專利名稱：通過趨光異養(yǎng)微生物生長處理廢水的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領域：
本公開涉及廢水處理系統(tǒng)和方法，更特別涉及使用異養(yǎng)微生物種群的廢水處理系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)狀況的細菌基廢水處理系統(tǒng)和方法100顯示在


圖1中。系統(tǒng)和方法100包括提供廢物源102，如城市下水管道。來自廢物源102的廢水流104具有不合意的生物需氧量 (BOD)和高氮和磷濃度。這種廢水流還可能具有其它不合意的化合物，大致分類為金屬、神經(jīng)毒素或內(nèi)分泌干擾化合物。來自廢物源102的廢水流104通常經(jīng)過初級處理106，其中廢水流104流經(jīng)大池 (large tanks)，常稱作“初級澄清池”或“初級沉淀池”。初級處理106前可存在預處理(未顯示)，其中在它們到達初級澄清池前例如通過篩分除去容易從廢水流104中收集的材料。 初沉階段的目的是產(chǎn)生能夠生物處理的大致均勻的進水和可以單獨處理和加工的初沉污泥(未顯示)。初級澄清池通常配有不斷地將收集的污泥110驅(qū)動至池底的料斗的機動刮刀， 可以從此處將收集的污泥110泵送至進一步污泥處理階段。有時可以從漂浮物中回收油脂以在初級處理106過程中皂化。來自初級處理106的流出物108變成二級處理步驟112的進水108，其設計成基本降解進水108的生物內(nèi)容物。在一個具體實施方案中，通過使用需氧菌從進水108中生物除去有機體的活性污泥法處理進水108。在由氧輸入，通常由鼓泡曝氣提供的需氧條件下， 細菌消耗有機體，同時生成新生物質(zhì)和二氧化碳。在活性污泥工藝過程中，細菌生長傾向于形成大聚集體或絮凝物。在一個具體實施方案中，這些絮凝物可能沉降到附加二沉池的底部，在此細菌絮凝物變成活性污泥。這種污泥可以泵送至進一步污泥處理階段或泵送回需氧處理階段以助于消耗更多有機體。進水108可隨后經(jīng)過旨在除去一部分殘留氮和磷的三級處理116?？梢栽谌壧幚?16過程中添加碳源118，如甲醇流120以助于反硝化工藝，其中將氨轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽并最終將硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮氣。在一個具體實施方案中，添加化學進料，如硫酸鋁或鐵鹽以與磷結(jié)合和形成在重力沉降器中沉降出的絮凝物。在進水108的三級處理116后，可以進行消毒處理122以產(chǎn)生用于釋放到環(huán)境 126，如河流中的處理過的流出物124。消毒處理122的目的是基本減少微生物，如需氧菌的量以排放回環(huán)境126中。消毒的效率取決于處理的進水108的品質(zhì)(例如濁度、pH等)、所用的消毒類型、消毒劑劑量(濃度和時間)和其它環(huán)境變量。常規(guī)廢水處理法，如上述細菌基廢水處理系統(tǒng)和方法100中的營養(yǎng)物去除已知是低效的。例如用化學絮凝劑和離心機從廢水流104中除去有機固體特別成問題。
也已知在廢水處理中使用水生微生物，如藻類。在授予Wexler等人的美國專利 No. 6，465，240和授予Haerther等人的美國專利No. 6，896，804中描述了在廢水處理中使用藻類的特定系統(tǒng)和方法，其整個公開內(nèi)容經(jīng)此引用并入本文。Wexler等人公開了通過使廢水流相繼與原核微生物聚生體，優(yōu)選紫色非硫細菌，接著綠藻小球藻屬接觸來處理廢水流的方法。原核微生物聚生體同化第一部分廢水，綠藻同化其余部分廢水以產(chǎn)生基本純化的流出物流。Haerther等人公開了用于廢水的需氧處理的系統(tǒng)和方法，其包括不斷引入微藻。微藻產(chǎn)生的高量氧滿足處理法中的BOD并也能夠氧化不合意的污染物。使用藻類的這些已知系統(tǒng)和方法需要光合作用以使藻類生長和處理廢水。Nakajima 等人在 A Photo-Bioreactor usinR AlRal Phototaxis for Solids-Liquid Separation, Wat. Res.第 25 卷，No. 10,第 1243-1247 頁，1991 中描述了用于廢水處理的另外的藻類基礎的系統(tǒng)和方法，其整個公開內(nèi)容經(jīng)此引用并入本文。 Nakajima等人利用小眼蟲的正趨光性特征從廢水中分離藻類生物質(zhì)，接著由小眼蟲從廢水中除去營養(yǎng)物。使用此類方法在廢水中生成可再生生物質(zhì)是困難的。具體而言，大多數(shù)藻類需要大量自然光驅(qū)動光合作用和培養(yǎng)生物質(zhì)。也難以在儲槽或池中將藻類種群局限于單類藻和防止其它微生物競爭。由于用于廢水處理的水生生物的通常小細胞尺寸和藻類生物質(zhì)的相對稀濃度(例如通常遠小于1%固體)，從培養(yǎng)生物質(zhì)的含水環(huán)境中分離生物質(zhì)也是困難的。仍然需要用于處理具有高BOD和高氮和磷濃度的高強度廢水的系統(tǒng)和方法，其產(chǎn)生可用作乙醇生產(chǎn)或其它生物能生產(chǎn)的原料的有價值的生物質(zhì)副產(chǎn)物。還需要也優(yōu)化微生物生物質(zhì)收獲的系統(tǒng)和方法。合意地，該系統(tǒng)和方法可用作工業(yè)廢水生產(chǎn)者或城市廢水處理廠的預處理以從廢水流中永久除去B0D、氮和磷。發(fā)明概述
