申请日2010.03.19
公开(公告)日2012.05.02
IPC分类号C02F3/30; A01K63/00
摘要
废水处理方法(200)包括向曝气生物反应器(202)供应具有供趋光异养微生物种群(204)使用的营养物的废水进水(206)的步骤。将至少一部分营养物转化成该趋光异养微生物种群(204)。废水进水(206)和趋光异养微生物(204)一起构成生物反应器流出物(210)，将其转移至光澄清池(212)。在光澄清池(212)中浓缩该生物反应器流出物(210)以形成低固含量流出物(216)和高固含量流出物(214)。通过曝露在强度和波长中的至少一项足以使该趋光异养微生物种群(204)移离光源的光下而诱使该趋光异养微生物种群(204)趋光自浓缩来进行该浓缩。
权利要求书
1. 废水处理和生物质培养方法，该方法包括下列步骤：
提供承载趋光异养微生物种群的曝气生物反应器;
向该曝气生物反应器供应具有供该趋光异养微生物种群生长的营养物和有机碳底物的废水进水;
培养该趋光异养微生物种群以将至少一部分该营养物和该有机碳底物转化成该趋光异养微生物种群，该废水进水和该趋光异养微生物种群一起构成生物反应器流出物;
将该生物反应器流出物从该生物反应器转移至光澄清池;
在光澄清池中浓缩该生物反应器流出物以形成低固含量流出物和高固含量流出物，通过使该趋光异养微生物种群曝露在强度和波长中的至少一项足以使该趋光异养微生物种群移离光源的光源下而诱使该趋光异养微生物种群趋光自浓缩来进行该浓缩，其中使该趋光异养微生物种群浓缩以形成高固含量流出物;
将高固含量流出物脱水形成浓缩生物质糊;和
加工低固含量流出物以形成处理过的水流。
2. 权利要求1的废水处理方法，进一步包括将第一部分该高固含量流出物转移至该生物反应器以及进行脱水第二部分该高固含量流出物和干燥第二部分该高固含量流出物中的至少一项以提供浓缩生物质糊的步骤。
3. 权利要求1的废水处理方法，其中将该高固含量流出物脱水的步骤包括离心、压带或加热螺杆压制该高固含量流出物中的一种。
4. 权利要求1的废水处理方法，进一步包括水解该生物质糊和将该水解糊转化成乙醇的步骤。
5. 权利要求1的废水处理方法，其中该趋光异养微生物是表现出负趋光性的趋光原生生物和趋光藻类之一。
6. 权利要求5的废水处理方法，其中该趋光异养微生物是眼虫。
7. 权利要求1的废水处理方法，其中该废水进水包括足以生长趋光异养微生物种群的生物需氧量(BOD)、氮浓度和磷浓度。
8. 权利要求1的废水处理方法，其中用包括甘油和生物柴油副产物中的至少一种的第二碳源补充该废水进水。
9. 权利要求1的废水处理方法，其中通过酸分馏、碱分馏、高压分馏和机械分馏中的至少一种来将该生物质糊分馏以形成裸藻淀粉馏分和非裸藻淀粉馏分。
10. 权利要求9的废水处理方法，其中非裸藻淀粉馏分包括蜡-酯馏分。
11. 权利要求1的废水处理方法，进一步包括调节生物反应器流出物的pH以使趋光异养微生物种群的生长优于竞争微生物的生长的步骤。
12. 权利要求1的废水处理方法，其中趋光异养微生物种群曝露在其下以导致自浓缩的光源具有大约400纳米至大约550纳米的波长。
13. 权利要求1的废水处理方法，其中该趋光异养微生物在曝气生物反应器中的同时曝露在另一光源下，所述另一光源的强度和波长的至少一项足以促进该趋光异养微生物种群的生长。
14. 培养生物质的系统，包括：
承载趋光异养微生物种群并构造成接收具有供该趋光异养微生物种群生长的营养物和有机碳底物的进水流的曝气生物反应器，该进水流和趋光异养微生物种群一起构成生物反应器流出物。
15. 权利要求14的系统，进一步包括与该曝气生物反应器流体连通的光澄清池，该光澄清池构造成接收生物反应器流出物和使该趋光异养微生物种群曝露在强度和波长中的至少一项足以导致该趋光异养微生物种群移离光源的光源下，其中使该趋光异养微生物种群浓缩来形成高固含量流出物和留下低固含量流出物。
