申请日2010.03.31
公开(公告)日2010.10.06
IPC分类号C02F9/14; C02F1/52; C02F3/34; C02F3/32
摘要
自生的废水处理设备减少温室气体、捕获CO2并生产生物体以满足多个关键的环境需要。该设备包括一排旋转介质轮，其创造最佳次序的藻类的混合以维持生长。收获于旋转介质轮的生物体可以提供用于其他处理设备，例如用于生产生物燃料。来自处理设备的废弃的CO2还可以回到处理设备中用于促进藻类生长。细菌提供用于与藻类形成共生关系，通过日光供应燃料以有效地从废水中移除有毒的材料。该多功能的设备还可以集成到再生设备中，其中从藻类和菌落中获得的生物体用于独立的设备，且独立的设备的运行的副产品被多功能设备用以为进一步的藻类生长供应燃料。
权利要求书
1.废水处理设备，包括：
流入通道，用于从源头接收废水;
初级处理系统，包括：
用于容纳通过所述流入通道接收的废水的第一槽;
安装在所述第一槽中的多个旋转介质轮，用于在废水内旋转，且每个包含能够消化废水中的有机碳和呼吸CO2的菌落，并且每个介质轮包括用于支撑藻类生长的表面，所述表面设置用于交替地浸于废水中和暴露于日光中;
空气供应，其设置在所述第一槽的内部，并具有多个出口，所述出口指向所述多个介质轮的相应的一个，以在废水内部旋转所述轮并操作用于为废水曝气;和
初级出口，用于排出在与细菌和藻类接触之后通过所述初级处理系统处理过的排出物;
第二级处理系统，包括：
第二槽，用于接收从所述初级处理系统的所述初级出口排出的排出物;
多个介质轮，每个构建为与在所述初级处理系统中的所述介质轮实质上相同;
空气供应，其设置在所述第二槽的内部并构建为与所述初级处理系统的所述空气供应实质上相同;和
第二出口，用于排出在与细菌和藻类接触之后通过所述第二级处理系统处理过的排出物。
2.根据权利要求1所述的废水处理设备，其中所述初级处理系统包括设置在所述流入通道和所述第一槽之间的初级澄清池，所述初级澄清池可操作用于移除来自废水的生物固体。
3.根据权利要求2所述的废水处理设备，其中所述第二级处理系统包括设置在所述初级出口和所述第二槽之间的第二级澄清池，所述第二级澄清池可操作用于移除来自所述初级处理系统的排出物中的生物固体。
4.根据权利要求3所述的废水处理设备，其中所述第二级处理系统包括在所述第二出口处的第三级澄清池以处理来自所述第二级处理系统的排出物，所述第三级澄清池可操作用于移除来自所述第二级处理系统的排出物中的生物固体。
5.根据权利要求4所述的废水处理设备，还包括在所述第三级澄清池的下游的消毒单位。
6.根据权利要求5所述的废水处理设备，还包括在所述消毒单元下游的曝气单元。
7.根据权利要求4所述的废水处理设备，还包括槽，该槽用于接收通过所述初级、第二级和第三级澄清池提取出的生物体。
8.根据权利要求1所述的废水处理设备，其中每个所述介质轮限定出内部部分，该内部部分与在相应的一个所述槽内的废水连通，所述内部部分包含有非向光性的细菌。
9.根据权利要求1所述的废水处理设备，其中所述初级和第二级处理系统包括由互连的嵌板组成的格子，其限定出多个腔，在腔内可旋转地安装有所述介质轮的相应的一个。
10.根据权利要求9所述的废水处理设备，其中所述格子限定出多排的腔，在每排中的相邻的腔流体连通，以提供废水通过每个排的活塞式流动的方式。
11.根据权利要求10所述的废水处理设备，其中所述格子的每个排限定出九个腔，用于可旋转地接收相同数量的所述介质轮。
12.据权利要求10所述的废水处理设备，还包括空气分配格子，其与互连的嵌板的所述格子相关联，所述空气分配格子包括管，该管与每个所述的排相关联，所述管在每个所述腔处限定出出气开口，用于指引空气旋转与所述腔关联的所述介质轮。
13.根据权利要求1所述的废水处理设备，其中在每个所述初级和第二级处理系统中的所述多个旋转介质轮提供为多排九个介质轮。
14.根据权利要求1所述的废水处理设备，其中所述初级和第二级处理系统容纳在温室内部。