根據(jù)本公開，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)用于處理具有高生物需氧量(BOD)與高氮和磷濃度的高強度廢水的系統(tǒng)和方法，其產(chǎn)生可用作乙醇生產(chǎn)或其它生物能生產(chǎn)的原料的有價值的生物質(zhì)副產(chǎn)物，也優(yōu)化微生物生物質(zhì)收獲(harvest)并可用作工業(yè)廢水生產(chǎn)者或城市廢水處理廠的預處理以從廢水流中永久除去B0D、氮和磷。在一個示例性實施方案中，本公開的系統(tǒng)和方法解決廢水處理領域中已知的至少兩個問題。首先，極高資本和運行成本妨礙生產(chǎn)藻類作為生物質(zhì)原料。這主要歸因于藻類塘或生物反應器具有相對較稀的生物質(zhì)濃度的事實，因為藻類通常依賴日光生長。這導致通過離心機或其它方法收獲生物質(zhì)更難和非常能量密集。第二問題在于，現(xiàn)有廢水處理廠利用細菌降低營養(yǎng)物和BOD濃度。在一些情況下，并未從水中除去所有營養(yǎng)物，尤其是氮和磷，并需要額外步驟除去剩余營養(yǎng)物。本廢水處理系統(tǒng)和方法利用使用表現(xiàn)出負趨光響應的異養(yǎng)微生物種群代替常規(guī)細菌的生物反應器。該趨光異養(yǎng)微生物除去營養(yǎng)物并將廢水中存在的有機碳轉(zhuǎn)化成更高價值的生物質(zhì)，其可進一步加工成產(chǎn)品，如生物燃料、生物能、生物塑料、生物肥料、動物飼料和營養(yǎng)/藥物成分。該趨光異養(yǎng)微生物在廢水中的有機碳上異養(yǎng)生長并且不依賴日光生長，這允許在生物反應器中累積高得多的生物質(zhì)密度。該趨光異養(yǎng)微生物當曝露在充足光下時也可以或不可光合生長，但它們具有在營養(yǎng)物滿載(nutrient- laden)條件中異養(yǎng)生長的能力。提高的生物質(zhì)密度也實現(xiàn)高得多的收獲由趨光異養(yǎng)微生物形成的生物質(zhì)的效率。并非每一類型的趨光異養(yǎng)微生物都很適合在高營養(yǎng)環(huán)境中生長。但是，一些物種， 包括眼蟲生長極好并常見于高污染地區(qū)。眼蟲是類似于藻類的一類原生生物，但具有若干使得它們的應用特別有利于綜合廢水和生物燃料生產(chǎn)工藝的固有差別。眼蟲的優(yōu)點之一在于它們能在多種有機碳底物，包括醇和單糖上以比通過自養(yǎng) (光合)生長快的速率異養(yǎng)生長。基于表面積，異養(yǎng)微生物生長可保守實現(xiàn)比單獨使用日光可能達到的收率高數(shù)倍的生物質(zhì)收率。另外，眼蟲產(chǎn)生類似于淀粉的被稱作“裸藻淀粉 (paramyIon)”的獨特儲碳產(chǎn)物(carbon storage product)。這種儲碳產(chǎn)物可占細胞干生物質(zhì)的超過70%，使得眼蟲成為可大量生長的有吸引力的有機體用于產(chǎn)生可轉(zhuǎn)化成生物燃料、生物能、生物塑料和營養(yǎng)/藥物成分的碳水化合物。通過用弱堿溶液(KOH、NaOH等)溶解細胞來非常容易地分離裸藻淀粉儲存產(chǎn)物。由于裸藻淀粉比其余細胞材料密得多，裸藻淀粉快速從溶液中沉降出并有利于收獲裸藻淀粉。此外，眼蟲是趨光的并可以移向(即正趨光性)或移離(即負趨光性)光。這造成自然富集機制，使得生物質(zhì)的收獲更有效。眼蟲的負趨光性迄今尚未用于眼蟲的富集和收獲。眼蟲細胞在大、深(>1米)的曝氣盆(aerated basin)或生物反應器中生長。向該生物反應器中連續(xù)加入以高B0D、高總氮濃度和高總磷濃度為特征的高強度廢水以供應營養(yǎng)物和有機碳底物。對釀酒廠流出物情況而言，大量BOD含量(大約2000毫克BOD/升)由眼蟲可消耗的有機底物構(gòu)成。最多大約30%的可消耗BOD隨后轉(zhuǎn)化成眼蟲生物質(zhì)，其余BOD 被呼吸。氮和磷類似地吸收到眼蟲生物質(zhì)中。通常，每生成100千克眼蟲生物質(zhì)，從廢水中除去大約5-10千克氮和大約0. 5至2千克磷。基于啤酒廠或乙醇釀酒廠(ethanol distillery )流出物的B0D、氮和磷濃度 (>2000毫克BOD/升)，在大約1至2天的水力停留時間下，眼蟲生物量容易達到0. 5克/升 (作為細胞的干重量)。然后從該生物反應器中移出的所得液體隨之具有大約0. 5克/升或大約0. 05%固體的眼蟲生物質(zhì)密度。該稀漿料需要濃縮至至少大約20%固體以經(jīng)濟可行地將該眼蟲生物質(zhì)運輸至更高價值生物質(zhì)加工?？梢砸远喾N方式實現(xiàn)眼蟲生物質(zhì)的初始濃縮步驟。在第一實例中，用弱堿(例如大約0. 1 M NaOH或Κ0Η)處理稀(0. 05%固體)漿料以溶解眼蟲細胞。隨后將處理過的漿料輸送通過工業(yè)規(guī)模澄清池，在此致密固體從懸浮液中沉降出并排出清澈流出物。另外的替代方案是利用眼蟲藻屬的負趨光能力誘使細胞自濃縮。這也可以在改良澄清池中實現(xiàn)，在此在澄清池頂部引入強光并誘使細胞遠離(向下)光游動，由此實現(xiàn)與僅通過重力或借助化學絮凝簡單地使細胞沉降類似的目標。第三替代方案不是新穎的發(fā)明，其使用非化學絮凝劑， 如殼聚糖誘發(fā)快速沉降。初始濃縮步驟產(chǎn)生可接近20克/升(即2%固體)的漿料。在此濃度下，將該漿料離心至20%固含量不會過度資本密集或能量密集。所得20%固含量漿料在離心后類似稠糊， 這種眼蟲生物質(zhì)可以經(jīng)濟地運輸至場外設施以加工成生物燃料、生物能、生物塑料、生物肥料、動物飼料和營養(yǎng)/藥物成分。裸藻淀粉可以化學水解成葡萄糖，且可以在運輸?shù)揭掖坚劸茝S之前根據(jù)該設施的原料需求完成這種步驟。在一個實施方案中，廢水處理方法包括下列步驟提供承載趨光異養(yǎng)微生物種群的曝氣生物反應器；向該曝氣生物反應器供應具有供該趨光異養(yǎng)微生物種群使用的營養(yǎng)物