16. 权利要求15的系统，其中光源包括紧邻该光澄清池设置并提供强度和波长中的至少一项足以使该趋光异养微生物种群自浓缩的光的人工照明系统，且其中该系统进一步包括紧邻该曝气生物反应器设置并在曝气生物反应器中提供强度和波长中的至少一项足以促进该趋光异养微生物种群的生长且不会使该趋光异养微生物种群自浓缩的另外的光的另外的人工照明系统。
17. 权利要求14的系统，进一步包括与该曝气生物反应器流体连通的pH控制器，该pH控制器构造成调制该生物反应器流出物的pH，所调节的pH有助于该趋光异养微生物种群的生长和抑制竞争微生物的生长。
18. 权利要求14的系统，进一步包括生物质浓缩子系统，该生物质浓缩子系统包括溶解子系统、絮凝子系统、膜过滤子系统和溶气浮选子系统中的至少一种以从该生物反应器流出物中分离出包括该异养微生物种群的固体和液体。
19. 生物质培养方法，该方法包括下列步骤：
提供承载趋光异养微生物种群的曝气生物反应器;
向该曝气生物反应器供应具有供该趋光异养微生物种群使用的营养物和有机碳底物的进水流;
培养该趋光异养微生物种群以将至少一部分该营养物和该有机碳底物转化成该趋光异养微生物种群，该进水流和趋光异养微生物种群一起构成生物反应器流出物;和
下列至少一项：
在光澄清池中浓缩该生物反应器流出物以形成低固含量流出物和高固含量流出物，通过使该趋光异养微生物种群曝露在强度和波长中的至少一项足以使该趋光异养微生物种群移离光源的光源下而诱使该趋光异养微生物种群趋光自浓缩来进行该浓缩，其中使该趋光异养微生物种群浓缩形成该高固含量流出物，
用碱处理该生物反应器流出物以形成该低固含量流出物和该高固含量流出物，其中该碱溶解该生物反应器流出物中的至少一部分异养微生物种群，且其中溶解的异养微生物种群沉淀以形成该高固含量流出物，
将絮凝剂引入该生物反应器流出物中以诱使至少一部分异养微生物种群的快速沉降以形成低固含量流出物和高固含量流出物，
经由膜过滤器过滤该生物反应器流出物以除去至少一部分趋光异养微生物种群以形成该低固含量流出物和该高固含量流出物，
通过熔气浮选将该生物反应器流出物分离成该低固含量流出物和该高固含量流出物。
20. 权利要求19的生物质培养方法，进一步包括脱水该高固含量流出物和干燥该高固含量流出物中的至少一项以形成浓缩生物质糊的步骤。
说明书
通过趋光异养微生物生长处理废水的系统和方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求2009年3月20日提交的美国临时专利申请No. 61/161,787的权益。上述申请的整个公开内容经此引用并入本文。
发明领域
本公开涉及废水处理系统和方法，更特别涉及使用异养微生物种群的废水处理系统和方法。
发明背景
现有技术状况的细菌基废水处理系统和方法100显示在图1中。系统和方法100包括提供废物源102，如城市下水管道。来自废物源102的废水流104具有不合意的生物需氧量(BOD)和高氮和磷浓度。这种废水流还可能具有其它不合意的化合物，大致分类为金属、神经毒素或内分泌干扰化合物。
来自废物源102的废水流104通常经过初级处理106，其中废水流104流经大池(large tanks)，常称作“初级澄清池”或“初级沉淀池”。初级处理106前可存在预处理(未显示)，其中在它们到达初级澄清池前例如通过筛分除去容易从废水流104中收集的材料。初沉阶段的目的是产生能够生物处理的大致均匀的进水和可以单独处理和加工的初沉污泥(未显示)。初级澄清池通常配有不断地将收集的污泥110驱动至池底的料斗的机动刮刀，可以从此处将收集的污泥110泵送至进一步污泥处理阶段。有时可以从漂浮物中回收油脂以在初级处理106过程中皂化。