15.根据权利要求1所述的废水处理设备，其中所述初级和第二级处理系统提供在多层设置中，其中所述系统的至少一个槽垂直地支撑在系统的另一个槽的上面。
16.根据权利要求15所述的废水处理设备，其中至少所述槽的最低的那个提供有照明系统，用于为所述槽提供光线。
17.根据权利要求16所述的废水处理设备，其中所述照明系统包括用于收集日光的收集器、用于传送日光的光管和连接到所述光管上的内部照明器具。
18.根据权利要求1所述的废水处理设备，其中至少所述初级和第二级处理系统的一个槽提供有照明系统，其包括多个发光二极管(LED)，用于为所述槽提供光线。
19.根据权利要求18所述的废水处理设备，其中CO2气体和热提供于至少所述初级和第二级系统的一个槽，并与该照明系统结合。
20.根据权利要求18所述的废水处理设备，其中所述照明系统包括紫外光，该紫外光配置用于提供脉冲紫外光到所述槽。
说明书
用于废水生物处理的装置和方法
技术领域
本发明提供用于废水生物处理的多功能的装置和方法。本申请是2007年12月17日提交的申请序列号为11/957,648、题为″用于废水生物处理和利用其中的副产品的系统和方法″的申请的部分延续并要求其优先权，该后面的申请是2007年9月17日提交的申请序列号为11/856,175的申请的部分延续并要求其优先权，该后面的申请要求2006年9月18日提交的第60/845,490号临时专利申请的优先权。
背景技术
从大城市污水处理开始，废水处理显著地发展起来。环境保护规章要求在排放到公共水路之前对来自废水发生器的排出物进行处理。现存的处理方法满足这些规章，但是这些方法产生显著的GHG，并且是复杂、昂贵和能量密集的。当能源成本较低并且不关注气候变化时，基于细菌的处理方法得到了发展。显然那不是今天的情形。当前废水处理技术的两个主要问题是它们大的能耗和大的碳足迹(carbon footprint)。根据美国EPA.的报告，废水处理厂(WWTP)占到整个美国电需求量的3%，并且产生美国所有GHG排放的3.4%。
用于废水处理的两种最广泛的方法是活性淤泥和生物膜系统。在美国有超过16000家WWTP在运行，其中6800家是活性淤泥城市废水处理厂，这要求每处理每百万加仑(MG)需要1.3-2.5MWh的电。在美国有超过2500个城市生物膜系统，其需要0.8-1.8MWh每MG。除了活性淤泥和生物膜系统，在美国有超过5100个水池型废水处理系统。用于水池系统的能量需要典型地较低，为0.4-1.4MWh每MG，但是这些类型的系统不能满足当前直接排放规章要求。水池系统也需要大量的土地并具有大的碳足迹，因为它们在水池底部由于厌氧消化而产生甲烷。为此，一些管理机构将根本不再允许这些类型的系统的存在。管理机构不久也将要求在大多数城市WWTP中移除氮和磷。对于活性淤泥和生物膜系统，氮和磷的移除非常难以实现，并将显著地增加WWTP的资本成本，并增加它们的能量消耗和GHG排放。
传统的废水处理涉及三个处理阶段，称为初级、第二级和第三级处理，然后是淤泥处理。在初级，纸、塑料和大的固体物体通过粗的或精细的机械或人工清洗筛而从废水流中分离。另外的固体、油脂和浮渣通过采用初级澄清池或设计用于替换初级澄清池的机械过滤器而移除。
在传统的第二级，有机材料采用其中固有的水生的且主要地非光养细菌进行消化。第二级处理系统通常分类为生物膜或悬浮生长。生物膜处理方法包括滴滤器和生物转动接触器(RBC)，其中生物体生成在介质上，而污水通过其表面。由于机械问题和阻塞，生物膜系统不能够有效地生长藻类或光养细菌。RBC典型地被覆盖以防止和滴滤器一起暴露于日光下，所述滴滤器大致几何垂直，只有非常小的表面积暴露于日光下。在悬浮生长系统--例如活性淤泥和薄膜生物反应器(MBR)--中，比起处理相同水量的生物膜系统，生物体很好地与污水混合，并且系统能够在较小的空间中运行。然而，如同生物膜系统，悬浮生长系统不能生长藻类或光养细菌，因为系统中保持有高的细菌浓度，典型地认为是混合液悬浮固体(MLSS)集中。
