CN101426565A - 包含膜生物反应器和消化有机物质的处理容器的过滤装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种膜生物反应器工艺，其联合通过减少处理消化污泥所需成本和资源而在污泥消化方面提供显著改进的深度生物污泥消化工艺。采用离线处理容器中的消化通过在极低氧气环境内操作来溶解有机物质。经消化的工艺流体被转移返回膜生物反应器。该工艺和装置基本上减少了废污泥的产生。

Description

包含膜生物反应器和消化有机物质的处理容器的过滤装置
发明领域
本发明涉及一种膜生物反应器工艺，其与通过减少处理消化污泥所需成本和资源而在污泥消化方面提供显著改进的深度生物污泥消化工艺相结合。采用离线处理容器中的消化通过在极低氧气环境内操作来溶解有机物质。经消化的工艺流体被转移返回膜生物反应器。该工艺和装置基本上减少了废污泥的产生。
发明背景
处理污染水的生物工艺具有很多形式。通常，这些涉及将废弃物流暴露于一种或多种形式的稳定或消化污染物的微生物。依照污泥含量和化学环境选择微生物以补充给废弃物流，因为任何微生物种类均喜好特定环境，对变化具有有限耐受性。例如，活性污泥工艺采用需氧细菌，其从废水除去可溶性生物需氧量(BOD)。这通常涉及将废水引导入曝气塘，曝气塘含有消化性微生物悬浮液，从而形成“混合液”，对其进行通风以给生物质的呼吸提供氧气；生物质吸收、同化且代谢废水的BOD。在合适的通风时期之后，将混合液引入澄清器，生物质在澄清器内沉降，使得经处理的废水溢流进入出口流出物流。
传统废水处理的一个方面是混合液的充分搅动从而加速消化性微生物和废弃物质之间的接触，其可以悬浮或溶解于废水中。由经济学指定的最佳湍流量通常高于工艺要求；理论上高搅动速度是最理想的，但是其实现也是昂贵的。
这种实践的一个例外情况涉及采用固定生长介质，其中将生物有机体保持在固定载体上而不是分散于悬浮液中。在这种情况下，避免了混合以防止可能除去生物附着生长的剪切。固定生长系统的应用通常局限于可溶性、非微粒污染物；此外，这些工艺的负荷能力受到生物载体表面积和废弃物流扩散特性的限制。
流化床系统代表了悬浮液和固定生长工艺的联合，但是需要为表面积加入介质，充分混合以维持介质的均一性和其附着生物生长，以及周期性或者连续除去介质以再生。
所有的这些系统通常都局限于一类微生物，因为不同的生物工艺在增殖率、最佳条件和优选的入口与废弃产物方面显著变化。最通常而言，用于废水处理的微生物包括需氧、厌氧和缺氧种类，其全部由完全不同的(且相互不一致的)环境维持。工艺条件也可限制特定生物工艺的适用性。例如，特定废水组合物的最佳生物工艺需要的固体保留时间也许比经济上可行的全混工艺提供的更长，且表现出的生产量需求比固定膜和流化床膜反应器可能符合的更大。
发明概要
因此，一种理想的废水处理工艺是通过减少处理消化污泥所需成本和资源来提供污泥消化方面的显著利益。提供了提供这些益处的过滤系统，其包括结合生物污泥离线处理容器的膜生物反应器。该离线处理容器通过在极低氧环境下操作来溶解有机物质，且随后经处理的流体转移返回膜生物反应器(MBR)。
在第一方面，提供一种用于过滤含有固体的液体的装置，该装置包括含有至少一个膜组件的膜生物反应器，该膜组件含有多个多孔膜，其中配置该膜组件以使得在操作中含有活性污泥的底物与膜外表面接触，且从膜内腔除去经处理的水；和生物污泥处理容器，其中配置该生物污泥处理容器以在工艺流体被消化的厌氧环境中操作，其中至少一部分经消化的工艺流体被转移到膜生物反应器，且其中膜生物反应器中的至少一部分底物被转移到生物污泥处理容器中。
在第一方面的一个实施方案中，该装置进一步包括筛件，其中该筛件位于膜生物反应器和生物污泥处理容器之间，其中配置该筛件以除去膜生物反应器流出物中的惰性物质。
在第一方面的一个实施方案中，该筛件包括具有最长尺度约200
μm至约300μm的平均尺寸的开口。
在第一方面的一个实施方案中，该装置进一步包括水力旋流器，其中该水力旋流器位于膜生物反应器和生物污泥处理容器之间，其中配置该水力旋流器以除去膜生物反应器流出物中的惰性物质。
在第一方面的一个实施方案中，该装置进一步包括水力旋流器，其中该水力旋流器位于筛件和生物污泥处理容器之间，其中配置该水力旋流器以除去膜生物反应器流出物中的惰性物质。
在第一方面的一个实施方案中，该装置进一步包括缓冲罐，其中配置该缓冲罐以接收膜生物反应器的流出物。
在第一方面的一个实施方案中，该装置进一步包括辅助筛件，其中该筛件包括具有最长尺度约6mm至约25mm的平均尺寸的开口。
在第二方面，提供了一种处理含有可消化废弃物的流入物流的方法，该方法包括在膜生物反应器中过滤混合液，其中混合液与多个多孔中空纤维膜的外表面接触，且其中渗透液从膜内腔除去；通过将含有生物固体的底物经由循环回路循环到离线处理容器，从膜生物反应器除去生物固体，由此在膜生物反应器内维持预选定浓度的生物固体；在离线处理容器中消化生物固体；和将流出物流从离线处理容器引导至膜生物反应器，其中流出物流包括至少一部分混合液。
在第二方面的一个实施方案中，除去生物固体的步骤进一步包括将含有生物固体的底物通过水力旋流器的步骤，由此除去惰性固体，其中水力旋流器是循环回路的一部分。
在第二方面的一个实施方案中，除去生物固体的步骤进一步包括将含有生物固体的底物(substrate)通过筛件的步骤，由此除去惰性固体，其中筛件是循环回路的一部分。
附图简述
附图1显示了优选实施方案过滤装置构造的示意图，其采用膜生物反应器、筛件、缓冲罐、水力旋流器、和离线处理容器。
附图2显示了优选实施方案过滤装置构造图，其采用膜生物反应器、两个筛件、水力旋流器、和离线处理容器。
附图3显示了优选实施方案中采用的消化罐示意图。
附图4显示了膜组件的一个实施方案的侧视图，且阐述了在优选实施方案的过滤装置中采用的膜生物反应器中的清洁方法。
附图5显示了喷射型布置的一种形式的放大侧视图，该布置用于形成优选实施方案的过滤装置中采用的膜生物反应器的夹带气泡。
附图6a显示了优选实施方案的过滤装置中采用的膜生物反应器分区膜组件的侧视图。
附图6b显示了穿过附图6a的膜束的截面图。
附图7a显示了优选实施方案的过滤装置中采用的膜生物反应器分区膜组件的侧视图。
附图7b显示了穿过附图7a的膜束的截面图。
附图8a显示了优选实施方案的过滤装置中采用的膜生物反应器分区膜组件的侧视图。
附图8b显示了穿过附图8a的膜束的截面图。
附图9a显示了优选实施方案的过滤装置中采用的膜生物反应器分区膜组件的侧视图。
附图9b显示了穿过附图9a的膜束的截面图。
附图10显示了膜组件相似于附图9的视图。
附图11显示了膜组件相似于附图9的视图。
附图12显示了优选实施方案的过滤装置中采用的膜生物反应器膜组件的另一优选实施方案的底端的截面透视图。
附图13显示了附图12的膜组件顶端的截面透视图。
附图14描述了优选实施方案的过滤装置中采用的膜生物反应器中采用的中空纤维膜组件。
附图15描述了优选实施方案的硝化/反硝化膜生物反应器的一般布置。
附图16描述了附图15的膜生物反应器的操作阶段。
附图17描述了附图15的膜生物反应器的浸泡阶段。
附图18描述了附图15的膜生物反应器的排空阶段。
附图19描述了附图15的膜生物反应器的其它细节。
附图20描述了膜组件的操作，其能够膜组件附近的混合液流载体。
附图21描述了膜生物反应器构造。
附图22描述了US Filter MemJet Product的典型流程图。
附图23描述了一种交替的膜生物反应器设计。
附图24描述了采用再筛选器(re-screener)的系统。
附图25A描述了采用单一再筛选件的膜生物反应器，且附图25B描述了具有平行筛选布置的膜生物反应器。并非如附图25A中所述系统中那样沿着流入物将混合液循环到再筛选件，而是将平行筛件置于充气罐和膜罐之间。混合液通过第二筛件且进入膜罐。
附图26描述了与膜生物反应器一起使用的测流缺氧反应器的工艺流程图。
附图27描述了固体减少工艺/膜生物反应器布置的工艺流程图。
附图28描述了包括预筛件的膜生物反应器的工艺流程图。
附图29A示意性描述了采用喷射系统的膜生物反应器中的混合液均匀流动。
附图29B示意性描述了采用喷射系统的膜生物反应器中的混合液非均匀流动。
附图30示意性描述了固体减少工艺装置。
优选实施方案的详细说明
以下说明和实施例详细阐述了本发明优选实施方案。本领域技术人员将认识到本发明有大量处于其范围内的变型和改变。因此，对优选实施方案的说明不应当视为对本发明范围的限制。
膜生物反应器工艺是一种高速工艺，其在高混合液悬浮固体(MLSS)浓度下操作以实现有机物质的破坏和消化。将膜生物反应器工艺与深度生物污泥消化工艺结合能够通过减少处理消化污泥所需成本和资源而在污泥消化方面提供显著改进。优选实施方案的装置显著减少了废弃污泥的产生，减少约80％或更多。在优选实施方案中，污泥从膜生物反应器需氧罐泵送通过250μm筛件。除去经筛分的固体，且经筛分的工艺流体进入储罐，在此一部分工艺流体流到水力旋流分离器以除去惰性物质。除去惰性物质且该经处理的流体返回缓冲罐。工艺流体从缓冲罐或者返回膜生物反应器需氧罐或者被引导到离线处理容器。离线处理容器通常具有约1天或更少至约1月或更多的水力停留时间(HRT)，优选约10天的水力停留时间(HRT)。采用离线处理容器通过在极低氧气环境中操作来溶解有机物质。将消化工艺流体转移返回到膜生物反应器。
该工艺可以提供很多优点。例如，可以用生物上最佳的方式处理废水或生物污泥，该方式促进多个生物工艺的同时应用，允许在单一容器内环境需求不一致的多个生物工艺的共存。可以在单一容器内产生受控的多个生物环境而不用混合，且通过对条件的非扰动调节来控制并维持各单独生物环境的相对比例。可以在单一容器内通过采用需氧、缺氧和厌氧微生物来处理废弃物。可以将气体安静地移入单一容器、多工艺环境以供应和/或除去营养物质和生物副产品。可以在具有多个生物环境(控制其相对比例以符合在一个或多个流出物点的目标氧化-还原电势)的单一容器内处理废弃物。可以从该内循环废弃物流除去惰性物质至处理容器。可以从废气物流除去惰性物质，其中该物质具有的尺寸与废弃物-消化性微生物的尺寸相似，而不需耗尽这些微生物物流。
膜生物反应器。
优选实施方案的水处理系统的组成部分之一是膜生物反应器。膜生物反应器系统合并生物处理(涉及细菌)和膜分离以处理废水。通过膜过滤工艺将经处理的水从纯化细菌(称之为活性污泥)分离。膜生物反应器通常采用被包括到分布式流动反应器中的浸入式中空纤维膜组件。
膜工艺可用作有效的污水三级处理且提供合格流出物(qualityeffluent)。将膜组件浸入大进料罐且通过施加到膜滤液侧的抽吸来收集滤液以及膜生物反应器将生物和物理工艺合并在一个阶段的浸入式膜工艺是紧凑、有效、经济且多用途的。
