CN111867990B - 移动床生物膜反应器方法中的生物膜载体介质 - Google Patents

移动床生物膜反应器方法中的生物膜载体介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在移动床生物膜反应器(MBBR)中承载生物膜的生物载体，所述载体是包含脱水污泥的颗粒。本发明公开了生物载体在MBBR方法中用于净化来自污染物的液体的用途，并且提供了制造生物载体的方法。

Description

移动床生物膜反应器方法中的生物膜载体介质
发明领域
本发明涉及用于在其上生长生物膜的载体元件，其中所述载体元件被设计成在液体中自由流动，所述液体通过所述生长的生物膜在生物学上从污染物中净化。
背景技术
已知在水或废水的生物处理中，水通过某种类型的反应器或数个反应器(容器或另一个空间)，其中微生物被用来将水中的污染物转化为无害的最终产品，诸如二氧化碳和水。该处理可以在供给空气(需氧地)或不供给空气(厌氧地)或不供给空气但是存在大量硝酸盐(缺氧地)的情况下进行。为了提高处理方法的效率，通常通过以下方式实现该方法中的活性微生物的高含量：防止这样的微生物与处理过的水一起逸出，或者使微生物悬浮在反应器中进行生长并且在反应器之后的分离阶段将它们从水中分离并且将微生物返回到反应器(例如活性污泥法)，或者将某种支撑材料引入该方法中，微生物可以作为生物膜生长在所述支撑材料的表面上并且因此保留在该方法中(生物膜法)。还存在这两种方法类型的混合物，称为混合法，其中将支撑材料引入活性污泥法中，以便在该方法中可以利用悬浮的微生物以及生长生物膜的微生物。
与活性污泥法相比，生物膜法具有许多优势。可以应用更高的有机负载率，并且生物膜法对于变化和干扰表现得稳定得多。大多数常规生物膜法在反应器中都含有填充的固定载体主体，生物膜可以在其上生长。固定载体主体可能被反应器中的生物膜生长或其他固体材料堵塞或阻塞，从而产生所谓的死区，其中在死区中，生物膜中的微生物与待处理的水之间的接触受到高度限制。
移动床生物膜反应器(MBBR)是另一种生物膜法，其中可移动的专门设计的载体材料(通常为塑料体形式)具有用于生物膜生长的受保护的表面，所述载体材料通过充气或通过混合器保持悬浮，这取决于该方法是需氧的、厌氧的、还是缺氧的。通过使流出的水流过直径小于载体材料的滤网或筛网，可以将在微生物在其上生长的载体材料保持于该方法中。与固定膜法相比，MBBR方法在悬浮的可移动载体材料之间的碰撞方面具有优势，这大大限制了在不进行处理的情况下堵塞和产生死区的可能性，这是固定膜方法的常见问题。
MBBR技术中使用的专门设计的载体介质通常需要利用塑料材料并且通过挤压加工来生产特定的塑料载体介质片。使用的塑料原料和塑料加工给现有的MBBR技术带来了以下缺点：
·专门设计的塑料载体的生产是昂贵的，从而使载体介质成为MBBR方法的巨大成本；
·设计塑料载体以提供受保护的表面积会减少每立方米可以提供的总有效面积，因为在载体的设计中需要包括用于受保护表面的开口。受保护的表面积是在悬浮中移动的这些塑料载体所必需的，因为生长在外表面的生物膜免受载体元件与反应器壁之间的碰撞产生的剪切力的影响，因此将刮掉未受保护的表面并且被来自反应器的流出物冲掉；以及
·尽管与全球塑料污染相比微不足道，但是通过载体剪切形成微塑料或从废水处理厂到海洋环境的整个载体流失，都可能会流失塑料载体介质。禁止在各种应用和市场中使用塑料的环境法规始终是潜在的威胁，迄今为止的MBBR技术可能容易受到攻击。
聚乙烯或另一种类似的合成聚合物聚丙烯通常用于生产载体介质，因为与其他合成生产的聚合物相比，其价格较低，是高产量的商品聚合物，具有高耐用性，并且易于加工成模制和成型物体，诸如例如废水处理方法的专门设计的示例性载体元件。聚乙烯和聚丙烯由长链中的碳和氢构成，从而使该材料在诸如废水处理厂的水生环境中具有高度疏水性和惰性。
除了利用专门设计的塑料载体元件的MBBR技术以外，还存在利用非塑料载体元件的其他现有技术。美国专利申请公开本US 2015/0108067 A1描述了一种流体处理方法，其包括接触器、充气器和分离器。将流体与粉末状天然木质纤维素材料(“PNLM”)、微生物生长接种物和接触器中的至少一部分流体混合，以提供在流体中包括已建立的适应的微生物生长物的混合物。将混合物引入充气器，在充气器中通过一种或多种物质中的至少一些的吸附而与PNLM结合，另外通过PNLM上的微生物生长的生理吸收降低废水中的污染物浓度。该方法不是MBBR方法，因为载体元件并不总是保留在生物反应器体积内。
在本申请的优先权日之后公开的PCT/CA2018/050136涉及用于接种(活微生物的转移)的组合物。第一组合物包括用于生物强化以处理废水中的COD的古细菌微生物颗粒，并且第二组合物是允许去除磷酸盐、氮和悬浮固体的活化硅酸盐珠。两种组合物的混合物通过促进有机物降解并且允许去除磷酸盐而不消耗处理溶液的碱度来起到协同作用。
美国专利号7,481,934还利用粉末状木质纤维素材料(诸如洋麻纤维)，以便当与用于处理废水的活性污泥系统中的悬浮生长物组合时既充当可生物降解的吸附剂又充当用于生物膜生长的介质。使具有生物膜生长物的介质与来自活性污泥的悬浮生物质一起沉降在液固分离单元中。由此将生物膜介质和悬浮生物质与经处理的水分离。在其他情况下(但不是必需的)，一些生物膜和悬浮生长物利用返回的活性污泥流返回到活性污泥反应器入口，以进行另外的处理循环。本发明旨在；(a)加入可移动的粉末状洋麻(kenaf)以通过吸附到粉末状洋麻上来物理移除胶体和悬浮挥发性固体，以增强预处理期间的絮凝物形成和沉降；(b)将有毒物质和元素吸附到洋麻纤维上，这些有毒物质和元素干扰活性污泥生物方法，从而减少它们对于悬浮中的活性污泥生物体的暴露；(c)在活性污泥废水处理生物反应器中为细菌和其他偏爱附着生长的生物体提供固定表面；(d)减少生物污泥的产生，同时也有助于保持处理效率并且增强污泥的沉降特性。该方法不是MBBR方法，因为载体元件并不总是保留在生物反应器体积内。
各种细菌物种(诸如革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌)的细胞壁的外层含有肽聚糖和脂磷壁酸(革兰氏阳性)或脂多糖(革兰氏阴性)。表面与细菌之间的相互作用受到分子间力(诸如氢键、偶极和离子相互作用、疏水和亲水相互作用以及其他静电相互作用)支配。
具有氢和碳作为介质表面的唯一组成部分的氢键无法实现，就像大多数可用MBBR载体介质的生产中使用的聚乙烯一样。这种材料本质上是高度疏水的，使得在水中的润湿性差，因此细菌附着的表面利用率较低。聚乙烯也不允许载体介质表面和细菌外层之间发生氢键键合。
因此，由非塑料材料制成的用于MBBR方法的改进载体将解决塑料污染的问题，优选地使用具有优异微生物活性表面特性的材料，这允许成本有效地生产和使用。
发明内容
因此，本发明优选地试图单独地或以任何组合的方式减轻、缓和或消除本领域中的以上确认的缺陷和缺点中的一个或多个，并且通过提供一种在移动床生物膜反应器(MBBR)中承载生物膜的生物载体(所述载体是包含脱水污泥的颗粒)来解决至少上述问题。
还提供了生物载体在MBBR方法中用于净化来自污染物的液体的用途，所述MBBR方法利用包含至少一个生物反应器的MBBR系统，所述生物反应器连续地或间歇地进行充气和/或混合，其中所述生物载体保留在至少一个生物反应器中，所述生物载体通过充气和/或搅拌待净化的液体而在待净化的液体中连续地或间歇地保持悬浮和移动，并且其中所述生物载体为生物膜生长提供表面。
此外，提供了一种制造生物载体的方法，所述方法包括以下步骤：(i)将污泥脱水至总干固体含量大于65重量％、优选大于80重量％或更优选大于90重量％；并且(ii)将脱水污泥形成为颗粒，并且(iii)表征步骤(ii)中的颗粒，并且基于所述表征，选择用于在MBBR方法中承载生物膜的生物载体。
附图简述
通过参考附图，根据本发明的实施方案的以下描述，本发明能够实现的这些和其他方面、特征和优点将变得显而易见并得到阐明，其中，
图1是在部署于生物反应器之前通过将具有用于生物膜生长的表面的工业活性污泥脱水而生产的生物载体(1)元件的显微图，
图2是在部署于生物反应器之前通过将具有用于生物膜生长的表面的消化城市污泥脱水而生产的生物载体(1)元件的显微图，
图3是在生物反应器中操作期间通过将具有一定生物膜(2)生长的工业活性污泥脱水而生产的生物载体(1)元件的显微图，
图4是在生物反应器中操作期间通过将具有一定生物膜(2)生长的消化城市污泥脱水而生产的生物载体(1)元件的显微图，
图5是MBBR方法的示意性透视图，所述MBBR方法采用描述为生物反应器(10)的一个或几个相连且包含的体积或区域，其中用于其上的生物膜生长的载体(1)元件得到保留并且通过充气和/或混合保持悬浮以处理来自污染物的废水，
图6是以顺序相分离模式运行的MBBR方法的示意性透视图，所述MBBR方法重复顺序填充(也可以连续进行)、反应、沉降和排空的四个阶段，并且重复反应、沉降和排空的阶段以将生物载体(1)元件保留在生物反应器(10)中，
图7是以连续分离模式运行的MBBR方法的示意性透视图，其中利用筛网(15a)、丝网(15b)、过滤器(15c)或膜(15d)进行连续进料和充气，其中生物载体(1)元件与经净化的液体分离，由此保留在生物反应器(10)内部，
图8是以连续进料模式运行的MBBR方法的示意性透视图，其中利用生物反应器出口(12)处的相分离器(16)进行连续充气，其中生物载体(1)元件通过重力与净化液体和悬浮自由流动固体污泥分离，由此保留在生物反应器(10)内部，
图9是废水处理工艺流程的示意性透视图，利用生物载体(1)元件的MBBR方法可以并入其中。标记i至viii示出了可以在哪里并入利用生物载体(1)元件的MBBR方法以增强和改善工艺流程的性能，
图10是用于在废水处理厂设施处生产生物载体(1)元件的几种可能途径的示意性透视图，其中可以发生初始污泥脱水(a)、任选的与其他材料(诸如天然纤维和/或矿物质)的混合、污泥脱水(i)、脱水污泥形成颗粒(ii)和根据选择标准选择具有一定沉降速度的颗粒(ii)，
图11是用于在废水处理厂设施处生产生物载体(1)元件的几种可能途径的示意性透视图，其中生产除水污泥基础原料(a)，然后将其运到集中生产设施，其中可以发生任选的与其他材料(诸如天然纤维和/或矿物质)的混合、污泥脱水(i)、脱水污泥形成颗粒(ii)和选择具有一定沉降速度的颗粒(iii)，