在传统的WWTP中，通过称为硝化作用的另一个基于细菌的处理，氨转化为硝酸盐。该过程可以在″分开的阶段的硝化″过程中或与第二级处理过程结合着进行。
在排放到水体之前，处理过的水最终采用氯化消毒或UV消毒。从废水处理中产生的淤泥累积在淤泥处理槽中，在那里其被有氧或厌氧过程分解。消化之后，淤泥脱水、干燥并拖运到应用的垃圾填筑地或陆地上。在传统的WWTPs中处理的淤泥及其富含能量，需要化学物质进行脱水和淤泥稳定，采用化石燃料处理，并运送淤泥以作最终处置。该淤泥，不管是否运送到应用的垃圾填筑地或陆地，都通过细菌转化为温室气体。应用于陆地的淤泥还通过食物作物的渣滓和药物污染而产生公共卫生危害。几个州和国家正推动完全禁止陆地上应用人类粪便的实践。
第二个关键的环境需要是减少碳足迹，其与传统的废水处理过程和对CO2发生器的CO2的捕获相关。所有传统的废水生物处理和淤泥消化处理将废水中的有机和无机组分转换为温室气体。传统的WWTP简单地将一种形式的污染转换为另一种形式--固体转化为气体。转换的第二级处理过程从细菌呼吸中产生CO2气体。传统的第三级处理从硝化过程中生成氮氧化物(N2O)，一种比CO2有力310倍的GHG(京都议定书)。淤泥消化处理生成甲烷(CH4)，一种比CO2有力21倍的GHG(京都议定书)。
当前用于碳隔离的想法包括将二氧化碳泵送到地下并俘获在藻类系统中。泵送CO2到地下的主要问题在于能量需求，这使得该方法实施中不切实际。另一个问题是冒着气体将从表面逃逸的风险。存在具有证明文件的案例，天然发生的从地下逸出到地面的CO2气体将在邻近地区的所有的人和动物杀死。将CO2泵入地下如同将我们的废物倒入海洋中。对于这样的行动将来可能引起的后果，我们不得而知。
经由基于藻类的系统隔离碳也是不切实际的。当前正试验的多种藻类生产技术中最有效的藻类生产速率为每英亩每年50-100吨的藻类。
大家都知道藻类含大约50%的碳，对于每1.0磅的藻类采用大约1.9磅的CO2生产。还知道的是，1.0磅的煤典型地生成大约2.7磅的CO2。因此，据计算需要1.42磅的藻类去隔离1.0磅的煤燃烧产生的CO2。采用上述最高藻类生产率的话，也可以计算出1.0英亩藻类产生系统每年可以隔离70.4吨煤产生的CO2。根据美国能量情报管理局的报告，当前美国每年耗费11.29亿吨煤。为了隔离这些煤产生的CO2，需要16.03亿吨的藻类，进而需要1600万英亩或25,000平方英里的陆地，或者粗略地等于弗吉尼亚整个州的面积。
另一个关键的环境需要是提供经济合算和可靠的生物质生产系统。由系统产生的生物质可以用作可再生能源生产、化肥及其他有用的产品的进料。对可再生能源的需求已经变得特别急切并成为了普遍关注的主题。例如，基于化石燃料的能量(气和油)被认为是有限的。尽管关于确切地怎样的有限是″有限″的争论不断，许多证据提议全世界的采油量将在2010前后达到顶点，并且供油最早将在2035年结束，而不会超过2060年。然而毫无疑问的是，化石燃料将耗尽。
对于化石燃料有限生命的意识已经推进对于可再生能源的大量研究和开发。许多研究已经致力于替代能源，例如太阳能、风能和生物能。然而，这些替代能源不能成本有效地和可靠地生产电，且看不出具有满足石油类燃料、例如汽油和柴油的需要的短期能力，。八十年代的研究集中在发展基于可再生资源的汽油和柴油，例如基于玉米的乙醇和生物柴油。大多数生物柴油基于五谷，比如大豆，这需要大量的能量用于生长和收获。此外，五谷本身必须致力于生物燃料的生产。
从1980到1996由美国能源部指导的研究将藻类确立为生物燃料的来源。生物燃料可以通过消化藻类生产，得到甲烷或氢燃料，类脂物抽出用于生物柴油，并蒸馏用于乙醇。除了作为生物燃料先行者的优点之外，藻类已经发展用于其他的应用，例如有机肥料，其能被用作通过天然气生产的化肥的替代物。
