和/或进行废水成分的异生物质生物处理的膜支撑的生物薄膜反应器(MSBR)。液体中的可溶性有机化合物从生物薄膜-液体界面供应到生物薄膜，而生物薄膜的气体供应来自生物薄膜-膜界面(经由扩散通过该膜)。通常，由异质细菌群(通常包括硝化、反硝化和异养的细菌)组成的生物薄膜在膜的流体相侧上生长。MABR可以实现无气泡曝气和高氧利用效率(最高达100％)，并且生物薄膜可以分离成好氧区/缺氧区/厌氧区，以在单一生物薄膜中同时实现碳质有机污染物的去除、以及硝化作用和反硝化作用。欧洲专利号2 361 367(都柏林大学)描述了一种类型的MABR的示例，其包括管腔，该管腔包含气相、液相、和在气相和液相之间提供界面的透气膜。
在本说明书中，术语“上顶部空间”应理解为意指膜盒上方的封闭式上部无膜区，并且术语“下顶部空间”应理解为意指在膜盒下方并与罐中的水处于流体连通的下部无膜区。
在本说明书中，术语“膜束”应理解为意指从10至100,000、从10至10,000、从10至1,000或从10至100个可透气的中空膜纤维的集合，这些可透气的中空膜纤维在任一端封装到圆形束或成形元件中，使得纤维的端部是敞开的。这些膜可以竖直布置在MABR中，在这种情况下，所得的液体流动将与膜平行，或者膜可以水平布置在MABR中，从而产生交叉流动配置。
在本说明书中，术语“成形元件”或“成形连接器”应理解为意指赋予膜束特定形状(例如V形、十字形、线形、方形、矩形、三角形、六边形、其他多边形或圆形截面等)的元件。这提供了一种连接器端部，该连接器端部可以胶合到或以气密方式固定到上部歧管或下部歧管，然后将它们称为封装膜。
在本说明书中，术语“上部歧管”和“下部歧管”应理解为意指气体歧管，这些气体歧管装配有端口，这些端口被设计用于接收成形元件连接器，这些成形元件连接器被附接到膜束的每个端部。此外，可以将膜束直接封装到上部气体歧管和下部气体歧管中，以形成从歧管的一端伸展到另一端的连续膜束(参见图1B)。当竖直定向时，顶部歧管被称为上部歧管，并且底部歧管被称为下部歧管。上部歧管和下部歧管与所有中空纤维的内部结构处于流体连通，使得空气/气体可以从上部歧管的内部经过中空纤维而流动到下部歧管，或者反之亦然。
在本说明书中，术语“盒”应理解为意指封装的中空纤维膜的线性布置，该线性布置包括其中封装有大量中空纤维膜或多束中空纤维膜的上部歧管和下部歧管。图1A和图1B中展示了盒。如果将气体供应到上部歧管，则该歧管用作入口歧管，并且气体将在中空纤维内向下流动并进入下部歧管，该下部歧管将用作排气歧管。然而，如果将气体供应到下部歧管，则该歧管用作入口歧管，并且气体将在中空纤维内向上流动并进入上部歧管，该上部歧管将用作排气歧管。在本说明书中，术语“膜模块”或“膜曝气生物薄膜反应器(MABR)”应理解为意指这样的装置，其中，多个(2-1,000、2-900、2-800、2-750、2-700、2-650、2-600、2-550、2-500、2-450、2-400、2-350、2-300、2-250、2-200、2-150、2-100、2-50)由中空纤维膜组成的盒可以平行固定。盒通常固定在框架中。
在本说明书中，在与膜模块一起使用的上下文中的术语“框架”应理解为意指能够接收2-1,000、2-900、2-800、2-750、2-700、2-650、2-600、2-55、2-500、2-450、2-400、2-350、2-300、2-250、2-200、2-150、2-100、2-50个盒并且平行地保持它们的壳体，相邻盒之间具有明确限定且均匀的间隔。优选地，2-200个盒通常布置在框架内。图1C展示了框架。
在本说明书中，术语“封闭式膜模块”应理解为意指膜模块，如图2展示的，该膜模块在顶部和底部敞开、但是被封闭在围绕系统内。
在本说明书中，术语“围绕系统”或“模块化围绕系统”应理解为意指一系列面板，一系列面板可以附接到膜模块的框架(参见图2)或者可以布置为形成用于膜模块的封闭框架。围绕系统的面板可以包括用于水流的封闭通道或导管。当促使水流过这些通道或导管时，这些通道或导管引起经过封闭式膜模块中的膜的竖直水流速度。围绕物本质上可以是模块化的，并且设计成允许对封闭式膜模块进行堆叠，以形成由若干层膜盒组成的连续封闭容积。面板还可以在上部歧管上方竖直延伸并延伸超过系统内的水的表面。这种布置将封闭式膜模块内部的水与封闭式膜模块外部的水分隔开。
在说明书中，术语“封闭通道”应理解为意指完全封闭的导管或管道，该完全封闭的导管或管道被模制或附接到形成本发明的围绕物的面板上。封闭通道可以具有方形、矩形、三角形、六边形、其他多边形或圆形截面。
