CN1177769C

CN1177769C - 用于控制长立轴生物反应器中液体循环流动的装置和方法

Info

Publication number: CN1177769C
Application number: CNB018091032A
Authority: CN
Inventors: ��ά��C��; 戴维·C·波洛克
Original assignee: Noram Engineering and Constructors Ltd
Current assignee: Noram Engineering and Constructors Ltd
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2004-12-01
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: DE60123417D1; MXPA02010871A; CA2405752A1; AU2001259982A1; CN1427804A; CA2405752C; EP1284934B1; ATE340769T1; EP1284934A1; WO2001085624A1; US6468429B1

Abstract

本发明涉及对用于废水的需氧生物处理和生物可分解残渣的需氧消化的长立轴生物反应器的改进。本发明包括改善这种生物反应器中的液压流动、交互区域混和和气体传输的流动控制装置(100)和方法。流动控制装置(100)包括带开口的上板(102)，该上板安装在生物反应器(10)的上流腔室(24)内，并包括下板(104)，下板位于上板之下、流体连通的生物反应器的混和区和阻流区之间的连接点处。至少上板(102)中的一些开口(108)配装有可调节的阀(110)，用于调节通过其的液体的流动，并由此调节流动控制装置(100)所施加的液压压头损失大小。优选地是，上板(102)位于上流腔室(24)内、流入物排入生物反应器(10)的入口(30)上游处。流动控制装置(100)降低了液体在生物反应器上循环区内的循环速度，并也提供了一个物理分隔，基本上约束了混和区(D)和阻流区之间的交互区域混和。

Description

用于控制长立轴生物反应器中液体循环流动的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种控制长立轴(long vertical shaft)生物反应器中湍流、混和和气体迁移特性的装置和方法。

本发明涉及长立轴生物反应器，其用于废水的需氧生物处理以及生物可分解的残渣的需氧消化。特别是，本发明涉及改进这类生物反应器中的液压流动的控制、交互区域混合和气体转移特性的装置和方法。

背景技术

长立轴生物反应器系统在现有技术中是公知的。例如，分别在1997年7月8日和1997年7月22日授权的Pollock的美国专利5645726和5650070涉及适用于生物可分解的残渣和废水的处理的生物反应器。这些生物反应器包括循环系统，该循环系统包括至少两个较长并基本上垂直的并排或同轴腔室(即，下流腔室和上流腔室)，它们在其上端和下端彼此连通。尤其是，各腔室的上端通过表面水槽(surface basin)相连，而各下端连通到正好位于下流腔室下端之下的公共混和区中。不进行循环的“阻流”区(plug flow zone)正好位于混和区之下并与之连通。在这个专利申请中所用的“阻流”是指固体颗粒从混和区向位于反应器下端的排出口的纯粹的向下迁移。纯粹的向下迁移可以包括一些局部的反混。

使得要处理的废水或残渣水反复通过下流腔室和上流腔室、表面水槽和混和区并在它们之间循环。循环流动的一部分引向阻流区并在其下端作为排出物去除。

通常，称为“混和液体”的包括生物体和微生物的含水液体通过将含氧气体(一般为空气)喷射到混和区和阻流区之一或二者内而通过循环系统驱动。一般，在用于废水处理的反应器中，空气喷射到反应器底部之上5～10英尺，并且可选的是，一部分空气也刚好喷射到下流腔室下端之下。最深的空气喷射点将阻流区分成最深空气喷射点之上的具有局部反混的准阻流区以及最深空气喷射点之下的没有混和的严格的阻流区。流入的废水引入上流腔室内、下流腔室下端之上的一小段距离处。开始时，空气以穿过流入线路而进入上流腔室的深度喷射，从而导致液体在具有空气提升泵(airlift pump)的性质的上流腔室和下流腔室之间循环。一旦开始循环，所有空气喷射转移到混和区和/或阻流区。从这些区升起的气泡吸入到上流腔室内并排斥在下流腔室之外(由于在下流腔室内的液体的向下流动超过气泡的上升速率)。从而，所有气泡传输到上流腔室内，并维持稳定循环。

通常，表面水槽在上流腔室顶部配装有水平导流片，以迫使混和液体横穿水槽的主要部分并在再次进入下流腔室进行进一步处理之前释放废气。通过随着循环流动从向下转为向上流动而回转速度头，在下流腔室下端形成湍流区。这个混和区没有准确地限定，而一般在15～25英尺深之间。响应等量的经处理的废水从阻流区下端排出到如上所述的排出管线中，在混和区内的一部分混和液体向下流动到阻流区的顶部内。

在废物、溶解氧、养分、和生物体(包括活性微生物群体)之间的反应基本上在反应器的上循环区发生，该上循环区由表面水槽、上流腔室和下流腔室以及混和区限定。混和区内容物的大部分向上循环到上流腔室。在这个上流腔室中，未溶解的气体(主要是氮气)膨胀，从而有助于提供在反应器上部内驱动液体循环所需的气体提升力。随着液体在表面水槽中横穿导流片而从液体中释放出废气。位于上循环区之下的阻流区对从混和区向反应器下端的排出口向下流动的混和液体提供最终处理或“精练”(polish)。在压力下喷射的含氧气体易于溶解到阻流区内的液体中，在阻流区内存在局部反混，导致液体纯粹的向下运动缓慢。未溶解的气体(气泡)在压力下向上迁移到强湍流的混和区。在这个区内气体向液体的传输非常高，达到整个反应器氧气传输效率的65％以上。反应产物为二氧化碳和附加的生物体，它们与存在于流入的废水中的未处理的固态材料结合而形成残渣(或生物固体(biosolids))。