生物柴油已经由美国能源部(DOE)作为开始于1978年的“水生物种程序(AquaticSpecies Program)”调查的一部分。对该程序的资助在1995年结束，但是对于非可再生化石燃料的担忧促使DOE重启该程序，因为对其用于生物燃料看起来无限和可再生的来源越来越感兴趣。DOE的方法是在产生废弃CO2的工厂附近制造藻类池或″跑道″。废弃的CO2和其他营养物注入到绕着跑道形的水池环绕的水中。在循环水中生长的藻类以CO2为食物。藻类最后从水池中转移经进一步的处理以作为生物燃料。这样，DOE关注的焦点放在了通过再生来自工厂或火力发电厂的废弃的CO2为藻类人工地创造生长环境。当然，该技术一个重要的限制是其受牵制于废弃的CO2的来源。另一个不利是该提议的技术要求大的跑道水池和最终需要的大量土地以支持充足的藻类接收废弃的CO2，以及生产有意义量的藻类以用于生物燃料的生产。由于藻类为了生长要求暴露于日光下，水池必须是浅的，这意味着水池的表面积必须很大以支持藻类群体。大尺寸的水池也意味着有用的″季节″因为水池的凝固而受限于特定的场所和气候。
当前世界上没有藻类生产系统能够替换传统的延时曝气系统并获得相同的处理水平。一些藻类生产系统已经提供在WWTP排出物上，但是其对处理厂厂主提供很少的利益，因为废水已经清洁。事实上，它对厂主造成了主要的责任和风险，因为在特定类型的藻类生产系统中藻类固体潜在的再污染。高速率的藻类水池已经被用于废水处理，但是水池系统不能满足当前规章的排放要求，并且相比于机械的WWTP，需要非常大量的陆地。我们对于当前的藻类生产系统不能用于处置废水的原因是基于这样的事实：藻类不能使用有机碳作为碳源。废水中的碳在进入WWTP时处于有机碳形式，这对于在该点的藻类来说本质上是无用的。有机碳必须首先通过细菌经过呼吸作用转变为CO2。当前的藻类生产系统缺乏生物介质成分用以为发生该转换所需的细菌提供生长方式。
对于在任何类型的水池中生长藻类的另一个问题是，只有水顶部1/4英寸左右的藻类接收到充足的太阳辐射。这样，水池生长藻类的能力受限于其表面积，而非其体积。
藻类为有氧细菌滋长生产必需的氧，细菌生产藻类生长所需要的CO2。为该共生关系供料的仅有的外部输入是日光。该策略首先成功地应用于开放的水污池和湿地处理设备。这些系统具有明显的限制，例如陆地间隔、地理学和地形学、水透明度等等。另外，水污池系统易于藻华，这将超限并阻塞所述系统。这些限制导致在七十年代藻类跑道的发展。藻类跑道本质上是个水槽，其中当暴露于日光下时，富养水允许运行。生成的藻类生物体通过机械装置收获。藻类跑道重要的不利是其要求大的表面积用于充分的暴露于日光下。另外，跑道要求浅水水位以起作用，这固有地限制了可以通过任何特别的跑道设备处理的废水的体积和流动。水池和跑道系统还有一个问题是被动物和昆虫捕食。一些昆虫的幼虫靠藻类为食，并几乎一夜之间可以耗尽全部的藻类产量。
闭环生物反应器已开发用于藻类生产。闭环生物反应器典型地是透明塑料管、塑料袋、塑料薄膜、树脂、玻璃或任何允许光线穿透的材料。闭环生物反应器提议的优点是该系统允许对藻类和生长条件有更多的控制，因为其不向环境开放。闭环生物反应器的一个缺点是，当藻类在容器中增长时，均匀的光线分布整个地下降了，因为光线被藻类吸收了。反应器中最外层的藻类获得太多的光线，而内层的藻类不能获得充足的光线。藻类还生产有机化合物，其罩住闭合的生物反应器并慢慢地减少光线穿透生物反应器的能力。生物反应器材料必须或者清洁或者替换，这增加了工作和更换成本。
当前提议的闭合的生物反应器不能与典型的在煤厂发现的抽风机一起使用，因为反应器的水深，其为鼓风机生成了过高的压头以泵取。在闭环生物反应器中还有另一个问题是气体积累。由于反应器完全闭合，CO2被压缩到生长容器中，气体浓度可以建立到对藻类有毒的水平，而那对设备是不利的。闭环生物反应器的另一个问题是移动水通过系统、尤其是直立的藻类生长系统所需的能量量。泵水通过系统所需的能量的数量超过通过藻类生产所获得的能量。这与乙醇厂遭遇的问题本质上一样，需要耗费比生产的能量更多的能量。热的积累是闭环生物反应器的另一个问题。最终，闭环生物反应器代替传统的废水处理过程是脆弱的。