在本说明书中，术语“模块化领部”应理解为意指紧密配合的围绕物，该紧密配合的围绕物使(由本发明的围绕物封闭的)封闭式膜模块的面板的高度在上部歧管上方竖直延伸100mm至500mm，并且优选竖直延伸100mm-1000mm并且延伸超过液体的表面。它将封闭式膜模块内部的液体与封闭式膜模块外部的液体分隔开。
在本说明书中，术语“下降管”应理解为意指模制在封闭式膜模块的面板中或者附接到其上的竖直封闭通道。此下降管的顶部位于液体的表面下方，下降管内的液体沿向下方向流动。
在本说明书中，术语“气升通道”应理解为意指通常填充有液体、安装在液体(比如废水)的表面下方、或者在液体的表面上方突出的竖直封闭通道。在生物反应器中液体(废水)表面液位下方约0.5m至3m的点处，通过竖直封闭通道的壁连续地或以脉动方式引入空气。在封闭通道内形成和释放的上升气泡上升并促使封闭通道内的液体(废水)向上流动。可以使用各种注入方法将空气注入气升通道，这些注入方法包括：在稳定和脉动注入模式下，径向、轴向、双径向和轴向、以及漩涡。在稳定空气注入状况中，结果表明双注入优于轴向注入和径向注入，并且通过脉动空气注入提高了液体的体积流量。通过电磁阀或者通过使用空气虹吸管，都可以通过停止和启动气流来影响脉动空气注入。在美国专利6,162,020中详细描述了使用空气虹吸管的脉动空气注入方法的设计。
在本说明书中，术语“大致U形的管”应理解为意指制作在围绕系统的侧壁中或附接到围绕系统的侧壁上的两个竖直对齐的封闭通道：一个通道是下降管，而一个通道是气升通道。两个竖直通道通过U形弯头或大致U形的弯头连接器在基部处连接。大致U形的管的上端之一(在模块化领部内并且通常是下降管，但它也可以是气升通道)朝向封闭式模块敞开，并且大致U形的管的另一上端(通常是气升通道，但也可以是下降管)对模块化领部的外部区域敞开。
在本说明书中，术语“大致W形的管”应理解为意指制作在围绕系统的侧壁中或附接到围绕系统的侧壁上的三个竖直对齐的封闭通道：其中两个通道是第一下降管和第二下降管，一个通道是气升通道。三个竖直通道彼此相邻地对齐，并且通过U形弯头或大致U形的弯头连接器在基部处连接。大致W形的管的上端之一(在模块化领部内并且通常被认为是气升通道)朝向封闭式模块敞开。大致W形的管的其他上端(通常认为是第一下降管通道和第二下降管通道)对模块化领部的外部区域敞开。当它们出现在W形的管中时，气升通道、以及第一下降管和第二下降管的顺序可以根据使用者的喜好而变化。
在本说明书中，术语“气升泵”应理解为意指包括大致U形的管的系统，其中空气被注入到大致U形的管的其中一个竖直通道的基部、以引起液体流动通过大致U形的管。上升的气泡将在气升通道中的空气注入点上方引起向上的液体流动，从而在大致U形的管的另一竖直通道(第一下降管)中引起液体相应的向下流动。对于具有大致W形的管的系统可以进行类似的布置，其中空气被注入到大致W形的管的其中一个竖直通道的基部中、以引起液体流动通过大致W形的管。上升的气泡将在气升通道中的空气注入点上方引起向上的液体流动，从而在大致W形的管的其他一个或两个竖直通道(第一下降管和/或第二下降管)中引起液体相应的向下流动。
在本说明书中，术语“空气虹吸管”应理解为意指美国专利6,162,020中描述的类型的虹吸管，其包括连续填充空气的空气存储器，但当空气的量足以产生虹吸时，该空气存储器将空气周期地排放到气升通道中的注入端口。
在本说明书中，术语“竖直返回通道”应理解为意指从封闭式膜模块的顶部到封闭式膜模块的基部的连续通道，或者如果这些模块被堆叠，则是从封闭式膜模块的顶部到最低的封闭式膜模块的基部的连续通道。竖直返回通道允许液体在封闭式膜模块的顶部和安装有模块的罐的基部之间流动。流动方向将取决于气动泵的操作模式。替代性地，它允许通过气升泵将处理过的液体从封闭式膜模块的顶部泵送到罐的底部。
在本说明书中，术语“罐”、“储罐”或“生物反应器”应理解为意指大型储存容器，其装被供应液体(水或废水)并且用于在液体被处理时保持水或废水。一个或多个封闭式膜模块可以安装在罐内以产生膜曝气生物薄膜反应器(MABR)。
在本说明书中，术语“液体”应理解为意指“水”或“废水”，其应理解为意指通过人为影响对质量产生不利影响的任何水。废水可以来自家庭(例如，生活污水)、工业、商业或农业活动、地表径流或暴雨水、以及下水道流入或渗透的组合。
附图说明
参考附图，将从下文仅作为示例给出的其实施例的描述中更清楚地理解本发明，在附图中：-
