申请日2009.04.15
公开(公告)日2011.04.13
IPC分类号C02F3/20
摘要
本发明提供一种包含螺旋结构的生物膜反应器和使用所述生物膜反应器的水处理设施。本发明的生物膜反应器包含用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管、以及用于将经过所述反应器的水和空气排出的出口管，其中所述反应器在其中具有螺旋结构，用于形成从所述空气供应管到所述出口管的螺旋泡沫流动通道，使得通过引起所述空气供应管所供应的泡沫流动并通过增加所述泡沫的停留时间而提高传氧速率。所述生物膜反应器的优点在于，微生物附着到所述螺旋结构而在所述螺旋结构上形成生物膜，从而实现了微生物悬浮生长和微生物附着生长两种条件，以及在不使用能量进行搅拌的条件下能够有效提高水中溶解氧的浓度，并能够有效地提高和保持微生物的浓度。
权利要求书
1.一种控制溶解气体的浓度的方法，其中通过在反应器中提供形成螺旋泡沫流动通道的螺旋结构来控制所述溶解气体的浓度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述溶解气体是溶解氧。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述溶解气体的浓度与所述螺旋结构的圈数成比例。
4.一种用于控制溶解气体的浓度的设备，其包含反应器，所述反应器中设置有螺旋结构。
5.一种充气器，其包含反应器，所述反应器中设置有形成泡沫流动通道的螺旋结构。
6.如权利要求5所述的充气器，其中所述螺旋结构具有与所述充气器的直径相对应的直径。
7.如权利要求5或6所述的充气器，其中所述螺旋结构是无动力的结构。
8.一种生物膜反应器，其包含反应器，所述反应器中设置有形成螺旋泡沫流动通道的螺旋结构。
9.如权利要求8所述的生物膜反应器，其包含用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管以及用于将经过所述反应器的水和空气排出的出口管，
其中所述反应器中设置有螺旋结构，所述螺旋结构用于形成从所述空气供应管到所述出口管的螺旋泡沫流动通道，使得通过引起所述空气供应管所供应的泡沫流动并通过增加所述泡沫的停留时间而提高传氧速率，且微生物附着到所述螺旋结构上形成生物膜，从而实现微生物悬浮生长和微生物附着生长这两种微生物生长条件。
10.如权利要求8或9所述的生物膜反应器，其中所述进口管和所述空气供应管设置在所述反应器的下部，所述出口管设置在所述反应器的上部，并由此形成向上的流动。
11.如权利要求8或9所述的生物膜反应器，其中为了使所述反应器稳定运行，所述反应器具有用于测量所述反应器中pH的pH计。
12.如权利要求8或9所述的生物膜反应器，其中所述反应器具有盖子，以防止异物进入所述反应器内。
13.如权利要求8或9所述的生物膜反应器，其中所述反应器使用硝化微生物。
14.一种水处理设施，其包含：
反应器，所述反应器具有用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管以及用于排放经过所述反应器的水和空气的出口管;
设置在所述反应器中的螺旋结构，其形成从所述空气供应管到所述出口管的螺旋泡沫流动通道，使得通过引起所述空气供应管道所供应的泡沫流动并通过延长所述泡沫的停留时间而提高传氧速率;
用于观察所述反应器中流体情况的取样口;
用于监测所述反应器中溶解氧的溶解氧(DO)计;
用于测量所述反应器中氢离子浓度(pH)的pH计;
用于接收所述DO计测量的溶解氧浓度和所述pH计测量的氢离子浓度、然后计算和控制合适的充气量和pH的计算机;
与所述计算机连接并供应为获得最佳溶解氧浓度所需要的最少量空气的鼓风机;
与所述计算机连接并从酸/碱储罐向所述反应器中供应合适量的酸和碱的pH控制泵;以及
为了使所述反应器稳定运行而监测温度或离子的监测传感器。
说明书
含有螺旋结构的生物膜反应器和使用所述生物膜反应器的水处理装置
技术领域
本发明涉及包含螺旋结构的生物膜反应器和使用所述生物膜反应器的水处理设施。更具体地，本发明涉及一种生物膜反应器，在所述生物膜反应器中提供了螺旋结构，使得水中泡沫的流动受所述螺旋结构的引导，使得泡沫的停留时间延长，从而与在物理、化学和生物学过程中使用的常规反应器相比，增加了氧气传递效率;且其中微生物附着在所述螺旋结构上，使得微生物在处于已经形成了悬浮生长和附着生长的微生物生长环境的状态下的一种反应系统中进行集中和培养，由此提高了生物学反应系统的效率。
背景技术