图12是这样的图，其示出了作为标称粒度的函数的各种生物载体元件在20℃和大气压下在乙醇(99.9体积％)中的降落速度，其中标称粒度由等式4推导，
图13是这样的图，其示出了作为各个生物载体元件的单独颗粒质量的函数的各种生物载体元件在20℃和大气压下在乙醇(99.9体积％)中的降落速度，
图14是这样的图，其示出了作为利用生物载体元件的MBBR方法中的天数的函数的工业废水和净化液体中的可溶性COD浓度，所述生物载体元件使用工业活性污泥作为基础原料生产，并且利用在生物反应器出口处的相分离器以连续流动和充气运转，以将生物载体元件保留在生物反应器中，
图15是这样的图，其示出了作为利用生物载体元件的MBBR方法中的天数的函数的工业废水和净化液体中的可溶性COD浓度，所述生物载体元件使用城市消化污泥作为基础原料生产，并且利用在生物反应器出口处的相分离器以连续流动和充气运转，以将生物载体元件保留在生物反应器中，
图16是这样的图，其示出了作为MBBR方法中的天数的函数的工业废水和净化液体中的可溶性COD浓度，所述MBBR方法利用再循环聚氯乙烯颗粒作为载体元件，并且利用在生物反应器出口处的相分离器以连续流动和充气运转，以将生物载体元件保留在生物反应器中，
图17是这样的图，其示出了作为利用生物载体元件的MBBR方法中的天数的函数的工业废水中的氨(NH4 +)浓度和净化液体中的氨、硝酸盐(NO- 3)和亚硝酸盐(NO- 2)浓度，所述生物载体元件使用工业活性污泥作为基础原料生产，并且利用在生物反应器出口处的相分离器作为连续生物反应器运转，以将生物载体元件保留在生物反应器中，
图18是这样的图，其示出了作为第二生物反应器体积中的天数的函数的工业废水中的氨(NH4 +)浓度和净化液体中的氨、硝酸盐(NO- 3)和亚硝酸盐(NO- 2)浓度，所述第二生物反应器体积串联连接至第一生物反应器体积，所述第一生物反应器体积利用生物载体元件以连续流动和充气运转，所述生物载体元件使用工业活性污泥作为基础原料生产。通过利用生物反应器出口处的相分离器将载体元件颗粒保留在生物反应器中，以将生物载体元件保留在生物反应器中，
图19是这样的图，其示出了作为利用生物载体(1)元件的MBBR方法中的天数的函数的工业废水中的氨(NH4 +)浓度和净化液体中的氨、硝酸盐(NO- 3)和亚硝酸盐(NO- 2)浓度，所述生物载体(1)元件使用城市消化污泥作为基础原料生产，并且利用在生物反应器出口处的相分离器以连续流动和充气运转，以将生物载体元件保留在生物反应器中，
图20是这样的图，其示出了作为利用生物载体元件的MBBR方法中的天数的函数的工业废水中的可溶性COD浓度和净化液体中的最终可溶性COD浓度，所述生物载体元件使用工业活性污泥作为基础原料生产，其中在前47天期间生物反应器利用在流出物出口处的筛网以连续模式以连续进料和充气运转，以将生物载体元件保留在生物反应器中。在第47天后的数天中，操作模式从连续相分离模式转换为顺序相分离模式，仍然使用连续进料但是利用间歇充气使得生物载体元件沉降并且在生物载体元件颗粒水平上方从反应器顶部排空净化液体，以将它们保留在生物反应器中，
图21是这样的图，其示出了作为利用生物载体元件的MBBR方法中的天数的函数的工业废水中的氨(NH4 +)浓度和净化液体中的氨、硝酸盐(NO- 3)和亚硝酸盐(NO- 2)浓度，所述生物载体元件使用工业活性污泥作为基础原料生产，其中在前47天期间生物反应器利用在流出物出口处的筛网以连续相分离模式以连续进料和恒定充气运转，以将生物载体元件保留在生物反应器中。在第47天后的数天中，操作模式从连续相分离模式转换为顺序相分离模式，仍然使用连续进料但是利用间歇充气使得生物载体元件沉降并且在生物载体元件颗粒水平上方从反应器顶部排空净化液体，以将它们保留在生物反应器中，并且
图22是这样的图，其示出了作为MBBR方法中的天数的函数的工业废水和净化液体中的可溶性COD浓度，当以连续流动和充气运转时，所述MBBR方法利用传统的基于聚乙烯塑料的载体介质(具有受保护的表面积(K5))和生物载体元件。
实施方案描述
以下描述集中于适用于载体元件的本发明的实施方案，所述载体元件适用于移动床生物膜反应器(MBBR)方法，其防止合成塑料的泄露，提供高的表面利用率以及快速的微生物附着和在其上的生长。
存在可以视为塑料替代品的几种不同类别的材料。然而，适用于移动床生物膜反应器(MBBR)方法的载体元件必须具有几种不同特性。用于这样的应用的感兴趣的载体材料将优选地具有能够使生物膜生长至材料的分子结构；将具有足够小的重量以限制颗粒冲击能，从而避免生长的生物膜的耸起；将在废水中充气和/或混合时具有足够的结构完整性以不溶解或不被剪切粉碎；将通过控制其质量而具有特定的沉降速度范围，在该范围内沉降速度足够低以通过令人满意的方式通过在水量中充气和/或混合而悬浮，但是同时沉降速度足够高以在水量中快速沉降；对于特定总体积的载体元件，具有高活性表面。理想地，载体材料还将是可生物降解的，并且存在于废水或固体废物处理服务的循环经济中。
在本发明中，设想了满足这些标准的材料可以是来自有机生物质生产的各种类型的半产品。在许多潜在候选材料中，发现一种有效来源是生物废水处理中产生的过量污泥。污泥是来自例如生物废水处理的固体废产物，具有细菌牢固附着和结合的天然分子结构，并且还可以天然地含有有助于进一步细菌生长的营养物。然而，污泥通常简单地除水并且丢弃，并且由于污泥材料的组成与传统MBBR载体(通常由塑料制成)完全不同，因此完全无法预期污泥可以成功地用作MBBR载体元件。此外，在废水处理中，通常仅使污泥除水至可以从成本角度保证的程度(因为除水和干燥需要时间并且消耗能量)，这是为何通常在废水处理厂中找不到本发明的干燥污泥颗粒的原因。发现当干燥具有有机和无机内容物的污泥时，干燥的污泥颗粒的性质与通常用于废水处理方法的任何湿污泥或除水污泥的性质基本不同。
污泥是半固体浆料，其包含液态水、有机固体和无机固体，其源于包括但不限于水和/或废水处理中的固体与液体的分离。通过将污泥脱水至足够高的程度，发现其结构完整性变得足够强，以在充气和/或混合水量中保持其形状，而不溶解其主要结构组分或被剪切成微粒。因此，在本发明中，由脱水污泥制成的载体用作MBBR方法中的载体。因此，可以避免塑料加工和塑料材料，从而既显著提高环境效益，又大大降低载体介质的成本。
在一个实施方案中，生物载体1用于在移动床生物膜反应器(MBBR)中承载生物膜2，所述载体是包含脱水污泥的颗粒。
工业和城市废水处理厂产生的固体也称为污泥，无论是由生物方法还是由物理化学方法生成。
污泥也可以在与有机固体废物和/或其他生物材料一起工作的有机固体处理厂中生成。这样的工厂的实例包括用于气体生产的厌氧消化器、一系列处理器，通过所述处理器微生物在缺少氧气的情况下分解可生物降解的材料。它用于工业、农业或家用目的，以管理废物或生产可再生能源。
在一个实施方案中，脱水污泥包括来自水净化方法或有机固体处理方法的污泥。
污泥的来源包括但不限于来自城市废水处理厂的初级污泥、来自城市或工业废水处理厂的二级污泥或者城市或工业废水处理厂处的初级、二级或三级消化污泥。
在一个实施方案中，污泥是来自城市或工业废水处理方法的初级、二级或三级污泥或其任何组合和/或来自有机固体处理方法的消化污泥。在另一个实施方案中，污泥已经在厌氧或需氧消化器中消化。
细菌产生的污泥、污水污泥、生物污泥或生物质污泥是需要处理和处置的天然副产物或废料。因此，与利用人工合成材料(诸如聚乙烯和聚丙烯)的行业标准相比，它可以构成便宜的原料，从而显著降低MBBR方法的成本。由于它是细菌制成的天然副产物，因此如果意外流失到环境中，也可自然地生物降解。实际上，在许多国家中，过量的污泥被用作农田上的营养物来源。
在图1中，示出了通过使工业活性污泥脱水而产生的这样的生物载体1元件的显微图。在图2中，示出了通过使消化城市污泥脱水而产生的生物载体元件的显微图。可以看出，非常不同类型的污泥仍然可以形成适用于MBBR生物载体的颗粒，下面有更多实例(诸如在图13中)。这在下面更详细地示出。
当污泥脱水时，其表面也变得粗糙，这使得其对于生物膜附着是理想的，形成促进有效微生物附着和生长的小隔室或不规则结构。为了确保尽可能高的活性表面积并且在水量中对生物载体1进行良好的充气和/或混合，可以将脱水污泥形成为颗粒，所述颗粒应在一定重量范围内。干燥污泥颗粒需要一定的最小颗粒质量，以保持其结构完整性，同时保持足够好的沉降性质，以进行载体颗粒和净化液体的固液分离。颗粒的沉降速度需要足够低以能够以令人满意的方式在水量中充气和/或混合，但是同时足够高以快速地沉降在水量中。由图12和实施例5可以得出，基于实施例5中确定的最佳颗粒沉降速度，最佳重量的范围为0.1至100mg，优选0.5至30mg。
在一个实施方案中，颗粒的重量为0.1至100mg，优选0.5至30mg。
生物载体1的特性还涉及其体积质量密度。它必须足够高以沉入水中。然而，它还需要足够低以在充气和/或混合时以悬浮状态在生物反应器10体积中自由流动。在给定的温度和大气压下，借助已知密度的乙醇(99.9体积％)确定合适的生物载体1颗粒的体积质量密度。首先在空气(A)中称量生物载体1颗粒，然后在液体(B)中称量生物载体1颗粒。然后，如实施例2中进一步所述，计算固体生物载体1颗粒的体积质量密度δp。由图12和实施例2可以得出，最佳体积质量密度的范围为1.01至2.5g/cm3，优选1.02至1.8g/cm3。
在一个实施方案中，颗粒的体积质量密度为1.01至2.5g/cm3，优选1.02至1.8g/cm3，如通过在20℃和1atm下在空气中、然后在乙醇(99.9体积％)中称量颗粒而测定的。