图1A展示了现有技术的盒，该盒包括具有单独纤维束的成形元件，而图1B展示了现有技术的盒，其中膜被连续地直接封装到上部歧管和下部歧管中并且不需要成形元件连接器。图1C展示了现有技术的金属框架内的膜盒的立视图，这些膜盒形成膜模块。
图2A展示了本发明的封闭式膜模块的侧立视图，并且图2B展示了本发明的封闭式膜模块的侧立视图，示出了包括气升泵、第一下降管和返回通道的集成气升系统。这些膜模块完全被围绕物的面板包围和保护，但在顶部和底部是敞开的。图2C展示了本发明的封闭式膜模块的平面图。
图3A展示了本发明的封闭式膜模块的侧视图，该封闭式膜模块已装配有模块化领部并且安装在储罐或生物反应器(未示出)中。图3B示出了如果模块化领部内的液(水)位高于罐中的周围液(水)位，则与图3A中的流动方向相比，流动方向被反转。
图4A和图4B展示了如何在本发明的围绕系统的面板上设置可以作为气升泵运行的气升混合系统。气升混合系统能够提供从上顶部空间到罐的流动或从罐到上顶部空间的流动，从而分别在本发明的封闭式膜模块内引起向上或向下的液体流动。在图4A中，气升混合系统的引入口位于模块化领部内，并从封闭式膜模块内抽取液体。气升通道将液体排出到模块化领部外，并且液体可以通过返回通道向下流到罐的基部，整个封闭式膜模块位于罐内。在图4B中，空气注入端口是位于形成气升混合系统(现在是向上流动的通道)的U形的管的另一侧的封闭通道中，并且气升通道的排放点现在位于模块化领部内并将液体递送到膜上方的上顶部空间，从而在封闭式模块内产生更高的液位并迫使产生液体向下流速。现在，罐内的液体从罐的底部、通过返回通道被向上抽取，或者经由点12处的开口被吸入。现在，第一下降管和返回通道的引入口位于封闭式膜模块的外部。
图5A和图5B示出了模块化领部的平面图和侧立视图，该模块化领部附接到本发明的封闭式膜模块的顶部或者附接到堆叠中的最上面的膜模块的顶部。
图6A和图6B展示了本发明的封闭式膜模块可以如何堆叠在罐内。图6A和图6B分别以图4A和图4B所示的模式进行操作。
图7A和图7B展示了四个膜模块的截面的平面图和侧视图，每个膜模块由本发明的框架系统封闭并且安装在罐中。整个处理系统组成膜曝气生物薄膜反应器，该反应器处理入口废水并排出处理后的流出物。
图8展示了封闭式膜模块，其具有原位位于封闭式膜模块的上顶部空间104中的液体流动分配装置。
图9A和图9B展示了本发明的气升混合系统的侧视图和正视图，其中该气升混合系统是大致W形状。图9C展示了本发明的封闭式膜模块中的大致W形的气升混合系统。
具体实施方式
本文所述的发明通过提供低压气升混合系统提供了低剪切条件、并且提供了将基质有效递送至在膜上生长的生物薄膜，该低压气升混合系统被集成到膜模块中，该膜模块包围这些膜并且被本发明的围绕系统封闭。
通常，如果泵送水必须的压力小于约300mm的水，则气升通道是可行的。压降超过300毫米的水会降低气升泵送的效率，并且水流量会急剧下降。为此，重要的是气升混合系统本身内的压头损失和压降被最小化。必须对用于气升混合系统的管道或通道的尺寸进行选择，以使压力损失最小化并使气流速率最大化。
在气升混合系统中可以实现的液体流量是空气流量、空气注入端口的深度和气升通道的尺寸(有效直径)的函数。通常，液体流量随着空气流量和空气注入端口的深度而增加。由于能量消耗是与废水处理相关联的主要环境问题和操作成本，因此最小化用于混合和曝气的能量需求是重要的。这可以通过使用供应到膜的空气用于氧气传输和混合二者来实现。而且，通过使用具有浅深度的空气注入端口的气升混合系统，膜内所需的空气压力可以保持较低并且能量消耗可以最小化。因此，可以通过气升混合系统的设计和操作条件来控制经过封闭式膜模块的液体流量，而操作空气压力与堆叠的膜模块中的膜的浸没深度无关，并且仅取决于空气注入到气升混合系统中的深度。
现在参考附图，其中图1展示了盒100，该盒包括具有封装到上部歧管98和下部歧管99中的单独纤维束102的成形元件连接器101，而图1B展示了盒100，其中，膜纤维102连续且直接封装到上部歧管98和下部歧管99中并且不需要成形元件连接器101。图1C展示了膜盒100的视图，这些膜盒被组装到现有技术的膜模块120中。膜模块120包括框架110，盒100可以装配到框架中。