6和有機碳底物的廢水進水；將至少一部分營養(yǎng)物和有機碳底物轉(zhuǎn)化成該趨光異養(yǎng)微生物種群，該廢水進水和趨光異養(yǎng)微生物一起構(gòu)成生物反應器流出物；將該生物反應器流出物從生物反應器轉(zhuǎn)移至光澄清池；在光澄清池中濃縮該生物反應器流出物以形成低固含量流出物和高固含量流出物，通過使該趨光異養(yǎng)微生物種群曝露這樣的光下而誘使該趨光異養(yǎng)微生物種群趨光自濃縮來進行該濃縮，該光的強度和波長中的至少一項足以使該趨光異養(yǎng)微生物種群移離光，其中使該趨光異養(yǎng)微生物種群濃縮形成高固含量流出物和留下低固含量流出物；將該高固含量流出物脫水以形成濃縮生物質(zhì)糊；和加工低固含量流出物以形成處理過的水流。在另一實施方案中，處理廢水的系統(tǒng)包括曝氣生物反應器和光澄清池。該曝氣生物反應器承載趨光異養(yǎng)微生物種群。該曝氣生物反應器構(gòu)造成接收具有供該趨光異養(yǎng)微生物種群使用的營養(yǎng)物和有機碳底物的廢水進水。該廢水進水和趨光異養(yǎng)微生物種群一起構(gòu)成生物反應器流出物。光澄清池與該曝氣生物反應器流體連通。該光澄清池構(gòu)造成接收生物反應器流出物和使該趨光異養(yǎng)微生物種群曝露在這樣的光下，該光的強度和波長中的至少一項足以使該趨光異養(yǎng)微生物種群移離光源。使該趨光異養(yǎng)微生物種群濃縮形成高固含量流出物和留下低固含量流出物。在另一實施方案中，生物質(zhì)培養(yǎng)方法包括下列步驟提供承載趨光異養(yǎng)微生物種群的曝氣生物反應器；向該曝氣生物反應器供應具有供該趨光異養(yǎng)微生物種群使用的營養(yǎng)物和有機碳底物的進水流；將至少一部分營養(yǎng)物和有機碳底物轉(zhuǎn)化成該趨光異養(yǎng)微生物種群，該進水流和趨光異養(yǎng)微生物一起構(gòu)成生物反應器流出物；將該生物反應器流出物從生物反應器轉(zhuǎn)移至光澄清池；在光澄清池中濃縮該生物反應器流出物以形成低固含量流出物和高固含量流出物，通過使該趨光異養(yǎng)微生物種群曝露在這樣的光下而誘使該趨光異養(yǎng)微生物種群趨光自濃縮來進行該濃縮，該光的強度和波長中的至少一項足以使該趨光異養(yǎng)微生物種群移離光，其中使該趨光異養(yǎng)微生物種群濃縮以形成高固含量流出物和留下低固含量流出物；和進行脫水和干燥該高固含量流出物中的至少一項以形成濃縮生物質(zhì)糊。在一個不同的實施方案中，該異養(yǎng)微生物在光照期(periods of sunlight)光合生長，隨后在光暗期(periods of darkness)異養(yǎng)生長。這一實施方案的目的是降低該系統(tǒng)所需的總能量和碳源，而不犧牲該系統(tǒng)實現(xiàn)B0D、氮或磷的高水平處理的能力。在另一實施方案中，可以使異養(yǎng)微生物生長以除去能被該異養(yǎng)微生物吸收、分解或結(jié)合的任何化學元素或化合物。這種實施方案可包括除去不合意的金屬、生物毒素、內(nèi)分泌干擾化合物或用于回收有價值的金屬。在另一實施方案中，將離開光澄清池的一部分高固含量流出物轉(zhuǎn)移回曝氣生物反應器。此實施方案的目的是向生物反應器補充高濃度的靶向異養(yǎng)有機體以維持該有機體在生物反應器中的優(yōu)勢和提高生物反應器中該有機體的有效生物量以提高污染物(B0D、N、P 等)吸收率。在另一實施方案中，可以使用膜反應器提高該膜一側(cè)上的液體中的異養(yǎng)有機體濃度和產(chǎn)生穿過該膜的濾過流出物。這可以通過將含有有機體細胞的液體壓向膜表面或在膜的反面上施加真空以將過濾水吸過膜表面來實現(xiàn)。在另一實施方案中，可以串聯(lián)布置一組生物反應器以使來自一個反應器的流出物流入另一個。此實施方案的目的是允許各生物反應器中存在不同運行條件和/或允許隨著來自各相繼生物反應器的目標污染物逐漸減少而增強廢水處理。在另一實施方案中，生物反應器也可充當光澄清池。此實施方案的目的是使有機體在正常運行條件下(例如在曝氣和混合下)生長和隨后通過曝氣和混合的切換來切換至澄清池模式。在低湍流條件下和借助在正確波長下的充足光強度，趨光細胞移向生物反應器底部，在表面附近留下低固含量液體和在底部留下高固含量液體。這兩個液體部分可隨后獨立泵出該池。附圖
本領域技術(shù)人員從下列詳述中容易看出本公開的上述以及其它優(yōu)點，特別是在根據(jù)本文所述的附圖考慮時。
圖1是顯示現(xiàn)有技術(shù)的城市廢水處理系統(tǒng)和方法的流程圖2是顯示根據(jù)本公開的一個實施方案的廢水處理系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖3是顯示根據(jù)本公開的另一實施方案的廢水處理系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖4是顯示根據(jù)本公開的另一實施方案的廢水處理系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖5是用在圖2-4中所示的廢水處理系統(tǒng)和方法中的示例性生物反應器的示意性側(cè)截面前視圖6是用在圖2-4中所示的廢水處理系統(tǒng)和方法中的示例性光澄清池的示意性側(cè)截面前視圖。發(fā)明詳述
