用于处理水流体的生物反应器的制作方法

发明背景

本发明涉及一种用于生物处理水流体和/或用于通过生物质产生所需的最终产物和/或用于产生生物质的生物反应器。本发明还涉及用于制造和使用这种生物反应器的方法。

假设微生物通过改变它们酶的水平来控制营养素和其它化合物的摄取和排泄。根据dna通过复杂的机制改变该水平。例如，在丰富的多种营养素的同时，微生物选择最节能或另外最优选的营养素，且在集中加工下一优选的营养素之前利用该营养素至几乎为零的水平。研究已经显示在这种选择期间，酶水平以这样的方式改变，使得构建酶需要一些时间(这也形成迟滞时间的一部分)，但是这种营养素选择酶的衰减即使在完全利用营养素之后要慢得多。

生物膜在生物反应器中形成所有生物质的大部分(约90%左右)。微生物及其生长主要集中在最接近生物膜表面的层。因此，在生物膜、絮体或层内部较深处(100微米以上)，生物膜对营养素的可用性以及排泄材料的处理形成动力学限制，其通过生物膜层相对缓慢地扩散到周围流体。

已知生物质的最活性部分和最高的微生物密度非常接近生物膜或絮体的表面。假设最佳深度可以低至低于30-50微米。

许多有机化合物按步骤分解，且通常由参与该过程的不同阶段的不同微生物种群进行。虽然形成较大的絮体可以提供种群的更宽光谱的益处，但动力学也被大大降低，这相对于大的絮体大小或层厚度所获得的益处来说可能成为更加限制性因素。

已知可以视为营养素消耗速率乘以生物质产率的生长速率随着较高的基质(substrate)浓度而增加。

发明描述

现在已经发明的是用于处理水流体的用于生物处理的、用于通过生物质产生所需的最终产物和/或用于在提高的加工速率下产生生物质的生物反应器。本发明还涉及一种用于制造和使用这种装置的方法。

本发明的生物反应器和用于制造和使用这种生物反应器的方法在独立权利要求中呈现。此外，本发明的一些优选实施方案在从属权利要求中呈现。从属权利要求中叙述的特征是可相互自由组合的，除非另有明确说明。

用于生物处理水流体wf和/或用于通过生物质产生所需的最终产物和/或用于产生生物质的生物反应器br包括至少第一加工单元zf、第二加工单元z2、最后加工单元zl，和任选地在平推流构造中的第二加工单元z2和最后加工单元zl之间的附加的加工单元z3、z4，用于从第一加工单元zf循环生物质bm到最后加工单元zl和/或到附加的加工单元z3、z4的至少一个正向循环系统fcs(fcs1，fcs2)，以及用于从最后加工单元zl和/或从附加的加工单元z3、z4循环生物质bm到第一加工单元zf的至少一个反向循环系统rcs。

根据本发明的目的，所述生物反应器br包括至少四个加工单元。这增加所述生物反应器的可调节性和控制以及使用多个fcs和/或rcs的可能性。

根据本发明的目的，所述生物反应器br包括至少一个生物质加工净化器单元pcu。这允许在系统中使用甚至更高量的生物质，同时简化次级净化器系统。

根据本发明的目的，所述生物反应器br包括至少一个生物质改造单元bmu。这增加改造系统生物质或在该系统外部临时使用它的可能性。

根据本发明的目的，所述生物反应器还包括在第一加工单元zf和最后加工单元zl之间添加的至少一个附加的加工步骤，其至少部分参与水流体wf的加工，但不参与主要生物质循环和/或正向循环系统fcs和/或反向循环系统rcs。这增加改造系统以提高加工速率和效率的可能性。

根据本发明的目的，该系统用于处理流入物水流体中存在的或以其它方式送到该系统的生物质。

根据本发明的目的，至少一个加工单元zf、z3、z3、z4、zl包括至少一个内部生物质净化单元icu。这简化了系统设计并减少了泵送需要，且可以简化将现有系统转换为本发明的实施方案。

根据本发明的目的，内部净化单元icu包括用于自调节水位和水流体wf的控制通道cha和生物质bm的反向循环系统rcs。这增加了系统的平衡和稳定性，同时降低了复杂性。

根据本发明的目的，所述生物反应器br包括至少两个正向循环系统fcs(fcs1，fcs2)和/或至少两个反向循环系统rcs(rcs1，rcs2)。这增加了改造系统提高加工速度和效率的可能性。

根据本发明的目的，将至少两个加工单元zf、z2、z3、z4、zl至少部分地布置到同一容器ves。这可能会降低系统的构建成本。

根据本发明的目的，将至少两个加工单元zf、z2、z3、z4、zl布置到至少一个平推流容器中，其中rcs的至少一部分布置成通过扩散和/或混合所述容器操作。

根据本发明的目的，加工单元zf、z2、z3、z4、zl中的至少一个布置成形成与其它加工单元基本上不同的环境条件，包括但不限于温度、基质的可用性或溶解氧和/或添加化学物质、催化剂或酶。当在不同于其它的环境条件下优先执行一个或多个加工步骤时，这增加了系统的灵活性和性能。

根据本发明的目的，加工单元zf、z2、z3、z4、zl中的至少一个布置成使其生物质的至少一部分在系统fcs和/或rcs外部循环，或出于其它功能或目的以其它方式永久除去，包括但不限于生物质的硝化、脱硝或产生。

水流体可以是包含水的任何流体，且它可以变形。有利地，微生物/生物反应可以在所述水流体中发生。所述水流体可以例如是或包括淡水、加工水、废水、浆料、固体、生物质和/或气体。所述生物反应器可以用作用于通过生物质生物产生所需的最终产物和/或产生生物质的生物反应器。所述生物反应器可用于产生沼气。所述生物反应器也可用于氮除去、用于磷除去和/或用于固体除去。所述生物反应器也可用于一个或多个需氧、缺氧和/或厌氧过程。所述生物反应器可用于产生目标最终产物，包括但不限于产生甲烷、乙醇或微生物生物质，或用作用于以微生物方式进行在提供到系统的至少两种化合物之间的化学反应的生物反应器，或用作处理存在于水流体的生物质的生物反应器。

根据本发明的目的，所述水流体是或包含气体，同时将水与气体一起或分开送到系统。这允许加工所述气体，包括但不限于从沼气中除去生物硫化氢(h2s)。

根据本发明的用于处理水流体的生物反应器现在可以通过较小的总hrt(加工量)、对于相同加工量的较高容量或较好品质的流出物或这些的平衡组合来利用。流入物水的不同基质可以至少部分地在系统的不同部分中加工，而系统倾向于沿着平推流系统的整个长度平衡加工。该系统偏好最有效的微生物，该微生物能够分解流入物基质以及所有生成的中间加工产物。在srt的限度内，加工流入物中的任何给定基质所需的每种微生物都有利于确保尽可能完全的加工。该系统允许使用较高的mlss(混合液体悬浮的固体)，因为系统中的生物质在内部至少部分循环，且仅一部分流动到下一个加工步骤，例如过滤器、净化器或其它次级或三级处理。更高的mlss允许进一步降低加工单元大小或改进加工性能。该系统自身调节以在其正常操作点具有过量的加工能力储备，与常规系统相比，允许更高的峰值负载。

