CN112771007A - 水系统中生物膜管理的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于去除流入物中的组分的装置及方法。所述装置包括接收水混合物作为流入物并输出溶液的生物处理器；接收溶液并将溶液分离成液体和固体的固液分离器；以及包括至少一个介质表面的生物膜介质。所述生物膜介质可具有生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度、水力停留时间或固体停留时间。所述至少一个介质表面生长了将包含在流入物中的一种或多种组分去除的生物膜。可以通过物理过程、生物过程或化学过程中的至少一种来控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度、水力停留时间或固体停留时间。

Description

水系统中生物膜管理的装置和方法

发明领域

本公开总体上涉及水、再利用和废水处理，更具体地，涉及在水系统中去除水中的组分。

背景技术

生物膜系统已被常规用于废水处理，最近，在再利用和饮用水系统方面，其受到了越来越多的关注。这些生物膜系统通常为这样的方法：其中对于扩散的管理考虑较少，而更多地关注于向生物体提供支持以实现足够高的固体停留时间(solids retention time，SRT)，且通常SRT越高越好。

发明内容

根据本公开的非限制性方面，提供了一种用于去除水中的组分并提供具有低浊度和低污染物残留的流出物的技术方案。所述技术方案包括用于处理水以实现低浊度、低化学需氧量、低总有机碳量或低污染物残留的系统、装置和方法。除其他方面以外，所述技术方案包括施加反应物，然后施加生物过滤系统。所述技术方案包括在水处理中施加一种或多种化学反应物(例如，氧化剂或反应物)和生物膜系统的组合。

根据本公开技术方案的一个非限制性实例，提供了一种用于去除流入物中的组分的装置。所述装置包括：生物处理器，所述生物处理器接收水混合物作为流入物并输出溶液；固液分离器，所述固液分离器接收所述溶液并将所述溶液分离成液体和固体；以及生物膜介质，所述生物膜介质包括至少一个介质表面，所述生物膜介质具有生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度、水力停留时间或固体停留时间，其中，所述至少一个介质表面生长了将包含在所述流入物中的一种或多种组分去除的生物膜，并且其中，通过物理过程、生物过程或化学过程中的至少一种来控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度、水力停留时间或固体停留时间。

所述生物处理器可以包括生物反应器或生物过滤系统。

所述生物膜介质可以具有两个或多个介质表面，每个介质表面具有不同的生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。所述两个或多个介质表面中的至少一个可以被遮盖、部分被遮盖或不被遮盖。

所述生物膜介质可以在两个或多个介质表面中的至少一个上或在所述生物膜介质内包括脊、网格、大孔包含物或微孔包含物中的至少一种。

所述装置可以包括：预处理器，所述预处理器将例如臭氧、氯气、紫外辐射、过氧化氢、高锰酸钾的化学试剂，或生物试剂加至流入物或再循环流中，其中，所述化学试剂包括反应物、氧化剂或还原剂，其中，所述生物试剂包括噬菌体、载体(vector)或病毒，并且其中，所述物理过程或生物过程包括将所述化学试剂或所述生物试剂加至所述流入物或再循环流中，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。所述化学试剂可以包括臭氧、过氧化氢、紫外辐射或高锰酸钾。

所述装置还可以包括增强剂，所述增强剂将营养物质或辅因子加至所述流入物或再循环流中，其中，所述营养物质包括微量元素、氮或磷，其中，所述辅因子包括有机辅酶或无机金属，并且其中，所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间由所述营养物质或辅因子控制。所述无机金属可以包括铁、锌或铜。

所述装置还可以包括选择器，所述选择器通过剪切所述生物膜介质来应用所述物理过程，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间，并且还根据需要对固体进行分类。

所述装置还可以包括气体源，所述气体源通过冲刷所述生物膜介质来应用所述物理过程，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

所述装置还可以包括反洗设备，所述反洗设备通过反洗所述生物膜介质来应用所述物理过程，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

所述组分可以包括微污染物、纳米污染物、碳质材料(carbonaceous material)、营养物质或无机化合物中的至少两种。

所述生物处理器可以包括生物反应器，所述生物膜介质可以包括两个或多个载体(carrier)。

所述装置还可以包括受控生物膜区，所述受控生物膜区包括所述两个或多个载体中的第一载体；和不受控生物膜区，所述不受控生物膜区包括所述两个或多个载体中的第二载体，其中在所述第二载体上生长的生物膜在所述不受控区内被所述第一载体剪切。

根据本技术方案的另一个非限制性实例，提供了一种用于去除流入物中的组分的方法，所述方法包括：接收水混合物作为流入物；通过生物处理器处理所述流入物以输出经处理的溶液；从所述经处理的溶液中分离固体混合物；以及控制由生物膜介质提供的至少一个介质表面中包含的生物膜的生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间，以生长或去除流入物中包含的一种或多种组分，其中，所述控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间包括以下至少一种：应用物理处理过程；应用生物处理过程；或应用化学处理过程。

在所述方法中，所述生物膜介质可以在所述至少一个介质表面上或在所述生物膜介质内包括脊、网格、大孔包含物或微孔包含物中的至少一种。所述生物膜介质可以具有两个或多个介质表面，每个介质表面具有不同的生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。所述从所述经处理的溶液中分离固体混合物的方法可以包括：将膜、过滤器、澄清器或水力旋流器应用于所述溶液。

在所述方法中，所述化学处理过程可以包括将化学试剂或生物试剂加至再循环流中，其中，所述化学试剂包括反应物、氧化剂或还原剂，所述生物试剂包括噬菌体、载体或病毒，并且其中，所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间由所述化学试剂或生物试剂控制。所述化学试剂可以包括臭氧、氯气、过氧化氢、紫外辐射或高锰酸钾。

在所述方法中，所述生物处理过程可以包括将营养物质或辅因子加至再循环流中，其中，所述营养物质包括微量元素、氮或磷，其中，所述辅因子包括有机辅酶或无机金属；并且其中，所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间由所述营养物质或辅因子控制。所述无机金属可以包括铁、锌或铜。

在所述方法中，所述物理处理过程可以包括通过固液分离器向所述生物膜介质施加剪切力，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间；用气体冲刷所述生物膜介质，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间；或者反洗所述生物膜介质，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

通过考虑具体实施方式和附图，可以阐述本公开的另一些特征、优点和实施方案，或者使本公开变得明显。此外，应当理解，本公开的前述发明内容以及以下的具体实施方式和附图提供了非限制性实例，其旨在提供进一步的解释，而不限制本公开所要求保护的范围。

附图说明

包含了所附附图以提供对本公开的进一步理解，其被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，示出了本公开的实施方案，并且与具体实施方式一起用于解释本公开的原理。除了用于基本理解本公开以及可以实践本公开的多种方式所必需内容之外，未更详细地示出本公开的结构细节。

图1A和图1B示出了生物膜厚度对流出物组分(例如碳质材料、易生物降解的微污染物和可缓慢生物降解的微污染物)浓度影响的实例，其中，图1A示出了受生物质限制(或SRT)的影响，图1B示出了根据菲克扩散定律的扩散的影响。

图2示出了在去除例如总有机化合物(total organic compound，TOC)、易生物降解的微污染物和可缓慢生物降解的微污染物组分方面，SRT和生物膜厚度之间可以达到的相对平衡的实例。

图3A和图3B示出了基于砂滤器实例，在流出物品质(图3A)和去除速率(图3B)方面取决于生物膜厚度的响应的实例。

图4A和图4B示出了使用物理、化学或生物控制来控制总生物质厚度(图4A)或生物膜组成(图4B)的实例。

图5示出了载体的实例，其中在保护区中维持了薄生物膜与不受控的较厚生物膜的组合。

图6示出了根据本公开原理构造的水处理装置的实例。

图7示出了根据本公开原理构造的水处理装置的另一实例。

图8示出了根据本公开原理构造的水处理装置的又一实例。

图9示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。

图10示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。

图11示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。

图12示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。

图13示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。

图14示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。

图15示出了流出物品质作为生物膜厚度的函数的实例。

图16示出了流出物品质作为不同介质类型的EBRT的函数的实例。

在随后的具体实施方式中进一步描述了本公开。

具体实施方式

参考在附图或下述具体实施方式中描述或示出的非限制性实施方案和实例，更充分地解释了本公开及其多个特征和有利细节。需要说明的是，附图中示出的特征不必按比例绘制，并且，如本领域技术人员将认识到的，即使没有明确说明，一个实施方案的特征也可以与其他实施方案一起使用。可省略众所周知的组件和处理技术的描述，以免不必要地使得本公开的实施方案变得难懂。这些实例仅旨在促进对可以实践本公开的方式的理解，并且进一步使得本领域技术人员能够实践本公开的实施方案。因此，实例和实施方案不应被解释为限制本公开的范围。此外，需要说明的是，相似的附图标记代表附图若干视图中相似的部分。

工业、农业或住宅实践会向水中排放多种组分。如果不适当去除或处置，微污染物可能会有害于动物健康。组分可以例如包括有机污染物、无机污染物、微污染物、纳米污染物、化学品化合物、农药、药物、清洁产品或工业化学品，它们可对动物健康(包括人类健康)有毒。一些组分可在人类等生物体中生物富集，对生物体严重有害。

生物处理过程可以用于去除水中的组分。生物处理过程可以例如用于废水处理、饮用水处理、水再利用、饮用水分配系统、废水收集系统、住宅或公共机构的管道系统、天然或人工湿地、雨洪处理、农业缓冲区或河岸过滤系统。生物处理可以通过微生物进行，例如细菌、霉菌、真菌、原生动物(例如，变形虫、鞭毛虫或纤毛虫)、藻类、后生动物(例如，轮虫、线虫或缓步动物)或原核生物(例如，α变形菌、β变形菌、γ变形菌、拟杆菌或放线菌)。微生物可以利用多种代谢或呼吸过程去除水中的碳或营养物质。可生物降解的有机材料可以例如在需氧条件下被异养细菌生化氧化，或者例如在厌氧条件下被产甲烷古菌生化氧化。

该技术方案可以包括用于去除水中(包括例如废水)的组分的生物膜系统、水处理装置或水处理过程。该技术方案可以包括促进或执行水处理装置(例如，图6至图14中的任一幅示出的水处理装置)中组分的生物降解的生物膜系统。生物膜系统可以包括结构化或非结构化的微生物群落，所述微生物群落可以被包封在例如自建立的聚合物基体之内或附着于其上，和粘附至活性(living)或惰性表面或材料。该生物膜系统可以包括单生物膜或多生物膜系统。单生物膜由单个生物膜组成。多生物膜系统包括可以以串联、并联或串联和并联的任何组合，或支流或分流配置布置的两个或多个生物膜。多生物膜可以包括具有不同生物膜质量、体积、密度、厚度范围或固体停留时间的两个或多个介质表面。多生物膜可以包括被遮盖的生物膜或不被遮盖的生物膜。多生物膜既可以包括被遮盖的生物膜，又可以包括不被遮盖的生物膜。多生物膜可以包括被遮盖、部分被遮盖或不被遮盖的表面，以生长用于去除如碳质材料、营养物质、有机化合物、无机化合物、微污染物或纳米污染等组分的生物膜。生物膜系统可以包括低扩散生物膜。扩散可以包括随机分子运动引起的转运，并且在接近微生物细胞水平的某些位置处，扩散对于溶质移向或离开细胞表面而言变得至关重要。扩散可以是细胞聚集体内的主要转运过程。生物膜系统可以提供组分降解所需的固体停留时间(solids retention time，SRT)。

