目前，大多数废水处理厂基于悬浮生长介质中的有机污染物的生 物氧化，采用活化淤泥方法。采用气泡式充气装置从空气提供氧。这 些系统的效率很低，导致采用很高的能量。由于氧需求载量小，箱体 尺寸很大。结果投资和运行成本很高。
所建立的生物氧化方法的第二种类型采用在固体介质上生长的生 物膜。例如，废水可循环至反应器的顶部并滴流下来。空气从底部提 供。氧的传递率受限于生物膜表面积，且由于需要泵送废水，其运行 成本较高。
最近，研制工作在膜支撑生物反应器概念上进行。例如，美国专 利No.4,181,604和4,746,435描述了一种通过从透气膜的一侧向生长 在该膜的另一侧的微有机物提供氧的废水处理方法。具有多孔壁的中 空纤维用作膜。在美国专利No.5,116,506中，透气膜将反应容器分成 液体室和气体室。生物膜生长在膜液体侧的透气膜上。氧和代用气体 穿过膜到达膜液体侧上生长的细菌上。
发明概述
本发明的一个目的是改进现有技术。本发明的另一个目的是提供 适于采用膜支撑生物反应器技术处理水，例如工业和市政废水的方法 和装置。本发明的另一个目的是提供中空纤维气体传递膜和模块，例 如，其适于支撑生物膜。在此所描述和要求的本发明满足这些和其它 方面。下面的概述将向读者介绍本发明的各个方面，但并不打算限制 本发明，本发明可存在于下面概述或本文件的其它部分中找到的各种 元件或步骤的组合或子组合中。
在一个方面，本发明提供一种用于氧传递、生物膜支撑或二者兼 有的具有相当高的气体传递率和合适的表面积的膜和模块，以允许膜 支撑生物膜反应器提供优于现有技术所采用的其它方法的运行成本。 膜和模块可具有的氧传递率(OTE)为超过50％，或在50％至70％ 范围内或更高。模块可由非多孔或致密壁的中空纤维膜制成以提供较 大表面积，同时避免多孔纤维随时而变湿从而导致其氧传递率的明显 下降。
在另一方面，本发明提供一种由聚乙烯甲基戊烯(PMP)制成的 非常细的致密中空纤维，其对于氧具有高选择性和扩散系数。具体地， PMP在致密壁非潮湿情况下具有约70,000cc·mm/m2·24小时·巴 的气体透过率。虽然其远小于具有极高气体透过率的硅，但PMP可 熔化抽制成中空纤维。该纤维可具有500微米或小于100微米或更小 的外部直径。采用这种小直径纤维有助于减少模块成本，因为可采用 纺织细纤维技术来创建模块。可提供非常大的表面积以达到高OTE。 非多孔壁避免了上面所描述的变湿问题。
在另一方面，本发明提供一种具有较大数量的例如由PMP制成 的中空纤维的织物，其提供足够的表面积，从而氧传递不会成为控制 生物动力学中限制因素。该织物可用例如中空纤维，可选择地用汇集 成单元的中空纤维作纬线和用惰性纤维作经线来织成，以使在编织时 对传递纤维的损伤最小化。也可采用其它的织物制备方法。该织物向 细纤维提供强度以允许生物膜在其表面生长时产生最小纤维破损。
在另一方面，本发明提供一种由具有非常高的压紧密度的织物片 的模块，以在无需大量液体的再循环的情况下获得良好的穿过表面的 培养基速率。模块能够在中空纤维的空腔无需暴露于废水的情况下向 该空腔提供含有空气之类的气体的氧。在模块头部采用和封装例如在 1和3米之间或在1.5和2.5之间的长纤维元件以提供低成本结构。
在另一方面，生物膜生长于由例如PMP致密壁中空纤维之类的 透气中空纤维制成的织物上。将含氧气体引入纤维的空腔中。在存在 高水平氧的纤维表面附近发生需氧反应。这些反应包括有机碳化合物 向二氧化碳和水的转换，以及氨向硝酸盐的转换。生物膜表面保持在 缺氧条件下，从而可发生硝酸盐向氮的转换。结果同时减少了有机碳、 氨和总氮。
在另一方面，本发明采用氧浓缩作为解决高峰流量的手段。是否 需要这种氧浓缩可由在线COD监视器确定，或根据例如市政申请的 天数设置，其中每日流量和强度变化是已知的。
在另一方面，本发明采用模块和生物反应器设计以在织物表面进 行其它生物反应。一个实例是，采用向中空纤维的空腔内提供氢气来 生物地减少水中如硝酸盐之类的化合物。
在另一方面，本发明采用空气或浓缩空气提供氧。浓缩空气和在 这种空气中存在的氧水平的选择可由废水强度确定。
在另一方面，本发明可用于消化一级和/或二级淤泥。
在另一方面，纤维可以具有小的外径，如100μm或更小，以及基 本上中空的面积，例如30％或更大，或者40％或更大，从而具有薄壁。 纤维可以通过编织、编结、缝合或其它方式制成织物。细中空纤维的 使用使纤维壁的厚度较薄，例如为20μm或更小，其比制造可手感薄 层所需的纤维壁的厚度小好几倍。细纤维自身可能难于单独手感，但 可结合成可手感的单元，如结合成丝线或纤维束，其可包括形成纺织 片。具有大量中空纤维的织物为氧传递能力提供足够的表面积，从而 空气可用作供料气体，而无需限制生物膜的生长或其它生物动力学并 容许由于空气流过模块而导致的压力损失。
在另一方面，可采用栓塞流或多级连续搅拌或分批箱式反应器进 行给定供料的最高可能的培养基浓度。这使生物膜中的有机碳化合物 和氨的物质传递最大化，消除了这些过程对反应速度的潜在限制。在 多级反应器中，具有较低氧传递表面积与生物膜表面积比的模块设计 可用于下游阶段。用于氧传递的总表面积，例如每单位箱体容积或供 料流速的总表面积，可在下游反应器中增加或减少，因为该较低比是 由生物膜表面面积的增加而非由氧传递表面积的减少而导致的。
在另一方面，本发明提供一种薄膜支撑的分批生物膜反应器 (MSBBR)。该反应器包括一个或多个接受含气氧并支撑生物膜的薄 膜模块。该模块位于进行循环注入和排出以提供分批处理过程的箱体 内部。在一个实施例中，该模块由中空纤维织物制成并用于将工业废 水中的COD、氨、总氮和悬浮固体的浓度减少至适于排入市政下水道 系统或直接排入接纳溪流的浓度。在另一实施例中，该模块用于减少 市政废水流中的COD、氨、总氮和悬浮固体以适于直接排入接纳溪流。 在另一实施例中，该模块用于减少腐烂物箱中的COD、氨、总氮和悬 浮固体以减少腐烂物区尺寸或以采用更简单、更低成本处理技术或用 于直接排入接纳溪流。
在另一方面，本发明提供一个或多个控制生长在模块上的生物膜 的厚度生长的方法。一些方法包括当箱体排出供料时，从箱体侧向生 物膜施加一种或多种物质。这些物质可包括如臭氧或氯之类的气体， 或如被加热水或者碱性或酸性溶液之类的液体。在该控制物质的施加 期间，生物膜中的条件可通过打开或关闭模块内部的氧供应而在需氧 和厌氧之间循环。还可通过去除供水而用清水代替供水或每天以每kg MLSS 0.1kg COD或更少的加载进行供料代替供水，以使生物膜在控 制物质施加之前缺乏食物。在控制物质施加之后，机械生物控制方法 还可用于变弱的生物膜上。
在另一方面，本发明采用提供在纤维外部的冲刷空气，该冲刷空 气用作将生物膜厚度控制在最佳水平的手段。空气可用作将生物膜厚 度控制在所需水平的手段。在空气冲刷之前定期使用酸、碱、氧化剂 或酶进行处理或采用厌氧处理以弱化生物膜并提高空气在完全或部分 去除生物膜时的功效。生物膜控制的其它方法包括原地消化、在消化 后定期臭氧化，在消化后定期进行碱或酸处理，在消化后定期进行酶 处理，以及采用更高的生命形式，如蠕虫，以定期消化生物膜。为加 速生物消化反应，提供给模块内部的空气可预先加热以提高生物反应 器的温度。
在另一方面，本发明提供一种中空纤维束，例如具有500微米或 更小，或者100微米或更小的外部直径(OD)。为有利于建造具有纤 维有效表面积最小缩减量的模块，该纤维在其长度相当大部分上，例 如一半或更多，经处理或用作纤维束。模块可直接由纤维束制成，无 需首先制成织物。纤维束还可制成开口织物以有利于封装，例如，沿 织物的边缘封装，而纤维的相当大部分，例如在织物边缘之间的部分， 仍保留作为纤维束。由纤维束制成的模块可在两端封装，或只在一端 封装，而另一端不封装，从而纤维端部开放以允许未用完的空气逸出。 单头模块可比双头模块具有较低成本。单头模块可将底部处的头部插 入垂直结构且纤维上浮。这种模块可从模块外部充气以去除积累的废 物和固体。供料也可例如通过0.5mm的筛子进行筛选，以在供料进入 反应器之前减少其中的废物。当纤维束模块用在多级反应器的下游阶 段的情况下，上游阶段也可减少馈送到纤维束模块反应器的废物量。
