CN116802156A - 改善废水净化的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于诸如废水的流体的厌氧净化设备，该设备包括：用于流体的厌氧净化设备的反应罐和生物质再循环单元。生物质再循环单元包括：入口系统，构造为接收来自外部的流入流体；生物质收集系统，用于从反应罐的中部抽出生物质并将生物质带入生物质再循环单元；混合段，用于连接至入口系统和生物质收集系统，并且用于接收和混合流入流体与生物质；以及出口系统，用于将流入流体和生物质的混合物排放到反应罐的下部。入口系统包括收缩喷嘴，该收缩喷嘴用于当流入流体通过收缩喷嘴从入口系统流到混合段时产生抽吸效应，使得生物质收集系统将生物质从反应罐的中部抽出到混合段中。

Description

改善废水净化的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于厌氧净化设备的生物质再循环单元，用于流体诸如废水的厌氧净化。本发明还涉及一种包括该生物质再循环单元的厌氧净化设备，以及一种用于厌氧净化流体诸如废水的方法。

背景技术

废水可以通过多种方法进行净化。如果流体含有生物可降解成分，则被视为废水。其中一种废水净化方法是废水的厌氧净化。该方法主要适用于被有机杂质高度污染的废水，并且优选地具有高于20摄氏度的流体温度的废水。大多数常见的厌氧处理方法使用所谓的上流式反应器，例如EP 1979273 B1中描述的UASB(上流式厌氧污泥床)和EGSB(膨胀粒状污泥床)，或诸如EP 0170332 B1中或WO 2012/00592A1中描述的内循环反应器。这样的反应器在处理所述高度污染的废水，尤其是含有可溶性成分的废水方面非常有效。

在这些反应器中，在适当的向上流动条件下，可形成微生物的自然聚集体。这样的聚集体具有较高的沉降速度，并且可以在废水通过时，通过重力分离保留在反应器中。当较轻的絮凝物或未聚集的微生物的沉降速度低于重力分离装置的设计值时，这些絮凝物或未聚集的微生物将被冲走。这是一种理想的选择机制，因为它产生一种生物质，通常称为粒状生物质或粒状污泥，其具有高沉降速度和高密度。这些特性使得上流式反应器能够在高液体吞吐量和高体积转化率(VCR)下运行，其中体积转化率(VCR)表示为每天每立方米(m³)反应器体积转换的千克(kg)化学需氧量(COD)。实现反应器的高VCR是最理想的，因为对于给定的废水流量，允许的VCR决定了反应器的尺寸，因此决定了上流式反应器的经济效益。因此，过去的发展侧重于提高VCR，这显著地导致了VCR为每天每立方米反应器体积转化7-12kg COD的反应器、VCR为每天每立方米反应器体积转化10-18kg COD的反应器和VCR为每天每立方米反应器体积转化15-25kg COD的反应器的发展。

然而，存在限制最大可能体积转化率的因素。众所周知，在许多情况下，微生物自身并不是限制性的。这可以通过简单的计算来解释：粒状生物质的密度通常为65kg挥发性悬浮固体(VSS)/m³。微生物的转化率表示为比产甲烷活性(SMA)，通常为0.7kgCOD/kgVSS*天。上流式反应器通常用粒状生物质填充其70％的液体体积，因此可达到的最大体积转化率为65*0.7*70％＝每天每立方米反应器体积转化32kg COD。因此，这个理论上可达到的最大速率超过了目前的实际体积转化率。

当前限制上流反应器的主要因素之一是：在所有条件下，反应器中粒状生物质的量应该保持恒定，即使一些生物质可能随着净化的废水通过而损失。如果不是这种情况，那么上流式反应器将失去其生物转化能力，并且不能维持体积转化率和处理效率。反应器中粒状生物质的量取决于新的粒状生物质的增长和随着流出物的生物质损失之间的平衡。在理想条件下，生物质的增长超过了损失，生物质出现净盈余。在这种情况下，从反应器中收获粒状生物质，并可用作新反应器的启动接种物。在粒状生物质的损失超过增长的情况下，应供应额外的粒状生物质以维持转化率。

生物质的生长速率是厌氧微生物的固有特性，并且依赖于废水中有机污染物的性质。换句话说，厌氧上流式反应器的类型对生物质的生长速率没有影响。然而，它可以对厌氧生物量的发展形式产生影响，比如以理想的颗粒形式发展，或以更易与处理过的废水一起损失的絮凝形式发展。

生物质随处理过的废水的损失可以通过上流式反应器的类型来控制。导致厌氧生物质损失的主要现象有两种：

1、在粒状生物质中产生气泡，当气泡没有及时分离时，会增加颗粒的浮力。粒状生物质的漂浮会导致粒状生物质随处理过的(废水)水一起流失，因为分离是基于重力的。

2、粒状生物质可以通过密集混合被剪切成更絮凝的形式。絮凝生物质不具有与粒状生物质相同的沉降特性，随后会随着处理过的(废水)一起流失。

已采用各种方法来克服粒状生物质的漂浮问题。例如，US2011/0236274 A1使用了一种装置，该装置试图利用生物质的漂浮特性，在脱气装置中将漂浮的粒状生物质与反应器液体分离。WO 2012/005592 A1使用了一种装置，其中粒状生物质在反应器中较高的流体静压力下被分离。在这种条件下，附着的气泡再次溶解在液体中，粒状生物质的浮力降低。