现在参考图2，其中展示了本发明的一般实施例。具体地，图2A展示了膜模块的侧立视图，该膜模块由本发明的围绕系统封闭以形成封闭式膜模块，封闭式膜模块总体上由附图标记1表示。封闭式膜模块1包括面板3a、3b、3c、3d，这些面板封闭该膜模块120并且包括气升混合系统4(参见图2B)。当与膜模块120一起使用时，封闭式膜模块1的面板3a、3b、3c、3d完全包围并封闭这些盒100，但该封闭式膜模块1在顶部和底部是敞开的。图2B展示了封闭式膜模块1的侧立视图，该侧立视图示出了气升混合系统4。在所展示的实施例中，气升混合系统4集成在面板3a、3c内。气升混合系统4也可以集成在面板3b、3d中。气升混合系统4包括一系列封闭管，这些封闭管形成大致U形的管5，该U形的管附接有竖直管。具体地，大致U形的管5包括通过U形弯头8连接到气升通道7的第一下降管6。另外，该系统可以包括返回通道9。封闭式膜模块1被示出进一步包括加强杆10和端口11、12。加强杆10从面板3a延伸到相对的面板3c。模块化领部20附接到封闭式膜模块1的顶部，并且被配置用于使端口11和12分开。当水从上顶部空间104流到下顶部空间106时，端口12通过大致U形的管5在罐中的液体和上顶部空间104之间提供流体连通。当液体从下顶部空间106(或从储罐的底部)流到上顶部空间104时，端口11通过大致U形的管5在上顶部空间和集液罐中的液体之间提供流体连通。端口12允许注入到气升通道7中的空气逸出到大气中，并且不会被夹带在返回通道9中向下流动到罐的底部的液体中。
图2C展示了封闭式膜模块1的平面图。如所展示的，封闭式膜模块1的上顶部空间104和一系列平行的膜盒100是可见的。盒100平行布置，在每个盒100之间提供空间以允许液体在其间流动。
图3A展示了封闭式膜模块1的侧立视图，该封闭式膜模块已装配有模块化领部20、并且该封闭式膜模块已安装在储罐或生物反应器200中。当模块化领部20内部的液位低于周围罐200中的液位时，液体将向上流过封闭式膜模块1，以使罐200内部和外部的水位均衡。模块化领部20的外部和内部之间的液位差(如图3A所示h mm的液体)越大，则所引起的经过封闭式膜模块1的液体速度就越大。图3B示出了如果模块化领部20内的液位高于罐200中的周围液位，则流动方向反转。同样，液位差(h)越大，则封闭式膜模块内产生的液体速度就越大。图3A和图3B中的箭头展示了由膜模块120和罐200内的液位变化引起的液体流动的方向。
图4A和图4B展示了面板3a、3b、3c、3d内的气升混合系统4的细节，该气升混合系统可以作为气升泵运行，并且能够分别在封闭式膜模块1内提供向上或向下的液体流动。气升混合系统4包括封闭的大致U形的管5，管在其一侧连接到竖直返回通道9。在图4A中，示出了气升混合系统4的通道的构型，这些通道展示了液体从罐200的底部到封闭式膜模块1的顶部的移动。在此实例中，气升混合系统4的外部封闭通道用作第一下降管6，该第一下降管从模块化领部20内部(从上顶部空间104)接收液体并且用于相对于罐200内的液位降低模块化领部20内的液位。空气通过空气注入端口40注入到中间的封闭通道(这里称为气升泵7)中。由空气注入端口40产生的上升气泡引起竖直液体流速(由箭头A表示)，该竖直液体流速使水移动，如由所示的箭头所展示的。在封闭式膜模块1的顶部，气升泵7和返回通道9在封闭式膜模块1的外部合并，气泡在液体表面处排出，并且液体通过返回通道9向下流动到罐200的基部。在图4B中，示出了气升混合系统4的通道的构型，这些通道展示了液体从封闭式膜模块1内的上部歧管104向下经过盒100到罐200的底部的移动。空气注入端口40被切换到大致U形的管5的外部通道并且成为气升泵7，而大致U形的管5的内部通道成为第一下降管6并物理地连接到返回通道9。气升通道7将液体供应到模块化领部20和上歧管104的内部，导致膜模块120上方的水位相对于罐200中的模块化领部20外部的液体增加。在此操作模式中，如所展示的，液体经由返回通道9从罐200的底部被抽吸。图4B中的箭头A展示了由气升通道7引起的液体流动的方向。
模块化领部20中覆盖封闭式膜模块1的液位由于封闭式膜模块1产生的密封而与模块浸入在其中的罐200外部的液体分离，使得气升混合系统4可以相对于罐200中的液位升高或降低覆盖膜模块1的液位。
图5A和图5B示出了附接到封闭式膜模块1的顶部的模块化领部20的平面图和侧立视图。模块化领部20包括侧面21a、21b、21c、21d并且被配置为装配到膜模块120的框架110或装配到封闭式膜模块1的顶部，从而与在没有模块化领部20就位的上顶部空间104相比提供具有增加的高度的上顶部空间104。在使用时，模块化领部20被配置用于使端口11和12分离。