设计用于废水和残渣的需氧处理的长立轴生物反应器通常很类似。然而，废水处理生物反应器一般需要非常小的阻流区。另外，残渣处理生物反应器优选地包括两个不同的充气分配器，以用于将空气在两个不同位置处喷射到反应容器中，即喷射到混和区和阻流区内，如上所述。

在中温范围(直到约40℃)内残渣生物固体的需氧消化的主要产物为二氧化碳、硝化氮以及减少的残渣物质。在嗜温范围(大约45℃～70℃)下需氧消化的主要产物为二氧化碳和氨。

虽然现存的长立轴生物反应器(如美国专利5645726和5650070中所描述的)在废水和残渣生物固体的处理方面是有益的，但是它们有若干缺陷，这些缺陷约束了它们的商业效力。当这种现有技术的生物反应器设计为适应大范围的负载和流量时，混和区和阻流区变得尺寸过大，导致在一些工作条件下液压和氧气传输效率损失。作为折衷，现有技术生物反应器一般针对一种条件-通常的平均负载和流量-加以优化。不幸的是，在每日负载条件下工作的典型的城市废物处理厂中，平均条件一天仅仅暂时出现两或三次。

在负载和流量增大情况下，在该情况下空气速率必须增大以满足更大的生物空气需求，损害了反应器的效率。这是由于空气速率增大所造成的循环速率的增大。增大循环速率实际上降低了溶解气体浓度，降低了微生物的呼吸速率，并增大了压头损失，如下面进一步详细描述的。

液压方面要考虑的问题

当生物反应器的上循环区内的循环速度增大时，在最大压力下用于空气和水的混和时间减小。此外，对于任何给定的空气速率，增大液体速度并由此增大流过空气喷射点的液体体积会稀释每单位液体体积内可用空气的浓度。这将降低水中空气的饱和潜力。通常，下流腔室大约为反应器主体横截面积的四分之一，因此由增大的空气速率而导致的在上流腔室内液体流动速度的增大几乎四倍影响下流腔室内的液体速度。增大的空气速率将持续增加循环速度，直到建立压头平衡为止(即，当与下流腔室相关的液压阻力与额外空气所产生的上流腔室内的气体提升作用平衡时)。在较大管路中液压损失相对小的大反应器中，下流腔室内的液体速度可以为10～15ft/sec。试验表明对于每英尺/秒的向下速度，通过下流腔室的液体流量穿透阻流区大约1～1.5英尺。产生10～15英尺/秒的向下流速的非常高的空气速率可以通过将大部分阻流体积混和到再循环流动中而有效地消除废水处理生物反应器中的阻流区的作用。这些相同的现象也会使适用于处理残渣生物固体的生物反应器中的阻流区减小约15～20％。

于是，由于生物反应器的下流腔室部分内的液压损失直接施加到排出管线的压头损失(排出管线可以作为下流腔室、混和区和阻流区的延续而在液压上实现)，因此要避免较高的下流腔室流速。克服这种压头损失需要对溢流加压和/或将入流泵入反应器中，导致工作效率差。

交互区域混和方面要考虑的问题

Tracer对适用于残渣生物固体处理的生物反应器(如美国专利5650070中所描述的VERTAD^TM)的阻流区加以研究表明：虽然10～15英尺/秒的循环液压流穿入阻流区内基本上驻留于下流腔室下端之下15～25英尺，在穿透区之下仍存在微小的运动或流动。这个流动移动非常缓慢，并且相当于局部的反混“前沿”(front)。该“前沿”以大约每分钟1～3英尺在干净水中向下移动，并以大约每分钟0.5～1.5英尺在4％的残渣内移动。这个向下流动的液体大约与通过反应器的阻流区向上移动的气泡的压缩体积流动相当。导致较高混和速率的较高空气速率允许这个“前沿”通过阻流区，即使在后者更快的情况下，从而降低了效率和阻流区的价值。

生物方面要考虑的问题

公知的是生物氧化作用中生物需氧量(BOD)的消耗率为BOD最大浓度的函数。对于适量的生物体(微生物的生物量)，存在一个BOD浓度，超过这个浓度，去除率将不再增大。当液体循环速率增大时，在入流喷射点处的BOD浓度被稀释，并且呼吸速率从理想的最大值下降到非常低的值，从而降低了反应器生物氧化废水或残渣中的有机物的能力。

在生物反应器的主循环区内保持较高的呼吸速率导致在循环区消耗大部分BOD。这使得阻流区以较低的呼吸速率工作，这又具有保持更多的溶解空气用于浮选分离(即，在生物反应器表面分离水槽内的生物体的分离)的效果。于是，由于空气喷射速率的增大而造成的循环区内呼吸速率的减小可以减少可用于随后浮选分离的未溶解空气。

总之，在已经优化的长立轴生物反应器中，增大空气速率以适应负载或流量的增大将具有如下的副作用：

1.溶解氧气程度较低；

2.呼吸速率降低；

3.排出管线内液压损失增大；

4.阻流区的局部混和；

5.用于随后浮选分离的溶解空气减少；

本发明不仅抵消这些副作用，而且可以联机调节，以针对任何负载和流量改善生物反应器的性能。

发明内容

根据本发明，提供了具有细长的上流腔室和下流腔室的需氧生物反应器，上流腔室和下流腔室在它们的上端和下端流体连通。生物反应器还包括：用于将生物可分解废物排入上流腔室内的入流管道；用于从生物反应器下部抽出排出物的出流管道；以及用于将含氧气体喷射到生物反应器中以驱动包括生物可分解废物的液体在上流腔室和下流腔室之间循环的气体入口。本发明特征在于，该生物反应器还包括安装在上流腔室内入流管道排出端上游的流动控制装置，其中流动控制装置可调节地控制液体的循环速度。

