本发明涉及一种膜曝气生物膜反应器(mabr)。特别地，本发明涉及一种用于mabr的装置，该装置能够增强污水与附于膜上的生物膜之间的质量传递。
背景技术：
随着世界人口的不断增长，并且越来越多的人搬到都市环境中居住，对污水处理设施有了更多的要求。市政污水处理工厂和工业污水处理工厂都必须达到越来越高的水质等级以满足规范标准，同时二者必须在更小的空间中实现，使用更少的资源。这推动了污水处理技术的创新。能实现这样增加的处理速率同时使用更少资源的一个这类技术是膜曝气生物膜反应器(mabr)。mabr使用气体渗透膜来向附着于膜表面生长的污染物降解细菌提供氧气。mabr结合了渗透膜曝气的低能量需求和基于生物膜工艺的主要优点——比如能够因高的特定生物质浓度而得到的高容积反应速率。基于生物膜的处理系统在近些年变得越来越普遍。这些系统通常将移动介质放置到反应罐中，生物膜附着于介质并且在与液体混合时两者和液体一起相对于反应罐自由移动。这样的生物膜反应器在us专利no.7189323中进行了描述。
基于生物膜的系统仍存在两个问题：1)需要大量能量来提供生物膜所必需的氧气以及在这些系统中时混合水和介质所需的能量；2)生物膜有活性的厚度因溶解的氧气在生物膜的外层被消耗而是非常薄的并且导致生物膜的内层不是有氧工作的。这两个问题通过mabr得以克服。
mabr相对于传统生物膜技术有几个优点：
(1)相对高的容积碳氧需求(cod)去除率是可实现的，尤其在纯氧被充分利用和生物膜厚度控制装置就位的情况下。
(2)无泡曝气提供了显著较高的氧气利用效率的潜在可能从而能节省能量。此外，挥发性有机化合物的生物处理期间的空气吹脱可以减少。
(3)由于独特的微生物种群分层而能够以相对较高的速率实现同时硝化、脱氮和cod去除。
(4)专门的降解微生物如氨氧化细菌趋向于优先地邻近于生物膜-膜界面生长从而防止生物膜侵蚀。
mabr技术开始从研究规模过渡至完全规模部署。通过扩大mabr的尺寸规模经历的问题在于含有污染物的污水与附着至承载介质的生物膜之间的接触(混合)是不足的。因此，额外的混合和增强的质量传递是必要的，但这必须在不会显著增加能量的情况下执行，因为能量的显著增加会损害mabr的主要商业优势。
wo2008130885公开了一种用于mabr的膜纤维束，该mabr在每一端具有呈圆形轮廓的连接器，该连接器将纤维束沿着其长度限制成圆形形状。这种布置的优点在于所有纤维集束在一起，其中膜进入连接器并且不布置成特定分布顺序。纤维可以自由移动，同时纤维将经受相同的力，并且由于纤维过长，所有纤维将一起移动。纤维仍保持在连接器的入口处紧紧结合在一起。
本发明的目的是克服上述问题中的至少一个问题。
技术实现要素：
在mabr中，生物膜自然地固定在氧气渗透膜上。氧气通过膜扩散到生物膜中，在这里发生污染物(提供在生物膜-液体界面处)的氧化。供氧率通过内部的膜氧分压(工艺参数)和膜表面面积(设计参数)控制。本申请的目的是使从mabr的膜内的气体到膜表面的生物膜的氧气的质量传递最大化。本发明的目的还在于通过使更多的膜纤维表面暴露于被污染的污水而使污染物从污水到污染物降解生物膜的质量传递速率最大化。本发明的这种综合优势提高了mabr的污水处理速率。膜纤维以独特且创新的横截面形状布置成组，避免、防止并且/或者最小化了在膜束布置在反应器内的箱盒和模块中时膜束内以及膜束之间产生死区或非反应区域或滞流区。包含独特的膜布置不仅增大了膜的外露表面积，而且因这些膜组的不均匀布置导致而在液流中形成了涡流，从而进一步改善了从膜到生物膜的质量传递。
为确保mabr可以变为用于污水处理的高效的完全规模(fullscale)的技术，关键是需要确保反应器是良好混合的以及确保尽可能多的附着于膜的污染物降解生物膜的表面区域与待处理的被污染污水之间的有效接触。申请人已经提供了一种用于使污水与mabr处理系统或罐中的污染物降解生物膜之间的接触最大化的解决方案。该解决方案因系统内的涡流而产生了更好的混合，并且不存在任何额外的能量需求。因而，系统保持用于生物污水生物处理的mabr的低能量需求。
这通过容易制造和装配并且不需要额外的交织(weave)或包裹的方式完成。