可以用于优选实施方案的水处理系统中的膜生物反应器包括可商购自USFilter Memcor Research Pty.Ltd.和Zenon Environmental，Inc.的那些。尤其优选的系统包括USFilter′s 
Figure A200580020872D00091
 MBR膜生物反应器和Zenon′s 
Figure A200580020872D00092
 MBR膜生物反应器工艺，采用
Figure A200580020872D00093
500和
Figure A200580020872D00094
 1000系统。
Figure A200580020872D00095
 500系统中采用的膜组件由数百个在两个集管之间垂直定位的膜纤维组成。该膜是具有标称孔径0.04μm的增强纤维。中空纤维略长于顶部和底部集管之间的距离，且这允许它们在通风时运动。空气在纤维之间鼓泡，其冲洗纤维且持续从膜表面除去固体。在盒中安排了1-36个膜组件。
Figure A200580020872D00096
 500系统通常由两个或更多平行列组成。每一列由工艺泵、自动阀、和使用仪器组成。以下组成部分在系统中通常是需要的且可以或者专门用于具体的一列或者在各列之间共享：罐(盒浸入其中)；计量泵(用于化学加料)；膜鼓风机(提供冲洗膜的空气)；废料或污泥泵；真空泵(用于夹带空气去除)；“原位清洁”泵；反冲洗(backpulse)或洗涤罐；和控制系统。可采用其它组成部分，取决于设计和应用：滤器(用于预筛进料水)；工艺鼓风机(仅生物处理系统)；进料泵；混合器；污泥再循环泵；和盒移除提升机(cassette removal hoist)或其它机构。
Figure A200580020872D00101
 1000超滤膜具有0.02μm的标称孔径并且被设计来去除来自供应水的悬浮固体、原生动物、细菌和病毒。
Figure A200580020872D00102
 1000系统操作方式与常规介质过滤器相同，在周期性空气和水反洗之后进行直接(死端式)过滤。通过在模块中垂直和水平堆积元件制得 1000盒。可以获得尺寸为3-96个元件的很多盒构造。
Figure A200580020872D00104
 1000系统由一系列平行列组成。各列由
Figure A200580020872D00105
盒、工艺泵、管道、使用仪器、和控制器组成。反冲洗泵、鼓风机和原位清洁设备可以在各列之间共享。原料在罐底部从沿着列长边延伸的原料通道进入各列。废料在盒之间的槽中被收集且排入沿着罐长度延伸的溢流通道。
在优选实施方案中优选采用的膜生物反应器系统利用有效且高效的膜清洁方法。通常采用的物理清洁方法包括采用渗透液体或气体的反洗(反脉冲、反冲洗)、膜表面擦洗、和采用液体中气泡形式气体的冲洗。第二种方法类型的例子记载于Ishida等人的U.S.Pat.No.5,192,456，Cote等人的U.S.Pat.No.5,248,424，Henshaw等人的U.S.Pat.No.5,639,373，Hens haw等人的U.S.Pat.No.5,783,083，和Zha等人的U.S.Pat.No.6,555,005。
在上述实施例中，通常由压力鼓风机注射气体进入液体系统，膜组件被浸入该系统中形成气泡。随后如此形成的气泡向上穿行以擦洗膜表面从而除去膜表面上形成的污垢物质。产生的剪切力非常依赖于起始气泡速率、泡尺寸、和施加到泡的合力。以这种方式的流体传递受限于气升机构的有效性。为提高擦洗效果，不得不采用更多气体。然而，该方法具有数个缺点：其消耗大量能量，其会形成减少有效膜过滤面积的薄雾或结霜流动，且对膜具有破坏性。而且，在高固体浓度的环境中，气体分布系统逐渐被脱水固体阻塞或当气流意外停止时就完全被阻塞。
对于大多数管式膜组件，在组件中部(纵向)的膜是柔性的，但是往往比两个封装头部更加紧密且柔性较低。当这些组件用于含有高浓度的悬浮固体时，固体容易被捕获于膜束内，尤其在两个封装头附近。减少固体累积的方法包括组件构型和采用气体擦洗来清洁膜时流动分布的改进
在膜组件设计中，组件中管式膜的堆积密度是考虑的一个因素。本文所用的膜组件内纤维膜的堆积密度定义为由纤维膜占据的封装横截面积除以总封装面积，且通常表达为百分比。从经济的角度，理想的是堆积密度应当尽可能高以减少制备膜组件的成本。在实践中，在不那么紧密堆积的膜组件中减少固体堆积。然而，若堆积密度过低，则膜件之间的摩擦效果也被降低，使得膜表面的擦洗/冲洗效率降低。因此，理想的是提供有助于在去除累积固体的同时最大化膜堆积密度的膜构型。膜可以彼此接触(例如在高堆积密度时)，或者可以紧邻或间隔(例如在低堆积密度时)，例如，通常采用约0.1mm或更少至约10mm或更多的纤维壁间隔。
在膜生物反应器中可以采用其内夹带了气泡的液体介质擦洗膜表面的方法，其包括通过液体介质流经气源将气泡夹带进入液体介质，且将气泡和液体介质沿膜表面流动以从该处驱赶污垢物质。
优选地，通过文丘里设备或者其它接合类型将气泡夹带进入液体物流。进一步优选的是，通过将气体强制混合进入液流以产生液体和气泡混合物将气泡夹带或者注射进入液体物流，这些设备包括喷枪、喷嘴、射出器、喷射器、注射器等。任选地，可通过鼓风机或者类似设备在液体介质内提供额外的气泡源。所用气体包括空气、氧气、气态氯、或者臭氧。对于擦洗和/或通风，空气是最经济的。可采用气态氯来擦洗、消毒、和通过在膜表面的化学反应提高清洁效率。臭氧的应用，除了气态氯所提到的相似效果之外，还具有额外特征，例如氧化DBP前体且转化非-生物可降解的NOM为可生物降解的溶解的有机碳。
膜生物反应器中采用的膜组件优选包括多个彼此紧邻布置的多个多孔膜，其任选地被固定以防止在其间的过多运动，且包括了气泡源，用于从组件内提供液流中夹带的气泡使得在使用中液体和夹带于其中的气泡运动通过膜表面从而从该处驱赶污垢物质，夹带于液体中的气泡是通过将液体流经气源以将气体引入液流。优选地，液体和气泡混合且随后流经膜以驱赶污垢物质。
膜生物反应器的纤维可以被如此清洁：从纤维阵列内，由通过膜孔的气体以外的方式，提供夹带于液流内均匀分布的气泡，通过将液体流经气源从而引起气体被引入和/或混合到液体中使得气泡被夹带于液流中，该分布使得气泡在阵列内各膜之间基本均匀地流动，结合液流，冲洗膜表面且从膜组件内除去累积固体。优选地，气泡被注射且混合进入液流。
优选地，膜生物反应器的膜包括多孔中空纤维，纤维固定于集管内各端，底部集管具有一个或多个形成于此的孔，气液流被引入穿过该孔。孔可以是圆形、椭圆形或者狭槽形式。纤维通常在底端密封，在其顶端开口以允许除去滤液，然而，在一些布置中，纤维可以在两端开口以允许滤液从一端或两端除去。纤维优选以圆柱形阵列或集束方式安排，然而也可采用其它构型，例如正方形、六边形、三角形、不规则形状等。应当认识到所述清洁工艺同样适用于其它膜形式，例如扁平或薄板膜也可用于膜生物反应器。
膜生物反应器中采用的膜组件优选包括多个多孔中空纤维膜，纤维膜彼此紧邻且固定以防止其间的过多运动，纤维膜在集管中的各端被固定，一个具有在其上形成的一个或多个孔，将气/液流引导通过该孔，且分隔工具在集管之间延伸至少一部分以将膜纤维分割为各组。优选地，该一个或多个分割装置由各纤维组之间的间隔工具形成，然而也可采用多孔(例如筛件、夹子、或环)或固体分隔工具。分隔工具可以彼此平行，或者在纤维膜圆柱形阵列的情况下，分隔工具可以从阵列中心放射状延伸或者在圆柱形阵列内同心地定位。在备选形式中，纤维束可以具有沿集管之间的集束延伸的中心纵向通道。
膜生物反应器中采用的膜组件优选包括多个在之间纵向延伸的多孔中空膜纤维，且在各端固定到各自的封装头，纤维膜彼此紧邻且固定以防止其间的过多运动，纤维至少在或者临近其各自的封装头处被分隔为很多集束从而在其间形成空间，封装头之一具有在该处形成的通风孔，用于在组件内提供气泡，使得在使用中气泡运动通过膜纤维表面从而在该处驱赶污垢物质。
纤维集束可受保护且纤维运动可由组件载体筛件限制，该筛件具有垂直和水平的适当间隔的元件以提供通过纤维的自由流体和气体流并且限制纤维运动的幅度，减少在纤维封装端的能量浓度。备选地，夹子或者环也可用来约束纤维束。
优选地，通风开口的位置与在被间隔的集束之间形成的空间一致。优选地，开口包括一个或多个孔或者槽，其可以布置为多种构型，例如一排孔。优选地，纤维束位于各槽或者各排孔之间的封装头内。在某些实施方案中，优选将孔或者槽置于纤维束内，或者既在纤维束内又临近纤维束。
优选地，气泡在通过孔或槽被进料之前被夹带于或者和液流混合，尽管应当认识到气体仅可以在一些构型中采用。所用的液体可以是进入膜组件的原料。纤维和/或纤维束可以在封装头之间彼此跨越，尽管理想情况是它们不彼此跨越。
通常，在组件内的纤维具有的堆积密度(定义如上)为约5％或更低至约75％或更高，优选约6，7，8，9，或10％至约60，65，或70％，且更优选地约11、12、13、14、15、16、17、18、19、或20％至约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、或55％。
优选地，孔具有的直径约0.5mm或更低至约50mm或更高，更优选地约0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、或1.5至约25、30、35、40、或45mm，且最优选地约1.75、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、或5.0mm至约6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、或24。在槽或者孔排的情况下，选择开口面积等于以上孔的面积。
通常，纤维内部约0.05mm或更低至约10mm或更高，优选约0.10、0.15、或0.20mm至约3、4、5、6、7、8、或9mm，且更优选约0.25、0.50、0.75、或1.0mm至约1.25、1.50、1.75、2.00、或2.50mm。纤维壁厚可取决于所用材料和相对于过滤效率所需的强度。通常，壁厚约0.01mm或更低至约3mm或更高，优选约0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、或0.09mm至约1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、或2.9mm，且最优选约0.1、0.2、0.3、0.4、或0.5mm至约0.6、0.7、0.8、0.9、或1mm。
膜生物反应器可以包括罐，罐具有衬里、管道、泵、和或其它将原料引入其中的装置，罐内的活性污泥，置于罐内的膜组件从而被浸入淤泥内，和用于从纤维膜至少一端抽取滤液的装置。