优选地是，循环液体在位于下流腔室下端附近的生物反应器的湍流混和区内从向下流动改变其流动方向为向上流动，而流动控制装置还包括：

(a)安装在混和区上端附近上流腔室内的上板，上板其中具有多个孔，该孔可允许循环液体从其通过；以及

(b)安装在生物反应器内混和区下端附近、上板之下的下板，下板对混和区和位于混和区之下的阻流区之间的液体流动提供局部阻挡。

流动控制装置还可以包括多个在上板和下板之间垂直延伸的间隔开的流动转向板，以及混和区内下板之上的冲击板，用于使向下流动的液体转向下板。

在使用中，流动控制装置将液压压头损失施加到上流腔室的下端，借此，与出流管道相连通的上板下侧上的循环液体保持在比与入流管道相连通的上板上侧上的循环液体高的压力下，由此在不使用泵的情况下，使得生物可分解废物通过入流管道流入生物反应器，而排出物通过出流管道流出所述生物反应器。

本发明也包括一种改进长立轴需氧生物反应器的效率的方法，其中，生物反应器包括细长的上流腔室和下流腔室，二者在它们的上端和下端流体连通；用于将生物可分解废物排入上流腔室的入流管道；用于从生物反应器下部抽出排出物的出流管道；以及用于将含氧气体喷射到生物反应器中以驱动包括生物可分解废物的液体在上流腔室和下流腔室之间循环的气体入口。该方法包括如下步骤：

(a)响应排入生物反应器中的生物可分解废物的体积和/或浓度的变化，调节喷射到生物反应器中的所述含氧气体的体积，由此优化废物的需氧消化率；以及

(b)减小液体的循环速度，以增大液体在上流腔室内的停留时间。

附图说明

在描述本发明的实施例，但不应以任何方式理解为限制本发明的精髓或范围的附图中：

图1是现有技术VERTREAT^TM生物反应器系统的概略垂直剖面图；

图2a是配装有根据本发明的流动控制装置的现有技术VERTREAT^TM生物反应器系统的概略垂直剖面图；

图2b是图2a的流动控制装置的放大剖面图；

图3是现有技术VERTAD^TM生物反应器系统的概略垂直剖面图；

图4是配装有根据本发明的流动控制装置的现有技术VERTAD^TM生物反应器系统的概略垂直剖面图；

图5是图2a的生物反应器的局部断开的立体图；

图6a是配装有两个流动控制装置的图2a的生物反应器系统的放大垂直剖面图；

图6b是图6a的流动控制装置的放大剖面图；

图7是在带挡板的压力容器中水中空气饱和度相对于各种气泡流量的滞留时间的曲线。粗线是原始的Hays数据(Sewage and Industrial Waste，1956)。单线是演示本发明的效果的计算数据，处于3到4分钟滞留时间且空隙度超过10％。空隙度标准化为1个大气压；

图8a是呼吸速率(mg O₂/gm/hr)相对于废水流入强度(COD mg/L)的Michaelis-Menten方法曲线；

图8b是参照图8a的呼吸速率的倒数与废水流入强度函数的Lineweaver-Burk方法曲线，以确定最大呼吸速率(速度Vmax)；

图9是代表用于设计流动控制装置的先进流动建模技术的主要发现的简化图。反应器中心线左侧代表没有空气的液压流动区域，而中心线右侧代表有空气的液压流动形式。右侧为比重与空隙度相对于深度的分布图。

具体实施方式

本申请涉及对长立轴生物反应器的改进，该生物反应器诸如是Pollock的美国专利5645726和5650070中所描述的，公开内容引用于此以备参考。

5645726专利描述了一种用于处理废水的现有技术的VERTREA^TM系统，该系统利用空气喷射来驱动包括废物、养分和生物体的混和液体在生物反应器10内循环。在此使用的术语“废水”应理解为包括携带任何类型生物可分解的家庭或工业废物的水，例如普通的家庭废物和农场、食品加工厂、炼油厂、纸浆厂、酿酒厂和其它工厂产生的排出物。对于“混和液体”，其意味着液体、固体和含氧气体的混合物。固体包含存在于生物反应器系统中的活性微生物的各种群体。

如图1所示，VERTREAT^TM生物反应器10包括具有外壁14的细长反应器容器12。具有开口的下端的液体循环管道16在生物反应器10的中心部分内纵向延伸。具有水平导流片22的表面水槽20位于循环管道16的上端。生物反应器壁14和管道16在反应器10中一起限定了至少两个较长的基本上垂直并排或同轴的腔室，即管道16外表面和侧壁14之间的上流腔室24和管道16内部之内的下流腔室26。各腔室24、26在它们的上端通过表面水槽20彼此连通，而在它们的下端通过共同的混和区彼此连通，该混和区位于下流腔室26的下端18。

生物反应器10还包括用于将诸如废水或残渣的流入物引入上流腔室24的入流管线30。优选地是，入流管线30具有向上翻转的排出口32，该排出口32位于下流腔室26的下端18之上一小段距离处(图1)。排出口32向上翻转，以防止在上流腔室24内上升的气泡通过而进入入流管线30。