然而，生物载体1元件的粒度和形状也将影响生物载体1元件的沉降性质以及在充气和/或机械混合时在液体中自由流动的能力。如果生物载体1颗粒的沉降速度太高(高于最大沉降速度vmax)，则将不能通过在生物反应器10中以悬浮状态充气和/或混合而保持颗粒悬浮，至少在不使用极高耗能充气或混合的情况下不能。同时，生物载体1颗粒的尺寸不能太小，因为这将导致低的沉降速度，这将防止生物载体1在比重依赖性相分离器16中沉降，如图6和8所示。如图7所示，当所述方法使用相分离器16操作时，沉降速度不是至关重要的，但是此处的粒度太小也将是不利的，因为丝网15a/筛网15b/过滤器15c/膜15d的开口必须很小以在丝网15a/筛网15b/过滤器15c/膜15d的低通量以及因此增加堵塞风险的情况下保留生物载体1。在本发明中，在落球粘度计实验中测量沉降速度。在实施例3中，并且总结于图12中，测量许多不同颗粒质量和材料(诸如脱水城市消化污泥、脱水食物废物生物质和再生PVC(聚氯乙烯))的降落速度作为颗粒质量的函数。发现如实施例5中测定的最佳沉降速度的范围为0.02m/s至0.4m/s，优选0.05m/s至0.2m/s，因此最佳颗粒质量范围可以由图12测定。
为了确定用于MBBR方法的最佳沉降速度范围的下限，在五个单独总体积中积累具有宽范围的测量沉降速度(当根据实施例3测量时，0.1、0.15、0.20、0.25和0.30m/s)的颗粒，并且在MBBR方法中进行尝试。如根据实施例5，发现含有沉降速度特性为0.01和0.03m/s的生物载体1元件的生物反应器10分别流失75％和50％的载体元件)，而含有沉降速度特性为0.05m/s的载体生物载体1元件的生物反应器流失10％的生物载体1元件。
为了确定用于MBBR方法的最佳沉降速度范围的上限，在五个单独总体积中积累具有宽范围的测量沉降速度(当根据实施例3测量时，0.1、0.15、0.20、0.25和0.30m/s)的颗粒，其中颗粒在相同总体积中具有相同沉降速度，相当于所述体积的15％。通过测量在充气体积顶部采集的水样品中的填充率，可以看出颗粒沉降速度是多少，从顶部采集的样品中的填充率低于5％。当如在实施例3中测量并且根据实施例5测定时，确定该沉降速度为0.2m/s。
因此，在一个实施方案中，颗粒在20℃和1atm下在变性乙醇(99.9体积％的乙醇)中的沉降速度的范围为0.02m/s至0.4m/s，优选0.05m/s至0.2m/s。
如在实施例4中进一步描述的，可以从落球粘度计实验中推断生物载体1元件的尺寸。图13中总结了具有不同体积质量密度的不同材料。本发明中的标称粒径(D)是指与非球形生物载体1元件具有相同体积的球体的直径。标称粒径(D)是合适的定义，因为生物载体1元件在某种程度上通常是不规则形状的。
适用于MBBR方法的生物载体1元件是标称直径为0.5至10mm、优选0.7至7mm或甚至更优选1至4mm的材料单元，微生物在其表面上可以形成生物膜2并且可能悬浮、保持移动并且保留在待处理的来自污染物的液体体积中，如图13中可以看出的，其中最佳标称粒度范围可以由上述确定的并且如实施例4所示的最佳沉降速度范围确定。
因此，在一个实施方案中，其中颗粒的标称直径为0.5至10mm，优选0.7至7mm，并且甚至更优选0.9至4mm。
如果使用可能在细菌和生物载体1表面之间形成更强吸引力的生物载体1材料，则细菌生长速率可以显著提高。此外，形成的分子间键将显著更强，导致在生物载体1的充气体积中生物质的刮削。
对于传统的MBBR载体，与允许氢键合的载体材料相比，细菌与聚乙烯载体介质表面之间的细菌附着更低，形成的分子内键合强度也更低。与此相反，污泥颗粒具有能够与溶液中的生物膜2形成氢键和其他分子力的分子结构。这使得微生物与载体表面之间具有更强的吸引力。同时，污泥颗粒可以含有溶解在水中的营养物，进一步有助于微生物在污泥颗粒上的生长。
不受理论束缚，可以假设，与传统的MBBR载体相比，这有助于在短时间后在生物反应器10中观察到生物载体1上的高速率的微生物生长，如图16所示。图16示出了在使用一种类型的生物载体1元件的150天运转期间生物反应器10中的流入物和流出物可溶性COD浓度的结果。示出了对于本发明的生物载体1，仅在运转5天后就可以实现稳定的可溶性COD去除(超过90％)，而当使用常规的HD-聚乙烯塑料介质时，在发生润湿后可能花费多达10-15天以获得稳定且高的COD去除。
图3和4示出了在MBBR方法生物反应器10中通过充气使生物载体1保持悬浮之后，以生物膜2的形式在生物载体1元件表面上生长的生物活性微生物的两个不同实例。在反应器10中，在生物载体1元件上生长的微生物正在处理进料到生物反应器10的废水。
发现本发明的生物载体1的另一个优点是当与水接触时污泥颗粒的软化。这不同于传统的MBBR载体，其由在水中惰性的硬质材料制成，并且受益于具有受保护的表面，该表面可以保护生物膜2免受其他载体或硬质表面的磨损。相反，在本发明中，发现通过长时间暴露于水而软化的生物载体1之间的碰撞将不那么严重，从而刮掉较少的生物膜2。此外，与尺寸大得多的传统MBBR载体相比，生物载体1元件的小粒度也显著有助于低冲击碰撞。这些因素组合导致不需要受保护的表面积，而是允许生物载体1仅具有高的总活性表面积，从而不需要使用塑性加工来产生特定的形状和形式。
根据实施例6，生物载体1元件的含水量可以为0至50重量％，更优选2至40重量％，或甚至更优选5至30重量％。含水量可能高于30重量％，并且在MBBR应用中仍具有有效的生物载体1元件，但是在产品处理和存储中可能出现问题。此外，对于更湿的生物颗粒1，重量将更高，如果将在中心点制造颗粒并且运输到使用地点，则导致运输成本更高。然而，对于本地使用而言，相反的情况可能是正确的，因为干燥也是一个耗能的步骤，如果直接使用颗粒而不运输，则可以保证含水量为35％至50％。
在一个实施方案中，生物载体1颗粒的含水量为0至50重量％，更优选2至40重量％，或甚至更优选5至30重量％，如以总质量计、作为颗粒的含水量分数所测量的。
对于废水污泥，无机组分和有机组分的比率可以为约1:1(干重)。然而，对于不同的污泥类型，其变化可能很大，如在实施例3中可以看出。生物载体1元件可以含有0至90％、优选0.5％至60％的无机含量，如根据实施例6以干质量计作为颗粒的灰分含量分数所测量的。根据本发明，适于生产用于MBBR的生物载体1元件的污泥原料满足这些要求。通常，包含较高量的无机材料的组合物导致具有较高的颗粒密度，如果适合用于MBBR方法，则得到较小的颗粒。然而，还存在多孔无机材料，并且掺入这样的多孔材料可能具有相反的效果，这是为何无机含量高达90％的原因。无机材料还可以含有微量元素，其对生物质生长具有积极作用。
在一个实施方案中，生物载体1颗粒的无机含量为0至90重量％，更优选0.5至60重量％，如以干质量计作为颗粒的灰分含量分数所测量的。
生物载体1元件可以含有10％至100％、优选40％至99.5％的有机含量，如根据实施例6以干质量计作为颗粒的灰分含量分数所测量的。通常，有机材料的密度低于无机组分的密度。有机材料还在增加生物载体1的机械强度中起作用。此外，颗粒表面上的无机和有机材料的混合提供了确保快速生长速率和氢键合至生物膜2的表面。因此，至少10％的有机含量是优选的。
在一个实施方案中，生物载体1颗粒的有机含量为10至100重量％，更优选40至99.5重量％，如以干质量计作为颗粒的灰分含量分数所测量的。
在MBBR方法中使用时，颗粒将被润湿并且缓慢地开始软化。与缺点相反，发现较软的颗粒似乎促进生物膜2的生长，这可能是由于颗粒的有机和无机含量被用作颗粒表面上生长的微生物的营养物。此外，较软的颗粒似乎使颗粒之间的碰撞造成的任何损害最小化，进一步促进了颗粒上的均匀生物膜2生长。与在塑料材料上获得的活性相比，这导致快速建立了生物活性。与刚性塑料颗粒相比(参见实施例11和图16)，在生物载体1元件上快速建立了高生物活性，而在塑料颗粒上仅缓慢建立了有限的生物活性。这最可能是由于与使得能够较低冲击碰撞的刚性塑料颗粒相比，由强分子间键合导致更强的生物膜2与表面的键合以及由生物载体1的颗粒软化导致的较少的磨损。
除此之外，实施例16和图22还突出显示了与传统的塑料MBBR载体元件相比，在生物载体1元件上更快地建立了生物活性，并且这示出了生物载体1具有更适用于生物膜2建立的表面。然而，由于塑料载体元件具有受保护的表面，因此最终的生物活性在这种情况下是类似的。由此得出结论，在生物载体1上的生物膜2磨损并不显著。
在用于MBBR方法时，生物载体1的颗粒密度也将缓慢变化，这主要是由于颗粒的水含量增加以及在其上的生物膜2生长。这可以在实施例8中看到，其中研究了定殖和剪切的生物载体1元件的沉降。可以看出，尽管湿润并且生物膜2显著增长，但沉降速度仍然足够高，使其适合用作MBBR方法中的载体元件，这是因为已选择了生物载体1元件的沉降速度以考虑在MBBR方法中应用时的性质变化。
移动床生物膜反应器(MBBR)被定义为用于利用适用于MBBR方法的载体元件处理液体(诸如废水)的方法，该载体元件在其中保留载体元件的一个或几个生物反应器10体积和/或区域中连续地或间歇地在待净化的来自污染物的液体中保持悬浮和移动。MBBR系统包含至少一个生物反应器10，其进行充气和/或混合。混合可以像机械搅拌一样简单。在其中生物载体1保留在至少一个生物反应器10中的生物反应器10体积中，生物载体1通过充气和/或混合在待净化的液体中连续地或间歇地保持悬浮和移动。因此，保留的生物载体10为生物膜2生长提供了大且合适的表面，从而实现了有效的水净化。图5示出了具有不同体积或区域的生物反应器10的实例，其中5a示出了单体积生物反应器10，5b示出了双体积生物反应器10，并且5c示出了双区生物反应器10。
待净化的液体通常可以称为待处理的液体、废水或流入物。净化液体可以称为处理过的水、处理过的液体或流出物。被保留的微生物降解的污染物主要包括可溶、胶体或颗粒形式的有机组分、氮组分和磷组分。然而，微生物也可能降解或适应其他污染物。
在一个实施方案中，生物载体1在MBBR方法中用于净化来自污染物的液体，所述MBBR方法利用包含至少一个生物反应器10的MBBR系统，所述生物反应器10连续地或间歇地进行充气和/或混合，其中所述生物载体1保留在至少一个生物反应器10中，所述生物载体1通过充气和/或搅拌待净化的液体而在待净化的液体中连续地或间歇地保持悬浮和移动，并且其中所述生物载体1为生物膜生长2提供表面。
在图5中，示出了用于MBBR方法的生物反应器10的典型示意图。生物载体1元件被部署在生物反应器10中并且通过气体充气和/或混合而以悬浮状态保持自由流动。可以通过多种方法来实现混合，诸如机械搅拌或在生物反应器10中泵送水。废水从一个或几个明确限定的入口连续地或顺序地进料到生物反应器10中，使得细菌在生物载体1的元件表面上生长。在生物反应器10中的一定保留时间之后，将净化液体通过一个或几个明确限定的出口11连续地或顺序地从生物反应器10中排空，同时将生物载体1元件保留在生物反应器10中。