在另一方面，处理不同强度废水的反应器装备有气体传递表面积 与被附着的生物膜表面积的不同比的模块。气体传递表面积是与被支 撑生物膜接触的模块外表面的面积。生物膜表面积是接触废水的生物 膜外表面的面积。在一些情况下，生物膜表面积取决于生物膜的厚度， 该厚度在用于计算或用于与模块比较时，可以是反应器中生物膜的实 际厚度或时间平均厚度，或者标称或设计厚度或平均厚度，例如250 微米。处理超过1000mg/L的COD的废水的反应器可具有模块，该模 块具有的气体传递表面积与附着的生物膜表面积之比大于1，大于1.6 或在1.6和10之间。处理具有小于1000mg/L的COD的废水的反应 器可具有模块，该模块具有的气体传递表面积与附着的生物膜表面积 之比小于2.5，或在0.2和2.5之间。处理小于300mg/L的COD的废 水的反应器可具有模块，该模块具有的气体传递表面积与附着的生物 膜表面积之比小于1，或在0.1到10之间。在多级处理中，两个或多 个反应器可串联连接，上游反应器的出口连接到下游反应器的入口。 待处理废水的COD在通过每个反应器时降低，且下游反应器中模块 的气体传递表面积与附着的生物膜表面积之比小于上游反应器中模块 的气体传递表面积与附着的生物膜表面积之比。
本发明的其它方面在权利要求书中或在下列附图或说明书中进行 描述。
附图简要说明
本发明的实施例将对照下列附图在下面进行描述。
图1是一组中空纤维的图片。
图1a是中空纤维的横截面。
图1b示出一组汇集成单元的中空纤维和惰性纤维。
图2a至2d和2e示出狭缝布置和用于熔化纺丝纤维的喷丝板。
图3a和3b分别示出编织纤维的平面视图和横截面。
图3c示出编织纤维的步骤。
图3d示出经编织物。
图4a示出一片中空纤维，该片的中央部分具有纤维束状的纤维。 图4b示出图4a中该片部分的详细图。
图5是松散纤维束模块的横截面。
图6示出具有纤维片的模块的顶视图。
图7是图6中模块的部分剖开的正视图。
图8是在平面视图中图6中模块的另一部分的横截面。
图9是根据图6和7所述模块的正视图。
图10a，10b和10c是具有纤维片的另一模块的正视图、平面视图 和部分截面图。
图11和12是具有中空纤维片模块盒的箱体的平面和正视图。
图13是图11和12的装置中拉紧机构的详图。
图14是图13的机构的正视图。
图15和16是反应器的示意性正视图。
图17和18是其它反应器的示意性正视图。
图19a是采用纤维束模块的小型的分批反应器。
图19b是由显微镜拍摄的在图19a的反应器内生长的纤维束上的 生物膜的照片。
图20是更改以采用被支撑生物膜模块的腐烂物箱的示意性正视 图。
图21至31是用各种采样模块或反应器实行的测试结果。
实施例描述
1.0 模块元件
1.1 纤维
图1和1a示出内部中空但具有非多孔致密壁的聚乙烯(4-甲基戊 烯-1)(PMP)纤维10。在一组纤维10中，纤维10可具有不同直径， 且可以是外部直径小于500微米或小于100微米的细纤维，例如，在 30和100微米之间，或在50和60微米之间。所示出的中空纤维10 是非多孔的，或致密壁的，且水不会以平流流过纤维壁。然而，氧或 其它气体可透过或穿过纤维壁，例如通过分子扩散或分解扩散。
中空纤维10可通过熔化抽丝制备，也称为熔化挤压成形。在熔化 抽丝中，将聚合物颗粒，例如PMP颗粒送入挤压机的漏斗。该聚合 物颗粒在挤压机内受热并熔化，并在几十个巴的压力下继续被挤压到 喷丝头。该喷丝头由受热管线过滤器和喷丝板组成。喷丝板实质上是 具有圆形布置的薄弧形狭缝的钢盘。用于形成中空纤维的合适狭缝布 置如图2a至2d所示。如图2e所示，喷丝板可具有多组狭缝，从而许 多纤维，图中所示为在喷丝板内有8个，可同时挤压。熔化的聚合物 穿过喷丝板挤出，离开狭缝并在冷却区内形成中空纤维。由段分割器 产生的裂口使空气进入纤维以在纤维截面熔合形成环之前防止纤维塌 陷。在冷却区，聚合物纤维形状通过横过的受控空气流而固化和冷却， 最后在收集缠绕器上收集。合适的纤维10也可由其它熔化喷丝方法形 成。例如，在孔式喷丝的管中，聚合物熔化并被拉过环形喷丝板，同 时使气体通过喷丝板的另一孔进入抽丝纤维的腔内以防止纤维塌陷。 还可采用熔化喷丝以外的其它方法。
参见图1a，在示出的实施例中，采用熔化喷丝方法制造外部直径 12为100μm的纤维10。纤维的中空面积(或腔14的面积)可以大于 纤维横截面积的10％或大于30％或40％。中空面积典型小于纤维横 截面积的60％或50％。例如，聚甲基丙烯酸甲酯戊烯纤维可制成为外 部直径12在约50到60μm之间，内部直径16为30μm或更大，导致 其壁的厚度18为10μm或更小，且气体透过率大于30,000 cc·mm/m2·24小时·巴或更大。
在图1示出的实施例中，纺织PMP纤维10具有约45微米的外 部直径12，和约15至30微米的内部直径16。当原料聚合物通过如上 所述的分段喷丝板时，采用由日本Mitsui Petrochemical制造的并以 TPX名称销售的MX-001或MX-002PMP对纤维10进行熔化喷丝。 纤维10用于本文件中所描述的实施例和实例中，虽然也可采用其它纤 维10。
1.2  纤维集合体(例如纤维束)
参见图1b，中空纤维10可合并成纤维单元19以利手感。纤维束 19可以是单个纤维10，每个具有例如1至200或16至96个纤维的纤 维束20，无论是绞扭的还是不绞扭的(图1b)，细丝，纱线，管状、 扁平或绳状编织物，或其它手感单元19。纤维束20由多个收集卷轴 的纤维重新合并绕到第二卷轴上而形成。更结实的惰性纤维22，如 PE或PP纱线，可包括在纤维束20或其它单元19内。纤维10可卷 曲以用于单元19内。卷曲纤维10可通过将它们以不同的张力绕在线 轴上而形成。
1.3 片状结构
纤维10和/或纤维单元19可以片26的形式提供。在图3a和3b 中，纤维10编织成基本上二维结构或织物片26而形成纤维单元19。 在示出的实施例中，单元19穿过该片行进，即垂直于片26从织布机 推出的方向。惰性纤维22沿片26的长度方向行进以便为纤维单元19 提供支撑。图3c示出编织过程中的步骤。梭子携带纤维单元19穿过 两组惰性纤维22，这两组惰性纤维在梭子每次穿过之后交替上升或下 降。也可使用其它编织或织物制造方法。单元19的类型、单元19的 捆束尺寸、多个单元19之间距离以及每个方向的纤维百分比都可预定 成满足每个独特应用的机械或生化需要。
更具体地，纤维单元19为生物膜30的生长提供支撑表面。可比 照生物膜30的表面积或比照织物片26的平面表面积调整中空纤维单 元19的数目以及每单元19纤维10的数目以提供所需的用于O2传递 的表面积。片26的平面表面积简单地是该片的长度乘以其宽度，再乘 以2(因为该片具有两面)。生物膜30的表面积为生物膜30暴露于反 应器内液体的总面积，其对于基本上二维片状结构通常可与片26的平 面面积相同。
用于O2传递的表面积为片内中空纤维10暴露于生物膜的总面积。 这大约等于纤维10的有效直径和长度乘以片26内纤维10的数目的乘 积。扩散的有效直径是考虑到壁厚作用的纤维直径的对数平均。在一 些实施例中，例如紧密编织的织物，织片26内横过中空纤维10的惰 性纤维20以及纤维10之间的接触可干扰氧传递，但该干扰通常较小 且在氧传递表面积计算中可忽略不计。
虽然生物膜30的表面积通常与片的平面面积相同，但其对于非常 粗糙或打开的织物或具有更分散的纤维单元19会稍稍大些。改变织物 的粗糙度也可用于影响生物膜30的厚度或减少或控制生物膜30的容 易程度。可获得O2传递表面积与生物面积的高比率(SA O2/SA生物 膜)，例如在6至10范围内或更高。然而，对于用高浓度COD处理 供料水，例如，300mg/L CODs或更高浓度，较低的SA O2/SA生物膜 比，例如在1.6至10之间是足够的，且可以是优选的以减少模块成本。 在约2至8或约4到6范围内的SA O2/SA生物膜比可在许多处理应 用中提供满意的结果。
