TW201522242A - 用於生物性純化水的方法與反應器 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種用於生物性純化水之方法，該方法包含：經由一或更多個進水管或進水區域將水導入到反應器中；將水及基質導向穿過用於生物薄膜生長之載體元件，該等載體元件具有高保護表面積(>200m2/m3載體元件)及大微孔容積(>60%)；其中將一或更多個薄膜單元浸沒於反應器內的水中；其中經由薄膜之微孔從反應器中抽出滲透物；其中經由通氣系統在反應器中供應含氧氣體；其中在正常操作期間，將反應器內的水位維持低於一或更多個出水管或出水區域，該等出水管或出水區域專用於過量污泥移除；其中在洗滌操作期間，當反應器內的水位被臨時抬升到專用於過量污泥移除之出水管或出水區域的水位時，產生強擾流以便移除過量污泥。

Description

用於生物性純化水的方法與反應器
本發明係關於一種在生物反應器中生物性純化市政廢水、工業廢水、地表水及地下水的方法，其中水及基質接觸用於生物薄膜生長之載體元件且藉由置放於生物反應器內的浸沒薄膜單元中的薄膜過濾使排水(滲透物)流出來，其中載體元件保持在該生物反應器中。
製程可經佈置用於市政廢水、工業廢水、地表水及地下水之好氧純化。該製程係基於生物質量建立在載體元件上以便形成生物薄膜生長的原理。在篩網的幫助下將載體元件固持在反應器內的適當位置處。載體元件與生物反應器內的薄膜表面接觸。從具有含有由無機材料(陶瓷或金屬)或者聚合材料製成的薄膜之浸沒薄膜過濾系統的生物反應器中抽出具有低混濁度的滲透物，從而允許重複使用該滲透物。藉由置放於生物反應器之底部的較佳地處於薄膜元件正下方的通氣裝置提供含氧氣泡。氣泡用於若干目的，包括提供氧作為微生物生長的電子受體，使生物反應器內的載體元件及其他懸浮顆粒移動，及沖刷掉薄膜表面上的沉積物。
生物性處理製程
已知眾多用於機械、化學及生物性純化水的方法。生物性純化需要微生物之培養進行材料在水中的所需轉換。生物性純化在很大程度上與機械及化學純化方法組合。
生物性純化多用於純化污水。傳統上，生物性純化已被完全主導用於移除有機材料，且在過去的幾年中，生物性純化亦成為主導用於移除氮(硝化作用、脫硝作用、厭氧氨氧化作用)，並相對常見用於移除磷(生物磷移除)。
應清楚好氧、缺氧及厭氧生物性製程之間的區別。在好氧製程中，微生物需要分子氧作為電子受體。對於缺氧製程，取決於分子氧及微生物之缺乏，將使用硝酸鹽作為電子受體。對於生物性移除氮，使將銨氧化成硝酸鹽的好氧製程與將硝酸鹽還原成分子氮氣的缺氧製程組合。對於生物磷移除，必須將微生物交替曝露於厭氧(無氧或硝酸鹽)環境及好氧環境中，以便觸發厭氧生物反應器內的磷釋放及好氧生物反應器內的豐富磷攝取。在缺少氧及硝酸鹽的情況下進行真實厭氧製程，且該等製程特徵在於水中的有機材料為電子供體與電子受體兩者。厭氧製程與有機物質之高濃度工業排放最為相關，且在完全分解中，最終產物將為甲烷及二氧化碳之混合物(生物氣體)。
需要生物性純化的微生物可原則上懸浮於生物反應器內的水相中或附接於生物反應器中的表面上。具有懸浮微生物的製程被稱為活性污泥製程。活性污泥製程中的微生物 必須能夠形成絮凝物，該等絮凝物與下游反應器內的水分離及返回到生物反應器。或者，可將懸浮微生物固持於生物反應器內的適當位置中，因為經由具有微孔開口的薄膜自生物反應器排放純水，該等微孔開口很小以使得將微生物阻擋留在生物反應器中。此被稱為薄膜生物反應器(membrane bioreactor；MBR)製程。
微生物附接於表面的製程被稱為生物薄膜製程。用於水純化的生物薄膜製程之實例為涓流過濾器、浸沒生物過濾器、移動床製程及流化床製程。浸沒生物過濾器包括具有塑膠之相對開放載體介質的過濾器及具有小直徑之載體介質(沙、Leca球、小聚苯乙烯球)的過濾器兩者。具有小直徑之載體介質的浸沒生物過濾器將相對較迅速地被生物污泥阻塞且必須定期從操作中取出以便反沖洗及移除污泥。保持平放之具有開放載體介質的浸沒生物過濾器仍可用連續供水操作相對長時間，但經驗已展示，即便是具有大載體介質及開放結構的過濾器仍將在一段時間後被阻塞。由於在生物反應器內的載體材料之表面上固定生物薄膜製程中的微生物，生物薄膜製程本身獨立於下游污泥分離。
