CN1209299C - 应用载带颗粒的生物膜对流出物进行生物净化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在应用微生物的混合培养中对流出物进行生物净化的方法，其中所述微生物至少部分固定在固体载体上。本发明的特征在于将所述载体激活从而在反应介质中产生湍动，湍动强度使其能够降低生物淤渣的产量，组成所述微生物载体的材料在保持在所述反应介质中的同时被摩擦和清洁。

Description

应用载带颗粒的生物膜对流出物进行生物净化的方法

本发明涉及一种利用应用生物膜载体颗粒的混合培养体系进行废水生物净化的方法。本发明还涉及实施该方法的反应器或设备。

已知城市和工业废水的净化经常按生物方式进行。在最近几十年中，为了降低净化装置的尺寸，所述方法已经由应用游离的微生物培养的方法转向应用固定在特定生长介质上的培养的方法。

固定培养可以按固定床或移动床的方式应用，所述固定床即微生物生长介质在反应器中是固定的，而移动床中载体材料是能够在与污水接触的区域内自由移动的小元件。这种载体元件可以通过机械搅拌或注入液体或注入气体特别是空气(这种空气可能是需氧培养微生物操作所需要的空气)而移动。

在反应介质中形成和保持一定程度的湍动对连续摩擦和清洁微生物载体材料是有用的，此外这种湍动可能限制固定的生物淤渣的积累。例如可以通过注入到介质中的气体的强度来形成这种湍动。关于这方面可以参考EP-A-O 549 443。

如果希望同时处理由于碳和氮造成的污染，则在所述材料用作某些硝化生物质的生长介质的前提下，有可能找到有利的解决方案，其中所述硝化生物质的生长要比没有这些材料时高得多(参见EP-A 0549 443)：这些被称为混合培养。

但这些已知的体系具有许多缺点。因此在上述方法中，生物淤渣的产量与净化水的细菌的正常生长新陈代谢相关。另外，所应用的生长介质材料通过保持栅(所述保持栅让水通过，但不让载体材料通过)或特定的分离体系而保持在反应室内。所述栅的主要缺点是会发生堵塞。

在这些已知体系的基础上，本发明的目的是解决如下两个技术问题：

-防止位于处理水出口处的保持栅堵塞；

-与进行相同生物净化的常规方法所产生的淤渣量相比，降低所产生的淤渣的量。

通过在应用微生物的混合培养中进行度水生物净化的方法可以解决这些技术问题，其中至少部分微生物固定在固体载体元件上，其特征在于所述载体元件被设置为运行状态从而在反应介质中产生湍动，所述湍动的强度能降低生物淤渣的产量，而组成所述微生物载体元件的材料在保持在所述反应介质中的同时经受摩擦作用及清洗作用，所述材料具有表面结构，所述表面结构包含被保护不受摩擦的区域和摩擦区域，其中所述未被摩擦的区域允许生物质生长从而提供生物活性。

在实施本发明方法过程中，如上面所定义的，所希望的可达到最好结果的湍动程度可以由能量表示，即通过充气和/或搅拌装置提供的能量。这种能量优选为每立方米反应器1-200瓦，并且优选为每立方米反应器2-50瓦。这种每立方米的能量水平可能由于在本发明方法中所应用的反应器的紧凑特征而在经济上是可行的，而本发明方法在下面定义。

按照实施上面所定义方法的一种优选方式，微生物载体材料沿其任一轴的一维尺寸为2-50mm。

正如上面所提到的，微生物载体材料具有表面结构，从而使其表面包含被保护不受摩擦区域和摩擦区域，其中所述未被摩擦区域允许生物质生长从而提供生物活性，而在足够水平的湍动(如上面所定义)存在时，所述摩擦区域有可能对反应介质中存在的其它颗粒的外表面进行摩擦。

本发明的另一个主题是实施上面所定义的方法的生物反应器，该反应器的特征在于它包括微生物载体保持装置，这些装置位于用于排除处理后离开所述反应器的液体流出物的装置的上游，这些保持装置包括：