根据本发明，如所附权利要求中给出的，提供了一种类型的膜曝气生物膜反应器(mabr)，其包括：具有上空气歧管和下空气歧管的壳体；布置在壳体内并且布置在上空气歧管与下空气歧管之间并且从上空气歧管延伸至下空气歧管的至少一个膜阵列，每个膜阵列由限定容纳气相的管腔的膜纤维的束构成；以及用于将至少一束膜连接至上歧管和下歧管使得气体能够在膜的管腔内流动的器件(means)；其中，膜纤维束通过半刚性或刚性的连接器保持就位，连接器构造成将膜纤维保持成在空间上彼此分开的构型。
根据本发明，如所附权利要求书中给出的，提供了一种用于膜曝气生物膜反应器(mabr)的膜纤维束，mabr具有壳体，膜纤维束包括：一组膜纤维，布置在一起成为竖直或水平的膜纤维束，其中，每个纤维具有容纳气相的管腔；以及用于连接膜纤维束使得气体能够在膜的管腔内流动的器件；其中，膜纤维束通过连接器或外模(overmold)布置在一起，连接器或外模构造成将膜纤维束布置并且保持成在空间上彼此分开的构型。
在一个实施方式中，膜纤维束通过半刚性或刚性的连接器约束在一起。优选地，连接器或外模具有预制的轮廓形状。
在一个实施方式中，连接器或外模具有非圆形形状。已经发现，由于纤维的更多表面区域暴露于周围液体，这增强了来自束中纤维的气体的质量传递。重要的是，已经发现纤维束的非圆形轮廓使得围绕纤维束的液体的涡流增强，从而改善了局部混合并且减小了形成在纤维上的边界层的厚度。
在一个实施方式中，连接器或外模的轮廓是长形的。轮廓可以是沿着一条径向轴线延长的(即，图1中的椭圆形)或沿着不同径向轴线的延长的(即，图2和图3中的三角星、四角星或五角星)。
在一个实施方式中，连接器或外模成形为使膜纤维朝向歧管汇集。这意味着连接器或外模迫使纤维束朝向歧管向内渐缩。
在一个实施方式中，连接器或外模具有呈非圆形轮廓的入口段、构造用于连接至呈圆形轮廓的歧管的出口，以及在入口段与出口段中间的漏斗段。漏斗段的轮廓从入口端处的非圆形轮廓过渡至出口端处的圆形轮廓。
优选地，连接器和外模的轮廓既非圆形的也非圆柱形的。独特的轮廓可以通过(i)将膜纤维束放置到预制连接器中形成或(ii)通过将膜纤维束保持成独特的轮廓并且通过在纤维上施加粘合剂的方式将它们固定成这种构型从而将纤维保持为这种构型而形成，或通过围绕纤维模制连接器来将纤维保持就位(外模)而形成。在一个实施方式中，连接器或外模具有选自由下述项组成的组的轮廓形状：椭圆、三角星、四角星、五角星、十字形、人字形，或适于提供穿过整个膜纤维束的更宽分布且混合的流的任何形状。
在一个实施方式中，纤维膜束在每一端处附接至空气供给歧管。
在一个实施方式中，膜纤维束的组延伸到壳体中并且从膜纤维的组的中心轴线离开，并且使膜纤维的外露表面区域最大化。
在一个实施方式中，连接器构造成附接至空气供给歧管。优选地，连接器通过推入配合式配装附接至空气供给歧管或者直接固定至空气供给歧管。
在一个实施方式中，提供了一种箱盒(cassette)，该箱盒包括如上所述的多个膜纤维束，或如上所述的并排布置并且附接至上空气歧管和下空气歧管的多个阵列。
在一个实施方式中，提供了一种类型的膜曝气生物膜反应器(mabr)，该膜曝气生物膜反应器包括壳体和如上所述的至少一个膜纤维束。
在一个实施方式中，提供了一种膜曝气生物膜反应器(mabr)，该膜曝气生物膜反应器包括壳体和如上所述的至少一个阵列。
在一个实施方式中，提供了一种膜曝气生物膜反应器(mabr)，该膜曝气生物膜反应器包括壳体和如上所述的至少一个箱盒。
在一个实施方式中，多个膜纤维束按顺序放置以形成阵列。理想地，阵列中的每个膜纤维束共享一个共同的空气供给歧管。每个膜纤维束彼此流体连通。
在一个实施方式中，阵列包括并排放置形成箱盒的多个膜纤维束。优选地，数个箱盒放置在一起以形成模块，当模块放置在壳体内时，基本占据了mabr的壳体内的空间。理想地，阵列中的每个膜纤维束附接至上空气歧管和下空气歧管以形成箱盒。箱盒然后放置在壳体中并且固定就位以形成mabr。膜纤维束在阵列中的放置提供了在阵列(也被称为膜箱盒)中的所有膜纤维束中各处都良好分布和混合的流。
在一个实施方式中，膜束中的膜纤维的组的轮廓可以是窄形和延伸的。膜束中的窄形和延伸的膜纤维的轮廓减小了(所有)纤维与待处理的任意量液体之间的距离。这允许穿过整个膜纤维束的更宽分布和混合的流。
在一个实施方式中，连接器构造成附接至空气供给歧管。连接器可以通过配装件附接至空气供给歧管，或使用本领域技术人员已知的任何合适的粘合剂如胶、环氧树脂等直接粘附至歧管。