在相同生物反應器中具有懸浮微生物的製程及具有固定微生物的製程之組合被稱為IFAS(integrated fixed film and activated sludge；整合固定薄膜及活性污泥)製程。IFAS製程已由活性污泥與具有開放載體介質的浸沒生物過濾器或者移動床製程組合組成。
在全球範圍內，明顯存在更多具有懸浮微生物的生 物性純化設施，但生物薄膜製程正變得愈來愈風行。此情況的一些原因在於活性污泥製程具有眾多缺點。該製程常常難以對污泥分離保持控制。此可導致污泥損失較大，且在最壞情況下，生物性製程崩潰及對於受體有相關聯後果。另一缺點在於習知活性污泥製程需要用於反應器及用於沉澱池內的污泥分離兩者的極大容積。然而，習知活性污泥製程的優勢在於在開放反應器中處理水，在該等反應器中不存在反應器堵塞之危險。
傳統涓流過濾器為首先用於純化廢水的生物薄膜製程。最初，涓流過濾器填滿石料，但現代涓流過濾器填滿塑膠材料，該等塑膠材料具有較大表面積以便生物薄膜在上面生長。現代涓流過濾器相對較高。將水泵送至涓流過濾器之頂部，及在整個表面上均勻分配。藉由自然通風進行供氧。在涓流過濾器中難以調節水量、物質裝載量及自然供氧以使得所有因素執行最佳功能。相對較常見的是，涓流過濾器之上部分中的生物薄膜未獲得足夠氧。因此，涓流過濾器具有通常較低的轉化速率及需要比其他生物薄膜製程更大的反應器容積。為了避免變得阻塞，生物薄膜介質必須相對開放且生物薄膜比面積(每立方米(m3)反應器容積的生物薄膜平方米(m2))變得相對較小。此亦導致反應器容積增加。即使具有開放生物薄膜介質，涓流過濾器中的阻塞及通道形成為熟知問題，該等問題可處於控制下，因為可確保涓流過濾器的各個部分重複經歷液壓負載，該負載大到足以將顆粒物質及鬆散生物薄膜沖出涓流過濾器。在許多情況下，此意謂必須使水 在涓流過濾器上再循環。在幾米高度下，泵送的能源成本可相當大。
浸沒生物過濾器可使用相對開放的生物薄膜介質，原則上與現代涓流過濾器的塑膠材料類型相同。塑膠材料為靜止且浸沒於反應器中，及經由反應器之底部處的漫射通氣器供應氧。此類型之浸沒生物過濾器的問題為生物質量生長導致之阻塞及通道之形成。水及空氣採取最小阻力之路徑及在通氣反應器中形成其中累積生物質量而產生厭氧條件的區域。另一缺點在於無法接取靜止生物薄膜介質下方的通氣器。對於維護或替換通氣器，必須首先自反應器移除生物薄膜介質。
具有小直徑之載體介質(沙、Leca球及小聚苯乙烯球)的浸沒生物過濾器具有極大生物薄膜表面積。載體介質在正常操作期間為靜止，但此類型過濾器將被生物污泥阻塞及必須定期從操作中取出以便反沖洗及移除污泥。該製程對廢水中的顆粒敏感，且對於具有多懸浮物質的廢水，各個沖刷之間的操作循環變得極短。由於沖刷及將通氣器置放在反應器之底部處的固定配件，建構該等類型生物薄膜反應器為複雜的。對於此類型生物薄膜反應器的常見設計為BAF(biological aerated filter；生物通氣過濾器)及最熟知的商標名稱為Biostyr、Biocarbone及Biofor。
在移動床反應器中，生物薄膜在反應器周圍自由浮動的載體材料上生長。載體材料為泡沫橡膠或者小塑膠元件。使用泡沫橡膠片的製程以Captor及Linpor之名稱為人所 知。泡沫橡膠片的缺點在於有效生物薄膜面積過小，因為泡沫橡膠片之外側上的生長阻塞微孔及阻止基質及氧進入泡沫橡膠片之內部部分。此外，必須使用防止泡沫橡膠片離開反應器的篩網，及必須具有定期泵送泡沫橡膠片遠離篩網的系統以防止該等篩網堵塞。因此，極少設施用泡沫橡膠作為載體材料來構成。
