專利名稱：為了封閉的膜系統(tǒng)的運(yùn)行而利用在內(nèi)部產(chǎn)生的生物氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本說(shuō)明書(shū)涉及厭氧膜生物反應(yīng)器和用于運(yùn)行該厭氧膜生物反應(yīng)器來(lái)例如處理廢水的工藝。
背景技術(shù)：
以下不意味著下述全部?jī)?nèi)容為現(xiàn)有技術(shù)或公知常識(shí)。在污水處理廠中，可用的單元過(guò)程中的一個(gè)可以涉及利用厭氧微生物來(lái)處理廢水。即使厭氧處理箱可以開(kāi)放，但在缺少添加的氧的情況下，箱中的水的主要條件可以為厭氧。厭氧微生物居于箱，并將廢水中的可生物降解的材料主要轉(zhuǎn)化成水和生物氣體，該生物氣體主要為二氧化碳和甲烷。在膜生物反應(yīng)器中，穿過(guò)膜過(guò)濾器而進(jìn)行正在降解或已降解的廢水的固液分離。膜過(guò)濾器可以直接浸沒(méi)至處理箱中，或者可以浸沒(méi)于帶有來(lái)自處理箱的入口和返回至同一或另一處理箱的出口的單獨(dú)的箱。膜典型地處于微細(xì)過(guò)濾或超細(xì)過(guò)濾的范圍?？梢杂墒┘又聊み^(guò)濾器的內(nèi)側(cè)容積的吸力將滲透物的通量(已過(guò)濾的水)吸引穿過(guò)膜。

發(fā)明內(nèi)容
以下介紹旨在向讀者介紹詳細(xì)的公開(kāi)以遵循而不是限制或限定任何權(quán)利要求。發(fā)明可以存在于包括附圖的該文獻(xiàn)的任何部分所述的裝置要素或處理步驟的組合或子組合中。 在厭氧膜生物反應(yīng)器(“AnMBR”)中，廢水在厭氧箱中被微生物消化或降解，且通過(guò)膜過(guò)濾的方式提供廢水的固液分離。在膜過(guò)濾系統(tǒng)中，典型地通過(guò)將吸力泵附連至膜過(guò)濾器的內(nèi)側(cè)表面，從而產(chǎn)生橫貫?zāi)け砻娴目缒翰?TMP)，進(jìn)而獲得期望的通量。在本文所述的裝置和工藝中，厭氧處理箱被封閉，以允許收集通過(guò)微生物消化廢水而產(chǎn)生的生物氣體。已收集的生物氣體中的一些生物氣體在箱中積聚，并通過(guò)生物氣體的積聚、供給廢水的壓力或這兩者的方式將內(nèi)部的箱壓力維持于高于環(huán)境壓力的壓力。施加上述環(huán)境壓力以提供驅(qū)使通量穿過(guò)膜過(guò)濾器的TMP的部分或全部。更詳細(xì)地，厭氧處理箱雖然設(shè)有用于泵送或重力供給的廢水的入口和用于產(chǎn)物生物氣體的出口，但是可增壓，在該意義上，厭氧處理箱是封閉的。封閉的處理箱包括膜過(guò)濾器或連接至包括膜過(guò)濾器的外部箱。在外部膜箱的情況下，處理液體從處理箱再循環(huán)經(jīng)過(guò)膜箱并返回至處理箱。一袋生物氣體積聚在處理箱的頂部。生物氣體被從袋獲取并泵送至膜過(guò)濾器的底部以提供氣泡來(lái)抑制膜污損。在外部膜箱的情況下，生物氣體被從處理箱的袋獲取，被泵送至膜箱中的膜過(guò)濾器的底部，在膜箱的頂部被再收集，并返回至處理箱。當(dāng)降解廢水時(shí)產(chǎn)生生物氣體并在處理箱的頂部收集生物氣體。在外部膜箱的情況下，生物氣體可以在膜箱自身產(chǎn)生，且生物氣體通過(guò)氣體循環(huán)的方式被引入膜箱來(lái)提供氣泡。從處理箱、膜箱或這兩者移除過(guò)量的生物氣體。被移除的生物氣體為產(chǎn)物，該產(chǎn)物能夠用作例如燃燒來(lái)發(fā)電的燃料。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，生物氣體的移除的速率大致等于生物氣體的產(chǎn)生的速率。然而，通過(guò)暫時(shí)地或周期性地限制或停止生物氣體的移除，從而如果存在生物氣體，則生物氣體積聚以增加處理箱和膜箱中的水表面之上的生物氣體袋的壓力。生物氣體壓力可以例如比大氣壓高IOkPa或更多。將膜箱或包括膜的處理箱維持于高于大氣壓的壓力，產(chǎn)生了跨膜壓力，該跨膜壓力提供或至少增加穿過(guò)膜過(guò)濾器的滲透物的通量。可以降低系統(tǒng)的整體能量需要。此外，利用膜箱中的充足的壓力，可以不再需要附連至膜的吸力栗。