该技术方案可以包括固液分离器或固液分离过程，其可以与生物处理器或生物处理过程进行组合。固液分离器或处理器可以管理技术方案输出的流出物中的组分浓度或浊度。由于用来降解组分(例如，复杂底物或污染物)的生物膜的生长函数可与水处理系统或过程中的固液分离相反(run counter)，因此该技术方案提供了一种对生物膜生长和固液分离进行优化的机制，其提供了可满足或高于人类消费或排放到例如溪流、河流、湿地或海洋等环境中的水的纯度要求的流出物。此外，有些流入物的特性可能导致组分以不同的速率被降解。该技术方案中的生物膜系统和过程可以包括多生物膜，其具有多个(例如，两个或多个)生物膜表面，以通过不同的降解速率降解组分并支持需要不同SRT的微生物，从而对于生物膜厚度(或潜在的扩散或其相对SRT的管理)的管理和固液分离过程的管理均提供了全面的解决方案。该技术方案为实现流出物中的低浊度和低污染物残留提供了全面的解决方案。该技术方案可以提供这样的流出物：例如具有0.05浊度单位(nephelometricturbidity unit，NTU)或更低的浊度水平，并且在流入物中具有约20至60mgPt/L(Hazen标度的铂钴单位)的颜色，和约为0.2至10mg/L的TOC。该技术方案可以使流出物中组分的残留水平或浓度对人类消费或环境排放而言安全。浊度可以使用例如浊度仪来测量。

除其他方面以外，该技术方案可以包括：施加例如诸如化学品等反应物的步骤，然后施加膜反应器中包含的生物膜介质或絮凝系统；或者，施加例如诸如氯等化学制品或诸如臭氧等气体的反应物，然后施加生物膜系统。该技术方案可以包括粗介质(roughingmedia)以降解由于所述反应物存在而变得不稳定的易降解有机材料；随后是下游介质，其可以用于降解更难降解的底物。这两种介质可以去除与固液分离功能相关的浊度。

生物膜系统包括用于促进例如总有机化合物(TOC)、微污染物或纳米污染物的组分降解的生物膜。生物膜系统可以有效且高效地从去除水中的组分。该技术方案可以管理和控制流出物性质，例如浊度、pH水平或组分浓度水平。该技术方案可通过这样的方式管理和控制膜厚度或生物质：能够提供优异的流出物品质且不使处理系统或过程变为生物质(SRT)限制性或浊度限制性的。例如，该技术方案可用于处理废水以输出满足或高于人类消费或环境排放的品质要求的最终流出物。

如前文所提到的，生物膜系统可以包括单生物膜或多生物膜，其具有两个或多个介质表面，以生长不同(或相同)类型的生物质。该多生物膜可以包括被遮盖、部分被遮盖或不被遮盖的生物膜。生物膜可以是受控或不受控的。该生物膜可以是薄或厚的，或者被定制用于特定组分的降解，或以其他方式支持缓慢生长的生物体或更易生长的生物体。该技术方案可以管理和控制浊度或固液分离过程，所述固液分离过程可以与生物膜管理过程脱离(decoupled)。

图1A和图1B示出了生物膜厚度对流出物中具有碳质材料的组分、易生物降解的微污染物和可缓慢生物降解的微污染物的浓度的影响的实例。具有碳质材料的组分可以包括例如总有机化合物(TOC)或总有机底物(total organic substrate，TOS)。如图1A所示，流出物中的组分浓度可以在两个区域中不同，即生物质(或SRT)受限区域和扩散受限区域。在生物质受限区域中，随着生物膜系统中生物膜厚度的增加，组分浓度可被有效限制，直至达到最小扩散限制点为止。该最小点可无生物质限制。该最小点可对应于扩散受限区域中的最小点。在达到该最小点之前，生物膜厚度对组分浓度的限制性作用对于一定范围的生物膜厚度可基本上呈线性，随后趋于平稳，然后过渡到扩散受限区域并改变方向，其中组分浓度随生物膜厚度的增加而提高。在扩散受限区域中，组分浓度可随生物膜厚度的增加而线性提高。

图1B示出了生物膜厚度对三种不同类型的可生物降解组分的影响的实例。曲线A、B和C分别描绘了生物膜厚度对流出物中易生物降解的组分(曲线A)、可缓慢生物降解的组分(曲线B)和总有机化合物(TOC)微污染物(曲线C)的组分浓度限制性的影响。

如图1B所示，三条曲线A、B、C在不同的生物膜厚度下具有最小的组分浓度。如曲线A所示，易生物降解的组分可能需要非常薄的生物膜，因为它们不太受生物质限制。此类薄生物膜可能需被更主动地管理。另一方面，缓慢降解的组分更有可能受到生物质限制，并且需要更长的SRT。生物体最大比生长速率可以不同，例如对于快速生长生物体而言，大约四至五天；对于需氧自养生物体和生长较慢的生物体而言，大约一天；而对于生长非常慢的生物体而言，大约十分之一天(或约2.5小时)或更短。取决于底物受限的生物膜中的生物体位置，一级生长速率可能更低。最小SRT要求对应于该最大生长速率，并且通常是这些生长速率的倒数。低SRT可为约二至三天，或者在某些情况下，短于一天。中等SRT可为约五至十天，或者更长。高SRT可大于十天，例如二十至三十天，并且在某些情况下长达一百天或者更长。对于单生物膜或具有单一类型生物膜(例如，厚度相同或相似，或微生物相同或相似)的多生物膜而言，管理这么多种组分非常复杂。然而，该技术方案中的生物膜系统可以在水处理装置或过程中同时优化对该多种组分的管理，其中可以在两个或多个生物膜内、在受控或不受控的生物膜内、在薄或厚的生物膜内，或者在被遮盖或不被遮盖的生物膜内优化每种组分的降解。被遮盖的生物膜可以包括遮盖物(shelter)，例如生物膜基体或其他物理结构，其可以通过充当物理障碍来保护细菌细胞免受抗菌剂或环境压力的影响。这样的物理结构可以例如包括，在介质表面上或在介质内的脊、网格、或基体、或者大孔或微孔包含物。该介质可以包括可支持和促进生物体生长的材料或底物。

在生物膜系统中，对于薄生物膜，生物膜厚度可以为例如约5μm(或更小)至约50μm的范围内的任何值；对于厚生物膜，生物膜厚度可以为约50μm(或更小)至约500μm的范围内的任何值。生物膜沿其厚度，可以包括例如五种(或更少)微生物(首尾相连)至五十种(或更多种)微生物中任何数目的微生物。每个生物膜的厚度应使其能够被主动管理，以使流出物中的浊度或组分最小化。如图1B的曲线A所示，易生物降解的组分往往不太受生物质限制。当通过充分停留来克服生物质限制时，由于生物膜内扩散限制的影响，较厚的生物膜会提高组分浓度。当生物膜生长在具有比组分高得多的浓度的宏观底物上时，尤其是这种情况。，例如，如图1A所示，特别是在使用多生物膜时，可以达到生物质限制和扩散限制实现平衡的最佳点。另一方面，如曲线B所示(图1B所示)，缓慢降解的组分更有可能受到生物质的限制，并且需要更长的SRT。该技术方案中的生物膜系统可以优化多膜中两个或多个生物膜内的每种组分。如上所述，生物膜可以包括受控或不受控的生物膜、薄或厚的生物膜，或者，被遮盖或不被遮盖的生物膜。需要注意的是，薄生物膜的厚度可以仅为几μm或更薄，而厚膜可以为50μm或更厚。

根据本公开的非限制性实例，生物膜可以在遮盖物或包含物中生长，使得生物膜可以自调节其生物质和生物膜厚度。这种自调节可以应对温度变化或质量负载变化。与非自调节的生物膜相比，自调节型生物膜可以具有更高的SRT。这种更高的SRT可以促进生长，或促进难以降解的组分在遮盖物(例如，不受限的(unrestricted)自调节型SRT遮盖物)中的降解。底物、微量营养素或共底物的供应可被包括在生物膜中或施加于生物膜，或者通过多孔生物膜支持物的环形物提供，以促进生长。与可用于降解易于降解组分或者质量或浓度较大组分的、不被遮盖且主动管理的生物膜相比，自调节型生物膜或被遮盖生物膜可具有更大的扩散阻力。这可允许利用易降解或更容易降解的碳或底物的微生物优先在低扩散条件下共存，因为微生物更偏好处于低扩散条件下，以更容易获得底物。可以在略微更难扩散的生物膜上降解或生长较难降解的组分。更难扩散的生物膜的厚度可以取决于被更加主动地管理的生物膜的厚度。

可以通过串联、并联或串联和并联的任何组合，或者支流或分流配置来管理生物膜的厚度。例如，主动管理的生物膜可以是粗生物膜，该粗生物膜在被动管理的被遮盖生物膜之前。在一个实例中，主动管理的生物膜可由无烟煤或膨胀粘土组成，该无烟煤或膨胀粘土位于构成遮盖物的颗粒状活性炭(granular activated carbon，GAC)上部。可以对无烟煤或膨胀粘土进行主动冲刷或反洗，以管理生物膜厚度和SRT，同时GAC可以支持组分的降解。可以通过冲刷或者一个或多个反洗循环，来使用主动管理的生物膜控制流出物固体和浊度。反之亦然，这取决于该技术方案的应用。

在该技术方案的非限制性实例中，可以在反应器(例如，图6中所示的生物反应器40)的深度或长度上包括单膜(monofilm)，可以通过SRT管理过程调节生物膜厚度。如图6至图14所示的水处理装置所提供的，SRT管理过程可包括消耗、反洗或空气冲刷。对于不受调节或自调节(不受控)的生物膜而言，生物膜厚度可取决于维持最小体积流出物组分浓度(bulk effluent constituent concentration)所需的生物膜质量，该生物膜质量可约为具有工业上可接受的水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)的水处理装置的生物膜的半饱和系数(Ks)。当组分浓度低于Ks时，速率降低的程度使得所需的反应器(例如，图6中所示的生物反应器40)尺寸变得大得不合理。因此，图1A和图1B中的最小扩散限制点约为自调节型生物膜的Ks。

可以通过使生物膜变薄来降低Ks。例如，这可以通过增加用于生物膜生长的表面积，从而允许生物质在更大的表面积上扩散来实现。这还可以通过在生物膜系统中的包括两个或更多生物膜的多生物膜来实现，该两个或更多生物膜包括不被遮盖的薄生物膜，其具有被管理的SRT以更快地降解底物；和被遮盖的稍厚生物膜，其用于生长需要更长SRT的底物。根据生物膜系统的非限制性实例，不被遮盖的较薄生物膜可具有约5μm(或更小)至约50μm(或更小)的厚度，被遮盖的较厚生物膜可具有约10μm至约500μm的厚度。这两种方法都可以降低Ks，并降低自调节生物膜的厚度和流出物的浓度。组分的Ks可以例如为约10μg/L至约100μg/L。