图6A和图6B展示了多个封闭式膜模块1、1'可以如何在罐200内堆叠在彼此上。堆叠的封闭式膜模块1、1'被配置成使得模块1的返回通道9连接到模块1'的返回通道9'。图6A和图6B分别以图4A和图4B所示的模式进行操作。模块1'的大致U形的管5'通过插入挡板22而被切断并保持未使用状态。在图6A所示的实施例中，封闭式膜模块1的模块化领部20外部的液位高于模块化领部20内的液位，从而产生液体从罐200的底部到封闭式膜模块1的上顶部空间104的向上速度。在图6B所示的实施例中，膜模块1的模块化领部20外部的液位低于模块化领部20内的液位，从而产生液体从封闭式膜模块1的上顶部空间104到罐200的底部的向下速度。
图7A和图7B展示了四个封闭式膜模块1的截面的平面图和侧视图，这些封闭式膜模块安装在罐200中以形成处理系统300。整个处理系统300构成MABR，其处理进入的废水并且排出处理后的流出物。处理系统300包括罐200，该罐具有壳体201和一系列堆叠的封闭式膜模块1。在图7B所示的实施例中，罐200中的模块化领部20外部的液位低于模块化领部20内部的液位(由h mm表示)，从而产生液体从封闭式膜模块1的上部歧管104到达罐200的底部的向下速度。
在图7A和图7B中，液体(水或废水(流出物))通过废物入口管A进入系统300，并且处理后的流出物通过出口B离开系统300。通过与封闭式膜模块1的盒100相互作用来对液体进行处理。气升混合系统4提供低压、低能量混合系统，其确保在膜102上积聚的尽可能多的膜附着的污染物降解生物薄膜和待处理的富含污染物的废水之间存在有效接触。通常，封闭式膜模块1被设计成在中空膜纤维102内部的气体压力下操作，其可以高于或低于罐200的外部流体静压力。
在图8中，展示了封闭式膜模块1，其中，液体流动分配装置60在封闭式膜模块1的上顶部空间104中原位示出。通常，该水流分配装置60与端口12处于流体连通，并且被配置用于确保通过封闭式膜模块1的均匀流动，即模块内的液体流动速度在水平面上相等。提供均匀液体流动通过封闭式膜模块1确保了整个膜模块1的均匀上流液体速度，并且防止了液体在端口12和返回通道9的底部之间短路。均匀的速度确保所有膜支撑的生物薄膜与废水接触并且消除了产生不发生流动的死区或混合不良的区域。
在图9A至9C中，气升混合系统4被示出为包含第二下降管6a，该第二下降管使得气升混合系统4成大致W形状，其中，中央竖直通道是与位于其两侧的第一下降管6和第二下降管6a处于流体连通的气升通道7。空气在空气注入端口40处被递送到中央气升通道7中，而竖直通道、第一下降管6和第二下降管6a通过沿底部的共用水歧管8a连接到气升通道7，因此形成大致W形的管50。由于水和空气混合物向上流过中央竖直通道7，所以在第一下降管6和第二下降管6a二者中引起向下的水流。由于存在延伸超过液体的表面的面板3a、3b、3c、3d(参见图9C)，因此来自气升通道7的、通过端口11和流动分配装置60排出的液体必须竖直向下流动并通过开放底部从封闭式膜模块1中流出。W形混合系统的优点之一是在这种构型中存在两个入口到达下降管，并且液体可以从罐中的两个不同点引入到W形混合系统中。在优选的构型中，如果要反转W形的管中的液体流动，则必须将空气引入到中央竖直通道两侧的两个竖直通道中，以确保两个侧竖直通道成为气升通道并且中央竖直通道成为下降管。W形气升混合系统也可以如图6A和图6B所示进行堆叠，一个或两个竖直返回通道也可以安装在W形混合系统的任一侧上。W形混合系统易于改造成现有模块，并且可以使用具有较小截面的竖直通道提供较大的流动面积。
本发明的优点之一是封闭式膜模块既保护膜在运输过程中免受损坏，又并入低压气升系统，以在模块安装在生物反应器中时促进液体良好流过膜模块。这意味着当安装到大型罐中时MABR的有效性不取决于罐混合，而是通过封闭式膜模块中的液体速度来独立控制。这种独立控制允许成功安装在不同深度和形状的罐中，或者先前设计用于不同目的的罐(例如，沉降罐)可以升级成包含MABR，而无需安装独立的混合系统。
在说明书中，术语“包括(comprise)、包括(comprises)、包括(comprised)和包括(comprising)”或其任何变体以及术语“包含(include)、包含(includes)、包含(included)和包含(including)”或其任何变体被认为是完全可互换的，并且它们应该都被提供尽可能最广泛的解释，并且反之亦然。
本发明不限于上文所述的实施例，而是可以在结构和细节两者上变化。
Claims (44)
