申請(qǐng)日2015.11.02
公開(公告)日2016.05.11
IPC分類號(hào)C02F9/14
摘要
本發(fā)明公開了雙室生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括異養(yǎng)生物反應(yīng)器、自養(yǎng)生物反應(yīng)器、以及在自養(yǎng)生物反應(yīng)器和異養(yǎng)生物反應(yīng)器之間的膜。自養(yǎng)生物反應(yīng)器包括透明外壁。每個(gè)群體獲益于彼此的代謝產(chǎn)物。用于廢水處理和藻類生產(chǎn)的方法利用該系統(tǒng)。
權(quán)利要求書
1.一種雙室生物反應(yīng)器系統(tǒng)，所述雙室生物反應(yīng)器系統(tǒng)包括：
含有異養(yǎng)生物體的第一室;
含有自養(yǎng)生物體的第二室;和
與所述第一室和所述第二室可操作地接觸的膜子系統(tǒng);
其中所述膜子系統(tǒng)配置為：允許氣體和溶質(zhì)中的至少一種從所述第一室到所述第二室的運(yùn)輸;和
其中所述膜子系統(tǒng)配置為：允許氣體和溶質(zhì)中的至少一種從所述第二室到所述第一室的運(yùn)輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙室生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述第二室包括允許可見光經(jīng)過(guò)的透明外壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙室生物反應(yīng)器系統(tǒng)，所述雙室生物反應(yīng)器系統(tǒng)還包括：
配置為清潔所述膜子系統(tǒng)的至少一個(gè)膜的至少一個(gè)表面的磁性凈化器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙室生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述膜子系統(tǒng)由一個(gè)膜組成;并且其中所述膜與所述第一室和所述第二室處于物理接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙室生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述第二室沿周向包圍所述第一室。
6.一種使輸入物代謝的方法，所述方法包括：
將輸入物提供給第一室;
在所述第一室中使所述輸入物代謝且使異養(yǎng)生物體生長(zhǎng);和
回收來(lái)自所述第一室或所述第二室的組分;
其中所述第一室與所述膜子系統(tǒng)處于可操作的接觸;
其中所述膜子系統(tǒng)與第二室處于可操作的接觸;
在所述第二室中使所述輸入物代謝且使自養(yǎng)生物體生長(zhǎng);
其中所述第二室包括透明外壁;和
其中所述膜子系統(tǒng)允許氣體和溶質(zhì)中的至少一種從下述中的至少一個(gè)的運(yùn)輸;
所述第一室至所述第二室;和
所述第二室至所述第一室。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述膜子系統(tǒng)由一個(gè)膜組成;其中所述膜沿周向包圍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圍所述膜的至少第二部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述膜子系統(tǒng)由一個(gè)膜組成;并且其中所述膜與所述第一室和所述第二室處于直接接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括：
通過(guò)沿所述透明外壁移動(dòng)磁體，清潔所述膜子系統(tǒng)的膜;
其中所述第一磁刷配置為清潔所述膜的至少一個(gè)表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括：
使所述第二室的自養(yǎng)生物質(zhì)以逆流方向連續(xù)再循環(huán)，以再循環(huán)所述第一室的異養(yǎng)生物質(zhì)。
說(shuō)明書
用于廢水處理和藻類生產(chǎn)中的雙室生物反應(yīng)器
背景技術(shù)
在過(guò)去100多年，廢水已用各種物理、化學(xué)和生物學(xué)手段進(jìn)行處理。廢水處理通常包括篩選碎片且使砂礫沉降的預(yù)處理過(guò)程，物理上去除較大微粒的初級(jí)處理過(guò)程，生物學(xué)去除較小的有機(jī)微粒和溶解的有機(jī)物且恢復(fù)生物生長(zhǎng)的次級(jí)處理過(guò)程，任選通過(guò)捕獲剩余固體且去除剩余營(yíng)養(yǎng)素使次級(jí)流出物“精煉”的三級(jí)處理過(guò)程，以及在排放至受納水體前的消毒過(guò)程。當(dāng)今最常見的次級(jí)過(guò)程組合是用于氧化溶解和微粒有機(jī)物的懸浮生長(zhǎng)生物處理系統(tǒng)，其由用于生物生長(zhǎng)的生物反應(yīng)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?yàn)樾枰娘L(fēng)機(jī)來(lái)供應(yīng)氧用于氧化有機(jī)物質(zhì)。