该示意图不包括示出将生物载体1元件保留在生物反应器10中的任何类型的方法或装置。
在一个实施方案中，生物反应器10是容器，其包含：一个或几个相连体积或区域，其中促进了生物活性；以及一个或几个入口11，用于提供待净化的液体；以及一个或几个出口12，用于抽出已净化的液体；以及一个或几个充气器13和/或混合器14。
图6示出了采用生物载体1元件的MBBR的顺序操作方法。通过以顺序操作运行生物反应器10，可以将最多的载体元件保留在生物反应器10中。在图6的实例中，在填充阶段期间，在保持充气和/或混合关闭的同时，将废水进料到反应器中(尽管实际上在进料期间开启充气和/或混合是常见的)。然后开启充气和/或混合以保持生物载体1元件以悬浮状态自由流动，并且利用需氧、厌氧或缺氧条件使在生物载体1元件上生长的活性生物膜2在降解废水中的不同污染物。当某种污染物的浓度足够低时，在仍关闭液体出口12的情况下关闭充气和/或混合，并且由于生物载体1元件的特性，它们迅速沉降到生物反应器10的底部。这允许最后阶段以高于沉降的生物载体1元件水平的水平排出净化液体，从而将生物载体1元件保留在生物反应器10中。可以通过泵送、重力流、倾析和用于顺序提取液体的其他确定的技术来提取净化液体。然后可以再次重复填充阶段(顺序进料，或者备选地是连续的(连续进料)，然后以顺序方式重复反应、沉降和排出阶段。
在一个实施方案中，从生物反应器10中间歇地抽出已净化的液体，其中当通过顺序地使充气和/或搅拌停止而抽出已净化的液体时，将生物载体1保留在生物反应器10中，从而使生物载体1沉降到生物反应器10体积中，并且抽出存在于沉降的生物载体1上方的已净化的液体。
这被称为顺序相分离模式、顺序模式或顺序操作。
在一个实施方案中，充气为间歇充气；和/或混合是间歇的。
在图7中，可以看到利用筛网15a、丝网15b、过滤器15c或膜15d进行连续进料和充气以连续分离模式运行MBBR方法。在这样的方法中，MBBR反应器被连续地充气和进料，并且利用所述筛网15a、丝网15b、过滤器15c或膜15d将生物载体1元件保留在生物反应器10中。生物载体元件1与净化液体分离，并且因此保留在生物反应器19内部，以将定殖的生物载体1元件保留在生物反应器10内部。
筛网15a的筛目尺寸自然必须小于具有微生物生长的生物载体1元件，这意味着毫米筛目尺寸。如此小的筛目尺寸可以容易地被以悬浮状态在生物反应器10中培养的自由活动或絮凝的生物质堵塞，因此建议进行反冲洗或其他类型的筛网15a清洁。
还可以利用其他分离器，诸如图8所示，其中使用了相分离器16。相分离器16是能够利用相之间的密度差来分离气态、液态、悬浮污泥和生物载体1元件相的装置，从而将生物载体1元件保留在生物反应器10中，所述生物载体1元件处于最重的相中。Heijnen的美国专利号5,230,794描述了相分离器16的实例，其中具有微生物生长的载体元件与净化液体分离，从而将载体元件保留在生物反应器10体积中。
图8示出了利用相分离器16进行连续充气而以连续进料模式运行的MBBR方法。生物载体1元件通过重力与净化液体和悬浮的自由流动的固体污泥分离，从而保留在生物反应器10内部。
在一个实施方案中，MBBR系统还包含丝网15a、筛网15b、过滤器15c、膜15d或相分离器16以将生物载体1保留在生物反应器10中。
在一个实施方案中，从生物反应器10中连续地抽出已净化的液体，MBBR系统还包含丝网15a、筛网15b、过滤器15c、膜15d或相分离器16以将生物载体1保留在生物反应器10中。
这被称为连续相分离模式、连续模式或连续操作。
发现如果使用丝网15a、筛网15b、过滤器15c或膜15d以将生物载体1保留在生物反应器10中，则悬浮的污泥可能在反应器中更大程度地积聚，潜在地导致过滤器堵塞。因此，似乎顺序相分离操作模式是优选的，或者如果出现这样的问题，则在连续相分离模式中利用相分离器16。
顺序操作导致其中颗粒不保持悬浮而是积聚在生物反应器10底部的时期。然而，发现定殖的生物载体1颗粒与传统MBBR载体相比不会粘连或阻塞在一起，并且可以容易地重新悬浮在溶液中。
由于生物载体1元件可能最终降解、分解或流失，因此可能需要不时地重新填充颗粒。取决于操作模式，颗粒组成、颗粒降解时间可以变化，并且还可以利用不同的重新填充策略。例如，可以非常频繁地(诸如每天)添加少量的生物载体1颗粒，或者可以不那么频繁地(诸如每天、每周、每月、每年或甚至更不频繁地)添加大量的颗粒。对于其中生物载体以较高速率流失的方法，更间歇地重新填充颗粒可能是有益的。
在一个实施方案中，将另外的生物载体1周期性地(诸如每天、每周、每月或甚至每年)重新填充到生物反应器10中，以补充流失或消耗的颗粒。
然而，生物载体1颗粒最终将分解或降解的事实并不构成问题，因为这是一个逐步的过程，其中用过的生物载体1将简单地成为废物悬浮污泥的一部分，并且在废水处理厂下游进行回收或处理。
因此，在一个实施方案中，用过的生物载体1成为废物悬浮污泥的一部分，并且在净水方法中或在废水处理厂的下游进行回收。
如果较大的颗粒设法逃脱生物反应器1，则可以使用筛网或过滤器以在液体流的更下游捕获这样的流失的颗粒。如果是这样，则这样的捕获颗粒可以返回到生物反应器10并且重新使用。
如图7中可以看到，筛网15a，筛子15b，过滤器15c或膜15d也可以安装在生物反应器出口12处，以将定殖的生物载体1元件保留在生物反应器10内部。筛网15a的筛目尺寸自然必须小于具有微生物生长的生物载体1元件，这意味着毫米筛目尺寸。如此小的筛目尺寸可以容易地被以悬浮状态在生物反应器10中累积的自由活动或絮凝的生物质堵塞，因此优选的是定期地进行反冲洗或利用其他类型的筛网15b清洁。
为了确保生物载体1元件在用于通过去除COD和氨来处理废水的MBBR方法中作为活性生物膜2载体的性能，在几种配置下进行放大测试。在实施例8中，在MBBR方法中使用两种类型的(即基于工业活性污泥的和基于消化城市污泥的)生物载体1元件。另外，MBBR方法还使用了再生聚氯乙烯颗粒(沉入水中)，以充当基于污泥的生物载体1的塑料材料参比。如在实施例9和10中看到的，极快地接着发生了迅速COD去除，在实施例9中在7天内达到90％，并且在实施例10中在3天后已经达到50％的COD去除，此后在一周内达到超过90％的COD去除。可以将其与实施例11的聚氯乙烯颗粒进行比较，所述聚氯乙烯颗粒在7天后仅达到45％的COD去除并且在22天后并未进一步去除COD。这些结果清楚地示出了在不具有受保护表面积的情况下塑料材料不适于用作MBBR方法中的载体元件。实施例16还示出了生物载体元件与具有受保护表面积的传统MBBR载体的比较。图22清楚地示出了利用生物载体1可以更快地去除COD。因此，明显的是与塑料颗粒和具有受保护表面积的传统塑料MBBR载体相比，生物载体1颗粒变得极快地具有活性。
在实施例12中，还示出了可以在使用生物载体1的单个反应器中同时促进COD去除和氨去除，如在图14和17中可以看出。
实施例13示出了在使用生物载体1的2级反应器中的COD去除和氨去除。使用2级系统，实现了95％的可溶性COD去除和98％的氨去除。
实施例14确认了使用基于城市消化污泥的生物载体1元件获得了类似的结果。
在实施例15中，在顺序和连续操作模式二者期间，在MBBR方法中使用生物载体1。此处示出了当以连续和顺序模式运行MBBR方法时，可以在同一反应器中实现COD和氨的去除。如图21所示，当在1级反应器中同时去除COD时，以顺序相分离模式而不是以恒定充气运转生物反应器10是更稳定的硝化方法。顺序相分离确保了去除悬浮的生物质，同时保留生物载体1元件。利用筛网将生物载体1元件保留在生物反应器10中的连续相分离倾向于显著地保留更多的悬浮生物质，从而妨碍生物膜2在生物载体1元件上的硝化能力。在顺序相分离模式中，可溶性COD的去除超过90％，同时有效地去除了氨。
在图9中，还设想了本发明的生物载体1可以并入水处理工艺流程中的不同位置以增强和改善工艺流程的性能。还设想了本发明的生物载体1可以用于其他处理步骤，例如厌氧步骤，其中颗粒将使得具有用于生物膜2生长的更大的表面积。
在图10和11中，示出了用于生产生物载体1元件的可能路线的示意性透视图。图10示出了生物载体1元件的生产方法，其中来自任何类型的废水处理厂的可能类型的污泥可以是例如初级或二级污泥。初级污泥和二级污泥二者都可以直接用作生产生物载体1元件的原料，或者可以例如进一步消化用于沼气生产，从中可以将消化初级污泥、消化二级污泥或其任何组合用作生物载体元件生产的原料。
通过将当地污泥用于生物载体1生产，可以避免生物载体1至水处理厂的昂贵运输。此外，由于从特定水处理方法中收集污泥，所以生物载体1将很可能与水净化方法中的污泥非常匹配，这应确保良好的生长性质。此外，由于不必存储或运输生物载体1，因此可以将污泥以较小的程度干燥，这可以节约时间并且节省能量。因此，提供了几种环境和经济益处。
在图11中是用于生产生物载体1元件的示意性透视图，其中除水污泥基础原料在废水处理厂设施处生产，可能除水，然后运送到集中生产设施，在那里将制造生物颗粒1。
中央制造设施还将提供诸如避免在水处理厂处需要生物载体1制造设备的优点。此外，中央设施可以具有几种不同种类的污泥或任选的添加剂，它们可以用于生物载体1的制造方法。
在制造方法中，可以使用一种或几种不同技术(诸如例如但不限于：沉降技术、离心技术、水力旋流技术、溶气浮选技术或压滤技术)，在步骤a中以一步或几步使不同类型的污泥原料(哪种类型取决于废水处理厂的配置以及其现场采用什么技术)任选地进一步除水，以在除水污泥中达到5-60重量％或更可能10-40重量％或甚至更可能10-30重量％的总固体含量。
利用例如但不限于一种或多种污泥脱水技术诸如但不限于薄层干燥、带式干燥、筒式干燥、盘式干燥、立式干燥、日晒干燥或其任何组合，在步骤(i)中将污泥脱水以达到>65重量％或更优选高于80重量％或甚至更优选高于90重量％的总干固体含量。
然后在步骤(ii)中通过例如但不限于研磨、碾磨、粉碎、切割、粒化或制粒将脱水污泥形成为颗粒。
在一个实施方案中，制造生物载体1的方法包括以下步骤：(i)将污泥脱水至总干固体含量大于65重量％，优选大于80重量％，或更优选大于90重量％；并且(ii)将脱水污泥形成为颗粒。