然而，近年來，一系列純化設施已用移動床製程建立，在該等製程中載體材料為小塑膠片。塑膠片通常均勻分配於整個水容積中，且實務中以至多約67%的生物薄膜介質充填度進行操作。篩網將塑膠片保持在反應器內的適當位置。連續操作反應器，無需反沖洗。重要的是，必須存在對後續分離製程的已產生污泥之穩定液流，使得顆粒負載變得比活性污泥之分離小得多。亦指出，與具有定期反沖洗的生物過濾器製程相比，此為連續製程。關於生物反應器之形狀方面，該製程極為靈活。該生物薄膜比表面積較涓流過濾器更高，但與BAF製程相比則相當小。然而，以總容積計，當考慮到需要擴增過濾床及BAF製程中的沖刷水儲集器的額外容積時，已發現具有小塑膠片之載體材料的移動床製程與BAF製程一樣有效率。具有小塑膠片作為載體材料的移動床製程之供應商實例為Krüger Kaldnes、Infilco、Degremont、Biowater Technology及Aqwise系統。
最近，Biowater Technology已開發出新生物薄膜製程，即連續流動間歇清洗(Continuous Flow Intermittent Cleaning；CFIC)製程。CFIC含有在反應器中發生極少載體移 動程度(通常比90%充填度更大)的高堆積塑膠載體。在此配置下，當廢水以塞式流動方式穿過反應器時，在生物薄膜內部產生高碳及營養素梯度，引發比移動床生物薄膜反應器中更好的基質移送。在通氣CFIC反應器中，將改良氧移送效率，因為氣泡將必須移動穿過高堆積載體，因此在氣泡到達反應器表面前產生長滯留時間及路徑。高堆積載體亦可充當「過濾器」以減小已處理水中的固體濃度，且因此降低對後續分離過程的顆粒負載，且甚至在某些情況下，直接排放CFIC排出物而無需經歷分離階段變得可行。在定期順流洗滌中藉由用流入廢水抬升水容積(降低載體堆積度)及提供強擾流來移除反應器內的過量生物污泥。可在小分離單元(諸如污泥稠化器或精細篩網過濾器)中處置洗滌期間的排水，該排水含有高濃度顆粒。關於生物反應器之形狀，該製程極為靈活。生物薄膜比表面積較移動床生物薄膜反應器更高，造成更小的反應器佔地面積。
廢水重複使用製程
隨著全世界水資源壓力的增加，再循環及重複使用二級及三級處理廢水用於灌溉、農業及工業生產用水以及用於間接及甚至直接飲用水供應是愈來愈明顯的趨勢。在二級處理中，使用生物處理及化學製程移除大多數有機物質。分離製程(諸如沉澱及溶解空氣漂浮)亦通常包括於二級處理中。來自二級處理製程的排出物含有殘餘懸浮及膠體顆粒物質，該等物質可需要在三級製程中進一步移除。最常使用的三級處理製程為深度過濾、表面過濾及薄膜過濾。當前，全 世界使用主要三個技術組合用於廢水重複使用，其中需要以下生物處理：1)分離製程繼之以深度或表面過濾的生物處理；2)分離製程繼之以薄膜過濾的生物處理；以及3)薄膜生物反應器(MBR)製程。在水重複使用前，三級排出物通常經歷消毒階段。若將飲用水(間接及直接兩者)作為目標，則不得不使用逆滲透(reverse osmosis；RO)薄膜。
深度過濾係在處理飲用水中所使用的時間最長製程之一，且為用於二級排出物過濾以便廢水重複使用的最常見方法。沙、無煙煤及合成纖維常用於深度過濾中。阻塞係深度過濾製程具有的最常見問題。必須定期脫機取下過濾器以便反洗滌防止阻塞。最近，連續操作深度過濾製程(諸如流砂(Dynasand)製程)在廢水重複使用應用中已比彼等半連續製程更加風行。
表面過濾係一種使用諸如布料、編織金屬織物及各種合成材料之編織材料作為過濾介質的過濾類型。薄膜過濾亦為一種表面過濾類型。
利用習知深度過濾及表面過濾，混濁度突破係廢水重複使用應用中的利益相關者最常見的關注點之一。儘管習知過濾通常具有初始低資金成本，但就化學消耗及介質替換而言，經營成本可比薄膜過濾更高。若RO製程用於進一步水純化的下游中，則習知過濾通常不可向RO提供高品質供水(低污泥密度指數，SDI(silt density index))，造成RO製程之效能降低。