由于粒状生物质的剪切而导致的絮凝生物质的损失是由形成的颗粒的强度相对于反应器内的剪切力来控制的。Pereboom(1997年)已经证明，生物质生长缓慢的系统具有更高的颗粒强度，即比生物质生长迅速的系统更不容易磨损或分解。缓慢的生长速率也意味着低转换率。因此，这与以高体积转化率设计和运行厌氧上流式反应器的目标相冲突。只有通过确保有机污染物与粒状生物质充分混合，使得整个反应器中的底物浓度尽可能低，才能在缓慢生长速率和高体积转化率之间找到最佳平衡。这确保了：平均而言，所有粒状生物质都具有相同的低底物浓度，并有助于总转化率，同时生长速率保持适中，因为生长速率取决于底物浓度。在这种条件下，可以形成足够强度的颗粒。因此，为了实现这一目标，在避免过度剪切的同时，需要在密集混合之间进行权衡。

通过例如在上流式反应器中不使用高速旋转部件(诸如再循环液体和/或生物质的混合器或泵)，可以确保在上流式反应器中避免过度剪切。然而，需要确保废水与粒状生物质的充分混合，以达到期望的转化率。否则，一部分厌氧生物质将被污染物过载，而另一部分将接收太少的污染物，而不能有效地促进转化过程。本领域中描述了克服该问题的几种方法。例如，WO 2007/078195 A1使用了一种方法，将处理过的(干净的、纯化的)流出物泵回反应器的底部，以增加向上流动的速度，从而增加混合。在液体被泵回之前，处理过的流出物需要通过流出物分离器的至少一部分，以从液体中分离粒状生物质。在WO 2007/078195 A1的另一个实施方案中，提到废水可以在反应器内的不同高度引入，从而促进流入的污染物与粒状生物质的混合。因此，WO 2007/078195 A1需要分离器的至少一部分来将流出物再循环到反应器底部和反应器中不同高度的入口点，这是难以组装的。

EP 0 170 332 B1描述了一种装置，该装置利用产生的生物气来产生气举，将流体从反应器的上部再循环到反应器的底部。这在反应器底部产生了额外的混合，在那里，流入物以温和的方式与内部再循环水混合。然后，混合水向上通过由粒状生物质组成的污泥床。然而，EP 0170332 B1需要复杂的内部结构来捕获生物气，将生物气与水分离并将其再循环回到反应器的底部。

因此，需要一种对废水等流体进行厌氧净化的方法和系统，其实现了缓慢生长速率和高体积转化率之间的更好的平衡，从而在维持生物质粒化的同时实现可接受的体积转化率，并避免过度剪切。

发明内容

第一方面，本发明提供或包括一种用于流体诸如废水的厌氧净化设备的生物质再循环单元，该生物质再循环单元包括：入口系统，该入口系统位于该设备的反应罐内的下部，并用于接收来自该设备外部的流入流体；生物质收集系统，该生物质收集系统用于从反应罐的中部抽出生物质并将生物质带入生物质再循环单元；混合段，混合段位于反应罐内的下部，混合段连接至入口系统和生物质收集系统，用于接收和混合流入流体和生物质；以及出口系统，出口系统连接至混合段并用于将流入流体和生物质的混合物排放到反应罐的下部，其中入口系统包括收缩喷嘴，该收缩喷嘴用于当流入流体通过收缩喷嘴从入口系统流到混合段时产生抽吸效应，该抽吸效应使得生物质收集系统将生物质从反应罐的中部抽出到混合段中。

本发明旨在克服上述问题，并且不仅通过将液体再循环到反应器底部，而且尤其是通过将粒状生物质从反应器的较高部分再循环到较低部分，在较低部分与有机污染物接触，从而产生最佳混合。因此，不是再循环液体，而是粒状生物质被再循环到反应器底部。生物质再循环是依据喷射原理驱动的，其中动力液体可以由流入物、或流入物和流出物的混合物(处理过的流体)或甚至流入物、流出物和再循环粒状生物质的混合物组成。当动力液体经过收缩或收缩喷嘴时，其可以产生抽吸效应，将粒状生物质从反应器的中部(在此粒状生物质可能负载较少的有机物)抽吸到反应器的底部(在此粒状生物质与进入的(流入物)流体(废水，在一些实施例中进入的流体还可以包括再循环的流出物))混合，从而产生通过反应器的向上速度。诸如根据本发明刚刚描述的喷射系统允许产生很小的剪切，它没有旋转部件，同时机械结构保持简单，从而克服了本领域已知发明的缺点，还保持了生物质的粒度。

第二方面，本发明提供了一种流体如废水的厌氧净化设备，包括：反应罐；至少一个如上的生物质再循环单元；以及在反应罐内位于下部的至少一个生物质分离装置，该至少一个生物质分离装置用于接收来自反应罐上部的流体，从流体中的液体中分离(粒状)生物质，并分别排出生物质和液体。