溶解氧(DO)是指示溶解在水中的氧气的浓度的标记，是物理、化学和生物学过程的一个主要操作条件。特别地，在生物学过程中，溶解氧(DO)是影响好氧微生物生长状况和活性的重要因素[Unit Operation and Unit Process in Environmental Engineering(在环境工程中的单元操作和单元过程)，第二版，Reynolds/Richards]，并且，即使在物理和化学过程中，在特定的相关工业领域中有效地溶解氧气也是非常重要的。然而，由于氧气是一种低溶解度气体，所以有效提高溶解氧的浓度是非常困难的，因此，有效提高反应器中溶解氧的浓度的方法引起了极大关注。上述方法的典型实例可包括通过在反应器中安装各种类型的叶轮来提高充气效率的方法[Bioprocess Engineering Basic Concepts(生物工程基本概念)，第二版，Michael L.Shuler/Fikret Kargi]、通过在反应器中安装微泡发生器并由此增加与单位体积水接触的泡沫的表面积而提高氧传递效率的方法[专利登记号0315903，发明名称为“Waste water treatment system using microbubble generator”(使用微泡发生器的废水处理系统)]、以及通过在增加泡沫中氧浓度之后利用水与泡沫之间的氧浓度差来增加溶解氧的方法[Airlift Bioreactors(气升式生物反应器)1989M.Y.Chisti]。这些方法实际上已经提高了溶解氧的浓度，从而满足了系统的需要。
然而，所有这些方法的问题在于，它们增加了能量消耗。例如，在生物废水处理中，据国外文献[Investigation of oxygen transfer rates in full scale membrane bioreactors(全尺寸膜生物反应器中传氧速率的研究)，Water Science & Technology(水科学与技术)，2003年，P.Cornel，M.Wagner和S.Krause]中报道，污水处理厂总能量支出的70%是由充气造成的。事实上，为了连续旋转叶轮或产生微泡，必然需要能量，且制造纯氧气也需要能量。因此，难以将这些方法应用于大规模的处理设施中。此外，提出了通过增加反应器的高度来延长泡沫停留时间的另一种方法，但是这种方法的问题在于，在通过扩散器喷出泡沫时，因为水压必须高，所以消耗大量能量。
同时，在使用微生物的生物学方法中，通过形成微生物能够在生物反应器中以高浓度积极生长和培养的条件来提高并保持过程的效率是非常重要的。通过实例对近来在水处理中发挥重要作用的硝化微生物进行说明。已知的是，由于硝化微生物的生长速率比其他微生物低，所以将生物反应器中硝化微生物保持高浓度是非常困难的。鉴于这种原因，正在对高浓度微生物的培养进行积极研究。当水处理设施的硝化系统因硝化微生物的快速减少而不能正常运行时，超过参考值的量的氮化合物将排放至水系统中，由此造成环境污染。在此情况中，对造成环境污染有责任的公司必须支付罚款。即，所述系统的成功或失败取决于生物反应器中微生物浓度是否能够保持在预定水平以上，因此对生物反应器中微生物的浓度进行控制是非常重要的。对微生物进行集中和培养的这种要求同样适用于使用微生物的其他工业领域且同样适用于水处理领域。
在水处理过程中，通常通过控制淤泥回流来提高生物学处理系统中的微生物浓度[Wastewater Engineering Treatment and Reuse(废水工程处理和再利用)，第四版，Metcalf & Eddy]。然而，存在必须小心处理低收率和低比生长速率的微生物如硝化微生物的情况[Nitrification and Denitrification in the Activated Sludge Process(活性淤泥处理中的硝化和脱硝作用)，Michael H.Gerardi]。为此，已经建立了通过将微生物附着在载体上对微生物进行培养的方法，且正在使用。然而，这种方法的问题在于，使用的填充材料必须利用新的填充材料进行定期更换，从而增加了维护开支，且在使用的填充材料不容易回收时，导致机械故障。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种提高反应器中溶解氧浓度的方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于增加反应器中溶解氧的设备。
本发明的还一个目的是提供不消耗能量而增加溶解氧的方法和设备。
本发明的又一个目的是提供一种通过延长泡沫的停留时间而增加溶解氧的生物膜反应器。
本发明的又一个目的是提供一种生物膜反应器和使用所述生物膜反应器的水处理设施，在所述生物膜反应器中微生物附着到螺旋结构上，从而在所述螺旋结构表面上形成生物膜并增加溶解氧，使得以高浓度培养微生物，结果是在生物学反应系统中同时实现悬浮生长和附着生长环境，由此将反应器中微生物的浓度保持在高水平上而不依赖于外部供应的填充材料。
因此，可以预期的是，能够将本发明容易地应用于使用微生物的所有类型的生物反应器中，且通过以高浓度培养微生物，能够降低用于稳定生物学反应系统并获得微生物所涉及的开支。
本发明的另一个方面是提供一种能够用于控制溶解氧浓度的螺旋结构。
技术方案