发明内容
本发明解决废水处理、GHG排放减少与藻类和生物质生产中的这些挑战。
本发明满足多种关键的环境需要，包括废水的能效处理、由传统的废水处理过程产生的温室气体(GHG)的减少、对来自CO2发生器(CO2 generators)的CO2的捕获，和用于可再生能源、化肥、饲料添加剂、生物塑料、化妆品、药物、织物、生物燃料的生物质生产及其他应用。
本发明的一个主要目标在于提供多功能的设备，其能够用于处理废水，减少来自废水处理的温室气体，俘获来自CO2发生器的CO2，并生产有价值的生物体用于能量生产及其他应用。单个设备用于从废水处理产生收益来源、碳信贷和生物体/生物燃料的销售。该发明提供超过其他可再生能源系统、例如风能、太阳能及其他生物体系统的重要的优势，因为由该系统生产的生物体/能量是废水处理过程的副产品。
作为废水处理系统，本发明的一个目标是这样提供模式转移，使得废水处理可及。在废水处理中当前的精神是″使用能量去处置废水″。本发明提供装置以″使用废水生成能量″。根据本发明的一个特征，该废水处理系统围绕藻类生物体的生产，其采用各种多水的营养物来源，包括但不限于农业、工业、市政及其他废水来源。藻类生物固体副产品然后提供用于产生生物燃料、化肥和动物饲料添加剂的原料。
当前的废水处理系统使用细菌处理废水。细菌需要大量的氧用于呼吸、消化和分解废水中的有机和无机化合物。用于驱动该过程的所有能量通过电力吹风机、水泵和/或机械曝气器提供。本发明采用藻类提供大多数通过光合作用处理所需的氧，这显著地减少了提供处理所需的外部能量。
进一步的目标是利用细菌消耗和消化废水中的固体，典型地认为是挥发性固体的毁灭。由于所述固体是一种能量，而在先的系统利用能量去毁坏固体，这些在先的系统本质上是“使用能量以毁坏能量”。水环境研究基金(WERF)已经指出，废水包含的能量比处理它所需的能量多出10倍。本发明不但保持废水的能量的生活力(viability)，还通过生物质生产创造出额外的能量，该生产由藻类和光养细菌通过光合作用利用太阳能而获得。
传统的废水生物处理方法产生的生物体(淤泥)的数量是进入工厂的有机成分的正函数，因为用于这些方法的细菌是非光合的，而只利用有机碳。传统的WWTP不能生产出比可以从该有机材料中产生出的更多的生物体。传统的废水处理过程是如此能量密集，以致产生的淤泥不能创造能量以运行工厂，从而当前在离开格子、废水处理厂后不能够实现自生。然而本发明提供生产充足的生物体的能力，以不仅运行工厂，而且生产多余的生物体用于工厂外面。这是通过经由光合作用利用太阳能以生长藻类和光养细菌而实现的，并且因为通过藻类，用于氧化废水所需的能量显著减少。
本发明的重要特征是在非常浅的水深中氧化废水的能力，这是由于结合了藻类氧化水的能力和藻类介质轮旋进废水并从中出来的转动。根据本发明某些实施方式，在介质轮槽中通常的工作深度大约是15英寸。另一方面，传统的基于细菌的废水处理厂要求更大的水深以获得相同的氧化水平，因为它们利用空气扩散器，这需要深的槽以进行有效的氧传递。例如：在活性淤泥曝气槽中典型的水深是15英尺。这在吹风机上产生大的工作压头，从而需要采用能量密集的离心机或容积式吹风机。传统的曝气槽也是深的，并造成非常危险的工作条件。本发明提供浅的工作深度，这排除了危险的工作条件。
在一个实施方式中，系统输入的是通过各种来源获得的包含生物及其他废弃物的废水。本发明的系统预期使可变容量的废水进入系统中，例如可能出现在市政、农业和工业废水处理工厂中。在本发明过程中的第一步，原废水机械地过滤以除去固体，例如塑料、碎屑和大的固体物质，它们可以以传统的方式处理，例如发送到垃圾掩埋场，或者可以添加到产生的生物体中。