该系统还允许沿着加工单元更均匀地进行加工，从而使得充气系统中的充气更均匀、更均匀的加工特征以达到最佳的总系统体积并减少阶段。

生长较快的微生物占据生物膜的表面(由于动力学限制)，进一步生长的絮体大小会抵消种群光谱的益处。此外，生物质动力学实际上由这种生物膜的有效表面积主导，且当絮体直径为一半时，给定的总质量的絮体的表面积大致加倍。由于上述，限制絮体大小或生物膜厚度是有利的。

生物质平均停留时间可以限定哪些微生物可以在生物反应器中具有显著的种群，当种群的倍增时间超过生物膜的停留时间时，这样的种群在这样的生物反应器中不太可能形成显著的种群计数。然而，如参考生物膜絮体大小章节，由于较小的絮体大小或较薄层深度，生物膜的改进的动力学可以减少种群倍增时间。因此，当动力学改进时，可以减少停留时间。生物质的停留时间也影响总生物质的存活生物质的部分。通常，生物质可以分为存活(活性)、死亡和裂解的细胞。这些与系统中的所有非生物质固体一起形成系统中的固体的总质量。由于高生物质停留时间系统中的细胞的一些部分结合而死亡，而不是分裂(生长)，这可能是由于大的絮体大小等引起的动力学结果，生物质的较短停留时间与死亡和裂解细胞相比通常改进存活细胞的部分。微生物可以视为仅消耗营养素来生长。虽然认为高生物质停留时间内源系统仅使用营养素和能量进行细胞修复，但相同观察结果也可视为通过基质消耗的生长以与平均细胞死亡率相同的速率发生。

已经观察到，对某些营养素具有高的酶水平的微生物倾向于在其细胞材料内在消耗所述营养素的环境条件是有利的时收集丰富的那些营养素。还注意到，例如当需氧微生物从良好的环境和较高的营养素水平移动到缺氧状态时，营养素似乎在相对短的迟滞时间之后从微生物细胞内部排泄到生物膜，且因此进入到周围液体。

这种发现的重要结果是，当足够量的微生物从较低的营养素水平送到较高的营养素水平时，它们非常快地吸收营养素，直到环境的营养素水平达到与较低营养素水平相同的水平。营养素不能立即完全加工，因此营养素吸收到细胞中的速率随着时间而降低，且达到消耗速率。此外，如果充气临时停止，在相对短的迟滞时间之后流体中的营养素水平开始上升。

因此，已经得出结论，通常可以实现最大营养素或基质消耗或吸收速率，以在系统中实现给定量的生物膜/生物质，

-当用于吸收和消耗基质的酶水平在微生物中已经很高时(同时营养素变得可用)。

-当生物膜足够薄或具有足够小的絮体大小，以允许营养素、氧等和排泄最终产物的最大动力学时

-当环境条件在其它方面都有利时

-当将尚未在其细胞内吸收饱和水平的基质但具有对于这种基质的高酶水平的新微生物送到需要高基质减少的系统位置时

-当已经将基质完全吸收到其细胞内的微生物从系统中除去或在系统内转移，因此将它们保持在其它方面都有利的环境条件中时

用这种方法，可以使所述系统从加工水中除去的营养素比用于最大生长的微生物消耗将通常所允许的营养素显著更多。

系统操作

将在附图中描述本发明的一些特征和优点：

图1.具有一个环路的基本生物质循环系统

图2.多个交错生物质循环环路构造的实例

图3.重叠循环环路

图4.基本加工净化器系统、生物质或tss沿着加工流体的泄漏

图5.加工净化器系统

图6.平流布置(plugarrangement)中的基本加工

图7.具有连接到第一加工单元zf的生物质改造单元bmu的用于水流体wf的基本生物质循环系统fcs-rcs

图8.交叉循环中的基本加工

图9.构造为本发明的一个实施方案的充气活性污泥反应器br-as中简单逆流生物质移动的原理

图10.使用icu的构造为一个实施方案的充气活性污泥反应器br-as中简单逆流生物质移动的实际详细实例

图11.基质泵送系统的简化实例

图12.中试系统

图13.厌氧生物反应器

基本系统

本发明的基本系统构造由多个(2个或更多个)加工单元组成，所述加工单元构造成平推流构造，其中所述加工流体流动和活性生物质流动(主要)是逆流。

基本系统构造，在图1中描述，可以单独使用，或作为较大系统的一部分使用，环路中包括的实际单元数可能会变化。在该系统中，加工流体，水流体wf从第一加工单元zf流向最后加工单元zl，而生物质bm最终从zl流向zf，并从zf返回到zl。重要的是注意到，z2-zf、z3-z2和zl-z3之间的生物质净流动与加工流体流wf逆向，且作为返回流例如通过泵送、移动生物质载体等从第一zf移动到最后加工单元zl。

本领域技术人员众所周知的是，生物质和其它固体沿着加工流体的泄漏可以部分地补偿从系统的较后部分返回到其较早部分的生物质。在新发明中，系统中的生物质的净流动与相邻单元之间的加工流体的流动的正常方向逆向布置。

优选地，提供正向循环系统以在一定平均速率下从第一加工单元zf移动生物质，所述平均速率超过所述第一加工单元zf中的生物质生长减去从所述第一加工单元的生物质的处理速率。优选地，提供包括在生物质循环环路中的任何两个加工单元之间的反向循环系统rcs或其任何部分的生物质流速，以超过生物质沿着所述两个加工单元之间的正常的加工水流体流动的泄漏。

实施生物质流动

可以实施生物质与加工流体流动逆向的循环，包括但不限于：通过泵送或将生物质从第一单元主动地转移到接收生物质的第二单元的其它手段，使用使生物质与所述第一单元的加工流体分离的手段例如过滤或沉降，通过收集生物质载体或生物质附接的其它手段或从所述第一单元携带媒介到所述第二单元，通过使用图9和10的构造或其它类似构造，其中生物质的流动布置成通过重力或上述组合与加工流体流动逆流。

从在生物质循环环路中参与生物质循环的第一单元正向进料到所述环路的最后单元的生物质也可以使用与加工流逆向的循环类似的方法或其它方法来布置，同时这可有利于使用生物质与加工流体的较高分离程度，以限制加工流体与从所述第一单元到所述第二接收单元的生物质的短路(shortcircuiting)，特别是当选择的生物质循环速率与加工流体流速相比相对较大，或这种转移的生物质和加工流体的组合的生物质部分另外相对较低，以减少加工流体短路时。

然而，也已经证实，使用例如与图10类似的加工单元且将参与污泥循环环路的第一单元中的加工流体简单泵送到所述环路的最后单元，而不实施任何分离手段可以成功实施高性能和低成本的系统。

基本系统中的流入物基质的消耗

当在zf中时，生物质吸收和部分消耗基质。当移动到zl时，它继续加工基质而不释放基质，直到其在细胞和生物膜内部耗尽，且开始采用其它可用基质以通过改变其状态消耗，包括构建酶，用于最优选的可用基质。

在正常的工作系统中，所有流入物基质水平在zl都处于其的最小值。如果任何类型的基质可较大量获得，微生物试图采用和吸收那些基质以避免饥饿。

当移动到z3时，一些基质相对于zl中的基质可在更高浓度下获得。构建到非常高或最大水平以在zl中时吸收和消耗某些基质的一些酶，现在处于相对较高的水平，这允许微生物以最大速率消耗那些基质，且不具有或具有用于适应的迟滞时间惩罚。