懸浮生長(zhǎng)生物處理(活性污泥)照常規(guī)在大型生物反應(yīng)器(槽)中執(zhí)行，所述大型生物反應(yīng)器被供應(yīng)大量的氧且通常對(duì)大氣開放。在美國(guó)的16,600個(gè)公有廢水處理設(shè)施中，存在大約6,200個(gè)活性污泥設(shè)施，范圍從極小型(0.001mgd)到超大型(>800mgd)，處理所有流量的將近80%�；钚晕勰嘤晌⑸锶郝�(主要為異養(yǎng)菌，但也為原生生物、浮游動(dòng)物和環(huán)節(jié)動(dòng)物，并且有時(shí)為自養(yǎng)硝化細(xì)菌)以及惰性和生物可降解的有機(jī)固體組成，所述惰性和生物可降解的有機(jī)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(fù)責(zé)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(guò)度生長(zhǎng)和固體的累積經(jīng)常作為過(guò)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(guò)程，因?yàn)樵趶U水處理工廠中使用的高達(dá)60%的能量用于提供氧用于生物處理。其他次級(jí)處理過(guò)程包括膜生物反應(yīng)器、序批式反應(yīng)器、集成的固定膜活性污泥、滴濾池、氧化溝、處理氧化塘等。
過(guò)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(jí)處理過(guò)程收集的沉降固體(初級(jí)固體)一起進(jìn)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(guó)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(shè)施 為1mgd，其可利用當(dāng)今上市的最小微型燃?xì)廨啓C(jī)(30kW)。在美國(guó)存在具有厭氧消化過(guò)程的大約2,900個(gè)廢水處理設(shè)施，其中約60%超過(guò)10mgd的工廠包括厭氧消化。在過(guò)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(yù)熱，或用于熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)，其在美國(guó)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(jiǎn)單燃燒的。截至2004年，存在將近250個(gè)消化器氣體利用設(shè)施，其以一些方式(熱或CHP)利用該潛在能源，其中全國(guó)的76個(gè)實(shí)際CHP設(shè)備截至2006年產(chǎn)生總共220MW電力。CHP系統(tǒng)數(shù)目由于當(dāng)今上升的能量成本而增加，并且在較小型的工廠應(yīng)用。來(lái)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(dāng)與不含厭氧消化和CHP的設(shè)施相比較時(shí)，具有厭氧消化和CHP的設(shè)施通常可抵消高達(dá)50%的能量需求。
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(gè)階段。在某些生長(zhǎng)條件下例如當(dāng)應(yīng)激時(shí)，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(zhǎng)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(guò)程。雖然大多數(shù)藻類具有自養(yǎng)代謝(使用無(wú)機(jī)碳和光能來(lái)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(jī)碳用于能量和生長(zhǎng)，使用氧來(lái)產(chǎn)生更多藻類和二氧化碳)，而其他具有混合營(yíng)養(yǎng)代謝(顯示出或同時(shí)或取決于具體條件的自養(yǎng)和異養(yǎng)代謝)。
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(Botryococcusbraunii)，并且預(yù)期由高效藻類塘(HRAP)、光生物反應(yīng)器(PBR)管或嵌板、或兩者的一些組合組成。HRAP是對(duì)大氣開放、在戶外或溫室中的淺藻類塘或水溝，并且包括簡(jiǎn)單的機(jī)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(duì)蒸發(fā)喪失、污染、通過(guò)不希望的藻類菌株的競(jìng)爭(zhēng)以及被細(xì)菌和浮游動(dòng)物捕食敏感。HRAP是簡(jiǎn)單的且對(duì)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(dá)到最大的封閉式透明管、嵌板或袋。PBR要求混合、流通物抽泵和噴灑對(duì)藻類生長(zhǎng)可能有毒的過(guò)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?cè)孱惻囵B(yǎng)物。PBR還阻止蒸發(fā)且使污染、捕食和競(jìng)爭(zhēng)降到最低。PBR是復(fù)雜的且需要 比HRAP更多的能量來(lái)操作。兩種系統(tǒng)均需要補(bǔ)充性碳和/或營(yíng)養(yǎng)素添加，以充分維持最佳藻類生產(chǎn)。