用于从反应器容器12下部抽出经处理的排出物的出流管线34在生物反应器10内垂直延伸。在所示实施例中，出流管线34在容器12中部延伸过循环管道16。优选地是，至少一个充气分配器36安装在出流管线34上，以用于将空气或任何其它适宜的含氧气体喷射到反应器10内。设置了空气供给管线38，以将空气传送到充气分配器36。

液体在生物反应器10内的循环完全由空气在压力下的喷射而驱动(即具有空气提升泵的特性)。开始时，空气在一定深度处喷射，通过入流管线30而进入上流腔室24中，从而触发了流体连通的各腔室24、26之间的液体循环。尤其是，液体在上流腔室24内上升，直到其遇到导流片22为止，导流片使得废气释放。然后，液体横穿表面水槽20，如图1中箭头方向所示，并向下流过下流腔室26。在下流腔室26的下端18，随着液体再循环回到上流腔室24内，而流动方向反转。通过液体流动方向上的这种反转，刚好在下流腔室26之下产生湍流混和区，如后面将进一步描述的。

一旦已经建立了液体循环，空气仅通过充气分配器36喷射。来自充气分配器36的气泡被卷入上流腔室24内，并基本上排斥在下流腔室26之外，这是由于在该腔室26内的向下流动超过气泡的上升速率。从而，基本上所有气泡都传送到上流腔室24，从而维持了稳定循环。

如图1中清楚示出的，反应器10在功能上分为两个单独区域，即上循环区A和下阻流区B。循环区A包括顶置储罐区C和位于下流腔室26下端18附近的混和区D。混和区D的尺寸取决于各种因素，如下面将进一步描述的。排出物从反应器容器12的底部连续抽出到出流管线34中导致一部分循环液体被吸入阻流区B，该阻流区B刚好位于混和区D之下。如在这个专利申请中所使用的，“阻流”指固态颗粒从混和区D向出流管线34的入口纯粹向下迁移。如下面进一步描述的，阻流区B包括局部反混或准阻流区E和严格阻流或吸收区F。吸收区F位于最深的空气喷射点之下。

循环液体的处理(即废物、溶解的氧气、养分和包括活性微生物群体的生物体之间的反应)主要在循环区A内发生。阻流区B对混和液体提供最终处理或“精练”。在阻流区B内，混和液体不再通过管道循环。而是以溶解的或胶状形式存在的气体和液体以相对缓慢的速度朝向反应器容器12的底部流动，在底部，排出物被抽出到出流管线34中。

在5650070专利中描述的现有技术VERTAD^TM系统示于图3中。VERTAD^TM生物反应器10大致类似于图1的VERTREAT^TM生物反应器10，除了它适用于残渣而不是废水的需氧消化。在此使用的术语“残渣”应理解为表示一般总干燥固体在重量上少于7％的生物可分解固体的浆液。经处理的残渣称为生物固体，可以由机械装置脱水到干燥重量的25～55％，以及通过加热装置达到干燥重量的90～95％。残渣例如可以作为VERTREAT^TM系统中废水处理的副产品。图3的VERTAD^TM生物反应器10优选地包括用于将空气在两个单独位置处喷射到容器12中的两个充气分配器36，即位于混和区D(即，靠近下流腔室26的下端18)内的第一分配器36和位于阻流区B内的第二分配器36。此外，图3的VERTAD^TM生物反应器10需要比图1的VERTREAT^TM系统更大的阻流区B。

本发明涉及一种流动控制装置，其总体标示为100，用于调节液体和生物固体通过如上所述的现有技术VERTREAT^TM或VERTAD^TM生物反应器10之一流动。在本申请的附图中，配装有流动控制装置100的生物反应器标记为10¹而这种生物反应器10¹的反应器容器部件标记为12¹。

如图5中清楚示出的，控制装置100包括配装在上流腔室24的环形空间内的上板102，其优选地在下流腔室26下端18之上的一小段距离的位置处。上板102刚性地安装在固定于循环管道16外表面上的内支撑环101和固定到反应器侧壁14上的外支撑环103之间。在生物反应器10¹工作过程中，横跨上板102产生较大的液压差，从而其牢固保持到位是必不可少的。

上板102包括多个间隔开的开口108，以使得液体能够从其通过。也设置了多个垂直可调节的调整阀(trim valve)110，它们在所选择的开口108内可移动，从而调节液体通过其流动。每个调整阀110包括安装在横截面为X形的中心凸缘113上的上板111。凸缘113将调整阀110在相应的开口108内对中，如图5中清晰示出的。每个调整阀110的位置垂直可调节，以调节液体通过各开口108流动。在所示实施例中，调整阀110连接到入流管线30的底部。因此，可以通过升高或降低相应的入流管线30，从表面上控制调整阀110的位置并由此控制相应开口108所提供的开口尺寸。

如图5中清楚示出的，控制装置100还包括环形下板104，其借助于多个间隔开的流动转向板106连接到上板102上。下板104大约在混和区D的底端水平延伸。垂直设置的内裙部118从下板104的内边缘向下延伸，而垂直设置的外裙部119从下板104的外边缘向上延伸。于内裙部118与出流管线34及空气供给管线38(二者都在反应器12¹的中心部分内延伸)之间限定了中心圆孔112。如图2和图5所示，外裙部119与反应器侧壁14间隔开一小段距离，从而限定了一个周边孔114。多个间隔开的径向导流片116也从下板104向下延伸到稍低于内裙部118的深度。导流片116成直角与内裙部118相交。