因此，本发明有利地提供了一种用于废水净化的厌氧净化设备，即上流式反应器，其具有简单的结构，可防止由于漂浮造成的颗粒损失，并且允许通过生物质的再循环和使再循环的生物质再次与流入流体(废水)接触而改善混合，同时保持了粒状生物质的良好质量。

至少一个生物质分离装置优选位于反应罐的下部，例如与反应器底部接触。这避免了当这些装置必须放置在反应罐上部时的困难，同时也促进了粒状生物质的保留得到改善。

在整个说明书中，上部/上部分可以指反应罐高度的上半部分，或反应罐的上三分之一，或反应器罐的上四分之一。类似地，下部/下部分可以指反应罐高度的下半部分、下三分之一或下四分之一。中部可以认为是包括反应罐高度的中间的区域，例如反应罐高度的中间三分之一，或四分之二或四分之三。中部可以是其中生物质和流入水充分混合的反应罐部分，即，生物质和流入物比在反应器罐的下部更好地彼此混合的部分。

在全文中，词语“固体”和“(粒状)生物质”可互换使用，因为反应器中存在的固体颗粒是生物质。类似地，在整个说明书中，反应器、反应器罐和反应器室可以互换使用，流入液和流入流体以及流入水也可以互换使用。类似地，生物气和气体在整个说明书中被认为是可互换的。

根据本发明的实施例，生物质收集系统包括至少一个生物质收集管，该生物质收集管的上端位于反应罐内的中部，距反应罐底部的高度在反应罐高度的20％和60％之间，更优选在25％和60％之间，甚至更优选在25％和50％之间。例如，至少一个生物质收集管的高度可以在距反应罐底部1至6米之间，更优选在2至5米之间，更优选在4至5米之间，其中反应罐的高度在8至16米之间。

根据本发明的实施例，混合段为混合室，其中入口系统包括至少一个进给管、输送管和至少一个包括收缩喷嘴的入口管，其中至少一个进给管的第一端用于接收流入流体并且其第二端连接到输送管，其中输送管位于混合室内，并且其中输送管进一步连接至至少一个入口管，使得流入流体离开输送管，并经由至少一个入口管的收缩喷嘴进入混合室。

根据实施例，生物质收集系统用于将生物质排放到混合室中，使得生物质与经由至少一个入口管的收缩喷嘴进入混合室的流入流体混合。因此，至少在一些实施例中，生物质再循环单元的混合段可以是混合室，混合室用于从一个或更多个生物质收集系统接收生物质，并从入口系统接收液体，因为入口系统可以通过一个或更多个(收缩的)排放喷嘴将液体排放到混合室中，从而在混合室中产生负压，该负压使得从生物质收集系统中抽取生物质，并将液体和生物质的混合物通过出口系统排放到反应罐中。

根据实施例，出口系统包括至少一个出口管，该出口管在第一端连接至混合室并且在第二端排放到反应罐的下部。出口系统也可以包括混合室中的开口，使得流体和生物质的混合物从混合室通过开口进入反应罐。

根据实施例，至少一个生物质分离装置包括基本上为竖直的中心管和至少一个同心外壳，同心外壳围绕中心管并限定至少一个同心腔，其中中心管用于接收来自反应器罐上部的流体并允许流体向下流动至生物质分离装置的底部，并且其中至少一个同心腔包括多个螺旋形通道，螺旋形通道用于允许流体向上流动并使得生物质向下滑动。

根据实施例，位于至少一个同心外壳上方的至少一个生物质分离装置的顶部连接至流出系统，流出系统构造为运载已经向上流出设备的干净液体。利用这种结构，生物质分离装置具有良好的分离特性，并且与其他已知的沉降器相比，可以占据更小的体积，同时结构稳定，因为至少一个同心外壳可以是基本上圆柱形的。

根据实施例，设备包括至少一个位于反应罐上部的气体分离装置，其中至少一个气体分离装置的流体出口连接至下行管，下行管对应于或连接至至少一个生物质分离装置的中心管。

在实施例中，通过流出系统从上流式反应器排放的干净液体(流出物)与流入水混合，并且被泵回到入口系统中。这有助于在没有流入物的情况下运行生物质再循环单元，在这些情况下，暂时没有流入的废水。

根据实施例，至少一个生物质分离装置包括或连接至位于至少一个生物质分离装置底部的生物质收集室，该生物质收集室构造为接收生物质并将生物质排放到至少一个生物质分离装置的外部。分离的生物质可再次用于纯化过程，并且可以直接带回反应罐或通过入口系统带回反应罐。例如，根据实施例，该设备还包括生物质提取泵，生物质提取泵构造为将生物质从生物质收集室带入至少一个生物质再循环单元的入口系统。这样，生物质可以与流入物混合，并通过生物质再循环单元进入反应罐中的污泥床。在另一个例子中，根据实施例，该设备还包括生物质提取泵，该生物质提取泵构造为将生物质从生物质收集室带入反应罐，即，生物质不与其他流体混合，直接进入反应罐。