基於薄膜微孔之大小，薄膜過濾可歸類為微過濾 (microfiltration；MF)、超過濾(ultrafiltration；UF)、奈米過濾(nanofiltration；NF)及逆滲透(RO)。在三級廢水處理中，MF及UF通常用於二級生物處理後的顆粒分離。關於薄膜基本上存在兩個基本流動圖案：外側向內及內側向外。在供水中的TSS及混濁度通常較高的大多數廢水應用中，更常使用外側向內。將兩個製程配置用於薄膜模組：加壓及浸沒，且兩個配置皆常見於廢水重複使用應用中。
二級澄清繼之以MF或UF的活性污泥已在全世界廣泛用於新廢水處理設施中且更常見用於升級現有活性污泥設施以便重複使用。在該製程中，藉由二級排出物儲槽將薄膜過濾階段(MF或UF)與活性污泥階段分離。
薄膜生物反應器(MBR)藉由在一個單元中將生物處理與UF或MF薄膜分離組合來提供對活性污泥繼之以MF或UF的替代。MBR技術中的一些技術使用與三級處理所使用的相同的薄膜及甚至薄膜裝置。更常見薄膜及模組形式係特別為MBR需求而設計。儘管交叉流動側流MBR對於小規模工業廢水處理及重複使用並不罕見，但平板形式或中空纖維形式的浸沒MBR主導了市政及工業廢水應用。
MBR製程之主要優勢之一在於消除二級澄清單元，此明顯減小了生物處理設施的總佔地面積。污泥膨脹問題並不與MBR製程非常相關。另一優勢在於，在不損失排出物中的生物質量情況下，可抬升MBR中的生物質量濃度至一水平，該水平在典型活化污泥設施中不可實現。因此，利用MBR可實現進一步佔地面積縮小。該製程之缺點在於仍成本 高昂及能量需求大。兩個設計態樣導致MBR中的高能量需求。一個態樣為粗氣泡空氣沖刷總是用於減少浸沒MBR中的薄膜表面上的固體沉積。另一態樣為高內部再循環流動(通常為供水流動速率的3-6倍)係用於減小薄膜所在區域與生物反應器之其餘區域之間的污泥濃度差異。
MB-MBR(移動床薄膜生物反應器)係一種混合系統，其中移動床生物反應器後緊跟浸沒薄膜生物反應器。在移動床生物反應器中藉由篩網保留生物薄膜載體且該等載體與薄膜不直接接觸。
本發明係一種在生物反應器中生物性純化市政及工業廢水的方法，該生物反應器中水及基質接觸生物薄膜載體元件及藉由浸沒薄膜模組中的薄膜過濾使已處理水排出。將通氣提供用於移動生物薄膜載體及沖刷薄膜表面兩者。載體元件與薄膜表面直接接觸。生物反應器將定期進入洗滌操作模式以便維持薄膜滲透性及以便移除在正常操作期間已累積於生物反應器內的過量污泥。
相關現有技術
NO 172687描述了一種用於水純化的方法及反應器。將水饋送至填滿用於生物薄膜之載體的反應器中。該等載體具有處於0.90-1.20範圍之比重及30%-70%反應器容積之載體充填度。此外，反應器具有混合設備及亦具有篩板形式的裝備以將載體保留在反應器中。
EP 2438019 A1描述了一種用於水純化的方法及反應器。將水饋送至填滿用於生物薄膜之載體的反應器中。該 等載體具有處於0.8-1.4範圍中之比重及90%-100%反應器容積之載體充填度。在正常操作模式下保持載體處於靜置或阻礙移動狀態。在順流洗滌操作模式中，藉由減小載體之充填度使載體流體化以便移除過量污泥。
從CN 1730410 A中已知一種用於生物性純化水的反應器。該反應器含有用於生物薄膜生長的載體且該等元件具有0.7-0.95之比重及50%-90%反應器有效容積之載體充填度。
CN 02104180.6描述了一種被隔板分為向上流動區域及向下流動區域的反應器。該反應器含有用於生物薄膜生長的載體及用於分離的薄膜過濾裝置。載體可為顆粒、粉末或小塊形式。薄膜位於向上流動區域內，其中在薄膜裝置正下方固定通氣器。在隔板及固定於反應器壁及隔板上的水流導引板的幫助下藉由反應器內的通氣產生內部水再循環。
US7288197描述了一種生物純化系統，該系統包含移動床區域及薄膜分離區域。移動床區域含有由聚合物泡沫製成的用於生物薄膜生長的多孔載體。藉由兩個過濾篩將載體保留在移動床區域內，一者位於區域之頂部上及另一者位於區域之底部。用薄膜分離區域內的薄膜過濾進一步純化來自移動床區域的排水。