使用包括但不限于污泥干燥技术的技术，通过利用已知现有污泥干燥技术将污泥脱水，所述已知现有污泥干燥技术可以或可以不经常在废水处理厂提供，诸如例如薄层干燥、带式干燥、筒式干燥、真空干燥、盘式干燥、立式托盘干燥、日晒干燥或其任何组合。进行脱水以使生物载体1元件获得足够高的机械强度和体积质量密度，以用作MBBR方法中的载体元件。
在一个实施方案中，步骤(i)中的脱水利用选自由以下组成的组的一种或多种污泥脱水技术：薄层干燥、带式干燥、转筒式干燥、盘式干燥、立式干燥、日晒干燥、真空干燥、流化床干燥器及其任何组合。
使用常规的现有技术将脱水污泥形成为颗粒，所述技术包括但不限于研磨、碾磨、粉碎、切割、制粒、挤出、压制或粒化或其任何组合。小颗粒的生产导致大表面积的细菌在一定总体积的生物载体1元件中生长。它还确保能够产生所生产的生物载体1元件的最佳沉降速度范围。
在一个实施方案中，在步骤(ii)中通过碾磨、研磨、切割、粉碎、粒化、制粒、挤出或压制来形成颗粒。
在一个实施方案中，使用将脱水污泥干燥并且机械形成颗粒形式的技术诸如转筒式干燥以同时进行步骤(i)和(ii)。
然后在步骤(iii)中选择形成的颗粒以通过利用包括但不限于筛分、筛选、空气分级、比重分离或其任何组合的技术产生沉降速度适合于以操作模式运转生物反应器10的生物载体1元件。
在一个实施方案中，制造方法还包括以下步骤：
(iii)表征来自步骤(ii)的颗粒，并且基于所述表征选择用于在MBBR方法中承载生物膜2的生物载体1。
在一个实施方案中，所述选择的生物载体1具有以下属性中的至少一项：
标称直径为0.5至10mm，优选0.7至7mm，并且甚至更优选0,9至4mm；
体积质量密度为1.01至2.5g/cm3，优选1.02至1.8g/cm3，如通过在20℃和1atm下在空气中、然后在乙醇(99.9体积％)中称量颗粒所测定的；
重量为0.1至100mg，优选0.5至30mg。
在另一个实施方案中，所述选择的生物载体1具有以下属性中的至少一项：
在20℃和1atm下在变性乙醇(99.9体积％的乙醇)中的沉降速度的范围为0.02m/s至0.4m/s，优选0.05m/s至0.2m/s；
无机含量为0至90重量％，优选0.5至60重量％，如以颗粒干质量百分比计作为灰分含量所测量的；并且
含水量为0至50重量％，更优选2至40重量％，或甚至更优选5至30重量％，如以颗粒总质量计算的。
为了能够使用有效的制造分选方法，可以在分离的表征步骤中针对诸如沉降速度、无机含量和/或含水量的属性选择脱水污泥颗粒。然后可以根据诸如尺寸和/或重量的属性来表征落入选择标准内的污泥颗粒。这使得能够通过尺寸或重量标准来选择待分选的具有合适的沉降速度、无机含量和/或含水量的颗粒。
在一个实施方案中，在20℃和1atm下在变性乙醇(99.9体积％的乙醇)中的沉降速度的范围为0.02m/s至0.4m/s、优选0.05m/s至0.2m/s的生物载体1用作用于分选的尺寸和/或重量参数的参比，因此能够通过尺寸或重量标准分选具有合适的沉降速度的颗粒。
如果通过诸如标称直径或尺寸、体积质量密度或重量的标准进行分选，则可以利用非常有效的工业分选技术，诸如筛分、筛选、空气分级和比重分离或其任何组合。
在一个实施方案中，在步骤(iii)中通过选自由以下组成的组的技术表征所述颗粒：筛分、筛选、空气分级和比重分离或其任何组合。
在选择步骤后，可以将生物载体1元件返回到废水处理厂中的二级生物处理步骤，以在生物处理方法中充当生物膜2载体。
生物载体1元件也可以从集中设施运送以在当地使用，以在生物处理方法中充当生物膜2载体。
表征和选择为选择尤其适合应用性质的颗粒提供了机会。例如，在实施例12中，在同一生物反应器10中将COD去除与氨去除组合，这导致由流入物中的高COD负载所造成的显著生物膜2附着。在这种情况下，使用更大、更重的生物载体1元件可以是有利的，因为大量附着的生物膜将降低定殖的生物载体1的沉降速度。在实施例13中，已经在第一生物反应器10中进行COD去除，这意味着在串联的第二反应器中将仅进行氨去除。在此，可以使用更轻和更小的生物载体1元件，因为附着的生物膜2的量将显著降低(主要是硝化生物膜2)，从而不会将生物载体1元件的沉降速度降低到相同的程度。
不同的污泥将赋予生物载体1稍微不同的性能，例如高无机含量的污泥由于其较高的密度而将可能产生具有合适的MBBR性质的较小颗粒。因此，可以针对特定应用选择合适的污泥。选择过程也可以直接在充气和/或混合容器中进行，所述容器诸如生物反应器10或与生物反应器类似的充气和/或混合容器。也就是说，如果要添加宽范围的颗粒(有些不适合MBBR)，则太轻的颗粒/小颗粒将被冲走，而太重的颗粒/大颗粒将下沉。颗粒将开始被润湿，因此它们将很快变软并且变得不适用于从中央设施运输。如果反而在当地设施上进行，或许甚至在MBBR生物反应器10中进行，则太小的颗粒也可能有堵塞过滤器的风险或者在添加颗粒时增加纯化过程的峰值负荷。类似地，积聚在生物反应器10底部的过量污泥可以降低待净化的水中的可用氧含量，这也可能减慢生长。因此，优选的是在润湿颗粒之前进行表征和选择过程。
在一个实施方案中，选择步骤(iii)在连续或间歇充气和/或连续或间歇混合的生物反应器10中进行，其中沉降速度低于表征标准的颗粒被丢弃，
当从生物反应器10中间歇地抽出液体时，其中当通过顺序地使充气和/或搅拌停止而抽出已净化的液体时，将符合表征标准的生物载体1保留在生物反应器10中，从而使符合表征标准的生物载体1沉降到生物反应器10中，并且将存在于沉降的生物载体1上方的液体与太小或太轻而无法沉降的颗粒一起抽出，或者
当从生物反应器10中连续地抽出液体时，生物反应器10还包含丝网15a、筛网15b、过滤器15c、膜15d或相分离器16以保留符合表征标准的生物载体1以沉降在生物反应器中，并且将存在于沉降的生物载体1上方的液体与太小或太轻而无法沉降的颗粒一起抽出。
可以在脱水步骤之前使污泥除水。例如，如果要将污泥运输到中央制造设施，则这是优选的，以避免污泥的体积和重量过大，从而导致较高的成本和环境影响。通常，使污泥除水直到总固体含量为约15-30％，但是更宽的范围(诸如10-40％或甚至5-50％)将适用于生物载体制造方法。
在一个实施方案中，在脱水步骤(i)之前在除水步骤(a)中使污泥除水，以达到5-50重量％、优选10-40重量％或更优选15-30重量％的总固体含量。
可以使用几种不同的除水技术，并且不同的技术具有不同的优点。例如，如果空间和水通量允许，则沉降技术可能是最佳的。然而，如果脱水步骤的占地面积必须很小并且通量很高，则诸如离心或压滤的技术可能是优选的。
在一个实施方案中，步骤(a)中的除水利用选自由以下组成的组的一种或几种不同技术：沉降技术、离心技术、水力旋流技术、溶气浮选技术和压滤技术。
如所示，大多数污泥类型与本发明的生物载体1相容。然而，某些污泥类型(诸如不能支持生物生长的有害化学污泥或主要为沙石的污泥沉积物)可能不太适用于制造生物载体1。在这种情况下，不同污泥类型的混合可能使污泥变得合适，或者可以将一种或几种添加剂添加并且混合到污泥中。可以简单地避免使用某些污泥类型，诸如剧毒的污泥。
诸如有机或无机组分的添加剂可以用于改变脱水污泥的体积质量密度。纤维组分可以用于增加生物载体1的机械强度。可以添加营养物或矿物质以促进生物质生长。可以将添加剂添加到根据本发明的生物载体原料中，并且可以构成不大于50％的生物载体1元件质量，优选不大于30％或甚至更优选不大于20％。从技术和/或经济角度来看，高于50％的量将是无益的。
污泥类型的混合和添加剂的添加优选地在污泥脱水之前进行。
在一个实施方案中，在脱水步骤(i)之前将一种或几种添加剂添加并且混合到污泥中，所述一种或几种添加剂是影响脱水污泥的体积质量密度的有机或无机组分、增加所述生物载体1的机械强度的纤维组分和/或促进生物质生长的营养物或矿物质；和/或其中在脱水步骤(i)之前在混合步骤(b)中混合不同类型的污泥。
尽管上面已经参考一个或多个特定实施方案描述了本发明，但是本发明不旨在限于本文阐述的特定形式。而是，本发明仅由所附权利要求限制，并且除了上述具体实施方案以外的其他实施方案在这些所附权利要求的范围内是同样可能的(例如与上述那些不同)。
在权利要求中，术语“包括/包含”不排除其他元件或步骤的存在。此外，尽管被单独列出，但是多个装置、元件或方法步骤可以通过例如单个单元或处理器实现。另外，尽管各个特征可以被包括在不同的权利要求中，但是可以将这些特征有利地组合，并且包括在不同的权利要求中并不意味着特征的组合是不可行和/或不利的。另外，单数指代不排除复数。术语“一个(a)”、“一种(an)”、“第一”、“第二”等不排除复数。权利要求中的附图标记仅作为阐明性示例提供，并且不应被解释为以任何方式限制权利要求的范围。
实施例
以下实施例仅是示例，并且绝不应被解释为限制本发明的范围，因为本发明仅由所附权利要求限制。
实施例1：实施例中使用的载体元件的材料和生产方法
根据下文，许多不同类型的污泥和其他废物原料用于生产载体元件。
1.来源于当地废水处理厂的工业除水活性(二级)污泥
2.来源于当地废水处理厂的城市除水消化(初级+二级)污泥
3.来源于废水处理厂的城市除水初级+二级污泥(来源1)
4.来源于废水处理厂的城市除水活性(二级)污泥(来源2)
5.来源于食物生产者的干燥食物废物材料
6.再生聚氯乙烯(PVC)颗粒
将来自1-4的除水污泥饼在70℃的烘箱中干燥，直到达到在64-95重量％之间变化的最终总干固体含量。将干燥的饼进料到研磨机中以形成颗粒，然后将颗粒以不同的比率筛分以使它们之间的质量和粒度具有一定的变化。来自1的筛分颗粒如图1所示，并且来自2的筛分颗粒如图2所示。
将来自4的除水污泥饼在污泥干燥器的中试规模版本中进行处理。在该过程中，污泥饼可以以线状形式均匀干燥至在64-95重量％干固体中变化的不同含水量。将干燥的线进料到研磨机中以形成颗粒，然后将颗粒以不同的比率筛分以使它们之间的质量和粒度具有一定的变化。
另外，并且用作基于污泥的颗粒的参比，还测试了其他废物材料。将供应商提供的磨碎的干燥食物废物和再生PVC颗粒进料到研磨机中以形成颗粒，然后将颗粒以不同的比率筛分以使它们之间的质量和粒度具有一定的变化。
在以下实施例中使用根据以上制备的不同载体颗粒。
