机械生物过滤器
阅读：498发布：2021-04-11
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1.一种水过滤器，包括：
机械过滤器；以及
生物过滤器，布置在所述机械过滤器的下游并且构造为从所述机械过滤器接收机械过滤后的水；
所述机械过滤器包括筛，所述筛构造为接收未过滤水；
所述筛具有孔，所述孔被设定尺寸为防止颗粒通过所述筛进入所述生物过滤器；所述筛上具有至少一个疏散开口，所述疏散开口与引导所述颗粒离开所述机械过滤器的管道进行流体耦合；所述疏散开口朝向所述筛的构造为接收未过滤水的侧开口；
所述生物过滤器包括二氧化碳剥离器和硝化床，硝化床包括允许硝化细菌生长的多个珠，所述多个珠包括膨胀聚苯乙烯和亲水涂层。
2.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述机械过滤器和所述生物过滤器共同定位作为单个模块。
3.如权利要求1或2中任一项所述的水过滤器，其中所述生物过滤器布置在所述机械过滤器的下游并且构造为从所述机械过滤器接收机械过滤后的水，其中所述机械过滤后的水基本上无固体。
4.如权利要求1至2中任一项所述的水过滤器，进一步包括壳体，所述壳体包括：
水入口，其构造为将未过滤水提供给所述机械过滤器；以及
水出口，其构造为允许过滤后水离开所述水过滤器。
5.如权利要求1至2中任一项所述的水过滤器，其中所述机械过滤器包括筛和第一散布元件，所述第一散布元件构造为在所述筛上散布进入的未过滤水。
6.如权利要求5所述的水过滤器，其中所述筛的特征在于50至120微米的孔尺寸。
7.根据权利要求1-2和6中任一项所述的水过滤器，其中所述机械过滤器进一步包括喷嘴，其构造为注入水以从所述筛去除所述颗粒。
8.如权利要求1-2和6中任一项所述的水过滤器，其中所述生物过滤器进一步包括第二散布元件，所述第二散布元件构造为将来自所述机械过滤器的机械过滤后的水散布到所述二氧化碳剥离器中。
9.如权利要求8所述的水过滤器，其中所述生物过滤器进一步包括浮动媒介物床。
10.如权利要求9所述的水过滤器，其中所述硝化细菌形成细菌生物膜。
11.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述多个珠的特征在于具有范围从0.1kg/m3至
1kg/m3的总的体密度。
12.如权利要求11所述的水过滤器，其中所述多个珠的特征在于具有范围从200m2/m3至
5000m2/m3的每单位体积表面积。
13.如权利要求11和12中任一项所述的水过滤器，其中所述多个珠中的每一个的特征在于测得最大尺寸在0.05mm与10mm之间。
14.如权利要求12所述的水过滤器，其中当未被涂覆时，所述多个珠的特征在于是疏水的。
15.如权利要求11或14中的任一项所述的水过滤器，其中所述多个珠中的每一个均包括从由如下构成的组中选出的一种或多种聚合物的基质：聚苯乙烯，及其任何衍生物和共聚物。
16.如权利要求1或14中的任一项所述的水过滤器，其中所述多个珠中的每一个均通过从由如下构成的组中选出的一种或多种材料进行亲水涂覆：聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、海藻酸、聚n-乙烯己内酰胺、聚烯化乙二醇、聚丙烯酸-羟丙基及所述材料的任何共聚物。
17.如权利要求16所述的水过滤器，其中所述材料是聚醋酸乙烯酯。
18.如权利要求1-2、6和17中任一项所述的水过滤器，其中所述多个珠的特征在于是亲水的。
19.如权利要求18所述的水过滤器，其中所述亲水涂覆后的珠是水凝胶。
20.如权利要求1-2、6和19中任一项所述的水过滤器，其特征在于范围从每天每升0.5克的亚硝酸盐到每天每升2.5克的亚硝酸盐的硝化率。
21.如权利要求1-2、6和19中任一项所述的水过滤器，其特征在于范围从每天每升1.5克的亚硝酸盐到每天每升2.5克的亚硝酸盐的硝化率。
22.如权利要求1或14中的任一项所述的水过滤器，其中所述多个珠中的每一个均通过酯、丙烯酸盐和多元醇中的至少一种进行亲水涂覆。
23.用于水过滤的方法，所述方法包括以下步骤，所述步骤顺序地执行：
(a)通过机械过滤器过滤水，所述机械过滤器包括至少一个筛，从而基本上从所述水中去除固体，和至少一个喷嘴，所述筛在所述筛上具有至少一个疏散开口，所述疏散开口朝向所述筛的构造为接收未过滤水的侧开口并且与引导颗粒离开所述机械过滤器的管道进行流体耦合，所述喷嘴位于所述筛的下游并朝向所述筛定向；以及
(b)在生物过滤器中过滤所述水，所述过滤包括：
操作鼓风机从而氧合所述水并且基本上从所述水中去除二氧化碳；以及
允许所述水传递到浮动媒介物床中，所述浮动媒介物床包括附着有硝化细菌的珠，从而基本上从所述水中去除氨成分；以及
从所述至少一个喷嘴注入水并朝向所述疏散开口驱动由所述筛去除的颗粒。
24.如权利要求23所述的方法，其中步骤(a)进一步包括利用散布元件来散布水的步骤。
25.如权利要求23和24中任一项所述的方法，其中步骤(b)进一步包括散布水以形成水滴的步骤，所述散布之后进行所述鼓风。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，硝化率的范围从每天每升0.5克的亚硝酸盐至每天每升2.5克的亚硝酸盐。
27.如权利要求23所述的方法，其中基于传感器的读数而根据累计在所述筛上的颗粒的量和/或其周围物中的至少一个从所述喷嘴注入所述水。
机械生物过滤器
技术领域
背景技术