下列詳述和附圖描述和圖解本發(fā)明的各種實施方案。描述和附圖用于使本領域技術(shù)人員能夠利用本發(fā)明，且無意以任何方式限制本發(fā)明的范圍。就所公開的方法而言，所列步驟次序是示例性的，因此不是必須或關鍵的。如圖2中所示，本公開包括廢水處理和生物質(zhì)培養(yǎng)方法200。方法200包括提供曝氣生物反應器202的步驟。曝氣生物反應器202承載趨光異養(yǎng)微生物種群204 (顯示在圖5中)。趨光異養(yǎng)微生物種群204包括例如趨光原生生物和趨光異養(yǎng)藻類中的至少一種。 作為一個實例，趨光異養(yǎng)微生物204可包括在過量有機碳存在下主要通過有機碳同化，即異養(yǎng)代謝來生長的光合和異養(yǎng)原生動物。在一個實施方案中，趨光異養(yǎng)微生物204是眼蟲，例如來自眼蟲藻屬。眼蟲表現(xiàn)出趨光性，其中整個有機體響應對光的曝露而移動。許多眼蟲可以利用它們的鞭毛滑動和游動，或可以以被稱作變形的波狀、變形、收縮運動沿底物滲出。眼蟲屬是包括超過150種已知物種的光合眼蟲。在示例性實施方案中，系統(tǒng)和方法200中所用的趨光異養(yǎng)微生物204
目艮蟲(Euglena gracilis)。應該理解的是，為本系統(tǒng)和方法200選擇的趨光異養(yǎng)微生物204曝露在具有足夠強度和足夠波長中的至少一項的光中時表現(xiàn)出負趨光性。例如，趨光異養(yǎng)微生物204是如上所述的眼蟲。應該認識到，在本公開的范圍內(nèi)也可以使用曝露在強度充足的光中時表現(xiàn)出負趨光性的其它類型的趨光異養(yǎng)微生物204。技術(shù)人員應進一步認識到，與本領域中已知的正趨光響應的使用相比，負趨光響應的使用有利地按需要允許趨光異養(yǎng)微生物種群204 強制濃縮和沉降。從廢水源208向曝氣生物反應器202供應具有供趨光異養(yǎng)微生物種群204使用的營養(yǎng)物和有機碳底物的廢水進水206。應該理解的是，本公開的系統(tǒng)和方法200可用于各種廢水源208。作為非限制性實例，廢水源208可包括城市下水管道、啤酒廠、釀酒廠、乳品廠、雞和/或蛋農(nóng)場和食品或飲料生產(chǎn)廠中的至少一種。也可以按需要使用提供具有充足的供趨光異養(yǎng)微生物種群204使用的營養(yǎng)物和碳底物的廢水進水206的其它廢水源208。 在一個具體實例中，廢水進水206具有足以促進趨光異養(yǎng)微生物種群204在曝氣生物反應器202中的異養(yǎng)生長的BOD和高氮和磷濃度。另外，盡管主要針對來自廢水源208的廢水進水206描述本方法200，但應該理解的是，也可以按需要使用具有足以維持趨光異養(yǎng)微生物種群204的營養(yǎng)物和有機碳底物的任何合適的進水流206。至少一部分營養(yǎng)物和碳底物在曝氣生物反應器202中通過異養(yǎng)生長轉(zhuǎn)化成趨光異養(yǎng)微生物種群204。廢水進水206和趨光異養(yǎng)微生物種群204 —起構(gòu)成生物反應器流出物210。例如，廢水進水206和趨光異養(yǎng)微生物種群204可以在生物反應器202中溫和混合以形成具有大致均勻稠度的生物反應器流出物210。在不對趨光異養(yǎng)微生物種群204造成破壞的情況下進行混合。當趨光異養(yǎng)微生物204具有能使趨光異養(yǎng)微生物204光合的葉綠體時，如當趨光異養(yǎng)微生物204是眼蟲時，本方法200可包括在曝氣生物反應器202內(nèi)使趨光異養(yǎng)微生物 204曝露在強度足以促進生長的光下的步驟?？梢岳缬勺匀蝗展馓峁┐龠M趨光異養(yǎng)微生物204生長的光。在一個示例性實施方案中，促進趨光異養(yǎng)微生物204生長的光可以是在大約560至大約810，特別是大約585至大約775，最特別大約610 nm至大約760 nm的波長下產(chǎn)生的人造光。也可以使用其它波長的人造光。將生物反應器流出物210從生物反應器202轉(zhuǎn)移至光澄清池212。生物反應器流出物202在光澄清池212中濃縮形成高固含量流出物214和低固含量流出物216。有利地， 通過使趨光異養(yǎng)微生物種群204曝露在這樣的光下以誘使趨光異養(yǎng)微生物種群204趨光自濃縮來進行該濃縮，該光具有充足強度和充足波長中的至少一項。該光使趨光異養(yǎng)微生物 204移離光源218 (顯示在圖6中)。由此濃縮趨光異養(yǎng)微生物種群204以形成高固含量流出物214，并與低固含量流出物216分離。例如在用于檢測生物反應器流出物210的營養(yǎng)物含量的傳感器網(wǎng)絡(未顯示)顯示營養(yǎng)物含量已達預定最小量時，可以進行轉(zhuǎn)移生物反應器流出物210的步驟。預定最小值可以是與生物反應器流出物210中的趨光異養(yǎng)微生物種群204幾乎或完全沒有額外生長潛力相關的值。與該傳感器網(wǎng)絡電交流的計算機系統(tǒng)(未顯示)可提供監(jiān)測生物反應器流出物210的B0D、氮和磷含量的閉環(huán)信息反饋系統(tǒng)?；蛘?，該傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測生物反應器流出物210中的B0D:氮磷比率。可以使用該傳感器網(wǎng)絡來選擇何時生物反應器202應按需要追播(re-seeded)高固含量流出物214的第一部分226。在某些實施方案中，趨光異養(yǎng)微生物種群204曝露在其下以致自濃縮的光的波長局限于造成在趨光異養(yǎng)微生物種群204中的負趨光響應的范圍。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，波長為大約400 nm至大約550 nm，特別是大約425 nm至大約525 nm，最特別450 nm至大約500 nm的光令人驚訝地有效地造成眼蟲的負趨光響應。曝露在波長局限于這些范圍的光下可提供與具有寬光譜波長的熒光或鹵素光相比優(yōu)異的眼蟲的負趨光響應?？梢园葱枰?