大多数基质在z3中仍处于相对较低的水平，由于来自zl的进入微生物以高于其在细胞内消耗的速率吸收它们。

当移动到z2时，与z3中类似的现象发生，但通常可获得更丰富的基质水平和光谱。然而，在z2和z3中，最优选的流入物基质的浓度通常较低或几乎耗尽。

当再次移动到zf时，微生物选择流入物中可获得的最优选的基质，与系统的其余部分相比，zf中可能存在最高浓度。

还对该系统有益的是，当在zf中和基质丰富时，微生物通常以低效方式使用基质，例如产生过量的热和能量溢出途径。然而，当到达zl并处于严重限制生长的条件下时，微生物仍继续保持高能量通量，因为细胞膜通电和运输系统的功能是每当环境条件变化时恢复生长的基本条件。

因此，与内源系统相比，所述的生物质的循环也增加基质的微生物加工速率。

微生物种群的偏好

由于微生物生长速率取决于基质的可用性，系统通常偏好可以在营养素过量下以最快速率消耗基质的那些微生物，且在该感知的基质浓度下产生最快的生长速率。

在最短时间下吸收最多营养素到其细胞中的微生物(即使过量)将感知最高的基质水平，因此该系统也偏好这些微生物。

而且，对于任何其它较快生长的种群，在系统的任何位置不变得最优选的基质的任何营养素将为优选这种基质的最合适的微生物提供机会。

因此，该系统主动地偏好微生物物种光谱，其表示可用的任何给定基质的最快生长和基质消耗速率。

由于所有微生物种群几乎均匀地在所有加工单元中表示，上述也应用于中间产物。

此外，可能期望加工单元中的环境条件以一种或多种方式显著改变，使得不同的微生物种群可以在不同的加工单元中经历最佳条件，例如在所述加工单元中的至少一个中所述条件是需氧、缺氧或厌氧时(不同于其它加工单元)。根据本发明的产物可以用于一个或多个需氧、缺氧和/或厌氧过程，其中至少一个加工单元是需氧、缺氧或厌氧，不同于其它一个或多个单元。在这种系统中，可以对加工分阶段或以其它方式控制，且可以根据对系统设定的要求来改变基质的消耗。

中间产物

流入物中的一些基质通常在多于一个步骤中生物分解，或通过多于一个微生物种群进行。这种生物分解过程产生一种或多种中间产物，其浓度在系统中变化，取决于多个参数。

通常，中间产物可以视为在原始基质的加工或消耗发生的地方引入到系统中的新基质。

在不具有生物质循环的情况下，这种现象会导致整个系统的分阶段(phasing)，从而可能导致这种中间产物的加工时间不足，以及在系统的一些部分中抑制加工。

该基本系统还分配各种基质的加工，以便中间产物沿着该系统更均一均匀地可用。结果，所述中间产物被适当吸收和消耗。例如，在zl中由在zf吸收原始基质并移动到zl的微生物产生的中间产物，可能水平还远远低于z3或z2，这意味着在zl的已经很高的酶水平和吸收能力的合适微生物(可能已经接近饥饿)能够进一步有效地加工所述中间产物。

此外，这种中间产物在zf中的丰度通常是最大的，假设所述中间产物的原始基质被zf中的微生物优选。

对于任何中间产物，沿着加工流体流(这种原始基质转化为这种中间产物的地方)越早，对于待进一步减少的这种中间产物的可用加工时间越长。此外，由于吸收和消耗这种产物的微生物连续地朝向系统的前部移动，可以说这种中间产物的加工时间越长，系统允许这种基质的加工时间越长，因此，任何(生物分解)物质的生物分解的所有加工步骤比不具有生物质循环的平推流系统给出更多的加工时间。

基本系统可作为需氧或厌氧加工系统实施。然而，当需氧系统的至少部分具有缺氧阶段时，特别是严格需氧的微生物可以将一些营养素排泄到周围的生物膜和流体中，导致加工流体中的基质水平增加。

在暴露于需氧条件的厌氧微生物中也可以观察到这一点。

虽然这种现象的负面影响也可以在基本系统中降低，但是在系统实施中仍可能优选以确保实施系统的需氧/缺氧/厌氧部分之间的流动，使得只有加工流体在状态之间移动，且所述部分之间的生物质交换减少。图2的多个交错环路是这种实施方式的示例。

多个循环环路

在一些情况下，可以使用多于1个循环环路以在系统中提供额外益处。这样的益处可以包括例如需氧和厌氧加工的改变，以便导致所需的充气能量降低，使硝化/脱硝性能适当等。

多个交错的生物质循环环路构造的实例在图2中描述(每个环路中的实际环路或单元数可以变化)。在图2中，生物反应器br包括两个正向循环系统fcs1、fcs2和两个反向循环系统rcs1、rcs2。假设图2系统实例中的生物质bm主要在所示的环路中循环，且在环路之间的量少得多。如果环路之间的混合大，系统越来越像重叠的环路实例，如图3中给出。

多个重叠环路还允许系统的有意(部分)分阶段，当需要时，同时保留系统的许多其它益处。

图2的厌氧-需氧实施方式的实施例。

环路zf-z3可以进行厌氧加工，且环路z2-zl可以进行需氧加工。这种系统的应用可以例如是废水处理，其中在z2中可能发生硝化，其中在硝化步骤后在z3中可能发生脱硝。再次，从zf到达z3的脱硝化微生物渴望吸收硝酸盐，因为它们在zf中很少。一些z3微生物也可以在z3接受超过它们在zf中的水平的vfa和其它基质。

同时，z3可以使在zf中存在的抑制化合物的水平降低。当它们返回zf时，它们继续在zf进行这种基质的加工，平衡系统的不同部分之间的加工。

z2和zl可以提供在从系统释放流出物之前对于厌氧加工通常需要的高效的精加工(polishing)步骤。

此外，如果zf例如是厌氧污泥过滤器，uasb等，zf还可以充当固体的过滤器，使得能够厌氧加工更高量的颗粒基质以改进节能或产生甲烷，同时减少在较早步骤中固体分离的需要。在实施这种蒸炼器(digester)的系统中，还可能有利的是在厌氧加工中消化过量的需氧污泥或其它可生物分解的材料以及流入物固体，从而进一步增加甲烷产生。这可能例如在废水处理系统中导致产生的沼气能量与用于泵送和充气所消耗的电力之间的正能量平衡。

在该示例应用中，多个生物质循环环路的益处主要来自需氧和厌氧加工二者中加工时间的大幅改进，这允许更短的系统hrt，从而使系统的总物理体积更小，而不会增加加工温度。然而，特别是在厌氧加工侧免除分阶段是加工稳定性和可控性方面的另一个关键益处。

多个重叠环路

可以在系统中构造多个重叠环路。这种系统可以构造成适合特殊需要，例如在流入物具有大量可缓慢生物分解的基质的情况下。重叠循环环路如图3所示。

图3中的实施例可以具有独特的益处，因为它允许生物质bm的完全再循环，同时确保附接到zf中的生物质的生物固体在成为流出物的一部分之前将具有通过所有系统部分的最小流动；即最小路径为zf->z3->z2->zl，且环路1和2的正向和反向循环速率可影响系统中这种生物固体的平均停留时间，条件是充分控制生物质流动与加工流体流动。