如图5所示，控制装置100还包括环形冲击板120，其安装在出流管线34上、下板104之上一小段距离处(即，正好在下板中心孔112之上)。设置了多个间隔开的垂直支撑部122，以用于将冲击板120连接到出流管线34上。冲击板120直径稍大于孔112，但小于液体循环管道16的内径。如图9中清楚示出的，在冲击板120和下面的下板104之间限定了流体通道124，优选地是，与中心孔112流体连通的通道124的尺寸可以借助于连接到出流管线34顶部上的控制装置126从表面上加以调节(图6)。

在使用中，控制装置100调节液体通过生物反应器10¹的循环，以改善其中需氧消化的效率。如上所述，液体在生物反应器10¹内的循环由空气或者其它一些适宜的含氧气体在压力下喷射而驱动。要处理的废水或残渣通过入流管线30吸入容器12¹的上流腔室24内。由于通过将空气喷射到系统中而维持了有效的循环，因此流入和流出生物反应器10¹的入流和出流不需利用泵。

优选地是，流入物排出到控制装置100之上一小段距离处的腔室24内的循环液体中。在上流腔室24中，未溶解的气体(大部分是氮气)膨胀，从而提供驱动流体在反应器容器12¹上部内循环所需的空气提升力。废气随着液体横穿表面水槽20的导流片22而释放出来。然后，混和液体从表面水槽20吸入到循环管道16中，并向下流过下流腔室26。在下流腔室26的下端18，液体流动方向从向下反转为向上流动，形成一个湍流混和区D。混和区D的深度取决于流动参数，但一般在15～25英尺数量级。响应等量的经处理的排出物被抽吸到出流管线34中，混和区D中混和液体的一部分继续向下流入阻流区B。

控制装置100的主要功能为减缓混合液体在上循环区A内的流动速度。这是通过大致将上板102和下板104分别安装到混和区D的上端和下端而实现的。冲击板120安装到出流管线34上、下板104之上一小段距离处。向下流过下流腔室26的液体朝向下板104的外裙部119向外转向。从充气分配器36上升的气泡穿过孔112和114(图9)，导致液体向上流过转向板106，而进入上流腔室24。液体在上流腔室24内上升的速度由上板102中开口108的大小加以约束。在本发明一个实施例中，至少一些开口108的尺寸可通过升高或降低调整阀110来调节。

控制装置100具备多项重要优点。为了使生物反应器10¹以优化的速率消化废物，需要充足量的溶解氧气。于是，当生物反应器10¹的废物负载增大时，也需要通过充气分配器36增大空气喷射速率。然而，如上所述，增大充气速率也增大循环液体的速度，这具有若干副作用，即，降低溶解氧气的浓度、减小呼吸速率、增大出流管线中的液压损失、局部减小阻流区，并减少可用于浮动分离的溶解空气。通过减缓循环液体的速度，控制装置100消除了这些副作用，由此提高了生物反应器10¹的效率。下面将进一步描述控制装置100的这些主要功能。

溶解氧气含量增大

如上所述，控制装置100的带开口的上板102减缓了液体在上循环区A内的循环速度，由此显著增大生物反应器10¹内的溶解的氧气含量/溶解的空气含量。这是由于较慢的循环速度增大了在压力下空气/水的接触时间(如Hay’s数据(图7)所演示的)而产生的。例如，现有技术生物反应器一般在上流腔室24内大约3英尺/秒的混和液体速度下工作。在该腔室内的相应的平均空隙度大约为4～5％。利用本发明的相同生物反应器将在低于1.5英尺/秒的流动速率下工作，而在上流腔室24内产生大约8～10％的空隙度。因此，可以获知较慢的液体循环速度不仅使上流腔室24内任意点处的空隙度加倍，而且使上流腔室24内液体的滞留时间加倍。如在本专利申请中所使用的，“滞留时间”指液体在上流腔室24内的两点之间流动所消逝的时间(即，与在上流腔室24区域内的运行时间或驻留时间同义)。

现在参照图7，点A代表在上流腔室24内在选定的样本点处(例如上板102之上180英尺)的现有技术状态，其处在1分钟滞留时间并为大约4～5％空隙度。空气饱和值大约为20％。点B代表在相同生物反应器10上、在上流腔室24内相同点处的本发明的效果，此时延迟到2分钟滞留时间，并大约为8～10％的空隙度(假设恒定的空气速率)。空气饱和值约为60％。从而，通过使循环液体的速度减半，本发明使上流腔室24内选定样本点处的溶解气体饱和值为在该示例中的现有技术的三倍。

图7也示出使喷射到包括流动控制装置100的生物反应器10¹内的空气速率加倍的效果。当空气速率加倍时，空隙度增大1.7倍，而速度增大1.3倍(即，在诸如开口108的孔处，流量与跨过该孔的压头的平方根成正比地增加)。图7中，点A¹代表上流腔室24内的样本点，其处于大约4％的空隙度以及4分钟的滞留时间。点B¹代表具有高出70％的空隙度和高出30％的速度(即，滞留时间短30％)的点。在这个示例中，尽管液体循环速度增大，空气饱和值稍微增加(即，增大约1％)。于是，当生物反应器10¹在相对缓慢的液体循环速度下工作时，由于流动控制装置100的运转临界的速度增大并不损害空气饱和值或导致需氧消化的效率降低。

通过对比，如果生物反应器已经在高循环速度下工作(由于没有流动控制装置100)，将更多空气喷射到系统中将导致工作效率下降。在图7中，A¹¹代表上流腔室24内的样本点，其处于约4％的空隙度和大约40秒的滞留时间。点B¹¹代表具有高出70％的空隙度和高出30％的速度(即30秒左右滞留时间小30％)的点。在这种情况下，使空气喷射速度加倍可减小空气饱和值约20％，并于是损害了需氧消化的效率。