1.一种围绕系统，所述围绕系统用于与具有由可透气的中空纤维膜(102)阵列隔开的上顶部空间和下顶部空间(104，106)类型的膜模块一起使用，其特征在于，所述围绕系统包括：
-多个面板(3a，3b，3c，3d)，所述多个面板被配置用于形成封闭式膜模块(120)；以及
-气升混合系统(4)，所述气升混合系统包括气升通道(7)和第一下降管(6)，所述气升通道和第一下降管在其底部彼此处于流体连通、从而形成大致U形的管(5)的两个竖直通道，所述大致U形的管在两端(12)处敞开，并且所述气升混合系统被配置用于将液体从所述膜模块(120)内部输送到所述膜模块(120)外部或者从所述膜模块(120)外部输送到所述膜模块(120)内部；并且
其中，所述围绕物在顶部和底部是敞开的，并且被封闭在所述围绕系统内。
2.根据权利要求1所述的围绕系统，进一步包括模块化领部(20)，所述模块化领部被配置用于附接到所述封闭式膜模块的顶部并在液体的表面上方竖直延伸。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的围绕系统，其中，所述多个面板(3a，3b，3c，3d)在所述上顶部空间(104)上方竖直延伸、并且延伸超过所述系统内液体的表面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，其中，所述气升混合系统包括第三竖直通道，所述第三竖直通道使得所述气升混合系统成大致W形状，其中，所述第三竖直通道是第二下降管(6a)，并且其中，所述竖直通道中的一个是与所述第一下降管和所述第二下降管(6，6a)处于流体连通的气升通道(7)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，进一步包括竖直返回通道(9)，其中，所述竖直返回通道(9)与所述大致U形的管(5)或W形的管(50)的靠近所述竖直返回通道(9)的所述竖直通道(6，6a，7)的顶部处于流体连通。
6.根据权利要求5所述的围绕系统，其中，所述大致U形的管或W形的管的靠近所述竖直返回通道的竖直通道的开口端形成通向所述封闭式膜模块外部的端口。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的围绕系统，其中，所述竖直返回通道或者与所述气升通道或者与所述第一下降管或第二下降管处于流体连通，并且延伸通过所述封闭式膜模块的整个高度或者延伸到储罐(200)的底部。
8.根据权利要求7所述的围绕系统，其中，所述竖直返回通道对所述封闭式膜模块外部的环境是敞开的，并且被配置用于提供连续通道以将液体从所述储罐内或另一储罐或处理系统内的隔室的一个位置供应到所述气升混合系统的一个竖直通道或供应到所述储罐或处理系统中的另一位置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的围绕系统，其中，所述第一下降管和所述第二下降管与所述封闭式膜模块外部的液体处于流体连通，并且所述气升通道或所述竖直返回通道与所述封闭式膜模块内部的液体处于流体连通。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的围绕系统，其中，所述第一下降管和所述第二下降管与所述封闭式膜模块内部的液体处于流体连通，并且所述气升通道与所述封闭式膜模块外部的液体处于流体连通。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的围绕系统，其中，所述气升通道进一步包括空气注入端口(40)，所述空气注入端口被配置用于接收空气并将空气递送到所述气升通道中，使得U形气升混合系统的任一竖直通道能够成为所述气升通道并反转所述封闭式膜模块内液体的流动方向。
12.根据权利要求11所述的围绕系统，其中，供应给所述气升通道的空气或者是源于来自所述膜的排出空气、或者来自外部源的补充空气、或者两者。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的围绕系统，其中，所述空气注入端口被配置用于以脉冲或周期性方式或两者的组合连续地释放空气。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的围绕系统，其中，所述空气注入端口连接到空气虹吸管，所述空气虹吸管被配置用于允许空气积聚并周期性地释放到所述空气注入端口。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的围绕系统，其中，所述空气注入端口被配置用于轴向地、径向地、轴向且径向地或以一定角度引入空气，以便在所述气升通道内引起湍流水流。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的围绕系统，其中，所述空气注入端口在框架系统的所述模块化领部内的液体表面下方小于3.0米。