在循环中移动生物质

在给出的实施例中，假设对加工流逆流的生物质的流动布置在加工容器之间。这也确保每个容器中的生物质保留和平衡至足够量。

从zf到zl的或在过程的其它部分之间的生物质流动可以通过简单泵送布置。

如果所述加工单元中的两个或更多个布置为例如一个或多个长平推流容器，其中可以看到单个加工单元的数目高，而布置成一个容器的所述单元之间的物理边界甚至减小到扩散和重力流动，fcs和/或rcs从所述容器的较早部分除去生物质和/或除去到所述容器的较后部分而在所述容器内产生生物质浓度梯度。梯度将通过混合和/或扩散减少，从而形成生物质从所述容器的较后部分到较早部分的反向循环，且充当所述容器内的rcs的至少一部分和/或形成在所述容器内的加工单元之间的至少一个rcs。

这种构造的实施例在图6中给出。在该实施例中，整个系统布置在一个容器ves中，部分壁pwa分离加工单元zf、z2、z3和zl。部分壁允许wf通过pwa从zf流到zl，且还允许生物质bm通过pwa从zl流到zf。fcs将生物质以一定速率从zf移动到zl，所述速率高于zf中生物质的生长，产生生物质的浓度梯度，经由z3和z2引起生物质从zl向zf的净流动。

部分壁pwa通过减少单元之间的自由混合和扩散而形成对生物质流动的阻力。该阻力是这种壁的开口面积和通过所述开口的wf的流动的函数，因为二者是逆流。当开口作为具有已知表面积和长度的通道形成时，可以实现在wf的给定流动下对生物质流动的类似阻力。

在这种构造中，当加工单元之间没有使用其它附加形式的rcs时，生物质浓度在zl最高，且在zf最低，与例如通过在单元中构建简单的icu相比，这将导致总系统体积的低效使用或系统性能较差。

如果将正常的as系统改造成本发明的实施方案，生物质的反向循环可以优选例如在图9和10的构造中低成本实现。

在图9和10中，示出包括icu的活性污泥反应器br-as。任何两个相邻单元对，例如zf和z2，或z2和z3，其中所述对在此缩写为zx和zy，其中至少zy包括具有通道cha的icu，通过该通道发生连通，使得加工流体wf可从zx自由地流到zy，但同时cha充当zx的简单净化器，其中进入cha的生物质(bm)返回到zx。当任何数目的单元zf..zl以类似方式布置在平推流构造中时，净生物质流动是朝向第一单元zf，即与加工流体流动逆流。形成任何两个相邻单元zx和zy的充气部分之间的端口的通道cha抵抗生物质bm流与加工流体wf，同时在zy的顶部开口，通道cha的顶部从zy接收生物质bm并将其有效地传输到加工流wf的先前单元zx。

这种具有其端口的通道是zy的内部净化器单元icu的示例实施方案。

这种构造通常足以达到这个目的，即使在通道中存在一些量的涡流，但在其中造成问题，改进生物质的沉降或减少在通道中的停留时间可以容易地以例如类似于沉降器中使用的那些的方式布置。

从zy转移到zx的生物质的量很大程度上首先取决于暴露于cha的上部的zy的加工流体(以及内部的生物质)的量，从而进行生物质分离/沉降并通过通道，其次取决于zy加工流体中的生物质的浓度。前者可以大部分选择为机械设计参数，也可以自我调节后者，zy中的生物质浓度。因此，每个加工单元zy中的生物质浓度可以通过设计单独设置，以及每个加工单元zy中的生物质的平均srt，独立于其加工流体体积或流动。

当生物质通过重力在加工流体中沉降时，可以实施类似于图9的实施方式。如果生物质通常会漂浮，就像例如附接到漂浮生物膜载体时那样，类似的通道可以反向使用。

与从zx到zy的生物质泄漏速率和从zy到zx的生物质返回速率相关的参数可以例如取决于生物质的沉降特性，且可以受设计的影响。

在一些情况下，icu可以优选以改造的方式使用。例如，在zf中，可能有利的是不通过cha送来流入物，而仅使用cha来分离或冷凝fcs的生物质。因此可以避免或减少流入物短路至zl。

此外，在两个相邻单元希望具有不同生物质的情况下，例如在图2的系统中，可以使用z3中的cha，而不需要至z2的端口，为了实施rcf2的目的而分离或冷凝生物质。同样在z3中，可以在改造的情况下使用分开的cha以防止生物质从z3流到所述改造的cha的顶部，从而通过所述改造的cha至z2，使得所述改造的cha阻断生物质流动两种方式。可以优选这种方法以保持生物质环路分开。

可以例如在厌氧或缺氧连续混合加工单元之间布置类似类型的构造。此外，当所述两个加工单元包括充气、非充气、静止或混合加工单元的组合时，以及当所述组合在其操作中至少部分间歇时，例如当加工单元以间歇模式(例如间歇充气和/或间歇加工流体流动)操作时，可以布置类似类型的构造。加工单元中的至少一个可以间歇模式操作，例如加工单元中的间歇充气、间歇正向循环系统、间歇反向循环系统和/或间歇加工流体流动。

在间歇操作系统中，可能有利的是使用与反向相同的构造，使得到下一个加工单元的流动通道位于第一单元的顶部和下一个单元的底部，使得在沉降阶段生物质在单元的底部浓缩，且在沉降阶段之后的填充阶段流动不将生物质转移到第二单元。在这种间歇系统中，可能有利的还是减少在混合或充气阶段进入通道的生物质的量，因为它将生物质在相邻单元之间的系统中向前转移，这是不希望的。

在这种间歇系统构造中，也可以例如通过选择通道宽度来容易地布置fcs和rcs，通过在相同通道但与加工流体流动相反方向泵送，使得生物质与正常加工流体流动逆流转移。通过这种构造，例如替代填充阶段，生物质在从zf沉降到zl之后泵送，且所产生的重力势导致在所有单元中从zl向zf流动，且生物质因此通过通道向zl流动。

在平推流厌氧系统例如uasb中，在正常系统中已经实施生物质的保留，且可以简单地通过将位于反应器底部的一些生物质泵送到反应器的上部来布置循环，其中向反应器底部的循环的剩余部分通过重力完成。

生物质循环速率

如果我们假设通道可以保留例如生物质的80%在系统中向前移动，且类似地生物质的80%进入通道顶部，由于湍流流过通道，我们可以假设在系统中向前移动(与需要方向逆向)的生物质的概率只有百分之几。而且，随着与加工流体流动逆向的生物质移动速率可以合理地良好控制以接近期望值，可以确立总的平均生物质再循环时间并设定为期望值。

选择最佳循环速率取决于许多参数，包括但不限于例如系统hrt和选择的srt、可生物分解材料的性质及其生物分解速度和单元之间的生物质保留的效率，以及过量的污泥处理速率和机制。

也可以通过合适的设计来实施例如rcs，其中生物质的返回速率随着时间在加工单元之间变化或通过生物质浓度变化。这允许在不同加工单元中选择不同的生物质保留时间。

而且，例如在充气系统中，混合或生物质循环可以是间歇的或以其它方式布置成时间或其它参数的函数，包括但不限于olr、hlr、氮或磷除去等的原因。

由于上述，一些构造中的生物质循环速率也通过基于参数的设计来选择，这些参数包括但不限于系统构造、每个加工单元中选择的停留时间以及一个或多个过量生物质除去机制的位置和速率。

过量的生物质除去

在本发明的系统中，给定总量的生物质的基质除去能力可以是正常系统的几倍。尽管生物质产率/加工的cod量，特别是在充气系统中，可以低于常规的，生物质srt将通常降低。

