用于废水生物处理的装置和方法

专利名称：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 统一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C02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C02气体。传统的第三级处理从硝化过程 中生成氮氧化物(N20)，一种比C02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C02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0)2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C02生 产。还知道的是，1.0磅的煤典型地生成大约2.7磅的C02。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C02。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C02。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C02，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C02的工厂附近制造藻类池或"跑道"。 废弃的C02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 0)2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C02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C02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C02，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C02。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C02。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，均勻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C02发生器(C02 generators)的0)2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C02。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(B0D)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，B0D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(CH20) x+02 — C02+H20其中，(CH20)x表示经由废水来源引入的有机物质的生化需氧量(B0D)。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C02+2H20+太阳能→(CH20) x+02+H20其中，(CH20)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02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B0D(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02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勻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 效地和均勻地分配给横跨整个生长区域的藻类。其也允许废热随着co2均勻地传送到整个 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0)2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WffTP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C02发生器、例如煤厂排放的C02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C02提高。基于藻类研究，采用C02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C02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/ 1，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。


图1是根据本发明一个实施方式的废水处理厂(WWTP)的处理流程图；图2是图1所示的WWTP的水力轮廓图；图3是根据本发明的一个实施方式的可再生能源系统的处理图表，其利用图1所 示的废水处理设备；图4是用于图1所示的WWTP中的介质轮的横截面图；图5是用于图1所示的WWTP中的初级和第二级介质轮处理、GHG减少和捕获及生 物质生产系统的平面图；图6是用于图5所示的初级和第二级介质轮处理、GHG减少和捕获及生物质生产 系统的剖视图；图7是另一个用于图5所示的初级和第二级介质轮处理、GHG减少和捕获及生物 质生产系统的剖视图；图8是用于支撑用于图5-7所示的系统的介质轮阵列的槽的俯视图；图9是图8所示的槽的端视图；图10是根据本发明另一个实施方式的多层初级和第二级介质轮处理、GHG减少和 捕获、及生物质生产系统的侧视图。
具体实施例方式为促进对本发明的原理的理解，现在将示例在附图中并描述在下面所写的说明书 的实施方式给出参考。可以理解的是，其不旨在对本发明的范围进行限制。还要理解的是， 本发明包括对示例的实施方式的任何变形和修改，并包括本发明原理的进一步的应用，如 同通常将对于本领域技术人员而发生的那样。藻类从来没有成功地被用于废水处理厂中的初级和第二级处理，因为藻类必须具 有大部分的时间的光照用于生长。在白昼小时，藻类散发出氧作为副产品，而在晚上它生产 二氧化碳。如果全部的光被切断，其最终将死亡。废水如此浑浊，以致藻类从不充足地形成 在处理厂中供使用，直到在处理过程之后。然而，如果藻类搬进和排出废水暴露于日光下， 藻类将在废水中丰富地生长并代谢出额外的成分。废水使用细菌的处理需要从大气中获得大量的氧，这可以完全由藻类供应，如果 允许其生长的话。通过藻类释放到废水中的氧本质上有助于从废水中除去固体。已经发 现，如果少量溶解的氧被引入到沉积的废水固体中，该固体沉积得更快并更好地凝结、更好 地粘附并可自由地排出，从而它们能够相对于仅基于细菌的淤泥更有效地脱水和干燥。在本发明的一个实施方式中，生长在藻类介质轮的肋片上的藻类的密集的面层还 起到机械过滤器的作用。在藻类跑道和水池中，藻类面层不久被由藻类捕获的固体阻塞。然 后这样的固体挡住了来自面层的光，使藻类死亡。通过为介质轮曝气和使藻类基床移动通过污水，生成冲刷作用，引起载有固体的细丝破碎，暴露新的细丝用于处理、生长和过滤作 用。机械阻塞得以避免，且藻类交替地暴露于光线下以维持其生长和浸入废水中以提供生 物处理和机械渗流。这样的曝光通常将在白昼小时期间充足地获得。然而需要注意的是， 太多直接的阳光对藻类是有害的，将导致光抑制。介质轮的转动排除了该问题。尽管存在 数千种藻类，本方法最好采用微型藻类和多细胞丝状藻类，其能够将其自身附着到固定的 介质上，例如塑料介质轮。藻类自身覆盖在粘性的、胶凝的薄膜中，能够捕获和保持所有类 型的固体颗粒，包括胶体物质和细菌。这类藻类在污水中固有。当保持潮湿的时候，介质轮可以操作以将其暴露于日光下，或者直接地，或者通过 纤维光学，或者是适当的人造光，并使其交替地淹没以与废水接触。已经发现，这样交替地 曝露于光和污水促进藻类的生长，导致在介质轮上重的藻类面层的形成。