当原废水到达WWTP时，有机化合物的能量值处于其最高水平。有机化合物或挥发性悬浮固体(VSS)通过传统处理方法的生物分解事实上减少和破坏了废水的能源潜力。运行工厂所需的能量也是发送到处理过程的有机化合物的数量的正函数。另外，藻类不能利用有机碳，该有机碳是碳在进入WWTP时所处的形式。它必须首先通过细菌经过呼吸作用转变为CO2。这需要额外的能量。因此，有利的，在生物处理之前，从废水中尽量多的移除有机材料，以保存能量值并减少设备用于处理有机碳的能量需要。传统的初级澄清池可用于减少生化需氧量(BOD)和原废水中总的悬浮固体(TSS)，各自减少30%和70%。传统的初级澄清池方法还可以通过化学地提高初级处理(CEPT)而改进。采用CEPT，BOD和TSS的移除比率可以分别提高到57%和85%。专门设计用于替换初级澄清池的机械渗流单元也可以用于移除处于工厂头部的有机化合物，如果陆地间隔是问题的话。
然后初级澄清池排出物流向初级藻类介质轮。进入初级介质轮的废水是养分的水溶液，其促进细菌和藻类的生长。各个介质轮有设计用于非光养细菌生长的内部生物介质和暴露于日光下的外表面，该日光支持藻类和光养细菌。这样，根据本发明系统和方法的一个方面，该载有养分的废水通过介质轮的内部生物介质，该废水易接受不同的细菌种类，使其利用适当的环境和有效营养成分。细菌进行各种生物处理，或者将养分吸入生物体中，或者把养分改变为较少环境毒性的形式。通过在介质轮生物介质中的细菌促进的一种生物反应是：
(CH2O)x+O2→CO2+H2O
其中，(CH2O)x表示经由废水来源引入的有机物质的生化需氧量(BOD)。
在一个实施方式中，初级介质轮包括回转轮结构，其提供用于藻类和光养细菌菌落的表面。该旋转介质轮系统促进了下列通过光合作用发生的生物反应：
CO2+2H2O+太阳能→(CH2O)x+O2+H2O
其中，(CH2O)x表示固定在藻类生物体中的有机物质。本发明系统以在藻类和细菌之间的有益的共栖为资本，其结果是形成了生产生物体的成本低廉的方法。细菌依靠由藻类生产的O2的存在，而藻类依靠由细菌生产的CO2的存在。细菌和藻类群体在初级介质轮中的生长导致对来自废水源的BOD(生化需氧量)的减少，和悬浮固体、氮、含磷物及其他养分的减少。因为藻类在其对养分的光合吸收中利用太阳能，本系统的旋转介质轮有意暴露于日光下，以利用该自由能源。净效果是对于生产细菌和藻类生物体是有效的环境，这在其他用于处理废水的系统中未有发现。
初级介质轮的排出物然后传送到第二级澄清池用于除去在初级介质轮中产生的生物体。第二级澄清池的排出物然后传送到分开阶段的第二级介质轮系统，用于进一步的废水处理、GHG的减少和碳俘获及生物质生产。
该第二级介质轮可以是和前面所述的初级介质轮相同的。然而，废水必须在两个清楚地分开的介质轮过程中处理，以实现满足规定要求的想要的废水处理。
和在初级介质轮一样，排出第二级介质轮的水因而包含一定百分比的藻类和细菌固体(生物体)。然后，生物体采用传统的第三级澄清池从处理过的水中分离出。然后澄清的排放水可以灭菌并直接地排放到受纳水流中，根据规章的要求应用于相邻的土地或再利用于其他目的。
旋转介质轮具有肋片用于捕捉空气以旋转该介质轮，以及提供增加的表面积用于额外的藻类和光养细菌的生长。介质轮总的几何形态和肋片可以提供总的藻类生长表面积，其比该轮的二维足迹超出7.6倍。该介质轮通过从吹风机注入空气到在位于每个介质轮下方的空气管中的孔中而旋转。利用注入空气驱动旋转介质轮排除了对机械驱动机构的需要，后者具有当生物体积聚在旋转介质轮表面上时导致失效的可能。介质轮的转速根据每个介质轮隔间中的水深进行调节。特别地，转速得到控制以防止藻类的光抑制并提供有序的混合，其中藻类暴露于高光子通量密度(PFD)和低PFD或黑暗的交变循环。注入的空气也用于添加O2到水溶液中，这对于在槽中的细菌和藻类共同体的生物进程的使用是必需的。此外，由注入的空气在槽中产生的湍流引起载有固体的藻类得以脱离并进入水流中通过系统。通过系统的连续流携带着自由的藻类粒子和任何被藻类收集的固体，流向系统的出口端。