通常需要非常短的hrt，因此，为了确保由该过程所需的所有微生物种群可以使用所选择的srt形成足够的种群，可以向系统给出进一步的限制或指导，例如选择活性污泥方法中的增加的生物质量或更高的mlss值。

在例如活性污泥系统中，过量的生物质除去也可以实施到生物质fcs，从而将从zf泵送的生物质分成分开的流，其中一个流进入zl，另一个流引导到过量的生物质处理系统，例如污泥增稠。

实施合适的生物质循环和/或除去速率的另一种手段可以利用类似于图9和10的结构。特别是在活性污泥系统中已经观察到，在图9和10的两个加工单元之间的连通通道中采用在通道之前充气或混合加工单元中的生物质浓度影响在通道中形成的生物质覆盖层的高度的性质。因此，加工单元中的生物质的量可以用在随后的上流通道中在选择高度下除去生物质的手段来控制。此外，当在所述覆盖层的顶部除去生物质时，除去的生物质部分基于其沉降性质选择，因此在该过程中保留更好的沉降生物质。

因此，随着生物质循环环路中的系统生物质在参与这种环路的所有单元之间循环，除去过量生物质可以实际上在具有图9和10类型的构造的系统中的任何通道中实施。

如果生物质循环环路中过量的生物质除去例如在所述环路的第一加工单元zf中实施，较后的加工单元中的生物质停留时间也可以比加工单元zf更长。因此，可以选择高和低基质条件之间的生物质的环境周期。

当使用多于1个环路时，可以单独针对系统的不同加工单元获得选择不同srt和环境条件的甚至更大自由。

生物质载体系统中的生物质

移动的生物膜载体系统中的生物质fcs和rcs实施方式在应用方面是非常简单的，因为生物膜载体通常易于与加工流体分离。生物质移动的速率也可以相对准确地限定。然而，生物膜载体移动的机制需要根据选择的载体类型进行选择。

如图4所示，基本加工可以具有生物质和/或tss沿着加工流体的泄漏。fls1、fls2和fls3表示沿着加工流体流动的泄漏。这些泄漏与期望的生物质移动方向相反，且部分减少净生物质流动。有利的是使泄漏减少或最小化，而且重要的是作为rcs的部分的rc3、rc2和rc1分别补偿泄漏fls1、fls2和fls3，使得生物质的净流动保持与加工流体流动逆向。

生物质改造

取决于循环中的生物质的性质，例如当使用移动生物质载体时，可能有利的是清洁环路内循环的载体或其它介质。还有，例如当使用活性污泥时，可能有利的是基于其沉降特性改变污泥的组成或选择循环污泥。还有利的是在返回主要加工流之前，允许生物质排泄细胞内吸收的营养素，例如以减少主流hrt。此外，例如厌氧或缺氧污泥可以在主要生物质循环外部临时用于脱硝。

图7给出了定位在环路中从第一单元返回到最后单元的生物质中的生物质改造的实例。

生物质改造单元bmu是生物质从生物质循环环路临时移动的系统或子系统，用于除了通常在所述环路中发生的加工流体的正常加工外的一些其它目的。

bmu还可以构造为过量生物质除去的手段。

在本发明的进一步研究中已经发现，当例如使用需氧加工且将参与环路中的生物质与加工流体一起临时从需氧加工移动到厌氧或缺氧容器时，将含有所述生物质的移动的加工流体的基质浓度在短暂的迟滞时间后快速提高。

这种现象可以看作当正常生长的do或其它环境先决条件突然受到限制时，需氧微生物将基质排泄到周围液体。这种现象是本发明的特征，但在例如as系统净化器中不会显著出现，部分原因是as系统中的微生物处于内源相，因此它们不具有细胞内的过量基质。

然而，本发明的系统鼓励系统的较后部分中的微生物，在消耗基质的同时，以最大效率改造其酶或在其细胞内吸收基质的其它机制，且当移动到较早部分时，或特别是移动到系统的第一单元时，微生物仍以高度提高的速率吸收基质。

已经观察到，包括但限于与进入第一单元的流入物基质流动相比的吸氧速率(our)的手段，在系统的第一单元中，微生物吸收的基质显著多于它们可消耗的基质。

还观察到，这种现象在后期尤其是系统的最后单元中至少显著较少发生。因此，有利的是，例如在需氧生物质环路的最后单元之后，环路生物质可以暴露于缺氧或厌氧条件，而不使基质明显返回到加工流体。

生物质改造单元bmu可连接到生物质bm循环环路fcs、rcs(rc1、rc2、rc3等)中的任何一个或多个单元zf、z2、z3、zl。

这种bmu的实际应用也可以除去一些不期望的流入物污染物、基质或中间产物，例如分离固体、脂肪、油或油脂。当bmu中的环境条件在do、剪切、正常条件的其它变化或那些的组合方面不同或更加苛刻时，某些物质可以与生物质分离，生物质可以基于其性质来选择，或生物膜载体可以清洁或它们的过量生物膜可部分除去以减小其厚度。

bmu的另一个应用也在用于基质泵送的环路中使用微生物；当例如需氧微生物在生物质改造单元中暴露于缺氧条件时，已经发现，可以将流入物基质的大部分从生物质提取到生物质改造单元中的流体。

基质泵构造的简化实施例在图11中显示。bmu构造成缺氧生物质改造单元，且在周期开始时，从zf接收一批混合的加工水和生物质bm。在泵送停止后，混合器保持生物质悬浮一段选择的时间，例如30-120分钟，然后开始沉降。沉降后，沉降的生物质返回到zf，而来自生物质bm的富含基质的加工水移动至厌氧加工。

该单元可以下列阶段方案驱动：

1.将来自zf的生物质bm泵送pum到生物质改造单元bmu中。在泵送时，将先前批次的生物质通过溢流通道cha冲回ret到zf。

2.混合器mix启动并将生物质保持在缺氧或厌氧悬浮液中例如30-120分钟

3.在混合阶段后，生物质的沉降开始和在充足的沉降时间后，大部分良好的沉降生物质低于优选水平的泵送水平，

4.泵送开始并移动富含由生物质exh排泄的基质的加工水例如至厌氧加工

返回的生物质ret冲回到zf将在那里继续其正常周期。

该系统有三个主要优势；首先，基质可以厌氧加工，其次返回到主环路的生物质将具有比没有这样的生长阶段中断周期显著较低的新生物质产率；第三，具有较差沉降特性的生物质也可以从主环路提取且将厌氧消化，这也改进进入次级净化器时主要加工流的沉降特性。

因此，如果在混合阶段期间将基质提取到其流体之后在缺氧生物质改造中的需氧生物质被移回到环路，同时生物质改造单元bmu中剩余的流体移动到厌氧加工，可以实现显著的成本节省。厌氧加工更节能，且其流动独立于加工流体流动。此外，对于相对低的基质浓度流入物，这种厌氧加工的高温也可以有效地使用。因此，在与主要加工流体流分开的厌氧系统中加工流入物基质的该部分是经济上可行的。

加工净化器

加工净化器系统可以是需氧、缺氧或厌氧系统，其中生物质向zl和/或系统的其它较早部分与加工流体逆向移动，且其中加工或后加工在净化器起作用的同时在单元中进行。

这对次级净化器操作是有益的，且在一些情况下，不需要单独的次级净化器。由于在每个单元中具有高生物质保留的系统的性质，当在最后的加工单元之后实施一个或多个主要用于生物质保留和返回的加工净化器单元时，系统可构造成具有相对高的mlss。