该藻类面层组成 生物和机械过滤器，生物学地移除养分，机械地移除颗粒物质，并以紧紧粘结的聚集物卸除 这样的材料，与通常已知的絮凝的固体相当不同。由介质轮的生物成分产生的大部分细菌 粘附于被藻类捕获的固体中。氧已知用于改进用于沉积废水固体的沉积效率。参见图1-3，原污水被引入废水处理厂100，到达原污水扬水站10，其包含充足的 泵，泵的容量能够处理WWTP的平均和日峰值的设计流量。然后，泵送的废水通过压力干管 到达机械地清洁的精筛12，移除纸、塑料和大的固体。然后筛过的废水在重力作用下流到初 级澄清池14。该初级澄清池14大小典型地用于移除废水中30%的B0D和70%的TSS(总 悬浮固体量)。如果要求，化学品可以用于通过化学地提高初次澄清(CEPC)，以改进初级澄 清池中B0D和TSS的移除。然后废水通过重力从初级澄清池14流动到初级介质轮16，其中 废水与活的微藻类、丝状藻类，以及光合的和非光合的细菌接触。该初级介质轮16作为含 碳的有机化合物移除阶段运行，其中大多数的B0D通过细菌转变为C02。该藻类移除废水中 的氮和磷，并将来自细菌的C02转换为氧和生物体。然后废水通过重力从初级介质轮16流到第二级澄清池18，其中发生由初级介质 轮产生的生物体的沉积和分离。然后来自第二级澄清池18的净化的排出物靠重力传送到 第二级介质轮系统20。在第二级介质轮系统，基本上全部剩余的B0D通过细菌转变为C02， 并且所有的C02、氮和磷被藻类移除。然后水从第二级介质轮流到第三级澄清池22。在第 三级澄清池22中，凝结的固体允许沉积并从水中除掉。然后来自第三级澄清池22的净化 的排出物靠重力流到消毒单位24，其可以提供氯化/去氯化或紫外线(UV)消毒。然后灭菌 了的水靠重力流到流量计量装置26，其可以是巴歇耳量水槽，然后靠重力流到再曝气装置 28，其可以是梯级曝气法。在该点，水足够清洁以满足最严格的规章排放要求，并可以排放 到水体或再利用于其他目的。从筛子12、初级澄清池14、第二级澄清池18和第三级澄清池22中移除的固体(生 物体)收集在生物体混合槽30中，其中该生物体混合以获得均勻的生物体用于更下游的处 理。来自澄清池14、18、22的生物体将具有大约2-4%的悬浮固体浓度。固体含量可以在生 物体混合槽30中通过慢慢地倾倒上清液回到工厂开头而得到增加，如图1所示。然后生物 体采用生物体泵32泵送到脱水设备34。该生物体泵可以是用于传统WWTP中泵送淤泥的任 何类型的泵，例如累进腔或蠕动泵。该脱水设备可以是用于传统WWTP中的任何类型，例如 离心机或压带机。由于藻类在固体上的凝结效应，脱水效率大大地提高。基于试验性的测验，来自脱水设备的生物体的典型的固体含量将在20-30%之间。然后脱水的生物体传送到生物体干 燥机36，其可以是用于传统的WWTP中的任何的类型，例如太阳能烘干系统。太阳能烘干系 统盖过其他类型的干燥机是最好的，如果陆地上可以获得的话，以最小化在WWTP中的能量 需要。如果陆地是问题的话，那么例如可以采用螺杆式生物体烘干机。该生物体干燥系统 36将使生物体干燥到后续加工系统要求的最优含水量。在干燥36之后，生物体传送到热处理系统38，其可以是许多的系统，例如焚烧炉、 燃烧系统、煤气化系统，或高温分解系统。作为热处理的替代，生物体可以作为高BTU值生 物体、化肥、动物饲料或其他应用出售。如果需要，该藻类生物体还可以发送到传统的厌氧 消化池中。最近已经发现，增加藻类到厌氧消化池实质上增加生产的沼气并几乎完全地排 除腐蚀性有害气体，典型地在采用细菌基的淤泥的消化器中。也在本发明预期内的是，来自 单个的澄清池的筛屑和生物体保持分开以用于不同用途。例如筛屑可以作为垃圾掩埋物、 热处理以获得能量的初级生物体、处理以获得化肥的第二级生物体和处理以获得生物油的 第三级生物体。用于初级介质轮系统16和第二级介质轮系统20的介质轮的细节图解在图4中。 在这里所述的某些实施方式中，介质轮系统16和20使用描述在美国专利号5，647，983、 5，755，961，和6，158，386中的技术，其中的公开通过参考全部结合于此，尤其是处理单位 66的公开，如专利的图4所示。尽管在初级介质轮系统16和第二级介质轮系统20中的处 理单元66的细节可以从这些专利中获得，通过参考本申请的图4还是给出了一般说明。