来自初级处理106的流出物108变成二级处理步骤112的进水108，其设计成基本降解进水108的生物内容物。在一个具体实施方案中，通过使用需氧菌从进水108中生物除去有机体的活性污泥法处理进水108。在由氧输入，通常由鼓泡曝气提供的需氧条件下，细菌消耗有机体，同时生成新生物质和二氧化碳。在活性污泥工艺过程中，细菌生长倾向于形成大聚集体或絮凝物。在一个具体实施方案中，这些絮凝物可能沉降到附加二沉池的底部，在此细菌絮凝物变成活性污泥。这种污泥可以泵送至进一步污泥处理阶段或泵送回需氧处理阶段以助于消耗更多有机体。
进水108可随后经过旨在除去一部分残留氮和磷的三级处理116。可以在三级处理116过程中添加碳源118，如甲醇流120以助于反硝化工艺，其中将氨转化成亚硝酸盐并最终将硝酸盐转化成氮气。在一个具体实施方案中，添加化学进料，如硫酸铝或铁盐以与磷结合和形成在重力沉降器中沉降出的絮凝物。
在进水108的三级处理116后，可以进行消毒处理122以产生用于释放到环境126，如河流中的处理过的流出物124。消毒处理122的目的是基本减少微生物，如需氧菌的量以排放回环境126中。消毒的效率取决于处理的进水108的品质(例如浊度、pH等)、所用的消毒类型、消毒剂剂量(浓度和时间)和其它环境变量。
常规废水处理法，如上述细菌基废水处理系统和方法100中的营养物去除已知是低效的。例如用化学絮凝剂和离心机从废水流104中除去有机固体特别成问题。
也已知在废水处理中使用水生微生物，如藻类。在授予Wexler等人的美国专利No. 6,465,240和授予Haerther等人的美国专利No. 6,896,804中描述了在废水处理中使用藻类的特定系统和方法，其整个公开内容经此引用并入本文。Wexler等人公开了通过使废水流相继与原核微生物聚生体，优选紫色非硫细菌，接着绿藻小球藻属接触来处理废水流的方法。原核微生物聚生体同化第一部分废水，绿藻同化其余部分废水以产生基本纯化的流出物流。Haerther等人公开了用于废水的需氧处理的系统和方法，其包括不断引入微藻。微藻产生的高量氧满足处理法中的BOD并也能够氧化不合意的污染物。使用藻类的这些已知系统和方法需要光合作用以使藻类生长和处理废水。
Nakajima等人在A Photo-Bioreactor using Algal Phototaxis for Solids-Liquid Separation, Wat. Res. 第25卷, No. 10, 第1243-1247页, 1991中描述了用于废水处理的另外的藻类基础的系统和方法，其整个公开内容经此引用并入本文。Nakajima等人利用小眼虫的正趋光性特征从废水中分离藻类生物质，接着由小眼虫从废水中除去营养物。
使用此类方法在废水中生成可再生生物质是困难的。具体而言，大多数藻类需要大量自然光驱动光合作用和培养生物质。也难以在储槽或池中将藻类种群局限于单类藻和防止其它微生物竞争。由于用于废水处理的水生生物的通常小细胞尺寸和藻类生物质的相对稀浓度(例如通常远小于1%固体)，从培养生物质的含水环境中分离生物质也是困难的。
仍然需要用于处理具有高BOD和高氮和磷浓度的高强度废水的系统和方法，其产生可用作乙醇生产或其它生物能生产的原料的有价值的生物质副产物。还需要也优化微生物生物质收获的系统和方法。合意地，该系统和方法可用作工业废水生产者或城市废水处理厂的预处理以从废水流中永久除去BOD、氮和磷。
发明概述
根据本公开，令人惊讶地发现用于处理具有高生物需氧量(BOD)与高氮和磷浓度的高强度废水的系统和方法，其产生可用作乙醇生产或其它生物能生产的原料的有价值的生物质副产物，也优化微生物生物质收获(harvest)并可用作工业废水生产者或城市废水处理厂的预处理以从废水流中永久除去BOD、氮和磷。
在一个示例性实施方案中，本公开的系统和方法解决废水处理领域中已知的至少两个问题。首先，极高资本和运行成本妨碍生产藻类作为生物质原料。这主要归因于藻类塘或生物反应器具有相对较稀的生物质浓度的事实，因为藻类通常依赖日光生长。这导致通过离心机或其它方法收获生物质更难和非常能量密集。第二问题在于，现有废水处理厂利用细菌降低营养物和BOD浓度。在一些情况下，并未从水中除去所有营养物，尤其是氮和磷，并需要额外步骤除去剩余营养物。