-与垂直方向倾斜成约0-30°角的栅，并且其棒条间隔的确定应使其让水通过而不让微生物载体颗粒通过；

-位于所述栅底部的空气注入通道，并且其连续或间歇操作从而冲洗所述栅；和

-与所述栅平行并且位于所述栅上游的导流板。

在上文中，术语“上游”被理解为指的是流出物从其进入反应器到其排出反应器的流动方向。

因此本发明的实质特征在于使微生物载体颗粒处于运动状态，例如通过注入气体或通过机械搅拌或者通过组合这两种方法，结合这一特征后使所述微生物载体颗粒的组成材料保持在反应介质中，同时使所述材料经受摩擦作用和清洁作用，这样一方面有可能减少保持载体材料的栅的堵塞，另一方面与进行相同净化的方法相比通常所产生的生物净化淤渣量降低，这种降低为约2-50％。

这是因为，利用本发明方法的生物反应器包括一个配有导流装置和空气注入通道的倾斜栅，其中所述空气注入通道吹扫所述栅的表面，从而确保所述栅的堵塞比现有技术反应器中观察到的更慢一些。已经发现由于导流装置的存在而使接近所述栅的载体材料的流动速度提高，这有助于剥离倾向于在所述栅上沉积的固体材料，因而有可能降低堵塞速率。

另外令人惊奇地观察到在反应介质中一定的湍动强度使生物淤渣的产量降低。这种现象可以通过如下事实进行解释，即介质内的湍动产生摩擦从而使以生物膜形式固定的微生物采取特定的新陈代谢。这是因为非常高的摩擦强度意味着一些微生物必须合成提高生物膜机械完整性的物质。当摩擦强度足够高从而使大部分微生物采取这种特定形式的新陈代谢时，生长收率(通常定义为相对于所降解的污染材料的量所产生的细胞量)明显降低。与无湍动的操作相比，这导致所产生的淤渣量显著降低。

按照本发明，与其所占有的体积相比，微生物载体材料应该具有大的表面，并且如上面所解释的，该表面的一部分优选应该得到保护以防湍动和碰撞。因此按照本发明，载体材料的表面积应大于100m²每立方米材料，并且向所述材料的外表面提供摩擦赘生物(excrescence)。由于后一特征，定义了内部区域，在该区域中微生物能够以足够量进行繁殖从而达到所希望的生物净化。摩擦外表面可供生物膜形式的微生物繁殖，但搅拌和湍动强度将使这种生物膜处于持续重组状态，从而引导部分进行净化的微生物的新陈代谢转向特定的新陈代谢形式并因此限制生物淤渣的产量。

按照本发明，微生物载体元件优选具有2mm-50mm的一维尺寸，并且所述载体材元件的组成材料为由重复利用的材料如聚乙烯得到的塑料。在本发明方法中可以应用的微生物载体颗粒的例子将在下文更为详细地描述。

本发明方法可以按需氧、厌氧或缺氧生物处理模式或者在按三种模式组合操作的处理体系中应用。

在其用于需氧净化时，本发明方法的特征在于通过注入空气或已经向其中加入氧气的惰性气体而使微生物载体颗粒处于运动状态，其中所述气体的量的确定应该一方面确保生物净化，另一方面达到必要的湍动强度。

在用于厌氧净化或缺氧净化的情况下，利用发酵气体或机械搅拌体系而将微生物载体元件设定为运动状态。

在用于组合碳/氮处理时包括两步即缺氧步骤和需氧步骤，混合淤渣从需氧步骤循环到缺氧步骤，本发明方法可以在所述步骤中的一个或两个中进行，优选在需氧步骤中进行从而固定氧化氨态氮的微生物。也可能在同一罐中进行缺氧步骤和需氧步骤，然后所述罐被间歇充气并且在缺氧阶段通过各种方法特别是机械方法进行搅拌。