加工净化器系统的一个实施例在图5中显示。单元za1、za2、za3在生物质循环系统的最后加工单元zl之后构造成加工净化器单元pcu。在实践中，rcs型系统在没有fcs的情况下实施，因此所有生物质都向zl移动。生物质fla1、fla2和fla3的泄漏分别由反向循环单元rcal、rca2和rca3过度补偿。

重要的是注意到，例如如果选择rcal的返回速率，使得当zl中的生物质浓度是za1中的生物质浓度的3倍时，系统达到rcal和fla1的生物质转移速率之间的平衡，且za1、za2和za3的所有阶段是类似的，生物质从zl到次级净化器的总泄漏可以降低到低于zl浓度的4%。

这种加工净化器单元可以视为次级净化器之前的预净化器，其各自保持或与流动逆向返回大部分生物质，同时充当小的加工单元。

例如，这样的预净化器可以类似于图9和10的构造，且因此具有icu，其中实际的“加工量”减小到小或最小，且其中hrt实际上由通道hrt支配。因此，前面的系统单元，特别是zl的mlss可以实际选择，而不需要次级净化器限制mlss的选择。

所述加工净化器单元pcu例如在充气系统中的另一个具体优点是，具有高量的吸收营养素的微生物将不会将所述营养素释放到生物膜，并因此释放到流出物，因为环境保持有利。

虽然所需的srt确保所有需要的微生物种群的种群水平可能另外限制生物质处理的可实现速率，t。

这种系统中的单元可以包含除了现有加工介质以外的其它介质，例如固定或移动的生物膜载体。

一个应用是在需氧生物质环路之后引入缺氧或厌氧加工，其中从前面阶段泄漏的生物质返回到这样的前面阶段。有利的是，当例如固定或移动的介质在加工净化器单元内用于厌氧或缺氧加工(例如脱硝)时，与这种固定或移动介质分离的生物质也将返回到现有环路并与环路一起处理生物质处理。

另一个应用是在厌氧消化阶段之后建立用例如固定或移动的生物膜载体的需氧后加工或精加工，其中将分离的生物质移动到系统的较早阶段，从而也消化精加工阶段中产生的需氧污泥。如果例如将移动的生物膜载体用于加工净化器单元中，则可以在加工净化器系统中为这种载体布置本发明的生物膜循环环路，以改进加工性能。

返回污泥

在图8中，示出具有次级净化器单元scu的系统，其具有从scu返回生物质的返回生物质循环单元rcu1。与常规系统不同，有利的是不布置生物质从scu直接返回到zf，因为微生物可能在scu中相对较长地暴露于微生物不能立即恢复正常代谢的环境条件。因此，有利的是通过所示的备选路线将生物质返回到z2、z3或zl而不是zf。

特别是如果在zl和scu之间使用加工净化器单元pcu，也可以处理来自scu的生物质的至少一部分。

fcs和rcs的系统要求

所有加工单元中的bm平衡必须保持在所需的水平。可以在rcs的设计中设置加工单元之间的平衡。不具有fcs或rcs的zf中的bm的总量将以zf中的bm净生长速率(rgrowth)、bm随流入物进入的速率(rinfluent)和bm从zf沿着加工流体的泄漏速率(rleak)和在zfbm从系统中的除去速率(rremoved)改变，使得zf中的bm净变化率为

rnet=rgrowth+rinfluent-rleak-rremoved

此外，rcs以rrcs的速率将bm移动到zf。rrcs是关键系统设计参数之一，由于它限定进入zf的来自较低营养素环境的bm量，且因此显著影响zf的营养素吸收速率。

重要的是注意到，当rrcs足够时，zf的基质吸收速率显著高于其中的实际基质消耗速率，且实际速率也取决于基质和微生物。因此，zf中的rgrowth也低于基质吸收速率，且将另外产生相应的生物质产率。因此，营养素吸收和消耗以及相关的bm生长之间的差异将发生在其它加工单元中。

fcs速率rfcs设计成补偿zf的选择操作点的rrcs，使得

rfcs=rnet+rrcs

对系统非常有利的是，由于zf中具有平均停留时间(treszf)的zf中的微生物可能在zf经历其最快的生长速率，对应于种群倍增时间td，选择rrcs和rfcs使得所述treszf比td短，因为它促进簇拥且产生较少量的浮游细胞。

此外，随着微生物的生长阶段受到干扰，基质的合成代谢消耗转变为分解代谢，导致新的生物质产生减少，但随着周期时间保持足够短，微生物不会将其能量消耗降至对内源相典型的水平。

在zf中吸收大部分流入物基质所需的最小rrcs取决于流入物基质浓度。如果rrcs和rfcs增加，td将增加，因此treszf降低到zf中基质变得已经很少的水平，因此根据其它系统参数，rrcs和rfcs可以用作调节td和zf中的基质浓度的工具。

如果zf中的总bm是mzf，那么通常为了改进生物质的沉降性质以及减少生成的新生物质的量，由于treszf应低于td，所以应该使用近似的准则：

rfcs>mzf/td，和

rrcs>mzf/td-rnet

当rrcs和rfcs增加或流入物流速或基质浓度降低时，td倾向于增加，且zf中的基质浓度倾向于都以非线性方式降低。

流入物基质浓度、目标微生物的bm产率和选择的食品与微生物的比率(f/m)以及在zf的测量的基质吸收速率rsa可用于评估rrcs和rfcs的目标值，当这些参数对应用的系统条件已知时。

然而，例如在流入物基质的分阶段分解中，并非所有的生物质都能够直接分解所述基质，因此对于能够分解所述基质的其bm中的微生物的部分，zf中的f/m比率达不到统一(lessthanunity)。

因此，针对整个系统选择的f/m比率与在流入物中存在的任何基质的zf中观察到的f/m比率不同，且强烈取决于流入物基质、存在的微生物种群的光谱和系统构造。因此，当系统用已知的微生物加工已知的流入物，例如产生所需的最终产物或产生微生物生物质时，使用f/m比率或rsa是最可行的。

通常，增加fcs和rcs速率会提高系统性能，直至达到至少局部最大值。增加rfcs和rrcs超过这样的最大值造成系统设计挑战大于所获得的优势。

研究结果

使用本发明的系统的不同构造，使用活性污泥作为生物质进行研究，且使用正常的as加工反应器作为参考。

参考反应器(c)

观察到参考反应器性能正常，与当前广泛用于废水处理的那些类似。反应器的hrt在8至43小时中变化。

本发明的试验反应器(a型和b型)

在本研究中研究两种构造，同时试验对构造进行的多个改造。构造(a)为具有污泥循环的3单元反应器，而构造(b)为具有污泥循环的4单元反应器。

(a)和(b)二者分别主要用6和8小时hrt试验，其中反应器的充气部分占总体积和hrt的约2/3。剩余的1/3用于分离容器的沉降器部分中的污泥，从而将污泥的流动以平推流构造充分地减少到下一个单元。这种分离使用正常的沉降器实现。另外，本发明的加工净化器构造替代正常的沉降器来试验，其中主要出于混合目的，实施所述加工净化器的充气，因此充气量显著低于主反应器部分。

