用于廢水處理和藻類生產(chǎn)中的雙室生物反應器的制造方法
【專利說明】用于廢水處理和藻類生產(chǎn)中的雙室生物反應器
【背景技術】
[0001] 在過去100多年，廢水已用各種物理、化學和生物學手段進行處理。廢水處理通常 包括篩選碎片且使砂礫沉降的預處理過程，物理上去除較大微粒的初級處理過程，生物學 去除較小的有機微粒和溶解的有機物且恢復生物生長的次級處理過程，任選通過捕獲剩余 固體且去除剩余營養(yǎng)素使次級流出物"精煉"的三級處理過程，以及在排放至受納水體前的 消毒過程。當今最常見的次級過程組合是用于氧化溶解和微粒有機物的懸浮生長生物處理 系統(tǒng)，其由用于生物生長的生物反應器和用于回收生物質(zhì)的重力沉降凈化器組成。這些系 統(tǒng)是能量密集型的，因為需要鼓風機來供應氧用于氧化有機物質(zhì)。
[0002] 懸浮生長生物處理（活性污泥）照常規(guī)在大型生物反應器（槽）中執(zhí)行，所述大 型生物反應器被供應大量的氧且通常對大氣開放。在美國的16, 600個公有廢水處理設施 中，存在大約6, 200個活性污泥設施，范圍從極小型（0.0 Olmgd)到超大型（> 800mgd)，處 理所有流量的將近80%?；钚晕勰嘤晌⑸锶郝洌ㄖ饕獮楫愷B(yǎng)菌，但也為原生生物、浮游動 物和環(huán)節(jié)動物，并且有時為自養(yǎng)硝化細菌）以及惰性和生物可降解的有機固體組成，所述 惰性和生物可降解的有機固體如統(tǒng)稱為"絮體"或"混合液懸浮固體"（MLSS)的松散固體。 在高速操作條件下，微生物群落負責微粒和可溶性含碳物質(zhì)兩者在廢水中的氧化。絮體被 保留且通常經(jīng)由重力沉降，與干凈的流出物分開。生物體的過度生長和固體的累積經(jīng)常作 為過量活性污泥從系統(tǒng)中去除。以這種方式的廢水處理是能量密集型過程，因為在廢水處 理工廠中使用的高達60%的能量用于提供氧用于生物處理。其他次級處理過程包括膜生物 反應器、序批式反應器、集成的固定膜活性污泥、滴濾池、氧化溝、處理氧化塘等。
[0003] 過量活性污泥生物質(zhì)（廢活性污泥或WAS)可經(jīng)由厭氧消化連同由初級處理過程 收集的沉降固體（初級固體）一起進行消化，以產(chǎn)生主要由甲烷組成的生物氣。甲烷燃燒 用于在美國的城市廢水處理工廠處的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP)系統(tǒng)?？色@益于CHP系統(tǒng)的理論上最 小容量的廢水處理設施為lmgd，其可利用當今上市的最小微型燃氣輪機（30kW)。在美國 存在具有厭氧消化過程的大約2, 900個廢水處理設施，其中約60%超過lOmgd的工廠包括 厭氧消化。在過去幾十年中，由厭氧消化產(chǎn)生的生物氣已開始用于熱，以用于消化器預熱， 或用于熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP)系統(tǒng)，其在美國的較大型城市廢水處理工廠的一些處生成熱和電兩 者。歷史上，生物氣是簡單燃燒的。截至2004年，存在將近250個消化器氣體利用設施，其 以一些方式（熱或CHP)利用該潛在能源，其中全國的76個實際CHP設備截至2006年產(chǎn)生 總共220MW電力。CHP系統(tǒng)數(shù)目由于當今上升的能量成本而增加，并且在較小型的工廠應 用。來自常規(guī)處理的能量回收通常為0.15-0. 2kWh/m3處理的廢水。當與不含厭氧消化和 CHP的設施相比較時，具有厭氧消化和CHP的設施通常可抵消高達50%的能量需求。