[0002] 水产业是增长最迅速的食品部门之一，具有据称在8-9百分比的范围中的年增长率。受对鱼的增加的需求刺激，根据一些估计，世界渔业和水产业预计在2021年达到大约172百万吨。该部门的主要挑战包括非法的、未报道的和未规范的(IUU)捕鱼、环境影响、灾害和能源价格。这在发展中国家中尤其是真实的。
[0003] 水生动物将代谢物(主要为二氧化碳、CO2和氨、NH3)和排泄物排泄到水中。随着鱼密度增加，这些排泄物可能变得有毒并且引起病原体增长。氧气需求也随着密度增加。水化学控制的重要性因此随着鱼密度增加。渔业的其它重要方便是淡水消耗和污染物到环境的释放。
[0004] 美国专利号码7,527,730公开了过滤系统，所述过滤系统包括至少一个腔室，所述腔室包含水入口、用于分送水的装置、至少一个制动网格和水出口。制动网格起到给腔室中的过滤介质提供支撑的作用，并且因此阻止腔室中的水窜流。
[0005] PCT公开号WO 2003/032718公开了包括浮霉菌、尤其细菌的过滤和水产系统，所述浮霉菌在有氧条件下将氨转化成氮气，以及公开了使用尤其是浮霉菌的过滤方法。
[0007] 发明概述
[0008] 下面的实施方案及其各方面是结合旨在示范性和示例性而不限制范围的系统、工具和方法来描述和图示的。
[0009] 根据本发明的一些实施方案的一个方面，提供了一种水过滤器，该水过滤器包括机械过滤器、与机械过滤器流体连通的生物过滤器，该生物过滤器包括二氧化碳剥离器和硝化床。
[0011] 根据一些实施方案，生物过滤器布置在所述机械过滤器的下游，构造为从机械过滤器接收机械过滤后的水，机械过滤后的水基本上无固体。
[0012] 根据一些实施方案，水过滤器被构造为用于过滤水的过滤系统，并且包括壳体，该壳体包括：水入口，其构造为将未过滤水提供给机械过滤器；以及水出口，其构造为允许过滤后水离开水过滤器。
[0013] 根据一些实施方案，机械过滤器包括筛以及第一散布元件，所述第一散布元件构造为在筛上散布进入的未过滤水。根据一些实施方案，筛的特征在于范围从近似50微米至近似120微米的孔尺寸。
[0016] 根据一些实施方案，生物过滤器还包括第二散布元件，该第二散布元件构造为将来自机械过滤器的机械过滤后的水散布到二氧化碳剥离器中。
[0017] 根据一些实施方案，生物过滤器还包括浮动媒介物床。根据一些实施方案，浮动媒介物床进一步包括多个珠，所述多个珠构造为允许硝化细菌生长。根据一些实施方案，细菌形成细菌生物膜。
[0018] 根据一些实施方案，多个珠的特征在于具有范围从近似0.1kg/m3至近似1kg/m3的2 3
总的体密度。根据一些实施方案，所述多个珠的特征在于具有范围从大约200m /m 至大约
5000m2/m3的每单位体积表面积。根据一些实施方案，所述多个珠中的特征在于测得最大尺寸在近似0.05mm与近似10mm之间。
总的体密度。根据一些实施方案，所述多个珠的特征在于具有范围从大约200m /m 至大约
5000m2/m3的每单位体积表面积。根据一些实施方案，所述多个珠中的特征在于测得最大尺寸在近似0.05mm与近似10mm之间。
[0019] 根据一些实施方案，所述多个珠的特征在于是疏水的。根据一些实施方案，所述多个珠中的每一个均包括从由如下构成的组中选出的一种或多种聚合物的基质：聚苯乙烯，及其任何衍生物和共聚物。
[0020] 根据一些实施方案，所述多个珠中的每一个均通过从由如下构成的组中选出的一种或多种材料进行亲水涂覆：聚醋酸乙烯酯，聚乙烯吡咯烷酮、酯、海藻酸、丙烯酸盐、聚n-乙烯己内酰胺、多元醇、聚烯化乙二醇、聚丙烯酸-羟丙基及其任何共聚物。根据一些实施方案，
[0021] 所述多个珠的特征在于是亲水的。根据一些实施方案，所述亲水涂覆后的珠是水凝胶。
[0022] 根据一些实施方案，如本文所公开的水过滤器的特征在于范围从每天每升近似0.5克的亚硝酸盐到每天每升近似2.5克的亚硝酸盐的硝化率。根据一些实施方案，如果珠经过亲水涂覆，水过滤器的特征在于范围从每天每升近似1.5克的亚硝酸盐到每天每升近似2.5克的亚硝酸盐的硝化率。
[0023] 根据本发明的一些实施方案的方面，提供一种水过滤方法，该方法包括以下步骤，所述步骤顺序地执行：(a)通过机械过滤器过滤水，所述机械过滤器包括至少一个筛，从而基本上从所述水中去除固体；以及(b)在生物过滤器中过滤所述水，所述过滤包括：
[0025] 根据一些实施方案，步骤(a)进一步包括利用散布元件来散布水的步骤。根据一些实施方案，步骤(b)进一步包括散布水以形成水滴的步骤，所述散布之后进行鼓风。
[0026] 根据一些实施方案，所述方法的特征在于，硝化率的范围从每天每升近似0.5克的亚硝酸盐至每天每升近似2.5克的亚硝酸盐。
[0027] 除了上述的示范性的方面和实施方案之外，通过参考附图以及通过研究下面的发明详述，进一步的方面和实施方案将变得明显。
附图说明
[0028] 在所参考的图中图示出示范性的实施方案。图中所示的组件和特征的尺寸一般是为了方便和清晰呈现而选，不一定是按比例绘制。图列于下面。
[0029] 图1示出了示范性的过滤系统的立体图；
[0030] 图2A，2B，2C，2D和2E示出了示范性的过滤系统的不同构造的框图；
[0031] 图3A和3B示出了演示具有PVAc涂层的膨胀聚苯乙烯(EPS)珠的光学显微图像。图3A呈现了未涂覆EPS(白色球体)相对于涂覆珠(X40放大率)的参考图像。图3B呈现了显示出利用尖锐刀具切割涂覆后的EPS珠的图像，显现出附着到内EPS层的表皮层涂层，表皮层具有大约10微米至50微米的厚度(X200放大率)。
[0032] 图4是条形图，示出了使用以70％聚醋酸乙烯酯(PVAc)和30％聚乙烯吡咯烷酮(PVP)涂覆的EPS珠的反应器的四次试验测试硝化率的结果(每天每升以克计的亚硝酸盐)；
以及
以及
