光生物反应器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于藻类进行废水处理的光生物反应器、系统和方法。
【背景技术】
[0002]控制经处理的废水中的磷酸盐水平是废水工业的重要挑战。将废水中的磷酸盐水平降低至可接受的水平的现行方法典型地包括使用絮凝剂，诸如例如硫酸铁。这些方法是昂贵的，产生有毒的废物，并且需要进行仔细的工艺优化，以避免铁化合物的污水管理和磷酸盐过量。这些方法还可能使得磷酸盐的去除不充分，和/或铁化合物漏到河道中，这可能引起环境破坏。
[0003]已经发现藻类能够显著降低废水中的磷酸盐含量。藻类通常在光生物反应器内与废水接触。使用藻类处理废水的传统方法和系统具有许多缺点，包括需要大量的空间、污染问题、能量需求、易受气候的影响并且不适于进行工业规模的应用。例如，传统系统典型地使用阳光和户外培养。因此，这些系统被限制在具有最佳条件的区域，并且因此具有降低的效率，并且限制了在工业规模上使用这些系统以通过藻类处理废水的范围。
[0004]因此，需要一种解决了与处理废水的传统系统相关的一个或多个问题的改进的光生物反应器。尤其需要一种能够在工业规模上以增加的效率处理废水的改进的光生物反应器。
【发明内容】
[0005]根据第一个方面，本发明提供了一种处理废水的光生物反应器，该光生物反应器包括:
[0006]用于接收藻类培养物的处理腔室；
[0007]用于向所述腔室供应废水的进水口 ；
[0008]在所述腔室内提供的、用于为所述培养物提供光的至少一个光源；和
[0009]用于去除经处理的水至少一个出水口 ；其中
[0010]所述至少一个出水口被进一步设置为在使用中，当生物质达到预定的最大水平时，选择性去除在所述腔室内产生的一部分生物质，以在所述腔室内维持藻类的连续性或基本连续性培养物。
[0011]根据第二个方面，本发明提供了一种处理废水的方法，该方法包括使藻类培养物与在本文中所述的光生物反应器或系统中的废水输入物接触，以产生藻类生物质和经处理的废水输出物。
[0012]因此，本发明的实施方式有利地提供了一种有效的、高产的、全天候的、内部照亮的、连续性或基本连续性的光生物反应器，及其处理废水的应用。所述光生物反应器优选完全与污染的环境隔离。
[0013]本文所使用的术语“连续性或基本连续性的培养(物)”指在处理工艺期间存在于光生物反应器的腔室内的培养物，同时当该腔室内的生物质达到预定的最大水平时，允许收获一部分生物质。不需要向所述腔室添加额外的培养物。连续性或基本连续性的培养物至少以预定的最小水平的浓度存在于所述腔室内。去除生物质导致在处理工艺的过程中稀释所述腔室内的培养物。控制培养物的稀释，以便所述腔室内的连续性或基本连续性的培养物的浓度不会降低至预定的最小值以下。
[0014]可以设置所述光生物反应器，以便生物质在所述腔室内的停留时间不依赖于水在所述腔室内的停留时间。通过使水力停留时间与生物质停留时间分开，经处理的水能够连续地从入口至出口流过光生物反应器，从而允许持续添加新的废水，并且有利地提高最大生物质容量(b1mass capacity)。因此，所述光生物反应器能够显著增加要被给定体积的藻类培养物处理的废水。当生物质达到预定的最大限度时，可以收获生物质。
[0015]所述腔室可以具有任何适当的形状，例如所述腔室的形状可以是基本圆柱形。所述出口可以包括:第一出口，被设置为在使用时使经处理的废水从所述腔室连续流动；和，第二出口，被设置为在使用时选择性去除一部分生物质。所述生物质可以与经处理的废水一起被去除。所述第一出口和第二出口的设置可以使得所述第一出口和所述腔室的底部之间的距离大于所述第二出口和所述腔室的底部之间的距离。所述第一出口和第二出口可以沿基本平行于所述腔室的纵轴延伸的方向对齐。
[0016]所述光生物反应器可以安装在靠近已有的废水处理系统的末端。例如，所述光生物反应器可以处于已有的废水处理系统的末端用作最终完善阶段。
[0017]维持连续性或基本连续性的培养物具有如下的益处:能够定期收获所产生的生物质，同时还在所述光生物反应器内维持高密度有活性的培养物。与传统系统相比，本发明的光生物反应器可以提供节约空间的可能性。有利地，本发明的光生物反应器和方法可以提供高速率的水处理的吞吐量，同时还提供了生物质的收获。生物质可以以与在非连续性的传统系统中生长和收获单一批次相当的速率来收获。然后，可以将收获的生物质引入到厌氧消化器中，例如用于气体生产。