如本领域技术人员所理解到的，循环流体通过上板102产生的压力降导致通过开口108的10～20英尺/秒的局部流速以及水的5～15英尺的压力降。这改善了混和，并可剪切(shear)气泡，从而增大空气/氧气的传输，且改善了上流腔室24内的需氧消化。然而，剪切速度和压力降正好位于可能对微生物造成损害的数值之下。

增大呼吸速率

控制装置100允许生物反应器10在较高的呼吸速率下工作更长时间段，从而总体上消耗更多的BOD。在入流喷射点的较低的速度和流动体积允许在生物反应器10¹中BOD更高的初始浓度。呼吸速率是生物活性的量度，而生物活性表示为每单位生物体每单位时间消耗的O₂量(消耗BOD)。单位一般是每克生物体每小时的O₂mg。BOD是废水或其它流入物中的生物可氧化有机废物的量度。COD是废水或其它流入物中的化学可氧化有机碳的量度。BOD可以从COD中估算。根据测量呼吸速率的Michaelis-Menton和Lineweaver-Burk方法(图8a和8b)，较慢循环速度反应器将在大约1.5倍呼吸速率下工作比较高速度反应器更长的时间段。例如，Michaelis-Menton曲线(图8a)纵坐标表示反应速率，而横坐标表示流入物浓度。这是一个典型的曲线，表明了在25mg/L COD之上呼吸速率增大非常小。另外，Lineweaver-Burk曲线(图8b)可以利用呼吸速率的倒数和浓度来加以理解，而在曲线在纵坐标交点处获得绝对值最大的呼吸速率(例如Vmax＝1/0.96×10^-2＝104mg/g/hr)。

通过示例，现有技术生物反应器10在上流腔室24内大于3英尺/秒的液体速度下工作，并在稀释和与内部循环混和后一般包含12mg/L的COD，相应的呼吸速率降为大约57mg/g/hr。在上流腔室24内1.5英尺/秒速度下工作的本发明的生物反应器10¹稀度为现有技术反应器的一半，并因此包含25mg/L的COD。该结果为反应速率从57增大到82mg/g/hr，或增大约44％。这表示在生物反应器效率上明显提高。

此外，通过如上所述使呼吸速率最大而消耗生物反应器10¹循环区A内的大部分BOD使得阻流区B在较低或内源性呼吸速率下工作。这在促进生物絮凝和改善生物体在表面分离水槽内的分离方面是至关重要的。通过调节循环区A内的液体流动速度，对于任何给定条件，可以使氧气摄取率更精确匹配氧气供给率。当在嗜温下工作时这非常重要，在嗜温情况下，氧气传输比中温下工作更难。

液压压头

控制装置100在生物反应器10¹内形成一个液压压头，这使得流入物通过装置100低压侧(下游)上的入流管线30在重力作用下流入，而排出物在压力作用下通过装置100高压(上游)侧的出流管线34排出。如上所述，上板102包括多个间隔开的开口108。优选地是，一些开口108为不可调节的、完全开放的开口，以适应最大流量的大多数，而一些开口108为调整开口，用于按需要适应流量的平衡。调整开口的尺寸可以从表面上通过调节可移动的调整阀110加以控制。

于是，跨过上板102的压力降可调节，以满足上述功能，以及设定理想的液压压头，以消除泵送流入物或排出物以及所有循环流束。流量和负载需求经常自原始设计值改变，这些条件可以通过调节流动控制装置100来再优化。流动控制装置100在循环流动中的布置对于实现生物反应器10¹效率的改善是关键的。例如，上板102放置在下流腔室26中的任何地方会减小出流管线34上的压头，导致在该管线上流量减小或没有流量。上板102放置在上流腔室24内、入流喷射点之上将减小或阻止入流管线30内的流动。为了使流动控制装置100的效果最大，上板102必须放置在上流腔室24内、入流喷射点之下(即上游)的下流腔室26下端18附近。

调节反应器10¹内的液压压头可能需要控制上流腔室24顶部的空隙度，以防止由于气穴造成的不希望的振动(这一般在空隙度15～20％左右时发生)。流动控制装置100具有使得流量随着空气速率增大而不成比例地增高的内在能力，但仍然保持适于最大化氧气传输和生物呼吸的条件。如上所述，这是由于通过孔的流速与跨过孔的压头的平方根成正比增大。跨过带开口的上板102的压头也是空气速率的非线性函数。这些组合特征使得流动控制装置100在临界的增大流速下工作，即使在喷射到系统中的空气大幅度增大情况下，从而保持如上所述的本发明的主要目的。

如果开口108堵塞(一般仅在上板102包括单独一个开口108情况下有可能发生)，气泡将趋于倒退到下流腔室26的下端18，并使得循环反转，从而在上板102上施加相当大的反向压力，使堵塞的开口108疏通(unplug)。另外，空气管线可以安装到下流腔室26内，以实现用于清洗的周期性的反向流动。

交互区域混和的控制

流动控制装置100的下板104使得液体从混和区D进入阻流区B，同时基本上防止液体从阻流区B进入混和区D(图2)。先进的计算机建模技术表明随着循环液体从下流腔室26的下端18向下流动，其横穿冲击板120并被朝向外裙部119和反应器侧壁14向外导引。由于这种流动路径，在外裙部119和反应器侧壁14之间产生较小的正压，而在冲击板120和内裙部118所处的下板104内部之间形成较小的负压。在没有空气喷射时，这个压差导致围绕下板104径向循环，如图9中反应器中心线左手侧所示。