通过提供纤维10松散的布置并将生物膜30的厚度控制到足够薄， 生物膜30的表面积也可大于片26的平面面积，从而在相邻平行纤维 上的生物膜30不形成连续层。具有粗糙或纹理表面、表面起伏高度在 所需生物膜厚度范围内的片26也可以是理想的，因为其有利于生物膜 控制。理想的生物膜厚度可以是200至1,000微米。
倘若氧传递通过模块40不会限制生物膜30中的反应，则废水中 COD减少的速度大约与废水中COD的浓度成比例。然而，要使氧传 递不构成限制因素，当废水COD浓度增加时，需要更多的氧流过模 块40以支撑相同表面积的生物量。通过增加送风机的尺寸或工作速度 可提供更多的氧。然而，氧流过纤维腔14的阻力，可导致较大的压头 损失，例如10psi或更大。通过选择对于给定生物膜外部表面积产生 足够的总腔面积的织物类型和纤维数目，可使压头损失保持在10psi 以下。
而且，本发明已注意到，生长在具有高COD浓度，例如1000mg/L CODs或更高，或2000mg/L CODs或更高的废水中的生物膜比生长 在具有较低COD浓度中的生物膜更有弹性且趋于生长成几mm或更 多的不需要的厚度，膜生长得更快。因此，生长在高COD废水中的 生物膜需要更强有力的生物膜控制方法，这些方法反过来可制造所需 要的更结实的织物。
上面讨论的各种问题表明，对于相同片总平面面积或受支撑生物 膜的外表面积，用于高COD废水的织物最好比用于处理低COD废水 的织物具有更多纤维，且可选择地具有更大的表面粗糙度。这可通过 选择用于形成织物的方法或选择丝线或织物单元数或织物的厚度而实 现。还可采用多级反应器。在多级反应器中，上游反应器处理最高COD 浓度的供料并与具有含有大量纤维的致密织物的模块相配合。下游反 应器接收具有低COD浓度的部分已处理的废水并与具有对于相同片 或生物膜外表面面积含有较少纤维的低密度织物的模块相配合。该低 密度织物更经济，因为它具有较少纤维并对于相同平面表面积的片可 具有更高的生物膜面积。
织物片26也可通过其它方法制成，如编织、缝合或如经编之类的 编结。例如，当采用小单元19或纤维束甚至单股细纤维10时，经编 是理想的。如果需要，织物片26可象图案编结中一样形成图案，以提 供具有较少纤维或孔洞的区域，从而提高流过片26的流量。
在经编中，如图3d所示，织物片26包括“编结针脚”的交织环。 在一个针上形成的针脚列构成毛边。织物长度方向(“经向”)中的毛 边可由较便宜的日用纱线，例如PET，PP等制成，作为惰性纤维22。 惰性纤维22可承受处理和使用的压力和张力。织物片26通常在经(纵) 向是结实和坚硬的，在纬(横)向是有弹性的。纬线是垂直的纱线系 统，其横放在毛边上并由经向纤维22的针脚(环)固定。纬线不参与 织物(环)的形成，因此纬向纤维单元19可受到温和的处理，比经线 承受较小的压力和张力。因此，用单元19作为纬线来制备片26可使 在制造片26期间对纤维10的损伤最小化。纬线通常是在编结期间横 跨移过毛边(经线)平行层或纱线带。织物片宽度可以为约2-3m。
在图4a和4b的实施例中，片26是由打开的织物构成，该打开的 织物通过将纤维束20编织穿过织布机的梭子并使纤维束20只沿织物 26的边缘横过惰性纤维22而制成。示出的织物约为1.3m宽，也就是 说其具有约1.3m长的活性纤维10，且具有垂直于纤维束20编织、沿 边缘形成2cm带条的惰性纤维22。如图4b所示，每个纤维束20中 的纤维10在带条之外散开，从而纤维束20保持自由并在带条之间部 分张开。所得到的1.3m宽的织物卷切成约20-200cm或30-60cm宽 的段，以形成单个片26。在图4b中，为清楚起见，每个纤维束中的 纤维10的数目较少，但每个纤维束20可具有，例如1和200之间， 例如16、48或96个纤维10。
1.4 模块
1.4.1松散纤维束模块
根据本发明，包括纤维10、纤维束20或片26的多纤维单元19 可组成组以形成薄膜模块40。图5示出可称为纤维束或松散纤维束模 块的模块40，其纤维束20内排列和封装有纤维10。纤维束20由多个 纤维10，例如1和200之间或16至96个纤维松散集成而形成。纤维 10可稍微扭转或不扭转。纤维10可卷曲、打褶或形成波浪形以便为 每个封装行提供三维结构。卷曲可通过在改变纤维上张力的同时将纤 维10重绕到线轴上而形成。单个纤维10在纤维束20内保持彼此分开。 当覆盖以薄的、例如小于1mm厚度的生物膜时，这种纤维束20可提 供小于2.5、小于1或在0.1或0.2与1之间的通过纤维壁的气体传递 面积与生物外表面积之比(SA氧/SA生物膜)。如果需要，可向纤维束中 添加惰性纤维22以加强纤维束。每个纤维束20封装到树脂塞32中， 从而其两端34在树脂32的一面处打开。树脂塞32胶合到具有端口 36的塑料头部外壳35中，其形成通过空腔37将端口36连接到纤维 10的打开端34的头部44。有两个头部44，纤维10的每个端部连接 一个，虽然也可制作只有一个入口头部44的模块。通过两个头部44， 空气或其它气体可输入到一个头部44，流过纤维10并从第二个头部 44排出。纤维束封装到树脂32中，如聚亚安酯中，且切割封装端部 以暴露纤维腔。可替换地，可采用短效封装材料以阻塞纤维端部，如 在U.S.专利No.6,592,759中所描述的，或可采用其它封装方法。在图 5中，纤维束20的数目和每个纤维束20中的纤维10数目为清楚起见 在图中较少，而在实际中可以很大。
1.4.2 片模块
模块40也可由一束或一叠片26构成。片26可具有如图3a所示 的横跨片26整个宽度或者如图4所示的只在端部横跨片26宽度的一 部分的垂直惰性纤维。片26的原材料可绕在织物滚筒上。例如，在通 过编织制备片26的场合，当产生出材料时，材料绕在织布机末端的收 集筒上。当惰性纤维盘绕在滚筒上时，纤维单元19可延伸横过滚筒。 通过纤维的这种方式的朝向，通过从滚筒上滚出一段材料并用热刀或 热切割器切下就可从滚筒上切下单个片26。热切割器熔化纤维单元19 和惰性纤维并将它们粘合在一起以防止织物边缘碎裂或磨损。由于热 切割器熔化切割线两边的纤维带，例如约5mm宽的带，留在滚筒上 的纤维类似地一起熔化以生成稳定边缘。当片26已从滚筒上切下之 后，切割片的其它两边，即片26与热切割边成直角的边，以打开纤维 单元19的腔。为在切割压力下使纤维10的端部的变形或塌陷最小化， 首先加固待切割区域，例如用聚亚安酯对其进行浸渍以提供纤维10 或纤维单元周围的加固层。而后用锋利的切割器，例如剃刀边缘切割 器，横过纤维单元19进行切割。该切割器最好通过例如定期更换刀片 保持非常锋利，以使纤维10端部的变形最小化。也可采用其它用于服 装或纺织工业中的切割机器或工具。
单个或多个片26的端部可封装进头部以提供一个或多个与纤维 10的腔连通的端口36。为封装一个或多个片26，如上所述从滚筒上 切下片26。用例如胶水或转贴胶带将塑料间隔带贴在片26的一面或 两面上，贴在平行但偏离剃刀切割线、横过纤维单元19的片26端部。 为封装多个片26，贴有间隔带的片26在顶部彼此叠置，并例如在相 邻间隔带之间或在一个片26的间隔带与第二个片26之间用胶水或转 贴胶带粘贴在一起。间隔带不仅分隔相邻片26，而且在待以后施加的 封装材料与包含纤维10端部的头部空腔之间形成阻挡层。片26或片 26堆的端部安装到由例如注模制成的细长头部空腔内。与头部壁的间 隔和密封由粘贴到每个长头部壁的自粘贴封闭元件氯丁橡胶垫圈保 持。间隔带所遗留的头部空腔内的任何开口可用热熔胶水覆盖。头部 的最后密封通过在间隔带上灌注一层封装材料，例如两组分聚亚安酯 化合物而实现。该层可以为约45mm厚并在头部壁内部之间延伸。如 果有多层壁，要小心迫使或确保片26之间的封装材料流尽可能完全和 均匀。当封装材料硬化后，在纤维10的外部和头部壁之间形成密封， 但纤维10的端部仍保持与头部空腔连通。