[0004] 用于生物燃料和/或能量生成的藻類（通常為微藻類）生產(chǎn)目前處于研究與開發(fā) 的各個階段。在某些生長條件下例如當應激時，一些藻類物種具有合成脂質(zhì)貯存化合物的 能力。高脂質(zhì)含量的藻類含有約20至約50重量百分比的脂質(zhì)。高脂質(zhì)含量的藻類具有較 緩慢的生長速率，并且比低脂質(zhì)含量的藻類更適用于生物燃料生產(chǎn)過程。雖然大多數(shù)藻類 具有自養(yǎng)代謝（使用無機碳和光能來產(chǎn)生更多藻類和氧），但一些物種具有異養(yǎng)代謝（使 用有機碳用于能量和生長，使用氧來產(chǎn)生更多藻類和二氧化碳），而其他具有混合營養(yǎng)代謝 (顯示出或同時或取決于具體條件的自養(yǎng)和異養(yǎng)代謝）。
[0005] 大多數(shù)商業(yè)藻類生產(chǎn)已集中于光合自養(yǎng)物種例如布朗葡萄藻（Botryococcus braunii)，并且預期由高效藻類塘（HRAP)、光生物反應器（PBR)管或嵌板、或兩者的一些組 合組成。HRAP是對大氣開放、在戶外或溫室中的淺藻類塘或水溝，并且包括簡單的機械混 合。HRAP通常由在大得多的占地面積（footprint)中低濃度的具有較低脂質(zhì)含量的藻類混 合培養(yǎng)物組成，對蒸發(fā)喪失、污染、通過不希望的藻類菌株的競爭以及被細菌和浮游動物捕 食敏感。HRAP是簡單的且對于操作具有較低的能量需求。PBR是緊密配置為使在戶外或溫 室中的目光暴露達到最大的封閉式透明管、嵌板或袋。PBR要求混合、流通物抽栗和噴灑對 藻類生長可能有毒的過量氧。在比HRAP小得多的占地面積中，PBR產(chǎn)生高濃度的具有更大 脂質(zhì)含量的富集或純藻類培養(yǎng)物。PBR還阻止蒸發(fā)且使污染、捕食和競爭降到最低。PBR是 復雜的且需要比HRAP更多的能量來操作。兩種系統(tǒng)均需要補充性碳和/或營養(yǎng)素添加，以 充分維持最佳藻類生產(chǎn)。
[0006] 近期工作已集中于在發(fā)酵罐型生物反應器中的生長中的異養(yǎng)藻類。候選菌株數(shù)目 對于光養(yǎng)性生長少得多，并且包括在小球藻屬（Chlorella)、四另藻屬（Tetraselmis)和菱 形藻屬（Nitzschia)內(nèi)的某些物種。碳源可為葡萄糖、甘油、乙酸酯、一些或其他碳源、或廢 碳例如廢水中的那種。需要營養(yǎng)素例如氮和磷，并且氧供應是關鍵的。由于不需要光用于 生長，這些系統(tǒng)更容易擴大且更易于操作。培養(yǎng)物濃度可更高，因為光透過不是要素，并且 生長速率可更大。很像自養(yǎng)藻類物種那樣，可誘導異養(yǎng)藻類物種，以刺激脂質(zhì)的產(chǎn)生，所述 脂質(zhì)對于生物燃料及其他能量商品的產(chǎn)生是有價值的。異養(yǎng)藻類在有機碳的呼吸期間產(chǎn)生 二氧化碳。
[0007] 由于技術和經(jīng)濟挑戰(zhàn)，用于生物燃料能量的藻類生產(chǎn)尚未達到大規(guī)模商業(yè)化。來 自藻類的生物燃料仍是有吸引力的，因為與下一種最高產(chǎn)量的生物質(zhì)原料（油棕，635加侖 /英畝/年）相比較，藻類具有明顯更多的潛在油產(chǎn)量（1，000-4, 000加侖/英畝/年）。關 于商業(yè)藻類生產(chǎn)的技術挑戰(zhàn)主要與脫水技術的表現(xiàn)相關。藻類生產(chǎn)的操作成本包括碳和營 養(yǎng)素的補充也可為很高的。已靶向廢碳源（例如來自關于自養(yǎng)生物的發(fā)電廠的氣體排放的 二氧化碳；關于異養(yǎng)生物的工業(yè)和城市廢水中的有機物），以降低操作成本且截存碳。關于 來自藻類的商業(yè)生物燃料生產(chǎn)的技術挑戰(zhàn)主要與處理/干燥脫水的藻類且提取脂質(zhì)相關。 已認識到脫水藻類的直接發(fā)酵/消化和來自所得到的生物氣的發(fā)電目前是從藻類中回收 能量的最符合成本效益的方法。