根据实施例，该设备包括多个生物质分离装置和多个生物质再循环单元，其中每对生物质分离装置和生物质再循环单元构造为根据上述段落运行。例如，反应器罐可以具有较大的尺寸，可以配置两套或更多套生物质再循环单元、生物质分离装置、生物质收集系统、气体分离装置和下行管(downer)以及它们相应的元件，每套彼此相邻。该套设备甚至可以构建在单个结构中，方便其运输和安置。又例如，可以有若干套生物质再循环单元和生物质分离装置，以及一个或更多个连接到下行管的气体分离装置，其中下行管分成若干个下行管道，每个下行管道连接至一个生物质分离装置。显然，这些是可能的组合的示例，但是不同部分的其他组合也是可能的。

第三方面，提供了一种通过厌氧净化设备对废水等流体进行厌氧净化的方法，该方法包括以下步骤：通过设备的生物质再循环单元接收来自设备外部的流入流体和来自设备的反应罐中部的生物质；并且通过生物质再循环单元将流入物和生物质的混合物排放至反应罐的下部，其中，生物质再循环单元包括入口系统，流入流体通过该入口系统进入，其中，该方法还包括：当流入流体通过收缩喷嘴离开入口系统时产生抽吸效应，该抽吸效应使得生物质从反应罐的中部被抽到生物质再循环单元中，以与流入流体混合。

根据实施例，该方法还包括：通过位于反应罐下部的生物质分离装置接收来自反应罐上部的流体；通过生物质分离装置将所接收的流体中的生物质与液体分离；并且通过生物质分离装置分别排放生物质和液体，将干净液体排出设备。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中：

图1示出了根据本发明实施例的厌氧净化设备的竖直截面。

图2示出了根据本发明实施例的厌氧净化设备的一部分的透视截面。

图3示出了根据本发明实施例的生物质再循环单元的截面。

图4示出了根据本发明实施例的厌氧净化设备的竖直截面。

图5示出了根据本发明实施例的厌氧净化设备的一部分的透视截面。

图6示出了根据本发明实施例的生物质再循环单元的截面。

图7A示出了根据本发明实施例的净化装置的竖直截面。

图7B示出了根据本发明实施例的净化装置的竖直截面。

图8示出了描述根据本发明实施例的方法步骤的流程图。

附图仅用于说明的目的，并不作为对权利要求所规定的范围或保护的限制。

具体实施方式

尽管说明书总体上将基于流体净化进行说明，但其优选应用于废水，但是对于本领域技术人员来说，显然可以使用任何其他合适的流体。

在对附图进行详细描述之前，应当注意，在整个申请中，使用了诸如上、下、上/中/下部、上/下部分、顶/底部、顶/底部分等术语。虽然没有特别指出，但是这些定义指的是设备(净化装置)正在运行或准备运行时的位置。

同样在整个说明书中，使用了诸如竖直截面和水平截面的术语。竖直截面应理解为沿着包括纵轴(在至少一些图中用Y表示)的纵向平面形成的截面，水平截面应理解为沿着包括横轴(在至少一些图中用X表示)的横向平面形成的截面。在所有附图中，相同的数字表示相同的特征。

图1示出了根据本发明实施例的厌氧净化设备的竖直截面。图2示出了根据本发明实施例的厌氧净化设备的一部分的透视截面。为了便于说明，将同时对图1和图2进行描述。

厌氧净化设备1包括反应罐10、生物质再循环单元20、生物质分离装置30和气体分离装置40。

生物质再循环单元20至少部分位于反应罐的下部，例如下半部或下三分之一部分，例如与反应罐的底部接触。生物质再循环单元20包括生物质收集系统24，该生物质收集系统24用于从反应罐中部的生物质床收集生物质，并将其带到反应罐10的下部。在图1和图2所示的实施例中，生物质收集系统24包括收集管，但是也可以包括多个管，并且还可以包括收集管上的入口漏斗，以便于将生物质从生物质床沿竖直向下的方向容易地输送到管中。管的长度可以从反应罐高度的20％变化到反应罐高度的60％，更优选从25％到50％。例如，对于8米至16米之间的罐高度，管的长度可以从1米变化至6米，更优选从2米变化至5米，并且更优选从4米变化至5米。这样的长度能够从生物质床的中部(反应罐的中部)抽吸生物质，并将其返回到生物质床的底部。在生物质收集系统24的下部分，收集管可以形成弯曲部，该弯曲部的角度相对于收集管的纵轴具有在90度和135度之间变化，在图1和2所示的实施例中约为90度。

生物质再循环单元20还包括入口系统22。在图1和2的实施例中，入口系统包括入口管，但是它也可以包括多个入口管。入口系统22的入口管包括收缩喷嘴23(在图3中可见)，并且连接至弯曲部，使得流入的水通过收缩喷嘴23排出。在生物质再循环单元20的某一部分中，流入的水从入口系统22排出，这一部分是混合段25。水在收缩喷嘴23中的高速产生抽吸效应，该效应将生物质向下牵引通过生物质收集系统24，进入混合段25。也就是说，收缩喷嘴23产生喷射系统，其中流入的水是产生抽吸效果的动力液体。生物质和流入的水在混合段25中混合。混合段25可以是管段(例如在图1和2的实施例中)，或者在另一个实施例中，混合段25可以是混合室。混合的流入物和生物质离开生物质再循环单元，并通过出口系统26进入反应罐10的下部，出口系统26可以包括一个或更多个出口管。