图6-9示出模块40，其中在头部44内封装有一组平行片26，在 平行片42之间具有间隙42。当需要排出空气时，两个头部44可如图 所示使用。一个头部44也可用于通过纤维10的相对端排气或用于使 纤维10其它端部封闭而进行终端操作。间隙42的厚度可在2mm和 10mm之间，或在3mm和15mm之间。间隙42的选择可取决于要处 理的水或所选择的控制生物膜厚度的方法。例如，当采用空气冲刷来 控制生物膜30的厚度时，被拉紧片26的模块40可具有6mm的间隙 42。可通过将头部44安装到刚性结构上提供拉紧力，刚性结构可包括 箱体部分，一个或两个头部44可相对于该结构移动。可替换地，头部 44可附着到保持在可调整距离以外的框架的一部分上。通过各种封装 材料，如一种或多种聚亚安酯、热熔胶水、胶带、塑料间隔带或环氧 树脂将织物片26封装在头部44内并间隔开。相邻片26之间的间隔或 间隙42为流过模块的冲刷空气和物质提供空间。也可不采用分离片而 将一大片织物片26卷起或叠起以形成模块40。模块的长度可取氧传 递率和压力下降之间的折衷，且可在1m至5m范围内，或在1m和 3m之间。
参见图8，为形成模块40，纤维10的片26平放在横过纤维10 端部放置的粘附带50上(一个带位于一端)。追加的粘附带50和间隔 带52放在片26上，而后再放置追加的粘附带50和追加的织物片26。 重复这些步骤直到达到所需的片26的数目。所得到的组件而后密封到 一对相对头部44的头部外壳35内，从而纤维10的腔14通过空腔37 与头部44中的端口36连通。在封装之前切割纤维10的端部以使其打 开，例如如上所述。可选择将额外的胶水或封装树脂灌入头部外壳35 以进一步将纤维10密封到头部外壳35上。可替换地，片26可分别在 其边缘粘到间隔件上并插入头部空腔内，且用放置在该组件周围的另 外的胶水或封装树脂41将组件密封到头部外壳35上。此外可替换地， 可采用上述第一组装方法。
图9示出如上面大致描述而组装成的模块40的图片。两头部44 间隔约2米。另外的间隔件33用于两头部之间的中间位置以更好地保 持片26的间隔。细钢杆45附着到模块右半边中的织物片26的边缘以 用于折叠，这可从模块的左半边看出。模块40具有的SA氧/SA生物 膜的比约为5。
模块40的另一个实施例可如图10a至10c所示。模块40具有单 个片26，片26具有中空纤维单元19和惰性纤维22。中空纤维单元 19在片26两端的头部44之间延伸。头部44的宽度62使得堆叠的多 个模块40为相邻片26提供所需的间隔，其中彼此相邻的模块40通过 相邻模块44的头部44彼此邻接而堆叠。该模块40的头部外壳35是 透明的以允许看见空腔37。为封装片26，迫使折叠在塑料带上的头部 外外壳35打开并插入片26。头部外壳35在片26上弹回关闭。起端 口36作用的管插入到头部外壳的端部。封装树脂31平铺于片26和头 部外壳35的连接处、端口36和头部外壳35之间以及所有其它开口以 封闭空腔37。
再参见图4，可称为纤维束或纤维束片模块的另一个模块可由纤 维束20的打开片26制成，其通过沿编织边缘切割以打开纤维10的端 部并以其间0至10mm的间隔封装到一个或一对相对头部中。基于所 用的封装方法，其可包括上面所述的封装方法，纤维10可在其插入封 装树脂之前或之后切割打开。可将1至100或8至20个片封装到一对 头部内以生物模块。采用图1中的纤维以该方式制成的模块具有 1∶2.5(0.4)到1/11(0.1)之间的SA氧/SA生物膜比，其中生物膜厚度为250 微米。
1.5 盒子/反应器
通常，多个模块可组合在一起以形成盒子，且一个或多个模块或 一个或多个盒子可放置在一个箱体内作为反应器的组成部分。参见图 11和12，盒子110的模块40安装在试验性反应器的箱体112中，该 反应器用于每天处理1立方米的具有超过1,000mg/L，典型为 7,000mg/L的COD的工业废水。供料通过分批或连续过程进行处理以 将其COD浓度减少至排入其所要排入的市政下水道所需要的 300mg/L。箱体112具有1.8m3的充填容积。在箱体112中提供有15 个模块40，每个模块40包括6个3.6m2表面积的片26，片26由织成 纤维束的PMP纤维单元19的编织织物构成。纤维10为1.8m长且在 模块40的入口头部116和出口头部122之间延伸。每片中PMP纤维 束的总数为1968，且每片中的纤维总数为94464，每纤维束有48个纤 维，片26中有每英寸50根线的两个包装组件。而且，聚酯纱线垂直 于PMP纤维编织，每个模块的纱线总数为1912。纤维腔内的空气压 力下降在5至10psi范围内。每个模块的总生物膜面积为17m2，氧传 递面积约为生物膜面积的5.1倍。
所示实施例中的模块安装成使在头部116、122之间的片26的张 力可调。盒子提供刚性结构150，其可包括箱体112的元件或盒子子 框架的元件，邻近模块40，且一个或两个头部116，122可相对于刚 性结构150移动。
在示出的实施例中，刚性结构150包括一对沿模块40堆最外面的 模块的远侧表面延伸的侧板152。由图13和14可清楚地看出，模块 40通过将在侧板152之间横向延伸的支架154安装在模块40的任一 端而将模块40连接到侧板152上。安装支架154设有凹槽156，凹槽 156的形状适于容纳从与片26相对的头部116、122表面伸出的T形 舌部158。模块40可通过将头部116和122的舌部158滑进支架154 的凹槽156中而固定到安装支架154上。安装支架154可通过例如穿 过接合于板152的孔162的螺钉160和支架154连接表面中的螺孔164 而固定到侧板152上。
孔162可以是狭缝形，从而带有所附着的头部116、122的支架 154可水平移动以增加或减小片26的张力。在螺钉160和板152之间 可设置偏心安装的凸轮件166，其外部直径表面与固定到板152上的 邻接表面168接合。转动凸轮件166可迫使相对的支架154进一步分 开或允许它们向一起拉近，从而调整模块40中片26的张力。
张力调整机构可仅设置在模块40的一端或设置在模块40的两端， 并可更改为单独为每个模块40或子模块组调整张力。也可采用其它安 装方法以允许模块40再移动或拉紧。
在本发明的另一实施例中，元件或模块堆叠成竖直结构。来自模 块外部的冲刷空气或箱体内的水可从顶部流向底部或从底部流向顶 部。这使冲刷空气所需的资金和空气的工作成本最小化。
2.0 操作/应用
具有一个或多个纤维的纤维单元19可用作支撑反应器内生物膜 的薄膜。通常，含氧气体流入模块40的至少一个头部44。模块40可 以端部封闭模式工作，除了通过纤维以外，没有其它出口。可替换地， 模块可以以横向流动方式工作，气体进入穿过一个头部44，流过纤维 10，而后从另一头部44流出。氧含量和气体流速可设置成产生提供接 近纤维10外表面的需氧条件的氧传递，在该外表面处氧水平最高。在 该区域发生需氧反应，包括有机化合物向二氧化碳和水的转换以及氨 向氮的转换。生物膜可在其外表面或接近待处理物质处处于缺氧条件 下被保持且可发生氮向硝酸盐的转换。以这种方式，多个同时发生的 反应，包括基于有机物的碳、氨和总氮量的反应，可在生物膜上进行。
反应器80的实例如图15所示。图15提供了近似的栓塞流。反应 器80具有箱体82、进入箱体82的馈送入口84、从箱体82出来的流 出出口86、在馈送入口84和流出出口86之间的流路88，以及在箱体 82内的模块40形式的多个纤维单元19。每个模块40可具有一个或多 个从一个或多个头部44伸出的片26。多个模块40可设置成一个或多 个盒子110的组成部分。
片26和模块40的尺寸适于安装在箱体82内且充满其容积的大部 分。片26可定制为提供箱体82内可获得空间的有效利用。片26最好 在箱体82内布置成几行，其中的一行如图15所示。片26的厚度可以 在0.25到2mm范围内，且相邻片26在箱体82内以间距2到15mm 并排放置，以允许在相邻片26之间的生物膜生长和废水流过。