由下面所给出的参考附图所进行的描述，本发明的进一步特征和优点将变得更为明显，其中所述附图描述了其实施，该实施例没有任何限定性。

为了达到本发明所提供的优点如降低淤渣的产量，应用下面所描述的试验设备，由其所得到的结果将在下文评述。在本发明反应器中所应用的保持微生物载体材料的装置将在下文描述。

在附图中：

-图1为用于证实由于本发明导致淤渣产量降低的试验设备图。

-图2a-2c的曲线证实了由本发明针对消除COD所提供的结果。

-图3a和3b的曲线针对两个不同的淤渣年龄作为在所应用的两个试验反应器流程(line)中的每一个内(图1)所消除的COD累积量的函数，给出了所产生的淤渣的累积量。

-图4的示意图给出了本发明反应器中所应用的保持装置。

-图5为图4细节的放大图；以及

-图6、7a、7b和8示意性给出了可用于本发明方法中的微生物载体材料的例子。

正如上面所提到的，为了证实由本发明方法所提供的生物淤渣产量的降低，形成两个完全相同的活性淤渣反应器流程，每个反应器用相同的废水进料并在相同的操作条件下操作。一条流程为不含漂浮生物质载体材料的对比流程(在下文中被称为“对比流程”)，另一条流程(下文称为“试验流程”)含有本发明用于生物质的漂浮的生长载体材料。

因此图1给出了试验流程中的每一个。各流程包括生物反应器8、沉降罐10、pH/温度探针3和氧探针2。反应器8通过泵5从贮罐4进料，贮罐4中为已经进行了初步沉降的城市废水。反应器的排放通过液/固分离器9的溢流进入沉降罐10。倾析出的水离开装置而一些淤渣通过再循环泵6循环回到生物反应器8。过多的淤渣通过排出11排除。每条流程均包括计算机1用来分析所得到的结果。当操作中包括充气操作时，生物反应器8通过机械搅拌器7和充气而进行搅拌。

关于生物质载体材料，读者可以参考本描述的结束部分，其中给出了一些非限定性的例子。

试验流程按上面所描述的原则进行操作。

下表I给出了这两个反应器流程的主要特征。

                                                    表I

流程的主要参数	数值
		反应器(8)的体积	22升
沉降罐(10)的体积	2升
		由聚乙烯制造的塑料载体颗粒(试验流程)：-密度-平均直径-几何形状	935kg/m23mm不规则颗粒
体积填充因子(试验流程)	20％
		机械搅拌器(7)：-直径	2海用螺旋浆10cm

下表II给出了对比流程和试验流程的操作条件

                                                   表II

要处理的废水的性质	贮存在4℃下并且每三天补满的经过基本沉降的生活废水，在缺氧阶段提供容易吸收的碳源补充物(乙酸酯、乙醇、丙酸酯、淀粉)
		城市废水(MWW)：-COD-COD/BOD5-SS-NTK-N-NH4补充物：-COD	350-500mg/l1.5100-150mg/l60-90mg/l50-75mg/l约等于MWW的COD(因此合成的COD＝50％总进料COD).其在缺氧阶段供给两个流程.
所应用的体积负荷	1kg COD/m3.d
		所应用的质量负荷*	在0.5-1kg cos/kg VSS.d间变化
淤渣年龄	在3-8天间变化
		控制的温度	16℃±1℃
充气阶段/非充气阶段交替：-阶段持续时间-充气控制	45min/45min溶氧＞3mg/l

对比流程：平衡的生物质少于试验流程。

两条流程在连续废水进料的情况下操作，并且其流量使其有可能达到平均应用负荷每天每立方米反应器1kg COD。

生物反应器8可以同时用充气和搅拌进行操作，也可以仅用搅拌进行操作。这种操作模式使其有可能交替进行需氧阶段和缺氧阶段，其中需氧阶段确保废水中存在的含氨物质(在表II中用N-NH₄表示)的硝化作用(即将它们转化为氧化态物质如亚硝酸盐或硝酸盐)，而缺氧阶段用于反硝化作用(即将氧化态物质转化为分子氮)。