膜生物反应器优选操作为通过引入原料到罐，向纤维施加真空以从该处抽取滤液，同时间断地、循环地、或者连续地供应气泡通过通风开孔到组件内，使得在使用中气泡运动通过膜纤维表面以从该处驱赶污垢物质。优选地，气泡在进料通过孔或者槽时被夹带于液流中或与液流混合。
若需要地话，可在罐内提供进一步的通风源以促进微生物活性。优选地，膜组件垂直悬浮于罐内且可以在悬浮组件之下提供进一步的通风源。备选地，组件可以水平悬浮，或者在任何其它所需位置悬浮。优选地，进一步的通风源包括一组空气可渗透管或者其它这种通风源。膜组件的操作可以具有或不具有反洗，取决于流量。已经显示在生物反应器内的高悬浮固体混合液(约5000ppm或更低至约20000ppm或更高)显著减少了保留时间且改进滤液质量。对于有机物质降解和膜清洁，已经显示通风的合并使用确保在跨膜压力没有显著增加的情况下的恒定滤液流动，同时确立了高MLSS浓度。分隔纤维束的使用确保了获得更高的堆积密度，同时没有显著损害气体冲洗工艺。这获得了更高过滤效率。
在尤其优选的实施方案中，US6555005中所述的组件用于膜生物反应器中。参考附图4，膜组件5通常包括纤维、管状或扁平板形式的膜6，其在两端7和8封装，且任选地被装入载体结构内，在此情况下是筛件9。膜的一端或者两端可以用于渗透收集。膜组件底部具有很多在封盖(pot)11中的贯穿孔10以将气体和液体进料混合物分布通过膜表面。文丘里设备12等连接于组件底座。文丘里设备12将气体通过入口13引入，混合或者夹带气体到流经进料入口14的液体，形成气泡并且扩散液/气混合物进入组件开孔10。在通过分布孔10之后，夹带的气泡擦洗膜表面，同时沿着液流向上穿行。液体原料或者气体均可以根据系统要求连续或者间断注射。通过文丘里设备，可以产生气泡并且给系统通风而不用鼓风机。文丘里设备12可以是文丘里管、喷枪、喷嘴、射出器、喷射器、注射器等等。
参考附图5，显示了喷枪或喷嘴型设备15的放大图。在该实施方案中，液体被强制通过具有环绕空气通道17的喷枪16以产生夹带气体的液流18。这种设备允许通过调节各自的供应阀门来独立控制气体和液体介质。
用于夹带气体的液体是原料水、废水、或者待过滤的混合液。将这种操作液体泵送通过文丘里等产生了真空以吸取气体进入液体，或者当采用鼓风机时减少气体排放压力。通过提供液流中的气体，分布孔10的阻塞可能性基本被降低。
通过采用文丘里设备等，可以产生气泡来擦洗膜表面，而无需加压气体供应例如鼓风机。当运动液体流经文丘里时，其产生真空来将气体拖入液流并且在该处产生气泡。即使仍旧需要鼓风机，但是对以上工艺的采用减少了鼓风机的排放压力并且因此降低操作成本。液体和气体相在文丘里中充分混合且随后扩散进入膜组件以擦洗膜。当采用喷枪型设备来将气体强制混合进入液体介质的情况下，提供了额外的优点：产生了更高的气泡物流速率。在废水处理中，当所用的气体是空气或者氧气时，这种彻底混合提供了优异的氧气传递。若气体被直接注射进入充满了液体的管内，则气体不可能在管壁上形成气体滞流层且因此气体和液体将绕道进入组件不同部分，导致低劣的清洁效率。气泡流动由沿着膜的液流改善，导致产生了大擦洗剪切力。这种气/液递送方法提供了积极的液体传输和具有独立调节气体和液体流速能力的通风。两相流体(气/液)混合物注射进入空气分布设备孔中，可以消除水合固体的形成，且因此防止了通过这种水合固体产生的孔的逐渐阻塞。这种注射布置进一步提供了有效的清洁机构，用于将清洁化学品有效引入组件深处，同时提供冲洗能量以提高化学清洁。这种布置，结合通过所述组件构型可得的高堆积密度，确保通过最少量的化学品有效清洁纤维。所述组件构型允许了组件中更高纤维堆积密度，而没有显著增加固体堆积。这增加了额外的柔性，从而膜组件可以整合到曝气塘或者布置于单独罐中。在后一布置中，优点在于由于罐中化学品持量小而显著节约了化学品用量，并且由于化学清洁工艺可以自动化从而显著节约劳动成本。所用化学品的减少也是重要的，因为化学品(其可被进料返回到生物工艺)仍旧是活泼的氧化剂且因此会对生物工艺产生有害作用。因此，生物工业中存在的化学品负荷方面的任何减少都提供了显著优点。
气体和液体进料混合物向各膜组件的积极注射提供了工艺流体在膜周围的均匀分布且因此使得过滤期间原料浓度极化最小。较大的浓度极化存在于大规模系统中和用于含有大量悬浮固体的工艺原料。现有技术系统具有低劣的均一性，因为工艺流体经常进入罐的一端并且随着其流过组件而浓缩。结果是一些组件必须处理的浓度比其它组件高得多，导致低效操作。过滤效率由于减少的抗过滤性而提高。由于向着膜表面的横向流动通道的减少和气泡与两相流产生的湍流，原料侧部抵抗性减少。这种清洁方法可以用于饮用水、废水、和通过膜的相关工艺的处理。过滤工艺可以由抽吸或加压而驱动。
参考附图6-7，显示了多种分隔布置的实施方案。这些实施方案也是相对于圆柱形管式或者纤维膜束20进行阐述的，然而，应当认识到可以采用其它构型。附图6a和6b显示了通过很多平行分隔间隔22垂直分隔为数个薄片21的管式膜20束。集束的这种分隔确保了累积固体更容易被除去，而没有显著损失堆积密度。这种分隔可以在封装工艺期间实现以形成完整分隔或者部分分隔。形成间隔组件的另一方法是将数个小管式膜束23封装进入各组件，如附图7a和7b所示。
另一膜组件的构型阐述于附图8a和8b。中心无膜区形成通道24以允许更多的空气和气体注射。气泡和液体随后沿管式膜20穿行且经过纤维阵列在顶部封装头8流出，冲洗且从膜壁除去固体。可将单一气体或者气体/液体混合物注射进入组件。
附图9a和9b阐述了另一实施方案，其相似于附图5，但是在底部封装7内具有单一中心孔30用于允许清洁液体/气体混合物进入纤维膜20。在该实施方案中，纤维在孔30附近伸展且在分散束23内向着顶部封装8会聚。已经发现大中心孔30在纤维周围提供了更大的液流和由此改进的清洁效率。
附图10和11显示了本发明进一步实施方案，其具有相似于附图9a和9b的膜构型，和相似于附图5的实施方案的喷枪混合系统。单一中心孔30的采用允许了滤液在两端从纤维20排出，如附图11中所示。
参考附图12和13，组件45包括多个中空纤维膜束46，其固定在顶部47和底部封装头8内并且在其间延伸。封装头47和48固定在各自的封装套管49和50内，用于附到合适歧管(未示出)。纤维束46由筛件51环绕以防止纤维之间的过多运动。
如附图12所示，底端封装头48具有很多平行布置的槽型通风孔52。纤维膜53封装在束46内以形成分隔的布置，其具有在纤维束横截面延伸的空间54。将通风孔52定位以逐渐与分隔空间一致，尽管通常有很多与各空间相连的通风孔。
底端封装套管50形成底端封盖48下的腔55。在通过孔52进入膜阵列之前，通过喷枪组件57(之前所述)将气体或液体和气体的混合物注射进入该腔55。
在使用中，采用分隔确保了冲洗气体和液体混合物的高能量流动，尤其在纤维束的封盖端附近，其有助于除去膜纤维周围累积固体的积累。
优选将空气连续引入组件以给微生物活动提供氧气并且连续冲洗膜。备选地，在一些实施方案中，纯氧或者其它气体混合物也可代替空气使用。通过连接于膜内腔的通过顶端封盖的抽吸泵将清洁滤液从膜中抽出，或者可以通过重力或者抽吸泵从底端封盖将滤液从膜中抽出。
优选地，由于反应器中存在的高浓度的混合液悬浮固体(MLSS)，膜组件在低跨膜压力(TMP)条件下操作。对于降低浓度的悬浮固体，可以有利地采用更高的跨膜压力。
优选膜生物反应器与促进营养物质从原料污水中进一步去除的厌氧工艺合并。已经发现优选实施方案的组件系统比很多其它系统更加耐受高MLSS，并且有效的空气擦洗和反洗(当采用时)促进生物反应器组件的有效操作和性能。
任何合适的膜生物反应器可以用于优选实施方案的水处理系统中。尤其优选的膜生物反应器系统被设计用于通过使用垂直定位的浸入底物内的微孔中空纤维将滤液从液体底物储池中取出，如附图14所示。附图14描述了称之为“三叶草形”过滤单元(包括四个子组件)的侧视图。多个这样的过滤单元以线性“齿条”形式进入底物储池。
采用优选实施方案的方法和装置，可以过滤任何合适底物。合适底物包括但不限于地下水、河水、饮用水、含有机物的底物例如污水、农业流出物、工业工艺水等等。尽管含水底物尤其适用于本文所述方法和装置，但是含有其它液体的底物也可被过滤(例如乙醇、或其它化学物质)。
所示膜生物反应过滤单元包括液体子歧管(未示出)和空气/液体底物子歧管，其分别接收四个子组件的上下端。每个子歧管包括四个环形接头或者接收区，其各自接收子组件之一的一端。各子组件在结构上由顶端圆柱体封盖(未示出)、底端圆柱体封盖、和连接于其见以固定纤维的保持架(cage)(未示出)限定。封盖将中空纤维端部固定并且由树脂或者聚合材料形成。保持架端部固定于封盖外表面。各封盖和保持架相关端部一起被接收到各子歧管的四个圆形接头之一内。子歧管和子歧管封盖以液体密封关系，在环形圆形夹子和O形环密封件的帮助下被偶连到一起。保持架在各子组件的封盖之间提供结构上的连接。
各子组件包括在其顶部和底部封盖之间垂直布置的纤维。纤维具有的长度在某种程度上长于封盖之间的距离，使得纤维能够侧向运动。保持架密切围绕子组件的纤维，从而在操作中外部纤维触及保持架，纤维的侧向运动由保持架限制。纤维底端的内腔被密封在底部封盖内，而纤维的上端没有密封。换言之，纤维的内腔对顶部封盖上表面上的滤液子歧管的内部开放。底部封盖包括多个从其下表面延伸到其上表面的槽，从而空气/液体底物子歧管内的气泡和液体底物混合物能够向上流动通过底部封盖以在纤维底端之间排放。
滤液子歧管连接于垂直定位的滤液提出管，该管进而连接到从齿条的所有过滤单元(例如所述三叶草形单元)接收滤液的滤液歧管(未示出)。滤液提出管与子组件的顶部封盖上表面流体连通，从而滤液可通过该提出管被除去。此外，系统包括空气管线，其提供空气到空气/液体底物子组件边缘，如附图14所示。
在操作中，子组件保持架允许液体底物进入顶部和底部封盖之间的中空纤维区域。用泵(未示出)来向滤液歧管施加抽吸作用，且由此向滤液提出管和子组件的纤维内腔施加抽吸作用。这在纤维壁上产生了压差，引起滤液通过底物进入纤维内腔。滤液向上流动通过纤维内腔进入滤液子歧管，通过滤液提出管，且向上进入滤液歧管以待被收集出储池外部。