流动控制装置100被构造成抵消上述围绕下板104的径向循环，以基本上防止液体进入阻流区B。认为这是通过两个机构之一或二者的组合来实现的。第一机构在裙部119的外侧上产生一个偏移的空气提升力。从下板104向下延伸的内裙部118定位成将从充气分配器36升起的气泡的主要部分(即，大约75％)通过周边孔114转向，如图9中反应器中心线右手侧所示。由此，在周边孔114内形成的空气提升压头抵消了围绕下板104径向流动的趋势。由于周边孔114内的空气提升压头可以调节成匹配该孔内流体的向下液压压力，该流体保持在基本“停止”状态下。在径向循环开始的情况下，液流中夹带的气泡趋于克服导致局部循环的力，从而恢复了平衡。任何向下通过周边孔114的流动(即抵抗气泡流动的液体流动)将增大空隙度，从而增大空气提升力，而停止了流动。类似地，任何向上通过周边孔114的流动(即，与气泡流动一起的液体流动)将减小空隙度，损失空气提升力，从而停止了流动。径向导流片116同样防止平行于内裙部118的局部循环。

第二机构用于防止阻流区B和混和区D之间的交互区域混和，并可以从图9中看出，在图9中，比重或空隙度(即，1-比重)沿着纵坐标绘出，而在流动控制装置100附近的生物反应器10¹的深度绘于横坐标上。从这个曲线可以看出：下板104之上的流体明显密度比其下的流体小。这个密度的差异趋于防止两种流体在向下方向上混和。

于是，气泡可以从阻流区B流到混和区D，但是不从混和区D流到阻流区B，这是由于各区之间(以及其中的气泡)的局部液压向下循环过慢。在没有明显向下流动的液体情况下，气泡的方向单方向向上。

由此，流动控制装置100提供了经调节的流动阻挡。尤其是，独立安装在出流管线34上的下板104和冲击板120一同将阻流区B与来自于下流腔室26的向下流动的主体物理隔开(然而，如上所述，阻流区B响应自生物反应器10¹的流出而接收相对少量的混和区液体)。这使得阻流区B保持为恒定活性的体积，而与下流腔室速度无关，并因此保持恒定的驻留时间和饱和潜力。

如上所述，在开始时，先于液体循环开始，内裙部118将从充气分配器36向上流动的气泡按大约3/4的比例分成朝向外周边孔114和朝向中心孔112。然后，气泡优先向上迁移到上流腔室24内。于是，配装有流动控制装置100的生物反应器10¹将在向前方向上起动，而不需利用单独的起动气体(否则，在现有技术中，该气体一般经由入流喷射管线引入反应器中)。

如本领域技术人员鉴于上述公开而理解到的，在不背离本发明精髓或范围前提下可以在本发明的实践中作出多种变动和修改。于是，本发明的范围应根据所附权利要求书限定的实质内容加以理解。

Claims

1.一种具有上循环区和下阻流区的需氧生物反应器，所述生物反应器在所述循环区内具有细长的上流腔室和细长的下流腔室，上流腔室和下流腔室在它们的上端和下端流体连通；用于将生物可分解废物排到所述上流腔室内的入流管道；用于从所述生物反应器的下部内的所述阻流区抽出排出物的出流管道；以及用于将含氧气体喷射到所述生物反应器中以驱动包括所述生物可分解废物的液体在所述上流腔室和下流腔室之间循环的气体入口，

其特征在于，所述生物反应器包括一个流动控制装置，该装置安装在所述入流管道排出端上游的所述上流腔室内，其中所述流动控制装置可调节地控制所述液体的循环速度。

2.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述流动控制装置包括：

(a)安装在所述上流腔室内、靠近所述下流腔室的下端的上板，其中所述上板包括多个间隔开的孔，以允许流体从其通过；以及

(b)用于调节至少一些所述孔的尺寸的调节装置。

3.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述循环液体在所述生物反应器的湍流混和区从向下流动改变其流动方向为向上流动，该混和区位于所述下流腔室下端附近，并且所述流动控制装置包括：

(c)安装在所述上流腔室内、靠近所述混和区的上端的上板，所述上板中具有多个孔，以允许所述循环液体从其通过；以及

(d)安装在所述生物反应器内、所述上板之下靠近所述混和区的下端的下板，所述下板对所述液体在所述混和区和位于所述混和区之下的阻流区之间的流动提供局部阻挡。

4.如权利要求3所述的生物反应器，其特征在于，所述流动控制装置包括多个间隔开的流动转向板，该流动转向板在所述上板和下板之间垂直延伸。

5.如权利要求4所述的生物反应器，其特征在于，所述下流腔室限定在所述生物反应器中心部分内垂直延伸的下流管道内；所述上流腔室限定在所述下流管道和所述生物反应器内壁之间；而所述出流管道在所述生物反应器的中心部分内垂直延伸过所述下流管道，其中，所述流动控制装置还包括安装在所述出流管道上、所述下板之上的所述混和区内的冲击板，用于将向下流动的液体转向到朝向所述下板。

6.如权利要求5所述的生物反应器，其特征在于，所述流动控制装置还包括内裙部和外裙部，该内裙部从所述下板的内部向下延伸，并在所述内裙部和所述出流管道之间限定了一个中心孔；而外裙部从所述下板的外部向上延伸，并在所述外裙部和所述生物反应器的所述内壁之间限定了一个周边孔。