，例如根據(jù)為系統(tǒng)和方法200選擇的趨光異養(yǎng)微生物種群204的物種，選擇適合造成自濃縮的光的其它合適的波長和強度。在圖3中所示的一個具體實施方案中，方法200可包括在形成高固含量流出物214和低固含量流出物216后的進一步加工步驟。例如，高固含量流出物214可經(jīng)過脫水218和干燥中的至少一項以形成濃縮生物質(zhì)糊220。作為非限制性實例，將高固含量流出物214脫水的步驟214包括離心、壓帶(belt pressing)或加熱螺桿壓制(heated screw pressing) 高固含量流出物214直至形成具有所需濃度的生物質(zhì)糊220。在一個特別示例性實例中，所需濃度可高達高固含量流出物214的大約20重量％固體。技術(shù)人員可以按需要選擇生物質(zhì)糊220的其它所需濃度。濃縮生物質(zhì)糊220可隨后運輸和進行進一步加工222。應該認識到，進一步加工可包括水解生物質(zhì)糊220和例如使用常規(guī)發(fā)酵技術(shù)將水解生物質(zhì)糊220轉(zhuǎn)化成乙醇的步驟。或者，濃縮生物質(zhì)糊220可用作肥料或土壤調(diào)節(jié)劑、或動物飼料、或用于在發(fā)電廠中共燃燒、或用于厭氧消化器或其它生物能用途。另外，該生物質(zhì)可用于生產(chǎn)生物塑料或營養(yǎng)/ 藥物成分。濃縮生物質(zhì)糊220的其它合適的最終用途也在本公開的范圍內(nèi)。如圖3中所示，廢水處理方法200進一步包括將高固含量流出物214的第一部分 226轉(zhuǎn)移至生物反應器202和將高固含量流出物214的第二部分228脫水以提供濃縮生物質(zhì)糊220的步驟。將高固含量流出物214的第一部分226轉(zhuǎn)移至生物反應器202導致生物反應器202追播，并促進其中的趨光異養(yǎng)微生物種群204的進一步生長。可作為用于制造生物質(zhì)糊220的分批法的一部分進行生物反應器202的追播。在另一實施方案中，也可以將第一部分226脫水而非追播生物反應器202，由此提供生物質(zhì)糊220的連續(xù)制造法。重新參照圖2，應該認識到，生物反應器流出物210還可經(jīng)過附加處理。作為非限制性實例，生物反應器流出物210的附加處理可包括過濾步驟和消毒步驟中的至少一種。 也可以按需要使用其它附加處理。在一個實例中，生物反應器流出物210的附加處理包括用堿處理生物反應器流出物210以溶解生物反應器流出物210中的至少一部分異養(yǎng)微生物種群204的步驟。處理過的生物反應器流出物210可隨后引導通過二級澄清池(未顯示)以沉淀異養(yǎng)微生物種群204的溶解部分。在另一實例中，將絮凝劑添加到生物反應器流出物 210中。該絮凝劑可以是任何常規(guī)絮凝劑，如殼聚糖等。該絮凝劑在標準重力澄清池中誘發(fā)異養(yǎng)微生物種群的快速沉降并產(chǎn)生高固含量底層和低固含量頂層。在另一實例中，生物反應器流出物216的附加處理包括經(jīng)由膜過濾器(未顯示)過濾生物反應器流出物210以除去生物反應器流出物210中的至少一部分趨光異養(yǎng)微生物種群204的步驟。在膜過濾過程中可以使用膜澄清器以提高膜一側(cè)上的液體中的異養(yǎng)微生物種群204濃度和產(chǎn)生穿過該膜的濾過流出物。這可以通過將含有微生物細胞的液體壓向膜表面或在膜的反面上施加真空以將過濾的水抽吸通過膜表面來實現(xiàn)。在圖4中所示的另一實施方案中，顯示適用于工業(yè)或城市廢水處理的方法200。廢水進水206可能經(jīng)過至少一個預處理230，包括篩分以去除廢水進水206中攜帶的大物體和廢物。另外，可以用例如來自第二碳源232的包括營養(yǎng)物和有機碳底物中的至少一種的補充流231補充廢水進水206。第二碳源232有利地為低商業(yè)價值的碳源232。作為非限制性實例，第二碳源232可包括甘油和生物柴油副產(chǎn)物中的至少一種。也可以按需要使用其它廢物或低商業(yè)價值料流作為第二碳源232。在光澄清池212中將高固含量流出物214與低固含量流出物216分離后，低固含量流出物216可經(jīng)過消毒處理234。消毒處理234的目的是基本減少要排放回環(huán)境225，例如河流中的趨光異養(yǎng)微生物204，如眼蟲的量。在具體實施方案中，消毒處理234包括使低固含量流出物216暴露在臭氧、氯氣、紫外線或次氯酸鈉中的至少一種中，盡管也可以使用減少排放到環(huán)境225中的趨光異養(yǎng)微生物204的量的其它合適形式。在本公開的另一實施方案中，廢水處理方法200包括分餾濃縮生物質(zhì)糊220的步驟。作為非限制性實例，通過酸分餾、堿分餾、高壓分餾，例如通過濃縮生物質(zhì)糊220的快速非平衡減壓、和機械分餾中的至少一種將濃縮生物質(zhì)糊220分餾。當趨光異養(yǎng)微生物種群 204包括眼蟲時，該分餾可形成裸藻淀粉餾分和非裸藻淀粉餾分。裸藻淀粉是與淀粉具有某些類似之處的葡萄糖的β-1，3聚合物。裸藻淀粉被發(fā)現(xiàn)是穿過眼蟲細胞質(zhì)的桿狀體。裸藻淀粉特別可用于制造生物塑料和用于本領域中已知的某些醫(yī)療用途。來自趨光異養(yǎng)微生物種群204的裸藻淀粉可以化學水解成葡萄糖，例如在將葡萄糖運輸至釀酒廠以便發(fā)酵和生產(chǎn)乙醇之前。非裸藻淀粉餾分通常富含氮和磷并由此適合作為肥料或用于某些動物飼料。得自趨光異養(yǎng)微生物種群204的分餾的非裸藻淀粉餾分還可包括具有商業(yè)價值的蠟_酯餾分。應該認識到，該蠟_酯餾分在更高分餾溫度下和在更厭氧的條件下可以更多。本領域普通技術(shù)人員應認識到，趨光異養(yǎng)微生物204，如眼蟲可以有效地在利于趨光異養(yǎng)微生物種群204生長并同時抑制競爭微生物，如細菌、原生動物、綠色植物(chlorophytes)和真菌的生長的pH下培養(yǎng)。