初级介质轮系统16和第二级介质轮系统20的基本组件是介质轮66，其支撑在槽 52中用于绕着轴71旋转。该介质轮66包括空气捕捉元件，或者肋片62，它们用于旋转废 水中的介质轮，所述废水在入口 54处进入槽52。特别地，通过外部鼓风机80 (图7)经由管 道112提供扩散的空气，从空气出口 58出来以碰撞在肋片62上，用于旋转介质轮。肋片最 好构建用于有效地捕捉位于连续的肋片之间的气袋，当气袋在槽中升起时，从而气袋的相 对浮力将旋转介质轮。除了提供动力用于旋转介质轮，出于下面更加详细的解释的有益的 理由，空气还引入氧、热和C02进入到废水中。在图解的实施方式中，介质轮66包括生物过滤介质56，其包含在介质轮的一个内 部部分中。该介质构建用于支持细菌滋长，例如是塑料生物滚珠。所述生物滚珠最好构建 用于提供高的表面积对体积的比率。如同上面的解释，废水处理需要在废水内部引入有机 和无机化合物以与菌落接触，所述菌落利用化合物作为食物。槽52内的废水水平72得以 保持，使得过滤介质56将交替地淹没进废水中并从废水中出来，这有利地提高了养分、氧 和C02在菌落和废水之间的传送。尽管部分或一半的介质轮内部充满生物过滤介质56，剩余的内部或一半70最好 是空的。这样，当介质轮66旋转时，过滤介质56交替地转移废水，产生连续的水位72上升 和下降，或者在槽52内使废水产生浪涌。该连续的运动促进了携带在介质轮66中的藻类 的养分去除比率。肋片62还提供藻类在其上生长的表面积。介质轮66的三维几何形态提 供比介质轮66的二维足迹超出7. 6倍的藻类生长表面积，使得其获得比水池和跑道重要的 优势。肋片62运动进出废水在藻类、水和空气之间提供了有效的气体交换，并提供在藻类 上变化的自然光强度，所有这些都导致藻类健康和持续的生长。此外，肋片的旋转进而藻类 的进出水控制藻类暴露于高光子通量密度(PFD)和低PFD或黑暗的交变周期。光线和黑暗的该有序的混合防止了与持续曝光相关的藻类生长的光抑制，并改进了藻类的生长周期。升降水位72还有另一优点在于其允许空气均勻分布到许多介质轮66上，如同在 图5、6和7中所示的设备中所采用的那样。当空气传送到常水位的空气管槽时，空气将趋 向不均勻地分裂为"最小阻力路径"，并且必须采用空气阀以控制空气流的分裂。水槽52 中水位72的升降在空气分配系统中产生变化的水头，迫使空气均勻地分裂到格子中的每 个介质轮66，而无需空气阀。空气在出口 58的喷射对于藻类和光养细菌的生长是有利的，因为空气喷射泡沫 使得废水分馏。该泡沫64收集在水面上，在介质轮66和容器壁之间。该泡沫生长在肋片 62上，更特别地，藻类和光养细菌生长在其上，从而藻类和光养细菌可以容易地吸取必要的 养分和在泡沫64内的固体。可以理解的是，生长在生物介质56和藻类上的细菌和生长在肋片62上的细菌形 成生物体，其可以用于如上所述的生物柴油、化肥及其他应用。初级介质轮16和第二级介 质轮20这样设想，使得藻类将被持续地从肋片62上强行去除，并允许通入到第二级澄清池 18和第三级澄清池22。一旦藻类群体达到临界质量，喷射通过出口 58的空气可以强行从 筛子上去除藻类。刮刀通常不需要，但是也可以提供，如美国专利号5，647，983所描述的， 其公开通过参考结合于此。一旦从肋片62上移除，藻类生物体分离通过出口 60。初级介 质轮的初级处理出口 60与第二级澄清池18连通，而二级处理单位的出口 60与第三级澄清 池22连通，如图1所示。第二级澄清池18和第三级澄清池22主要用作沉积池，以最后除 去分别从初级处理系统16和第二级处理系统20释放的生物体，该生物体由藻类和细菌组 成。从介质轮66的肋片62剥离的藻类是细丝状的和表面镀有粘性的粘液的，这通过生物 体的凝结促进了在澄清池内部的残存固体的沉淀，也促进了移除。排出物再曝气28之后无需额外的处理，因为最终的排出物不包含原始废水中的 有毒的材料。总的悬浮固体(TSS)事实上也通过设备100除去了。典型地包含在废水中的 氮和磷为居住在初级处理系统16和第二级处理系统20内部的细菌藻类群体提供食物。通 过光合作用，藻类将氮和磷转变为藻类生物体和氧。氧氧化废水固体，从而促进固体的压缩 或凝结。如同上面所解释的，氧也为介质轮66中菌落的生长提供燃料，同时细菌生产C02， 这有助于藻类得到燃料和生长。