[0033] 图5是示出与在工业中使用的常规基质的硝化率相比而言使用以70％聚醋酸乙烯酯(PVAc)和30％聚乙烯吡咯烷酮(PVP)涂覆的EPS珠的反应器的四次试验测试硝化率的平均结果(每天每升以克计的亚硝酸盐)的条形图。
[0034] 发明详述
[0036] 本文提供的类型的过滤系统可以包括具有各种水处理功能的单元。要包含的处理功能的选择可基于待处理水的具体属性和品质，基于过滤水的预期性质，基于规范要求以及许多其他因素而做出。如将理解的，本文提供的系统不限于水过滤单元的某种组合。
[0037] 在本发明的过滤系统的一些实施方案中，过滤系统可以包括：机械过滤器，其构造为用于过滤比预定尺寸大的颗粒；以及生物过滤器，其构造为用于水氧合以及氨的硝化。生物过滤器可以与机械过滤器流体连通。任选地，生物过滤器布置在机械过滤器的下游，使得到达生物过滤器的水基本上无固体。
[0038] 机械过滤器可以尤其有益于与鱼缸和/或鱼池一起使用，其中固体必须例行地从培养水中去除以防止病原体生长以及在厌氧区中的硫化物形成。
[0039] 反过来，生物过滤器也可有益于鱼缸/鱼池环境，其中二氧化碳和氨的去除对于防止它们的水平达到危险浓度是重要的。
[0040] 流入的未经过滤水会通过水入口到达机械过滤器。机械过滤器可以包括水散布器，该水散布器构造为将水散布在筛上，筛具有例如大约50微米至100微米的孔尺寸。筛可以从通过其的水中去除一些颗粒，常见的是排泄物。筛做阻挡的颗粒可以积聚在其顶面上。为丢弃这些颗粒，可通过流入的水朝向排出口在筛上移动来驱动这些颗粒，任选地排出口位于筛的中部。另外地或者可选地，积聚的颗粒可利用一个或多个喷嘴从筛底部注入的水而被驱向排出口，穿过筛的孔并且将颗粒从孔推向排出口。
[0041] 生物过滤器可以包括水散布器、鼓风机和具有大的表面积的高度漂浮的微珠的浮动媒介物床，适合于硝化细菌生长以及维持。流入的水可以散布在媒介物床的顶部，形成水滴。鼓风机可以从过滤器外驱送空气而撞到水滴上，在通称为CO2剥离的过程中使水中富含氧气并且去除二氧化碳。在剥离后，水可以向下滴流而通过媒介物，允许通过细菌生长进行水硝化。水随后可通过水出口被引出生物过滤器。任选地，第二更精细的筛可定位在生物过滤器的下游。
[0042] 如下文进一步论述的，氨去除可以通过细菌硝化来实现。硝化是需氧两步过程，其中氨首先经过氧化成为亚硝酸盐(NO2-)，然后亚硝酸盐被氧化成硝酸盐(NO3-)。硝化是通过特征在于相对低生长率的自养细菌来实施的。因此，为了建立大的细菌群体以及相应高的氨氧化率，一些固体材料被作为“固定膜”供给以支持细菌生长。这种支持床的较高的表面积将使能实现较高的反应率。在一些实施方案中，生物过滤器是如下过滤器的有益改变：该过滤器由Michael B.Timmons，John L.Holder和James M.Ebeling提出，“Application of microbead biological filters(微珠生物过滤器的应用)”，Aquacultural Engineering 34(2006)332-343，该文献通过引用方式合并于文本中。
[0043] 过滤系统可以是移动的并且可以安装到多种不同的构造和位置处。过滤系统任选地划分成两个单独的单元：(1)机械过滤器；以及(2)生物过滤器。这两个单元可封装在共同的壳体内或者在单独的壳体内。每个单元可被放置在相对于彼此不同的位置处以及相对于水源和目的地的不同位置处。根据两个单元相对于彼此的相对空间平面以及关于水源和目的地的相对空间平面，通过一个或多个泵和/或重力作用，水可被运输到系统，通过系统运输，以及从系统运输来。在一种构造中，机械过滤器可以放置在水源的水位下方，并且生物过滤器可以放置在水源的水平上方。在另一构造中，机械过滤器可放置在生物过滤器的上方，并且两个可以放置在水源的水位的上方。在另外的构造中，两个单元可彼此平行地放置。
[0044] 在一些实施例中，过滤系统构造成使得机械过滤器和生物过滤器基本上共同定位作为单个模块。
[0045] 现在参考图1，该图示出了示范性的过滤系统100的立体图，其中机械过滤器和生物过滤器容纳在一起。
[0046] 过滤系统100可具有壳体101。壳体101可以完全地封装过滤系统100的元件并且可由刚性的耐用材料制成，诸如铝，不锈钢，硬质聚合物和/或类似物。壳体101可以完全地或者部分地封装过滤系统100的元件。壳体101可以具有圆柱形、圆锥形、矩形或任何其他适合的形状。壳体101可以防止不期望的外来元件进入过滤系统100。
[0047] 过滤系统100可以具有水入口102。水入口102可包括各种形状和尺寸的管道，该管道连接到、附接到过滤系统100，或者与过滤系统100一体地形成。水入口102可允许未经过滤的水从鱼缸/鱼池进入过滤系统100。
[0048] 过滤系统100可进一步包括机械过滤器104。机械过滤器104可包括散布元件(也称为“水散布器”)105，诸如喷洒式散布器，满溢式带孔板和/或类似物。散布元件105可以连接到壳体101，附接到壳体101或者与壳体101一体形成。
[0049] 散布元件105可以将进入的未经过滤水散布在筛106上。筛106可以是锥形的、带孔板，其具有在30微米至120微米之间的孔尺寸。在一些实施方案中，孔尺寸在40微米至110微米之间，50微米至100微米之间，或者60微米至90微米之间。筛106可定位在壳体101内，其锥形部分指向上方。不是顶点，带孔板可以包括在其中央的圆形开口110，如下文论述的。如果壳体101是圆柱形的，则筛106可以涵盖壳体的整个内径。筛106可以从流经它的水中去除比其孔的尺寸大的颗粒。