在过滤期间，微粒物质在纤维外表面上积累。随着越来越多的微粒物质粘附在纤维上，必须增加纤维壁上的压差以产生充分的滤液流动。为维持纤维外表面的清洁，空气和液体物质在空气/液体底物子组件边缘混合且该混合物随后通过底部封盖的槽分布进入纤维束且作为含气泡的混合物从底部封盖的上表面排放。可进行连续、间断、或者循环通风。尤其优选进行循环通风，其中空气开放和关闭时间相同，且总循环时间(一次空气开放和一次空气关闭的时期)约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、或14秒至约6、7、8、9、10、11、12、13、或14分钟，且更优选约15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、或120秒至约130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、或300秒。漂洗气泡冲洗(即清洁微粒物质)纤维表面。可提供通风，其中以均匀气泡尺寸提供空气，或者可以同时或者轮流采用结合不同气泡尺寸，例如粗糙气泡或者精细气泡。可以采用规则或者不规则循环(其中空气开放和关闭的时间不同)，其可以是正弦曲线、三角形、或者其它循环类型，其中空气速度在优选速度或者变化速度处并不以间断方式变化，而是以逐步的方式。可以在恰当的时候合并或者变化不同的循环参数。
在尤其优选的实施方案中，连续提供精细气泡给膜生物反应器用于通风，同时循环提供粗糙气泡用于冲洗。气泡直径通常为约0.1或更低至约50mm或更多。直径约0.1至约3.0mm，优选约0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、或1.0mm至约1.25、1.50、1.75、2.00、2.25、2.50或2.75mm的气泡在给生物反应器提供氧气方面尤其有效。直径约20至约50mm，优选约25，30，或35至约40或45mm的气泡在冲洗膜方面尤其有效。直径约3至约20mm，优选约4、5、6、7、8、9、或10mm至约11、12、13、14、15、16、17、18、或19mm的气泡作为提供可接受的氧化和冲洗时通常是优选的。
离线处理容器
优选实施方案的水处理系统另一组成部分是离线处理容器。在优选实施方案中，水处理系统包括以内循环构型结合膜生物反应器使用的离线处理容器；从膜生物反应器顶部出来的渗透液从该系统作为经处理的流出物导出，而沉积在膜生物反应器底部的部分生物质(污泥)被返回离线处理容器，从而大量增加消化工艺的效率。任选地，来自膜生物反应器的污泥流经一个或多个筛件和/或一个或多个水力旋流器以在其返回离线处理容器之前除去惰性成分。
离线处理容器包括单一处理容器，微小气泡被引入其中以在分离的分层区域产生多达三种不同的生物环境。在优选实施方案中，气泡在容器底部被引入，在此附近产生需氧区域。由存在于需氧区域的微生物对氧气的消耗产生了向上漂移的缺氧区域，缺氧区域建立在需氧层之上。由于需氧微生物对于上面缺氧环境的不耐受性，这两层保持隔离，交界面锐度取决于不耐受度。若缺氧区域通过对微生物的反硝化(其非常匹配于该区域)而繁殖，则它们的气态或者溶解氮的产生创造了基本或者完全耗尽了氧气、硝酸盐和亚硝酸盐的上层厌氧区域；此外，在静止(即受限的混合)条件下，溶解的氮气在厌氧和缺氧区域之间形成绝缘层，从而有助于这些区域的隔离。各区域之中的分子扩散足以保持所有区域的营养供应并放置溶解副产物的累积，尽管没有机械混合。
用于产生适用于结合离线处理容器使用的气泡的设备记载于US5316682，本文将其全文引入供参考。这种设备避免了不理想的湍流条件。静止条件可促进生物固体有益覆盖层的形成。将合适气泡受控引入包含需要相互对抗环境的微生物组合的废弃液体能产生其共生；理想地，这些废弃物-消化性微生物包括需氧、缺氧、和厌氧种类。(本文所用的术语“废弃物-消化性微生物”指任何自养微生物有机体，例如细菌或原生动物，能够将有机废弃组分消化为矿物质或者气态产物)。
由此，离线处理容器在单一容器内采用多个在环境上不相容的废弃物-硝化微生物的分离区域。提供用于离线处理容器中自动控制某些关键参数的装置(例如计算机或者电路)以维持至少一种生物指示剂的目标水平。根据被处理废弃物类型选择该指示剂。通常，指示剂是氨水平；可溶性硝酸盐水平；可溶性亚硝酸盐水平；和氧化-还原电势(ORP)的至少一种。后一指示剂以任意标度测量本体废弃液的电位。关键控制参数包括本体液体的气体(通常为空气)含量和湍流度。
离线处理容器优选与膜生物反应器以内循环构型一起使用。在一些实施方案中，可在该构型循环中采用额外的处理装置，包括但不限于澄清器、曝气塘、筛件和分离器、化学处理装置等。
离线处理容器优选在内循环构型中结合包括水力漩流器的排除子系统使用。渗透液从膜生物反应器顶部作为经处理的流出物被引导出该系统，携带可溶性矿物残余物，而在膜生物反应器底部沉积的大多数或者全部生物质(污泥)通过为除去惰性成分的水力旋流器和筛件布置被返回到离线处理容器。采用筛件/旋流器组合对惰性成分的去除实质上提高了生物废弃物-消化工艺(包括但决不限于采用本发明多区域系统的那些工艺)的效率。
参考附图2，其阐述了优选实施方案的系统，废弃流入物先遇到任选的筛件12，其具有约6mm或更少至约25mm或更多的开口尺寸，周期性除去在筛件12接收面上积累的大块废料，如箭头14所示。经筛分的液体沿管道16被传导到离线处理容器18，在此允许废弃物-消化性有机体消化其生物可降解组分。优选地，废液含有至少两种不同形式的废弃物-消化性微生物，其各需要不同的用于生存或者至少最佳性能的化学环境。微生物的不同形式也可以是互补的，即各自降解不同废弃物类型。若废液缺乏消化性有机体的理想形式，则其可以被直接引入离线处理容器18。
在取决于流入物流中可消化废弃物浓度的启动期间之后，随着新的流入物经由导管16达到离线处理容器18，混合液从离线处理容器18连续传导经过导管20至膜生物反应器22，在此发生过滤。生物固体(称之为“活性污泥”)从膜生物反应器22底部附近的出口点被连续取出，并且经由内循环回路30循环到离线处理容器，同时渗透液被连续或者周期性取出，且混合液被周期性取出或者被允许从膜生物反应器22顶部附近的出口点溢流，从而在系统内维持合适的生物固体浓度。
循环回路30包括从膜生物反应器22导出至泵33的第一管道32，其将活性污泥传输到去除子系统34，和第二管道36导回离线处理容器18头部。设计包括筛件、任选的缓冲罐(未示出)、和水力旋流器的去除子系统34以从生物固体返回物流除去惰性和不可降解物质，从而改进废弃物处理效率。
该一般系统构型适于和被构造用于多区域废弃物处理的离线处理容器18一起使用，如以下即将所述；然而，由于去除子系统34的一般效用，其也可与整个常规(即单一区域)处理工艺一起使用。类似地，多区域处理的效用并不限于包括了根据于此的去除系统的再循环构型。
在某些实施方案中，离线处理容器可以是测流反应器。在这样的实施方案中，主要的废水流并未导向测流反应器罐。相反，其流向在任何首部枢纽(headwork)预处理步骤例如筛分、除砂等之后的膜生物反应器活性污泥罐。
参考附图3，描述了一种装置，其在离线处理容器18内产生多达三个区域并且有助于其维护。通常，该装置包括气体微粉机回路和控制其操作的反馈控制系统。
该微粉机回路，通常以附图标记50标识，产生微泡且以不引起过多湍流的方式将其引入离线处理容器18。微粉机回路50包括将微泡引入在此通过的液流的微粉机元件52。元件52优选包括在各端偶连于锥形导管的圆柱形多孔膜。围绕该膜的是同轴外壳，相对于膜密封且能够包含升压下的气体。气体通过密封单向入口被提供到元件52的外壳。因此，引入到任一锥形导管的流体轴向通过元件52的内径孔(bore)，在此其获得以放射状穿透圆柱体膜的各孔的气泡。
通过发动机驱动泵56将废液从离线处理容器18通过阀门32连续抽出并且提供到微粉机52入口。气源58(优选空气)通过阀门60向微粉机52进料以在于此流过的液体中形成气泡。一旦离开微粉机52，则充气液体被再次引入离线处理容器18的底部。充气液体(其含有亚微型气泡且将气泡在离线处理容器18底部全部区域上传输)的引入不会出现大量湍流。这通过使用具有平均直径小于1微米的气泡、至少101bm/ft2-sec2(此处1bm是磅质量)的储存势能、或者至少0.51bf/ft(此处1bf是磅力)的工作/面积因子来确保。优选地，储存势能超过1001bm/ft2-sec2且工作/面积因子超过3 1bf/ft。
只要需氧和非需氧(即缺氧和/或厌氧)微生物存在于混合液中，两种或更多不同的分层化学环境将在离线处理容器18中发展。存在于很多种污泥组合物中的代表性需氧属包括细菌不动杆菌属、假单胞菌属、菌胶团、无色菌、黄质菌属、Norcardia、蛭弧菌属、分枝杆菌、球衣细菌属、Baggiatoa、丝硫菌属、Lecicothrix，与地丝菌属、和硝化细菌亚硝化单孢菌属和硝化菌属、和原生动物纤毛(虫)纲、钟形虫、Opercularia和累枝虫属；也通常存在的缺氧属包括反硝化细菌无色菌、产气杆菌属、产碱杆菌属、杆菌属、短杆菌属、黄杆菌属、乳酸菌、细球菌属、变形菌、假单胞菌属和螺旋菌；和通常存在的厌氧有机体包括Clostridiumspp.、Peptococcusanaerobus、Bifidobacteriumspp.、Desulfovibriospp.、Corynebacteriumspp.、乳酸菌、放线菌属、葡萄球菌和大肠杆菌。
需氧硝化细菌将氨或胺化合物(例如氨基酸)氧化为亚硝酸盐且最终氧化为硝酸盐，而缺氧反硝化细菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐且最终还原为氮气。已发现硝化细菌和反硝化细菌的同时存在在将大量可溶性含碳BOD以及含氮有机物还原为气态产物方面非常有用。据信可溶性亚硝酸盐在其被硝化细菌转化为硝酸盐之前，大量穿过需氧和缺氧区域的交界面；在缺氧区域，硝化细菌将亚硝酸盐转化为氮气，产生化学结合氮至氮气的综合净转化(这有助于在静止环境中维持缺氧和厌氧区域)。
假定存在所有三种类型的微生物，如附图3中区域I、II、和III所示的三种环境在足够静止的条件下发展。如之前所述，如果需要的话可以通过将一种或多种形式的微生物直接引入离线处理容器18来校正该一种或多种形式的微生物的缺乏。将数加仑的活性污泥倾入容器通常将供应所有三种有机体的充足种群以在适当的生长周期之后产生各区域。
尽管优选实施方案的离线处理工艺通常足以实现多区域废弃物处理，但是理想的是增加某种程度的控制以获得对特定废弃组合物的处理而言重要的指示剂的目标水平。如前所述，优选的指示剂包括氨水平；可溶性硝酸盐水平；可溶性亚硝酸盐水平；和ORP。通过调节工艺参数，例如本体液体的空气含量和对其赋予的湍流度，通常可以使这些指示剂处于与特定类型的废弃组合物相适应的界限内。理想地，通过递送空气赋予离线处理容器18内含物的湍流不超过100sec-1；优选40sec-1，且最优选10sec-1的平均速率梯度。然而，在该水平之下，可采用混合能量的变化来控制工艺条件。
出于优选实施方案的目的，平均速率梯度G由下式给出：
G＝(P/μV)1/2
此处P是来自通风的功率要求或者混合马力，单位ft-1b/sec，μ是动力粘度，单位1b-sec/ft2，V是罐体积，单位ft3。P由下式给出：
