申请日2011.12.19
公开(公告)日2015.04.15
IPC分类号C02F3/30; C02F3/00
摘要
一种水处理系统和方法，包括使用一个水力分离器来移除被处理的水源水中的大部分的总悬浮固体(TSS)，从而减轻水处理系统中膜过滤器上的负载，并减少能量消耗。
权利要求书
1.一种基于膜的生物反应器水处理系统，其中包括：
一个入水口，用于将水源水接受到系统中;
一个固体移除组件，被安装来接受来自入水口的水源水;
一个预处理组件，被安装来接受来自固体移除组件的水源水;
一个通气区，被安装来接受来自预处理组件的水源水;
一个膜组件，被安装来接受来自通气区的水源水;
一个水力分离器，被安装于所述系统内以在水源水被膜组件接受之前 接受水源水，安装所述水力分离器以在水源水被膜组件接受之前从水 源水中除去TSS。
2.权利要求1的系统，其中的膜组件装有至少一个膜，所述膜具有过 滤能力以过滤含有少于100mg/L总悬浮固体的水。
3.权利要求1的系统，其中所述膜组件装有至少一个膜，所述膜具有 过滤能力以过滤含有多于100mg/l总悬浮固体、最高达12,000mg/L总 悬浮固体的水。
4.权利要求1的系统，其中所述系统连续地移除>90%的总悬浮固体 (TSS)而不需要过滤屏障。
5.权利要求1的系统，其中的水力分离器在干净的水流和废水流之间 进行可变的分流。
6.权利要求1的系统，其中运行包含水力分离器的系统的MBR组件 节约的能量为运行不含水力分离器的基于MBR的水处理系统的MBR 组件的能量的62%到95%。
7.权利要求1的系统，其中与现有的基于MBR的水处理系统相比， 源自TSS污垢的絮凝物降低曲线的斜率下降。
8.一种基于移动床生物反应器的水处理系统，其中包括
一个入水口，用于将水源水接受到系统中;
一个固体移除组件，被安装来接受来自入水口的水源水;
一个预处理组件，被安装来接受来自固体移除组件的水源水;
一个移动床生物反应器组件，被安装来接受来自通气区的水源水;以 及
一个水力分离器，被安装于所述系统内以在水源水被移动床生物反应 器组件接受之前接受水源水，安装所述水力分离器以在水源水被移动 床生物反应器组件接受之前从水源水中除去TSS。
9.权利要求8的系统，其中所述水力分离器位于移动床生物反应器组件 之内。
10.权利要求8的系统，其中所述水力分离器在干净的水流和废水流之 间进行可变的分流。
11.权利要求8的系统，其中运行包含水力分离器的系统的MBR组件 节约的能量为运行不含水力分离器的基于MBR的水处理系统的MBR 组件的能量的62%到95%。
说明书
用于废水处理的膜生物反应器(MBR)和移动床生物反应器(MBBR)结构
参考文献
提及以下共同未决和共同转让的专利申请，其各自公开的全部内容以引用的方式纳入本说明书：
美国已公开的专利申请No.2009/0050538，标题为“Serpentine Structures for Continuous Flow Particle Separations”，发明人为Lean等;
美国已公开的专利申请No.2008/0128331，标题为“Particle Separation and Concentration System”，发明人为Lean等;
美国已公开的专利申请No.2008/0230458，标题为“Vortex Structure for High Throughput Continuous Flow Separation”，发明人为Lean等;
美国已公开的专利申请No.2009/0114601，标题为“Device and Method for Dynamic Processing in Water Purification”，发明人为Lean等;
美国已公开的专利申请No.2009/0114607，标题为“Fluidic Device and Method for Separation of Neutrally Buoyant Particles”，发明人为Lean等;
美国已公开的专利申请No.2010/140092，标题为“Flow De-Ionization Using Independently Controlled Voltages”，发明人为Armin R.Volkel等;
美国专利申请No.12/484,071，提交于2009年6月12日，标题为“Method and Apparatus for Continuous Flow Membrane-Less Algae Dewatering”，发明人为Lean等;
美国已公开的专利申请No.2009/0283455，标题为“Fluidic Structures for Membraneless Particle Separation”，发明人为Lean等;
美国已公开的专利申请No.2009/0283452，标题为“Method and Apparatus for Splitting Fluid Flow in a Membraneless Particle Separation System”，发明人为Lean等;
美国专利申请No.12/615,663，提交于2009年11月10日，标题为 “Desalination Using Supercritical Water and Spiral Separation”，发明人为Lean等;