根据本公开的非限制性实例，可以在废水处理过程中包括生物膜系统，以去除流入废水中的组分。在废水处理过程中，从夏季到冬季，由于生物膜厚度增加，流出物中的组分浓度会增加，这可导致扩散阻力和Ks的增加，从而导致最小点的移动，如图1B所示。因为生物膜更厚，曲线B的最小点会比曲线A的浓度高。在该技术方案的应用中，例如，在再利用或饮用水生物过滤(例如，生物活性炭(biological activated carbon，BAC)反应器)的应用中，生物膜厚度可以在约1μm至约50μm的范围内，并且可高达500μm。在BAC反应器中，空床接触时间(empty bed contact time，EBCT)可为约5分钟至约20分钟；对于再利用系统，有时为30分钟或更长(例如，多达60至90分钟)。一般来说，对于易于降解的组分，EBCT可以在约2至4分钟的范围内；对于可缓慢降解的组分，可以在约5至30分钟的范围内；并且在再利用应用中，可以长达60分钟或更长。对于易降解组分和可缓慢降解组分的EBCT而言，EBCT可相差5至10倍。水力负荷率的范围可以为大约1m/h至大约10m/h，或者高达15至20m/h，或者对于某些系统更高。更高的负荷率可以产生更厚的生物膜，反之亦然。

图2示出了在去除诸如总有机化合物(TOC)、易生物降解的微污染物和可缓慢生物降解的微污染物组分方面，SRT和生物膜厚度之间可以达到平衡的实例。可以包括较薄的生物膜，以实现可能以低浓度存在的组分的去除，并克服扩散限制。例如，当要同时去除TOC和微污染物时，例如，在浓度存在多倍差异的情况下，可以产生多种生物膜厚度。与TOC相关的生物膜厚度可以促进总厚度为单层生物膜(monobiofim)。为了解决这个问题，可以例如通过反洗、空气冲刷或其他物理、化学或生物处理过程，使与TOC相关的生物膜在较低的SRT下生长，以管理或控制生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或生物膜的固体停留时间。在较低的SRT下生长与TOC相关或与氧化或AOP反应(例如，与臭氧、过氧化氢或紫外辐射反应)不稳定性污染物相关的生物膜，可以有力地去除已生长的生物膜，从而维持薄的生物膜。与被遮盖的、携带特定微生物的生物膜相比，不被遮盖的生物膜将需要并且具有较低的扩散阻力。因此，如果SRT较高且被遮盖的生物膜需要变薄以降低组分的体积浓度，则不被遮盖的生物膜需要更薄，或者，需要将不被遮盖的生物膜中易于降解的组分暴露在更短的水力停留时间(HRT)下，或者需要在被遮盖的生物膜或串联的、支流的或分流的生物膜之前先降解组分。对于串联的、支流的或分流的生物膜，该生物膜可以是被遮盖或者不被遮盖的。

需要注意的是，在本说明书中，无论在何处提及与生物膜有关的厚度方面的描述，该术语同样适用于生物膜质量、生物膜体积或生物膜密度，但是质量、体积或密度的大小需要以适当的比例换算，这是相关领域的技术人员所能理解的。生物膜的任何实施方式都可以包括以串联的、并联的、支流的(例如，向下游反应器中添加生物增强剂、共底物或微量营养素的附加流的情况)或分流的(例如，将来自一个反应器的流分布到两个或多个并联反应器中的情况)配置方式排布的两个或多个生物膜的布置方式。在使用小型粗反应器降解易于降解但质量较高的污染物、随后使用较大的反应器或多个下游反应器的情况下，分流式配置可能特别有利。反应器可以在包括设备或过程的固液分离器(solid-liquidseparator，SLS)之前。可以使用一个或多个过滤器(例如，图13或图14所示的BF 41)来代替反应器。SLS可以包括膜、薄片、澄清器、固体接触澄清器、溶解气浮设备或过滤器，其可以包括陶瓷过滤器、盘式过滤器、织物盘式过滤器或网状盘式过滤器。

在反应器(或过滤器)之前，可以是化学氧化步骤或设备、化学还原步骤或设备、添加凝结剂(coagulant)或絮凝剂(flocculant)的快速混合或絮凝步骤或设备、在生物膜支持介质(例如，粉末状活性炭、颗粒状活性炭，或具有反应性的任何材料)中添加或混合的混合步骤或设备、在用于生物膜附着的生物膜支持介质中添加或混合的混合步骤或设备、在用于生物膜压载的生物膜支持介质中添加或混合的混合步骤或设备、预澄清步骤或设备，或者均衡步骤或设备。这些在先步骤或设备可被配置为单个过程或设备，或者多个过程或设备。在维持薄生物膜的同时，取决于组分的生物降解性，可能需要区分固体停留时间，以支持体积流出物组分浓度。图2中的图示出了在一个生物膜系统内包括具有多种生物膜厚度和多种固体停留时间的多生物膜的优点。该图示出了可在生物膜系统中包括的多种生物膜厚度，串联、并联、分流或支流配置方式，以及多种固体停留时间(SRT)、水力停留时间(HRT)或水力负荷率(hydraulic loading rate，HLR)的依据。

图3A示出了流出物中组分浓度(以μg/L计)作为生物膜厚度(以μm计)的函数的实例，图3B示出了组分去除速率(以μg/L/d计)作为生物膜厚度(以μm计)的函数的实例。这些图基于砂滤器实例。如图3A所示，组分浓度可以随生物膜厚度呈线性变化。在该实例中，组分浓度可以成比例地从约0μg/L增加至约18μg/L，生物膜的厚度相应地从约1μm(或更小)增加至约200μm。同时，随着生物膜厚度从约1μm(或更小)增加至约200μm，组分去除速率非线性地从约0.1μg/L/d降低至约0μg/L/d。如图3B所示，组分去除速率的变化率可随生物膜厚度呈指数变化，其中最大的变化率出现在约1μm(或更小)至约50μm之间的生物膜厚度上。

如图3A和图3B所示，10μm的生物膜可以支持约1μm/L或更高(例如，高达10μm/L)的体积组分浓度(流出物中)，取决于空床接触时间(EBCT)、HRT、水力负荷率、分子大小或生物膜密度。取决于上述相同因素，100μm的生物膜可以支持低至约10μg/L(或更低)或高至100μg/L(或更高)的体积组分浓度。这些代表了体积浓度的宽范围，并且在本公开中，其他值是可能的也可被考虑的。可以使用(在活性炭孔或表面内)吸附的表面化学、与细胞外聚合物质相关的底物截留、离子交换、毛细管或表面张力的方法，或者任何其他底物吸引方法来增加相较于流出物的体积组分浓度。这种增加可进而增加与其去除相关的底物反应速率，从而降低最终的组分浓度。

图4A和图4B示出了通过施加物理、化学或生物控制来控制总生物质厚度(图4A)或生物膜组成(图4B)的实例。在图4A中，以总生物膜厚度和底物的去除为目标，通过物理、化学或生物控制来形成受控区。图4B示出具有保护区和选择区的生物膜组成的实例，该选择区通过实施物理、化学或生物控制以形成受控区。选择区可以形成于产生保护区的生物膜的外层，该保护区用于生物体的富集和生长。生物体可以包括缺氧或厌氧生物体。保护区可以促进生物体的富集和生长，而需氧生物体或需要更长固体停留时间的生物体可以在受控区内产生。

诸如水力旋流器或空气冲刷设备之类的设备，或冲刷或剪切生物膜的其他方法可用于以物理方式管理厚度。也可通过使生物膜暴露于微生物特异性毒物、抑制剂、共底物(尤其是降解难降解污染物)、酶、辅因子或其他营养物质也来以化学方式控制生物膜。可以以微生物特异性噬菌体或生物载体或生物增强生物体的形式使用生物控制来进行生物膜厚度和组成的控制。可以使用分析仪或其他仪器(手动或在线地)来直接或间接监测或控制生物膜质量、体积、密度或厚度。例如，可以监测流出物并测量组分浓度，并且基于测量结果，可以控制生物膜的剪切或冲刷以将流出物中的组分浓度调整至预定值。作为生物膜厚度、质量、体积或活性测量的替代物，也可以使用例如三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate，ATP)、呼吸测定法、光学或声学方法。

图5示出了具有根据本公开原理构造的生物膜系统的载体200的实例。载体200可以包括多生物膜，该多生物膜具有薄生物膜和厚生物膜的组合。例如，载体200可以包括载体部210和载体部220，其中，载体部210包括具有受控的生物膜厚度的薄生物膜，载体部220包括在载体200的保护区中的具有不受控的生物膜厚度的较厚生物膜。载体部210可以包括这样的生物膜厚度：该生物膜厚度可以由施加到载体200外壳上的物理剪切力控制。例如，可以通过增加载体200外壳上的剪切力来维持该薄生物膜。载体部220中生物膜的厚度(例如，在保护区中)可以大于载体部210中生物膜的厚度。具有多种生物膜的生物膜系统可以包括两种或多种不同的载体类型，以允许在载体上具有不同的表面积以及不同的保护区与非保护区。当生物膜系统在例如反应器器皿或过滤器中混合有不同载体的组合时，可以加大较小载体上的磨损，以维持薄生物膜。生物膜系统可以包括，例如，在膜周围形成的织物，以减少膜的生物污垢。通过载体(例如，载体200)或可以冲刷膜的其他介质(未示出)来使膜磨损可具有额外的益处。可通过开发从头开始的载体设计特征来调整所需的生物膜质量比，以满足每个受控或非受控部分所需的特定流入水特性、生物膜产量或SRT。

图6示出了根据本公开原理构造的水处理装置的实例。该装置可以接收废水5作为流入物，并输出干净的流出物75和废物92。该装置包括生物处理器(biologicalprocessor，BP)40和固液分离器(SLS)50。该设备可以包括高级氧化处理器(advancedoxidation processor，AOP)10、凝结器(C/P)20或次级凝结器(PAC)30。如图6所示，AOP 10、C/P 20或PAC30可以位于BP 40的上游。BP 40可以包括生物膜系统(例如，如图5所示的载体200)。该生物膜系统可包括单生物膜介质或多生物膜介质，其可以以串联、并联、支流或分流配置布置。废水5流入物可以直接供应到AOP 10、C/P 20、PAC 30或BP 40。

该装置可以包括后过滤设备(post-filtration，PF)60或消毒器(disinfector，D)70。如图6所示，PF 60或D 70可以位于SLS 50的下游。流出物75可直接从SLS 50、PF 60或D70输出。废物92可直接从SLS 50、PF 60或D70输出。

该装置可以包括预处理器80、选择器90或增强器95。预处理器80的输入端可被连接至SLS 50的输出端。预处理器80可以被配置为在其输入端接收来自SLS 50的经重力选择组分，并对输入组分应用化学、生物或物理处理过程，以在输出端输出经预处理的组分。该输出端可被连接至选择器90的输入端。

选择器90可以被配置为在其输入端接收经预处理的组分，并且基于例如密度或大小分离组分。选择器90可以包括题目为“重量选择法废水处理方法和装置(Method andApparatus for Wastewater Treatment Using Gravimetric Selection)”的美国专利号9,242,882中的重量选择器11，或者美国专利号9,670,083中的重量选择器260，这两个专利的公开内容通过引用以其全部并入本文中。选择器90可以选择较大或较密集的组分，留下较小或较不密集的组分，并在第一输出端将较大或较密集的组分输出至增强器95(或直接输出至BP 40)，在第二输出端将较小或较不密集的成分输出为废物92。

增强器95的输入端可被连接到选择器90的第一输出端，增强器95的输出端可被连接到BP 40。增强器95可被配置为对已接收的组分施加生物增强、营养物质或辅因子，然后将增强组分在输出端输出并供应至BP40。

AOP 10可以包括实施氧化或还原方法(例如，该方法包括水相氧化法)的设备。该方法可以包括高反应性成分，其可用于目标污染物的氧化分解。反应性成分可以包括，例如，臭氧(O₃)、紫外线(ultra-violet，UV)或过氧化氢。该成分可以被施加到流入废水5中以破坏目标污染物，并输出具有减少的污染物的液流。