[0008] 期望開發(fā)用于廢水處理的新系統(tǒng)和方法，其降低或消除關于去除有機物質(zhì)的氧補 充需要。
[0009] 期望開發(fā)用于廢水處理的新系統(tǒng)或方法，其降低來自排放至接納水體的流出物的 營養(yǎng)素，例如氮和磷。
[0010] 期望開發(fā)用于廢水處理的新系統(tǒng)或方法，其降低來自排放至接納水體的流出物的 金屬，例如鉻、銅和鋅。
[0011] 期望開發(fā)用于廢水處理的新系統(tǒng)和方法，其降低能量使用、產(chǎn)生能量來抵消處理 的能量需要、或產(chǎn)生比處理所需更多的能量。
[0012] 期望開發(fā)用于廢水處理的新系統(tǒng)和方法，其降低或消除廢水中的氨硝化的補充氧 需要。
[0013] 期望開發(fā)用于廢水處理的新系統(tǒng)和方法，其降低或消除通過異養(yǎng)呼吸的溫室氣體 釋放。
[0014] 期望開發(fā)用于廢水處理的新系統(tǒng)和方法，其增加生物氣產(chǎn)生/單位體積的處理廢 水。
[0015] 期望開發(fā)新的藻類生產(chǎn)系統(tǒng)和方法，其降低或消除關于自養(yǎng)藻類生產(chǎn)的碳補充需 要。
[0016] 期望開發(fā)新的藻類生產(chǎn)系統(tǒng)和方法，其降低或消除關于異養(yǎng)藻類生產(chǎn)的氧補充需 要。
[0017] 期望開發(fā)新的藻類生產(chǎn)系統(tǒng)和方法，其降低或消除關于自養(yǎng)藻類的氧中毒的可能 性。
[0018] 期望開發(fā)新的藻類生產(chǎn)系統(tǒng)和方法，其降低或消除關于異養(yǎng)和自養(yǎng)藻類生產(chǎn)的營 養(yǎng)素補充需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 雙室生物反應器系統(tǒng)包括主要預期用于光合自養(yǎng)呼吸的生物反應器，主要預期用 于異養(yǎng)呼吸的第二生物反應器，以及與兩個生物反應器可操作地接觸的膜子系統(tǒng)。自養(yǎng)生 物反應器包括透明外壁。溶質(zhì)和氣體跨越膜的運輸允許通過另一者的一個代謝產(chǎn)物群體的 有益使用，同時使群體隔離以確保各自的最佳生長和功能。
[0020] 本發(fā)明還公開了使用雙重生物反應器系統(tǒng)用于代謝輸入物（例如處理廢水和產(chǎn) 生藻類）的方法。
【附圖說明】
[0021] 圖1是在本公開內(nèi)容的管式雙室生物反應器配置內(nèi)的管的示例性實施例的橫截 面視圖，所述管式雙室生物反應器配置可應用于廢水處理和藻類生產(chǎn)應用兩者。
[0022] 圖2是利用兩個雙室生物反應器的廢水處理系統(tǒng)的示例性實施例的透視圖。
[0023] 圖3是本公開內(nèi)容的廢水處理系統(tǒng)的管式雙室生物反應器配置內(nèi)的管的另一個 示例性實施例的橫截面視圖。
[0024] 圖4A和4B是本公開內(nèi)容的廢水處理系統(tǒng)的雙室生物反應器的兩個示例性實施例 的橫截面視圖。
[0025] 圖5是利用兩個嵌板型雙室生物反應器的廢水處理系統(tǒng)的示例性實施例的透視 圖。
[0026] 圖6是示出系統(tǒng)動力學的曲線圖。
[0027] 圖7A是本公開內(nèi)容的廢水處理系統(tǒng)的示例性實施例的橫截面視圖，所述廢水處 理系統(tǒng)包括用于膜清潔的機構。
[0028] 圖7B是圖7A的實施例的透視圖。
[0029] 圖8是常規(guī)廢水處理設施的工藝流程圖解。