[0050] 机械过滤器104可进一步包括一个或多个喷嘴108。喷嘴108可以是流体射流式喷嘴、层流射流式喷嘴、聚敛式喷嘴、发散式喷嘴、聚敛-发散式喷嘴、喷洒式喷嘴或类似物。喷嘴108可以定位在筛106的邻近处的下游。喷嘴108可以朝向开口110注入可驱动由筛106去除的颗粒的水。喷嘴108可以自动地操作。喷嘴108可以在设定时间和/或间隔地注入水。喷嘴108可以基于传感器(未示出)的读数而根据累积在筛106上的颗粒的量和/或其周围物来注入水。喷嘴108可以恒定的压力和/或量来注入水。喷嘴108可以变化的压力和/或量来注入水。
[0051] 开口110可位于筛106的中央。开口110可以具有各种尺寸和形状。开口110可以允许已经通过筛106从水中去除的颗粒离开机械过滤器104。管道112可以邻近开口110或者邻接开口110。管道112可以是漏斗。管道112可以连接到筛106，附接到筛106，或者与筛106一体形成。管道112可以引导颗粒离开开口110，脱离过滤系统100。
[0052] 过滤系统100可进一步包括生物过滤器120。生物过滤器120可包括氧合区域126，其构造为将来自机械过滤器104的水氧合，从这些水中去除至少例如30％的CO2，40％的CO2，50％的CO2，60％的CO2，70％的CO2，80％的CO2，90％的CO2或者基本上全部的CO2。氧合区域126还可以称为CO2剥离器。虽然氧合区域126显示为生物过滤器120的部分，但是其同样可定位在过滤系统100的任何其他地方。氧合区域126可包括空气入口116和空气出口114。空气入口116可以包括构造为从过滤系统100外抽吸环境空气的鼓风机。
[0053] 在当前的背景下，“二氧化碳”意在还包括除了CO2之外的全部具有无机碳的品类，包括但不限于碳酸(H2CO3)、碳酸氢盐离子(HCO3-)和碳酸盐离子(CO3-2)。
[0054] CO2剥离工艺可通过本领域已知的任何系统来执行，或者通过在本文公开的任何系统来执行。
[0055] 适合所公开的水过滤器的CO2剥离工艺可进一步包括但不限于，表面曝气器或扩散式曝气器。
[0057] 术语“扩散式曝气器”是指将气流提供给多孔散布器的鼓风机或压缩机，多孔散布器通过水柱来输送气泡。
[0058] 生物过滤器120可以包括附加的散布元件118，其构造为在氧合区域126内形成水滴。然后，来自鼓风机的空气可以氧合水滴。空气可通过空气出口114流出过滤系统100。该流出的空气可以包括已从水滴移除的浓度增加的CO2。
[0059] 生物过滤器120可包括位于散布元件118下面的浮动媒介物床122。散布元件118可以将水散布在浮动媒介物床122上。水可以细流通过浮动媒介物床122。
[0060] 浮动媒介物床可以为如下面的示例的部分所演示的反应器的形式，如图4的方案中进一步图示的。
[0061] “浮动媒介物床”意思表示处于任何粒状形式的多个颗粒形式的一定量的低浓度的松散物质，包括但不限于，精细圆珠，无定形结构和/或粒状媒介物小丸，包括任何形式的粉末，物质位于水面上或附近。
[0062] 在一些实施方案中，浮动媒介物床122可以包括微珠，任选地是有浮力的。在一些实施方案中，微珠包括膨胀聚合物。如本文所使用的“膨胀聚合物”是指可膨胀聚合微球体，注入通过包括但不限于加热的过程，旨在减小微球体密度。在一些实施方案中，膨胀聚合物的空气的量(v/v％)为总量的例如至少40％，至少50％，至少60％，至少70％，至少80％，至少90％，至少95％，和至少99％，包括在它们之间的任意值。
[0063] 在一些实施方案中，聚合物是聚苯乙烯。在一些实施方案中，膨胀聚苯乙烯(EPS)是通过加热包括膨胀剂的PS树脂而获得的。示范性的膨胀剂包括但不限于戊烷(C5H12)和丁烷(C4H10)。在示例性的实施方案中，ESP包含98％体积的空气以及仅大约2％体积的PS树脂。在本发明的一些实施方案中，膨胀聚合物是泡沫结构的形式。
[0064] 如本文以及本领域使用的，术语“泡沫”或“泡沫结构”在本文中可互换使用，是指具有网状截面构造且柔软的三维多孔材料。
[0065] 在一些实施方案中，微珠是疏水的。
[0066] 如本文以及本领域使用的，术语“疏水的”或其任何语法的变体是指水排斥性质。典型地，疏水聚合物在100％的相对湿度(RH)下吸收达到1wt.％的水，而适度亲水聚合物吸收1-10％wt.％的水。
[0067] 在一些实施方案中，微珠可以被涂覆。在一些实施方案中，微珠可被改良，例如涂覆，从而赋予其亲水性质，也在本文中通篇称为“亲水性”。如本文以及本领域所使用的，亲水性定义为润湿水的能力。典型地，亲水性的特征在于芯吸的物理现象，如按芯吸率测得的。进一步，典型地，亲水性的特征在于吸收多于10wt.％的水。
[0069] 在一些实施方案中，EPS表面是疏水的。在一些实施方案中，疏水EPS表面通过水膨胀与不可溶聚合物(WSIP)涂层进行改良，从而将亲水特性赋予EPS表面。“水膨胀聚合物”意思是，在浸入水中时，聚合物吸收多于20％的水。术语“WSIP涂层”、“亲水涂层”和“亲水表皮”和“表皮层”在本文通篇可互换使用。
[0070] 如下文所使用的，“WSIP组成物”是指微珠被涂覆有WSIP，或者附着到WSIP上。在示例性的实施方案中，WSIP组成物是通过将WSIP喷洒到EPS珠上来制备的。在一些实施方案中，WSIP组成物是通过将WSIP溶液与珠混合来制备的，从而将珠的表面涂覆上WSIP。在一些实施方案中，WSIP组成物是利用将珠粘合到WSIP的粘合剂来制备的。
[0071] 在一些实施方案中，水膨胀聚合物在浸入水中时吸收多于例如25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，70％的水，包括在它们之间的任意值。