7.如权利要求6所述的生物反应器，其特征在于，所述气体入口位于所述流动控制装置之下的所述阻流区内，而气泡从所述阻流区升起通过所述中心孔和周边孔。

8.如权利要求3所述的生物反应器，其特征在于，所述流动控制装置还包括调整阀，用于可调节地控制所述上板内形成的至少一些所述孔的尺寸。

9.如权利要求8所述的生物反应器，其特征在于，所述调整阀可远程控制。

10.如权利要求9所述的生物反应器，其特征在于，所述调整阀可操纵地连接到所述入流管道上并可与其一同移动。

11.如权利要求7所述的生物反应器，其特征在于，所述中心孔和周边孔大致尺寸相同。

12.如权利要求7所述的生物反应器，其特征在于，所述流动控制装置还包括多个间隔开的径向导流片，该导流片从所述下板向下延伸到比所述内裙部的深度稍微低的深度，并与所述内裙部成直角相交。

13.如权利要求7所述的生物反应器，其特征在于，所述内裙部将所述气泡的主要部分转向到所述周边孔。

14.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述流动控制装置将液压压头损失施加在所述上流腔室的下端附近，由此，所述上板与所述出流管道连通的下侧上的所述循环液体保持在比所述上板与所述入流管道连通的上侧上的所述循环液体高的压力下，由此导致所述生物可分解废物通过所述入流管道流入所述生物反应器中，而所述排出物通过所述出流管道流出所述生物反应器，而不需要使用泵。

15.如权利要求5所述的生物反应器，其特征在于，所述冲击板的位置可以远程调节，以改变所述中心孔的尺寸。

16.如权利要求1所述的生物反应器，还包括在所述循环区下部、靠近所述上流腔室和下流腔室的所述下端的混和区，所述流动控制装置调节所述液体从所述混和区穿入所述阻流区的深度。

17.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，还包括位于所述循环区的下部、所述上流腔室和下流腔室的下端附近的混和区，所述流动控制装置调节所述液体从所述混和区到所述阻流区的穿过深度。

18.一种提高长立轴需氧生物反应器的效率的方法，该生物反应器具有上循环区和下阻流区，所述生物反应器具有在所述循环区内的细长的上流腔室和下流腔室，上流腔室和下流腔室在它们的上端和下端流体连通；用于将生物可分解废物排入所述上流腔室的入流管道；用于从所述生物反应器的下部抽出排出物的出流管道；以及用于将含氧气体喷射到所述生物反应器中以驱动包括所述生物可分解废物的液体在所述上流腔室和下流腔室之间循环的气体入口，所述方法包括以下步骤：

(a)响应排入到所述生物反应器中的生物可分解废物的体积和/或浓度的变化，调节喷射到所述生物反应器中的所述含氧气体的体积；

(b)降低所述液体的循环速度以增加所述液体在所述上流腔室内的滞留时间。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述循环速度是通过在所述上流腔室内一位置处局部阻挡所述液体的流动而降低的，所述位置在所述生物可分解废物排入所述上流腔室的位置的上游。

20.如权利要求19所述的方法，还包括在所述下流腔室的下端与所述含氧气体喷射到所述生物反应器中的位置之间的位置处局部阻挡液体在所述生物反应器中的向下流动。

21.如权利要求18所述的方法，还包括将液压压头损失施加到所述上流腔室的下端，由此导致所述生物可分解废物通过所述入流管道流入所述生物反应器并通过所述出流管道流出所述生物反应器，而不需要使用泵。

22.一种需氧生物反应器，包括细长的上流腔室和下流腔室，上流腔室和下流腔室在它们的上端和下端处流体连通；用于将生物可分解废物排到所述上流腔室内的入流管道；用于从所述生物反应器的下部抽出排出物的出流管道；以及用于将含氧气体喷射到所述生物反应器中以驱动包括所述生物可分解废物的液体在所述上流腔室和下流腔室之间循环的气体入口，

所述液体在所述上流腔室向上流，在所述下流腔室向下流，其中，所述生物反应器还包括一个流动控制装置，该装置安装在所述入流管道排出端下的所述上流腔室内，其中所述流动控制装置可调节地控制所述液体的循环速度。

23.如权利要求22所述的生物反应器，其特征在于，所述流动控制装置位于所述上流腔室的下部。

24.如权利要求22所述的生物反应器，其特征在于，所述上流腔室和下流腔室位于所述生物反应器的一上循环区内，所述出流液体从位于所述循环区下面的所述生物反应器的一下阻流区排出。

25.如权利要求24所述的生物反应器，其特征在于，所述气体入口位于所述阻流区内。

26.一种调节液体流动的方法，该液体包括长立轴需氧生物反应器的可生物分解的废物，该生物反应器具有细长的上流腔室和下流腔室，上流腔室和下流腔室在它们的上端和下端流体连通；所述液体在所述上流腔室向上流，在所述下流腔室向下流，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(a)在所述下流腔室的下端附近的上流腔室中设置一流动控制装置，所述流动控制装置调节所述上流腔室中的所述液体的流动速度；

(b)将一入流液体从所述上流腔室的所述流动控制装置的上部的位置引入。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述上流腔室和下流腔室位于所述生物反应器的一上循环区内，所述方法还包括将出流液体从位于所述循环区下面的所述生物反应器的一阻流区排出。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括将含氧气体引入所述阻流区，以驱动所述循环区的液体的流动。

29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述生物反应器还包括位于所述循环区的下部、所述上流腔室和下流腔室的下端附近的混和区，所述方法还包括调节所述流动控制装置以便调节所述液体从所述混和区到所述阻流区的穿过深度。