Waygood等人在Purification and Reclamation of Farm and Urban Wastes by Eualena Gracilis: Photosvnthetic Capacity, Effect of pH, Temperature, Acetate and ffhey, Environmental Pollution (Series A) 23 (1980) 179-215中描述了 pH對趨光異養(yǎng)微生物204生長的影響，其整個公開內(nèi)容經(jīng)此引用并入本文。廢水處理方法200可包括調(diào)節(jié)生物反應器流出物210的pH以使趨光異養(yǎng)微生物種群204優(yōu)于競爭微生物的進一步步驟?？梢酝ㄟ^添加酸，如乙酸，或堿，如氫氧化鈉來調(diào)節(jié)生物反應器流出物210的pH。也可以使用例如也向生物反應器流出物210提供營養(yǎng)價值的其它酸和堿。在某些實施方案中，可以將生物反應器流出物210的pH降至小于大約pH = 4.0，特別是小于大約pH = 3. 6，最特別至大約pH = 3.2。可以將生物反應器流出物210的 PH調(diào)節(jié)至足以按需要抑制競爭微生物生長的其它水平。例如在來自生物反應器流出物210的營養(yǎng)物被趨光異養(yǎng)微生物種群204耗盡后， 還可以調(diào)節(jié)生物反應器流出物210的pH以提高形成除趨光異養(yǎng)微生物種群204外的有機體，如真菌的長絲的生長。應該認識到，形成除趨光異養(yǎng)微生物種群204外的有機體的長絲的生長可有利地促進高固含量流出物214和濃縮生物質(zhì)糊220的收獲。盡管在廢水處理方面描述上文詳述的方法200，但應該理解的是，方法200也可主要用于濃縮生物質(zhì)糊220的培養(yǎng)。例如，示例性的生物質(zhì)培養(yǎng)方法可包括下列步驟提供承載趨光異養(yǎng)微生物種群204的曝氣生物反應器202 ；向曝氣生物反應器202供應具有供趨光異養(yǎng)微生物種群204使用的營養(yǎng)物和有機碳底物的進水流，例如廢水流206 ；和培養(yǎng)趨光異養(yǎng)微生物種群204以將至少一部分營養(yǎng)物和有機碳底物轉(zhuǎn)化成趨光異養(yǎng)微生物種群 204，進水流206和趨光異養(yǎng)微生物種群204 —起構(gòu)成生物反應器流出物210。該生物質(zhì)培養(yǎng)方法進一步包括濃縮生物反應器流出物210的步驟。生物反應器流出物210可以如上所述用光澄清池212濃縮。但是，在另一些實施方案中，可替代地，可以通過用堿處理生物反應器流出物以形成低固含量流出物216和高固含量流出物214來濃縮
11生物反應器流出物210。該堿溶解生物反應器流出物210中的至少一部分異養(yǎng)微生物種群 204，該部分異養(yǎng)微生物種群204隨后沉淀以形成高固含量流出物214?？赏ㄟ^將絮凝劑引入生物反應器流出物210中來濃縮生物反應器流出物210。該絮凝劑誘發(fā)至少一部分異養(yǎng)微生物種群204的快速沉降以形成低固含量流出物216和高固含量流出物214。在特別示例性實施方案中，通過經(jīng)透水膜過濾器(未顯示)過濾生物反應器流出物 210以除去至少一部分趨光異養(yǎng)微生物種群204以形成低固含量流出物214和高固含量流出物216，來進行生物反應器流出物210的濃縮。該膜構(gòu)造成允許水穿過，同時濾出微生物， 如原生生物和藻類。可以使用膜過濾系統(tǒng)分離生物反應器流出物210中的固體(包括異養(yǎng)微生物種群204)和液體。該膜過濾法提高膜一側(cè)上的液體中的異養(yǎng)微生物種群204的濃度以變成高固含量流出物216，同時產(chǎn)生穿過該膜的濾過流出物液體以變成低固含量流出物214?？梢酝ㄟ^將含有異養(yǎng)微生物種群204的生物反應器流出物210壓向膜表面，或通過在膜的反面上施加真空以將過濾水抽吸通過膜表面，來實現(xiàn)膜過濾。這一實施方案可包括之前所述的實施方案的要素。在另一示例性實施方案中，可以通過溶氣浮選將生物反應器流出物210分離成低固含量流出物214和高固含量流出物216。在溶氣浮選中，在液體儲存容器中由壓縮空氣或另一形成小氣泡的合適方法形成小氣泡。隨著氣泡升至液體表面，它們附著到粒子，包括異養(yǎng)微生物種群204上，并生成漂浮的生物質(zhì)絮凝物。隨著更多生物質(zhì)附著到氣泡上并升至表面，下方液體中的懸浮固體隨之減少。參照圖5，顯示與本公開的方法200 —起使用的示例性曝氣生物反應器202。生物反應器202可包括儲槽236。作為非限制性實例，儲槽236也可以是敞口儲器或池。生物反應器202承載趨光異養(yǎng)微生物種群204并構(gòu)造成接收具有供趨光異養(yǎng)微生物種群204使用的營養(yǎng)物和有機碳底物的廢水進水206。廢水進水206和趨光異養(yǎng)微生物種群204 —起構(gòu)成盛在生物反應器202中的生物反應器流出物210。 生物反應器202可包括構(gòu)造成提供趨光異養(yǎng)微生物種群204在整個儲槽236中的基本均勻分布的機械混合器。生物反應器202也可以與構(gòu)造成通過向其中供應空氣流240 來向生物反應器202充氣或充氧的鼓風機238連通?？諝饬?40可以從位于開放儲槽236 底部的一系列多孔管M2向上滲出(percolate)生物反應器流出物210。也可以使用其它合適的用于充氣生物反應器流出物210的裝置。生物反應器202也可以與pH控制器244流體連通。