[0072] 示例性的WSIP包括但不限于聚酯、海藻酸、聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸酯，聚N-乙烯己内酰胺、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸、羟基丙基纤维素及其任何共聚物和/或组合物。
[0073] WSIP被选择从而提供相对于水环境所期望的附着特性。
[0074] “附着”意思是指水分子与WSIP共价地或者非共价地键合。“共价地”意思是指聚合物的原子与水分子的原子之间通过共享至少一对电子而形成的键合。“非共价地”意思是指包括除了共价键合之外的全部相互作用的键合。非共价键合包括但不限于离子作用，氢键合，π-π键合、疏水作用和范德瓦尔斯作用。
[0075] 与EPS形成氢或静电键合示范性的WSIP包括但不限于，亲水聚合物，诸如但不限于多元醇、聚亚烷基二醇和羧基终止聚亚烷基二醇。
[0076] 在一些实施方案中，WSIP组成物在与水接触之前是发粘的。在一些实施方案中，WSIP组成物在与水接触之前是非发粘的。如本文以及本领域所使用的，术语“发粘”是指与触摸(例如，与潮湿表面)保持粘滞感或略微粘滞感的材料。值得注意的是，通常在与水接触之前发粘的组成物会随着组成物吸收湿气而逐渐丧失粘性。
[0077] 示范性的发粘的WSIP包括但不限于纤维素酯或聚N-内酰胺。
[0078] 示范性的非发粘WSIP包括但不限于PVAc和丙烯酸盐共聚物。值得注意的是，通常在与水接触之前非发粘的组成物会在与潮湿条件接触时逐渐变得发粘。
[0079] 在一些实施方案中，WSIP组成物是水凝胶。如本文以及本领域所使用的，术语“水凝胶”是指典型地包含多于80％的含水介质(例如，水或含水溶液)和20％以下的聚合材料的交联亲水聚合网的三维网。
[0080] 在一些实施方案中，水凝胶包含了多于90％的含水介质(例如，水或含水溶液)，以及甚至多于95％或者大约99％的含水介质(例如，水或含水溶液)，以及小于10％的聚合材料，或者甚至少于5％的聚合材料，例如大约1％的聚合材料。“％”在本文意指重量百分比。典型地，水凝胶可以是可逆干燥和润湿的。
[0081] 形成水凝胶的示例性的非发粘的WSIP包括但不限于丙烯酸和丙烯酸酯共聚物。典型地，用丙烯酸/丙烯酸酯WSIP制备的水凝胶基本上在与水接触之前是非发粘的，但是在潮湿条件下变得发粘。
[0082] 图3A示出了未涂覆EPS(是白色球体)相比于涂有PVAc的珠的参考图像(X40放大率)。
[0083] 图3B示出了显示利用尖锐刀具切割的用PVAc涂覆的EPS珠的图像，显现出附着到内EPS层上的表皮层涂层，表皮层具有大约10微米至50微米的厚度(X200放大率)。
[0084] 在本发明的一些实施方案中，涂层具有例如如下厚度：大约5μm，大约10μm、大约15μm、大约20μm，大约25μm，大约30μm，大约35μm，大约40μm，大约45μm，大约50μm，大约55μm，大约60μm，大约65μm，大约70μm，大约75μm，大约80μm，大约85μm，大约90μm，大约95μm，大约100μm，大约120μm，大约130μm，大约140μm，大约150μm，大约160μm，大约170μm，大约180μm，大约190μm，大约200μm，包括在它们之间的任意值。
[0085] 浮动媒介物床122可包括构造为允许硝化细菌生长的微珠。
[0086] 如本文所使用的，术语“硝化的”、“硝化”及其任何语法变体是指需氧两步工艺，但不受任何特定理论约束，其中氨首先氧化成亚硝酸盐(NO2-)，如下式所示：
[0087] 55NH4++5CO2+76O2→C5H7NO2+54NO2-+52H2O+109H+
[0088] 并且然后，亚硝酸盐氧化成硝酸盐(NO3-)，通过如下式所示的自养硝化细菌来实施：
[0089] 400NO2-+5CO2+NH4++195O2+2H2O→C5H7NO2+400NO3-+H+
[0090] 总的氧化还原反应，可写为下式：
[0091] NH4++2O2→NO3-+2H++H2O
[0092] 典型地，通过细菌实施的硝化步骤的特征在于相对低的生长率。因此，为了建立较大的细菌群体以及因此较高的氨氧化率(在本文中也称为“硝化率”)，固体材料被作为“固定膜”供给以支持细菌生长。每个支持床的较高的表面积将使能具有较高的反应率。
[0093] 示例性的硝化细菌包括但不限于氰细菌、互惠细菌及其任何组合物。
[0094] 在本发明的一些实施方案中，细菌附着到珠的表面导致形成了细菌细胞的固着共同体。该微生物的固着共同体，本文也称为“生物膜”或“细菌膜”，附着到界面上，或者彼此附着，以及嵌入到胞外聚合基质中。
[0095] 因此，在该上下文中本文所使用的术语“生物膜”或“膜”是指彼此粘滞和/或基本上固定到表面上作为群体的活的细胞的聚合体。在一些实施方案中，细胞频繁地嵌入在胞外聚合物质(EPS)的自分泌基质内，也称为“粘液”，其是核酸、蛋白质和多糖类的聚合粘滞混合物。
[0096] 在本发明的一些实施方案中，硝化率的范围从每天每升大约0.5克的亚硝酸盐到每天每升大约2.5克的亚硝酸盐。在一些实施方案中，硝化率为大约例如每天每升0.5克的亚硝酸盐，每天每升1克的亚硝酸盐，每天每升1.5克的亚硝酸盐，每天每升2克的亚硝酸盐，每天每升2.5克的亚硝酸盐，包括它们之间的任意值。
[0097] 如在下面的实施例部分所演示的，以及如图4和图5中进一步演示的，当使用涂有例如PVAc+PVP的亲水涂层的膨胀聚苯乙烯(ESP)时，硝化率为大约每天每升2.5克的亚硝酸盐。