箱体82的长度大于其深度，且可具有最小混合的大体水平的流路 88。这通过在箱体82的端部附近(即入口84和出口86附近)留出一 些空间供垂直运动并在箱体82的顶部、底部和侧部留出最小自由空间 而实现。在流出出口86的上游还可放置挡板90以迫使流路88从其下 面通过。提供一个淤泥出口92以去除过剩的淤泥。
在馈送入口84和流出出口86之间的箱体82的大部分上，流路 88是大体平直的。每个模块40通过其附着到框架(为清楚起见未示 出)上的头部44而保持在箱体82内，框架使每个模块40保持在反应 器80内的适当的位置上，从而每个模块40的片26大体平行于流路 88。优选地，多个片26沿流路88按顺序间隔开，从而反应器80会更 近似具有栓塞流特性。被处理的废水可部分从流出出口86循环到馈送 入口84。这种循环可通过增加沿流路88的废水流速而增加气体的传 递率，但如果循环比很小，从而不会在反应器80内提供更近似混合流 特性时，则这种循环是优选的。
通过每个模块40的入口导管216向每个模块40提供含气氧，入 口导管连接到位于待处理水上方的入口总管94上。由于入口总管94 位于水的上方，任何模块40中的泄漏都不会使水进入总管内也不会进 入其它模块40内。气体通过每个模块40连接到排气总管95上的出口 导管218而离开模块40。虽然不是严格需要收集离开每个模块40的 气体，但这样做确实提供一些好处。例如，排出总管95中的气体可变 得富含挥发性有机化合物，其会在容纳反应器80的房屋中产生臭味或 产生有害健康的问题。这些气体最好进一步处理或至少排出到房屋以 外。
氧通过纤维10扩散或弥漫。所扩散和弥漫的氧可在片26附近培 养出需氧生物膜，在需氧生物膜附近培养出缺氧生物膜且可使待处理 的废水保持在厌氧状态下。这种生物膜同时提供硝化作用和反硝化作 用。搅动源98经常工作以搅动片26使其释放积累的生物膜。合适的 搅动源是普通气泡充气设备，其对待处理的水不提供足够的氧以使其 处于非厌氧状态。
图16示出第二种反应器80，其具有箱体82、馈送入口84、流出 出口86、流路88和多个模块40。框架(未示出)将每个模块40保持 在适当位置，从而每个模块40的片26大体平行于流路88。
片26的尺寸适合于安装在箱体82内且充满其容积的大部分。片 26可定制为提供箱体182内可获得空间的有效利用。片26的厚度可 以在0.25到2mm范围内，且以间距2到15mm并排放置以允许在相 邻片26之间的生物膜生长和废水的流过。
箱体82的深度大于其长度以促使在箱体82大部分上方的直且大 体垂直的流路88具有最小混合。这通过在箱体82的端部和侧部附近 留出最小空间而在箱体82的顶部和底部留出大量空间而实现。待处理 的水可从流出出口86部分循环到馈送入口84，但如果采用循环，则 循环速度优选较小。
通过连接到总管94的入口导管216向每个模块40提供含气氧。 入口总管94可选择地位于待处理水的上方，从而任何模块40中的泄 漏都不会使水进入总管内也不会进入其它模块40内。出口导管218 连接到出口总管95上，出口总管95可选择地位于待处理水表面上方。
可替换地，通过向出口导管218施加吸力而产生流过模块40的气 流。入口导管216放置成与大气流体连通。通过这种方法，气体穿过 薄膜的扩散速度稍稍降低，但送风机的排气可连接到其它用于处理排 出气体的设备。
氧最好通过薄膜120扩散或弥漫，从而在片26附近培养出需氧生 物膜，在需氧生物膜附近培养出缺氧生物膜且使待处理的废水保持在 厌氧状态下。搅动源98经常工作以搅动片26使其释放积累的生物膜。 合适的搅动源为一组机械混合器。
参见图17，反应器100具有箱体112，在箱体112内安装有一个 或多个薄膜支撑的生物膜模块盒子110。盒子可具有一个或多个模块， 如上所述。模块40也可以是纤维束模块、平面元件模块或采用薄膜支 撑生物膜的其它类型模块。每个模块40具有气体入口头部116，空气 或其它含气氧通过送风机118从该入口头部116送入。气体从入口头 部流到一个或多个纤维10内部(或腔14)。纤维10的壁起到气体传 递薄膜120的作用。一部分气体穿过薄膜，而另一部分，和可能从箱 体112中收集的一些气体，流入模块40的出口头部122并流到排出机 构124。离开排出机构124的气体可经后处理或排入大气。
供料水通过供料阀126和供料泵128进入反应器100。供料填充 至模块40上部的供料填充水平130。当处理一批供料后，排出阀131 打开以排出箱体112中的已处理的水。已处理的水可流到市政下水道、 周围环境、直接排入接纳溪流，或流到另一级MSBBR(薄膜支撑的 生物膜分批反应器)或另一种反应器以进行进一步处理。
生物膜132生长在薄膜120的外部。为控制生物膜132的厚度， 在模块140下面设置一个或多个充气装置134并通过充气阀138将其 连接到冲刷空气送风机136。当箱体112充满水时，可操作冲刷空气 送风机136以提供气泡。气泡穿过模块140上升并物理性地从薄膜120 上去除一些生物膜132。充气装置134还通过气体供应阀142连接到 气体供应源140上。气体供应源140可含有加压气体或气体发生器以 及泵或其它用于当箱体112排空时供应气体的设备。反应器100还具 有能够用供料水以外的其它液体充填箱体112的液体泵144。液体泵 144可连接到保存液体的贮液器上或连接到流过改良器的清洁水源， 改良器可以是化学注入设备或加热器。箱体112通常向大气开放并含 有基本上为大气压的液体，但具有盖146，其可经常关闭以提供封闭 空间。
反应器100内的主要处理过程包括向生物膜132分批施加供料。 采用供料泵128向箱体112内充入供料直到供料水平130。供料泵128 通过均衡贮液器148连接到供料源上以能够从无批次供料进行分批操 作。供料留在箱体112内一段时间，例如12至96小时，在该段时间 内其由生物膜32处理。在处理期间，盖46可保持打开，但箱体112 中的水为基本上缺氧或厌氧。然而，通常作为空气成份的氧由送风机 通过薄膜120供应到生物膜132，在生物膜132上生成需氧区。在处 理期间有些时候，再循环阀149可打开且供料泵128工作以混合箱体 112中的供料水。
当生物膜132已消化供料至所需程度后，排出阀131打开以排空 箱体112。排出可分两个步骤进行。在第一步骤，排出沉积在箱体底 部的固体泥浆以去除其后运送到淤泥处理系统的沉淀固体。在第二步 骤，清澈的澄清液体然后排出到第二级处理或消毒系统，或流入下水 道、或流入接纳的溪流。
可在注入操作的全过程中继续提供含气氧以继续消化被吸附在生 物膜上的材料，并确保只要生物膜的一部分浸入废水中就立即开始处 理。类似地，可在排出操作的全过程中连续充气，从而只要生物膜的 一部分浸入就继续处理，且即使在还未浸入时在短时间内也消化被吸 附在生物膜的有机物，从而使每批的处理时间最大化。
现在参见图18，所示出的反应器400具有与反应器100类似的部 件，但没有气体供应源140、气体供应阀142或液体泵144。
在分批处理中，废水的浓度向每个处理周期的终点减小。向生物 膜供氧的需求量也减小，从而向模块气体供应可减少。采用至少部分 为纤维束形式的纤维构成的模块具有用于氧传递和生物膜生长的非常 高的表面积。纤维束模块在处理具有低COD，例如1,000mg/L或更 少，500mg/L或更少的废水中尤其有利，因为它们提供较大的表面积。 穿过细纤维腔的压力损失不会限制传递氧至处理低COD废水的生物 膜所需要的空气供应量。虽然纤维束模块可对处理其它废水同样有用， 但它们可用在初始供料就具有低COD或作为其它处理过程或装置之 后较浓的供料水的COD浓度已减少的第二或第三级的情况下。对于 市政废水或其它供料，例如具有1,000mg/L或更多COD的供料，可 使用两级装置。在第一级，使用纤维片形式的膜支撑生物膜模块，如 图9所示。包括这些模块的反应器的出口连接到包括具有图4中所示 片的纤维束模块的反应器，其提供第二级处理。本发明者已注意到， 高COD废水的COD的快速下降限制由膜支撑生物膜反应器产生的反 硝化作用。由于两级处理，第一级可优化用于去除COD。送入第二级 的供料具有降低的COD且第二级可优化用于在降解微生物的碳上支 撑硝化微生物，例如物种硝化细菌和亚硝化单胞菌，以在第二级提供 改善的氨氧化。