实施例2：生物载体元件体积质量密度的测量
在给定的温度和大气压下，借助已知密度的乙醇(99.9体积％)确定生物载体颗粒的体积质量密度(δ0)。首先在空气(A)中称量生物载体颗粒，然后在液体(B)中称量生物载体颗粒。然后，可以根据等式1表示固体生物载体颗粒的体积质量密度δp。
用于AT/AG和PG/PG-S/PR天平的Mettler Toledo密度测定套件连接至灵敏度为10mg的Mettler Toldeo PG802-S天平。温度计从天平上密度测定套件平台上的玻璃烧杯边缘悬垂下来。在给定温度和大气压下，向烧杯中填充足够的已知密度的变性乙醇(99-9体积％)，以覆盖至少1cm的待测量的固体。悬挂适用于下沉固体的支架，并且通过使用细毛刷确保没有气泡附着到支架的浸入部分。然后将天平去皮，并且在连接到Mettler Toldeo密度测定套件的称量盘上称量350mg的固体生物载体元件。注意显示的重量(空气中固体的重量)。然后将固体生物载体元件从称量盘中移出，并且放置在浸没在乙醇中的样品架中。通过使用细毛刷去除气泡而确保没有气泡附着在固体上。使天平稳定并且直接测量浮力P，其为P＝A-B。然后可以根据等式2计算固体生物载体元件的体积质量密度。
下面示出了使用上述方法测定的由多种不同废物原料制备的颗粒的体积质量密度。
如在上表中可以看出，不同的污泥原料的体积质量密度均高于水的体积质量密度，这意味着它们将沉入水中。
实施例3：生物载体元件降落速度的测量
根据落球粘度计实验测量载体颗粒的降落速度。将直径为5cm的80cm高的量杯装满变性乙醇(99.9体积％的乙醇)。将量杯的外侧进行厘米标记，并且用镊子将每个颗粒刚好固定在乙醇表面之下。释放颗粒并且当颗粒通过乙醇表面以下五厘米处的零厘米标记时启动计时器。当颗粒达到量杯底部上方五厘米处的七十厘米标记时，停止计时器。因此，可以通过将颗粒的下落高度(0.7m)除以测量的时间来计算颗粒沉降速度。使用乙醇代替水作为液体介质，因为与水相比，乙醇的表面张力显著较低，从而减少了处理如本发明中使用的颗粒的这种小颗粒时的测量误差源。
针对多种不同颗粒质量和材料测量降落速度，总结如下，其中所有颗粒的含水量被测量为5重量％。图12还示出了作为各种载体元件的颗粒质量的函数的颗粒降落速度。
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实施例4：生物载体颗粒标称尺度的测定
根据斯托克斯定律，生物载体元件的沉降速度取决于体积质量密度和粒度(或质量)。斯托克斯定律表示施加在在粘性流体中具有极小雷诺数(层流)的球形物体上的摩擦力或阻力(Fd)。其表示如下：
Fd＝6πμrv (等式3)
其中：Fd是作用在流体和颗粒之间的界面上的摩擦力，μ是粘性流体的动力粘度，T是球形物体的半径，并且v是相对于物体的流速。
在SI单位中，Fd以牛顿给出，μ以Pa·s给出，r以米给出，并且v以m/s给出。斯托克斯定律做出以下假设：层流、球形颗粒、均匀(组成均一)的材料、光滑表面和颗粒不会相互干扰。
斯托克斯定律是落球粘度计的基础。在这种类型的实验中，流体在垂直玻璃管中是静止的。使已知尺寸和密度的球体下落通过液体。球体的终端速度可以通过其通过在管上的两个标记所花费的时间来测量。在终端速度(或沉降速度)下，过剩力(Fg)由下式给出：
其中：ρp和ρf分别是球体和流体的质量密度，并且g是重力加速度。
然后通过Fd＝Fg平衡两个力并且求解速度(v)来给出终端速度(vt)。如果颗粒以其自身重量在粘性流体中下落，则当摩擦力与浮力组合刚好平衡重力时达到终端速度或沉降速度。该速度v(m/s)由以下给出：
其中：vt如果ρp>ρf则指向垂直向下，并且如果ρp<ρf则指向垂直向上，g是重力加速度(m/s2)，r是球形颗粒的半径，ρp是颗粒的质量密度(kg/m3)，ρf是流体的质量密度(kg/m3)，并且μ是粘性流体的动力粘度(kg/m*s)。如斯托克斯所研究的，非球形颗粒、粗糙颗粒或极高浓度颗粒的沉降速度或降落速度在层流中比光滑球形颗粒略低。具有较粗的非球形形状的较大颗粒的快速沉降主要受到每粒(颗粒)后面的尾流的紊流阻力的阻碍。Ferguson和Church(Journal of Sedimentary Research,Vol.74,No.6,2004年11月,P.933–937)提出了用于整个尺寸范围内的颗粒沉积物降落速度的明确等式，还包括形状因子(C2)，包括过渡区域，并且显示出它与已发表的实验数据和新的实验数据非常吻合。等式表示：
其中：w是颗粒降落速度(m/s)，g是取值为9.82(m/s2)的重力加速度，D是非球形颗粒的情况下的颗粒直径是与非球形颗粒具有相等体积的球体的颗粒直径(m)，ρp是颗粒的体积质量密度(kg/m3)，ρf是流体的体积质量密度(kg/m3)，v是粘性流体的运动粘度(m2/s)，C1是对于非常尖的颗粒的取值为24的常数，C2是对于非常尖的颗粒的取值为1.2的常数。
由于生物载体元件颗粒通常是不规则形状的、不均匀的并且具有粗糙表面，所以等式4可以用于计算其在各种液体中的颗粒降落速度。通过测量在大气压和20℃下在乙醇中的体积质量密度(ρp)(实施例2)和生物载体元件在大气压和20℃下在乙醇中的颗粒降落速度(实施例3)，可以计算标称粒径，所述标称粒径在本发明中定义为与非球形生物载体颗粒具有相同体积的非球形生物载体颗粒的同一材料的球体的颗粒直径。通过使用乙醇在20℃和大气压下的v＝1.52·10-6m2/s的运动粘度，乙醇在20℃和大气压下的δf＝793kg/m3的体积质量密度，下面示出了各种载体元件的计算的标称直径。在图13中，还示出了外推值(以增加在当前实施例中未测量的沉降速度的曲线跨度)。
实施例5：用于MBBR的最大和最小颗粒沉降速度特性的测定
为了使生物载体元件在MBBR方法中良好发挥作用，必须在水中具有一定的最大沉降速度，在最大沉降速度以上，将难以具有以悬浮状态自由流动的适当充气的颗粒。为了确定如根据实施例3测量的最大沉降速度特性(νmax)，在五个单独总体积中积累具有宽范围的测量沉降速度(当根据实施例3测量时，0.1、0.15、0.20、0.25和0.30m/s)的颗粒，其中颗粒在相同总体积中具有相同沉降速度，相当于生物反应器的15％。那是已经过测试的生物载体元件填充等级，以在本发明中在生物方法中有效地起作用。然后将水添加到生物反应器体积中，并且从生物反应器底部吹入空气，吹入空气的速率模拟满标度的MBBR充气，其具有与15％的生物载体元件负载类似的容量。通过测量在充气反应器体积顶部采集的水样品中的填充率，可以看出颗粒沉降速度是多少，从顶部采集的样品中的填充率低于5％。将颗粒的如在实施例3中测量的沉降速度(其中顶部的填充率低于5％)设定为vmax，当高于该值时认为生物载体元件不再以悬浮状态适当地自由流动。当如根据实施例3测量时，生物载体元件的vmax确定为0.2m/s。
为了确定如根据实施例3测量的最小沉降速度特性(νin)，在多个单独总体积中积累具有不同沉降速度的生物载体元件，其中颗粒在相同总体积中具有相同沉降速度，相当于生物反应器的15％。设置五个平行的生物反应器，每个生物反应器含有具有相同沉降速度(如根据实施例3测量的0.01、0.03、0.05、0.1和0.12m/s)的总体积的颗粒。反应器采用沉降时间为1分钟的顺序相分离模式运行，并且将工业废水(可溶性COD负载为4kg/m3/天)进料到每个生物反应器中以诱导生物载体元件上的生物膜生长。允许在生物载体上建立显著的生物膜生长达30天。含有具有生物膜生长以及太低的原始沉降速度特性的生物载体元件的生物反应器随着排出的液体流失了大量的生物载体元件。含有沉降速度特性为0.01和0.03m/s的生物载体元件的生物反应器分别流失75％和50％的载体元件)，而含有沉降速度特性为0.05m/s的载体生物载体元件的生物反应器流失10％的载体元件。含有沉降速度特性为0.1和0.12m/s的生物载体元件的生物反应器流失了不显著量的生物载体元件。根据这些实验的结果，将不具有生物膜生长的原始生物载体元件的根据实施例3测量的νmin设定为0.05m/s。
实施例6：生物颗粒的无机和有机含量的测定
称量湿污泥(m湿污泥)，然后在105℃的烘箱中干燥24小时。然后再次称量干燥的样品(m干污泥)，并且根据100*m干污泥/m湿污泥计算含水量百分比。之后，将干燥污泥样品放入550℃的烘箱中达4小时。然后再次称量“灰化”样(m灰分)。根据100*(m灰分/m干污泥)计算干燥污泥中的无机含量。之后，根据100*(1-m灰分/m干污泥)计算干燥污泥中的有机含量。下面示出了由各种污泥源生产的生物载体元件的基于总颗粒质量的含水量、以颗粒干质量计的无机含量和以颗粒干质量计的有机含量的结果。
另外，可以根据上面将有机或无机添加物添加至生物载体原料中，以改变生物载体元件性质，诸如但不限于结构完整性、体积质量密度、表面键合性质或生物活性促进性质。这样的有机或无机材料可以是但不限于用于增强结构完整性的纤维材料，用于改变体积质量密度的各种矿物质或用于促进增强表面性质并且甚至进一步促进生物活性的各种类型的营养物和/或催化剂。
可以将添加剂添加到根据本发明的生物载体原料中，并且可以构成不大于50％的生物载体元件质量，优选不大于30％或甚至更优选不大于20％。从技术和/或经济角度来看，高于50％的量将是无益的。
实施例7：定殖和剪切的生物载体元件的沉降
为了测试定殖和剪切的生物载体元件的沉降速度，将380mL总体积(150mL总体积的原始生物载体元件)的定殖的生物载体元件在烧杯中分散在1L新鲜自来水中，并且将内容物迅速倒入1000mL玻璃量杯中。启动计时器，并且使定殖的载体沉降在玻璃量杯中。380mL是定殖的生物载体元件所占据的最小总体积，并且它们的沉降量不会超过该水平。下表示出了在充气中断后沉降完全定殖的生物载体元件所需的时间。沉降的定殖的生物载体元件在大约1分钟内接近其原始体积。
污泥体积(mL) 时间(s)
1000 0
800 7
700 16
600 22
500 31
400 60
380 1800(30min)
实施例8：利用生物载体元件和再生PVC载体元件使用连续相分离的MBBR生物反应 器操作