[0098] 浮动媒介物床122可以包括微珠，微珠的直径为约0.1mm至约5mm。在一些实施方案中，微珠为大约例如0.1mm，0.5mm，1mm，1.5mm，2mm，2.5mm，3mm，3.5mm，4mm，4.5mm，4.7mm，5mm，包括它们之间的任意值。如本文所使用的，“直径”是指在所述珠中的任一个中的最大尺寸。
[0099] 浮动媒介物床122可以包括具有约0.1至20kg/m3的总的体密度的微珠。在一些实施方案中，总的体密度是例如大约0.1kg/m3，0.2kg/m3，0.3kg/m3，0.4kg/m3，0.5kg/m3，0.6kg/m3，0.7kg/m3，0.8kg/m3，0.9kg/m3，1kg/m3，5kg/m3，12kg/m3，13kg/m3，14kg/m3，15kg/m3，16kg/m3，17kg/m3，18kg/m3，19kg/m3，20kg/m3，包括它们之间的任意值。总的体密度是通过将珠的总重量除以它们的体积来计算的。
[0100] 浮动媒介物床122可以包括具有约25至50百分比孔隙度的微珠。在一些实施方案中，微珠具有大约例如25％，30％，35％，40％，45％，50％的孔隙度，包括它们之间的任意值。
[0101] 浮动媒介物床122可包括珠每单位体积的表面积为大约250至4750m2/m3的微珠。在一些实施方案中，微珠具有例如大约250m2/m3，750m2/m3，1250m2/m3，1750m2/m3，2250m2/m3，2750m2/m3，3250m2/m3，3750m2/m3，4250m2/m3，4750m2/m3的珠每单位体积的表面积，包括它们之间的任意值。
[0102] 任选地，过滤系统100可以包括在生物过滤器120下游的细筛(未示出)。细筛可以是孔尺寸为大约10至60微米的带孔板。在一些实施方案中，孔尺寸是大约例如10微米，15微米，10微米，15微米，20微米，25微米，30微米，35微米，40微米，45微米，50微米，55微米，60微米，包括它们之间的任意值。
[0103] 涓流通过浮动媒介物床122的水可以流经细筛。细筛可以从流经它的水中去除比其孔尺寸大的颗粒。
[0104] 过滤系统100可以具有水出口128。水出口128可以是管道。水出口128可以是壳体101中的各种形状和尺寸的开口。水出口128可以构造为虹吸管。水出口128可允许过滤后的水离开过滤系统100。水出口128可以定位在生物过滤器120的下游。
[0105] 根据本发明的一些实施方案的方面，提供一种用于水过滤的方法，使用本文所描述的任何的水过滤器。
[0106] 在一些实施方案中，该方法包括：通过如本文所描绘的机械过滤器来过滤水，此后在如本文所述的生物过滤器中过滤所述水。在一些实施方案中，通过机械过滤器过滤水被执行从而基本上从未经过滤的水中去除固体。
[0107] 在一些实施方案中，在生物过滤器中过滤水被执行以基本上从水中去除二氧化碳。在一些实施方案中，进一步允许水进入构成生物过滤器的至少部分的浮动媒介物床，以便从水中基本上去除氨成分。
[0108] 现在参考图2A，2B，2C，2D和2E，这些图示出了过滤系统100的不同构造的框图。机械过滤器104可连接到生物过滤器120，附接到生物过滤器120或者与生物过滤器120一体形成。机械过滤器104可以是独立的，从过滤系统100的其他部件上拆除。生物过滤器120可是独立的，从过滤系统100的其他部件上拆除。
[0109] 参考图2A，机械过滤器104可以定位在生物过滤器120的上方。机械过滤器104可以定位在生物过滤器120的正上方。水可以通过泵和/或重力从机械过滤器传输到达生物过滤器120。
[0110] 参考图2B，机械过滤器104可以与生物过滤器120平行地定位。机械过滤器104可以与生物过滤器120正平行地定位。水可以通过泵和/或重力从机械过滤器传输到达生物过滤器120。
[0111] 管道130可以连接到机械过滤器104，附接到机械过滤器104或者与机械过滤器104一体地形成。管道130可以连接到生物过滤器120，附接到生物过滤器120或者与生物过滤器120一体地形成。
[0112] 参考图2C，机械过滤器104可定位在与生物过滤器120相同的空间平面上。水可以从机械过滤器104流经管道130。水可以通过管道130流到生物过滤器120。水可以通过泵和/或重力从机械过滤器104运送到管道130。水可以通过泵和/或重力从管道130运送到生物过滤器120。
[0113] 参考图2D，机械过滤器104可以定位在生物过滤器120的空间平面上方的空间平面中。水可以从机械过滤器104流动通过管道130。水可以通过管道130流到生物过滤器120。水可以通过泵和/或重力从机械过滤器104运送到管道130。水可以通过泵和/或重力从管道130运送到生物过滤器120。
[0114] 参考图2E，机械过滤器104可以定位在生物过滤器120的空间平面下方的空间平面中。水可以从机械过滤器104流动通过管道130。水可以通过管道130流到生物过滤器120。水可以通过泵从机械过滤器104运送到管道130。水可以通过泵从管道130运送到生物过滤器120。
[0115] 一般地：
[0116] 如本文所使用的，术语“近似”和“大约”在本文中可互换使用，是指±10％。
[0117] 术语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”、“具有”及其它们的词形变化意指“包含但不限于”。
[0118] 术语“由..构成”意指“包含且限于”。
[0119] 术语“主要由..构成”意指组成物、方法或结构可以包括额外的成分、步骤和/或零件，但是仅当附加的成分，步骤和/或零件不实质上改变所声称的组成物、方法或结构的基本且新颖的特征时。