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供生物膜反应器，其包含用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管、和用于将经过反应器的水和空气排出的出口管，其中所述反应器中设置有螺旋结构，所述螺旋结构用于形成从空气供应管到出口管的螺旋泡沫流动通道，从而通过引起空气供应管道所供应的泡沫的流动并通过延长泡沫的停留时间来提高传氧速率，且微生物附着到螺旋结构上形成生物膜，从而实现了微生物悬浮生长和微生物附着生长的两种微生物生长条件。
在所述生物膜反应器中，进口管和空气供应管设在所述反应器的下部，出口管设在所述反应器的上部。因此，在所述生物膜反应器中可发生向下的流动或侧向流动以及向上的流动。
在所述生物膜反应器中，为了使得所述反应器稳定运行，可为生物膜反应器提供用于测量反应器中pH的pH计。
在所述生物膜反应器中，所述生物膜反应器可具有用于监测反应器中溶解氧的溶解氧(DO)计。可以有多个溶解氧(DO)计，在此情况中，多个溶解氧(DO)计可相对于水位一个接一个地设置，使得它们布置在由螺旋结构分开的反应器的位置处。
在所述生物膜反应器中，为了所述反应器能够稳定地运行，所述生物膜反应器可具有用于监测温度或离子的监测传感器。
在所述生物膜反应器中，为了观察所述反应器的流体情况，所述生物膜反应器可具有取样口。可以有多个取样口，在此情况中，多个取样口可相对于水位设置，使得它们一个接一个布置在通过螺旋结构分开的反应器的位置处。
在所述生物膜反应器中，为了防止异物进入反应器中，所述生物膜反应器可具有盖子。
本发明的另一个方面提供了水处理设施，其包含：反应器，其具有用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管、以及用于排放经过所述反应器的水和空气的出口管;设置在所述反应器中的螺旋结构，其形成从所述空气供应管到所述出口管的螺旋泡沫流动通道，使得通过引起所述空气供应管道所供应的泡沫流动并通过延长所述泡沫的停留时间而提高氧传递速率;用于观察所述反应器流体情况的取样口;监测所述反应器中溶解氧的溶解氧(DO)计;测量所述反应器中氢离子浓度(pH)的pH计;接收通过所述DO计测量的溶解氧浓度和通过所述pH计测量的氢离子浓度并然后对合适的充气量和pH进行计算和控制的计算机;与所述计算机连接并供应获得最佳溶解氧浓度所需要的最少量空气的鼓风机;与所述计算机连接并从酸/碱储罐向所述反应器中供应合适量的酸和碱的pH控制泵;以及为了所述反应器能够稳定运行而对温度或离子进行监测的监测传感器。
在所述水处理设施中，可以有多个溶解氧(DO)计和多个取样口。所述多个溶解氧(DO)计和多个取样口可以相对于水位设置，使得它们一个接一个布置在由螺旋结构分开的反应器的位置处。
在所述水处理设施中，所述进口管可具有供水控制泵和供水控制阀，且所述出口管可具有排水控制泵和排水控制阀。
在所述水处理设施中，所述空气供应管可具有空气控制阀，使得向反应器供应恒定量的空气。
本发明的还另一个方面提供了控制溶解气体浓度的方法，其中通过用于在反应器中提供形成螺旋泡沫流动通道的螺旋结构来控制溶解气体的浓度。
在所述方法中，根据在反应器中安装的螺旋结构的圈数(number of turns)来控制溶解气体的浓度，且所述溶解气体可以是难以溶于水的氧气。
本发明的还一个方面提供包含反应器的气体溶解设备，在所述反应器中具有螺旋结构，所述螺旋结构具有与反应器的直径相对应的直径。
在本发明的又一个方面中，将在生物膜反应器中提供的螺旋结构用作能够附着微生物而提高所述生物膜反应器中溶解氧的浓度的结构。
发明优点
如上所述，根据本发明在其中具有螺旋结构的生物膜反应器的优点如下。
第一，在所述生物膜反应器中，通过螺旋结构引起螺旋泡沫流动，从而延长泡沫的停留时间，结果是泡沫与水之间的接触时间延长，由此使得泡沫中的氧气能够更容易地溶于水中。因此，能够有效地提高生物膜反应器中溶解氧的浓度而不因搅拌消耗能量。
第二，微生物附着到螺旋结构上而在其表面上形成生物膜，从而在不使用填充材料如载体的条件下在生物学反应系统中同时形成悬浮生长和附着生长环境，结果是能够以高浓度对微生物进行集中和培养并得到大量微生物，由此减轻了对微生物具有影响的毒性物质的效应。此外，预期的是，可以有效培养已知具有低的比生长速率和收率且难以生长的主要功能微生物，如硝化微生物。
第三，在具有所述螺旋结构的生物膜反应器中，通过控制螺旋结构的转角能够实现期望的泡沫停留时间。这样，由于能够实现适用于各反应器的泡沫停留时间，所以可以不形成具有不需要的小直径的空气泡沫，从而降低了能量消耗。
第四，泡沫上升且同时与螺旋结构碰撞而发生摩擦，使得在生物膜反应器中形成涡流，由此加强了搅拌效果，从而更有效地提高溶解氧的浓度。
第五，由于将生物膜反应器连接到DO计、计算机和鼓风机上，所以将通过DO计测得的生物膜反应器中溶解氧的浓度传输到计算机上，所述计算机对与操作条件相关的溶解氧浓度相对应的充气量进行计算。所述鼓风机向生物膜反应器中供应与通过计算机计算的充气量相对应的泡沫。由于这种操作顺序，所以防止了过量充气，从而降低了能量消耗。