本發明係關於一種在生物反應器中生物性純化市政廢水、工業廢水、地表水及地下水的方法，其中水及基質接觸載體元件用於生物薄膜生長及藉由置放於生物反應器內的 浸沒薄膜系統中的薄膜過濾使排水(滲透物)流出來，其中將載體元件保持在該生物反應器中。
該方法之特徵在於：經由一或更多個進水管或進水區域將水導入到生物反應器中及允許水及基質穿過生物薄膜之載體元件，該載體元件具有高保護面積(>200m2/m3載體元件)及大微孔容積(>60%)，其中載體元件在低充填度(<90%)下自由移動或者在高充填度(>90%)下大致靜止。從具有含有由無機材料(陶瓷或金屬)或者聚合材料製成且具有低於0.5微米之標稱薄膜微孔大小的薄膜之浸沒薄膜過濾系統的生物反應器中抽出具有低混濁度的滲透物，從而允許重複使用該滲透物。薄膜元件可為中空纖維形式或者平板形式。藉由置放於生物反應器之底部處的較佳地處於薄膜元件正下方的通氣裝置提供含氧氣泡。氣泡用於若干目的，包括提供氧作為微生物生長的電子受體，使生物反應器中的載體元件及其他懸浮顆粒移動，及沖刷掉薄膜表面上的沉積物。
將供水之連續液流較佳地供應至生物反應器。定期使用藉由減小或者停止滲透物流及/或在混合裝備幫助下提供擾流來抬升生物反應器內的水位之手段移除過量污泥，該擾流流體化生物反應器內的載體元件。過量污泥經由一或更多個篩網排出生物反應器，該等篩網允許過量污泥穿過但將載體元件保留在生物反應器中。
隨時間推移，薄膜變髒，由上升反薄膜壓力(trans-membrane pressure；TMP)或者下降滲透物流動速率(滲透物流量)指示。將定期性應用薄膜鬆弛(經由停止過濾) 及薄膜清洗(經由使用或不使用化學溶液情況下的滲透物反洗滌)以維持薄膜滲透性。薄膜污垢之程度及定期薄膜鬆弛/清洗可造成生物反應器內的水位波動。較佳地，在自生物反應器移除過量污泥之相同時間內實施薄膜的化學增強清洗。
1‧‧‧進水管/進水區域
2‧‧‧供水分配器
3‧‧‧生物反應器
4‧‧‧載體元件
5‧‧‧薄膜單元
6‧‧‧通氣單元
7‧‧‧篩網
8‧‧‧滲透物
9‧‧‧出水管/出水區域
10‧‧‧含氧氣體
11‧‧‧垂直管
12‧‧‧污泥排出管
13‧‧‧厭氧生物反應器
15‧‧‧排水
16‧‧‧污泥
17‧‧‧生物氣體通氣管
18‧‧‧缺氧生物反應器
19‧‧‧內部再循環液流
20‧‧‧好氧生物反應器
21‧‧‧厭氧生物反應器
22‧‧‧缺氧生物反應器
23‧‧‧第二內部再循環液流
參看隨附圖式，在實施例實例的幫助下，將在下文中更詳細地解釋本發明，在該等圖式中：第1A圖示意性圖示根據本發明之生物反應器之正常操作。
第1B圖示意性圖示在向生物反應器連續供水下污泥變得鬆散及被洗滌掉。
第2A圖圖示在排水部分地溢流穿過出水管情況下的生物反應器之正常操作。
第2B圖圖示在向生物反應器連續供水下污泥變得鬆散及被洗滌掉。
第3A圖至第3C圖、第4A圖、第4B圖及第5圖圖示本發明之不同實例。
第1A圖及第1B圖概述在正常操作期間的無溢流情況下新生物製程之標準操作程序。供水穿過進水管(1)及供水分配器(2)及連續進入生物反應器(3)，該生物反應器含有用於生物薄膜生長的載體元件(4)。位於生物反應器(3)內的浸沒薄膜單元(5)產生滲透物(8)。通氣單元(6)將含氧氣體(10)引入到生物反應器(3)中。在正常操作期間(第1A圖)，生物反應 器(3)內的水位低於出水管(9)之水位及滲透物(8)係排出生物反應器(3)的唯一液流。污泥在生物反應器(3)中累積。
當希望移除污泥時(第1B圖)，首先減小或停止滲透物(8)流動速率，此舉將抬升水位。當水位上升至出水管(9)之水位時，確保生物反應器中擾流很大的狀態，使得薄膜表面及生物薄膜之外層上的鬆散生物質量、懸浮顆粒、沉積物被撕去，並懸浮於水中。可藉由吹入空氣及/或利用機械攪拌器或藉由循環抽送來產生必要的擾流。強擾流的所需時間可為1分鐘至約半小時，此取決於生物反應器之形狀及擾流之強度。充分的供水必須穿過生物反應器以經由導管(9)將鬆散污泥運出生物反應器。在生物反應器中藉由置放於出水管(9)之前部的篩網(7)保留載體元件。將污泥從生物反應器中運輸出去的必要水量正常為生物反應器容積的0.2至3倍，此取決於當藉由增加滲透物(8)流動速率使再次恢復正常操作時懸浮固體之濃度必須低至何種程度。