[0120] 术语“示范性的”在本文用来表示“充当实施例，实例或示例”。描述为“示范性的”的任何实施方案不一定解释为相对于其他实施方案为优选的或有益的，和/或排除合并来自其他实施方案的特征。
[0121] 术语“任选地“在本文用来表示”提供在一些实施方案中，而不提供在其他实施方案中”。本发明的任何特定的实施方案可以包括多个“任选的“特征，除非这些特征冲突。
[0122] 如本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文明确规定。例如，术语“一个化合物”或“至少一个化合物”可包括多个化合物，包含它们的混合物。
[0123] 在本申请通篇，本发明的各个实施方案可以一系列形式来呈现。应当理解，范围格式的描述仅为了方便和简要，不应解释为对本发明范围的不灵活的限制。因此，范围的描述应当视为具有具体公开的全部可能的子范围以及在该范围内的单个数值。例如，范围的描述，例如从1到6，应当视为具有具体公开的子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6，等等，以及在该范围内的单个数，例如，1，2，3，4，5和6。无论范围的宽度如何，都适用。
[0124] 每当在本文指示数值范围时，意思是包含在所指示范围内的任何所述的数字(分数或整数)。短语“在第一指示数字和第二指示数字之间取范围/的范围”以及“从第一指示数字至第二指示数字取范围/的范围”在本文中可互换使用，意思包含了第一指示数字和第二指示数字以及在它们之间的全部的分数数字和整数数字。
[0125] 如本文所使用的，术语“方法”是指用于实现既定任务的方式、手段、技术和工序，包括但不限于化学、药物、生物、生化和医疗领域的从业人员所熟知的那些方式、手段、技术和程序以及化学、药物、生物、生化和医疗领域的从业人员容易根据已知的方式、手段、技术和工序开发的那些方式、手段、技术和工序。
[0126] 如本文所使用的，术语“处理”包括了废除、基本上抑制，放缓或逆向病症的进展，基本上减轻病症的临床或美学症状，或者基本上防止病症的临床或美学症状的出现。
[0127] 另外，在本申请与任何通过引用方式并入本文的文献不一致的情况下，以本申请的内容为准。
[0128] 应当理解的是，本发明的一些特征，为简要起见，它们在单独的实施方案的背景下进行了描述，也可以在单个实施方案中组合地提供。相反，本发明的各个特征，为简要在单个实施方案的上下文中进行了描述，还可以单独地提供或者以任何适合的子组合来提供，或者适当地在任何其他所述的本发明实施方案中提供。在各个实施方案的背景下描述的某些特征不视为这些实施方案的主要特征，除非实施方案在没有这些要素的情况下无法实现。
[0130] 现在参考下面的实施例，这些实施例与上面的说明一起以非限制的方式图示说明本发明。
[0131] 实施例1
[0132] 具有亲水涂层的微珠的样本制备
[0133] 材料：
[0134] 核心-膨胀聚苯乙烯：具有45kg/m3密度以及1.4-1.6mm直径的EPS
[0135] 亲水涂层(“表皮”)：聚醋酸乙烯酯/聚乙烯吡咯烷酮(Kollidon SR，BASF，W.Rosenstein)
[0136] 所选的工艺包括以下步骤：
[0137] 步骤A：基于聚醋酸乙烯酯(PVAc)的混合和溶解来制备亲水涂层组成物。
[0138] 步骤B：将PVAc组成物施加到EPS颗粒的表面上。
[0139] 步骤C：涂覆的EPS珠的干燥以及分离成单个的颗粒。
[0140] 步骤A：基于PVAc的混合和溶解制备亲水涂层组成物：
[0141] 在示范性的工序中，亲水涂层是PVAc。PVAc溶液是通过将3-10wt％的PVAc溶解到如乙醇、酯类、芳香剂和卤化烃的溶剂中来制备的。优选的是选择具有相对高的挥发性和低毒性的溶剂。在该方面，乙醇是优选的。PVAc的浓度是考虑到与EPS颗粒的表面的附着性、可加工性以及处置性来确定的。可以添加塑化剂、着色剂、表面活性剂，硅石。
[0142] 在示例性的工序中，30克的聚醋酸乙烯酯树脂被均匀地溶解在465克的甲醇中以制备0.5kg的PVAc溶液。5克的炭黑(Mogul L)添加到聚合物溶液中，搅拌一个小时来制备1kg的黑色溶液来控制表面涂覆。所得到的混合物(下文称为“溶液A1”)均匀地扩散。
[0143] 在附加的示例性的工序中，亲水涂层是70％的PVAc和30％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。在示例性的工序中，通过均匀的溶解30克的Collidon SR在470克的甲醇中制备溶液(下文称为“溶液A2”).红色着色剂可任选地进一步添加。
[0144] 步骤B：将PVAc组成物施加到EPS颗粒的表面上：
[0145] 包含功能添加剂的“溶液A”被通过喷洒之后是分离和干燥而均匀地施加到EPS的表面上。
[0146] 为了分离，不同于用于制备PVAc溶液的溶剂的液体或粉末被使用。适合的表面防粘剂的例子包括水、乙二醇和丙三醇，以及硅油。固体表面防粘剂可以是例如硅石，或者硅酸盐。表面防粘剂使用的量为PVAc的5-20％。
[0147] 在添加了表面防粘剂之后，在搅拌混合物的同时干燥混合物以将涂覆后的EPS分离成单个的颗粒。在热空气中100℃以下实施干燥，同时搅拌。为了更好的可加工性，真空干燥与加热的组合是最有效的。
[0148] 在示例性的工序中，15克(0.33L)的EPS颗粒被装填到5升的平底混合器中，并且如上文的示例性工序中描述的50克的PVAc溶液接着添加到EPS中，同时以20rpm搅拌一分钟以便均匀涂覆EPS颗粒。
[0149] 在附加的示例性工序中，在ESP珠上的涂覆是通过喷洒到收容了1L的EPS(30克)以及50mL的“溶液A2”平底器皿中一分钟以使均匀地涂覆ESP来执行的。