为了确保生物载体元件在用于通过去除COD和氨来处理废水的MBBR方法中作为活性生物膜载体的性能，在几种配置下进行实验室规模的测试。在MBBR方法中使用两种类型的(基于工业活性污泥的和基于消化城市污泥的)生物载体元件。另外，MBBR方法还使用了再生聚氯乙烯颗粒(沉入水中)，以充当基于污泥的生物载体颗粒的塑料材料参比。当根据实施例3测量时，使用的所有载体元件被选择为具有高于0.05m/s并且低于0.2m/s的沉降速度特性。平行设置三个一升的生物反应器。将150mL总体积的三个不同载体元件和再生PVC颗粒添加到分开的生物反应器中。在连续充气下向生物反应器中连续进料含有大约500mg/L的可溶性COD、80mg/L NH4 +-N、5mg/L PO4 +-P、缓冲溶液(NaHCO3)和痕量金属的工业废水，其中水力停留时间为2小时，温度为20℃，并且根据图8通过利用连续相分离模式10将载体元件保留在生物反应器中。
实施例9：利用基于工业活性污泥的生物载体元件的MBBR中的COD去除
使用根据实施例8的MBBR生物反应器操作程序，图14示出了利用由脱水工业活性污泥制备的生物载体元件在150天运转期间流入物和流出物可溶性COD浓度的结果。在运转5天后，可溶性COD去除超过90％。22天后，去除了一半的生物载体元件，并且在出口中观察到可溶性COD浓度急剧增加。然而系统恢复了，并且第二天再次实现了超过90％的去除。60天后，低pH的操作错误打击了在生长的生物膜中的固定化细菌，并且观察到出口中的可溶性COD浓度急剧增加。系统在3-4天后再次恢复，实现超过90％的去除，然后在试验的剩余时间中保持稳定在可溶性COD去除90％或高于90％。
实施例10：利用基于城市消化污泥的生物载体元件的MBBR中的COD去除
使用根据实施例8的MBBR生物反应器操作程序，图15示出了利用由脱水城市消化污泥制备的生物载体元件在70天的生物反应器运转期间流入物和流出物可溶性COD浓度的结果。与实施例9相比，在入口中最初十天的可溶性COD浓度加倍(1000mg/mL)。从图17可见，可溶性COD浓度在三天内降低了一半，此后保持该浓度不变，从而去除了与实施例8中使用生物载体时相同量的可溶性COD。在十天后入口浓度降低一半，以匹配实施例8中可溶性COD去除反应器的入口浓度。降低入口浓度后6天，可溶性COD降低了85％，并且从那时起保持稳定在85-95％之间。这类似于实施例9中的生物载体的性能。
实施例11：利用基于再生聚氯乙烯(PVC)的载体元件的MBBR中的COD去除
使用根据实施例8的MBBR生物反应器操作程序，图16示出了利用基于再生PVC的载体元件在21天的生物反应器运转期间流入物和流出物可溶性COD浓度的结果。在7天后可溶性COD降低了45％，并且从那时起保持相当恒定在大约50％。
实施例12：利用基于工业活性污泥的生物载体元件的1级MBBR中的氨去除
使用根据实施例8的MBBR生物反应器操作程序(除了在该实施例中最初具有40mg/L的氨氮浓度以外)，图17示出了利用由脱水工业活性污泥制备的生物载体元件在150天的生物反应器运转期间流入物(待净化的液体)和流出物(净化液体)氨氮(NH4-N)和流出物亚硝酸盐(NO- 2-N)和硝酸盐(NO- 3-N)浓度的结果。当在流出物中NO- 2-N浓度开始增加时，硝化在30天后开始。硝化开始后五天，在35天后，流出物中的NH+ 4-N几乎耗尽。因此，在43天后，NH+ 4-N入口浓度加倍至80mg/L。55天后，出口中的NH+ 4-N浓度随着流出物中的NO- 2-N浓度的增加而再次开始降低，同时如实施例9所示去除了可溶性COD。60天后，低pH的操作错误打击了在生物膜中的固定硝化细菌，并且消除了NO- 2-N和NO- 3-N的产生。然后在运转80天后可以看到生物膜中的硝化细菌恢复，在运转120天后NH+ 4-N去除显著增加，达到85％去除，其中伴随流出物中的NO- 2-N浓度增加。在NH+ 4-N去除增加的同时，可溶性COD去除保持高水平(图14)。
实施例13：利用基于工业活性污泥的生物载体元件的2级MBBR中的氨去除
在实施例9和12中将另外的反应器串联耦联(2级MBBR，5b)至反应器，以进一步改善氨还原。在第一COD去除反应器(图14和17)运行36天后，串联耦联的反应器投入运转，并且通过使用一些已经具有从COD去除生物反应器中生长的生物膜的生物载体元件与总体积为生物反应器体积的15％的原始生物载体元件一起来启动。进料到串联耦联的反应器中的废水是从COD去除反应器出来的反应器的流出物(图14和17)。图18示出了串联耦联的第二反应器中流入物和流出物氨氮(NH4-N)和流出物亚硝酸盐(NO- 2-N)和硝酸盐(NO- 3-N)浓度的结果。37天后，流出物中的NH4-N浓度开始稳定下降(与第一反应器中的NH4-N去除无关)，同时(NO- 2-N)和(NO- 3-N)浓度相应地增加。67天后，所有NH4-N都被耗尽，流出物中仅剩下NO- 3-N，表明完全硝化，其在第120天结束时在整个试验中保持稳定。使用该2级系统，实现了95％的可溶性COD去除和98％的氨和亚硝酸盐去除。
实施例14：利用基于城市消化污泥的生物载体元件的1级MBBR中的氨去除
使用根据实施例8的MBBR生物反应器操作程序，图19示出了利用由脱水城市消化污泥制备的生物载体元件在70天的生物反应器运转期间流入物和流出物氨氮(NH4-N)和流出物亚硝酸盐(NO- 2-N)和硝酸盐(NO- 3-N)浓度的结果。在运转约55天后，NO- 2-N浓度开始增加，而流出物中的NH4-N浓度相应地降低。在NH+ 4-N去除增加的同时，可溶性COD去除保持高水平(图15)。
实施例15：利用生物载体元件使用连续和顺序相分离的MBBR生物反应器操作
为了确保生物载体元件在用于通过以连续和顺序相分离模式去除COD和氨来处理废水的MBBR方法中作为活性生物膜载体的性能，进行实验室规模的测试。在MBBR方法中使用由城市活性污泥制备的生物载体元件。当根据实施例3测量时，使用的生物载体元件被选择为具有高于0.05m/s并且低于0.2m/s的沉降速度特性。设置一升的生物反应器，并且添加150mL总体积的原始生物载体元件。向生物反应器中连续进料含有大约500mg/L的可溶性COD、80mg/L NH4 +-N、5mg/L PO4 +-P、缓冲溶液(NaHCO3)和痕量金属的工业废水，其中水力停留时间为2小时并且温度为20℃。在头45天内生物反应器以连续充气运行，并且如图7所示由此通过利用筛网(9)的连续相分离将生物载体元件保留在生物反应器中。在第45天之后的数天内并且直到试验结束(80天)，生物反应器以顺序充气和机械混合运行，并且由此如图6所示通过顺序相分离8将生物载体元件保留在生物反应器中。充气循环的顺序为：充气15分钟，不充气1分钟(生物载体元件沉降)，并且在高于沉降载体的水平下排出流出物达4分钟。然后，该循环每小时重复三次。
图20示出了在运行150天期间流入物和流出物可溶性COD浓度的结果，在45天后阶段操作的变化被标记出来。5天后，可溶性COD去除为大约90％。然后将去除稳定在90-95％之间，直到第40天左右，这时由于意外的操作问题，可溶性COD去除降低至80％，从而使得该方法中流失了一些生物载体元件。
在第47天开始使用间歇充气的顺序相分离模式，并且与使用恒定充气(恒定充气为大约85％)的连续相分离模式相比，可溶性COD去除较低，这是因为一些生物载体元件流失。因此，针对生物载体元件的流失进行调整，流入的工业废水中的可溶性COD浓度降低至一半浓度至250mg/L。运行15天后，废水进料中的可溶性COD浓度较低，去除率再次高于90％。
测量了流入的工业废水和流出的流出物中的NH+ 4-N浓度，连同流出物中的NO3 --N和NO2 --N浓度，结果示于图21。运行24天后开始生物膜中的硝化(利用筛网9的连续相分离，用于保留生物载体元件)，此时在流出物中NH+ 4-N浓度开始降低并且NO2 --N浓度开始增加。在第32天，流出物中的NO2 --N浓度开始降低，并且在第40天再次是低的。在此期间，用于保留生物载体元件的位于流出物中的筛网过度生长，因为放置的筛网清洁机制无法发挥作用。这导致生物反应器中悬浮的污泥过度生长，并且由于生物反应器的溢出，生物载体元件流失。这降低了硝化速率。
筛网清洁机制恢复，并且从悬浮的生物质中清洁反应器，并且从第40天到第47天硝化恢复，其中在流出物中再次增加NO2 --N浓度并且降低NH+ 4-N浓度。在第47天之后，如前所述，生物反应器使用间歇充气以连续相分离模式运行，以将生物载体元件保留在生物反应器中。此后，在65天后随着亚硝化设置，硝化增加。
在图21中看出，当在1级反应器中同时去除COD时，以顺序相分离模式而不是以恒定充气运转生物反应器是更稳定的硝化方法。顺序相分离确保了去除悬浮的生物质，同时保留生物载体元件。利用筛网将生物载体元件保留在生物反应器中的连续相分离倾向于显著地保留更多的悬浮生物质，从而妨碍在生物载体元件上的生物膜的硝化能力，并且还降低溶解氧浓度。在顺序相分离模式中，可溶性COD的去除超过90％，同时有效地去除NH+ 4-N。
实施例16：利用K5载体作为参比的1-阶段MBBR操作
另外，建立了使用具有特定受保护表面积(K5的图片)的标准塑料K5载体介质的MBBR，以将启动过程中的初始COD去除率与生物载体元件进行比较。将50％填充等级的K5载体介质添加到1L反应器中，并且将含有500mg/L的可溶性COD、80mg/L NH4+-N、5mg/L PO4+-P、缓冲溶液(NaHCO3)和痕量金属的工业废水连续进料到反应器中，其中水力停留时间为2小时，温度为20℃。K5载体介质具有足够大的体积而不通过出口，并且由此保留在生物反应器中。
利用生物载体元件的可溶性COD去除率也可以与当利用具有受保护表面的商业塑料K5载体介质时的可溶性COD去除率进行比较。在图22中，使用填充等级为50％的K5载体介质的流出物中的可溶性COD浓度与使用生物载体元件时的流出物中的可溶性COD浓度进行比较。在图11b中看出，与使用K5载体介质时相比，使用生物载体元件时主要可溶性COD浓度在显著更短的时间内被去除。K5介质上异质细菌的初始生物膜建立最初很慢，并且K5介质上生物膜的去除速率要花费6天才能赶上生物载体元件上的生物膜。

Claims (45)

1.一种用于在移动床生物膜反应器(MBBR)中承载生物膜(2)的生物载体(1)，所述载体是由脱水污泥和不大于50wt％的添加剂组成的颗粒，其中所述颗粒的含水量为0至50重量％，如以总质量计、作为所述颗粒的含水量分数所测量的。