P＝paVa1n(pc/pa)
其中pa是大气压，单位1b/ft2，Va是在大气压的引入的空气体积，单位ft3/sec，且Pc是在空气排放进入液体时的压力，单位1b/ft2；或者P由下式给出：
P＝35.28Qa1n(h+33.9)/33/9)
此处Qa是在大气压下进入液体的空气流量，单位ft3/min，h是在排放时的空气压力，单位为水的英尺数。
例如，在缺乏硝酸盐的情况下，过多的游离氨(其在排放流出物中若存在的话则是生态上有害的)反映出不充分的通风。相反，在缺乏氨的情况下，过多的游离硝酸盐(其可通过溶解重金属来产生地下水污染)反映出过量的通风。过多的氨和硝酸盐反映出不彻底的废弃物矿化且在流出物位点促进不需要的生物活性；这些显示了不充分的反硝化细菌种群或者过多湍流(后一条件由ORP的狭窄差异确证，其自身显示了过多的湍流)。ORP影响多种有机体种群的健康，且因此被保持在可接收值内。可由控制通过所有区域的总平均容器氧含量来实现。
可以采用合适的化学和/或电解传感设备，并且采取人工步骤来调节合适参数，来人工地检测前述任一不利条件的存在。尤其是，通过从来源58引入微粉机52的空气量和/或通过液体泵送通过微粉机52的速率将气泡尺寸控制在界限内。气泡平均直径的减少产生其更大生产数量，增加了通风程度。平均直径的提高减弱了通风，但是因为气泡更大，故加强了搅拌。对于大多数工艺，气泡尺寸的控制允许操作者对通风和搅拌参数施加充分的独立控制。当然通过机械方式赋予额外的搅拌是可行的。
对工艺条件的控制也可由自动化方式实现，如附图3所示。控制器62接收来自至少一个传感器64的输入数据，其产生的输出信号代表以上讨论的至少一种指示剂的幅度。输出信号可以是数字或者模拟信号，取决于控制器62的特性。合适的传感器在本领域是众所周知的；例如用于测量ORP和氨的电极布置是广泛可得的，其为硝酸盐的嵌入式测量设备。传感器64有很多种可行的布置和组合；例如，离线处理容器18可以装配能够传感所有相关指示剂的传感器组，或者多个组可能在各区域内垂直间隔以对应分离的各区域。
控制器62翻译来自传感器64的信号，且据此控制阀门64和60(其在该实施方案中是可电子操作的)和泵56的速度。此外，为帮助对赋予的湍流进行甚至更大的控制，所阐述的实施方案包括浆式搅拌器组件66，其操作也由控制器62控制；然而，可以认识到搅拌器66通常并非必需的。
控制器62可以是模拟(例如电压控制)设备，但是优选经适当软件编程的数字计算机以实施分析和控制功能。在该实施方案中，来自传感器64的信号通过模拟-数字转换器转换为数字形式，而控制器62产生的数字控制信号由数字-模拟转换器转化为能够打开和关闭阀门54和60为可阶段式或者连续选择程度的信号。实现上述分析和控制功能所需的编程为本领域熟练人员公知的，且能够在不进行过多试验的情况下轻易获得。
筛件
已发现在引入离线处理容器之前，将惰性、固体物质从来自膜生物反应器的污泥中除去会实质性地增加废弃物消化效率。尽管不希望被任何具体理论束缚，但是相信该增加的效率是由于生物浓度效应(既然惰性固体的去除导致具有更高微生物水平的污泥的再引入)和生物毒性的减少(其来自例如易受根据在此所述的去除影响的重金属)。惰性物的去除在实际上任何采用循环测流的生物工艺中都是有益的，且本发明的这一方面因此适用于很多种废弃物处理应用(例如，独立使用或者系列使用的常规单一区域罐，或者上述的多区域布置)。
多种固体存在于典型废水中。小(直径约1至约250μm)有机物质包括对于废弃物处理而言至关重要的废弃物消化性有机体。较大(>250μm)的有机物质通常代表了多种废料形式。小和大的无机颗粒包括惰性物质例如沙。在这些固体种类中，仅少量有机物被理想地引入离线处理容器18，如附图2和3所示。
来自膜生物反应器需氧罐的工艺污泥被流动通过筛件以除去固体。固体可以包括毛发、废料、和纤维物质。在优选实施方案中，一部分含有来自膜生物反应器的工艺污泥的混合液流过测流中的筛件。混合液通过筛件的流速优选低于或等于处理系统的平均设计流速。筛件可以被直接处理或处置。筛件的开口为约0.10mm或更低至约1.5mm或更多，优选约0.15或0.20mm至约0.30、0.35、0.40、0.45、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.0、1.1、1.2、1.3、或1.4mm，且最优选尺寸约0.25mm(250μm)，这可以通过例如转鼓式筛件提供。
由Huber Technology of Berching，Germany以ROTAMAT
Figure A200580020872D0025172540QIETU
Membrane Screen RoMem销售的筛件是尤其优选的。该筛件适用于除去纤维物质和毛发；其在结合膜生物反应器使用时提供了增加的操作稳定性，且使得河流和河道入海口中COD/BOD的显著减少。该筛件采用覆盖了正方形筛孔的筛筐(screen basket)，流体从里到外通过网孔。在上部区域中的筐的旋转期间保留的固体被洗掉，被洗入槽中，然后从通道区域由螺旋输送机除去，筛余物同时在闭合单元脱水且排出。通过在集成的筛余物洗涤系统中洗涤筛余物，可以再生有机碳用于反硝化。优选地，
Figure A200580020872D00262
筛当与中空纤维膜组件系统一起使用时采用0.75mm筛孔，且当采用平板组件系统时采用1mm筛孔。
对于系统的高效操作而言理想的是最小化废水处理系统中膜过滤器上的固体积累。固体可以在膜纤维束上累积且难以除去且会破坏膜。减少膜生物反应器中固体积累的常规工艺可以包括在原料水进入废水处理系统之前将物流筛分到膜生物反应器。另一种方法将由原料污水和污泥组成的物流筛分，在其进入废水处理系统之前从膜生物反应器回收。然而，筛分原料水要求筛分系统应当被设计来适应处于峰值条件下的原料水，其通常为系统平均设计流速的三倍或以上。这要求筛件足够大以适应峰值流动。此外，这些系统可被设计具有工作筛(dutyscreen)和备用筛，各自为100％的设计筛容量。通过在原料水进入废水处理系统之前进行筛分，产生的筛余物在未消化有机物质(其需要特殊设备来将来自筛余物的未消化有机物质返回到废水处理设备)中可能很高。而且，在其进入废水处理系统之前，对原料污水的筛分并未除去毛发、废料或者纤维物质，其可在系统自身内形成，例如再成结(re-roped)或者再成球的纤维物质。在其进入废水处理系统的膜过滤器之前，筛分全部污泥物流也适应高流速(通常系统平均设计流速的四倍或者更多倍)，还需要使用大工作筛和全容量备用筛。因此，优选结合优选实施方案的过滤系统使用这些筛分系统，通常更优选采用如下所述的筛分系统，其中来自膜生物反应器需氧罐的工艺污泥流经250μm筛件以除去固体，且经筛分的工艺流体进入缓冲罐。
优选实施方案的废水处理系统通常采用结合生物反应器的中空纤维膜过滤器，例如在上述的膜生物反应器中，以产生来自过滤器的经处理的流出物和来自过滤器排除的材料的废弃污泥，或者保持在生物反应器内的其它物质。生物反应器可以位于废水处理系统中过滤器上游或者备选地过滤器可以处于生物反应器内或者是生物反应器的一部分。在后一情形下，过滤器的膜直接浸没在生物反应器内，例如膜生物反应器内。膜生物反应器优选在循环回路中与离线处理容器一起使用。
待筛分的混合物可以从膜生物反应器系统中的回收混合液物流除去。通常，回收的混合液被回收到膜生物反应器系统的头部，且待通过筛件的混合液可以从循环混合液物流中被除去。待筛分的混合物可以在很多其它位置从膜生物反应器系统除去。筛分的混合液流向缓冲罐并且筛余物可被处理或者处置掉。
筛件的开口通常约1.0mm或更少，优选0.95，0.9，0.85，或0.8mm或更少，更优选0.75，0.7，0.65，0.6或0.55mm或更少，最优选0.5，0.45，0.4，0.35，0.3，0.25，0.2，0.15，0.1或0.05mm或更少。一种适用于本发明的筛件是例如转鼓式筛件。该筛件可以用来提供筛分和污泥增稠。
优选的筛件构型描述于附图1中，其中膜生物反应器位于筛件上游。膜生物反应器可以单独或以各种组合包括，但不限于，一个或多个厌氧区域、一个或多个缺氧区域、和一个或多个需氧区域。待处理的流入水进入膜生物反应器。流入物在进入膜生物反应器之前可任选地被筛分、澄清、消化、或者置于其它工艺。经处理的流出物流从膜生物反应器过滤器的渗透侧离开用于视需要的后续应用。由被过滤器排除的物质组成的废弃污泥物流或者膜生物反应器内产生的其它物质也离开过滤器。
部分或者全部含有废弃污泥的混合液物流经过筛件。筛件除去毛发、废料、或者通过筛件的混合液中的纤维物质，包括但不限于毛发、废料或者纤维物质，其可形成于反应器自身内，例如再成结或者再成球的纤维素质。该再成结或者再成球的纤维材料由精细纤维材料形成，该精细纤维材料可能不够大，不能被通常的筛件自身除去，但是可以团聚成混合液中更大的物质。经筛分的混合液物流从筛件离开进入缓冲罐。
筛件开口通常约0.25mm或更少至约1.0mm或更多。当筛余物将被送到离线处理容器时，可优选使用0.5mm的筛件开口。当筛分混合液时，筛件通常部分阻塞，这减少了有效的筛件尺寸从而增加了由筛件除去的筛余物量。筛件可以是内部进料转鼓式筛件，具有金属筛网或者穿孔筛分介质。该筛件还可具有外部的由外向内(outside-in)的喷雾棒以保持筛件介质清洁，且分流器引流(flight)以将固体连续运送到筛件的排放端。可采用任何合适的筛件，例如筛件尺寸开口通常约0.1mm或更少至约1.5mm或更多，优选约0.25mm至约1.0mm的精细筛件，例如楔形金属丝网筛。
筛余物物流从筛件离开。由于其已暴露于生物降解则筛余物流得以“稳定”。在筛件是转鼓式筛件时，对鼓速的调节可以产生液体筛余物流，其具有生物可降解固体，该固体适于与废弃污泥物流混合以产生单一污泥物流。筛余物流可被进一步直接处理或者处置，而不必返回废弃污泥物流。例如，筛余物流可以被压缩且脱水并且处置成例如垃圾填埋，不进行进一步处理。若筛余物流不经进一步处理而被处置，则筛件可以安装双喷雾系统以洗涤筛余物并减少可被捕获的生物质的量或者在筛余物从筛件排放之前在筛余物中收集的其它物质。在筛余物中排放的生物质的量通常少于筛件干重的约15％且少于总废弃活性污泥的约2％。然而，在某些实施方案重，更高的量也是可行的。若筛余物被直接处置，则筛余物流可以配有压缩和脱水装置，例如螺杆式压缩机，以提供具有40％以上干固体的筛余物(例如通过“有气过滤器测试”的筛余物)。可采用装袋系统来减少或者消除人类接触和气味。