[0150] 步骤C：涂覆后的EPS珠干燥和分离成单个的颗粒：
[0151] 在示例性的工序中(下文称为“步骤C1”)，搅拌持续约10秒钟，同时利用干发器风扇将热空气施加到平底混合器中。然后，10克的水被喷洒，同时搅拌以允许涂覆后的EPS分离成单个的颗粒。分离的颗粒在搅拌的同时被干燥达3分钟以获得干燥的颗粒(下文称为“产物C1”)。
[0152] 在附加的示例性的工序中，搅拌持续大约30秒钟，同时施加60℃的热空气。分离后的颗粒被干燥，搅拌3分钟以产生PVAc+PVP涂覆后的ESP(下文称为“产物C2”)。
[0153] 实施例2
[0154] 具有亲水涂层的微珠的特征
[0155] 基于PVAc的亲水EPS(“产物C1”)的特征如下：
[0156] 在1cm3内的EPS珠的量是200-210；珠的平均直径是0.16cm；1个珠的平均表面是0.08cm2；1cm3珠的平均表面是16cm2；15cm3珠达到240cm2；PVAc溶液的50克固体的量是3克；
2 2
表面的平均涂层是10mg/cm(或者100mg/dm)；以及涂层的平均厚度是大约20微米。
2 2
表面的平均涂层是10mg/cm(或者100mg/dm)；以及涂层的平均厚度是大约20微米。
[0157] 基于PVAc/PVP的亲水EPS(“产物C2”)具有0.05mg/cm2的涂层，具有精细亲水性质。
[0158] 亲水性测试：
[0159] 溶液A浇到PS培养皿上且干燥。表皮层均匀附着到PS上被观察到。水滴润湿处理后的PS的表面。
[0160] 表皮-核结构：
[0161] 为了观察涂覆后的PS的表皮-核结构，在步骤C1产生的颗粒被选择。为了遵从涂覆工艺，颜料添加到涂覆溶液中。X40放大率的光学显微镜提供在图3a中，从该图中能够观察到，EPS颗粒是球形颗粒，并且完全涂覆了表皮层(非均质)。参考是未涂层的白色球体。
[0162] 为了估计涂层厚度，所选的涂层EPS珠是利用尖锐刀具切割的，并且在较高放大率下分析(图3b；X200)。表皮层完全附着到具有10-50微米厚度的内EPS层上。根据计算，平均厚度是大约20微米。
[0163] 实施例3
[0164] 亲水EPS的氧化率
[0165] 处理后的基质(即，产物C2)被输送且放置到实验室的反应器中。为了理解新基质的生物和化学影响，反应器被构建为小规模原型，根据的是以下特性：
[0166] 直径：110mm；
[0167] 高度：30cm；
[0168] 媒介物体的量：2.25L；
[0169] 水量：100L；
[0170] 流速(从容器到反应器)：3L/m(0.18m3/hr)。
[0171] 预处理：
[0172] 反应器收容了100L的水以及2升的处理后的基质。细菌膜以大约20至大约60克的NH4Cl(即，大约5至大约15克的N)以及60-180克的碳酸氢钙(HCaCO3)来进行培养。水以0.18m3/hr的流速从容器循环到反应器中，并且利用弥散石饱和空气。当细菌膜稳定时，进行多个24小时的试验，以便检查反应器中氨和亚硝酸盐的氧化。
[0173] 同时，收容了不同量的未经处理的基质的四个中规模的反应器在每天的基础上维护，添加150克的NH4Cl以及300克的HCaCO3到采集容器中。
[0174] 设计试验以在处理后的基质的氨氧化率与未经处理的基质的控制之间进行比较。处理后的基质具有大的表面积4100m2/m3，用于处理硝化细菌。实验进行，原型生物反应器具有最优的条件来便于氨和亚硝酸盐氧化细菌的生长。
[0175] 实验目标和参数：
[0176] 试验能够：
[0177] 确定最佳的操作工序；
[0178] 在处理后的基质的效率与未经处理的基质的效率之间进行比较；以及
[0179] 确定最大氨氧化率(N-(gr)/[基质(L)×天]。
[0180] 下面的公式用来计算氨氧化容量：
[0181]
[0182] 其中：
[0183] N＝氮气浓度；
[0184] V1-容器的容积；
[0185] V2＝反应器内的基质体积；以及
[0186] t＝时间。
[0187] 为了比较处理后的基质与未处理的介质，对小规模的专用基质反应器和四个中等规模的未处理基质反应器进行了多次实验。
[0188] 在示例性的工序中，以下面的方式进行实验：容器中的水替换成新鲜的地下水。20克至30克的NH4C1和60克至180克的HCaCO3随后添加到小规模容器中，同时150克的NH4C1和300克的HCaCO3添加到中等规模的容器中。在插入化学物质后立即(T＝0)取样本。在开始试验后两个小时以及四个小时取两个以上的样本(T＝2，T＝4)，并且在开始试验后的24个小时取第四个样本(T＝24)。用200μl的0.05N的HCl溶液来处理样本，从而降低pH。样本接着储存在冰箱中，24小时后，利用分光光度计，样本被测试氨浓度和亚硝酸盐浓度。
[0189] 试验在三个月的过程中进行，在该过程中，每天都通过添加NH4Cl和HCaCO3来维护细菌膜。
[0190] 结果：
[0191] 当使用处理后的基质时，进行多次试验以检查氧化率。从图4中能够看出，平均氧化率是1.99N-g/l每天，这高于行业内的其他基质。
[0192] 为了比较处理后的基质和未处理的基质而进行的比较试验表明，处理后的基质的氧化率比未处理基质的氧化率高两倍以上，如图5所示。
[0193] 结果证明，在小规模反应器中使用的处理后的基质在氧化氨和亚硝酸盐方面比在潮湿的实验室中的四个其他反应器中使用的未处理基质显著更有效。
[0194] 这些结果呈现出用于再循环水产系统(RAS)以及普通的水处理领域的优化水平。
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