C/P 20可以包括实施凝结或絮凝方法的设备。C/P 20可以包括可将天然或合成水溶性化合物引入例如由AOP 10输入的液流的设备。该化合物可以包括一种或多种聚合物，例如能够使液流中的组分的凝结或絮凝变得不稳定或被增强的大分子化合物。可以以固体或液体形式包括该化合物。

PAC 30可以包括包含凝结方法的设备，例如，包括添加聚氯化铝基凝结剂或其他即使在多种不同的温度下(例如，低温下)、在较宽的pH值范围内也产生较少废污泥的凝结剂的设备。PAC 30可以具有包括过滤方法的设备。PAC 30可以包括，例如，粉末状活性炭(PAC)介质或颗粒状活性炭(GAC)介质。

BP 40可以包括一个反应器、一个生物反应器或者多个反应器或生物反应器。该反应器可以包括罐或器皿。生物反应器可以包括可接收流入物并包含生物处理过程的生物处理罐。生物处理过程可以包括需氧生物处理过程或厌氧处理过程，其可以处理流入物中的有机组分。如图6所示，BP 40可以包括气体源45。气体源45可以包括一个或多个喷嘴(未示出)，该喷嘴可将例如空气或氧气(O₂)等气体注入罐中。气体源45可以包括一个或多个管道，以将气体供应到罐或喷嘴。气体可以促进罐中的需氧生物处理过程。

SLS 50可以包括澄清池、沉降罐、旋流器、离心机、膜、盘式过滤器或任何其他可以将固体与液体分离的设备或过程。在图6所示的实例中，SLS 50包括沉降罐。SLS 50可以包括MB 47(如图11所示)。

PF 60可以包括后过滤设备，该设备包括砂滤器、颗粒状活性炭(GAC)、粉末状活性炭(PAC)、生物活性炭(BAC)或任何其他用于对组分进行生物降解或吸附的机制。

D 70可以包括对流入物消毒的设备。该设备可以包括将气体或辐射能施加到流入物的设备。辐射能可以包括，例如，频率在光谱的紫外(UV)范围内的能量。该气体可以包括，例如，臭氧(O₃)。

预处理器80可以包括进行化学预处理(例如，化学凝结)的设备。预处理器80可以包括沉淀单元(未示出)，其可以在凝结之后沉淀并去除絮状物或凝结剂。

预处理器80可以包括施加生物预处理(例如，添加絮凝剂以最大化絮凝剂的分散)的设备。该絮凝剂可以包括聚合物。

预处理器80可以包括施加物理预处理的设备，例如，筛(未示出)、膜(未示出)、澄清器(未示出)、旋流器(未示出)、离心机(未示出)，或任何其他可以将固体与液体或其他固体分离，或者可以从支持介质上剪切生物膜的设备或方法。预处理器80可以包括氧化、纳米过滤、反渗透过滤或活性炭过滤。

选择器90可以包括物理选择设备，例如，沉降罐、旋流器、离心机，或任何其他可以将固体与液体分离的设备或过程。在图6所示的实例中，选择器90包括水力旋流器。选择器90可以包括单个设备或通过串联、并联或串联和并联的任何组合布置的多个设备。例如，选择器90可以包括具有两个或更多个水力旋流器的水力旋流器歧管，该水力旋流器可以根据需要经由一个或多个阀(未示出)选择性地呈线状布置，以控制再循环流的速率或体积，该再循环流可供应至BP 40或UBZ 42(如图9所示)或BF 41(如图14所示)以管理和控制装置中生物膜的剪切。水力旋流器可被配置为串联、并联或串联和并联的任何组合的形式。水力旋流器可以包括固定流量的水力旋流器，在这种情况下，可通过选择性地连接一个或多个水力旋流器以控制流速或向生物膜介质施加剪切力来控制流速。在非限制性实例中，选择器90可被配置为接收包含生物膜的溶液(例如，具有生物膜的PAC或GAC)，并从支持介质上剪切下生物膜，将介质通过再循环流返回至BP 40(或如图9所示的UBZ 42；或如图14所示的BF41)。

增强器95可以包括施加生物强化过程，或者营养物质或辅因子添加过程的设备。增强器95可以包括将微生物、酶和辅因子的组合加至组分中的设备。生物强化过程可以包括添加例如可将组分中的难降解分子生物降解的微生物。添加的微生物可以包括多种不同的微生物，该多种不同的微生物可将组分中的多种微污染物或纳米污染物生物降解。增强器95可以包括将一种或多种营养物质或辅因子加至组分中以促进微生物的富集和生长的设备。该辅因子可以包括酶，例如，蛋白质酶(proteinic enzyme)，蛋白酶(proteidicenzyme)，或任何其他可促进微生物富集和生长的辅因子。

如图6所示，该装置可以包括悬浮的生物处理步骤(例如，在BP 40中)以及可基于沉降或澄清的固液分离步骤(例如，SLS 50)。该装置可以包含高级氧化过程预处理步骤(例如，AOP 10)。该装置可以包括凝结或聚合物添加步骤(例如，C/P 20)。在生物处理之前，该装置可以包括粉末状活性炭步骤(例如，PAC 30)。在生物处理步骤(例如，BP 40)中，可以包括一种或多种介质，并对其进行混合。可以将介质串联或混合在一起来包括该介质。每个介质可以包括，例如，载体200(如图5所示)。可以添加空气(例如，气体源45)以满足氧气需求。该装置可以包括电子受体，例如，氧气(O₂)、硝酸盐、亚硝酸盐、铁离子、易被还原的氧化形式重金属，或二氧化碳(CO₂)。该装置可以包括电子供体，例如，碳质底物，非碳质底物，还原性化合物如铵离子、硫化物离子、亚铁离子，易被氧化的还原形式的重金属离子，共底物，辅因子或微量营养素。

在图6的装置中，可以通过沉淀(例如，SLS 50)将液体与PAC、载体和固体分离出来。分离的固体可以与被送至物理选择过程(例如，选择器90)的再循环流的一部分和被送至生物处理过程(例如，BP 40)的再循环流的另一部分一起进行再循环。在液固分离过程(例如，SLS 50)和物理选择过程(例如，选择器90)之间的供料中可以包括化学、物理或生物预处理过程(例如，预处理器80)，以允许通过例如在分离过程中施加剪切以进行固体保留分离和生物膜控制。在物理选择步骤(例如，选择器90)之前添加化学或生物试剂可以提高物理选择步骤(例如，选择器90)中生物膜厚度控制的效率。被选择的固体可被返回到生物处理步骤(例如，BP 40)。可以在任何点或位置(例如，增强器95)将生物体的生物强化、另外的营养物质或辅因子加至系统中。

在固液分离(例如，SLS 50)之后，可以添加过滤步骤(例如，PF 60)，该过滤步骤可以包括，例如，砂滤、GAC、BAC或其他过滤技术。过滤步骤之后可以执行消毒步骤(例如，D70)。该消毒步骤可以包括，例如，将紫外线能量施加在流出物线路上的技术。

根据本技术方案的一个或多个非限制性实例(包括，例如，图6至图14中的任一装置)，生物过滤中的生物膜厚度的范围可以为约1μm至约50μm，并且可厚达500μm；薄生物膜的厚度的范围可以在约5μm至50μm；厚生物膜的厚度的范围可以为约50μm至500μm；使用浊度计测得的流入物浊度范围为0.5至5NTU，流出物浊度范围为0.05NTU至0.1NTU；流入物的TOC范围为0.2至10mg/L；颜色范围为20至60mgPt/L(Hazen标度的铂钴单位)；臭氧或氧化剂浓度为0.5至1.5mg O₃/mg去除DOC(或溶解有机碳)或0.1至0.2mg O₃/mg Pt去除颜色；剪切条件的范围为50S-1至500S-1；反洗的速率和频率(基于水头损失)为每24小时至更长的反洗持续时间大约一次(使用压强计测量或基于过滤槽中水位计算的水头损失)；反洗的流量为4至25gpm/ft²；空气冲刷速率为约3cfm/ft²；水力负荷率为约1至20m/h；饮用水的HRT为5至20分钟；易于降解的组分的EBCT为2至4分钟，可缓慢降解的组分的EBCT为5至30分钟，再利用应用中的EBCT长达60分钟或更长；微污染物的Ks为10至100μg/L，多氟烷基物质(Polyfluoroalkyl substance，PFAS)为10至100ng/L，或N-亚硝基二甲胺(N-nitrosodimethylamine，NDMA)为0.01至0.10μg/L。在某些应用中，流出物浊度范围可以增加至约3NTU，以使上限超过解决许多废水处理厂可能需要满足的5mg/L TSS(totalsuspended solids，总悬浮固体)阈值。对于例如废水生物过滤应用之类的应用，流入物浊度的值可高达10NTU(或更高)。

图7示出了根据本公开原理构造的水处理装置的另一实例。除了可以将预处理器80的输入端直接连接到BP 40的输出端之外，该装置类似于图6中的装置。或者，选择器90的第一输入端可以直接连接到BP 40的输出端。在此实例中，预处理过程(例如，预处理器80)或物理选择过程(例如，选择器90)可被直接施加到生物处理步骤(例如，BP 40)。

图8示出了根据本公开原理构造的水处理装置的又一实例。该装置包括悬浮生物处理步骤(例如，BP 40)，该步骤带有一个专用区，以用于不受控的较厚生物膜(UBZ)42。除了该装置包括UBZ 42和再循环流的一部分从SLS 50送料至UBZ 42而非图6所示的BP 40之外，该装置类似于图6中的装置。UBZ 42可被包括在BP 40的一部分中，也可以作为单独的单元提供。BP 40可以包括具有受控的生物膜的区。UBZ 42可以包括生物膜系统，例如，如图5所示的载体200。BP 40可包括第二或另外的介质或载体。第二或另外的介质或载体可以在不受控区(例如，UBZ 42)和受控区(例如BP 40)二者中移动。

如图7和图8所示，该装置可以包括C/P 20和/或PAC 30，以在将液体混合物供应到包含多个串联的生物膜(例如，多生物膜)的BP 40之前添加化学反应物，或可选地，在一个生物膜可以在多个串联隔室之间移动，而另一个生物膜可位于单个隔室中的情况下。至少一个生物膜可以是生物絮凝物或颗粒，其中该絮凝物或颗粒是自聚集的或在化学絮凝物核上生长。可以包括可选的固体分类设备(例如，水力旋流器或筛)，以将介质与絮凝物或被剪切的生物膜分离。

图9示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。除了该装置包括UBZ42和再循环流的一部分从SLS 50送料至UBZ，同时再循环流来自增强器95(或直接来自选择器90)之外，该装置类似于图7中的装置。

在图8和图9中，处理过程可以包括悬浮生物处理步骤(例如，BP 40)，其包括专用区(例如UBZ42)和固液分离步骤(例如，SLS 50)，该专用区用于不受控的、稍厚的生物膜(位于受控生物膜的上游或下游)，该固液分离步骤可以包括沉降或澄清。在图8或图9所示的装置中，在专用区UBZ 42中可以包括具有更多不受保护vs较厚的生物膜(例如图5)的载体或介质。可以包括第二介质或载体，并允许其移动至两个区(受控和不受控生物膜厚度区)中。在后一个载体上生长的生物膜可以在专用区UBZ 42内被第一载体剪切。在生物区BP 40(无第一载体)中，可以发生较低的剪切或磨损，或者可以在载体上发生生物或化学作用。通过控制从固液分离(例如，SLS 50)至生物处理步骤(例如，BP 40)的固体返回物的再循环速率，可以在第二载体上进行第三磨损过程(或其他生物或化学作用)。选择器90可被配置为影响第二介质或载体上的生物膜厚度。通过对装置中分区的选择进行控制，可以确立最佳分离的固体停留时间、水力停留时间或水力负荷率。设备中的分区选择可以通过以下方式控制，例如，控制相对于不受控生物膜区UBZ 42体积的受控生物膜区BP 40体积、控制至UBZ42或BP 40的流入速率，或控制从UBZ 42或BP 40的流出速率。