通过在反应器的底部(下部分)产生额外的混合以及生物质从反应器的较高部分(中部)向下到较低部分的再循环，在反应器底部高负载COD的生物质被来自较高高度的没有负载很多COD的生物质取代。这允许实现更好的混合，并进而产生更好质量的粒状生物质，这导致粒状生物质更好地保留在上流式反应器中。

在图1和2的实施例中，生物质再循环单元20包括两套，每套包括一个生物质收集系统24(收集管)、一个入口系统22(入口管)、一个混合段25和一个出口系统26(出口管)。然而，需要注意的是，根据本发明的生物质再循环单元20也可以包括一套或多于两套。具有大致等距间隔开的两套生物质再循环单元允许从反应罐10中的不同位置收集生物质，并将其带到反应罐10下部的不同位置，将生物质更均匀地分布在整个生物质床上。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，其他配置也是可能的。

生物质分离装置30在反应罐10内位于下部，并且构造成接收来自反应罐上部的流体，以便将流体中的生物质(固体)与液体分离并分别排出，将干净液体排出设备。在图1和2的实施例中，生物质分离装置包括竖直或基本上竖直延伸的中心管31，当运行时，通过该中心管31接收来自反应罐10上部的流体。中心管31的下端排放到生物质分离装置30底部的生物质收集室35中，生物质收集室35优选位于生物质分离装置30下方的中心位置。生物质分离装置还包括至少一个同心外壳32(在图2中更为明显)，同心外壳32围绕中心管31并限定至少一个同心腔。至少一个同心腔填充有螺旋形通道33，该螺旋形通道33在竖直方向上延伸，围绕中心管31呈螺旋形。中心管31构造成接收来自反应罐10上部的流体，并允许流体向下流动直至到达生物质分离装置30的底部。在底部，在形成生物质收集室35的空腔中，来自中心管31的流体具有利用其自身能量转向的空间，并向上移动通过同心腔的多个螺旋形通道33。由于与螺旋形通道33的壁的摩擦，当流体向上移动时，可能仍然存在生物质(固体)与液体分离并由于其较高的密度而向下移动，并且沉降在生物质收集室35中。至少一个外壳可以限定圆柱形形状，并且生物质收集室35可以具有圆锥形或漏斗状形状，在该形状的窄端底部具有开口，促进固体颗粒(生物质)的沉降。

位于至少一个同心外壳上方的生物质分离装置30的顶部可以连接至流出系统34，该流出系统34构造成载运已经向上流出设备的干净液体。生物质分离装置30的顶部可以包括至少一个分隔结构，用于产生至少两个隔室，已经向上流过螺旋形通道33的液体可以到达隔室中，其中每个隔室连接至流出系统34。这允许到达生物质分离装置30顶部的液体具有受控的分布。

生物质分离装置包括至少一个围绕中心管31的同心外壳，但也可包括至少两个或更多哥同心外壳，具体取决于生物质分离装置30的尺寸。

应该注意的是，图1和图2的实施例的生物质分离装置是一种可能性，但是对于本领域技术人员来说，显然具有不同结构的生物质分离装置(不包括同心腔，优选地也位于反应罐的底/下部)可以与本发明的生物质再循环单元20结合用于净化设备中。

流出系统34可以包括一个或更多个流出管，并且可以将干净液体(流出物)带到厌氧净化设备的外部，或者可以将至少部分干净液体再循环回到反应罐，如将在下图7A和图7B示出的。已经从液体中分离的生物质可以通过生物质提取泵36和生物质提取管37带出生物质收集室35，生物质提取管37可以将生物质带出设备，或者带回反应罐10中。这将在图7A和7B中详细说明。

在图1中，厌氧净化装置还示出了气体分离装置40。在反应罐10中与污泥(生物质)床中的生物质反应并产生生物气的流体向上移动。在反应罐10的上部，可以设置气体分离装置40，以将气体与液体和流体中的生物质分离。优选地，气体分离装置40的顶部，更优选地顶部边缘或顶部表面，位于液面60处或液面60之下，使得设备的在反应罐10内部的其余元件位于液面之下。气体分离装置40可以具有不同的形状。在本发明的一个实施例中，如图1所示，气体分离装置40可以包括围绕中心部的至少一个同心外壳，该至少一个同心结构限定至少一个同心腔，其中该至少一个同心腔包括多个螺旋形通道，使得已经到达反应罐10上部的流体通过该至少一个同心外壳的顶部开口进入气体分离装置40。当流体通过螺旋形通道向下流动时，由于螺旋形通道的壁，气体颗粒将与液体和固体分离，气体将向上移动，被收集在反应罐10的上部，并经由位于(设备的)反应罐的上部分的气体出口42排出。然后，包含液体和固体的流体将通过流体出口41向下流动，该流体出口41连接至下行管31，下行管31对应于或连接至生物质分离装置的中心管31。如上所述，应该注意的是，图1和2的实施例的气体分离装置是一种可能性，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，具有不同结构的气体分离装置(不包括同心腔，优选地也位于反应罐的上部)可以与本发明的生物质再循环单元结合用于净化设备中。