通常，当考虑COD时，采用可溶性COD，因为可溶性COD最 容易由生物膜30消化且容易测量。然而，特别对于在其部分或全部区 域上具有松散纤维束20的模块40，在生物膜中嵌有一些不溶性COD 颗粒。随着时间的推移，这些颗粒分解成可溶性COD并被消化。因 此，全部或部分生物所能分解的COD在一些实施例中也可以是相关 参数。
对于具有1000mg/L或更多CODs的供料，模块40的SA氧气/SA生 物膜 可以为1或更大，例如在1和10之间。具有织过纤维10的整个长 度的，用高数量纤维进行致密编织以获得高载荷的片26的模块40是 有用的。对于具有1000mg/L或更少CODs的供料，模块40的SA氧气 /SA生物膜可以在0.2和2.5之间。例如，具有织过纤维10的整个长度的， 但采用较不致密的编织的片26的，或者具有中央开放纤维束20区域 的片26的模块40是有用的。对于具有300mg/L或更少CODs的供料， 模块40的SA氧气/SA生物膜可以为1或更小，例如在1和10之间。例如， 具有带中央开放纤维束20区域的片26的模块40，或者松散纤维束20 的模块40是有用的。
图19a示出具有模块40的小型反应器，模块40通过将纤维束20 封装100到一对相对头部44中而形成，每个纤维束20具有96个纤维 10，如图1所示。模块40用于以分批过程处理供料水。在该过程中， 模块40位于充满至4L合成废水的箱体112内。箱体每1至7天被排 空并注入新鲜供料。以10mL/分钟向模块施加空气。在六个月以上的 时期内稳定厚度的生物膜30生长在模块40上。生物膜30基本上是内 生的，其生长速度通常等于其衰退速度，除了生物膜30的一小部分脱 落随箱体的一些排水而流出以外。纤维束20的一部分在图19b中示出。 各个纤维10都覆盖在生物膜30内。在一些地方，围绕一小组纤维10 的生物膜30可在一段纤维10的部分上合并在一起。示出生物膜30 的厚度为250微米。
现在参见图20，其示出了另一种适用于例如腐烂物箱、腐烂物箱 改型或船用处理厂的反应器。所示出的具体反应器是一个腐烂物箱体， 其采用具有位于相对侧的入口412和出口414的标准腐烂物箱体410。 箱体410有两级，包括初级室416和次级室418。分隔壁420具有水 下孔422，其允许两室416、418之间的流通。在次级室418内放置一 个或多个模块424。空气通过入口管426供应到模块424的底部头部。 未用完的空气从模块424的上部头部通过排气管428排出。通过冲刷 空气管432定期向位于模块424底部下面或附近的喷头430施加冲刷 空气。每个模块424具有1至100或8至20个如图4所示的片，其都 封装到一对头部以形成模块424。例如，单个家用腐烂物箱可具有8 至10片的模块424，用1/4马力的空气送风机送风并产生约1至7psi 或约3psi的压力下降。通过典型的家庭供料，大体内生的生物膜生长 在各纤维和纤维束20的表面。生物膜中的生物处理导致悬浮固体和流 出物化学需氧量的减少，使得腐烂物瓷砖场的大小减小或消除。
在本发明的另一个实施例中，多个生物反应器按顺序安装以提供 接近栓塞流的流动模式。这导致较高的反应速度和较好的氧利用率。
在本发明的另一个实施例中，通过氧形成尖峰以满足不同水平的 氧需求量并达到高生物反应器载荷，不同的氧水平用于生物反应器的 不同级。不同的氧水平也可用于单个反应器或反应器级的不同时间。 为增加氧水平，可增加送入纤维腔的气体压力或供料气体的氧含量。 类似地，为减少氧水平，可减少供料气体压力或氧含量。较高氧水平 可用于多级反应器的上游级或用于高载荷反应器。氧水平也可定期或 时常增加以相应于反应器上的载荷临时增加的时间段，例如响应废水 强度或数量的季节性或每天变化。
3.0 生物膜控制
在薄膜支撑的生物膜反应器中，控制薄膜上生物膜的厚度是有利 的。例如，在反应器100(图17)中，虽然箱体112定期排空，但大 部分生物膜132保留在薄膜120上，尤其是当供料具有高COD时， 例如超过300mg/L时更如此。过厚的生物膜132，例如2mm厚或更 厚，与较薄的薄层相比，例如1mm厚或更薄，只增加很小的消化速 度，如果增加的话。然而，使薄层132保持较薄可使模块40的片26 能够放置得更紧凑，从而提供更多的每模块体积的表面积。这种表面 积的增加通常足以弥补由厚生物膜132所可能达到消化作用的任何较 小增加。
因此，提供一种手段以防止生物膜32变成多余的厚度。下述方法 可分别实行或以各种组合方式实行。处理频率随生物膜132的生长速 度而改变。例如，生物膜132可以每天10微米的速度生长且模块40 可制成容许在0.2mm和0.8mm之间的生物膜。因此，每5至10天可 需要进行生物膜控制过程。可替换地，在生物膜控制过程之间的时间 长短可与自上一次控制过程后生物膜已消化的COD量相联系，其又 将该时间与自上一次控制过程后生物膜厚度的增加相关联。例如，控 制过程可在生物膜处上一次控制过程后已消化每平方米生物膜面积约 20至200克COD时进行。当控制或厚度减少过程以该频率进行时， 即使每个控制时间段不对生物膜厚度具有急剧效果，也可长时间保持 稳定的生物膜。控制过程可一次施加在整个生物膜上或每次施加到生 物膜的一部分上。
3.1 生物膜控制的机械方法
一些控制薄膜120上的生物膜132厚度的方法涉及机械去除部分 生物膜132。在一个这类方法中，仍参照图17，一个或多个充气装置 134设置在模块114下面并通过充气阀138连接到送风机136。当箱体 112充满液体时，送风机工作以从模块40下面的充气装置134产生气 泡。气泡机械地冲洗生物膜而且还产生流过模块40的水流，其物理性 地去除一些生物膜132。可采用2-8英尺/秒的高冲洗空气速度或1 至10分钟间隔的5至20，例如约10立方米每小时每平方米模块的空 气施加速度。例如，这可以每天一次进行或每星期一次进行。而且， 空气可用于定期混合生物反应器的内容物。
其它的机械方法包括在箱体112排出时用水喷射模块40以及例如 用梳子、金属丝或刷子物理性地去除生物膜132。去除的生物膜132 落到箱体112的底板上并可被冲出排出管以进行象废弃的淤泥一样的 进一步处理。这些机械方法可比其它方法以更低的频率实行，而且当 要实行这些方法时，可在其它方法已使生物膜132弱化后实行这些方 法。
控制生物膜的机械方法通过为片26提供粗糙或纹理表面而得到 增强，表层起伏在所需生物膜厚度范围内。所需的生物膜厚度可以是 200至1,000微米。
3.2 化学方法
在另一个实施例中，引入纤维腔的臭氧气体用于氧化生物膜的一 部分以使其能消化。而后向腔提供氧以允许生物膜消化氧化的有机物， 从而减少生成的固体总量并控制生物膜的厚度。氧可作为单独的步骤 提供或作为消化废水的常规步骤的一部分提供。反应器可以这种方式 每次使一个模块或其一部分得到处理。
在另一种方法中，控制物质施加到生物膜132的箱体侧。例如， 在箱体排空后，加热到例如35-55C的洁净水可通过液体泵144泵入 箱体112。热水停留在箱体内一段时期(接触期)，例如3-5小时， 足以杀死一部分生物膜132且溶解部分形成生物膜基质的有机物。由 于供料已去除，生物膜也处于某种程度的饥饿状态。可继续向腔施加 氧或可关闭氧。也可在此时间内提供空气冲刷以促进生物膜的去除， 虽然在没有空气冲刷时进行此操作会更经济，尤其是如果可将送风机 136和充气装置134从反应器中全部去掉则更是如此。生物膜132也 处于某种程度的饥饿状态。在接触期之后，水通过排出阀131排出。 在工业处理系统中，排入的水将具有一些COD，但可选择接触期的持 续时间从而排出物仍适于排放到市政下水道，因为大多数被杀死的有 机物将保留在生物膜32中。在接触期的后期期间，生物膜32的活性 内部会生物降解被杀死的有机物。受加热水或非加热水的作用可通过 添加化学制品而得到加强，例如添加PH值在1和6之间或在3和3 之间的酸，PH值在8和13或在9和11之间的碱，或者酶。选择化 学制品以及它们的浓度和接触时间以部分溶解或弱化一些作为生物膜 的结构组分的有机物，但只杀死一部分微生物，而在活性生物膜内留 下大部分微生物以快速重新启动反应器。