污泥循环

fcs使用蠕动泵实施，所述蠕动泵将污泥从第一单元移动到构造中的最后单元。

污泥移动可以在没有任何污泥增稠的情况下发生，在这种情况下，具有污泥的加工流体通过泵移动。或者，在泵送之前可以使用沉降或其它增稠方法，以在相同量的污泥移动下减少直接从第一单元送到最后单元的加工流体的量。

在试验期间，在具有和不具有污泥增稠的两种情况下试验构造，且用于污泥增稠的方法是沉降。

沉降方法以2种方式试验。首先，通过停止第一单元的充气4-8分钟，并将沉降在第一单元底部的污泥泵送，其次在第一单元内加入小的未充气收集单元。收集单元在顶部打开，从而使得第一单元中的污泥能够进入收集单元，然后沉降到所述收集单元的底部，从这里被泵送。

此外，试验具有污泥循环(a型)的3单元的构造，接着试验不具有污泥循环的1类似单元(bmod型)。此外，在没有污泥循环的情况下试验3单元构造(类似于a型)。在这种构造中，fcs和rcs二者仅在前三个容器中使用，第四容器未参与bm循环。

此外，试验构造(z型)，其中类似于图10的加工单元的6加工单元形成反应器，使得4个第一加工单元形成加工部分zf、z2、z3、zl，而2个后续加工单元形成加工净化器部分za1、za2。在所述z型构造中，使用无需任何污泥增稠方法的fcs，通过使用蠕动泵将zf液体泵送至zl，而与图9和10类似的加工单元具有与加工流体流动逆向将污泥从任何加工单元泵送至前面的加工单元的固有特性。

污泥循环速率(scr)可以针对参与污泥循环的构造中的污泥限定为污泥通过所述循环的所有单元或加工单元并返回到其起初的同一单元或处理单元的平均时间。

研究中使用的scr:s在0.5至5天中变化。

试验的流入物

试验中使用的流入物是合成废水，其设计成模拟正常的城市废水。流入物的cod在300至大于4000mg/l中变化。这使(a)和(b)的f/m比率范围对应于约0.2至5，且(c)对应于约0.1至0.65。此外，其它化合物，例如氮和磷变化，使得c:n:p比率在100:5:0.5至100:20:5中变化。

流入物cod浓度以这种方式变化，使得系统有时间让新流入物沉降10-90小时。(c)的hrt主要显著高于(a)和(b)的hrt，特别是在超过正常测量间隔时，因此(c)的适应期也较长。

由于使用的试验容器的充气限制，未试验超过约4000的流入物cod值。除了受充气限制时以外，(a)和(b)没有显示在高cod下性能的任何限制。

结果

参考反应器按预期进行，且其性能与城市和其它废水处理厂中使用的那些类似。如所预期，在较高流入物cod(>1500mg/l)和流入物cod的大变化下，(c)反应器在不显著增加hrt的情况下不能再达到可接受的流出物性能。

试验的(a)和(b)产生稳定的良好品质流出物，不管流入物cod的大变化和/或水平。

(c)的cod的除去率主要在80-90%左右，取决于流入物。(c)的除去率最初的目标是通过增加(c)的hrt来保持与(a)和(b)的那些相同的范围，但是结果是不可行的，特别是在高流入物cod(>1500)下，因此在高流入物cod下允许(c)的流出物cod明显高于(a)和(b)的那些。

对试验的各种类型和构造的性能评级，使用下式：

方程式中的x可以用作灵敏值，使得较低的x值表示更好的除去速率，因此也表示系统的更好性能。

在试验期间，(c)的值x主要保持在8左右。(a)和(b)的x在所有变化中主要低于2。用优化的fcs和rcs，观察到x低于1。这些结果是从500mg/l或更高的流入物cod值获得的。

还观察到，试验构造(bmod型)，其中本发明的系统(a型)后面是不参与污泥循环的另一个充气单元，不参与污泥循环的加工单元不能改进总流出物质量，但由于它表示总hrt的1/4，这种构造的x值大于正常a型构造约1/3。

还观察到类似于a型构造的构造(但fcs和rcs被完全禁用，因此不具有本发明的污泥循环)性能较差，也不能产生具有足够沉降特性的流出物。因此，本发明还改进在高f/m比率下mlss的沉降特性。

集成在(b)构造中的加工净化器也作为z型系统试验。6小时的总hrt表示整个系统的组合hrt。所获得的x值低于1，通常在0.2至0.8之间，同时将流出物tss降低至约30-200mg/l。根据加工单元的充气部分和在两个充气加工单元之间形成通道的加工单元的未充气部分之间的分隔，在2个加工单元中实现90-99%的tss减小。

因此研究表明，本发明的系统可以将常规as系统性能改进到4倍或更高，且流入物cod值>500，且可以达到高于10的改进因数。此外，在冲击载荷如2:1载荷变化期间动态性能也优异。这种性能改进可以转化为更短的hrt或改进的流出物品质，或这些的组合。

中试系统

在kotka,finland的kymenvesioy的mussalo废水处理厂中进行中试。工厂流入物来自城市和工业来源，使得大约一半的cod来自工业，包括造纸和食品工业。用于该试验的流入物是来自工厂初级沉降器的侧流，从那里废水通常进入工厂的缺氧/需氧加工槽。

在中试期间，试验几种操作模式。试验其中每个生物加工单元包括其自身沉降器的连续流动模式，并将结果与​​具有类似总体积的间歇操作反应器进行比较。

加工构造，见图12，是3生物加工单元系统zf、z2、zl，后面是常规型的后沉降器scu。中试生物反应器br的体积为1.5m³，且分别试验12至2.4小时的停留时间，相应的3至15m³/天的流入物流动。

从次级沉降器到流入物的再循环是在活性污泥厂中实现更高的总氮除去的正常方式，使得再循环可以例如是流入物流动的1至2倍。也试验再循环，但是注意到，试验过程不需要显著的再循环速率来实现非常好的氮减小值，特别是在间歇模式下。

用于试验的接种物污泥取自相同工厂加工，其也进行氮除去。

在冬季期间进行试验时，连续流动试验的加工温度主要在8至12摄氏度之间，而间歇试验的加工温度主要在6至10摄氏度之间。

工厂流入物营养素浓度与正常的城市废水相当，cod、总氮和磷平均浓度分别为约600、60和10，且在初级沉淀之后分别为约450、45和4mg/l，显示对于cod和总氮减少约25%，而对于磷减少50%，也是由于在砂石筛分后加入少量的硫酸铁。bod/cod比率约为0.5。

试验连续模式和间歇模式二者，但试验更多集中在间歇模式，因为实施更简单。间歇系统实施方式在图12中描述。

间歇循环包括三个阶段，总周期时间范围为20至40分钟，但大多数使用约25-30分钟的总周期时间。第一个是沉降阶段，在此期间所有槽中的生物质bm快速形成污泥床，其范围低于流出物管。最佳的沉降阶段约为总周期时间的25%。下一阶段是填充/倾析阶段，在此阶段污泥床稍微膨胀但保持低于流出物管。填充/倾析阶段约是总周期时间的25%。第三阶段是充气阶段，且该阶段的最佳值约为总周期时间的50%。