图3示出了根据本发明实施例的生物质再循环单元的截面。在图3中，可以更详细地看到上面已经结合图1和图2说明的生物质再循环单元20的部件：入口系统22、生物质收集系统24、混合段25和出口系统26。如在图3中更清楚地看到的，生物质收集系统24限定了弯曲部，该弯曲部终止于混合段25或与混合段25重叠。入口系统22也连接至混合段25，并且流入物与由于抽吸效应而被带入混合段25的生物质混合，然后通过出口系统26离开生物质再循环单元。根据该实施例的生物质再循环单元可以与反应罐中的其余元件(气体分离装置和生物质分离装置)分开放置，并且可以单独放置在现有的厌氧净化装置中。

图4示出了根据本发明实施例的厌氧净化设备的竖直截面。图5示出了根据本发明实施例的厌氧净化设备的一部分的透视截面。图6示出了根据本发明实施例的生物质再循环单元的截面。为了便于说明，将同时描述图4、图5和图6。

图4、图5和图6的厌氧净化设备类似于图1、图2和图3的设备。关于生物质分离装置30和气体分离装置40的描述将被省略，因为其类似于上面的描述。

图4、图5和图6描述了生物质再循环单元20，该生物质再循环单元20具有与图1、图2和图3的特征不同的一些特征。在图4、图5和图6的生物质再循环单元20中，混合段25对应于混合室25。入口系统22包括至少一个进给管27(由于透视的原因，在图5中可见)，来自设备外部的流入流体通过该进给管进入。然而，根据该实施例的入口系统具有额外的管。它还包括输送管28和至少一个入口管22，入口管22包括收缩喷嘴23(在图6中更清楚可见)。至少一个进给管27的第一端构造成接收流入流体，第二端连接到输送管28。输送管28位于混合室25的内部，在混合室内部延伸，并且终止于或进一步连接至至少一个入口管22，使得流入流体离开输送管28，并经由至少一个入口管22的收缩喷嘴23进入混合室25。需要注意，入口管的附图标记与入口系统的附图标记相同，因为这是最简单的实施方式，如图1、图2和图3所示，入口系统包括入口管，该入口管对应于图4、图5和图6的入口管。

混合室25可以具有各种形状，例如立方体盒状，或者如图4、图5和图6所示的环形或圆环形。混合室25的位置优选在反应罐10的下部分，例如在反应罐的底部，更优选地至少部分在生物质分离装置30下方。混合室25(或混合段)的功能是将来自生物质收集系统24的生物质与流入水混合，并通过出口系统26的一个或更多个出口管将混合物排放到反应罐10的下部分。利用这种结构，混合室25不需要将一个生物质收集管24连接到一个入口管22和一个出口管26。这意味着具有收集管24的一个或更多个生物质收集系统、具有收缩喷嘴23的入口系统22以及具有出口管的出口系统26可以连接到单个混合室25，这还允许由生物质再循环单元20和生物质分离装置30形成的更紧凑的结构。

生物质收集室35至少部分位于生物质分离装置30下方，优选位于生物质分离装置30下方的中心位置。混合室25优选地围绕生物质收集室35，具有围绕竖直轴线旋转的环形形状，生物质收集室35的外壁接触或形成环形(即，混合室25)的内壁。这种布局可以有效利用空间，因为它创建了一个紧凑的结构。在一个实施例中，生物质分离装置30、生物质收集室35和混合室25构建在一个单一结构中或者组装在一起。

生物质再循环单元20的入口系统22通过至少一个进给管27将流入水引入混合室25。该流入水包括来自设备外部的流体，该流体可以是流入物或再循环处理过的流出物，并且它还可以包括再循环的生物质，该再循环的生物质已经通过连接至生物质收集室35的生物质提取泵36和生物质提取管37离开该设备并且被再循环。在混合室25内部，输送管28连接至进给管27，并且输送管28还连接至至少一个入口管22，该入口管22具有收缩喷嘴23，流入物可以通过该收缩喷嘴23进入混合室25。混合室25的内部形成空腔，输送管28位于该空腔中，并且所述空腔构造成容纳由生物质收集系统24通过抽吸效应而从反应罐10中收集的生物质，更具体地说是从反应罐的中部收集的生物质，所述抽吸效应是由通过入口管22的收缩喷嘴23进入混合室25的流入物所引起的。生物质收集系统可以包括至少一个收集管，优选至少两个收集管，如图4所示。生物质和进水在混合室25中混合，并且通过将混合室25与反应罐10连接的出口系统的一个或更多个出口管或出口开口26排出。从混合室25排出的流入物和生物质的混合物进入反应罐10的下部。

在图6中，可更详细地看到上文结合图4和图5所述的生物质再循环单元20的部件：连接至输送管28(图6中不可见)的入口系统的入口管22、生物质收集系统24、混合室25和出口系统26。如图6中更清楚地看到的，生物质收集系统24将生物质排放到混合室25中。包括收缩喷嘴23的入口管22也排放到混合室25中，并且流入物与由于收缩喷嘴23产生的抽吸效应而被带入混合段25的生物质混合，然后通过出口系统26离开生物质再循环单元。