膜纤维延伸至待处理的液体中并且从竖向膜纤维束的中心轴线离开，减小了中心膜纤维与液体之间的距离，并且使膜纤维的外露表面区域最大化。膜纤维在束中的布置提供了窄形的轮廓，减小了所有膜纤维与待处理的壳体中的任何液体之间的距离。束中的膜纤维的构型提供了在反应器中的更高效的氧气传输速率。
在说明书中，术语“膜曝气生物膜反应器(mabr)”应理解为指的是膜承载式生物膜反应器(msbr)或膜生物膜反应器(mbfr)，所述膜承载式生物膜反应器(msbr)或膜生物膜反应器(mbfr)用于处理水或污水液体以去除碳污染物、使污染物硝化/脱氮，和/或者执行污水组分的异生物质生物处理，并且采用提供待处理流体(液相)与空气/氧气/氢气供给(气相)之间的界面的空气/氧气/氢气(气体)渗透膜(通常为中空纤维膜)。液体中的可溶的有机化合物从生物膜-液体界面供给至生物膜，而空气/氧气/氢气/二氧化碳或其他气体从生物膜-膜界面供给至生物膜(通过扩散穿过膜)。通常，在膜的流体相侧上生长有由异质细菌群体(微生物)构成的生物膜(通常包括硝化、脱氮和异氧细菌)。mabr能够实现无泡曝气和高的氧气利用率(高达100％)并且生物膜能够分成好氧/缺氧/厌氧区以同时实现碳质有机污染物的移除以及单个生物膜中的硝化和脱氮。欧洲专利no.2361367(都柏林大学)描述了这类mabr的示例，这类mabr包括容纳气相的管腔、液相以及提供气相与液相之间的界面的气体渗透膜。
在说明书中，术语“膜纤维束”应理解为指的是与纤维的平面布置(如一片)不同的、布置在一起成为一束的多个膜纤维。单个束中的膜纤维的数量能够是任何数量，例如2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,.77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98,99或100个膜纤维。通常，束中的纤维是平行的并且理想地共同延伸。
在说明书中，术语“膜箱盒”应理解为指的是并排布置并且通常附接至上空气歧管和下空气歧管的多个膜纤维束。箱盒中的膜纤维束的数量能够是任何数量，例如2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,.77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98,99或100个膜纤维束。
在说明书中，术语“人字形轮廓”应理解为指的是布置在一起的一组中空膜纤维，使得当从水平面的视角观察时，这一组中空膜纤维形成人字的形状。
在说明书中，术语“壳体”应理解为指的是放置在mabr内的保持容器，比如罐。术语“壳体”和“罐”可以互换使用。该术语包括封闭式箱体以及敞开的罐。
在说明书中，术语“上歧管”和“下歧管”应理解为指的是连接至中空纤维膜的任一端的空气歧管。歧管提供了对膜的管腔供给气体/从膜的管腔移除气体的器件。如果纤维以竖直取向放置，歧管则位于mabr壳体的上部和下部。
在说明书中，术语“半刚性”在连接器的背景下应理解为指的是部分或适度的刚性，在空气或施加的压力下略趋于变为柔性的，并且自然回到原始状态同时不损害连接器结构的完整性。
附图说明
下面将通过参照附图描述仅以示例的形式给出的本发明的实施方式，可以更清楚地理解本发明，在附图中：
图1示出了膜纤维束的一个实施方式的正视图(a)、侧视图(b)以及平面图(c)，膜纤维束由半刚性/刚性连接器或外模布置以形成用于膜曝气生物膜反应器(mabr)装置的具有特定轮廓的阵列。图1(d)示出了所要求保护的发明的两个相邻阵列的平面图。膜纤维束布置成单个阵列，所述单个阵列可以与其他阵列并排放置以形成箱盒和分散的流。
图2示出了纤维束的一个实施方式的正视图(a)、侧视图(b)以及平面图(c)，纤维束由半刚性/刚性连接器或外模布置以形成用于膜曝气生物膜反应器(mabr)装置的具有特定轮廓的阵列。图2(d)示出了所要求保护的发明的两个相邻阵列的平面图。膜纤维束布置成单个阵列，所述单个阵列可以与其他阵列并排放置以形成箱盒和分散的流。