pH控制器244構(gòu)造成通過向其中輸送PH控制流M5 (包括酸和堿的至少一種)來調(diào)制或調(diào)節(jié)生物反應器202中生物反應器流出物210的pH。在有助于趨光異養(yǎng)微生物種群204的生長并同時抑制競爭微生物生長的范圍內(nèi)控制生物反應器流出物204的pH?？梢詫⑷嗽旃庠?46置于構(gòu)成曝氣生物反應器202的儲槽236上方。人造光源 246可構(gòu)造成生成強度和波長足以促進趨光異養(yǎng)微生物種群204生長并同時不會使趨光異養(yǎng)微生物種群204在曝氣生物反應器202中自濃縮的光。例如，人造光源246可包括提供所需范圍的光強度和波長的多個低功率LED燈。如果曝氣生物反應器202向大氣敞開，曝氣生物反應器202也可以如圖5中所示曝露在自然日光下。參照圖6，顯示與本公開的方法200 —起使用的示例性光澄清池212。光澄清池
12212與曝氣生物反應器202流體連通。光澄清池212構(gòu)造成接收生物反應器流出物210并使趨光異養(yǎng)微生物204曝露在這樣的光下，該光的強度和波長中的至少一項足以使趨光異養(yǎng)微生物種群204移離光源218。光澄清池212可包括具有入口 250、第一出口 252和第二出口 2M的儲槽M8。儲槽248的長度可大于儲槽248的寬度。儲槽248的較大長度有利于重力輔助的趨光異養(yǎng)微生物種群204的趨光沉降。入口 250與生物反應器202流體連通。第一出口 252靠近儲槽 248頂部設置并允許低固含量流出物216在光澄清池212內(nèi)與高固含量流出物214分離后從中流出。第二出口 2M靠近儲槽248底部設置并允許高固含量流出物214在光澄清池 212中分離后從中流出。儲槽248的底部可以是基本錐形或V形橫截面，由此成型成利于趨光異養(yǎng)微生物204在第二出口 2M附近濃縮。除了或代替本文所述的光澄清池212，本發(fā)明的系統(tǒng)還可包括一個或多個其它生物質(zhì)濃縮子系統(tǒng)(未顯示)。生物質(zhì)濃縮子系統(tǒng)可包括溶解子系統(tǒng)(lysing subsystem)、絮凝子系統(tǒng)、膜過濾子系統(tǒng)和溶氣浮選子系統(tǒng)中的至少一種。所述至少一個生物質(zhì)濃縮子系統(tǒng)構(gòu)造成從生物反應器流出物210中分離固體，包括異養(yǎng)微生物種群204和液體以分別形成高固含量流出物214和低固含量流出物216。有利地，本廢水處理和生物質(zhì)培養(yǎng)系統(tǒng)和方法200適于處理具有高BOD和高氮和磷濃度的高強度廢水進水206。系統(tǒng)和方法200產(chǎn)生可用作乙醇生產(chǎn)或其它生物能生產(chǎn)的原料的有價值的生物質(zhì)220。系統(tǒng)和方法200也利用特定微生物的負趨光性特征優(yōu)化微生物生物質(zhì)收獲。負趨光性是本領域中在廢水處理方面迄今未認識到或被利用的特征。廢水處理和生物質(zhì)培養(yǎng)系統(tǒng)和方法200可進一步用作工業(yè)廢水生產(chǎn)者或城市廢水處理廠的預處理，以從廢水進水206中永久除去BOD、氮和磷。盡管已經(jīng)為例示本發(fā)明而顯示了某些代表性實施方案和細節(jié)，但本領域技術(shù)人員顯而易見的是，可以在不背離下列所附權(quán)利要求中進一步描述的公開范圍的情況下作出各種變動。
權(quán)利要求
1.廢水處理和生物質(zhì)培養(yǎng)方法，該方法包括下列步驟提供承載趨光異養(yǎng)微生物種群的曝氣生物反應器；向該曝氣生物反應器供應具有供該趨光異養(yǎng)微生物種群生長的營養(yǎng)物和有機碳底物的廢水進水；培養(yǎng)該趨光異養(yǎng)微生物種群以將至少一部分該營養(yǎng)物和該有機碳底物轉(zhuǎn)化成該趨光異養(yǎng)微生物種群，該廢水進水和該趨光異養(yǎng)微生物種群一起構(gòu)成生物反應器流出物；將該生物反應器流出物從該生物反應器轉(zhuǎn)移至光澄清池；在光澄清池中濃縮該生物反應器流出物以形成低固含量流出物和高固含量流出物，通過使該趨光異養(yǎng)微生物種群曝露在強度和波長中的至少一項足以使該趨光異養(yǎng)微生物種群移離光源的光源下而誘使該趨光異養(yǎng)微生物種群趨光自濃縮來進行該濃縮，其中使該趨光異養(yǎng)微生物種群濃縮以形成高固含量流出物；將高固含量流出物脫水形成濃縮生物質(zhì)糊；和加工低固含量流出物以形成處理過的水流。
2.權(quán)利要求1的廢水處理方法，進一步包括將第一部分該高固含量流出物轉(zhuǎn)移至該生物反應器以及進行脫水第二部分該高固含量流出物和干燥第二部分該高固含量流出物中的至少一項以提供濃縮生物質(zhì)糊的步驟。
3.權(quán)利要求1的廢水處理方法，其中將該高固含量流出物脫水的步驟包括離心、壓帶或加熱螺桿壓制該高固含量流出物中的一種。
4.權(quán)利要求1的廢水處理方法，進一步包括水解該生物質(zhì)糊和將該水解糊轉(zhuǎn)化成乙醇的步驟。
5.權(quán)利要求1的廢水處理方法，其中該趨光異養(yǎng)微生物是表現(xiàn)出負趨光性的趨光原生生物和趨光藻類之一。
6.權(quán)利要求5的廢水處理方法，其中該趨光異養(yǎng)微生物是眼蟲。
7.權(quán)利要求1的廢水處理方法，其中該廢水進水包括足以生長趨光異養(yǎng)微生物種群的生物需氧量(BOD )、氮濃度和磷濃度。
8.權(quán)利要求1的廢水處理方法，其中用包括甘油和生物柴油副產(chǎn)物中的至少一種的第二碳源補充該廢水進水。
9.權(quán)利要求1的廢水處理方法，其中通過酸分餾、堿分餾、高壓分餾和機械分餾中的至少一種來將該生物質(zhì)糊分餾以形成裸藻淀粉餾分和非裸藻淀粉餾分。