图7A示出了根据本发明实施例的净化装置的竖直截面。沉降在生物质收集室35中的固体(粒状生物质)经由生物质提取泵36通过生物质提取管37从生物质收集室中移除。生物质可以再循环，以便与从设备外部接收的流入物一起被重新引入生物质再循环单元20。在图7A示出的实施例(其可应用于上述任何一个图所描述的设备)中，在图7A中可以看到在上述图中不可见的进入和离开反应罐10的管道系统。

在图7A的实施例中，借助于流入泵14，从设备外部接收的流入物由入口系统22(现在所示的入口系统包括在生物质再循环单元中排放的长管)输送。然后，在入口系统中，该流入物与从生物质收集室35中移除的固体(生物质)混合，该固体(生物质)由生物质提取泵36通过生物质提取管37(在图5中也可以看到)从生物质收集室35中泵出。然后，通过入口系统22，从设备外部接收的流体和从生物质收集室35移除的生物质被混合并输送到生物质再循环单元20。因此，在图7A的实施例中，从液体中分离的生物质与从外部接收的流入流体一起再循环回到混合室25中，然后该生物质与流体将在混合室25中与从反应罐10的较高(中间)部分收集的额外生物质混合，并进入反应罐10的较低部分。

在图7A的实施例中，附加地或替代地，通过流出系统34从设备中移除的部分干净液体(流出物)被再循环并与从外部接收的流入物混合。根据从外部接收的流入物中的杂质的量，使用部分干净液体可以有助于降低在反应罐10的下部排出的杂质浓度。

图7B示出了根据本发明实施例的净化装置的竖直截面。与图7A的区别在于，在图7B的实施例中，生物质收集室35中的生物质不与来自设备外部的流入物一起再循环到生物质再循环单元20中。在图7B的实施例中，生物质收集室35中的生物质被单独再循环到反应罐10中，这是在生物质提取泵36的作用下使用生物质提取管37来完成的。生物质在某一高度处被重新引入到反应罐内的污泥床中，该高度低于生物质被收集到生物质再循环单元的高度。图7B的实施例提供了重新利用分离的生物质的替代方式。

图8示出了根据本发明实施例的方法步骤的流程图。首先，该方法包括接收步骤801，即，由生物质再循环单元20接收来自设备外部的流入流体和来自反应罐中部的生物质，该生物质再循环单元20优选位于反应罐10的下部。该接收步骤已经在上面结合前面的附图进行了描述。

步骤802包括通过生物质再循环单元20将流入物和生物质的混合物排放到反应罐10的下部。如上所述，从反应罐的较高部收集生物质并将其重新引入较低部的优点是：允许将具有较低COD浓度的生物质带到较低部，并且更好地混合，从而实现生物质和流体的更好混合。

生物质再循环单元20包括入口系统22，流入流体通过该入口系统22进入，并且该方法还包括：当流入流体通过收缩喷嘴23离开入口系统22时，产生抽吸效应，该抽吸效应使得生物质从反应器罐10的中部被抽到生物质再循环单元20中，以与流入流体混合。

该方法还可以包括通过生物质分离装置30接收来自反应罐10上部的流体，该生物质分离装置30优选也位于反应罐的下部。根据一个实施例，该流体可以来自位于上部的气体分离装置40。该方法还可以包括通过生物质分离装置30将被接收的流体中的固体(生物质)与液体分离，通过生物质分离装置30分别排出生物质和液体。

应该注意的是，该方法的步骤被描述为从步骤801开始，但是纯化过程在重复步骤流程的一定时间内连续发生，因此这些步骤应该被认为是连续的。

附图仅用于说明，并不作为对权利要求所规定的范围或保护的限制。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行多种多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

尤其是，可以对本发明的各个方面的具体特征进行组合。本发明的一个方面可以通过添加关于本发明的另一个方面描述的特征来进一步有利地增强。

应当理解，本发明仅受所附权利要求及其技术等效物的限制。在本文及其权利要求中，动词“包括”及其变形以其非限制性的含义使用，表示包括该词后面的项目，但不排除没有具体提到的项目。此外，用不定冠词“一”或“一个”指代元件并不排除存在一个以上元件的可能性，除非上下文明确要求有且仅有一个元件。不定冠词“一”或“一个”通常表示“至少一个”。

附图标记

1厌氧净化设备

10反应罐

14流入泵

20生物质再循环单元

22(生物质再循环单元的)入口系统或入口管

23收缩喷嘴

24生物质收集系统或收集管

25混合段/混合室

26(生物质再循环单元的)出口系统或出口管

27(入口系统的)进给管

28(入口系统的)输送管

30生物质分离装置

31中心管

32同心外壳

33螺旋形通道

34流出系统

35生物质收集室

36生物质抽取泵

37生物质抽取管

40气体分离装置

42气体出口

60液面

Claims (15)

