利用选择性渗透阻隔物的生物处理系统的制作方法
【专利说明】利用选择性渗透阻隔物的生物处理系统
[0001]相关申请
[0002]本申请要求在2012年8月8日提交的美国临时专利申请第61/680，827号的优先权，通过引用其全文将其并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及用于通过使用能代谢污染物的微生物从介质例如水中去除污染物的系统。特别地，在具有调节污染物从介质到微生物流动的半渗透阻隔物的反应器中培养微生物。
【背景技术】
[0004]去除不同形式的氮(例如，亚硝酸盐、硝酸盐、铵、氨)是废水处理中一个越来越重要的目标。当释放到环境中时，氮引起海洋中的赤潮，污染湖泊和河流，并污染饮用井和水库。
[0005]在较小的点源已特别难以处理氮的去除，在所述较小的点源构筑实现市政水处理工程享有的规模经济的处理设施是不可行的。这样的点设施包括厌氧消化设施、农业生产用水和鱼类养殖(水产养殖)。
[0006]例如，再循环水产养殖系统(RAS)，也称为闭环系统，提供了大规模、可持续的鱼类生产的可能性。然而，经济且有效的废水处理是RAS和半RAS工业可持续增长的关键瓶颈。特别地，RAS和其它这样的闭环系统，产生高浓度的溶解的含氮废物成分和减少的有机化合物，这反过来加压于该系统中的化学需氧量(COD)和生物需氧量(BOD)。如果不将废物移除，牲畜将相继死去。此外，含氮的废物和减少的有机化合物可对该RAS以外的本地栖息地产生不利影响。
[0007]目前的脱氮技术不能满足可持续水产养殖的需要。可通过水交换去除硝酸盐，但这通常必须每天等量于系统体积的10-20%，大量的水。此外，由于管理条例变得更为严格，管末端(EOP)硝酸盐的释放将可能被日益严格地处理，这甚至需要在交换系统中使用更大量的水。作为交换的一种替代选择，可以使用异养细菌如假单胞菌通过厌氧反硝化去除硝酸盐。然而，水产养殖污水中低的碳氮(C/N)比需要额外的碳，例如甲醇，以产生厌氧反硝化作用。为抵消使用甲醇的成本和风险，可在升流式厌氧污泥床反应器(UASB)中使用来自相同设施的有机质(例如，污泥)以达到所需的碳含量。然而，该污泥经常以微粒的形式，使其难以与细菌保持混合。如此，必须应用水解和发酵将污泥转化为挥发性脂肪酸和其他更容易被脱氮生物消耗的分子，增加操作的复杂性和成本。更重要的是，具有致病污泥的混合槽水需要昂贵的预处理和后处理消毒并引起该设施中生物污染的严重风险。此外，当使用污泥作为脱氮的COD源时，水产养殖生产者经历了在其产品中显著的异味。
[0008]除了从RAS系统中去除氮以保持牲畜健康外，在它们排放至环境之前清洁工艺用水也是重要的。该使用后处理，也称为管末端(EOP)处理，是另一种RAS和半RAS共同的特别重要的处理类型。在水产养殖中，大多数EOP流从初级处理技术，例如转鼓过滤器、带式过滤器、生物过滤器或沉淀池排放。对于转鼓过滤器排放，例如，以具有高水平的C0D(1000mg/L)、硝酸盐(100mg/L)和悬浮固体总量(2000mg/L)表现不是不寻常的。当该流的成分随着鱼的种类和设施类型变化时，EPA控制的产量需求在大多数农场是相同的。
[0009]已提出多种技术以处理水产养殖中的EOP净化，但各有其局限性。EOP处理对于水产养殖工业的未来是特别重要的。因为目前处理系统的发展继续产生必须被经济处理的浓缩流。一个号称处理EOP流的技术是曝气。然而，在养鱼规模上曝气通常是不经济的，且这是能源消耗非常大的。它也不处理伴随的必须被管控的固体废物流。其它技术使用离子交换膜或离子聚合物沉淀物以净化EOP流。然而，这些技术在更大规模上变得过分昂贵且仍然存在固体废物处理问题。