第2A圖及第2B圖概述在正常操作期間具有污泥排出情況下新生物性製程之標準操作程序。供水穿過進水管(1)及供水分配器(2)及連續進入生物反應器(3)，該生物反應器含有用於生物薄膜生長的載體元件(4)。位於生物反應器(3)內的浸沒薄膜單元(5)產生滲透物(8)。通氣單元(6)將含氧氣體(10)引入到生物反應器(3)中。在正常操作期間(第2A圖)，生物反應器(3)內的水位可處於污泥排出管(12)之水位以上，且含有污泥的已處理水可穿過垂直管(11)及污泥排出管(12)經由重力排出生物反應器。亦可在正常操作期間經由泵送將污 泥排出生物反應器，該方式通常應用於以生物反應器串將新生物反應器與一或更多個其他生物反應器組合時，其中需要至其他生物反應器的污泥及/或水之再循環。在生物反應器(3)中藉由置放於垂直管(11)之前部的篩網(7)保留載體元件。
當希望移除過量污泥時(第2B圖)，首先減小或停止滲透物(8)流動速率及封閉污泥排出管(12)，此舉將抬升水位。當該水位上升至出水管(9)之水位時，確保生物反應器中擾流極大的狀態，使得薄膜表面及生物薄膜之外層上的鬆散生物質量、懸浮顆粒、沉積物被撕去，並懸浮於水中。可藉由吹入空氣及/或利用機械攪拌器或藉由循環抽送產生必要的擾流。強擾流的所需時間可為1分鐘至約半小時，此取決於生物反應器之形狀及擾流之強度。充分的供水必須穿過生物反應器以經由垂直管(11)及出水管(9)將鬆散污泥運出生物反應器。在生物反應器中藉由置放於垂直管(11)之前部的篩網(7)保留載體元件。將污泥從生物反應器中運出去的必要水量正常為生物反應器容積的0.2至3倍，此取決於當藉由增加滲透物(8)流動速率及打開污泥排出管(12)使再次恢復正常操作時懸浮固體之濃度必須低至何種程度。
實例
以下描述本發明之應用實例。
新生物反應器可為用於二級廢水處理及排水重複使用應用的獨立好氧生物反應器。
第3A圖、第3B圖及第3C圖示意性圖示將新生物反應器與厭氧生物反應器組合。首先，可在厭氧生物反應器 之正頂部上置放新生物反應器(第3A圖)。供水向上流動穿過厭氧生物反應器(13)及經由兩個生物反應器(13及3)之間的孔進入新生物反應器(3)。該等孔允許水及污泥穿過，但不允許載體元件穿過。其次，可在厭氧生物反應器之側面上置放新生物反應器(第3B圖及第3C圖)。供水流動穿過厭氧生物反應器及經由重力或泵送進入新生物反應器。第3B圖圖示在新生物反應器之洗滌操作期間從出水管(9)中出來的洗滌水並未經再循環返回至厭氧生物反應器。第3C圖圖示使用可為沉澱槽、污泥稠化器、溶解空氣漂浮單元或細網目篩的分離單元從洗滌水的排水(15)中分離污泥(16)及所分離污泥(16)經再循環返回至厭氧生物反應器(13)以便厭氧分解。經由生物氣體通氣管(17)收集厭氧生物反應器中所產生的生物氣體。
第4A圖及第4B圖示意性圖示與新生物反應器整合的生物性氮移除製程。在第4A圖中，為二階製程，在新生物反應器(3)之前部置放缺氧固定薄膜生物反應器(18)。移除有機物質及硝化作用兩者皆發生在新生物反應器中。富含硝酸根離子的內部再循環液流(19)經再循環至缺氧生物反應器。在第4B圖中，為三階製程，缺氧固定薄膜生物反應器(18)後緊隨好氧固定薄膜生物反應器(20)，後再緊隨新生物反應器(3)。好氧生物反應器(20)經設計主要用於移除供水中的有機物質及新生物反應器(3)主要用於硝化作用及薄膜過濾。在三階製程中，內部再循環液流(19)經再循環至缺氧生物反應器(18)。