在另一个方法中，气体向生物膜132的箱体侧施加气态控制物质。 当箱体112在一次周期末排空时，从气体供应源140施加该气体。关 闭盖146，从而气体保留在箱体112内。气体可是各种类型，例如象 氯之类的酸。可替换地，可采用臭氧。臭氧的主要目的是破坏生物膜 132中微生物的细胞壁以使其更易生物降解。所施加的臭氧量足以直 接氧化超过5％的生物膜并只杀死一部分存在于生物膜中的微生物。 然而，当箱体再将充满时，耐高温有机材料转化成以后通过生物氧化 而减少的有机材料。臭氧以气相形式(空气或氧气)产生并易于在空 的箱体112内分散。臭氧在箱体112内保留一段时间以使其能由生物 膜132吸收。当箱体112排空以使淤泥减少时，可控制箱体112内氧 化还原作用环境。通过在箱体112充满臭氧期间打开和关闭向入口头 部116的馈送可在生物膜132内建立交替的需氧和厌氧环境以加强臭 氧的作用。被杀死的和部分氧化的有机物保留在生物膜132内并以后 在原地被消化，从而过剩的生物量无需从箱体112中除掉以做进一步 处理。由于碳/氮(C/N)比增加，也增强了反硝化作用。在此方法中， 由于薄膜120受到生物膜32的保护，臭氧还可用于对臭氧敏感的薄膜 120。
3.3 生物学方法
在另一方法中，蠕虫或其它动物或高级生物形式用于反应器的隔 离部分内以消化过剩的生物膜，从而减少生物固体的生成。蠕虫等生 长在独立的生物反应器中。当需要时，通过用含有蠕虫的液体悬浮液 或盐水充满箱体来施加蠕虫等。
生物膜控制的另一方法是内在呼吸。通过此方法，保持施加到生 物膜132的供料加载，从而生物膜132的衰减速度等于其生长速度。 实际上，在一次处理中生长速度可少量超过衰减速度，因为当箱体12 排空时，一些生物膜132可脱离并离开箱体12。然而，内在呼吸实际 仅发生在低加载率时，因此更适合具有低COD浓度的供料，例如 1000mg/L CODs或更小，或300mg/L CODs或更小的供料。
另一种方法是定期饥饿。在该方法中，供料保持在箱体112内延 续一段时间，从而COD浓度下降到通常的一次处理结束时的浓度以 下。生物膜132得不到营养且很快衰减，直到下一周期。生物膜还可 通过去除供料并向箱体内充满洁净水，例如自来水或饮用水，或通过 向反应器加载低于每天每公斤MLSS 0.1kg CODs的供料而受到饥饿。
在另一方法中，在一段时间内循环打开和关闭模块40入口头部 116的气体供应。改变的氧供应震动生物膜132并导致衰减增加。生 物膜上的需氧和厌氧面积在消耗其他物质时或被其他物质消耗时产生 膨胀和压缩。可替换地，如臭氧或氯之类的气体可添加到入口头部116 以增强震动。
在化学或生物学生物膜控制中，片26之间可采用靠近的间距，例 如3-4mm，因为不象用空气冲刷、搅动或其它去除生物膜的物理方 法一样需要流过模块40的湍流。当片26或纤维10或单元19未排列 好，从而冲刷空气流不能到达生物膜的全部时，化学或生物学方法是 有用的。对于打开的片26或具有无支撑的或松散的纤维10、纤维单 元19或纤维束的模块，化学或生物学方法也是有用的，这些片或模块 会由于空气冲刷、搅动或物理方法而损坏。可替换地，可以组合一个 或多个化学方法，一个或多个机械方法或一个或多个生物学方法。
实例：
实例1：薄膜支撑生物反应器中化学需氧量(COD)减少
采用图6-9所示的模块，但只采用单个纤维片的模块，制造小型 生物反应器。片的长度为0.57m，高度为0.45m，假设在片的两面均 可供生物膜生长，则提供约0.5m2的总生物膜面积。气体传递表面积 与附着的生物膜表面积比在约5和6之间。入口空气流量在压强为 34.5kPa时为25ml/分钟。反应器体积为30L。以分批方式定期引入具 有1000mg/L COD水平的合成废水。合成废水由溶解在自来水中的 1.0g/L可溶胨和0.03g/L磷酸氢钠组成。进行一系列分批反应以确定 反应速度和氧传递效率。图21示出三个分批时期：从第2天到第5 天的三天时期，从第6天到第9天的三天时期和从第9天到第10天的 一天时期。可以看出，在每个三天分批时期获得80-90％的COD减 少。约40％的COD减少在一天分批时期完成，暗示着当废水浓度较 高时，COD减少的速度较高，而当配料中的COD浓度随时间减少时， COD减少的速度水平下降。在这一系列测试期间，当按空气出口浓度 测量时，氧传递效率的范围为50-70％。
实例2：合成废水的小型测试
把小型生物反应器设计成采用如实例1中所描述的单片模块。如 实例1所述，注入具有1000mg/L COD水平的合成废水并用模块上的 生物膜进行处理。计算或测量并记录COD的去除速度和氧传递速度 以及生物膜厚度。对于约第一个21天，反应器(其具有30L的充满 容积)在变化的分批时期后排空并重新注入供料以保持箱体内的 CODs基本上在500和1000mg/L之间。在第8天和第16天，除排空 箱体并重新注入新的供料外，还用喷水器强有力地冲洗模块以去除生 物膜。从约第21天到第30天，生物膜遭受饥饿(即当继续向模块供 应氧时，向箱体注入自来水，即清洁或可饮用水)并进行空气冲刷处 理。在约第30天，箱体排空并重新注入供料。从那时起，箱体每天排 空并注入废水但并不采取生物膜控制步骤，以允许生物膜在厚度上生 长且观察这种生长的效果和速度。测试结果在图22中示出。可以观察 到，COD去除速度在约每天每平方米19至38克之间变化，不与生物 膜厚度成比例。氧传递在约每天每平方米10至15％克之间变化，也 覆盖了相对较宽的生物膜厚度范围，即从约0.5mm至超过2.3mm，在 该厚度，测量装置达到其最大厚度。
实例3：工业废水的探索研究
采用基本上如图像6至9所示的四个模块进行小型探索研究。每 个模块具有6片纤维以及3.6m2的总平面表面积或生物膜面积，且气 体传递表面积与附着生物膜表面积之比在5和6之间。模块安装在300 升的箱体内。反应器用胨(约2000mg/l)开始操作，而后向废水中加 入衰退配给量的胨以加速片上生物膜的初始生长，但然后使生物膜适 应废水。在使生物膜适应后，进行分批操作，用工业废水充满箱体。 废水从多种来源汲取，选择该多种来源的比以形成约3000mg/L的供 料COD。“纯”氧以约5psi的供料压力供应到模块。如图23所示，整 体CODs浓度在2到3天内下降到1000mg/L以下。还注意到，在每 次处理期间，COD去除速度随着废水中整体COD浓度以及随时间下 降。
在对应于箱体内不同CODs浓度的分批处理期间的不同时间段计 算COD去除速度。还对具有5000mg/L和7000mg/L初始CODs的分 批处理进行测试以观察较高初始COD浓度对COD去除速度的影响。 其结果在图24中示出。如图24所示，在较高加载时去除速度通常较 高，只是在测试的反应器中，非常高的加载不总是产生非常高的去除 速度暗示空气供料压力、空气向生物膜表面积传递的表面积或总模块 面积中的一个或多个对非常高的加载不是最适宜的。
同样的反应器用于在连续操作下进行一系列试验。在试验中，改 变HRT和入口CODs。供料气体是供料压力为5psi的“纯”氧。在图 25中对于每次试验示出，按试验的HRT分布的平均入口CODs、出 口COD和去除速度。COD去除速度通常随HRT的增加或随入口 CODs的减少而减少。
生物膜控制过程的效果也在上述分批试验期间在反应器中得到证 实。每小时施加15秒的约1scfm/模块的柔和充气以主要用于混和，每 2-3天施加2-3分钟的约4scfm/模块的更强烈的空气冲刷以主要用 于去除生物膜。生物膜的厚度成功地保持在约0.2mm至小于0.8mm， 与反应器中平均整体CODs无关，其从约300mg/L到约5,500mg/L变 化。
实例4：市政废水的探索研究