[0010]至今，溶解氧的控制和有毒氨(脱氮的一种形式)的去除已为RAS废水处理系统的主要目标。但随着工业的成熟，如下问题正变得日益明显:管末端生物需氧量(BOD)和培养水中升高的硝酸盐水平将成为增加的水的再利用和较高的鱼产量的新障碍。因此，非常需要能从废水流中经济地去除硝酸盐和化学需氧量(COD)并控制pH的改进的技术。
【发明内容】
[0011]本发明解决了工业对于稳健且经济的对其中具有多种需要处理的污染物的废物管理的需求。本发明包括用于从介质例如含水介质中去除污染物的系统。通常，该系统包括至少两个区:(I)包含能直接或间接代谢污染物的微生物的第一区(“处理区”)，和(2)被处理的介质流入其中的第二区(“介质区”)。由于这两个区被允许污染物通过但不包括(或极大损害)所述微生物的通道的半渗透阻隔物隔开，污染物将从介质区扩散至处理区，并被微生物代谢，留下具有较少污染物的介质。在一些实施方案中，所述处理区和/或所述介质区将包括支撑结构，在该支撑结构上可生长微生物的生物膜。正如下面所讨论的，该发明的系统也具有水产养殖范围外的应用。
[0012]在一些实施方案中，本发明也为生物电化学系统(BES)，即，包括配置在处理区的阳极和配置在介质区的阴极，和可用于加偏压于所述电极的电动势源。通常，当所述系统为BES时，所述处理区将包括电活性微生物(即，外产电体(exo-electrogens))。在一些实施方案中，所述处理区和/或所述介质区将包括支撑结构，在该支撑结构上可生长微生物的生物膜。在包括支撑结构的BESs中，所述支撑结构配置在各电极的与所述阻隔物相对的一侦U，或将所述支撑结构并入电极中。
[0013]也公开了更多的变型，例如介质的预处理和与其他净化/废物处理技术的共处理。
【附图说明】
[0014]图1是本发明的系统的简图，包括被半渗透阻隔物分开的处理区和介质区；
[0015]图2显示了适用于脱氮和净化具有高氮含量的废物的本发明的一个实施方案；
[0016]图3显示了适用于脱氮和净化具有高氮含量的其他废物的本发明的一个实施方案；
[0017]图4显示了用于从介质去除目标污染物的系统的一个实施方案，包括促进代谢所述污染物的微生物生长的支撑结构；
[0018]图5显示了用于从介质去除目标污染物的系统的一个实施方案。该系统是生物电化学系统(BES)并包括在电势存在下有助于使代谢所述污染物的外产电微生物生长的支撑结构；
[0019]图6显示了用于从介质去除目标污染物的系统的一个实施方案，包括在界定将被净化介质体积的槽中的多个处理单元；
[0020]图7显示了用于从介质去除目标污染物的系统的一个实施方案，包括在界定将被净化介质体积的槽中的多个处理单元；图7中的实施方案也包括了可用于监测净化进度和微生物培养健康的BES系统；
[0021]图8显示了用于从介质去除目标污染物的系统的一个实施方案，包括包围中间室
(2)的内和外处理室⑴和(3);
[0022]图9显示了处理区的一个实施方案，其包括多个相互连通的半渗透阻隔物，所述相互连通的半渗透阻隔物具有连接管以允许微生物在多个半渗透阻隔物之间循环；
[0023]图10显示了使用如所述处理区的多个具有连接管的相互连通的半渗透阻隔物的本发明的一个系统，其中净化的介质简单保持在包围所述多个相互连通的半渗透管的槽中。在另一个实施方案中，可以高于所述槽的电势对所述多个相互连通的半渗透阻隔物加偏压且所述处理区可包括外产电体。
【具体实施方式】
[0024]本发明包括可用于从流体介质中，通常为水性介质中去除污染物的多个系统。在一个实施方