这种操作模式允许消除氮污染的所有步骤均在同一反应器中进行。

在需氧阶段，溶氧浓度保持在3mg/l以上。在缺氧阶段，向反应器8加入取自外部碳源12的一定量的有机碳，从而减少反硝化步骤所需的时间。

在试验过程中，淤渣年龄(即试验设备中所含的生物淤渣的总量与所提取的生物淤渣量的比，其中所述试验设备包括沉降罐)在3-8天间变化。该参数通过生物淤渣排出口11的流量而进行调节。

所进行的测量涉及所有参数，这样有可能表征进入和离开设备的污染物的预算：总的和可溶的化学需氧量、氨基氮N-NH₄、亚硝酸盐和硝酸盐。淤渣的量以悬浮固体(SS)和挥发性悬浮固体(VSS)为基础进行定量。

淤渣产量按照通过排出口所提取的淤渣、在倾析流出物中离开的淤渣量和在生物反应器中积累的淤渣(为自由形式或固定形式)的和来计算。

另外还计算表观生物质收率Y_obs即所产生的淤渣量与通过所述体系脱除的COD量之间的比。

所得到的结果由图2a和2c描述，这两个图作为所应用的负荷的函数给出了所脱除的负荷的变化情况。这些图表明针对所脱除的COD量，在对比流程和试验流程之间没有明显的差别。

下面参考图3a和3b，这些图针对两个不同的淤渣年龄作为在两个流程(试验流程和对比流程)的每一个中所脱除的COD累积量的函数，给出了所产生的淤渣的累积量。这些图所描述的曲线证实，以挥发性悬浮固体的量为基准表示的所产生的淤渣量在试验流程中要比在对比流程中低。每条曲线的斜率代表了当前的生物质收率，从而可以比较这样所得到的结果。可以看出，当淤渣年龄为8天时，在对比流程中得到的生物质的收率为0.4 kg VSS/kg COD，而在试验流程中为0.24kg VSS/kg COD。所观察到的降低是很大的(约40％)。当淤渣年龄为3天时，对比流程的表观收率为0.44而试验流程为0.32，即降低27％。需要记起的是两个反应器流程间的唯一差别是在试验流程中存在生长介质载体材料，其体积填充因子为20％。

虽然在目前的试验阶段，通过实施本发明方法得到的令人惊奇的结果还不能整理成一个完整的理论，但可以提供几种解释。

首先，应该注意到所观察到的在对比流程和试验流程中所得到的结果之间的差别很明显是由于当微生物被固定在其载体上并通过机械搅拌和/或充气而设置为运动状态时不同的微生物新陈代谢：

-很清楚固定细菌在反应器中的停留时间要比游离细菌长得多。因此细胞死亡率较高，导致较低的淤渣产量。但该因素本身不能判断上面所述的27-40％的淤渣产量降低；

-在试验流程的生物反应器的培养介质中存在的固定微生物和细菌群颗粒由于搅拌和颗粒材料间的摩擦而受到机械作用，其中所述颗粒间摩擦是由于颗粒间的碰撞造成的。已知固定微生物以生物膜的形式进行构造，并且这种生物膜的粘附由细菌合成的外部聚合物来提供。大的机械应力将可能破坏这种结构；因此保持材料的生物活性需要细菌连续合成所述外部聚合物。因此这些聚合物的合成变成比产生淤渣更重要的新陈代谢途径。由于这些外部聚合物为部分可生物降解或可溶的，在液体流出物的摩擦机理中涉及它们。