近期工作已集中于在發(fā)酵罐型生物反應(yīng)器中的生長(zhǎng)中的異養(yǎng)藻類。候選菌株數(shù)目對(duì)于光養(yǎng)性生長(zhǎng)少得多，并且包括在小球藻屬(Chlorella)、四爿藻屬(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(yíng)養(yǎng)素例如氮和磷，并且氧供應(yīng)是關(guān)鍵的。由于不需要光用于生長(zhǎng)，這些系統(tǒng)更容易擴(kuò)大且更易于操作。培養(yǎng)物濃度可更高，因?yàn)楣馔高^(guò)不是要素，并且生長(zhǎng)速率可更大。很像自養(yǎng)藻類物種那樣，可誘導(dǎo)異養(yǎng)藻類物種，以刺激脂質(zhì)的產(chǎn)生，所述脂質(zhì)對(duì)于生物燃料及其他能量商品的產(chǎn)生是有價(jià)值的。異養(yǎng)藻類在有機(jī)碳的呼吸期間產(chǎn)生二氧化碳。
由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，用于生物燃料能量的藻類生產(chǎn)尚未達(dá)到大規(guī)模商業(yè)化。來(lái)自藻類的生物燃料仍是有吸引力的，因?yàn)榕c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(guān)于商業(yè)藻類生產(chǎn)的技術(shù)挑戰(zhàn)主要與脫水技術(shù)的表現(xiàn)相關(guān)。藻類生產(chǎn)的操作成本包括碳和營(yíng)養(yǎng)素的補(bǔ)充也可為很高的。已靶向廢碳源(例如來(lái)自關(guān)于自養(yǎng)生物的發(fā)電廠的氣體排放的二氧化碳;關(guān)于異養(yǎng)生物的工業(yè)和城市廢水中的有機(jī)物)，以降低操作成本且截存碳。關(guān)于來(lái)自藻類的商業(yè)生物燃料生產(chǎn)的技術(shù)挑戰(zhàn)主要與處理/干燥脫水的藻類且提取脂質(zhì)相關(guān)。已認(rèn)識(shí)到脫水藻類的直接發(fā)酵/消化和來(lái)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。
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(guān)于去除有機(jī)物質(zhì)的氧補(bǔ)充需要。
期望開發(fā)用于廢水處理的新系統(tǒng)或方法，其降低來(lái)自排放至接納水體的流出物的營(yíng)養(yǎng)素，例如氮和磷。
期望開發(fā)用于廢水處理的新系統(tǒng)或方法，其降低來(lái)自排放至接納水體的流出物的金屬，例如鉻、銅和鋅。
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(lái)抵消處理的能量需要、或產(chǎn)生比處理所需更多的能量。
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(bǔ)充氧需要。
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(guò)異養(yǎng)呼吸的溫室氣體釋放。
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。
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(guān)于自養(yǎng)藻類生產(chǎn)的碳補(bǔ)充需要。
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(guān)于異養(yǎng)藻類生產(chǎn)的氧補(bǔ)充需要。
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(guān)于自養(yǎng)藻類的氧中毒的可能性。
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(guān)于異養(yǎng)和自養(yǎng)藻類生產(chǎn)的營(yíng)養(yǎng)素補(bǔ)充需要。
發(fā)明內(nèi)容
雙室生物反應(yīng)器系統(tǒng)包括主要預(yù)期用于光合自養(yǎng)呼吸的生物反應(yīng)器，主要預(yù)期用于異養(yǎng)呼吸的第二生物反應(yīng)器，以及與兩個(gè)生物反應(yīng)器可操作地接觸的膜子系統(tǒng)。自養(yǎng)生物反應(yīng)器包括透明外壁。溶質(zhì)和氣體跨越膜的運(yùn)輸允許通過(guò)另一者的一個(gè)代謝產(chǎn)物群體的有益使用，同時(shí)使群體隔離以確保各自的最佳生長(zhǎng)和功能。
本發(fā)明還公開了使用雙重生物反應(yīng)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。