工艺包括将待处理的水流向膜生物反应器系统。待处理的水可以包括来自离线处理容器的流出物。来自膜生物反应器系统的部分混合液被除去并且通过筛件以从混合液中除去固体例如毛发、废料或者纤维物质。经筛分的混合液随后流向缓冲罐。混合液可以基本上恒定的流速通过筛件，基本上在废水处理系统的峰值流动条件期间不增加。混合液通过筛件的流速优选大于废水处理系统的平均设计流速。尤其是，混合液通过筛件的流速优选为比废水处理系统的平均设计流速高105，110，115，120，125，130，135，140，145，150，155，160，165，170，175，180，185，190，195，或200％更多。最优选地，混合液通过筛件地流速优选为废水处理系统平均设计流速地约110-约150％。而且，混合液可以基本上恒定的流速经过筛件并且可以基本上连续地通过筛件。
经过筛件的流速可以基本上是连续的，既然筛件基于这些物质在整个生物反应器的固体保留时间上的平均去除率而除去混合液中的毛发、废料或者纤维物质，流动的中断可以容忍，不会显著影响性能。例如，流动可以被中断以允许筛件被替换或者修理或者允许系统中其它元件被检查或维修。在某些实施方案中，在完全流通容量下操作的一个工作筛件，或者各设计为完全流通容量的50％的两个工作筛件可以在没有备用筛件的情况下使用。尽管一般优选一个或者两个工作筛件，但是可采用任意合适数目的筛件。
膜生物反应器的保留物循环物流通常为流入物流量(Q)的约4至约5倍。流入物流量Q通常等于废水处理系统的平均设计流量。在不采用筛件的情况下，膜生物反应器中的毛发、废料或者纤维物质的浓度(Xb)将积累到等于流入物的毛发、废料或纤维物质浓度(Xf)乘以固体保留时间(SRT)与水力停留时间(HRT)之比的水平。在稳态下，流入物中毛发、废料或纤维物质质量(Q×Xf)等于废弃污泥物流中毛发、废料或纤维物质质量(Qw×Xb)，由此：
Q×Xf＝Qw×Xb        (1)
Q等于整个膜生物反应器的体积(V)除以整个生物反应器的HRT。Qw等于整个生物反应器的体积(V)除以整个生物反应器的SRT。因此：
(V/HRT)x Xf＝(V/SRT)x Xb    (2)
在生物反应器(Xb)中毛发、废料或纤维物质的浓度是：
Xb＝(SRT/HRT)×Xf        (3)
对于具有6小时HRT和15天SRT的典型工艺，生物反应器中的毛发、废料或者纤维物质的浓度(Xb)是流入物中的毛发、废料或者纤维物质的浓度(Xf)的6倍。对于在yQ流速下操作的筛件并且既然筛件尺寸开口非常小(例如约0.5mm至约1.0mm)则假定所有毛发、废料、或纤维物质从物流中除去，进料和生物反应器毛发、废料或纤维物质浓度之间的稳态关系是：
Q×Xf＝Qw×Xb+yQ×Xb         (4)
因此：
Xb＝(SRT/(ySRT+HRT))×Xf     (5)
对于相同的工艺条件(6小时HRT和15天SRT)且对于在0.25Q(y＝0.25)的流速下操作的筛件，膜生物反应器中毛发、废料或者纤维物质浓度是流入物中毛发、废料或者纤维物质浓度的3.75倍。在这些条件下采用筛件可以相对于不采用筛件减少混合液中约94％的毛发、废料或者纤维物质含量。
通过使用筛件，从混合液中除去大量的毛发、废料或纤维物质，而不必筛分全部循环污泥物流或者进入该设施的全部峰值流体。在6小时HRT下操作的典型设施，在0.25Q流速对筛件进行的操作将每天处理一次相等的总污泥体积量。在典型设施中，全部污泥体积量将在典型的固体保留时间内筛分约10至约20次，该保留时间允许筛件有很多次捕获混合液中再成结或者再成球纤维物质的机会。
如上所述，大多数纤维物质被非常缓慢的消化，或者完全不消化，从而其往往随时间累积到相对较高的浓度，只要仅极少部分的混合液从反应器流出。而且，由于高流速和相应所需的大筛件面积，筛分全部进料物流并不理想。因此，在优选实施方案中，混合液从反应器流出用于筛分，例如通过500μm筛件，其流速足以在约每12小时或更少至约60小时或更多，优选约18，24或30小时至约36，42，48或54小时的时间周期期间内筛分等于反应器体积的体积量。以这种方式的操作将反应器内纤维浓度维持在可接收水平，而没有过多除去可生物降解的固体。假定约3小时的典型反应器停留时间，该筛件将仅需要为相应进料物流筛件的约5％或更少至约15％或更多，优选6，7，8，9或10％至约11，12，13，或14％，且小于循环物流筛件。尽管在某些实施方案中，连续放出混合液以筛分可能是理想的，但是在某些实施方案中，仅间断地放出混合液可能是理想的。若间断操作是理想的，则筛件可以按尺寸制作以处理增加的流动。例如，若混合液仅在50％的时间放出，则在与连续放出相同的时间周期内，两倍高的流速将获得等于反应器体积的过滤体积。可以将筛件扩大到两倍面积以处理增加的流量。在其它实施方案中，理想的是采用多个筛件来筛分多个混合液物流。同样，混合液物流可在50％的时间通过第一筛件，且随后该物流可以在剩余的50％时间内分流通过第二筛件。通过以这种方式的交替，离线筛件可得以维修或者清洁，同时保持持续放出混合液。
水力旋流器
过滤的混合液储存在缓冲罐中，其中一部分储存的工艺流体被送往水力旋流器以除去惰性物质。在某些实施方案中，理想的是过滤的混合液直接流向水力旋流器，而不先在缓冲罐中储存；然而，通常优选采用一个或多个缓冲罐。该罐可以是任何合适的构型且有任何合适的材料制造，这是本领域技术人员将认识到的。
在尤其优选的实施方案中，采用两阶段组件，其在第一阶段通过水流旋流器除去尺寸与生物固体(包括废弃物-消化性微生物)相似但是具有不同比重的物质；且在第二阶段通过辅助筛分，除去尺寸范围从大物体(例如由常规筛件除去的那些)至数量级在约250至约350
μm的更小颗粒的固体。然而，在某些实施方案中，理想的是省略第二阶段辅助筛分装置。应指出由于循环回路的连续性质，取出的污泥遇上水力旋流器和/或任何筛件的顺序并不关键，且这些元件或者其它元件可以由任何合适序列排列，例如：
MBR→一个或多个筛件→离线处理容器，
MBR→一个或多个水力旋流器→离线处理容器，
MBR→一个或多个筛件→一个或多个水力旋流器→离线处理容器，
MBR→一个或多个水力旋流器→一个或多个筛件→离线处理容器，
MBR→一个或多个筛件→一个或多个水力旋流器→一个或多个辅助筛件→离线处理容器，
MBR→一个或多个筛件→一个或多个辅助筛件→一个或多个水力旋流器→离线处理容器，
MBR→一个或多个水力旋流器→一个或多个筛件→一个或多个辅助筛件→离线处理容器，或
MBR→一个或多个水力旋流器→一个或多个辅助筛件→一个或多个筛件→离线处理容器。
可以采用其它构型，这是本领域技术人员将认识到的。若需要的话，可以在循环回路中任意合适的一个或多个点采用缓冲罐、泵、化学处理单元和在废水处理设施中通常采用的其它装置。
优选地，第一阶段包括一个或多个平行连接的水力旋流器单元，共同由附图标记80表示(且为方便陈述，以单数称之)，其显示于附图2中。构造水力旋流器80以除去尺寸上与生物固体相似但是具有不同(且通常更大)比重的小无机固体。尤其是，水力旋流器80可以主要除去约1至约250μm尺寸、比重通常大于1.5的颗粒。
水力旋流器通常在一定范围的颗粒尺寸/比重组合内操作，但是表现出由单元尺寸和结构显示的峰值效率。在优选实施方案中，最大效率理想地出现在约50至约60μm的颗粒尺寸和约2.6的比重处。在此方面，该设备将捕获至少一些密度非常高的颗粒，但是避免捕获所需生物固体，这通常具有约1.02-1.05的比重。由水力旋流器80收集的固体被出口管线82传输用于处置。第二阶段包括静态筛件。在优选实施方案中，筛件具有1mm或更少，优选约25μm至约600、650、700、750、800、850、900、或950μm，更优选约50、100、150、或200μm至约300、350、400、450、或500m，且最优选约250μm。因为基本上所有废弃物-降解性生物材料通常不大于200μm，其通过筛件86且再引入到离线处理容器18。沿出口路径88传输筛余物以处置。通常不会观察到具有这些小开口尺寸的筛件堵塞。有可能大多数携带固体的污泥远大于筛孔，但是仅仅倚靠筛件而没有堵塞该孔；此外，大颗粒的积累也可用于限制更小的颗粒(其在其它情况下可能引起堵塞)。
附图2中描述的筛件/水力旋流器去除布置34不仅除去惰性固体(否则是棘手的)，但是也有助于独立控制惰性内容与生物内容之比。影响该比例的能力(通过改变筛件86的开口尺寸和水力旋流器80的保留特征)提供了对混合液沉降特征的更大控制。
采用膜生物反应器和离线处理容器的水处理设施
在优选实施方案中，上述系统被安装在废水处理装置内，采用活性污泥处理和需氧消化，具有指定流入物负荷，指定的5天生物需氧量，和指定的总悬浮固体(TSS)。沿内循环回路的返回活性污泥(RAS)流被维持在指定的流入物速度(加仑/分钟，gpm)比例。
在附图2中所示的优选实施方案中，采用的去除子系统34由两个在15psig压降下平行操作的直径6英寸，10°的旋流器，和具有254μm开口尺寸的静态筛件(旋流器的溢流被导入其中)。旋流器流出物经导管36返回离线处理容器18头部，且允许在路径88上累积的筛余物落入以高于水平面5°倾斜的螺杆输送机。螺杆输送机由约0.5gpm的回收的装置流出物喷雾以除去残余的生物固体和其传输内容，同时排放到接收罐(dumpster)用于处置。旋流器的下溢流被排放通过管道82至第二旋流器洗涤器以浓缩且排放到同一接收罐。第二旋流器洗涤器由在20psig压降和25-30gpm流速下再循环通过2-英寸直径，10°的旋流器的10加仑储器组成。过量液体经过管道36返回到离线处理容器18头部，且60-80％干固体的浓缩固体物流被排放以处置。
过量生物固体以指定的日速度从筛件排出口转移出正常工艺流体。如附图2所示，处于指定浓度的流体被送往具有指定最小工作体积量(加仑)的离线处理容器。选择进入离线处理容器18的总流量以将其维持在操作期间液体容量内。
与常规操作相比，该系统的实施产生了大量的工艺利益，包括大量减少的BOD5、TSS、和混合液悬浮固体、用于混合和通风所需的粗气泡鼓风机功率要求降低、降低的通风需求、降低的惰性物停留时间、增加的生物固体存量、相似的平均细胞停留时间、降低的惰性物存量、降低的膜生物反应器负荷、减少为维持稳态从系统除去固体，和降低的功率/MGD。系统可以浓缩固体至60％或更高的水平，导致在常规系统内净传输负担的大量减少，其中通常观察到约1-2％的固体浓度。
膜生物反应器的操作
理想地，优选实施方案的装置和方法与膜生物反应器，尤其是硝化/反硝化膜生物反应器结合使用。附图15描述了用于50000gpd系统的特定反应器构型。该构型允许快速的维修清洁方法，其将清洁机构从工艺中分离，消除了膜处理，减少了所需泵数目，且其可以是完全自动化的。反应器包括微滤部分，其含有渗透泵和混合液泵。该反应器进一步包含具有研磨机转移泵的平衡区域，具有鼓风机的需氧区域、和具有2-3mm转式(rota)筛件的缺氧区域。在需氧部分，氨在的两阶段反应中被转化为硝酸盐，称之为硝化。在缺氧或者厌氧(低或无氧)区域，发生硝酸盐至氮气的转化，该过程称为反硝化。