这样，整个系统提供事实上自生的生态驱动的循环，通过废 水中的有毒材料和日光提供燃料。由玻璃、塑料，例如双壁聚碳酸酯或其他透明或半透明材料建造的温室，可以放置 在初级介质轮系统16和第二级介质轮系统22之上，以保护藻类和细菌，如在图5-9中所 示。温室82的一个优点在于初级介质轮系统16和第二级介质轮系统22可以统统包含在 温室82内部，如图6所示。温室82保护初级介质轮系统16和第二级介质轮系统22，并且 尤其是介质轮66，使其免受寒冷气温、来自动物和昆虫的捕食，并用于过滤来自日光的有害 的紫外线，以保护藻类。温室82可以通过介质轮鼓风机80曝气，以维持最适宜的大气用于 介质轮的工作。该特征有利地排除了额外的资本成本和能源成本，这典型地为温室通风和 加热以最适宜于植物生长所要求。这还有利的，因为其提供了容易地和有效地传送热和C02 气体到介质轮66，并使热和C02捕获在温室内以全年地最适宜藻类生长的方法。温室82可 以是任何大小与形状以容纳要求的初级介质轮系统16和第二级介质轮系统22。可以理解 的是，房子也可以改变设计，以适应对于保养、测试、维护等等的需求，这是对于任何具体的初级介质轮系统16和第二级介质轮系统22而言的，其可能根据本领域技术人员已知的原 理而使用。研究表明，水温每升高20° F，藻类生长率翻倍。在冬季月份期间，藻类最好维持 在冰点以上温度，并且最好在50° F之上，因为藻类和细菌在很低温度下将停止生长，并且 在低于大约40° F时以非常缓慢的速度生长。在夏季月份期间，温室温度最好保持在低于 100° F以优化藻类的生长。这可以通过打开温室中的通风孔而实现。在一些场所，其中全 年的温度保持温和，采用温室以保持藻类和细菌处于最理想的生长温度将变得没有必要。在陆地空间有限的应用中，初级介质轮系统16和第二级介质轮系统22可以构建 为多层设备，如图10所示。多层设备的每层基本上构建为与图5-9所示的单层系统相同。 可以理解的是，泵系统可能要求用于直接地流入到上层，而从该层的排出可以靠重力供应 以与下层的排出混合。由于保持在初级介质轮系统16和第二级介质轮系统22中的浅的水 深(大约15英寸)该多层结构对于本发明是可行的。传统的活性淤泥设备不能够这样构 建，因为它们需要10英尺和更大的侧面水深。来自初级介质轮系统16和第二级介质轮系 统22的地板负荷将达到大约78磅/平方英尺，这可以容易地和经济地提供于多层建筑结 构中。还可以理解的是，上层可以通过透明或半透明的温室82接收环境日光。两层都将 通过温室的侧壁接收额外的日光。然而，下层中的初级和第二级介质轮系统可能更加需要 日光，相当于上层通过温室屋顶接收的光。本发明的另一方面，照明器具124设置在至少下 层的天花板上，如图9所示，以为藻类和光养细菌提供必要的光线。该照明器具124可以是 人造光器具。然而，曝光到所有藻类介质轮的光最好是自然光，因而在示例的实施方式中， 太阳能收集器120经由光管122供应自然的日光到设备内的照明器具124。在本发明示例的实施方式中提供的用于旋转介质轮的装置在废水、空气、细菌和 藻类之间提供要求的接触，并允许藻类与光线具有充分的接触以促进自然生长。藻类持续 交替地淹没在液体内部和运动通过大气的另一个重要功能在于其排除了光抑制，这对于有 效的藻类生产是一个单独的大问题。当在短的光和黑暗循环周期下时，藻类生长效率显著 地提高。根据近来的科学研究，藻类生产在5-15秒的间歇光和黑暗下最佳。介质轮66的 转速可以通过控制水位72而保持，使得介质轮66的RPM是大约3-lORPMs，以提供6_20秒 的间歇光和黑暗循环。构造轻的塑料材料的介质轮66以创造浮力介质轮66允许介质轮66 速度平均更大的灵活性，简单地通过改变通过出口 58的空气量和水位72。光介质轮66还 允许较少空气用于每一介质轮66，这减少设备100的能量消耗。藻类持续交替地淹没在液 体内部和运动通过大气的另一重要功能是，藻类和细菌从而可以保持湿的，这对于其生长 是必需的，以及在其通过大气期间处于充分的速度，以防止藻类基床任何实质的干燥。如图1所示的设备100还可以合并为可再生能源系统200，如图3所示，其中设备 的副产品用作发电的燃料，而发电的副产品用作设备的"燃料"。全部的可再生能源系统 采用原污水当做"燃料"，且本质上通过太阳能提供动力，从而使得与产生的副产品相关 的损失较小。设备200与上述设备100相同，除了增加额外的第二级介质轮单元20a到20n。 从设备200产生的生物体以与在设备100中所述的相同的方法处理以驱动发电机40。发电 机40的输出是电，其可以往回提供用于为设备200和/或电力网供电。另外，当需要时，发 电期间产生的一些热可以转送到生物体干燥机36和初级介质轮16及第二级介质轮20。