17.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，其中，所述气升混合系统被配置用于相对于所述封闭式膜模块外部的液位控制所述封闭式膜模块内的液位。
18.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，其中，四侧封闭式膜模块中的至少一个面板被配置用于各自容纳所述气升混合系统。
19.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，其中，四侧封闭式膜模块中的至少两个、三个或所有面板均被配置用于容纳所述气升混合系统。
20.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，其中，所述气升混合系统被配置用于沿向上或向下方向泵送液体通过所述封闭式膜模块。
21.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，进一步包括液体流动分配装置，所述液体流动分配装置位于所述封闭式膜模块的顶部空间中并且被配置用于在整个所述封闭式膜模块中提供均匀的液体流动。
22.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，其中，所述围绕系统是模块化的，并且其中，多个封闭式膜模块能够一个堆叠在另一个的顶部上。
23.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，其中，下部气体歧管能够清除由于冷凝或泄漏而可能积聚的液体。
24.根据权利要求23所述的围绕系统，其中，通过增加穿过所述膜的气流、或通过直接供应到所述下部歧管的补充空气或两者的组合，高空气流量被递送到所述下部歧管，以便将积聚的液体输送到所述气升系统或输送到所述液体表面。
25.根据前述权利要求中任一项所述的围绕系统，其中，所述围绕系统能够改造成现有的膜模块。
26.一种类型的膜曝气生物薄膜反应器(MABR)，包括：框架并具有上顶部空间和下顶部空间；膜阵列，所述膜阵列设置在所述框架内并在所述上顶部空间和所述下顶部空间之间延伸；其特征在于，所述膜曝气生物薄膜反应器进一步包括如前述权利要求中任一项所述的围绕系统。
27.一种围绕系统，所述围绕系统用于与膜支撑的生物薄膜反应器中的膜模块(120)一起使用，所述类型的膜模块(120)具有由在所述模块(120)中平行固定的可透气的中空纤维膜盒(100)的阵列隔开的上顶部空间和下顶部空间(104，106)，其中，所述盒(100)是封装的中空纤维膜的线性布置，所述线性布置包括其中封装有大量中空纤维膜或多束中空纤维膜(102)的上部歧管和下部歧管(98，99)，其特征在于，所述围绕系统包括：
(i)多个面板(3a，3b，3c，3d)，所述多个面板被配置用于密封所述膜模块(120)以形成封闭式膜模块(1)，所述封闭式膜模块在顶部和底部敞开、但是被封闭在所述围绕系统内；
(ii)模块化领部(20)，所述模块化领部被配置用于竖直地附接到所述封闭式膜模块(1)，从而增加所述上顶部空间(104)的高度；以及
(iii)低压气升混合系统(4)，所述低压气升混合系统被集成到所述多个面板(3a，3b，3c，3d)中的至少一个面板中，被配置用于将液体从所述膜模块(120)内部输送到所述膜模块(120)的外部，或反之亦然，使得液体沿向上或向下的方向泵送通过所述封闭式膜模块(1)，以在其安装在生物反应器罐(200)中时促进液体良好流过所述封闭式膜模块(120)，其中，所述气升混合系统(4)包括：
气升通道(7)和第一下降管(6)，所述气升通道和所述下降管在其底部彼此处于流体连通，从而形成大致U形的管(5)的两侧，所述大致U形的管在两端敞开；
竖直返回通道(9)，所述竖直返回通道的顶部与所述大致U形的管(5)的靠近所述竖直返回通道(9)的通道的顶部处于流体连通；以及
空气注入端口(40)，所述空气注入端口被配置用于接收空气并将空气递送到所述气升通道(7)的基部，以在所述气升通道(7)中的空气注入端口(40)上方引起液体向上流动，从而在所述第一下降管(6)中引起液体相应的向下流动；并且