在图6至图14中，各区、再循环线路和返回仅是技术方案的非限制性实例，并且可以预想本公开的其他实例。例如，该装置或过程可被配置为包括多个串联、并联、分流或支流步骤或设备。

图10示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。在该装置中，UBZ 42可以包括缺氧区。该缺氧区可以保持缺氧状态，并允许保留厌氧氨氧化(anammox)生物膜。BP 40可以包括需氧或缺氧区。BP 40可以促进从处理过程中短程(short-cut)脱氮。

参照图10，悬浮的生物处理步骤(例如，BP 40)可以包括多个载体或介质，该多个载体或介质用于去除营养物质，其中可以使专用区(例如，UBZ 42)保持缺氧状态以允许保留厌氧氨氧化生物膜。该过程(和装置)可以部分保留第一载体上的自养菌或异养菌，但自养菌或异养菌可以大部分存在于第二介质或载体上。不同的载体(例如，两个载体)可以彼此通过磨损将外部生物膜剪切下来。第二载体可以漂浮至受控区(例如，在BP 40中)，在该区中可以添加氧气(例如，通过气体源45)以允许发生需氧铵氧化，或者可以给予碳源以允许反硝化。如果将薄生物膜维持在第二载体上，并且在需氧区的情况下，则可以选出(out-selected)亚硝酸盐氧化细菌，以允许短程氮的发生。

图11示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。除了可以略去SLS 50和BP 40可以包括膜过滤单元(MB)47之外，图11中的装置类似于图6中的装置。MB可被包括在BP 40内部，或者位于BP 40的外部。MB 47可以包括，例如，陶瓷或聚合物膜过滤器或盘式过滤器。进入MB 47的流入物可以被过滤，经过滤的流出物可以被直接送料至输出端75或至PF 60或D 70。如图11所示，可以在BP 40的输出端将再循环流部分送料至预处理器80或选择器90的输入端，部分供给至BP 40的输入端。

图12示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。除了包括UBZ 42和在BP 40的输出端将再循环流部分送料至UBZ 42，同时部分送料至预处理器80或选择器90之外，图12中的装置类似于图11中的装置。

在图11和图12中，处理过程可以包括悬浮的生物处理步骤(例如，BP 40)以及具有包括膜过滤的固液分离步骤(例如，MB 47)，该膜过滤可以包括陶瓷或聚合膜。可以看出，处理过程可以包含可选的高级氧化过程(例如，AOP 10)作为预处理，以及生物处理之前(例如，BP 40)的可选的凝结或聚合物添加点(例如，C/P 20)或粉末状活性炭添加点(例如，PAC30)。在生物处理步骤(例如，BP 40)中，可以包括一种或多种介质或载体，并将其进行混合。可以添加空气(例如，气体源45)以满足氧气需求。可以通过沉淀将液体与PAC、载体和固体分离。再循环的固体可被部分地运送通过可选的物理选择步骤(例如，选择器90)或通过可选的化学、物理或生物预处理(例如，预处理器80)，以允许进行固体保留分离和通过例如在装置的分离过程施加的剪切进行生物膜控制。物理选择步骤(例如，选择器90)可以被直接应用在生物处理步骤(例如，BP 40)中。在物理选择步骤(例如，选择器90)之前添加化学或生物试剂(例如，预处理器80)可以提高物理选择步骤(例如，选择器90)中生物膜厚度控制的效率。被选择的固体可以返回至生物处理步骤(例如，BP 40)。可以在任何点或位置(例如，增强器95)处将生物体的生物强化、另外的营养物质或辅因子加至过程中。在固液分离(例如，MB 47)之后，可以进行过滤步骤(例如，PF 60)。过滤步骤之后可以对流出物线路进行消毒步骤(例如D 70)，然后在输出端75输出流出物。在装置或方法的任何实例中，物理磨损的使用可以被化学或生物反应代替。

在图12中，该装置(和过程)包括悬浮生物处理步骤(例如，BP 40)，该悬浮生物处理步骤具有专用区(例如，UBZ 42)和固液分离(例如，MB 47)，该专用区用于不受控的、稍厚的生物膜，该固液分离包括膜过滤。在本装置和过程中，可在专用区(例如，UBZ 42)中包括具有更多受保护vs较厚生物膜(例如，如图5所示)的载体或介质。可以包括第二或另外的介质或载体，并允许其在两个区中移动，例如，BP 40中的受控区和不受控生物膜厚度区UBZ42。在后一个载体上生长的生物膜可以在专用的不受控区(例如，UBZ 42)内被第一载体剪切。在随后的生物或受控区(无第一载体)中，可以发生较低的剪切和磨损。通过控制从固液分离(例如，MB 47)返回生物处理步骤(例如，BP 40)的固体的再循环速率，可以在第二载体上执行第三磨损。物理选择步骤(例如，选择器90)可以作为影响第二介质或载体上生物膜厚度的第四方法。通过正确选择分区(例如，控制相对于不受控生物膜区体积的受控生物膜区体积)，可以确立正确分离的固体停留时间和水力停留时间。当与膜反应器(例如，MB 47)一起使用时，在第二区(例如，BP 40)内可以发生介质对膜的冲刷，这样不仅可以控制载体上的生物膜，而且可以减轻膜的生物污垢。

图13示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。该装置可以包括生物处理器(BF)41。BF 41可以包括生物过滤系统。生物过滤系统可包括壳体，该壳体包含过滤介质、孔和生物膜支持介质，例如，颗粒状活性炭(GAC)。BF 41的输入端可与PAC 30、C/P 20或AOP 10的输出端连接。BF 41的输入端可与废水5流入物直接连接。BF 41的输出端可与D70的输入端或输出端75连接。

图14示出了根据本公开原理构造的水处理装置的再一实例。该装置可以包括BF41，BF 41包括多个输入端710，用于从例如一个或多个气体源(例如，图6所示的气体源45)接收空气。该装置可被包括在反洗循环中。该装置可被包括在图6至图12所示的任一装置中。

在图13和图14中，该装置包括分别在正常循环(如图13所示)和反洗循环(图14)期间具有生物膜控制的多介质过滤器。可以对介质进行选择以在介质上施加不同的磨擦力，从而建立不同的生物膜厚度。在反洗循环期间(如图14所示)，可以通过例如允许建立更薄生物膜的空气冲刷(例如，经输入端110处的空气)或通过暴露于化学或生物试剂，而在BF41内分离介质并建立薄生物膜。另外，在反洗循环内(图14)，可以将介质转移至可选的选择器90，其可以允许固体分离和另外的生物膜厚度控制。预处理器80可以在将组分输送至选择器90之前应用物理、化学或生物方法。另外的预处理器80或增强器90可被包括在反洗循环中。

BF 41可以包括，例如，具有内部清洁的连续过滤系统。BF 41可以包括，例如，非连续反洗过滤器。BF 41可以包括生物膜系统，该生物膜系统包括多个以串联、并联或串联和并联的组合、支流或分流配置布置的生物膜，以使用化学、物理或生物手段去除特定目标底物。支流配置可被实施为生长特定的生物膜或降解特定的污染物。分流配置可被实施为管理或控制水力或固体负荷率或固体停留时间。

图15示出了流出物品质作为有关生物膜厚度的函数的实例。该图示出了快速和慢速降解底物的场景的实例。当到达生物膜的底物通量小于生物膜内的扩散速度时(实际上这可以是大多数生物膜系统的情况)，生物体对底物的去除速度等于通过生物膜的扩散速度。因此，流出物浓度取决于通过生物膜的扩散速率或微生物活性，以及生物膜厚度。一般来说，当更多的扩散限制被施加时，生物膜会越厚，流出物浓度会越高。此外，底物去除速度越快，生物膜需要越薄，才能满足类似的流出物品质。对于图15中给出的实例，当底物1的底物去除速率比底物2快四倍时，为达到类似的流出物品质，需要实现底物1的生物膜厚度比底物2薄四倍。需要注意的是，当在底物1的最优生物膜厚度(快速速率)下操作时，当表面积受到限制时，底物2将发生生物质限制。

如图15中的图所示出的，流出物浓度随着生物膜厚度的增加而线性增加。如线图所示，底物去除速度的快速速率实例可以比慢速去除速率快四倍。该图示出了这样的实例，其中在载体位置处达到0ug/L底物，并且生物质不受所施加底物负载的限制。可以看出，由于细胞外聚合物(extracellular polymeric substance，EPS)、生物膜密度或底物特性的不同，在不同扩散率下的流出物浓度会显著更高；并且，随着底物类型或温度的变化，底物去除速率的增加幅度会减小。当生物膜的底物通量小于生物膜内的扩散速度时，生物体对底物的去除速度可以等于通过生物膜的扩散速度。因此，流出物浓度可以取决于通过生物膜的扩散速率或微生物活性，以及生物膜厚度。一般来说，生物膜越厚，由于施加的扩散限制越多，流出物浓度会越高。此外，底物去除速度越快，需要生物膜越薄，才能满足类似的流出物品质。

当在底物1的最优生物膜厚度(快速速率)下操作时，当表面积受到限制时，底物2将发生生物质限制。在这种情况下，至少有两种选择可行，包括：(1)提供约4倍的表面积以容纳生物膜，从而以较慢的速度和更薄的生物膜去除底物2；或者，(2)提供被遮盖的生物膜区域，其中生物膜可以比底物2的最佳厚度大4倍，以容纳底物2的最佳动力学，同时管理非遮盖生物膜中底物1的底物厚度，从而管理更薄的生物膜。

可以由底物类型、在该底物上的浓度或生物体生长速率，或影响微生物生长的环境条件(例如，温度、压力或微量营养素的可用性)来确定底物去除速率。

如果生物膜的结构或组成发生变化，扩散速率将受到影响，生物膜厚度和流出物浓度之间的动态关系也将发生变化。

图16示出了流出物品质作为不同介质类型的空床停留时间(empty bedresidence time，EBRT)的函数的实例，该不同介质类型具有不同的表面积。对于相同或相似的总质量，具有高的表面积与体积比的介质可以维持较薄的生物膜，或者如图所示，对于相同的厚度(例如，10μm)，可以维持较高的质量，从而支持较低的体积底物流出物浓度。因此，可以根据流入物底物浓度、可降解性或SRT考虑因素，而将介质类型组合用于管理特定的去除。

当存在足够的生物质或生物膜时，可以通过扩散动力学确定流出物品质。其浓度可以取决于生物膜的结构和厚度。可以通过管理生物膜厚度来提高流出物品质。当生物质受限制时，随着装置(或过程)的负载高于底物去除速率(可由扩散来确定)，EBRT的降低可导致流出物品质的提高。在生物质受限制的情况下，EBRT可以用作流出物品质的控制参数，对由扩散动力学设定的流出物浓度进行确定是可以做得到的。使用具有增加的表面积的介质可以将生物膜厚度(扩散)的管理作为主要控制变量。

