申请日2015.11.02
公开(公告)日2016.05.11
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了双室生物反应器系统，其包括异养生物反应器、自养生物反应器、以及在自养生物反应器和异养生物反应器之间的膜。自养生物反应器包括透明外壁。每个群体获益于彼此的代谢产物。用于废水处理和藻类生产的方法利用该系统。
权利要求书
1.一种双室生物反应器系统，所述双室生物反应器系统包括：
含有异养生物体的第一室;
含有自养生物体的第二室;和
与所述第一室和所述第二室可操作地接触的膜子系统;
其中所述膜子系统配置为：允许气体和溶质中的至少一种从所述第一室到所述第二室的运输;和
其中所述膜子系统配置为：允许气体和溶质中的至少一种从所述第二室到所述第一室的运输。
2.根据权利要求1所述的双室生物反应器系统，其中所述第二室包括允许可见光经过的透明外壁。
3.根据权利要求1所述的双室生物反应器系统，所述双室生物反应器系统还包括：
配置为清洁所述膜子系统的至少一个膜的至少一个表面的磁性净化器。
4.根据权利要求1所述的双室生物反应器系统，其中所述膜子系统由一个膜组成;并且其中所述膜与所述第一室和所述第二室处于物理接触。
5.根据权利要求1所述的双室生物反应器系统，其中所述第二室沿周向包围所述第一室。
6.一种使输入物代谢的方法，所述方法包括：
将输入物提供给第一室;
在所述第一室中使所述输入物代谢且使异养生物体生长;和
回收来自所述第一室或所述第二室的组分;
其中所述第一室与所述膜子系统处于可操作的接触;
其中所述膜子系统与第二室处于可操作的接触;
在所述第二室中使所述输入物代谢且使自养生物体生长;
其中所述第二室包括透明外壁;和
其中所述膜子系统允许气体和溶质中的至少一种从下述中的至少一个的运输;
所述第一室至所述第二室;和
所述第二室至所述第一室。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述膜子系统由一个膜组成;其中所述膜沿周向包围所述第一室的至少第一部分;并且其中所述第二室沿周向包围所述膜的至少第二部分。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述膜子系统由一个膜组成;并且其中所述膜与所述第一室和所述第二室处于直接接触。
9.根据权利要求6所述的方法，所述方法进一步包括：
通过沿所述透明外壁移动磁体，清洁所述膜子系统的膜;
其中所述第一磁刷配置为清洁所述膜的至少一个表面。
10.根据权利要求6所述的方法，所述方法进一步包括：
使所述第二室的自养生物质以逆流方向连续再循环，以再循环所述第一室的异养生物质。
说明书
用于废水处理和藻类生产中的双室生物反应器
背景技术
在过去100多年，废水已用各种物理、化学和生物学手段进行处理。废水处理通常包括筛选碎片且使砂砾沉降的预处理过程，物理上去除较大微粒的初级处理过程，生物学去除较小的有机微粒和溶解的有机物且恢复生物生长的次级处理过程，任选通过捕获剩余固体且去除剩余营养素使次级流出物“精炼”的三级处理过程，以及在排放至受纳水体前的消毒过程。当今最常见的次级过程组合是用于氧化溶解和微粒有机物的悬浮生长生物处理系统，其由用于生物生长的生物反应器和用于回收生物质的重力沉降净化器组成。这些系统是能量密集型的，因为需要鼓风机来供应氧用于氧化有机物质。
悬浮生长生物处理(活性污泥)照常规在大型生物反应器(槽)中执行，所述大型生物反应器被供应大量的氧且通常对大气开放。在美国的16,600个公有废水处理设施中，存在大约6,200个活性污泥设施，范围从极小型(0.001mgd)到超大型(>800mgd)，处理所有流量的将近80%。活性污泥由微生物群落(主要为异养菌，但也为原生生物、浮游动物和环节动物，并且有时为自养硝化细菌)以及惰性和生物可降解的有机固体组成，所述惰性和生物可降解的有机固体如统称为“絮体”或“混合液悬浮固体”(MLSS)的松散固体。在高速操作条件下，微生物群落负责微粒和可溶性含碳物质两者在废水中的氧化。絮体被保留且通常经由重力沉降，与干净的流出物分开。生物体的过度生长和固体的累积经常作为过量活性污泥从系统中去除。以这种方式的废水处理是能量密集型过程，因为在废水处理工厂中使用的高达60%的能量用于提供氧用于生物处理。其他次级处理过程包括膜生物反应器、序批式反应器、集成的固定膜活性污泥、滴滤池、氧化沟、处理氧化塘等。
过量活性污泥生物质(废活性污泥或WAS)可经由厌氧消化连同由初级处理过程收集的沉降固体(初级固体)一起进行消化，以产生主要由甲烷组成的生物气。甲烷燃烧用于在美国的城市废水处理工厂处的热电联产(CHP)系统。可获益于CHP系统的理论上最小容量的废水处理设施 为1mgd，其可利用当今上市的最小微型燃气轮机(30kW)。在美国存在具有厌氧消化过程的大约2,900个废水处理设施，其中约60%超过10mgd的工厂包括厌氧消化。在过去几十年中，由厌氧消化产生的生物气已开始用于热，以用于消化器预热，或用于热电联产(CHP)系统，其在美国的较大型城市废水处理工厂的一些处生成热和电两者。历史上，生物气是简单燃烧的。截至2004年，存在将近250个消化器气体利用设施，其以一些方式(热或CHP)利用该潜在能源，其中全国的76个实际CHP设备截至2006年产生总共220MW电力。CHP系统数目由于当今上升的能量成本而增加，并且在较小型的工厂应用。来自常规处理的能量回收通常为0.15-0.2kWh/m3处理的废水。当与不含厌氧消化和CHP的设施相比较时，具有厌氧消化和CHP的设施通常可抵消高达50%的能量需求。