10.權(quán)利要求9的廢水處理方法，其中非裸藻淀粉餾分包括蠟_酯餾分。
11.權(quán)利要求1的廢水處理方法，進一步包括調(diào)節(jié)生物反應器流出物的PH以使趨光異養(yǎng)微生物種群的生長優(yōu)于競爭微生物的生長的步驟。
12.權(quán)利要求1的廢水處理方法，其中趨光異養(yǎng)微生物種群曝露在其下以導致自濃縮的光源具有大約400納米至大約550納米的波長。
13.權(quán)利要求1的廢水處理方法，其中該趨光異養(yǎng)微生物在曝氣生物反應器中的同時曝露在另一光源下，所述另一光源的強度和波長的至少一項足以促進該趨光異養(yǎng)微生物種群的生長。
14.培養(yǎng)生物質(zhì)的系統(tǒng)，包括承載趨光異養(yǎng)微生物種群并構(gòu)造成接收具有供該趨光異養(yǎng)微生物種群生長的營養(yǎng)物和有機碳底物的進水流的曝氣生物反應器，該進水流和趨光異養(yǎng)微生物種群一起構(gòu)成生物反應器流出物。
15.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，進一步包括與該曝氣生物反應器流體連通的光澄清池，該光澄清池構(gòu)造成接收生物反應器流出物和使該趨光異養(yǎng)微生物種群曝露在強度和波長中的至少一項足以導致該趨光異養(yǎng)微生物種群移離光源的光源下，其中使該趨光異養(yǎng)微生物種群濃縮來形成高固含量流出物和留下低固含量流出物。
16.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中光源包括緊鄰該光澄清池設置并提供強度和波長中的至少一項足以使該趨光異養(yǎng)微生物種群自濃縮的光的人工照明系統(tǒng)，且其中該系統(tǒng)進一步包括緊鄰該曝氣生物反應器設置并在曝氣生物反應器中提供強度和波長中的至少一項足以促進該趨光異養(yǎng)微生物種群的生長且不會使該趨光異養(yǎng)微生物種群自濃縮的另外的光的另外的人工照明系統(tǒng)。
17.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，進一步包括與該曝氣生物反應器流體連通的pH控制器，該pH 控制器構(gòu)造成調(diào)制該生物反應器流出物的PH，所調(diào)節(jié)的pH有助于該趨光異養(yǎng)微生物種群的生長和抑制競爭微生物的生長。
18.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，進一步包括生物質(zhì)濃縮子系統(tǒng)，該生物質(zhì)濃縮子系統(tǒng)包括溶解子系統(tǒng)、絮凝子系統(tǒng)、膜過濾子系統(tǒng)和溶氣浮選子系統(tǒng)中的至少一種以從該生物反應器流出物中分離出包括該異養(yǎng)微生物種群的固體和液體。
19.生物質(zhì)培養(yǎng)方法，該方法包括下列步驟提供承載趨光異養(yǎng)微生物種群的曝氣生物反應器；向該曝氣生物反應器供應具有供該趨光異養(yǎng)微生物種群使用的營養(yǎng)物和有機碳底物的進水流；培養(yǎng)該趨光異養(yǎng)微生物種群以將至少一部分該營養(yǎng)物和該有機碳底物轉(zhuǎn)化成該趨光異養(yǎng)微生物種群，該進水流和趨光異養(yǎng)微生物種群一起構(gòu)成生物反應器流出物；和下列至少一項在光澄清池中濃縮該生物反應器流出物以形成低固含量流出物和高固含量流出物，通過使該趨光異養(yǎng)微生物種群曝露在強度和波長中的至少一項足以使該趨光異養(yǎng)微生物種群移離光源的光源下而誘使該趨光異養(yǎng)微生物種群趨光自濃縮來進行該濃縮，其中使該趨光異養(yǎng)微生物種群濃縮形成該高固含量流出物，用堿處理該生物反應器流出物以形成該低固含量流出物和該高固含量流出物，其中該堿溶解該生物反應器流出物中的至少一部分異養(yǎng)微生物種群，且其中溶解的異養(yǎng)微生物種群沉淀以形成該高固含量流出物，將絮凝劑引入該生物反應器流出物中以誘使至少一部分異養(yǎng)微生物種群的快速沉降以形成低固含量流出物和高固含量流出物，經(jīng)由膜過濾器過濾該生物反應器流出物以除去至少一部分趨光異養(yǎng)微生物種群以形成該低固含量流出物和該高固含量流出物，通過熔氣浮選將該生物反應器流出物分離成該低固含量流出物和該高固含量流出物。
20.權(quán)利要求19的生物質(zhì)培養(yǎng)方法，進一步包括脫水該高固含量流出物和干燥該高固含量流出物中的至少一項以形成濃縮生物質(zhì)糊的步驟。
全文摘要
廢水處理方法(200)包括向曝氣生物反應器(202)供應具有供趨光異養(yǎng)微生物種群(204)使用的營養(yǎng)物的廢水進水(206)的步驟。將至少一部分營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化成該趨光異養(yǎng)微生物種群(204)。廢水進水(206)和趨光異養(yǎng)微生物(204)一起構(gòu)成生物反應器流出物(210)，將其轉(zhuǎn)移至光澄清池(212)。在光澄清池(212)中濃縮該生物反應器流出物(210)以形成低固含量流出物(216)和高固含量流出物(214)。通過曝露在強度和波長中的至少一項足以使該趨光異養(yǎng)微生物種群(204)移離光源的光下而誘使該趨光異養(yǎng)微生物種群(204)趨光自濃縮來進行該濃縮。
文檔編號A01K63/00GK102438443SQ201080021875
公開日2012年5月2日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者霍爾斯特 G. 申請人:藻類科學公司