如图3a和3b所示，对于更大的淤渣年龄来说，淤渣的降低幅度更大，从而可以证实这第二种假设，即在这种情况下施加在生物质上的机械应力的持续时间更长。

从上面看出应用微生物生长的载体材料需要特定的装置在生物反应器室中保持这些材料。下面将参考图4和5描述所应用的保持装置的一种实施方案。

这些图给出了这种保持装置，其设置在反应器13出口处用于处理的流出物的槽17的前面，主要包括一个与垂直方向成α角的倾斜栅15，其中所述α角优选为0-30°。确定所述栅的棒条的间隔从而使水通过而微生物载体颗粒不能通过。因此这些棒条间的间隔要小于用于固定微生物的载体颗粒的最小尺寸。在反应器13中在所述栅的上游平行于所述栅设置一个导流板16。在所述栅15的底部提供一个空气注入通道14用于连续或间歇冲洗所述栅。因此导流板16和这样进行的冲洗的组合效果使得上升的液流被“空气升举”作用所引导，而该“空气升举”作用还夹带微生物生长载体材料18的颗粒(图15)。这样所形成的流动有两个优点：

-首先，载体材料的颗粒有助于清洁所述栅15；和

-第二，在该区域内施加在载体材料颗粒表面上的高的机械应力改进了试验观察到的以及上面所提到的淤渣降低效果。

从生物反应器排出的处理液体流出物通过所述栅15，然后通过溢流道的溢流而脱除到槽17中。

对于微生物载体元件，按照本发明有可能应用任何现存的可商购的材料或者能够按照上述特征制造的材料。因此这些材料应该具有如下特征：

-沿任一轴的一维尺寸为2-50mm ；

-特定的表面结构，即存在被保护不受摩擦的区域(其允许生物质生长从而提供生物活性)和摩擦区域，其中当如上文所定义的足够高的湍动程度存在时，所述摩擦区域可以向在反应介质中存在的其它颗粒的外表面施加摩擦。

因此，通过考虑上述特征，本领域的熟练技术人员将能够选择适合于必须进行的操作的材料类型。一些能够这样应用的材料的非限定性例子在下文中给出。

实施例1：颗粒材料

微生物载体元件由可从塑料重新利用得到的颗粒形成，如在FR-A-2 612 085中所描述的。附图6描述了这种颗粒形状非常不规则的颗粒的例子，其凹陷部分20被保护不受摩擦，而突出部分19促进摩擦。这些颗粒的粒度为2-5mm，其展开表面积可以为5000-20000m²/m³。

实施例2：挤出塑料。

在这种情况下，微生物载体元件由挤出和切割的塑料材料形成。附图7a和7b分别给出了这种元件的一个描述性例子的端视图和侧视图。该元件为圆柱形并分别在其外表面和内表面上设有肋片21和22。外部肋片21允许摩擦作用发生，而内部肋片22增加了可供生物质繁殖的表面积。这些载体元件的尺寸可以为5-25mm，其总的展开表面积可以为100-1500m²/m³。

实施例3：压塑或注塑塑料

已经知道在市场上有许多用于塔的填充元件具有考虑本发明优点所需要的特征。附图8按透视方式给出了这类元件的三个描述性例子。它们通常被称为环。它们的尺寸可以为10-50mm，展开表面积可以为100-1000m²/m³。在图8所示的环中，摩擦表面可以为圆柱体24的边缘和凹陷部分23。

应该注意到与以前的材料相比，这类材料的特征具体为具有更大的尺寸，其摩擦由通过内部区域的液流实现。所述环包括用于微生物繁殖的内部肋片25。

当然仍需要说明的是本发明并不局限于上面描述和给出的描述性实施例，而是包括其所有变体。

Claims (1)

1.一种生物反应器，其包括微生物载体保持装置，所述保持装置位于用于脱除离开反应器(13)的液体流出物的装置的上游，并且包括：

-一个与垂直方向倾斜α角的栅(15)，其中所述α角为0-30°，确定所述栅的棒条间的间隔从而使其让水通过，但不让微生物载体颗粒通过；

-一个位于所述栅底部的空气注入通道(14)，所述空气注入通道连续或间歇操作从而冲洗所述栅；和

-一个位于所述栅(15)上游并且平行于所述栅的导流板(16)。

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