2.根据权利要求1所述的生物载体(1)，其中所述脱水污泥包括来自水净化方法和/或有机固体处理方法的污泥。
3.根据权利要求2所述的生物载体(1)，其中所述污泥是来自城市或工业废水处理方法的初级、二级或三级污泥或其任何组合和/或来自有机固体处理方法的消化污泥。
4.根据权利要求3所述的生物载体(1)，其中所述污泥已在厌氧消化器中消化。
5.根据权利要求3所述的生物载体(1)，其中所述污泥已在需氧消化器中消化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的体积质量密度为1.01至2.5g/cm3，如通过在20℃和1atm下在空气中、然后在99.9体积％乙醇中称量所述颗粒所测定的。
7.根据权利要求6所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的体积质量密度为1.02至1.8g/cm3，如通过在20℃和1atm下在空气中、然后在99.9体积％乙醇中称量所述颗粒所测定的。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的重量为0.1至100mg。
9.根据权利要求8所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的重量为0.5至30mg。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的标称直径为0.5至10mm。
11.根据权利要求10所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的标称直径为0.7至7mm。
12.根据权利要求10所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的标称直径为0.9至4mm。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的生物载体(1)，其中所述颗粒在20℃和1atm下在变性乙醇即99.9体积％的乙醇中的沉降速度的范围为0.02m/s至0.4m/s。
14.根据权利要求13所述的生物载体(1)，其中所述颗粒在20℃和1atm下在变性乙醇99.9体积％的乙醇中的沉降速度的范围为0.05m/s至0.2m/s。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的无机含量为0至90重量％，如以干质量计、作为所述颗粒的灰分含量分数所测量的。
16.根据权利要求15所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的无机含量为0.5至60重量％，如以干质量计、作为所述颗粒的灰分含量分数所测量的。
17.根据权利要求1至5中任一项所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的含水量为2至40重量％，如以总质量计、作为所述颗粒的含水量分数所测量的。
18.根据权利要求17所述的生物载体(1)，其中所述颗粒的含水量为5至30重量％，如以总质量计、作为所述颗粒的含水量分数所测量的。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的生物载体(1)在MBBR方法中用于净化来自污染物的液体的用途，所述MBBR方法利用包含至少一个生物反应器(10)的MBBR系统，所述生物反应器(10)连续地或间歇地进行充气和/或混合，其中所述生物载体(1)保留在所述至少一个生物反应器(10)中，所述生物载体(1)通过充气和/或搅拌待净化的液体而在待净化的液体中连续地或间歇地保持悬浮和移动，并且其中所述生物载体(1)为生物膜(2)生长提供表面。
20.根据权利要求19所述的用途，其中所述生物反应器(10)是容器，所容器包含：一个或几个相连体积或区域，其中促进了生物活性；一个或几个入口(11)，用于提供待净化的液体；一个或几个出口(12)，用于抽出已净化的液体；以及一个或几个充气器(13)和/或混合器(14)。
21.根据权利要求19至20中任一项所述的用途，其中所述充气是间歇充气；和/或所述混合是间歇的。
22.根据权利要求19至20中任一项所述的用途，其中从所述生物反应器(10)中间歇地抽出已净化的液体，当通过顺序地使所述充气和/或所述搅拌停止而抽出已净化的液体时，将所述生物载体(1)保留在所述生物反应器(10)中，从而使所述生物载体(1)在所述生物反应器(10)中沉降，并且抽出存在于沉降的生物载体(1)上方的已净化的液体。
23.根据权利要求19至20中任一项所述的用途，其中从所述生物反应器(10)中连续地抽出已净化的液体，所述MBBR系统还包含丝网(15a)、筛网(15b)、过滤器(15c)、膜(15d)或相分离器(16)以将所述生物载体(1)保留在所述生物反应器(10)中。
24.根据权利要求19至20中任一项所述的用途，其中所述MBBR系统还包含丝网(15a)、筛网(15b)、过滤器(15c)、膜(15d)或相分离器(16)以将所述生物载体(1)保留在所述生物反应器(10)中。
25.根据权利要求19至20中任一项所述的用途，其中将另外的生物载体(1)周期性地，每天、每周、每月或甚至每年，重新填充到生物反应器(10)中，以补充流失或消耗的颗粒。
26.一种制造根据权利要求1至18中任一项所述的生物载体(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将污泥脱水至总干固体含量大于65重量％；和
(ii)将脱水污泥形成为颗粒，和
(iii)表征来自步骤(ii)的所述颗粒，并且基于所述表征，选择用于在MBBR方法中承载生物膜(2)的生物载体(1)。
27.根据权利要求26所述的制造生物载体(1)的方法，其中在步骤(i)中将污泥脱水至总干固体含量大于80重量％。
28.根据权利要求26所述的制造生物载体(1)的方法，其中在步骤(i)中将污泥脱水至总干固体含量大于90重量％。
29.根据权利要求26所述的制造生物载体(1)的方法，其中步骤(i)中的脱水利用选自由以下组成的组的一种或多种污泥脱水技术：薄层干燥、带式干燥、转筒式干燥、盘式干燥、立式干燥、日晒干燥、真空干燥、流化床干燥器及其任何组合。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的制造生物载体(1)的方法，其中在步骤(ii)中通过碾磨、研磨、切割、粉碎、粒化、制粒、挤出或压制来形成所述颗粒。
31.根据权利要求26至29中任一项所述的制造生物载体(1)的方法，其中使用将所述脱水污泥干燥并且机械形成为颗粒形式的技术，同时进行步骤(i)和(ii)。
32.根据权利要求31所述的制造生物载体(1)的方法，其中使用转筒式干燥，同时进行步骤(i)和(ii)。
33.根据权利要求26至29中任一项所述的制造生物载体(1)的方法，其中所述选择的生物载体(1)具有以下属性中的至少一项：
体积质量密度为1.01至2.5g/cm3，如通过在20℃和1atm下在空气中、然后在99.9体积％乙醇中称量所述颗粒而测定的，
重量为0.1至100mg，或者
标称直径为0.5至10mm。
34.根据权利要求33所述的制造生物载体(1)的方法，其中所述选择的生物载体(1)的体积质量密度为1.02至1.8g/cm3，如通过在20℃和1atm下在空气中、然后在99.9体积％乙醇中称量所述颗粒而测定的。
35.根据权利要求33所述的制造生物载体(1)的方法，其中所述选择的生物载体(1)的重量为0.5至30mg。
36.根据权利要求33所述的制造生物载体(1)的方法，其中所述选择的生物载体(1)的标称直径为0.7至7mm。
37.根据权利要求33所述的制造生物载体(1)的方法，其中所述选择的生物载体(1)的标称直径为0.9至4mm。
38.根据权利要求26至29中任一项所述的制造生物载体(1)的方法，
其中将在20℃和1atm下在变性乙醇即99.9体积％的乙醇中的沉降速度的范围为0.02m/s至0.4m/s的生物载体(1)用作用于分选的尺寸和/或重量参数的参比，因此使得能够通过尺寸或重量标准来分选具有合适的沉降速度的颗粒。
39.根据权利要求38所述的制造生物载体(1)的方法，其中将在20℃和1atm下在变性乙醇即99.9体积％的乙醇中的沉降速度的范围为0.05m/s至0.2m/s的生物载体(1)用作用于分选的尺寸和/或重量参数的参比，因此使得能够通过尺寸或重量标准来分选具有合适的沉降速度的颗粒。
40.根据权利要求26至29中任一项所述的制造生物载体(1)的方法，其中在步骤(iii)中通过选自由以下组成的组的技术表征所述颗粒：筛分、筛选、空气分级和比重分离或其任何组合。
41.根据权利要求26至29中任一项所述的制造生物载体(1)的方法，其中在脱水步骤(i)之前在除水步骤(a)中将所述污泥除水，以达到5-50重量％的总固体含量。
42.根据权利要求41所述的制造生物载体(1)的方法，其中在脱水步骤(i)之前在除水步骤(a)中将所述污泥除水，以达到10-40重量％的总固体含量。
43.根据权利要求41所述的制造生物载体(1)的方法，其中在脱水步骤(i)之前在除水步骤(a)中将所述污泥除水，以达到15-30重量％的总固体含量。
44.根据权利要求41所述的制造生物载体(1)的方法，其中步骤(a)中的除水利用使用选自由以下组成的组的一种或几种不同技术：沉降技术、离心技术、水力旋流技术、溶气浮选技术和压滤技术。
45.根据权利要求26至29中任一项所述的制造生物载体(1)的方法，其中在脱水步骤(i)之前将一种或几种添加剂添加并且混合到所述污泥中，所述一种或几种添加剂是影响所述脱水污泥的体积质量密度的一种或几种有机或无机组分、增加所述生物载体(1)的机械强度的纤维组分和/或促进生物质生长的营养物或矿物质；和/或
其中在脱水步骤(i)之前在混合步骤(b)中混合不同类型的污泥。
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