用于生物燃料和/或能量生成的藻类(通常为微藻类)生产目前处于研究与开发的各个阶段。在某些生长条件下例如当应激时，一些藻类物种具有合成脂质贮存化合物的能力。高脂质含量的藻类含有约20至约50重量百分比的脂质。高脂质含量的藻类具有较缓慢的生长速率，并且比低脂质含量的藻类更适用于生物燃料生产过程。虽然大多数藻类具有自养代谢(使用无机碳和光能来产生更多藻类和氧)，但一些物种具有异养代谢(使用有机碳用于能量和生长，使用氧来产生更多藻类和二氧化碳)，而其他具有混合营养代谢(显示出或同时或取决于具体条件的自养和异养代谢)。
大多数商业藻类生产已集中于光合自养物种例如布朗葡萄藻(Botryococcusbraunii)，并且预期由高效藻类塘(HRAP)、光生物反应器(PBR)管或嵌板、或两者的一些组合组成。HRAP是对大气开放、在户外或温室中的浅藻类塘或水沟，并且包括简单的机械混合。HRAP通常由在大得多的占地面积(footprint)中低浓度的具有较低脂质含量的藻类混合培养物组成，对蒸发丧失、污染、通过不希望的藻类菌株的竞争以及被细菌和浮游动物捕食敏感。HRAP是简单的且对于操作具有较低的能量需求。PBR是紧密配置为使在户外或温室中的目光暴露达到最大的封闭式透明管、嵌板或袋。PBR要求混合、流通物抽泵和喷洒对藻类生长可能有毒的过量氧。在比HRAP小得多的占地面积中，PBR产生高浓度的具有更大脂质含量的富集或纯藻类培养物。PBR还阻止蒸发且使污染、捕食和竞争降到最低。PBR是复杂的且需要 比HRAP更多的能量来操作。两种系统均需要补充性碳和/或营养素添加，以充分维持最佳藻类生产。
近期工作已集中于在发酵罐型生物反应器中的生长中的异养藻类。候选菌株数目对于光养性生长少得多，并且包括在小球藻属(Chlorella)、四爿藻属(Tetraselmis)和菱形藻属(Nitzschia)内的某些物种。碳源可为葡萄糖、甘油、乙酸酯、一些或其他碳源、或废碳例如废水中的那种。需要营养素例如氮和磷，并且氧供应是关键的。由于不需要光用于生长，这些系统更容易扩大且更易于操作。培养物浓度可更高，因为光透过不是要素，并且生长速率可更大。很像自养藻类物种那样，可诱导异养藻类物种，以刺激脂质的产生，所述脂质对于生物燃料及其他能量商品的产生是有价值的。异养藻类在有机碳的呼吸期间产生二氧化碳。
由于技术和经济挑战，用于生物燃料能量的藻类生产尚未达到大规模商业化。来自藻类的生物燃料仍是有吸引力的，因为与下一种最高产量的生物质原料(油棕，635加仑/英亩/年)相比较，藻类具有明显更多的潜在油产量(1,000-4,000加仑/英亩/年)。关于商业藻类生产的技术挑战主要与脱水技术的表现相关。藻类生产的操作成本包括碳和营养素的补充也可为很高的。已靶向废碳源(例如来自关于自养生物的发电厂的气体排放的二氧化碳;关于异养生物的工业和城市废水中的有机物)，以降低操作成本且截存碳。关于来自藻类的商业生物燃料生产的技术挑战主要与处理/干燥脱水的藻类且提取脂质相关。已认识到脱水藻类的直接发酵/消化和来自所得到的生物气的发电目前是从藻类中回收能量的最符合成本效益的方法。
期望开发用于废水处理的新系统和方法，其降低或消除关于去除有机物质的氧补充需要。
期望开发用于废水处理的新系统或方法，其降低来自排放至接纳水体的流出物的营养素，例如氮和磷。
期望开发用于废水处理的新系统或方法，其降低来自排放至接纳水体的流出物的金属，例如铬、铜和锌。
期望开发用于废水处理的新系统和方法，其降低能量使用、产生能量来抵消处理的能量需要、或产生比处理所需更多的能量。
期望开发用于废水处理的新系统和方法，其降低或消除废水中的氨硝化的补充氧需要。
期望开发用于废水处理的新系统和方法，其降低或消除通过异养呼吸的温室气体释放。
期望开发用于废水处理的新系统和方法，其增加生物气产生/单位体积的处理废水。
期望开发新的藻类生产系统和方法，其降低或消除关于自养藻类生产的碳补充需要。
期望开发新的藻类生产系统和方法，其降低或消除关于异养藻类生产的氧补充需要。
期望开发新的藻类生产系统和方法，其降低或消除关于自养藻类的氧中毒的可能性。
期望开发新的藻类生产系统和方法，其降低或消除关于异养和自养藻类生产的营养素补充需要。
发明内容
双室生物反应器系统包括主要预期用于光合自养呼吸的生物反应器，主要预期用于异养呼吸的第二生物反应器，以及与两个生物反应器可操作地接触的膜子系统。自养生物反应器包括透明外壁。溶质和气体跨越膜的运输允许通过另一者的一个代谢产物群体的有益使用，同时使群体隔离以确保各自的最佳生长和功能。
本发明还公开了使用双重生物反应器系统用于代谢输入物(例如处理废水和产生藻类)的方法。