采用实例3中所描述的两个模块进行另一个探索研究，每个模块 具有约3.6m2表面积，安装在85升箱体内。空气以约5psi的供料压力 供应到模块。向下水道初始加入胨以加速片上生物膜的初始生长，如 实例3所述。进行分批处理，用市政废水充满箱体，通过3mm筛子 过筛，使初始CODs平均为100至200mg/L，但偶尔升至700mg/L。 在分批处理结束时，COD浓度基本上降至30mm/L以下，且COD去 除速度也基本上降至1g/m2/d以下。图26示出一个分批处理中采样周 期内相对于时间的CODs和CODt水平。
还对连续处理进行了研究，在约60天期间内进行不同的试验。在 试验中，HAR从24小时至3小时改变且入口CODs从100mg/L到 200mg/L改变。在较低加载速度的情况下，平均去除速度趋于较低。
在连续处理研究中还测量硝化作用和反硝化作用。4次试验的结 果在下表中示出。
表1：连续处理中的硝化作用和反硝化作用   HRT   (小时)   入口   CODs   (mg/L)   入口   NH3-N   (mg/L)   出口   CODs   (mg/L)   出口   NH3-N   (mg/L)   出口   NO3-N   (mg/L)   11.5   165   18.2   29   3.5   3.4   7.8   117   19.6   25   5.4   4.4   4.4   105   17.7   35.9   5.6   4.3   3.1   84   18.7   37.6   11.6   1.3
在市政废水研究中也测试了生物控制。在空气冲刷时所观察到的 生物膜厚度平均为0.2mm，但在有些个别片之间呈现出积聚较厚的生 物膜，表明这些区域未得到完全的冲刷空气。
实例5：带废水的纤维束模块的小型研究
测试一种类似于图5中所示的模块，其具有100个PMP纤维束， 每个纤维束具有96个致密壁PMP纤维。模块中纤维的总表面积为 0.54m2。在模块中，每个纤维束分别封装有上部头部和下部头部。空 气以10ml/min的速度通过底部头部馈送到模块中并从顶部头部排出。 模块是悬空的，其顶部头部夹持在水表面处的夹子上，底部头部垂下， 放在充填容积为4L的容器内。模块采用1000mg/L CODs的合成废水 以及腐烂物箱中的废水以分批模式操作。在每个分批处理周期开始时， 容器充满废水。在约1至7天处理周期期间，空气供应到支撑生长在 纤维上的生物膜的模块上，而废水既不添加到箱体中也不从箱体中排 出。较短的分批处理周期通常用于具有较低COD浓度的废水。在处 理周期结束时，排空箱体。加入新的废水以开始下一个处理周期。在 不同时刻，取下模块以无破坏性地测量其上的生物膜厚度并进行废水 中COD测量。
采用合成废水的测试得出的厚度测量值记录在图27中，图中示出 在180天的操作时间段中纤维上生物膜的厚度。开始没有生物膜，但 在约20或40天后，生物膜生长成具有在大体上约100和300μm范围 之间的厚度。对于大多数测试运行，未采用额外方法来控制生物膜厚 度，但生物膜厚度保持基本上稳定和适当。在至少一些箱体排空操作 期间，观察到生物膜的一小部分从模块上脱落，生物膜控制另外由生 物膜内部生长提供。然而，在约15天的时间段内，模块以饥饿方式工 作。在该方式下，箱体充入自来水且继续送入空气。在饥饿时间段期 间，生物膜的厚度从约250μm减少到约100μm，表明饥饿时间段对减 少生物膜厚度产生作用。
图28和29示出在采用合成废水的测试中COD的去除速度。图 28示出作为时间函数的去除速度，图29示出作为COD浓度函数的去 除速度。首先参见图28，图中的每个垂直线表示新的分批处理周期的 开始。因此，在由垂直线指示的时刻，具有1000mg/L COD的新的废 水加入到箱体内。随着分批处理的进行，废水得到处理，从而其COD 浓度减少。如图28所示，在每个分批处理周期内，COD去除速度随 时间趋于下降，暗示去除速度与废水中的COD浓度有关。此外，在 第154天至第159天之间的分批处理的去除速度接近零，表明进一步 的处理时间将具有边际值。在图29中，COD去除速度直接按照在废 水中平均COD浓度进行绘制。如图29所示，COD去除速度与废水 中COD浓度的关系接近线性，其中去除速度基本上与COD浓度成比 例。
对于采用腐烂箱废水的测试，从腐烂物箱的第二腔室中抽取废水。 对于一个试验，废水的特性如下：
总化学需氧量(CODt)：377mg/L
可溶性COD(CODs)：199mg/L
氨氮(AN)：55.1mg/L
总悬浮固体(TSS)：70mg/L
模块工作于分批处理模式，其分批处理时间段约为24小时，以模 拟腐烂物箱中的实际反应条件。在这些时间段期间，空气以上述给定 速度供应以向生物膜提供氧。在22小时35分钟持续时间的处理时间 段后，分析已处理废水的样品并得出以下结果：
CODt：140mg/L
CODs：73mg/L
AN：24.7mg/L
TSS：1mg/L
排出物质量得到显著改善。特别是TSS获得了极大的减少。通过 可视观察，去除的大部分TSS是胶状物质形式。
图30记录了采用腐烂物箱废水的另一个试验的结果。反应器工作 在两天的分批处理时期，在该分批处理期间的开始、中间和结束时测 量CODt、CODs、TSS和氨氮。为进行比较，将同一天从相同腐烂箱 中取出另一个废水样品放入500mL量筒中并作为控制监视。在两天的 工作后，在反应器中总COD(CODt)的减少量达到75mg/L，去除量 超过70％。在两天的处理后，TSS从34mg/L下降到几乎没有可检测 到的TSS。在这时期还减少氨氮。在此相同时期，该控制使COD的 减少量和TSS的增加量小于40％。分批处理和反应器不仅通过去除 COD有效地处理腐烂物箱废水，而且由于处理的静态本性还部分去除 悬浮固体。
实例6-化学生物控制
采用实例1中描述的单片反应器进行生物控制研究，该单片反应 器上面具有非常厚的生物膜。在测试开始时，箱体排空并向反应器内 加入30L pH值为9.43且温度为40℃的氢氧化钠去离子水溶液。在首 先的4小时浸泡后，开始2scfm的空气冲刷，且在氢氧化钠溶液存留 在箱体内期间，空气冲刷持续18个小时以上。继续向腔供应空气。生 物膜厚度在首先的4小时时间段内稍稍减少(4.6mm到4.3mm)。在 18个小时的浸泡和冲刷后，生物膜的厚度进一步减少到3.2mm。
在另一个生物膜控制研究中，采用6个如图10a和10b所示的单 片模块。每片约为27cm长乘20cm宽，且具有约0.11平方米的可用 表面积。这些片通过纵向延伸的中空纤维织成并在两端打开。空气传 递面积与生物膜面积之比约为6至1。模块放置在20L(工作容积) 反应器内，该反应器在室温下以分批处理模式工作，分批处理时间段 为约3天。向反应器馈送浓度为从2000至8000mg/L COD的合成污 水。以约2psi向模块腔馈送空气，空气在每片入口头部的流量约为 20mL/min。在两批处理之间间隔3至7天时，模块在NaOH热水溶 液中浸泡4个小时，溶液的pH值为10，温度为50℃。继续向腔供应 空气。4小时后，反应器重新注入供料。在浸泡期间或分批处理期间 不提供空气冲刷。图31示出依时间变化的生物膜厚度，该生物膜厚度 保持在0.2到0.8mm之间且在140天期间内平均约为550微米。从在 该期间内的分批处理计算的结果表明，在清洁处理之间的间隔期间， 每平方米生物膜去除了66至120克COD。
在本发明的教导下，可以对本发明进行许多修改和改变，且本发 明可以上述描述以外的形式实施。本发明由下述权利要求书限定。
对于美国，本申请根据于2003年2月13日提交的系列号为 No.60/447,025以及于2003年8月18日提交的系列号为No.60/496,178 的U.S.临时专利申请的35USC 119(e)，要求其权益。对于其它国家， 本申请要求这两个申请的优先权。本申请还要求均在2003年8月22 日提交的，申请号为No.2,438,441；2,438,432；2,438,050和2,438,101 的加拿大专利的优先权。