圖1是帶有外部膜箱的厭氧膜生物反應(yīng)器的示意圖。圖2是帶有浸沒(méi)于處理箱中的膜過(guò)濾器的厭氧膜生物反應(yīng)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式在厭氧處理中，廢水中的有機(jī)物質(zhì)的消化，產(chǎn)生從廢水的表面逸出的生物氣體。例如，Ig COD的葡萄糖在Iatm且在(TC能夠產(chǎn)生約0.7L的生物氣體(二氧化碳和甲烷)。當(dāng)額外的生物氣體被產(chǎn)生至固定的容積中時(shí)，壓力增加至高于latm。在下述工藝和裝置中，所產(chǎn)生的生物氣體中的一些在AnMBR系統(tǒng)中在高于環(huán)境壓力的壓力下被收集并維持。與AnMBR系統(tǒng)中的膜過(guò)濾器接觸的廢水保持與已收集的生物氣體相連通。也在高于環(huán)境壓力的壓力下維持與膜過(guò)濾器接觸的廢水，這有助于提供所需的TMP或通量。特別地，COD輸入的速率(或者能夠與有機(jī)材料的分解的速率相關(guān)的另一參數(shù))與生物氣體產(chǎn)生的速率相關(guān)。生物氣體產(chǎn)生的速率與以最小廢水深度運(yùn)行的系統(tǒng)中的內(nèi)部壓力相關(guān)，并與接觸于膜過(guò)濾器的廢水的壓力相關(guān)。與膜過(guò)濾器接觸的廢水的壓力于是與TMP和通量相關(guān)。這樣，AnMBR系統(tǒng)能夠利用生物產(chǎn)生的生物氣體來(lái)產(chǎn)生或增強(qiáng)膜過(guò)濾驅(qū)動(dòng)力(TMP)。產(chǎn)生TMP可能使用常規(guī)的膜生物反應(yīng)器所需的能量的10%至20%?？蛇x地，能 夠使與膜過(guò)濾器接觸的廢水的壓力足夠高來(lái)避免對(duì)于滲透吸力泵的需要。這降低了生物反應(yīng) 器的總資本和運(yùn)行成本。例如，大型AnMBR系統(tǒng)可以具有多個(gè)膜列，各個(gè)列位于其自身的箱中或位于共同的箱中，并帶有與各個(gè)列相關(guān)的滲透泵。即使必須增加供給泵的尺寸以克服系統(tǒng)中的額外的壓力，購(gòu)買、容納、安裝以及維持一個(gè)大型泵的成本也通常小于購(gòu)買、容納、安裝以及維持相同總?cè)萘康膬蓚€(gè)或更多的單獨(dú)的泵的成本。此外，即使生物氣體產(chǎn)生對(duì)抗供給泵的壓力，總的系統(tǒng)能量消耗也可能被降低。這是因?yàn)橐粋€(gè)大型泵趨于比提供相同的總的流率和壓差的兩個(gè)或更多的更小的泵使用更少的能量。然而，在一些情況下，能夠由重力將廢水全部地或部分地供給至系統(tǒng)。使用未處理的廢水的源和生物反應(yīng)器之間的靜壓差來(lái)克服系統(tǒng)中的生物氣體壓力中的一些或全部。在該情況下，使用生物氣體來(lái)產(chǎn)生TMP，提供了更大的能量節(jié)約，并且，即使仍然使用滲透泵，也提供能量節(jié)約。圖1顯示了第一厭氧膜生物反應(yīng)器10。厭氧消化處理箱12包括廢水區(qū)域14和頂部空間16。未處理的廢水典型地通過(guò)泵或重力供給的方式經(jīng)過(guò)供給管線18而進(jìn)入廢水區(qū)域14。已消化的廢污泥經(jīng)過(guò)排泄道20而離開(kāi)處理箱12。