第5圖示意性圖示與新生物反應器整合的組合生物 性氮及磷移除製程。該製程包含4個生物反應器且該等生物反應器為：厭氧生物反應器(21)、缺氧生物反應器(22)、好氧固定薄膜生物反應器(20)及新生物反應器(3)。厭氧生物反應器(21)及缺氧生物反應器(22)兩者皆不含載體元件。在前三個生物反應器(21、22及20)中移除有機物質且部分硝化作用發生在好氧生物反應器(20)中。進一步硝化及薄膜過濾發生在新生物反應器(3)中。內部再循環液流(19)將硝酸根離子及懸浮生物質量再循環至缺氧生物反應器(22)以便在來自厭氧生物反應器(21)的水解有機物質幫助下發生脫硝作用。第二內部再循環液流(23)將磷累積有機體(phosphorous accumulating organisms；PAOs)再循環至厭氧生物反應器(21)。在此流動佈置下，PAO可將揮發性脂肪酸(volatile fatty acids；VFAs)溶解於供水中，從而轉換成PAO單元格內部的富能量聚合化合物，且當PAO進入好氧生物反應器(20)時，可利用所儲存的聚合化合物作為PAO的能量源以將磷溶解於水中及作為聚磷酸鹽儲存於單元格中。最終，經由在洗滌水中移除的污泥自系統移除已富集於PAO中的磷。
優於現有技術之優勢
相對於活性污泥+二級澄清+MF/UF製程，本發明具有以下優勢：新製程消除二級澄清，此舉明顯減小了製程之總佔地面積。污泥膨脹問題與新製程無關。
新生物反應器內的生物質量密度可比活性污泥製程高得多，此造成較高有機負載及較低佔地面積。
當應用載體元件之高充填度時，新生物反應器內的氧移送效率可明顯比活性污泥製程中的效率更高。利用高充填度下大致靜止的載體元件，氣泡不得不移動穿過高堆積載體，從而在氣泡到達生物反應器表面前產生長滯留時間及路徑。
相對於MBR製程，本發明具有以下優勢：在本發明中，對於生物薄膜製程及薄膜沖刷兩者使用粗氣泡可減小通常在MBR製程中所觀察到的高能量消耗。
在本發明中，載體元件與薄膜之間的碰撞對薄膜表面具有清洗效果。前提條件為在標準操作狀態下載體元件不損壞薄膜結構及明顯減少薄膜壽命，此可藉由適當選擇載體元件類型及薄膜類型來實現。
新生物反應器內的生物質量密度可明顯比MBR製程高，此造成較高有機負載及較低佔地面積。
新生物反應器內的多數(>50%)生物質量為載體元件上的生物薄膜之形式，此造成比典型MBR製程低的懸浮固體濃度。兩個主要優勢與低懸浮固體濃度關聯：一個優勢在於可減輕薄膜污垢，因為極高懸浮固體濃度不利地影響薄膜滲透性；且另一優勢在於對MBR製程中的高內部再循環流動(高能量消耗)之需求變小，需要該再循環流動降低薄膜所在區域與生物反應器之其餘區域之間的污泥濃度差異。
對於新生物反應器，可在進行通常於MBR製程中實施之薄膜化學增強反洗滌(chemically enhanced backwash；CEB)及薄膜就地清洗(clean-in-place；CIP)的同時實施順流洗滌操作期間的污泥移除，從而減少非滲透物生產時間。
相對於MB-MBR製程，本發明具有以下優勢：在本發明中，對於生物薄膜製程及薄膜沖刷兩者使用粗氣泡可減小通常在MB-MBR製程中所觀察到的高能量消耗。
在本發明中，載體元件與薄膜之間的碰撞對薄膜表面具有清洗效果。前提條件為在標準操作狀態下載體元件不損壞薄膜結構及明顯減小薄膜壽命。
新生物反應器內的生物質量密度可比MB-MBR製程高得多，此造成較高有機負載及較低佔地面積。
對於新生物反應器，可在進行通常於MB-MBR製程之MBR階段中實施之薄膜化學增強反洗滌(CEB)及薄膜就地清洗(CIP)的同時實施洗滌操作期間的污泥移除，從而減少非滲透物生產時間。
反應器設計描述
新生物反應器(3)之設計不表示對於本發明之限制，但該生物反應器將通常具有平底及垂直壁。生物反應器(3)之有效深度將通常處於1.5至12米之範圍內，正常為3至8米。用於製造生物反應器(3)的材料之選擇對製程不重要且可自由選擇。
可用導管或通道構造佈置對生物反應器(3)的供水流入。供水可在生物反應器之頂部處進入，使得一者具有水位差(參看第1A圖與第1B圖及第2A圖與第2B圖)或一者可具有浸沒進口。
穿過生物反應器的水流動方向可為水平與垂直兩者。