在根据本公开的生物膜系统中，可以管理生物膜厚度以具有充足的生物质来实现目标底物降解或目标流出物浓度。只要流出物浓度在生物膜厚度增加时降低，生物质限制就会很明显(例如，如图1A、图1B所示)。可以以最小的流出物品质达到最佳的生物膜厚度。当在比最佳生物膜更厚的生物膜上操作时，扩散可成为主要限制。基于菲克扩散定律，一旦生物膜具有足够的面积或体积以克服生物质限制，流出物品质会随生物膜厚度线性增加。因此，总降解速率会随着生物膜厚度迅速降低。

图3A和图3B示出了流出物浓度和污染物降解速率的非限制性实例。该实例是基于0.2mg C/m²/d的细菌通量，基于0.39μm的细菌细胞半径、20％干物质含量、50％细胞干物质碳含量和0.67g COD/g COD的产出计算的。基于作为模式化合物的葡萄糖的扩散率为0.55cm²/d计算出0.88(mg C/L)/cm生物膜厚度的底物梯度。在此实例中，只要有足够的表面积克服生物质限制，就可以在生物膜厚度小于20μm的情况下使流出物达到1μg C/L。

根据技术方案的非限制性实例，生物膜系统可以具有不同厚度和固体停留时间的多个生物膜，以去除碳质材料、无机底物、营养物质或微污染物(或纳米污染物)。至少一个生物膜被控制以维持一定的厚度(例如，在0至500μm之间)。后者可以通过选择具有指定脊或网格的介质来实现，以使生物膜在通过磨损或者通过化学或生物手段校正之前达到指定的最大厚度。这些结构的形状、形式或网格可以多种多样，并且可以由用于生产介质的模制、铸型或焙烧过程产生。除了选择特定的介质外，还可使用物理磨损、化学处理或使用生物试剂来控制生物膜厚度。

可以通过管理多个生物膜厚度的质量或体积比，或通过管理多个生物膜的不同罐体积或水力停留时间，来维持多种固体停留时间。维持多种固体停留时间的其他方法可以包括，例如，利用降解底物的生物体的代谢响应或目标降解速率或残留底物浓度。这可以基于直接测量，包括目标化合物的浓度测量，也可以基于替代测量。

可以通过以下方式来最小化或控制体积液体浓度或与限制性底物浓度相关的替代测量，例如，调整设备的流量或质量速率或操作频率，或调整根据本公开原理的装置中控制生物膜厚度的物理、化学或生物机制。

控制生物膜厚度的设备的流量或质量速率或操作频率可被提高，只要体积液体浓度或其替代测量高于最小浓度，并且在体积液体浓度或替代测量中观察到降低响应。这可以基于在不进入生物质限制的情况下获得较薄的生物膜(例如，如图1A、图1B所示)。当发生随着生物膜厚度减小而流出物品质提高时，将已达到生物质限制。因此，可以将设定点浓度确定为高于维持底物降解所需的活性生物体最小质量的最小体积液体浓度或替代测量浓度。可以基于获得充足的生物质以维持目标去除速率或流出物品质来确定最大生物膜厚度。

生物膜可以包括生物体的集聚。生物膜可以是悬浮的絮状物、颗粒状或附着生长的生物膜。

生物体的选择或选出可以通过以下方式管理，例如，基于产物浓度调整生物膜厚度控制设备操作。例如，在硝化细菌的情况下，亚硝酸盐可用作指示剂，以控制生物膜的厚度并选出亚硝酸盐氧化生物体，并选择铵氧化生物体。在亚硝酸盐减少从而亚硝酸盐氧化生物体的存在增加的情况下，可以施加使生物膜厚度增加的控制来实现较薄的生物膜，以选出亚硝酸盐氧化细菌。在此实例中，可以将铵用作信号，以确保需氧铵氧化生物体的质量不受限制，同时可以选出另一些生物体。可以将相同的过程应用于其他实例，在这些实例中，可以使用生物膜厚度管理来从另一些不同的生物体中选出一种生物体。

可以在生物膜内创建微生境(niches)以提供多功能生物膜。生物膜厚度的控制可以允许平衡不同的功能或控制生物体之间的竞争。通过生物膜厚度控制，可以影响停留在生物膜表面上的生物体的质量和含量。该生物体可以包括需氧生物体，并且它们在生物膜内的位置可以由氧梯度或缺氧驱动。该生物体可以包括厌氧生物体，其中电子供体或竞争性底物可以控制它们在生物膜内的位置。

可以例如基于水头损失或压力差，来调整控制生物膜厚度的设备的流量或质量速率或操作频率。水头损失通常是增加浊度或增加生物膜厚度的良好的替代测量。但是，在某些情况下，水头损失可能是更早的过滤器(或浊度)限制，而非扩散限制，因此，当基于水头损失进行控制时，可能导致潜在的生物质限制。因此，平衡总物理吞吐量限制与生物质限制和扩散限制很重要。因此，可以使用两种不同的方法来管理浊度或生物膜厚度，从而将过滤器中固/液分离和浊度去除的主要特征与生物膜厚度控制脱离，例如，通过使用空气冲刷或其他物理、化学或生物手段。

替代测量可用于控制生物膜厚度。该替代测量可以基于，例如，压力、荧光法、光谱法、溶质或气体浓度或浊度。

待优化生物膜厚度或固体停留时间的目标底物可以是电子供体、电子受体或碳源。

生物膜厚度可以基于以下方式控制，例如，使用专门的载体或纺织品以物理方式限制最大生物膜厚度，该载体或纺织品会形成网格、超结构或一定的孔隙度，从而允许在一个生物膜(例如，如图5所示的载体200)内暴露于不同程度的剪切和底物水平。

可在单个载体内产生多种生物膜厚度，其中可以通过载体上的特定结构直接控制一个或多个生物膜厚度。可以将不受控的生物膜设置在载体(例如，如图5所示的载体200)的保护区中。

用于产生多种生物膜的载体(或生物膜系统)可包括，例如，粉末状活性炭、颗粒状活性炭、无烟煤、沙子、熔岩岩石、湿砂、陶瓷介质(例如，基于不同的温度)、玻璃、膨胀粘土、钙化介质(例如，贝壳)、合成介质或塑料介质、天然介质、其他被浸渍或被包封的天然介质或合成介质，或它们的组合。介质可以包含特殊的微量或宏量营养物质，例如，钙、镁、铁、铜或其他金属或催化剂，磷、硫或其他无机物，或者，可以改变生物膜内的反应速率的可产生光、热、磁或电磁或辐射的介质。被包封的介质可以包括特定的细菌或生物体，例如，真菌或藻类，以降解所关注的污染物。可通过增大污染物对包封材料的表面吸引，使其更易接触到被包封微生物，来对包封进行调整，以管理或加强污染物吸附或附着特性。因此，包封可以用于多种目的，例如，用于固液分离、生物体的保护性包衣、吸引底物、管理扩散特性或感测(例如，当污染物被内化时，感测颜色变化)。

可控制生物膜厚度的设备可以基于或包括使用机械或水力方法对生物膜上的剪切或磨损进行管理的步骤，该方法包括但不限于反洗、冲洗、刮擦、空气或水冲刷、旋流器或筛。

可控制生物膜厚度的设备可以基于或包括化学物质的受控添加，例如，氧化剂、有机聚电解质、无机凝结剂、有机或无机絮凝剂、酸、碱、游离亚硝酸、阳离子、阴离子、金属、营养物质、酶、ATP或其他辅因子或生长促进剂、生长抑制剂或毒物。

可控制生物膜厚度的设备可以基于或包括化学物质的受控添加，该化学物质可以实现总生物膜厚度，或者可以特异性地刺激、抑制或杀死某些生物体或某一群生物体，包括但不限于异养生物、自养生物、硝化细菌、反硝化剂、嗜甲烷菌、锰氧化剂、铁氧化剂、厌氧产甲烷菌或发酵罐。这些可以包括具有特定降解微污染物能力的生物体。

可例如通过使用驯化的生物膜或生物质的生物增强，或添加特定的酶、共底物或营养物质来控制微污染物的降解。可以例如在反洗循环(例如，如图14所示)结束时添加生物增强产物或其他添加剂。

可控制生物膜厚度或固体停留时间的设备可以基于或包括通过使用旋流器或筛的机械剪切以选出目标生物体，使得比内层更快地去除生物膜的外层，因此将污泥保留时间脱离。该设备可以在所施加的物理分离中保持载体顶端形成的最大生物膜厚度。

将生物膜施加到外部选择器(例如，选择器90)(例如，筛或旋流器)，或通过磨损控制生物膜厚度的设备内的物理力上，可以导致形成较密集的生物膜，该较密集的生物膜可影响扩散阻力，并增加生物膜内的微生物细胞浓度。

用于控制生物膜厚度的设备可以基于通过化学过程进行的底物组成控制，该底物组成控制，例如，臭氧化、氯化、氯胺化、高锰酸盐添加、过氧化、真空、紫外线或其他氧化或高级氧化过程。也可以使用化学还原过程或高级还原过程(例如，对于处于较高氧化态的难降解材料)，尤其是在需要使化合物脱卤或还原复杂的抗其他化学反应的经氧化化学物质(例如，环状化合物)的情况下。还原反应可以使用活性金属、氢基化合物、还原自由基、电子或质子束，或其他化学物质来实现。底物组成通常是在流入物中可见的化学物质或颗粒的特征，可以修改化学过程以使化学物质更加不稳定或可生物降解，或将化学和生物过程混合。该化学过程也可以在反洗步骤中或(澄清水或介质的)再循环期间应用，以在水中形成例如，经过单次处理后尚未降解的难降解材料的更具目标性的化学。化学处理也可以用来影响待进行反洗或再循环(在反应器内或在多个反应器之间)的介质上的生物膜。这些化学物质可以是抑制剂或刺激物或共底物或营养物质。这些化学物质也可以是任何上述氧化剂或还原剂。

将生物膜维持在过滤器、反应器器皿、聚合物或陶瓷膜反应器、深层澄清器、固定或移动床过程、流化床过程、滴滤或生物曝气过滤器、连续或间歇性反洗过滤器、模糊过滤器、布或织物介质、盘式过滤器、膜生物膜过滤器，或悬浮过程或固定和悬浮过程的组合上。

控制生物膜厚度的设备可以基于或包括生物试剂的受控添加，例如，细菌、真菌、藻类、噬菌体、原生动物或其他更高生命形式的捕食者、生物体或分子，这些生物体或分子通过群体感应或生物增强促进生物膜形成或微生物竞争，以控制总生物膜厚度或微生物组成。

可在例如，饮用水处理厂、水再利用厂、饮用水分配系统、废水收集系统、废水处理厂、管道系统、天然或人工湿地、雨洪处理系统、农业缓冲区，或河岸过滤系统中管理生物膜厚度。

可以通过物理或化学方法增加生物膜的主体或临近边界层中的底物浓度，物理或化学方法包括但不限于电荷吸引或排斥、物理或化学吸附、范德华力、质子梯度或用于例如与活性炭或细胞外聚合物质对流的通道。将碳质材料或微污染物吸附至细胞外聚合物质、活性炭或其他介质上，可使底物浓度或驱动力增加，从而导致生物膜厚度增加时去除速率也增加。可以增加化合物的保留时间以允许在生物质含量降低时去除化合物。将吸附与生物去除进行组合可以导致底物去除的增加并实现流出物浓度的降低。