1.一种用于流体的厌氧净化设备(1)，流体诸如是废水，厌氧净化设备包括：

-反应罐(10)；以及

-至少一个生物质再循环单元(20)，生物质再循环单元(20)包括：

-入口系统(22)，入口系统(22)在反应罐(10)内位于下部，并且构造为接收来自设备外部的流入流体；

-生物质收集系统(24)，生物质收集系统(24)构造为将生物质从反应罐(10)的中部抽出并将生物质带入生物质再循环单元(20)；

-混合段(25)，混合段(25)在反应罐(10)内位于下部，连接至入口系统(22)和生物质收集系统(24)，并且构造为接收和混合流入流体与生物质；以及

-出口系统(26)，出口系统(26)连接至混合段(25)并且构造为将流入流体和生物质的混合物排放到反应罐(10)的下部，

其中，入口系统(22)包括收缩喷嘴(23)，收缩喷嘴(23)构造为当流入流体通过收缩喷嘴(23)从入口系统(22)流向混合段(25)时产生抽吸效应，抽吸效应使得生物质收集系统(24)将生物质从反应罐(10)的中部抽取到混合段(25)中。

2.根据权利要求1所述的厌氧净化设备(1)，进一步包括在反应罐(10)内位于下部的至少一个生物质分离装置(30)，至少一个生物质分离装置(30)构造为接收来自反应罐(10)的上部的流体，并且将流体中的生物质与液体分离并分别排出生物质与液体，从而将干净液体排出设备。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中生物质收集系统(24)包括或连接到至少一个生物质收集管，生物质收集管的上端在反应罐(10)内位于中部，距反应罐底部的高度在反应罐高度的20％和反应罐高度的60％之间，更优选地在25％和50％之间。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备(1)，其中混合段(25)对应于混合室(25)，其中入口系统(22)包括至少一个进给管(27)、输送管(28)和至少一个包括收缩喷嘴(23)的入口管(22)，其中至少一个进给管(27)的第一端构造为接收流入流体，至少一个进给管(27)的第二端连接至输送管(28)，其中输送管(28)位于混合室(25)内部，并且输送管(28)还连接至至少一个入口管(22)，使得流入流体离开输送管(28)并且经由至少一个入口管(22)的收缩喷嘴(23)进入混合室(25)。

5.根据权利要求4所述的设备(1)，其中生物质收集系统(24)构造为将生物质排放到混合室(25)中，使得生物质与经由至少一个入口管(22)的收缩喷嘴(23)进入混合室(25)的流入流体混合。

6.根据权利要求4或5中任一项所述的设备(1)，其中出口系统(26)包括至少一个出口管，至少一个出口管的第一端连接至混合室(25)，并且至少一个出口管的第二端排放到反应罐(10)的下部。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的设备(1)，其中至少一个生物质分离装置(30)包括基本竖直的中心管(31)和至少一个同心外壳(32)，至少一个同心外壳围绕中心管并且限定至少一个同心腔，其中中心管构造为接收来自反应罐(10)的上部的流体，并且允许流体向下流动直到生物质分离装置的底部，并且其中至少一个同心腔包括多个螺旋形通道(33)，螺旋形通道构造为允许流体向上流动并使得生物质向下滑动。

8.根据权利要求7所述的设备(1)，其中位于至少一个同心外壳(32)上方的至少一个生物质分离装置(30)的顶部连接至流出系统(34)，流出系统(34)构造为运送已经向上流出设备的干净液体。

9.根据权利要求7-8中任一项所述的设备(1)，进一步包括位于反应罐(10)的上部的至少一个气体分离装置(40)，其中至少一个气体分离装置(40)的流体出口(41)连接至下行管，下行管对应于或连接至至少一个生物质分离装置(30)的中心管(31)。

10.根据权利要求2-9中任一项所述的设备(1)，其中至少一个生物质分离装置(30)包括生物质收集室(35)，生物质收集室(35)位于至少一个生物质分离装置(30)的底部并且构造为接收生物质并将生物质排放到至少一个生物质分离装置(30)的外部。

11.根据权利要求10所述的设备(1)，进一步包括生物质提取泵(36)，生物质提取泵(36)构造为将生物质从生物质收集室(35)带入至少一个生物质再循环单元(20)的入口系统(22)。

12.根据权利要求10所述的设备(1)，还包括生物质提取泵(36)，生物质提取泵(36)构造为将生物质从生物质收集室(35)带入反应罐(10)中。

13.根据权利要求2-12中任一项所述的设备(1)，包括多个生物质分离装置(30)和多个生物质再循环单元(20)，其中每对生物质分离装置(30)和生物质再循环单元(20)构造为根据权利要求1-12中任一项运行。

14.一种使用根据权利要求1-13中任一项所述的厌氧净化设备(1)对诸如废水的流体进行厌氧净化的方法，包括以下步骤：

-通过设备的生物质再循环单元(20)接收来自设备外部的流入流体和来自设备的反应罐(10)的中部的生物质；以及

-通过生物质再循环单元(20)将流入流体和生物质的混合物排放至反应罐(10)的下部，

其中，所述方法还包括：当流入流体通过收缩喷嘴(23)离开入口系统(22)时，产生抽吸效应，抽吸效应使得生物质从反应罐(10)的中部被抽出到生物质再循环单元(20)中，以与流入流体混合。

15.当根据权利要求14所述的方法由根据权利要求2-13中任一项所述的厌氧净化装置运行时，所述方法还包括以下步骤：

-通过位于反应罐(10)的下部的生物质分离装置(30)接收来自反应罐(10)的上部的流体，

-通过生物质分离装置(30)将被接收的流体中的生物质与液体分离；以及

-通过生物质分离装置(30)分别排出生物质和液体，从而干净液体排出设备。