來自生物反應器的過量污泥及再循環水之出口可包含一或更多個出水區域，該等區域通常具有篩網(7)以將載體元件保留在生物反應器中。在需要垂直管(11)促進設置出水管(9及12)高度的情況中，可接近於生物反應器之頂部或接近於生物反應器之底部置放出口。
對生物反應器內的薄膜系統之位置不存在限制，只要該薄膜系統浸沒在水中即可。較佳地，接近通氣系統且位於該通氣系統上方置放該薄膜，及在流體化生物反應器內的載體元件及其他顆粒經流體化的區域中置放該薄膜。
應將通氣系統(6)置放於生物反應器之底部處，較佳地為薄膜系統(5)之正下方，使得在生物反應器之水平程度的最大部分中分配空氣及同時有效沖刷薄膜表面。

Claims (11)

  1. 一種用於生物性純化水之方法，該方法包含以下步驟：經由一或更多個進水管或進水區域(1)將該水導入到一反應器(3)中；將該水及基質導向穿過用於生物薄膜生長之載體元件(4)，該等載體元件具有一高保護表面積(>200m2/m3載體元件)及一大微孔容積(>60%)；其中將一或更多個薄膜單元(5)浸沒於該反應器(3)內的該水中；其中經由該等薄膜(5)之該等微孔將滲透物(8)抽出該反應器；其中經由一通氣系統(6)在該反應器(3)中供應含氧氣體(10)；其中在正常操作期間，將該反應器(3)內的水位維持低於一或更多個出水管或出水區域(9)，該等出水管或出水區域(9)專用於過量污泥移除；其中在洗滌操作期間，當該反應器(3)內的該水位被臨時抬升到專用於過量污泥移除之該等出水管或出水區域(9)的水位時，產生強擾流以便移除過量污泥。
  2. 如請求項1所述之方法，其中當該反應器(3)內的該水位被臨時抬升到專用於過量污泥移除的該等出水管或出水區域(9)的該水位時，應用一混合機構在該反應器(3)中產生強擾流，使得從該等元件及該薄膜表面上撕掉該過量污泥且使已 沉澱污泥懸浮，及由於經由進水管或進水區域(1)將進水導入到該反應器(3)中且因此經由一或更多個出水管或出水區域(9)將污泥帶出該反應器，當已移除該過量污泥時，該反應器(3)內的該水位減小至專用於過量污泥移除之該等出水管或出水區域(9)的該水位以下。
  3. 如請求項1所述之方法，其中經由一或更多個進水管或進水區域(1)將污水連續供應至該反應器(3)中。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該等載體元件(4)具有在0.8至1.1之範圍中的一比重。
  5. 如請求項1所述之方法，其中在正常操作期間，該等載體元件(4)之充填度佔一對應10%至99%的該反應器液體容積。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該等薄膜(5)為中空纖維形式或者平板形式。
  7. 如請求項1或6所述之方法，其中該等薄膜(5)由陶瓷材料、金屬材料、聚合材料或無機及聚合材料之組合製成。
  8. 如請求項1或6所述之方法，其中該等薄膜(5)之標稱微孔大小小於0.5微米。
  9. 如請求項1或2所述之方法，其中該反應器(3)內的該水位之增加及減小係分別經由減小或停止及增加該滲透物流(8)而實現。
  10. 如請求項1所述之方法，其中在該正常操作期間，含有污泥的已處理水中的一部分可經由一或更多個出水管或出水區域(9、12)經由重力或者經由泵送排出該反應器。
  11. 如請求項1所述之方法，其中藉由移除過量污泥，經由一或更多個進水管或進水區域(1)向該反應器(3)提供污水之一不連續供應，在已抬升該反應器(3)內的該水位後停止供應污水，及在混合機構幫助下提供擾流以在該反應器(3)中產生擾流以流體化該等元件，使得從該等元件(4)及該薄膜表面上撕掉該過量污泥且使已沉澱污泥懸浮，及此後經由一或更多個進水管或進水區域(1)將進水導入到該反應器(3)中，使得可經由污泥的一或更多個出水管或出水區域(9)將污泥帶出該反應器。
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