[0018]所述方法可以进一步包括:确定生物质的增加/生长速率，并且与预定的生物质/细胞计数(例如理想的生物质/细胞计数)相比，并且相应地定期稀释培养物。培养物可以每24小时被稀释一次，以使生物质维持在预定的水平。培养物可以每24小时被稀释例如 20%o
[0019]所述至少一个光源可以经调节，以发出主要为增强光合作用的波长的光。因此，所述至少一个光源可以经调节，以使培养物具有更有效的生长速率。叶绿素在吸收红光时效率最高。来自其它波长的光仅被部分吸收。所述至少一个光源优选经调节，以提供波长主要在例如620nm至645nm范围内的光来提供红光。所述光源可以发出红光比例大于蓝光的光。本发明的方法和光生物反应器通过调整光源的波长，提供了改进的效率并且节约了能耗成本，因为能量没有被浪费在作为热量损失的波长(不被培养物使用)上。
[0020]所述至少一个光源可以包括至少一个发光二极管(LED)。LED具有节能的巨大潜力，使得所述光生物反应器的人工照明具有成本效率。
[0021]所述光生物反应器可以包括为细长的柱状物形式的至少一个光源。例如，所述至少一个LED可以为细长的柱状物的形式。该细长的柱状物可以被设置为以基本平行于所述腔室的纵轴延伸的方向在所述腔室内延伸。例如，该细长的柱状物可以被设置为以基本垂直于所述腔室的底部延伸的方向延伸。所述至少一个细长的柱状物可以彼此间隔开，以在所述腔室内提供均匀的光覆盖，例如均匀的光强度。
[0022]所述光源可以是程控的。例如，所述LED可以是高频闪光灯(FLE)。高频闪光灯可以经调节，以控制撞击培养物的光的量。
[0023]在培养物的叶绿素中发生的光合反应以最大能效进行。所述反应可以分成两部分:光依赖性的反应中心和黑暗依赖性的反应中心。最初，叶绿素中的光依赖性的反应将来自入射光的能量捕获在光接收中心中。通过许多化学反应，初始能量被传递至暗反应中心，用于进行进一步的光合反应。在光依赖性的反应中心变得饱和之前，该光依赖性的反应中心每一秒可以仅吸收固定量的能量。如果过剩的光被呈递至光反应中心(例如通过连续照明)，则该能量是被浪费掉的。该浪费掉的能量具有发生光漂白的潜力，而光漂白可能降低光合作用的效率。光漂白还可能对细胞产生永久性损害。
[0024]使用高频闪光灯有利地允许控制光的发射，以便仅在光依赖性的光合反应可接受能量时才提供光能。相应地，使用高频闪光灯有助于防止光反应中心过饱和，并且这样还有助于增加细胞光合反应的生产力。
[0025]已经有利地发现，使用高频闪光灯有助于产生培养群体和密度的显著增加。这样，本发明的实施方式中的光生物反应器和方法可以用于处理废水，且与传统系统相比具有改进的效率。
[0026]所述高频闪光灯的闪光频率优选被设置为在使用时发出闪光，以便发光的时间段与不发光的时间段的比率近似为1:2。高频闪光灯可以被设置为在使用时，以每20微秒黑暗发出10微秒光的比率发出闪光。使用高频闪光灯还具有与非闪光光源相比显著节能的进一步优点。
[0027]进一步地，使用强度大于阈强度的光可能损害培养物的细胞。但是，已经有利地发现，所述光生物反应器可以使用高频闪光灯以发出强度高于阈强度的光，而不会对培养物有损害。申请人已经发现，在使用高频闪光灯时，提供的光脉冲的这种增强的光强度的时间不够长，不会损害细胞内的光合作用机制。
[0028]因此，与传统系统相比，所述光生物反应器由于提供了发出增强强度(例如大于阈强度的强度)的光脉冲的闪光光源，而可使得来自光源的光能够穿透至培养物内的较大范围，例如较大深度。在培养物内的增加的穿透距离增加了培养物的光活化层。光活化层的深度是传统光生物反应器的主要限制之一。具有连续性照明的传统生物反应器被设计具有小容积，以降低由光活化层短而导致的光能浪费。
[0029]光源可以是可变强度的光源。相应地，光源的光强度在使用时可以是可变的。所述方法可以进一步包括在废水处理工艺期间调节光源的强度。光强度可以响应于增加的培养物密度而发生变化。例如，随着处理工艺的进行和光生物反应器内的培养物密度的增加，可以增加光强度。光源的光强度可以直接取决于培养物的密度。当处理工艺持续进行时，光源的光强度可作为时间的函数而增加。光强度可以在预定的时间段中增加。可以控制或改变光源的光强度，以为工艺的