图6至图14示出了用于水处理的装置的实例。该装置可以包括生物过滤过程，该生物过滤过程具有用于生物膜保留的介质和用于颗粒或介质分离的膜或过滤器。生物膜介质可以包括支持物。生物膜介质可以包括粉末状活性炭、GAC、塑料介质、陶瓷介质、沙子、无烟煤、海绵、岩石、甲壳质、壳或其他合适的材料。

PAC或GAC可提供有机或无机材料的吸附，该有机和无机材料包括但不限于金属、微污染物、有机碳、不可生物降解或难降解的有机物。

作为改善流出物品质或维持增加的膜通透性和通量，或为生物膜的生长提供进一步的支持的手段，可将聚电解质、无机凝结剂、絮凝剂或其组合用于进入颗粒或胶体材料的凝结。

可以包括曝气以清洁膜或提供氧转移来作为生物膜生长或调制的电子受体，或维持多个生物膜氧化态。

可以提供喷射的气体或电子受体，例如氢气、氮气、二氧化碳或氩气，以清洁膜并控制氧化还原电位和溶解氧浓度。

可以包括物理分离器以回收生物膜支持介质(例如，如图5所示的载体200)或提供剪切以控制生物膜厚度和固体停留时间，或维持和控制生物反应器中的生物膜储备。

物理分离器可以包括重力设备，例如，旋流器、离心机、沉降器、筛、过滤器或溶解气浮。

物理分离器可以包括上游剪切设备以调制生物膜的厚度。

物理分离器可以提供颗粒储备，以维持高的膜渗透性和通量，并防止膜污垢。

介质可以提供膜过滤器表面的冲刷，以维持高的膜渗透性和通量，并防止膜污垢。

膜可以是聚合的、陶瓷的或由其他无机材料、布或其他纤维材料制成，如盘式过滤器。

膜可以是镂空纤维、平片、平板、螺旋卷绕的，或者膜位于反应器中或在单独的膜隔室中，固体可从该膜隔室转移到膜罐中和从膜罐转移出来。

通过上游氧化或高级氧化过程，可以加强不同装置和过程内有机物的生物降解。该氧化可以包括臭氧、UV、过氧化氢、高锰酸钾，或其任何组合。可使用还原或高级还原过程加强含有卤素的有机物或其他难降解物质的生物降解。

可以优化生物膜以促进益生生物体的生长，以提高分配系统的稳定性并改善人类健康。

膜或过滤器可以用澄清器或固体接触澄清器代替，该澄清器或固体接触澄清器可以将生物质、分离的水或生物质与水的混合物返回至生物反应器，或至两个反应器之间，例如，在内部再循环应用中。

可以以多个水平或高度或深度应用反洗或空气冲刷或表面清洗，以在过滤器中提供不同的固体停留时间。反洗和空气冲刷可用于差异化的浊度去除(例如，去除流入物胶体或固体)或用于生物膜控制(例如，通过直接或间接控制SRT)。这种差异化可以通过以下方式使用，例如，集中于反洗以管理浊度，和使用空气冲刷以管理生物膜。这种差异化对于旨在管理微污染物和接收大量颗粒、胶体和其他物质的过滤器中的不同功能的脱离至关重要。

可以将化学物质应用于反洗水或过滤器给水，以管理沿过滤器深度的生物膜厚度。

根据技术方案的非限制性实施方案，提供了一种装置，该装置具有颗粒状介质过滤器，在它之前是促进进入过滤器的流进行化学氧化或化学还原的另一装置。该装置包括具有两个或多个介质表面的生物膜介质，该两个或多个介质表面具有不同生物膜质量、体积、密度或厚度范围或不同固体停留时间，该介质表面使用被遮盖的、部分被遮盖的或不被遮盖的表面生长生物膜，以去除碳质材料、营养物质、无机化合物和/或微污染物，其中使用以下手段来管理生物膜质量、体积、密度或厚度范围中的至少一种：介质表面上或介质内的脊、网格、大孔包含物或微孔包含物，和/或化学处理或使用生物试剂，和/或反洗、空气冲刷或其他物理手段。

本技术方案的一个实例包括包含基于介质的过滤过程的方法，该过程由两个或多个具有不同生物膜质量、体积、密度或厚度范围或不同固体停留时间范围的介质表面组成，用于碳质材料、营养物质、无机化合物和/或微污染物的去除，其中，使用脊、网格或其他铸型、模制或焙烧过程，和/或物理磨损、化学处理或通过生物试剂的使用，来控制生物膜质量、体积、密度或厚度中的至少一种，或者，通过管理多个生物膜厚度的质量或体积比，和/或管理不同反应器体积或多个生物膜的水力停留时间，和/或降解底物的生物体的代谢响应，和/或实现降解速率或残留底物浓度，和/或使用物理磨损、化学处理或通过生物试剂的使用，来控制至少一种固体停留时间。

可以管理生物膜厚度、质量、体积或密度，以具有充足的生物质来实现目标底物降解或去除速率或流出物浓度。

可以通过调整设备的流量或质量速率或操作频率，或控制生物膜质量、体积或厚度的物理、化学或生物机制，来最小化或控制与限制性底物浓度相关的体积液体浓度或替代测量。

只要体积液体浓度或其替代测量高于最小浓度，并且在体积液体浓度或替代测量中观察到了降低的响应，就可以增大控制生物膜厚度的设备的流量或质量速率或操作频率。

可以将设定点浓度确定为高于维持底物降解的活性生物体最小质量所需的最小体积液体浓度或替代测量浓度。

可以通过以下方式来管理生物体的选择或选出：通过基于产物浓度调整生物膜厚度控制设备操作；或，使用产生具有网格、超结构或一定的孔隙度的专门的载体或织物，以允许在一个生物膜内暴露于不同程度的剪切和底物水平，从而基于物理方式限制最大生物膜质量、体积或厚度，来控制生物膜质量、体积或厚度；或，在单个介质或载体内创建多种生物膜质量、体积或厚度；或，由自颗粒状、絮凝物或其他结构形式的聚集有机和无机材料制成生物膜。

可以基于水头损失或压力差调整控制生物膜质量、体积或厚度的设备的流量或质量速率或操作频率。

替代测量可以为例如，压力、荧光法、光谱法、溶质或气体浓度，或浊度。

底物可以是电子供体、电子受体或碳源。

载体可以是粉末状活性炭、颗粒状活性炭、塑料介质、陶瓷介质、沙子、无烟煤、海绵、岩石、甲壳质、壳、无烟煤、沙子、熔岩岩石、玻璃、膨胀粘土、湿砂、钙化介质(例如，贝壳)、合成或塑料介质、天然介质、其他被浸渍或被包封的天然或合成介质、或它们的组合介质、包含特殊微量或宏量营养素的介质(例如钙、镁、铁、铜或其他金属，磷、硫或其他无机物)，或，产生光、热、磁，或电磁或辐射的介质。

控制生物膜质量、体积或厚度的设备可以基于使用机械或水力方法来管理生物膜上的剪切或磨损，此方法包括但不限于反洗、冲洗、刮擦、空气或水冲刷、旋流器或筛。

控制生物膜质量、体积或厚度的设备可以基于化学物质的受控添加，例如，氧化剂、有机聚电解质、无机凝结剂、有机或无机絮凝剂、酸、碱、游离亚硝酸、阳离子、阴离子、金属、营养物质、酶、ATP或其他辅因子或生长促进剂、生长抑制剂或毒物；并且，其中化学物质可被应用于反洗水或过滤器送水以管理沿过滤器的深度的生物膜厚度。

控制生物膜质量、体积或厚度的设备可以基于化学物质的受控添加，该化学物质可以靶向总生物膜质量、体积或厚度，或者可以特异性地刺激、抑制或杀死某些生物体或生物体组，包括但不限于异养生物、自养生物、硝化细菌、反硝化剂、嗜甲烷菌、锰氧化剂、铁氧化剂或还原剂、硫氧化剂或还原剂、厌氧产甲烷菌或发酵罐。

可以通过使用驯化的生物膜或生物质的生物增强，或添加特定的酶、共底物或营养物质，来控制微污染物的降解。

控制生物膜厚度和/或固体停留时间的设备可以基于使用旋流器或筛来使生物膜的外层比内层更快地被去除，从而通过机械剪切来选出目标生物体，由此使污泥保留时间脱离。

可以通过氧化或预氧化过程(例如，臭氧化、氯化、氯胺化、高锰酸盐添加、过氧化、紫外线或其他高级氧化过程)，或通过与还原试剂相关的还原或预还原过程，控制进入过滤的流入物组成。

生物膜过滤器可以是固定的或移动床系统和反应器、流化床过滤器、滴滤或生物曝气过滤器、连续或间歇性反洗过滤器、模糊过滤器、布或织物介质、盘式过滤器、膜生物膜过滤器，或固定和悬浮过程的组合。

控制生物膜厚度的设备可以基于生物试剂的受控添加，例如，细菌、噬菌体、原生动物或其他更高生命形式的捕食者、生物体或分子，这些生物体或分子通过群体感应或生物增强促进生物膜形成或微生物竞争，以控制总生物膜厚度或微生物组成。

可以在饮用水处理厂、水再利用厂、饮用水分配系统、废水收集系统、废水处理厂、管道系统、天然或人工湿地、雨洪处理系统、农业缓冲区，或河岸过滤系统中管理生物膜厚度。

可以通过物理和化学方法增加生物膜的主体或临近边界层中的底物浓度，该物理和化学方法包括但不限于电荷吸引或排斥、物理或化学吸附、范德华力、质子梯度、用于例如与活性炭或细胞外聚合物质对流的通道。

可以优化生物膜以促进益生生物体的生长，以提高分配系统的稳定性并改善人类健康。

可以以多个水平或高度或深度应用反洗或空气冲刷或表面清洗，以在过滤器中提供不同的固体停留时间，或单独管理或控制流出物浊度和生物膜质量、体积或厚度。

本技术方案的另一实例包括一种用于水处理的方法，其中，使用单个或多个串联、并联或作为支流的介质表面来维持生物过滤过程，该介质表面用于生物膜的保留，膜、织物过滤器或毯式澄清器被用于固液分离，其中，如果需要的话，已改变的流入材料可以在生物过滤过程中被进一步处理，通过这种方式，使用反应物、氧化剂或还原剂来对进入生物过滤过程的流入物进行化学处理。

本技术方案的另一个实例包括一种用于水处理的装置，其中，通过使用单个或多个串联、并联或作为支流的介质表面来维持生物过滤反应器，该介质表面用于生物膜的保留，并且膜、织物过滤器或澄清器被用于固液分离，其中，如果需要的话，已改变的流入材料可以在生物过滤过程中被进一步处理，通过这种方式，使用反应物、氧化剂或还原剂来对进入生物过滤反应器的流入物进行化学处理。

装置可以包括粉末状活性炭、颗粒状活性炭、塑料介质、陶瓷介质、沙子、无烟煤、海绵、岩石、甲壳质、壳、无烟煤、沙子、熔岩岩石、玻璃、膨胀粘土、湿砂、钙化介质(例如，贝壳)、合成或塑料介质、天然介质、其他被浸渍或被包封的天然或合成介质或它们的组合介质、包含特殊微量或宏量营养素的介质(例如钙、镁、铁、铜或其他金属，磷、硫或其他无机物)，或，产生光、热、磁，或电磁或辐射的介质。