本废水处理系统和方法利用使用表现出负趋光响应的异养微生物种群代替常规细菌的生物反应器。该趋光异养微生物除去营养物并将废水中存在的有机碳转化成更高价值的生物质，其可进一步加工成产品，如生物燃料、生物能、生物塑料、生物肥料、动物饲料和营养/药物成分。该趋光异养微生物在废水中的有机碳上异养生长并且不依赖日光生长，这允许在生物反应器中累积高得多的生物质密度。该趋光异养微生物当曝露在充足光下时也可以或不可光合生长，但它们具有在营养物满载(nutrient- laden)条件中异养生长的能力。提高的生物质密度也实现高得多的收获由趋光异养微生物形成的生物质的效率。
并非每一类型的趋光异养微生物都很适合在高营养环境中生长。但是，一些物种，包括眼虫生长极好并常见于高污染地区。眼虫是类似于藻类的一类原生生物，但具有若干使得它们的应用特别有利于综合废水和生物燃料生产工艺的固有差别。
眼虫的优点之一在于它们能在多种有机碳底物，包括醇和单糖上以比通过自养(光合)生长快的速率异养生长。基于表面积，异养微生物生长可保守实现比单独使用日光可能达到的收率高数倍的生物质收率。另外，眼虫产生类似于淀粉的被称作“裸藻淀粉(paramylon)”的独特储碳产物(carbon storage product)。这种储碳产物可占细胞干生物质的超过70%，使得眼虫成为可大量生长的有吸引力的有机体用于产生可转化成生物燃料、生物能、生物塑料和营养/药物成分的碳水化合物。通过用弱碱溶液(KOH、NaOH等)溶解细胞来非常容易地分离裸藻淀粉储存产物。由于裸藻淀粉比其余细胞材料密得多，裸藻淀粉快速从溶液中沉降出并有利于收获裸藻淀粉。
此外，眼虫是趋光的并可以移向(即正趋光性)或移离(即负趋光性)光。这造成自然富集机制，使得生物质的收获更有效。眼虫的负趋光性迄今尚未用于眼虫的富集和收获。
眼虫细胞在大、深(>1米)的曝气盆(aerated basin)或生物反应器中生长。向该生物反应器中连续加入以高BOD、高总氮浓度和高总磷浓度为特征的高强度废水以供应营养物和有机碳底物。对酿酒厂流出物情况而言，大量BOD含量(大约2000毫克BOD/升)由眼虫可消耗的有机底物构成。最多大约30%的可消耗BOD随后转化成眼虫生物质，其余BOD被呼吸。氮和磷类似地吸收到眼虫生物质中。通常，每生成100千克眼虫生物质，从废水中除去大约5-10千克氮和大约0.5至2千克磷。
基于啤酒厂或乙醇酿酒厂(ethanol distillery )流出物的BOD、氮和磷浓度(>2000毫克BOD/升)，在大约1至2天的水力停留时间下，眼虫生物量容易达到0.5克/升(作为细胞的干重量)。然后从该生物反应器中移出的所得液体随之具有大约0.5克/升或大约0.05%固体的眼虫生物质密度。该稀浆料需要浓缩至至少大约20%固体以经济可行地将该眼虫生物质运输至更高价值生物质加工。
可以以多种方式实现眼虫生物质的初始浓缩步骤。在第一实例中，用弱碱(例如大约0.1 M NaOH或KOH)处理稀(0.05%固体)浆料以溶解眼虫细胞。随后将处理过的浆料输送通过工业规模澄清池，在此致密固体从悬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虫藻属的负趋光能力诱使细胞自浓缩。这也可以在改良澄清池中实现，在此在澄清池顶部引入强光并诱使细胞远离(向下)光游动，由此实现与仅通过重力或借助化学絮凝简单地使细胞沉降类似的目标。第三替代方案不是新颖的发明，其使用非化学絮凝剂，如壳聚糖诱发快速沉降。
初始浓缩步骤产生可接近20克/升(即2%固体)的浆料。在此浓度下，将该浆料离心至20%固含量不会过度资本密集或能量密集。所得20%固含量浆料在离心后类似稠糊，这种眼虫生物质可以经济地运输至场外设施以加工成生物燃料、生物能、生物塑料、生物肥料、动物饲料和营养/药物成分。裸藻淀粉可以化学水解成葡萄糖，且可以在运输到乙醇酿酒厂之前根据该设施的原料需求完成这种步骤。