由于在试验期间总水流wf显著变化，在高停留时间的小流动期间，因此使用延长的沉降时间，且使用在填充/倾析阶段之后的另一个暂停或后沉降。

每个生物加工单元zf、z2和zl在填充/倾析阶段从底部进料，且槽中的污泥床充当上流污泥过滤器。

正向循环系统fcs将生物质从zf泵送到zl。从zl到z2和从z2到zf的所得重力流动在与主液体流动相反的方向上移动生物质，且形成反向循环系统rcs。污泥循环也平衡zf-zl中的生物质的量。

另外，在充气结束时，来自沉降器的少量污泥也移动到zl，由于重力流动，在回流期间的量与充气期间加工单元zf-zl中的空气体积相当。用泵从沉降器中除去过量的污泥。

流出物bod水平为10至3mg/l，停留时间为2.4至12小时。这表示从工厂流入物值中除去总量的约97%至99%，在生物过程中减少95%至98%。

流出物的总氮经2.4至12小时的停留时间在34至11mg/l中变化。这表示从工厂流入物值中除去总量的约42%至82%，在生物过程中减少25%至75%。特别是在间歇模式下，不需要再循环来实现高性能的总氮除去。由于脱硝在所有单元zf-zl中发生，沉降器中的硝酸盐水平已经很低。

间歇模式还使得有机磷除去，且流出物的典型磷含量经2.4至12小时的停留时间在0.46至0.16mg/l中变化。因此，所有停留时间减少超过90%，且在所有停留时间下生物减少超过85%。在试验过程中没有使用化学品添加，但是通过将合适的化学品例如加入到次级沉降中可以进一步降低到所需的限度。

由于高硝酸盐浓度液体不再循环到zf中的流入物，有机磷除去能够以间歇模式进行。因此，zf的沉降阶段使溶解氧do水平下降得非常快，且在短的充气时间期间形成了相对少量的硝酸盐。因此，zf中的条件变成厌氧。需氧-厌氧状态之间的转换非常有利于磷积累生物体pao生长并有效减少磷。与zf相比，进一步的生物加工单元z2和zl具有非常低的挥发性脂肪酸vfa水平，这进一步增强磷吸收并降低了z2和zl中的磷释放。

因此，用本发明的系统可以实现使用磷的生物除去的非常良好的流出物水平。

还证实，在发明的系统中，特别在间歇模式中，有机磷除去可以有效操作，且同时具有高的总氮除去，而不进一步增加到系统或其复杂性。

污泥体积指数svi是活性污泥加工中的重要因素。经试验的系统，特别是以间歇模式操作时，包括多个选择器(微生物的环境条件中的急剧变化)，在厌氧/缺氧或甚至厌氧方面，以及营养素浓度方面。

还证实该系统限制丝状生物体的生长和优选的生物质造粒。形成的颗粒主要直径为约150至300um，最高达500um。短的水力停留时间hrt也导致短的污泥保留时间srt，且颗粒不能变大。

颗粒形成和有限量的丝状生物体能够很好地沉降生物质，svi范围为65至80。这对系统性能非常有利，特别是在间歇模式中。为了与相同的流入物比较，mussalo工厂污泥svi在同一时间段期间约为200至250。

由于试验系统的污泥的非常良好的沉降特性，间歇模式的总周期时间可以降低到20-40分钟，且可以使用至多6kg/m3的mlss水平，且注意到在该试验中的最佳值为约5-5.5kg/m3。沉降阶段可以降低到约5-8分钟。

在沉降阶段中，污泥沉降进入约8-12分钟的压缩阶段。因此，短的沉降时间允许从槽的底部同时填充且在槽的顶部作为溢流倾析。这也形成上流污泥床或膨胀污泥床条件。

良好的沉降污泥将保留在系统中，直到mlss超过约5-6kg/m3，这取决于填充速率，即在填充/倾析阶段期间在槽中的液体的上升速率。当mlss量超过污泥沉降速率的限值时，过量的污泥将自动离开系统到次级净化器，从次级净化器将其除去。

这继而对系统性能是非常有利的，因为相对短的厌氧或缺氧阶段不需要附加的混合以实现微生物和营养素之间的良好接触，且在一个周期期间可以交换大量的槽液体。同时，mlss自动调节到最佳值。

沼气池中试

使用本发明的系统的沼气bg池br的中试由如图13所示串联构造的三个uasb型反应器zl、z2、zl实现。流入物wf是约15摄氏度的温度和约10.000-12.000mg/l的cod的猪粪。

每个生物加工单元zl、z2、zl类似于uasb反应器，在该单元的顶部具有气-液-固分离器，其能够将生物质保留在该单元中。fcs通过将固体从zf的下中部泵送到zl的下中部而形成。进行泵送，以便在泵送期间不给出流入物流动，这使得rcs系统能够通过重力压力将生物质从z2的底部移动到zf，并从zl的底部以大致等于fcs的速率从zl的底部移动到z2。

厌氧加工系统的大多数多步骤构造的典型问题是当第一加工单元中的生物质向生物多样性生长时发生的系统的分阶段，其中水解、产酸和乙酰生成能够由于与产甲烷细菌相比较高的产酸细菌生长速率而产生过量的有机酸，导致ph降低。

本发明的系统防止系统的分阶段，因为生物质在不同的环境中循环。生长较快的物类在合适基质低的环境中花费更长的时间，而生长较慢的物类例如产甲烷细菌的种群不足，在所有加工单元中都会看到高基质浓度，从而产生最大的生长速率。因此，无论系列构造，生物多样性都会在不同阶段的厌氧过程之间达到平衡。

有机磷除去中试

此外，当以间歇模式操作时，有机磷除去在图13的构造中是有效的。大型养猪场中产生的猪粪浆料是良好的肥料，由于氨浓度高，但磷的相对量太高，并限制了作为农场肥料的每土地面积的最大使用量。由于这种限制，浆料的运输导致成本过高。浆料的气味也是有问题的。

这种浆料可以直接地或在厌氧消化后在本发明的系统中处理以实现有机磷和气味的降低二者。在中试系统中，浆料已经以图xxxx的构造加工，其结合有机磷降低和腐殖化二者，这降低了气味。

已经实现了系统的磷降低(在15摄氏度下从约300mg/l降低至约70-90mg/l)和短的水力停留时间。在较短的停留时间下，可以保持磷降低，但腐殖化和因此气味降低变得较不有效。加工后的磷结合到磷积累生物体pao的生物质，形成产生的污泥的一部分。

因此，液体与固体的分离提供了适用于肥料的低磷和减少气味的液体。与使用合适的化学品相比，生物磷除去的具体优点是其环境友好性且甚至完全适用于有机耕作。

废水处理包装厂

旨在针对使用本发明的系统的50-80户的商业市场的废水处理包装厂设计为400人相等pe大小(personequivalentpesize)(mtb-400)。工厂可以例如是玻璃纤维材料，并结合过量的污泥储存、加工和后净化。还包括部分有机磷除去，且使用化学品进一步降低磷，但比常规加工更低的剂量。

包装工厂符满足所有现有的芬兰废水处理规定，且工厂的大小与100pe的常规技术工厂相同，因此结合4:1大小益处，但还具有较高的总氮除去和对冲击载荷的高容忍性。

该系统与图12的中试类似，沉降室也用作放置在系统前面的过量污泥的储存器。沉降室中的粉碎泵可以为系统提供流入物。系统以间歇模式操作。过量的污泥周期性地从沉降器中除去，当包装工厂经延长时间不接收流入物时，也在系统中提供循环。对于高总氮除去，不需要循环，因此较高的水力峰值负载可以长期有效地忍受。