附图16显示了具有平行操作的膜系统的正常操作模式的管道布置。附图17描述了抽取相，其中采用混合液泵向膜池抽取混合液。采用自动阀门切换抽吸管线。抽吸可以反转膜组件上的混合液流，或者位于喷枪头上的在抽吸下开放的止回阀可用于防止膜上反转的流体。附图18描述了浸渍相，其中通过混合液泵将来自储存(holding)池的经化学处理的水注射进入膜喷枪系统。膜被冲洗、处理且用经处理的水浸渍。附图19提供了关于膜池构型的额外细节。如该附图中所示，空气被注射进入混合液，混合液在膜组件底部从需氧反应器泵送。对膜组件施加真空，且这些膜从混合液过滤水。浓缩的混合液溢流出该塘，且回到需氧消化腔。清洁水随后被抽出并返回储存池且对其它膜系统重复相同工序。一个膜系统在其它膜系统被清洁时一直工作。
附图20描述了膜组件，其中可通过调节进入组件的空气和水压来调节在临近膜组件的区域内的流动载体。在操作中，空气和混合液体被混合并且在组件底部被注射进入。它们的以及混合液流速是独立可调的。纤维固定在顶部渗透抽吸歧管，且在底部集管板封装且铸头(dead headed)。底部集管自由地在空气/水递送管上垂直移动。底部重量给纤维施加张力。该张力引起膜运动并且以较小的振动幅度振动。膜由此可吸收较少能量，其改进空气冲洗且增加膜寿命。顶部歧管连接于用于结构支撑的垂直空气/水递送管道。随着空气和水泵送进入递送管，纤维从空气/水递送管向外弯曲。空气引起向上流动且水压引起向下流动，该流动方向也保持纤维处于张力状态。纤维随着向外运动而延伸，允许在纤维周围改进的液体传递并且释放捕获的固体和纤维聚集块。该方法允许潜在的清洁选择，例如纤维松弛期间的空气进发或者返流以冲洗和膨胀膜。
该适用于市政或者商业废水过滤的系统可以具有10m3或更少至约20m2或更多，优选11，12，13或14m2至约15，16，17，18或19m2的过滤膜纤维表面积。膜组件通常组装进入集管内，集管集合到一起形成子集管，且子集管集合到一起形成系统。组件通常位于预先工程化的混凝土池内。不那么密集堆积的组件(含有少于10m3，优选9，8，7，6，5m2或更少的纤维表面积)用于高固体和/或高粘度环境以改进纤维附近的流体传递。膜系统通常与主生物反应器罐分离。混合液从生物反应器泵送到膜系统，其含于单独的池中。该方法相对于将膜整合到主生物反应器的设计具有显著优点：生物反应器池几何结构被优化用于混合和流体传递；膜从工艺分离，该工艺改进清洁和维修选择的途径；可以利用工厂劳动力，而不是野外组件；更小的系统在车间(shop)制造，降低成本，且改进了质量控制；单独的生物反应器可以被设计来适应必要时的平衡化；在现有设施上的无缝升级是可行的；可采用标准设计方法节约成本，并且将设计和性能问题分离；喷枪通风可提供混合液在反应器内的均匀分布，允许组件彼此平行操作且防止不均匀的浓度和潜在的严重结构条件；在生物反应器内膜处于有利位置的情形下，可采用相同设计，仅简单地从池取走底部；空气和混合液递送系统也提供膜盒相对于生物反应器的位置的弹性，这对现有设施升级是重要的。
通过除去纤维物质操作膜生物反应器的工艺
在优选实施方案中，提供了减少废水处理系统中的毛发、废料或者纤维物质浓度的工艺，该工艺包括：将待处理的水流向废水处理系统，该废水处理系统具有膜过滤器；通过膜处理废水处理系统内的水并且产生混合液，和经处理的流出物；从废水处理系统除去部分混合液且将混合液通过筛件以从混合液除去毛发、废料或纤维物质，使得通过筛件的混合液平均流速不超过废水处理系统的平均设计流速的约1.0；且循环经筛分的混合液到废水处理系统。
还提供了用于减少废水处理系统中毛发、废料、纤维物质浓度的工艺，该工艺包括：将待处理的水流向废水处理系统，该废水处理系统具有膜过滤器；通过膜处理废水处理系统内的水并且产生混合液，和经处理的流出物；从膜过滤器下游的废水处理系统除去部分混合液且将混合液通过筛件以从混合液除去毛发、废料或纤维物质，使得通过筛件的混合液平均流速超过废水处理系统的平均设计流速的约1.0；且循环经筛分的混合液到膜过滤器上游的废水处理系统。
在这些工艺中，膜过滤器优选为中空纤维膜纤维。混合液的第二部分可以被循环到废水处理系统的上游部分。经筛分的混合液可以与循环混合液物流混合。待通过筛件的混合液可以从循环混合液物流中除去。废水处理系统可以产生废弃污泥，其通过废弃污泥系统从膜除去。从筛分混合液产生的筛余物可以被流向废弃污泥物流。从筛分混合液产生的筛余物可以被处置而不进行进一步生物处理。在将混合液通过筛件产生浓缩污泥的筛余物之前，可以将聚合物加入混合液。在某些实施方案中，混合液通过筛件的可接收平均流速是废水处理系统平均流速的约0.10至约1.0。然而，优选混合液通过筛件的流速可以大于平均设计流速的约1.0，优选流速的1.1，1.2，1.3，1.4，1.5或更多。筛件尺寸开口在一些实施方案中可以约为1.0mm或更少，优选约0.25mm至约0.75mm，且最优选约0.50mm或更少。筛件可以是转鼓式筛件。该筛件可以有双喷雾器系统。混合液可以基本上连续地通过筛件并且以基本上恒定的流速通过筛件。
通过MemJet技术操作膜生物反应器的方法
膜生物反应器(MBR)在废水处理市场中愈发盛行。传统地，如附图21所示通过将膜进入到生物罐，MBR被视为是简单且紧凑的。例如Kubota，Mitsubishi Rayon，和Zeono这些厂商已销售该构型的产品。
随着MBR技术的推进，设施往往越来越大，且在单一项目中需要更多膜。由于结合附图21中的MBR构型的内在困难，US过滤器开拓性地提出用于MBR的分离的膜罐构型。附图22显示了US Filter MemJet产品的流程图。MemJet采用泵来将混合液从生物罐转移到膜罐，积极地供应并且分布到膜集束中。该设计改进了膜性能且解决了常规构型中遇到的显著操作问题。
如今，分离的膜罐构型已被市场共同接收，且竞争者也遵循了该原则来设计其具有分离的膜罐的MBR工艺。其工艺的一般阐述显示于附图23中。附图22和23的构型之间的关键区别在于混合液转移机构。MemJet通过将混合液递送进入膜集束而采用主动转移模式。额外的混合液流通过重力返回生物罐(附图22)。相反，在竞争者采用的构型(附图23)中混合液转移是被动工艺，其中混合液通过重力溢流到膜罐并且通过被动浓度扩散过程递送到膜。在膜罐中采用泵来将额外的混合液流返回生物罐。
在US6614868中，Zenon描述了通过在循环线路中取出部分混合液流至侧-筛件(附图3中的虚线)。该工艺也在US’868的附图1-3中有述。对于单一罐系统，在US’868中记载了将来自MBR的部分混合液取出再-筛分，且随后将经再筛分的混合液返回入口(若MBR，其记载于US’868的附图4中)。
根据US’868的说明书和图表(附图1-4)，显然该专利中记载的侧筛分工艺提供了减少MBR中废料内容积累的方法，但是不能保护膜不与废料直接接触。例如，若人类头发或者树叶进入生物罐，其将在可能由侧筛件保留之前，先通过膜系统。因此，可能在其被侧筛件截获之前对膜产生有害作用(例如对膜的堵塞分布)。
保护MBR工艺中的膜免受垃圾或者树叶干扰的最好方法是在其通过膜系统之间再次筛分全部混合液。然而，进入膜系统的混合液流速是流出物、从膜罐至生物罐的返回混合液，和污泥消耗流动的总和，并且通常为设施处理能力的数倍(更通常为流出物流速的4-5倍)。因此，再筛分能力优选显著大于处理设施流体实际所需能力，尽管该增加的容量可能由混合液增加的筛分流动而部分抵销(由于混合液中相对于原料污水较低的油和脂水平)并且可能采用常规粗再筛件，而不采用精细筛件，来用于粗污水筛分。附图22中的虚线阐述了当所有混合液流再进入MOS罐之前到达再筛件的这一选择。
为减少混合液流向再筛件并且保护膜免受人类毛发、纤维和树叶(其避开第一预筛件)的干扰，可将部分混合液在进入MOS罐之前分流到再筛件。通过再筛件的百分比通常为总混合液流速的5-50％。附图22显示了该再筛件位于泵出口处，且附图24论证了再筛件采用来自生物罐的重力进料和该再筛分的混合液进入泵入口。尽管与上述混合液的完全再筛分并不等同，但是在MOS罐之前对混合液部分再筛分提供了比US’868中所述工艺中对膜更好的保护。
膜生物反应器的结垢
合并测流污泥减少工艺有助于通过筛分和旋流分离的生物工艺。然而，MBR中的膜最终以纤维表面上和孔内由惰性物质固体和有机固体的积累而结垢。对该结垢作出更大贡献的是EPS(胞外聚合物质)。这些是由某些细菌和微生物菌株产生并且将覆盖膜表面，降低其可渗透性。一种减少EPS的方式是通过长泥龄(SRT)。已经发现更长的泥龄显著减少膜结构并且结果降低维修成本且可能改进膜寿命。合并这些技术的好处在于其使得微生物在工艺中具有更长SRT并且从而减少膜结垢，改进综合系统性能。
测流缺氧反应器
附图26提供了显示固体减少工艺/MBR布置的工艺流程图的流程示意图。筛余物/旋流固体残余物并未显示在该流程示意图中，仅有主要液流。流向测流反应器的流体是设施流体的一部分。该流体相似于来自常规活性污泥工艺的WAS。该物流可以来自膜操作系统(MOS)循环流，或者来自MOS之前的通风罐流出物。MOS循环通常是优选的，这是由于MOS的脱水效果使得该固体含量将略高于通风罐MLSS。然而，在一些情况下，可优选进料“预-MOS”活性污泥流出物，因为该物流将具有较低的溶解氧含量，且可以与测流反应器内所需缺氧条件更加相容。
与固体减少系统整合的膜生物反应器
在优选的实施方案中，膜生物反应器与固体减少系统整合以提供具有很多优点的深度处理工艺，包括优异的处理水质量和80％以上的总固体破坏。这种系统描述于附图27中。附图28中描述的工艺提供了具有极小足印(footprint)的高速系统并且使得污泥产生和处理最小化。整合工艺为膜生物反应器的浸入式膜系统的维修减少、操作者安全性提高以及综合性能最优化提供了最好的可行操作环境。
合适的预筛分是大多数浸入式膜生物反应器应用中的重要元件。筛分目的不在于保护膜纤维的完整性，而是减少纤维材料在纤维集束中缠结的出现。纤维材料在膜组件中的累积能够最终减少组件性能并且使得清洁和维修更加费时。2mm的穿孔筛件在去除纤维方面非常有效并且提供了在进入膜生物反应器工艺之前流入物的充分预处理。优选在漏斗中收集筛余物并且除去。优选筛件被设计且构造为2mm穿孔板系统。
可以将流入物平衡(若需要的话)和缺氧曝气塘引入系统，并且可以在高达12000mg/l或更多的混合液体积上操作。