图3示出了纤维束的一个实施方式的正视图(a)、侧视图(b)以及平面图(c)，纤维束由半刚性/刚性连接器或外模布置以形成用于膜曝气生物膜反应器(mabr)装置的具有特定轮廓的阵列。图3(d)示出了所要求保护的发明的两个相邻阵列的平面图。膜纤维束布置成单个阵列，所述单个阵列可以与其他阵列并排放置以形成箱盒和分散的流。
具体实施方式
本发明涉及一种用于处理污水液体的装置，该装置适于使用膜承载式生物膜反应器(msbr)或膜曝气生物膜反应器(mabr)。该装置包括：布置成具有特定轮廓/构型的束的多个膜，其中，每个膜由容纳气相的管腔、液相以及提供气相与液相之间的界面的气体渗透膜构成；以及用于将膜保持成限定构型的器件，所述器件用于保持膜的外露表面区域有高的外露度并且确保膜充分分散在污水中。
保持成限定构型的膜束然后被放置成阵列，其中，气体歧管位于膜束的任一端处从而允许空气/氧气/氢气/甲烷/二氧化碳或其他气体供给至膜管腔并且在相反侧从膜移除。束的阵列连同歧管(箱盒)然后被布置在壳体中以使膜与壳体中装有的液体之间的接触最大化。
现在参照附图，其中，图1示出了本发明的装置的一般实施方式。具体地，图1a至图1c示出了本发明的典型装置的正视图(a)、侧视图(b)和平面图(c)，并且该典型装置通常通过附图标记1表示。装置1包括一组膜纤维2，这一组膜纤维2共同布置为竖向膜纤维束4，竖向膜纤维束4在每一端处附接至空气供给歧管8。在紧密捆束的膜纤维束4上生长并积聚有生物膜。每个膜纤维2具有容纳气相的管腔。膜纤维束4通过连接器或外模10连接并且布置在一起。连接器或外模10构造成将膜纤维束4布置并且保持成空间上彼此分开的构型。这提供了具有一组膜纤维2的装置1，其允许气体在每个膜2的管腔内流动。连接器或外模10还赋予了膜束4独特的轮廓，比如图1中所示的椭圆形轮廓。如图1中(以及图2和图3中)所示，连接器或外模10构造成附接至空气供给歧管8。
当多个膜纤维束4通过半刚性/刚性的连接器或外模10布置并且按顺序放置时，形成了阵列20。阵列20现在包括具有连接器或外模10赋予的特定形状的多个膜纤维束4。阵列20中的每个膜纤维束4附接至上空气歧管和下空气歧管22以形成箱盒26。图1(d)示出了包括所要保护的发明的阵列20的两个相邻的箱盒26。
膜纤维束4在阵列20中的放置提供了在阵列20中的所有膜纤维束4各处的良好分布和混合的流。箱盒26可以放置并固定在膜曝气生物膜反应器(mabr)装置的壳体内以形成模块。
参照图2和图3，示出了该装置的另外的实施方式，其中，参照前面实施方式描述的部件或步骤被分配以相同的附图标记。在实施方式中，装置200、300包括一组膜纤维2，膜纤维2布置在一起成为竖向膜纤维束4，竖向膜纤维束4在每一端处附接至空气供给歧管8。在紧密捆束的膜纤维束4上生长并积聚有生物膜。每个膜纤维2具有容纳气相的管腔。膜纤维束4通过连接器或外模101、102连接并且布置在一起。连接器或外模101、102构造成将膜纤维束4布置并且保持成空间上彼此分开的构型。这提供了具有一组膜纤维2的装置200、300，其允许气体在每个膜2的管腔内流动。连接器或外模101、102还赋予了膜纤维束4独特的轮廓，比如图2中所示的四角星轮廓和图3中所示的三角星轮廓。应当理解的是，装置1、101、102的轮廓可以是提供穿过整个膜纤维束4的更宽分布和混合的流的任何轮廓，比如五角星形轮廓、十字形轮廓、人字形轮廓等。
从生物催化的角度来看，膜和生物膜在污水处理壳体中越多越好。然而，超过一定限度，生物膜的积聚会导致液流分布的一些问题。因此，必须保持有效的膜分布。在商业上，必须增大膜填充密度(packingdensity)以提供每单位反应器体积最多的气体传输膜。迄今为止在文献报告中的许多实验室规模的研究都是在低膜填充密度下进行的。本发明描述了允许高填充密度膜曝气纤维在膜曝气生物膜反应器内的较好分布的装置1、101、102。本发明还形成了液体废弃物与反应器中的所有膜2之间的有效接触。
在说明书中，术语“包括(comprise)、包括了(comprises)、包含(comprised)和含有(comprising)”或其任意变型以及术语“包括(include)、包括了(includes)、包含(included)和含有(including)或其任意变型被认为是完全可互换的并且它们全部应给予尽可能宽的解释并且反之亦然。
本发明不限于在此之前描述的实施方式但在结构和细节上均可以变化。