PAC或GAC可提供有机和无机材料的吸附，该有机和无机材料包括但不限于金属、微污染物、有机碳、不可生物降解或难降解的有机物。

作为改善流出物品质或维持增加的膜通透性和通量，或为生物膜的生长提供进一步的支持的手段，可将聚电解质、无机凝结剂、絮凝剂或其组合用于进入颗粒或胶体材料的凝结。

可以提供曝气以清洁膜或提供氧转移来作为生物膜生长或调制的电子受体，或维持多个生物膜氧化态。

可以提供喷射的气体或电子受体，例如氢气、氮气、二氧化碳或氩气，以清洁膜并控制氧化还原电位和溶解氧浓度。

可以包括物理分离器，以回收生物膜支持介质或提供剪切以控制生物膜厚度和固体停留时间，或维持和控制反应器中的生物膜储备。

物理分离器可包括例如水力旋流器、离心机或沉降器、或筛、过滤器、溶解气浮等设备，并且，其中物理分离器可以包括上游剪切设备以调制生物膜厚度。

物理分离器可以提供储备颗粒，以维持高的膜渗透性和通量，并防止膜污垢。

介质可以提供膜过滤器表面的冲刷，以维持高的膜渗透性和通量，并防止膜污垢。

膜可以是聚合的、陶瓷的或由其他无机材料、布、网状或其他纤维材料制成，如盘式过滤器。

膜可以是镂空纤维、平片、平板、螺旋卷绕的，或者膜位于反应器中或在单独的膜隔室中，固体可从该膜隔室转移到膜罐中和从膜罐转移出来。

该氧化剂可以包括臭氧、氯、紫外线、过氧化氢、高锰酸钾，或其组合。

膜、过滤器或澄清器包括薄层或固体接触澄清器，可以装备有通往反应器或凝结区的回流管。

表格：介质特性实例

实施例1：纺织厂

奥地利的一家纺织厂化学需氧量为100mg/L，并希望将其降至60mg/L。臭氧化被用作预处理步骤，易生物降解的COD范围为10-20mg/L，其余缓慢降解的COD在过滤器中去除。水力负荷速率范围为5-10m/h，水力停留时间为15-30分钟。有一种双介质设计，由较轻的膨胀粘土层位于GAC层上组成。膨胀粘土用作粗滤器，并受到反洗和空气冲刷。它还可以用来去除作为混浊出现的流入物固体，同时最小化水头损失。易于降解的COD大多在该顶层中被去除，而缓慢降解的COD在下层中被去除。流出物特征为COD小于60mg/L。

实施例2：膜生物反应器过程

用于弗吉尼亚州东部某工厂的膜生物反应器方案由用于生物过滤的膜罐组成(先进行臭氧加氯氧化步骤)。流入物TOC为7-10mg/L，所需流出物TOC为1-4mg/L。流入物浊度为0.75-2.0NTU，流出物浊度<0.05NTU。降解或吸附的目标微污染物是微克/升的水平的PFAS、三氯蔗糖和NDMA。该过程设计如下：凝结/絮凝步骤，之后使用臭氧和氯进行氧化步骤。随后是膜生物反应器罐，其中添加了粉末状活性炭作为介质。灵活地设计了两种过程配置。第一个是具有15-30分钟水力停留时间的平片浸没陶瓷膜的罐。生物膜在PAC上生长，该介质既用作吸附介质，又用于生长生物膜。通过水力旋流器对介质上的生物膜进行输送以进行管理，该水力旋流器既管理生物膜，又将生物分离为废物，并将碳返回以进行再利用。定期添加新碳，废弃旧碳。在第二种方法中，碳罐之前是另一个10分钟HRT的隔室。该隔室接收臭氧化的流入物，并在分散相中生长生物膜，该生物膜消耗了可被臭氧生物降解的易于降解的有机材料。下游PAC用于生长针对可缓慢降解的材料的生物膜，并用作吸附步骤。水力旋流器用于从PAC(在底流中)分离分散生长和经剪切的生物膜(在溢流中)。第二种方法可以节省PAC的用量，因为生物膜还在分散的低扩散絮凝物中(或在来自于凝结/絮凝过程的化学絮凝物上，该化学絮凝物在流向反应器的流入物中的)生长。

在本公开中，无数量词修饰的名词意指一个/种或更多个/种，除非另外明确指出。

在本公开中使用的术语“生物处理器”表示罐、器皿、柱、缸、反应器或任何其他可以包含液体、固体和水处理过程的结构或设备，该水处理过程包括从水中去除组分或促进组分去除的生物、化学或物理机制。“生物处理器”可以包括，例如，序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)、移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor，MBBR)、移动床生物膜膜反应器(moving bed biofilm membrane reactor，MBB-MR)、膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)、活性污泥过程(activated sludge process，ASP)、上流式厌氧污泥床(up flow anaerobic sludge blanket，UASB)反应器、颗粒状活性炭(GAC)过滤器、盘式过滤器、陶瓷过滤器，或任何其他可包含或促进生物膜的包含或生长以去除水中组分的设备或过程。

在本公开中使用的术语“组分”表示任何有机污染物、无机污染物、微污染物、纳米污染物、有机化合物、总有机化合物(TOC)、无机化合物、分子、化学化合物、农药、药物、清洁产品、工业化学品、生物体、病毒或任何其他可能对生物体或环境有害的元素或制品，或可能不希望用于人类消费或排放到例如溪流、河流、湿地、海洋，或任何其他水路、水体或地面等环境中的任何水中的元素或物质。

在本公开中使用的术语“组分浓度”表示一单位水中的组分的量，例如，但不限于，每升水中的组分以摩尔、μg或mg计的组分量，或水的pH水平，或以NTU(比浊法浊度单位)计的浊度水平。

在本公开中使用的对于生物膜或组分的术语“控制”及其变体，包括但不限于管理生物膜的厚度、质量、体积或组成，或者底物或流入物组分(前馈)、流出物组分(反馈)、再循环流中组分、反洗流中组分，或废物流中组分的质量或浓度。控制可以构成手动方法、自动方法，或使用人工智能或自学习算法的方法。

在本公开中使用的术语“包括、包含、含有、具有(including、comprising、having)”及其变体，表示包括但不限于，除非另外明确指出。

在本公开中使用的术语“污染物”表示微污染物、纳米污染物、总有机化合物或可生物降解的污染物。

相互连通或连接的设备不需要连续连通或连接，除非另外明确说明。另外，相互连通或连接的设备可以通过一个或多个中介物直接或间接地连通或连接。

尽管过程步骤或方法步骤以顺序或并行顺序描述，但该过程或方法可被配置为以替代顺序工作。换句话说，以顺序序列描述的步骤的任何顺序或序列不必须表示要求以该序列执行步骤；一些步骤可以被同时执行。类似地，如果以并行(或同时)序列描述步骤的顺序或序列，该步骤可以以顺序序列执行。本说明书中描述的过程、方法或算法的步骤可以以任何实际序列执行。

当描述为单个设备或物品时，显然的是可以使用多于一个的设备或物品代替单个设备或物品。类似地，当描述为多于一个设备或物品时，显然的是可以使用单个设备或物品代替多于一个设备或物品。设备的功能或特征可以可替代地由一个或多个未明确描述为具有这种功能或特征的其他设备来体现。

尽管已经根据实例描述了本公开，但是本领域技术人员可以认识到，可通过对所附权利要求的精神和范围进行修改以实践本公开。这些实例仅是说明性的，并不能理解为本公开的所有可能的设计、实施方案、应用或修改的穷尽列表。

Claims (20)

1.一种用于去除流入物中的组分的装置，包括：

生物处理器，所述生物处理器接收水混合物作为流入物并输出溶液；

固液分离器，所述固液分离器接收所述溶液并将所述溶液分离成液体和固体；以及

生物膜介质，所述生物膜介质包括至少一个介质表面，所述生物膜介质具有生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度、水力停留时间或固体停留时间，

其中，所述至少一个介质表面生长了将包含在所述流入物中的一种或多种组分去除的生物膜，并且

其中，通过物理过程、生物过程或化学过程中的至少一种来控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度、水力停留时间或固体停留时间。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述生物处理器包括生物反应器或生物过滤系统。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述生物膜介质具有两个或多个介质表面，每个介质表面具有不同的生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述生物膜介质在两个或多个介质表面中的至少一个上或在所述生物膜介质内包括脊、网格、大孔包含物或微孔包含物中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括：

预处理器，所述预处理器将例如臭氧、氯气、紫外辐射、过氧化氢、高锰酸钾的化学试剂或生物试剂施加至所述流入物或再循环流中，

其中，所述化学试剂包括反应物、氧化剂或还原剂，

其中，所述生物试剂包括噬菌体、载体或病毒，并且

其中，所述物理过程或生物过程包括将所述化学试剂或所述生物试剂加至所述流入物或再循环流中，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括：

增强剂，所述增强剂将营养物质或辅因子加至再循环流中，

其中，所述营养物质包括微量元素、氮或磷，

其中，所述辅因子包括有机辅酶或无机金属，并且

其中，所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间由所述营养物质或辅因子控制。

7.根据权利要求1所述的装置，还包括：

选择器，所述选择器通过剪切所述生物膜介质来应用所述物理过程，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括：

气体源，所述气体源通过冲刷所述生物膜介质来应用所述物理过程，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括：

反洗装置，所述反洗装置通过反洗所述生物膜介质来应用所述物理过程，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

10.根据权利要求3所述的装置，其中，所述两个或多个介质表面中的至少一个被遮盖、部分被遮盖或不被遮盖。

11.根据权利要求3所述的装置，其中，所述组分包括微污染物、纳米污染物、碳质材料、营养物质或无机化合物中的至少两种。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述生物处理器包括生物反应器，并且其中，所述生物膜介质包括两个或多个载体，所述装置还包括：

受控生物膜区，所述受控生物膜区包括所述两个或多个载体中的第一载体；和

不受控生物膜区，所述不受控生物膜区包括所述两个或多个载体中的第二载体，

其中，在所述第二载体上生长的生物膜在所述不受控区内被所述第一载体剪切。

13.一种用于去除流入物中的组分的方法，包括：

接收水混合物作为流入物；

通过生物处理器处理所述流入物以输出经处理的溶液；

从所述经处理的溶液中分离固体混合物；以及

控制由生物膜介质提供的至少一个介质表面中包含的生物膜的生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间，以生长和去除所述流入物中包含的一种或多种组分，

其中，所述控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间包括以下至少一种：

应用物理处理过程；

应用生物处理过程；或

应用化学处理过程。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述生物膜介质在所述至少一个介质表面上或在所述生物膜介质内包括脊、网格、大孔包含物或微孔包含物中的至少一种。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述生物膜介质具有两个或多个介质表面，每个介质表面具有不同的生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述生物处理器包括生物反应器或生物过滤系统。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述从所述经处理的溶液中分离固体混合物包括：将膜、过滤器、澄清器或水力旋流器应用于所述溶液。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述化学处理过程包括将化学试剂或生物试剂加至再循环流中，

其中，所述化学试剂包括反应物、氧化剂或还原剂，

其中，所述生物试剂包括噬菌体、载体或病毒，并且

其中，所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间由所述化学试剂或生物试剂控制。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述生物处理过程包括将营养物质或辅因子加至再循环流中，

其中，所述营养物质包括微量元素、氮或磷，

其中，所述辅因子包括有机辅酶或无机金属，并且

其中，所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间由所述营养物质或辅因子控制。

20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述物理处理过程包括：

通过固液分离器向所述生物膜介质施加剪切力，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间；

用气体冲刷所述生物膜介质，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间；或者

反洗所述生物膜介质，以控制所述生物膜质量、生物膜体积、生物膜密度、生物膜厚度或固体停留时间。

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