吹风机用来旋转介质轮，而空气分布管格子设计用于均匀地传送和分配空气到每个介质轮。这使本发明相对于其他藻类生产系统带来了重要的优势，因为CO2排气可以有效地和均匀地分配给横跨整个生长区域的藻类。其也允许废热随着CO2均匀地传送到整个藻类/细菌生产系统，以最佳地加热寒冷气候中温室里面的废水和空气。此外，介质轮的槽中的水深维持在15英寸。这个浅水深度允许采用再生的吹风机(regenerative blower)，这比离心机和容积式吹风机需要少得多的能量以进行运行。该浅水深度也允许典型的用于煤层植物的空气传送设备也用于传送空气到介质轮系统。
本发明的另一目的在于提供能生产大量易于脱水的生物体的废水处理方法和装置。在本发明的还有一个方面中，事实上本生态学和生物处理方法的所有副产品用于其他处理。例如，在一个方面，由于藻类和细菌在旋转介质轮上生长，藻类和细菌菌落被从旋转介质轮上去除。装载固体的藻类和细菌菌落的有效去除是通过横跨介质轮生长表面的空气和水流自动完成的。生物体沉积在第二级和第三级澄清池的底部。然后该生物体可以从澄清池中除掉以进一步处理为生物燃料、化肥等等。
基于藻类的生物体还可以用于可再生能源系统。从整个工厂获得的生物体可以干燥并热处理，作为发电处理的一部分。大多数种类的热处理可以采用藻类生物，包括直接燃烧、气化和高温分解。热处理的副产品，比如灰和CO2，可能回馈到介质轮中以提高和优化处理过程和额外的藻类生物体的生长。当该方法持续时，循环回到处理系统的热处理的副产品超出系统的需要，此时额外的处理系统可以投入运行。额外的系统生产额外的生物体，这同样地可以热处理用于发电。当热处理的副产品循环回到系统中时，进一步的处理系统可以投入运行，直到达到要求的平衡点。
本发明将其与现有技术所谓的″可再生″能源系统进行区别，因为本发明的系统是真正的“可再生”。不同于乙醇和生物柴油工厂，后者采用比它们创造的还要多的能量，本发明不仅生产充足的生物体以生产自生所需的能量，而且生产额外的生物体用于设备外面。
本发明还提供极其有效的方法，以独特和新颖的方法用于显著地减少或排除煤电厂的碳足迹。这是通过生产可再生的进料以替换化石燃料或″燃料开关″而实现的。如上所述，隔离和存储煤燃烧中排放的所有CO2是不切实际的。更加实际的是替换煤。本发明首先通过生产“绿色煤”而排除了化石燃料煤中CO2的生产，使得在热处理时没有碳足迹。利用传统的WWTP生产“燃料开关”是不切实际的，因为传统的WWTP采用比其生产的生物体能够创造的能量更多的能量，并且其不能通过光合作用创造额外的生物体。同样地，利用传统的藻类生产系统，比如光生物反应器、水池或跑道系统也是不切实际的，因为其缺乏来自细菌的生物体。只有通过细菌和藻类生物体的结合，如同本发明所提供的，生产″燃料开关″才变得实际。
本发明还提供经济合算的和有效的捕捉从CO2发生器、例如煤厂排放的CO2的方法，因为废水典型地是有碳限度的。在废水中发现的藻类包括碳∶氮∶磷混合物，典型地，C∶N∶P的比率是50∶8∶1。废水典型地具有20∶8∶1的C∶N∶P比率。因此，碳在利用废水的藻类生长中是限制因素，这出现了添加更多的碳，特别地，CO2到废水中的机会，这不但捕获碳，还增加系统的处理效率。如同成分所表明的，藻类生物体可以通过在废水中添加CO2而增长一倍以上。
包括有介质轮66作为处理装置的小城市废水处理厂如图4所示那样构造，并且如同这里更加详细的描述那样。获得了0.25磅/介质轮/天的平均藻类生物质生产比率，这等于662.5吨/英亩/年，或是最有效的藻类生产系统的生产率的6倍以上。还注意到，0.25磅/介质轮/天的生产率没有因CO2提高。基于藻类研究，采用CO2富集的话，可以预料生产率将显著地增加。美国EPA估计，有16,225家废水处理厂在运行，每天处理400亿加仑的废水。基于保守的生产率，每年可以从执行本发明的美国处理厂产生2190万干吨(dry ton)的高BTU值藻类生物体。每干磅(dry pound)的藻类和未消化的淤泥生物体具有大约10,000BTU的BTU值，这等于典型的煤BTU值。因此，如果美国将所有的废水处理厂转换为本发明的藻类处理系统，通过这些设备生产的联合的生物体将替代美国每年所消耗的10.46亿吨煤中的大约2%。本保守估计没有包括从CO2补充中将产生的额外的生物体。将其与EPA估计的800万干吨的相对较低BTU值的基于细菌的淤泥作比较，这是当前每年所生产的。