生物反應(yīng)器10還具有包括浸沒(méi)的膜過(guò)濾器22的不同的膜箱20。膜過(guò)濾器22優(yōu)選地處于微細(xì)過(guò)濾或超細(xì)過(guò)濾的范圍。膜過(guò)濾器22還優(yōu)選地針對(duì)從外向內(nèi)的流而布置并被制造成固體容忍設(shè)計(jì)(solids tolerantdesign)，例如，使用平片膜或強(qiáng)化空心纖維膜。雖然處理箱12和膜箱20具有各種入口和出口，但是處理箱12和膜箱20仍然可增壓(pressurisable)且無(wú)材料生物氣體泄漏,在該意義上，處理箱12和膜箱20均被密封。正被處理的廢水在處理箱12和膜箱20之間再循環(huán)。廢水從處理箱12經(jīng)過(guò)處理液體管線24而流動(dòng)至膜箱20。進(jìn)入膜箱20的廢水中的一部分滲透穿過(guò)膜過(guò)濾器22并經(jīng)過(guò)滲透管線28而離開(kāi)膜箱20。被保留的廢水從膜箱20經(jīng)過(guò)處理液體再循環(huán)管線26而流動(dòng)至處理箱12。平均而言，處理液體再循環(huán)管線26中的流率比處理液體管線24中的流率小經(jīng)過(guò)滲透管線28而產(chǎn)生的滲透率。典型地，通過(guò)泵(未顯示)而在處理箱12和膜箱之間沿一個(gè)方向流動(dòng)，并且，通過(guò)泵或箱12、20之間的廢水的壓差而沿另一方向流動(dòng)。

生物氣體通過(guò)微生物消化廢水而產(chǎn)生，并行進(jìn)至頂部空間16中。一些生物氣體典型地通過(guò)氣體起泡管線中的泵(未顯示)的方式從頂部空間16被獲取并經(jīng)過(guò)氣體起泡管線30而進(jìn)入膜箱20中。生物氣體典型地經(jīng)過(guò)靠近或低于膜過(guò)濾器22的底部的氣體起泡器(未顯示)而進(jìn)入膜箱20。氣體作為氣泡而被釋放，該氣泡升高穿過(guò)膜過(guò)濾器22或與膜過(guò)濾器22接觸以抑制膜的污損并產(chǎn)生穿過(guò)膜過(guò)濾器22的液體流。氣泡在膜箱20中的廢水的表面破裂，并將生物氣體釋放至位于膜箱20的頂部的袋中。被釋放的生物氣體隨后經(jīng)過(guò)氣體再循環(huán)管線32而返回至處理箱12。通過(guò)管理處理液體再循環(huán)和氣體起泡管線30中的泵或管理這兩者，從而能夠?qū)⒛は?0中的生物氣體保持于稍微更高的壓力，并進(jìn)而將處理箱12中的生物氣體保持于稍微更高的壓力，以驅(qū)使生物氣體返回至處理箱12。最初允許生物氣體在系統(tǒng)10中積聚以至少在頂部空間16中在期望的壓力下產(chǎn)生一袋生物氣體。此后，生物氣體的持續(xù)的產(chǎn)生允許袋維持于容積和壓力的期望的組合之上，同時(shí)也排放生物氣體。被排放的生物氣體能夠用作例如燃燒來(lái)產(chǎn)生熱、蒸汽或電的燃料。生物氣體經(jīng)過(guò)泄放管線34而排放，該泄放管線34例如連接至頂部空間16或氣體再循環(huán)管線32。泄放管線34具有排放閥36，該排放閥36被控制成當(dāng)系統(tǒng)10中的氣體壓力超過(guò)預(yù)定的最大值時(shí)打開(kāi)且當(dāng)氣體壓力下降至低于預(yù)定的最小值的壓力時(shí)關(guān)閉。優(yōu)選選擇預(yù)定的最小生物氣體壓力以對(duì)穿過(guò)膜過(guò)濾器22的TMP和通量至少提供材料增強(qiáng)。例如，預(yù)定的最小值可以比環(huán)境壓力高IOkPa或更多。可選地，預(yù)定的最小值可以足以使自身提供設(shè)計(jì)的通量并避免對(duì)于滲透管線28中的滲透吸力泵的需要。例如，預(yù)定的最小值可以為20kPa或更大。