其中，所述U形的管(5)的远离所述竖直返回通道(7)的开口端形成通向所述封闭式膜模块(1)内部的端口(11)，所述U形的管(5)的靠近所述竖直返回通道(7)的开口端形成通向所述封闭式膜模块(1)外部的端口(12)，并且所述竖直返回通道(9)的下端允许所述竖直返回通道(9)和所述生物反应器或罐(200)的底部之间的流体连通。
28.根据权利要求27所述的围绕系统，其中，所述气升混合系统进一步包括第三竖直通道，从而使得所述气升混合系统为大致W形状，其中，所述第三竖直通道是第二下降管(6a)，并且其中，所述竖直通道中的一个是与所述第一下降管和所述第二下降管(6，6a)处于流体连通的气升通道(7)。
29.根据权利要求27和28所述的围绕系统，其中，所述竖直返回通道(9)对所述封闭式膜模块(1)外部的环境是敞开的，并且被配置用于提供连续通道以从所述生物反应器或罐(200)内或另一储罐或处理系统内的隔室内的一个位置供应水。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的围绕系统，其中，所述第一下降管和所述第二下降管(6，6a)与所述封闭式膜模块(1)外部的液体处于流体连通，并且所述气升通道(7)与所述封闭式膜模块(1)内部的液体处于流体连通。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的围绕系统，其中，供应到所述气升通道(7)的空气是源于来自所述膜的排出空气、或者来自外部源的补充空气、或者两者。
32.根据权利要求27至31中任一项所述的围绕系统，其中，所述空气注入端口(40)被配置用于以脉冲或周期性方式或两者的组合连续地释放空气。
33.根据权利要求27至32中任一项所述的围绕系统，其中，所述空气注入端口(40)被连接到空气虹吸管，所述空气虹吸管被配置用于允许空气积聚并且周期性地释放到所述空气注入端口(40)。
34.根据权利要求27至33中任一项所述的围绕系统，其中，所述空气注入端口(40)被配置用于轴向地、径向地、轴向且径向地或以一定角度引入空气，以便在所述气升通道(7)内引起湍流水流。
35.根据权利要求27至34中任一项所述的围绕系统，其中，所述空气注入端口(40)在所述围绕系统的所述模块化领部(20)内的液体表面下方3.0米或更小。
36.根据权利要求27至35中任一项所述的围绕系统，其中，所述气升混合系统(4)被配置用于相对于所述封闭式膜模块(1)外部的液位控制所述封闭式膜模块(1)内的液位。
37.根据权利要求27至36中任一项所述的围绕系统，其中，四侧封闭式膜模块(1)中的至少一个面板(3a，3b，3c，3d)被配置用于各自容纳所述气升混合系统(4)。
38.根据权利要求27至37中任一项所述的围绕系统，其中，四侧封闭式膜模块中的至少两个、三个或所有面板均被配置用于容纳所述气升混合系统。
39.根据权利要求27至38中任一项所述的围绕系统，进一步包括液体流动分配装置，所述液体流动分配装置位于所述封闭式膜模块的顶部空间中并且被配置用于提供均匀液体流动通过所述封闭式膜模块(1)。
40.根据权利要求27至39中任一项所述的围绕系统，其中，所述围绕系统是模块化的，并且其中，多个封闭式膜模块(1)能够一个堆叠在另一个的顶部上。
41.根据权利要求27至40中任一项所述的围绕系统，其中，下部气体歧管(99)能够清除由于冷凝或泄漏而可能积聚的液体。
42.根据权利要求41所述的围绕系统，其中，通过增加穿过所述膜的气流、或通过直接供应到所述下部歧管(99)的补充空气、或两者的组合，高空气流量被递送到所述下部歧管(99)，以便将积聚的液体输送到所述气升系统(4)或者输送到所述液体表面。
43.根据权利要求27至42中任一项所述的围绕系统，其中，所述围绕系统能够改造成现有的膜模块。
44.一种类型的膜曝气模块(120)，包括：框架(110)、以及上顶部空间和下顶部空间(104，106)，所述上顶部空间和下顶部空间由平行装配在所述膜曝气模块(120)中的所述框架(110)中的可透气的中空纤维膜盒(100)的阵列隔开，其中，所述盒(100)是封装的中空纤维膜的线性布置，所述线性布置包括其中封装有大量中空纤维膜或多束中空纤维膜(102)的上部歧管和下部歧管(98，99)。
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