MOS，即膜生物反应器系统的心脏，优选为具有一个或多个整合的膜-操作罐的组件。MOS是需氧工艺的完整部分，但是其通常被设计为单独的池以最优化膜的操作环境。微滤膜优选位于一个或多个完全相同的罐内。对膜组件施加的低真空将水从膜抽出并且将过滤水泵送到下一工艺步骤。连续或间断注射混合液，优选与空气均匀注射进入各膜组件纤维束。穿过膜纤维的所得交叉流动连续冲洗且清洁膜表面。固体、有机物、微生物、细菌和病毒并不能通过膜并且保留在混合液中，且最终被工艺和时间破坏。
膜系统可轻易地与主要工艺罐隔离从而当进行原位清洁(CIP)以汇付膜渗透性时允许膜池用作清洁池。结果，膜清洁和维修并未损害生物性能。可设计MOS具有独立操作系统，其确保膜清洁在低流量期间被自动安排进度以最优化系统的综合性能。可提供分离罐来储存用于膜维修清洁和用于膜化学清洁的经处理的水。
生物活性混合液从生物反应器被泵送到MOS，在此通过用作MOS设计的整体部分的喷枪系统实现液体/固体分离。喷枪系统可以具有多个功能。例如，在组件底部引入的空气和混合液组合可以随着混合液向上移动通过膜表面而提供对膜的擦洗作用。这种穿过膜表面的均匀液流防止了悬浮固体在膜组件内的极化或者增稠。在混合液和空气于组件底部合并之处也有小的背压。这有助于提供穿过整个膜池的混合液和空气均匀分布。长生两相系统(空气和混合液)通过保持通气表面在组件底部湿润而改进了组件性能并且防止了在这些表面上固体的脱水。这最终保持通风在所有组件和MOS中整个组件阵列的均匀。
通过在各组件底部产生气升而实现膜冲洗。随着气泡上升，它们产生了沿膜表面向上的液体交叉流。该气升在正常操作期间在膜罐底部置换液体。喷枪系统优点在于其在MOS底部补充被置换的液体，使得向下流动的液体模式最小。该仅允许循环混合液进入MOS顶部的系统并未实现均匀分布和有效液体交叉流，导致固体在膜组件中的随机极化。
喷枪系统提供了从罐的底部到顶部的均匀液体分布。所有的膜件都暴露于相同的混合液环境并且性能一致，如附图29A所示。在不均匀环境中，膜件被置于浓度梯度，导致变化的性能，如附图29B所示。这可能对正常操作和清洁效率具有副作用。
该系统设计允许原位清洁膜件。膜件并不需要从操作罐中除去并且置于单独罐中以延长浸渍和清洁。该喷枪系统和具有狭窄纤维束的组件设计提供了在原位清洁膜件系统方面非常有效的系统。该工艺是安全的、操作者易使用的、且显著降低清洁膜件所需时间。常规清洁方法通常采用单独的浸渍罐，其中浸渍进行约24小时/膜齿条。相比而言，优选实施方案的系统允许清洁化学物质循环进入纤维束以除去纤维的有机和无机结垢。通过原位清洁工艺，在整个MOS中的所有组件可以通过自动工艺在少于4到6小时内得以清洁。同时清洁所有膜件的另一好处在于其将在相同压力相同流量下操作。这导致均匀和可预测的结垢，给操作者提供对膜生物反应器操作更多的控制。
在优选实施方案中，采用允许在MOS液体水平以上的渗透液分离的齿条设计。可以在各齿条的渗透液管线和空气管线上提供分离阀门。此外，可以提供空白齿条嵌入件(blank rack insert)从而可除去全部齿条，同时系统在延长的时期内保持运行。
通过膜系统排除有机物质、细菌和病毒并保留在生物工艺内。膜过滤可消除澄清器、堰、污泥返回、和通常与被动澄清工艺相关的维修。然而，在某些实施方案中，理想的是将在被动澄清工艺中通常采用的组分引入系统。生物系统也可以在混合液悬浮固体的高得多的水平上操作。这确保了更加有效的在低食物/微生物比操作的生物工艺，基本上较少污泥产生。
既然与澄清器相关的大多数维修和工艺调节通过膜过滤工艺而消除，但是处理工艺的操作是容易自动化且能够由微处理器控制。固体减少工艺可显著减少膜生物反应器处理工艺产生的污泥两。采用该系统的设施可获得多达80％或更多的污泥体积减少并且获得极大减少资金和运行成本的优点。
优选的固体减少工艺描述于附图30。采用固体互变方法，该工艺消除了通常从活性污泥处理设施抽出或者除去的生物废弃物污泥。这通过需氧活性污泥工艺和特殊控制的测流反应器之间的互变循环而实现。基于某一应用具体的多个因素选择互变流速，且流速的适当选择保证系统的成功运行。在互变生物反应器中，混合液从需氧优势种群转化为非需氧优势种群。通过互变生物反应器中的有限氧，需氧细菌被选择性的破坏，同时确保较低收率的兼性细菌分解需氧细菌残余物和副产品。通过互变循环回到通风工艺，具有较低生长速度的兼性细菌，在需氧工艺中被破坏。在优选构型中返回污泥管线上筛件和旋流器的使用组成了固体分离组件，其防止废料、砂、和惰性物质的积累。
通过采用在来自MOS的返回混合液管线上的固体分离组件从工艺中除去砂和其它惰性物质。该组件由0.25mm鼓式筛件组成，其在以设施顺流(Q’)的一(1)倍速度的测流中连续筛分混合液。部分返回混合液流(3Q)被泵送到该组件(1Q)，通过精细筛件至缓冲罐并且引导回到主处理工艺。缓冲罐具有测流旋流分离器，混合液被连续泵送通过其中以除去非常细微的惰性物质。周期性地，来自缓冲罐的一部分流体(Q”)被分流到侧流生物反应器用于选择和破坏工艺。
来自生物反应器的混合液优选并未从设施“废弃”，如通常的消化器中出现的那样。混合液优选从互变罐循环返回到主处理工艺，在互变罐中，兼性细菌进而在需氧处理工艺和侧流生物反应器的交替环境中被需氧细菌压制并且随后分解。在选择和破坏之间的稳态平衡得以在互变罐中侧流生物工艺和导致产生非净生物固体的主要处理工艺之间发展。
可采用非经常性清洗来除去没有通过固体分离组件除去的精细物质和惰性物质的积累。优选在1年的时期完成50％或更少至100％或更多的生物固体清洗。该废弃量等于0.05-0.101bs.TSS/1bs.BOD的生物收率。对于现存设施，其目前运行固体处理系统，优选的年冲洗固体量可以每个月增量除去，从而运用现存的增稠或者脱水设备。对于采用该工艺并且没有固体处理系统的新设施，年冲洗固体量优选每年洗涤一次或者两次。
可采用控制系统来保持该系统处于最佳性能，而不论负荷条件。随着负荷和存量的变化，其可以控制互变生物反应器之间的通风和混合，通过ORP和pH探针监控罐中反应器环境以实现最可行的性能。对互变速度和互变环境的自动监控和控制可实现生物固体减少的最佳条件。
优选实施方案的废水处理系统可可靠地提供优异的水质量和最小的污泥产生。将喷枪浸没式膜技术和固体减少工艺的整合也可在两种工艺之间产生协同优势。混合液的连续精细筛分，其为固体减少工艺的一部分，产生了浸入式膜系统的最佳环境。对废料和精细惰性物质的除去改进了混合液可滤性，改进了膜可渗透性。该最优操作环境液减少了膜维修，降低了总能量和化学品的使用且提高膜寿命。本文所述的典型系统采用喷枪浸入式膜技术与固体减少工艺，可获得一种或多种以下优点：高质量流出物；BOD<5mg/l；TSS<5 mgl/l；浊度<0.2NTU；低固体产量；产生固体的80％减少；通过微滤给微生物提供物理屏障；提供高速和稳定的生物工艺，其能够在12000mg/l连续操作；极小的总设施足印；较小的通风体积；消除了对澄清器的需求；升级现有二级处理工艺为深度生物营养物去除(BNR)工艺和更高的(例如2Q或以上)工艺流的能力；通过显著反硝化作用获得严格的总氮限制，通过消除污泥增稠和脱水设备、储存和保持罐、需氧和厌氧消化器、和与聚合物进料设备相关的任何成本，将资金成本降低至多40％；通过消除或者减少污泥保持、消化、或者脱水的功率需要，并且通过减少污泥牵引和处置成本(仅砂废料和惰性物被除去)缩减了运行成本；且通过维持敏感性硝化细菌提供了稳定的硝化性能(甚至在寒冷气候下)。
本文所引用的所有参考文献都全文引入供参考，且由此组成了本说明书的一部分。当通过参考引入的出版物和专利或者专利申请与本说明书所含内容矛盾时，本说明书意图代替和/或优于任何这种矛盾的内容。
本文所用术语“包括”与“包含”、“含有”或者“特征在于”同义，且是包含性或者开放式的，且并不排除额外的、未引用的元件或者方法步骤。
本说明书和权利要求书中采用的所有表达成分、反应条件等的数量均可理解为在所有情况下由术语“约”修饰。因此，除非相反地指出，说明书和所附权利要求书中所述地数字参数都是近似值，其可以根据本发明期望获得的性能而变化。最少，且无意于限制权利要求范围等同物原则的应用，各数字参数应当鉴于显著数字数目和常规舍入方法解释。
以上说明书公开了本发明数种方法和材料。本发明的方法和材料容易修改，构造方法和设备也容易改变。这种修改对在考虑了本发明公开的内容和实践之后的本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明无意于局限到本文公开的具体实施方案，但是其覆盖了本发明如所附权利要求体现的真实范围和精神内的所有改变和备选。

Claims (10)

1.一种用于过滤含有固体的液体的装置，该装置包括：
含有至少一个膜组件的膜生物反应器，该膜组件含有多个多孔膜，其中配置该膜组件以使得在操作中含有活性污泥的底物与膜外表面接触，且从膜内腔除去经处理的水；和
生物污泥处理容器，其中配置该生物污泥处理容器以在工艺流体被消化的厌氧环境中操作，其中至少一部分经消化的工艺流体被转移到膜生物反应器，且其中膜生物反应器中的至少一部分底物被转移到生物污泥处理容器中。
2.权利要求1的装置，进一步包括：
筛件，其中该筛件位于膜生物反应器和生物污泥处理容器之间，其中配置该筛件以除去膜生物反应器流出物中的惰性物质。
3.权利要求2的装置，其中该筛件包括具有最长尺度约200μm至约300μm的平均尺寸的开口。
4.权利要求1的装置，进一步包括：
水力旋流器，其中该水力旋流器位于膜生物反应器和生物污泥处理容器之间，其中配置该水力旋流器以除去膜生物反应器流出物中的惰性物质。
5.权利要求2的装置，进一步包括：
水力旋流器，其中该水力旋流器位于筛件和生物污泥处理容器之间，其中配置该水力旋流器以除去膜生物反应器流出物中的惰性物质。
6.权利要求1的装置，进一步包括：
缓冲罐，其中配置该缓冲罐以接收膜生物反应器的流出物。
7.权利要求1的装置，进一步包括：
辅助筛件，其中该筛件包括具有最长尺度约6mm至约25mm的平均尺寸的开口。
8.一种处理含有可消化废弃物的流入物流的方法，该方法包括：
在膜生物反应器中过滤混合液，其中混合液与多个多孔中空纤维膜的外表面接触，且其中渗透液从膜内腔除去；
通过将含有生物固体的底物经由循环回路循环到离线处理容器，从膜生物反应器除去生物固体，由此在膜生物反应器内维持预选定浓度的生物固体；
在离线处理容器中消化生物固体；和
将流出物流从离线处理容器引导至膜生物反应器，其中流出物流包括至少一部分混合液。
9.权利要求8的方法，其中除去生物固体的步骤进一步包括将含有生物固体的底物通过水力旋流器的步骤，由此除去惰性固体，其中水力旋流器是循环回路的一部分。
10.权利要求8的方法，其中除去生物固体的步骤进一步包括将含有生物固体的底物通过筛件的步骤，由此除去惰性固体，其中筛件是循环回路的一部分。
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