本发明还基于废水处理方法在现存的细菌之上提供改进的固体移除。藻类飞速生长，捕获悬浮固体并移除溶解的有机质，利用这两类材料作为食物。通过光合作用，有机材料通过藻类转变为新的化合物，而氧得以释放。该氧氧化污水固体，引起淤泥分离和压缩。藻类丝的凝结效应和氧化效应一起产生重的密集的藻类质量，其容易地沉积或移除，产生清洁的排出物。
本发明还基于废水处理方法在现存的细菌之上提供改进的营养物去除。当前使用细菌的处理厂排放硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐等等到自然水体中，用于通过自然存在的植物和动物生命稀释和持续处理。可以认识到，废水中这样的硝酸盐和磷酸盐已经日益变成一个问题，因为它们引起大量藻类在我们的湖泊和河流中大量增长。本发明只以其天然的矿质元素更加接近地实现排放废水要求的功能，因为其采用生死循环的植物生的部分，而代替死的和衰退的部分。硝酸盐、磷酸盐和他们的前身是植物养料，并且这样通过光合作用被藻类吸收。藻类可以比其被细菌处理快得多地代谢氮和磷。处理更加完全和快速，因为使用细菌的处理方法是基于腐烂的，而藻类处理是一种有机物质到活的健康的植物生命的转换。
前述目的通过有介质轮创造的共生关系和环境运行条件而在本发明的实践中实现。在优选的实施方式中，废水处理、GHG减少和捕获、以及生物质生产通过这样的方式实现：提供介质轮，该介质轮用于活的光养和非光养细菌和藻类的生长，和装置，该装置用于移动该介质轮通过所述废水并使得藻类和光养细菌暴露于光下，使得有充分的时间用于保持光养细菌和藻类的生长。从藻类和介质轮进出水的转动而产生的氧将保持非光养细菌的生长。处于串联和分开阶段的多个介质轮提供用于废水必要的处理水平、捕获GHG并生产生物体。部分介质轮在废水水面上面处理以提供曝光，并通过其旋转以从大气和藻类中传送溶解的氧到废水中。藻类通过其淹没并通过经由离心力在其上的蓄水而维持湿的条件。藻类还必须提供有充分的光，或者是直接的自然界的日光，或者是经由纤维光学传送的日光，以维持藻类生长。在寒冷气候中，介质轮装入在温室中，以保护藻类和细菌避免凝固或接近冻结温度。
在本发明实践中采用的藻类是自然地存在于污水中的类型。这样的藻类都是具有延长细丝和微藻类的细丝状的类型。丝状藻类表面涂有粘性的粘液，其捕捉和保持固体颗粒，包括胶体微粒。当介质轮旋转通过废水时，装载有污水固体的细丝颗粒通过旋转介质轮的空气和对着介质轮肋片的液体的冲刷作用而破碎。捕获在这样的藻类细丝上的污水固体在每个细丝从藻类支持床上破碎之前可以保持数小时，而淤泥最终的质量以粗糙、沉重和很好地氧化的形式沉淀。
在某些实施方式中，每个介质轮内部的一半可以包括用于非光养细菌生长的生物介质。这些非光养细菌氧化废水中的有机碳，并将其转换为CO2用于藻类。
在晚上，光合作用可以持续，如果供给人造光的话。然而，这对于在介质轮系统中维持适当的含氧量用于光养性的和非光养性的有机体连续二十四小时的生长和呼吸不是必需的。在日间，藻类浸透含氧的水。在晚上，当藻类呼吸时，含氧量下降但是不低于3-4mg/l，如在小规模的介质轮试验性的测验中所证明的。介质轮进出水的通风和转动为水提供充足的氧化以保持介质轮环境条件最佳，以用于每天24小时，每年365天的生物活性。通风和转动也提供用于良好的气体交换，并防止像闭环光生物反应器那样气体的积累。
在寒冷气候利用废水作为生长藻类的方法是有利的，因为进入WWTP的废水全年典型地在50-70°F之间。利用藻类和细菌处置废水也是有利的，因为在处理过程中生物有机体更加地不同，这增加了系统经受水力和有机冲击的稳定性和可靠性。