美国已公开的专利申请No.2010/0072142，标题为“Method and System for Seeding with Mature Floc to Accelerate Aggregation in a Water Treatment Process”，发明人为Lean等;
美国专利申请No.12/484,038，提交于2009年6月12日，标题为“Stand-Alone Integrated Water Treatment System for Distributed Water Supply to Small Communities”，发明人为Lean等;
美国专利申请No.12/484,005，提交于2009年6月12日，标题为“Spiral Mixer for Floc Conditioning”，发明人为Lean等;
美国专利申请No.12/484,058，提交于2009年6月12日，标题为“Platform Technology for Industrial Separations”，发明人为Lean等;
背景技术
已开发出多种处理水的系统。这些处理过程通常为多级过滤设计，并包括用于聚集、絮凝和沉降的连续处理步骤。
进行处理的水的来源包括地表水、地下水、废水、微咸水、海水等。一种具体的常规水源处理基于活性淤泥处理(ASP)，其过滤、实施固体移除并预处理水源水以从水源水中移除淤泥形式的污染物、固体等。之后，提供一个通气区或池，其允许将空气充入池，向处理过的水源水通气。在向处理过的水源水通气后，提供一个沉淀槽用于进一步分离和淤泥移除。之后，采用进一步过滤和消毒的步骤制造流出的水。然而，这种ASP系统相当耗费时间，并且需要很大面积的土地，并且制造出大量的淤泥。
另一种水处理方法包括使用膜生物反应器(MBR)。在这些系统中，除去固体和预处理的初始步骤、和将水供给通气区或池的步骤可类似于上述步骤。然而，在MBR方法中，代替沉淀槽和进一步过滤和/或消毒，采用了处理含有5-12,000mg/l总悬浮固体(TSS)的水源水的专门膜。这种MBR方法使用超滤(UF)和微滤(MF)膜。膜芯的尺寸在0.003至0.01μm范围内。MBR技术通常将膜浸没在生物反应器中。这种浸没结构依赖大气泡通气作用来产生混合并限制结垢。通气使固体保持在悬浮液中、冲洗膜表面并且为生物提供氧气，导致较好的降解性能和细胞 合成。
由于可溶的和颗粒状的材料会沉积在膜上和膜内，MBR过滤的性能会随着过滤时间降低。膜结垢是膜材料与活性淤泥组分间的相互作用形成的，所述活性淤泥包括但不限于由活的或死的微生物与可溶的和胶体化合物形成的生物絮凝物。
膜结垢是影响系统性能的一个严重问题;因为它导致流体阻力显著增加，表现为透过通量下降或是跨膜压力(TMP)增加。因此，需要经常清洁和更换膜。
目前，在浸没的MBR中获得的空气诱导交叉流动被用于移除或至少减少膜表面的结垢层。可用于MBR应用的其他防污对策包括间歇式渗透，其中以规律的时间间隔停止过滤，然后再重新开始。用这种方式，沉积在膜表面的颗粒趋向于扩散回到反应器中。使用膜回洗法，其中渗透水被泵回至膜并流经孔以向通道排出内部和外部颗粒。另一种防污对策是空气回洗法，其中在膜的渗透侧形成加压空气，并在极短的时间内释放很大的压力。在这种状况下，膜组件需要置于一个连有通风系统的加压容器中。不欲使空气通过膜，因为如果这样，空气会干燥膜，就会需要重新润湿的步骤。
因此基于MBR的方法由于昂贵的膜而需要较高的资本成本，并且由于通气、可透膜压和经常性的回洗和/或其它膜清洗以维持其效能而需要较高的运行和维护成本。特别地，避免生物体造成的膜结垢和堵塞，需要经常进行维护，例如提过的回洗。保持膜的完整性是很重要的，因为受损的膜完整性会使最终的水产品中产生TSS的淤泥。
考虑到所述MBR系统的高资本开支，能够处理5-12,000mg/l TSS的膜的替换成本比为处理小于100mg/l TSS而设计的膜高得多。
另一种水源水处理技术被称为移动床生物反应器(MBBR)。这种MBBR技术被用于先进的高速水源水处理方法，其中在有氧、厌氧和缺氧的反应器中利用自由漂浮的生物膜载体元件。所述载体元件是介于附着和悬浮生长处理方法之间的有效混合，与其他可用的替代处理方法相比其需要明显更少的覆盖区域和天然资源来建立和运行。
生物膜载体元件提供了极大的有效生物膜表面积。生物质被捕获在载体元件之内，这些载体元件被出口滤网保留在反应器内。这些载体元件的运动被大气泡空气分散系统驱动，该系统建立于有氧系统中的旋转 容积式空气鼓风机和缺氧和厌氧系统中的混合机的基础上。当使用MBBR技术时，反应器中载体的填充分数可以改变，以适应水源水的具体负载情况。也可为处理设备设计若干MBBR结构和结合方法以针对特定污染物。
有利的是使用一种不需要例如用于MBR系统的高成本膜的水源水处理方法，称作低MBR(MBR-lite)，或是当使用这种膜时，延长它们在回洗之间的运转时间、并降低相关的维护成本的水源水处理方法。另外，在MBBR系统中，通过降低在载体上的压力而延长载体的寿命和/或减少维护的需求也是有利的。
发明内容
水处理系统和方法包括使用一种水力分离器来移除进行处理的水源水中大部分的总悬浮固体(TSS)，从而减轻水处理系统中膜过滤上的负载，降低能量成本。