圖2顯示了備選的厭氧膜生物反應(yīng)器110，其中，膜過(guò)濾器22直接地浸沒(méi)至處理箱12的廢水區(qū)域14中。沒(méi)有單獨(dú)的膜箱且沒(méi)有處理液體管線24、26或氣體再循環(huán)管線32。氣體起泡管線30被重新配置成從頂部空間16獲取生物氣體并放出生物氣體來(lái)提供靠近或低于膜過(guò)濾器22的底部的氣泡。其他構(gòu)件的配置和運(yùn)行如參照?qǐng)D1所述?？蛇x地，未處理的廢水可以在批量供給的過(guò)程中添加至厭氧膜生物反應(yīng)器10、110,以降低供給泵的能量消耗,或甚至當(dāng)驅(qū)動(dòng)靜壓頭(driving static head)的壓力不大時(shí)允許使用重力供給流。在該過(guò)程中，僅在生物氣體已從處理箱12被暫時(shí)泄放之后將未處理的廢水添加至處理箱12，使得未處理的廢水的泵不需要克服生物氣體的壓力。為了起動(dòng)處理，滲透管線28中的滲透閥38被關(guān)閉且排放閥36被打開(kāi)以從處理箱12的頂部空間釋放壓力?？梢栽陧敳靠臻g留存例如比大氣壓高IkPa的小的剩余壓力，以防止外側(cè)空氣泄漏至處理箱12中。如果流動(dòng)不是通過(guò)重力，則供給管線18中的入口閥40被打開(kāi)，且供給泵被開(kāi)啟，以將未處理的廢水添加至處理箱12。當(dāng)已添加一批未處理的廢水時(shí)，供給泵即使存在也被關(guān)閉，且入口閥40被關(guān)閉，且排放閥36被關(guān)閉。允許生物氣體在厭氧膜生物反應(yīng)器IOUlO中積聚直到在處理箱12中達(dá)到例如比大氣壓高IOkPa的閾值壓力。滲透閥38隨后被打開(kāi)以開(kāi)始滲透。排放閥36可以不時(shí)地被打開(kāi)，以如上所述在滲透期間移除過(guò)量的生物氣體。當(dāng)需要另一批未處理的廢水時(shí)，重復(fù)供給過(guò)程。由該文獻(xiàn)保護(hù)的發(fā)明被所附權(quán)利要求限定。權(quán)利要求不限于本文所述的裝置或工藝的具體示例。特定的權(quán)利要求可以不需要本文所述的任何單個(gè)的裝置或工藝的每一個(gè)要素或步驟，或者本文所 述的多個(gè)裝置或工藝所共同的每一個(gè)要素或步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于降解廢水并產(chǎn)生生物氣體的工藝，包括步驟(a)和步驟(b)， 該步驟(a)提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: (i)封閉的厭氧處理箱，具有用于保存所述廢水的區(qū)域和用于保存通過(guò)降解所述廢水而產(chǎn)生的生物氣體的頂部空間； (ii)對(duì)所述處理箱進(jìn)行的廢水的泵送供應(yīng)； (iii)膜過(guò)濾器，位于所述處理箱中或位于與所述處理箱處于液體再循環(huán)連通的封閉的外部箱中； (iv)生物氣體循環(huán)回路，適于從所述頂部空間抽取生物氣體，將所述生物氣體作為低于或接近所述膜過(guò)濾器的底部的氣泡而排出，并且使生物氣體返回至所述頂部空間； (v)穿過(guò)所述膜過(guò)濾器而從所述裝置移除滲透物的出口；以及 (vi)從所述裝置移除產(chǎn)物生物氣體的出口， 該步驟(b)維持所述頂部空間和與所述膜過(guò)濾器相連通的廢水中的壓力，該壓力足以至少在物質(zhì)上有助于產(chǎn)生穿過(guò)所述膜過(guò)濾器的滲透物的通量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中，維持于所述頂部空間和與所述膜過(guò)濾器相連通的廢水中的壓力比環(huán)境壓力至少大10 kPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工 藝，其中，在沒(méi)有泵產(chǎn)生的施加至所述膜過(guò)濾器的滲透?jìng)?cè)的吸力的情況下，維持于與所述膜過(guò)濾器相連通的所述廢水中的壓力產(chǎn)生穿過(guò)所述膜過(guò)濾器的滲透物的設(shè)計(jì)的通量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述膜過(guò)濾器位于與所述處理箱處于液體再循環(huán)連通的封閉的外部箱內(nèi)，所述外部箱具有所述膜過(guò)濾器浸沒(méi)于其中的廢水區(qū)域和所述廢水區(qū)域之上的生物氣體的頂部空間，且所述生物氣體循環(huán)回路包括泵、在所述頂部空間和所述泵之間連通的導(dǎo)管、低于或靠近所述膜過(guò)濾器的底部的氣體起泡器、在所述泵和所述氣體起泡器之間連通的導(dǎo)管以及在所述外部箱和所述處理箱的所述頂部空間之間連通的導(dǎo)管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述膜過(guò)濾器位于所述處理箱內(nèi)且所述生物氣體循環(huán)回路包括泵、在所述頂部空間和所述泵之間連通的導(dǎo)管、低于或靠近所述膜過(guò)濾器的底部的氣體起泡器以及在所述泵和所述氣體起泡器之間連通的導(dǎo)管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，包括暫時(shí)地或周期性地限制或停止從所述裝置移除生物氣體以在所述頂部空間中積聚或維持至少預(yù)定的量的生物氣體的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中，當(dāng)所述生物氣體的壓力超過(guò)預(yù)定的最小值時(shí)，從所述系統(tǒng)排放生物氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其中，保持所述系統(tǒng)中的廢水的深度高于預(yù)定的最小值。
9.一種用于在厭氧生物反應(yīng)器中抽取穿過(guò)膜過(guò)濾器的滲透物的工藝，包括: 將與所述膜過(guò)濾器相連通的所述生物反應(yīng)器中的廢水維持于比環(huán)境壓力至少高IOkPa的壓力； 將通過(guò)降解所述廢水而產(chǎn)生的一袋生物氣體維持于比環(huán)境壓力至少高IOkPa的壓力；以及 從所述袋抽取生物氣體以產(chǎn)生低于或靠近所述膜過(guò)濾器的底部的所述生物氣體的氣泡。
全文摘要
在厭氧膜生物反應(yīng)器(“AnMBR”)中，封閉的厭氧處理箱包括膜過(guò)濾器或連接至包括膜過(guò)濾器的外部箱。一袋生物氣體在處理箱的頂部積聚。生物氣體被從袋獲取，被泵送至膜過(guò)濾器的底部以提供氣泡來(lái)抑制膜的污損并返回至袋。降解廢水時(shí)產(chǎn)生的過(guò)量的生物氣體被從系統(tǒng)移除并可以用作產(chǎn)物。然而，生物氣體和液體在系統(tǒng)中被維持于例如比大氣壓高10kPa或更多的高于大氣壓的壓力，該壓力足以對(duì)驅(qū)使?jié)B透物穿過(guò)膜的跨膜壓力至少提供物質(zhì)幫助?？梢越档拖到y(tǒng)的整體能量需要。此外，利用充足的壓力，可以不需要附連至膜的吸力泵。
文檔編號(hào)C02F3/28GK103080022SQ201180041921
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者Y.洪, R.A.貝利, D.薩拉索, J.R.卡明, D.E.斯普勞爾, S.常 申請(qǐng)人:澤農(nóng)科技合股公司