在一个实施方案中，废水处理方法包括下列步骤：提供承载趋光异养微生物种群的曝气生物反应器;向该曝气生物反应器供应具有供该趋光异养微生物种群使用的营养物和有机碳底物的废水进水;将至少一部分营养物和有机碳底物转化成该趋光异养微生物种群，该废水进水和趋光异养微生物一起构成生物反应器流出物;将该生物反应器流出物从生物反应器转移至光澄清池;在光澄清池中浓缩该生物反应器流出物以形成低固含量流出物和高固含量流出物，通过使该趋光异养微生物种群曝露这样的光下而诱使该趋光异养微生物种群趋光自浓缩来进行该浓缩，该光的强度和波长中的至少一项足以使该趋光异养微生物种群移离光，其中使该趋光异养微生物种群浓缩形成高固含量流出物和留下低固含量流出物;将该高固含量流出物脱水以形成浓缩生物质糊;和加工低固含量流出物以形成处理过的水流。
在另一实施方案中，处理废水的系统包括曝气生物反应器和光澄清池。该曝气生物反应器承载趋光异养微生物种群。该曝气生物反应器构造成接收具有供该趋光异养微生物种群使用的营养物和有机碳底物的废水进水。该废水进水和趋光异养微生物种群一起构成生物反应器流出物。光澄清池与该曝气生物反应器流体连通。该光澄清池构造成接收生物反应器流出物和使该趋光异养微生物种群曝露在这样的光下，该光的强度和波长中的至少一项足以使该趋光异养微生物种群移离光源。使该趋光异养微生物种群浓缩形成高固含量流出物和留下低固含量流出物。
在另一实施方案中，生物质培养方法包括下列步骤：提供承载趋光异养微生物种群的曝气生物反应器;向该曝气生物反应器供应具有供该趋光异养微生物种群使用的营养物和有机碳底物的进水流;将至少一部分营养物和有机碳底物转化成该趋光异养微生物种群，该进水流和趋光异养微生物一起构成生物反应器流出物;将该生物反应器流出物从生物反应器转移至光澄清池;在光澄清池中浓缩该生物反应器流出物以形成低固含量流出物和高固含量流出物，通过使该趋光异养微生物种群曝露在这样的光下而诱使该趋光异养微生物种群趋光自浓缩来进行该浓缩，该光的强度和波长中的至少一项足以使该趋光异养微生物种群移离光，其中使该趋光异养微生物种群浓缩以形成高固含量流出物和留下低固含量流出物;和进行脱水和干燥该高固含量流出物中的至少一项以形成浓缩生物质糊。
在一个不同的实施方案中，该异养微生物在光照期(periods of sunlight)光合生长，随后在光暗期(periods of darkness)异养生长。这一实施方案的目的是降低该系统所需的总能量和碳源，而不牺牲该系统实现BOD、氮或磷的高水平处理的能力。
在另一实施方案中，可以使异养微生物生长以除去能被该异养微生物吸收、分解或结合的任何化学元素或化合物。这种实施方案可包括除去不合意的金属、生物毒素、内分泌干扰化合物或用于回收有价值的金属。
在另一实施方案中，将离开光澄清池的一部分高固含量流出物转移回曝气生物反应器。此实施方案的目的是向生物反应器补充高浓度的靶向异养有机体以维持该有机体在生物反应器中的优势和提高生物反应器中该有机体的有效生物量以提高污染物(BOD、N、P等)吸收率。
在另一实施方案中，可以使用膜反应器提高该膜一侧上的液体中的异养有机体浓度和产生穿过该膜的滤过流出物。这可以通过将含有有机体细胞的液体压向膜表面或在膜的反面上施加真空以将过滤水吸过膜表面来实现。
在另一实施方案中，可以串联布置一组生物反应器以使来自一个反应器的流出物流入另一个。此实施方案的目的是允许各生物反应器中存在不同运行条件和/或允许随着来自各相继生物反应器的目标污染物逐渐减少而增强废水处理。
在另一实施方案中，生物反应器也可充当光澄清池。此实施方案的目的是使有机体在正常运行条件下(例如在曝气和混合下)生长和随后通过曝气和混合的切换来切换至澄清池模式。在低湍流条件下和借助在正确波长下的充足光强度，趋光细胞移向生物反应器底部，在表面附近留下低固含量液体和在底部留下高固含量液体。这两个液体部分可随后独立泵出该池。