该方法的循环通过这样完成将排出气体从生物体热处理38和发电机40回传到 初级介质轮16和第二级介质轮20，为设备200中的藻类生长提供燃料，如同上面所述的那 样。排出气体，即C02，和热提高和优化了藻类生产，这导致增加的生物质生产，提高了生物 质热处理38，导致更多的电和/或生物燃料的生产。尽管该循环出现了永恒的能量循环，但 是用于整个处理的外部的，且本质上无限的动力源是太阳能。可以预期，设备100可以处理具体原污水体积的日常的设计流量。这样，可以预 期，设备100的大小和构建将只取决于泵站10提供的废水中所含的养分。然而，如同上面建 议的，比起需要的或通过设备100能够处理的，系统200的回热方面将产生更大量的热处理 废气。不是排出这些气体用于浪费，本发明设想将附加的处理设备20a引进线上，如图3所 描述的那样。该附加的设备将接收来自第二级澄清池18的排出物和灰、C02，和从热处理38 及发电机40处获得的余热。然后，该藻类生长循环在该附加的设备20a中开始，直到达到 相同结果，即藻类生长已经在该附加设备中达到极限，和副产品超出初级和附加设备100、 20a的组合的容量。在那时，第三设备20b可以投入运行。该作业顺序重复进行，直到实现 处理设备100和20a-20(n)的全部补充，如由来自热处理的想要的输出所确定的。在那点， 无需供给许多藻类生产设备的排出气体可以排出或以合适的方式存储。这里所述的处理设备100和200提供的重要利益在于所述设备是自生的，该过程 由废水和日光提供燃料。除了自生的优点之外，这里所述的设备生产出多余的生物体，以用 于设备100之外。多余的生物体可以用作热处理、共同加热、甲烷消化器，以及化肥或生物 燃料的生产，比如生物柴油。在这些环境的每个中采用生物质的方法是已知的，但是到目前 为止，该问题仍然存在。换句话说，没有充分数量的藻类和生物体的可再生来源以支持废水 处理副产品的这些外部使用，或者更确切地，用于证实在处理设备上的投资的价值。来自生 物质的可再生能源至今为止是比风能或太阳能更切合实际的方法，因为生物体热能技术具 有和煤一起很长的成功记录。此外，生物体可以与煤同样的方式处理当事实上需要的时候 以传送动力到格子。风和太阳能是不可靠的可再生能源，因为其发电不能得到控制。动力 公司不喜欢风和太阳能，因为他们通常在电力公司根本不需要的时候生产电力。由于电不 能成本有效地存储，该可再生能源被浪费，而对电力公司或消费者没有价值。历史上，关于 生物体的主要问题是其供应的不可靠和不一致。大多数生物体供应不能保证永远准备着， 这个简单的事实给投资者造成了太多的风险。然而，废水和日光显然是很可靠的，并显著地 减少了与可靠的和一致的生物体供应相关的风险。到设备100和200的能量输入主要来自 太阳。发生在介质轮系统16、20中的生物处理是自发和自生的。因此，这里公开的设备100 和200克服了与来自生物体的可再生能源相关的问题。事实上，设备100和200给厂主提 供了方法，保证它们用于设备的生命的能源成本。这样，本发明提供具有相当高的环境意识的方案以解决处理废水的前述问题，具 有减少来自废水处理的温室气体的有益的附件，从C02排放中捕获co2，并生产可更新资源 以用于其他处理中。本发明的废水处理系统和方法避免了先前与藻类生物燃料生产效果相关的问题。 旋转介质轮(图4)本质上增加了用于藻类生长的有效表面面积。在跑道水池中，水池必须 足够浅以使日光到达悬浮和浮动在绕着水池的水流中的藻类。在本系统中，旋转介质轮66 持续地使在介质轮66表面上生长的藻类群体暴露在日光中。
跑道水池系统需将C02和养分注入水池用于藻类的消费。本发明的系统采用藻类 和细菌，它们形成共生关系，这导致更快的藻类生长。尽管co2可以引入本发明系统的介质 轮66中，然而其不是必需的。然而，如果可得到，额外的C02将支持额外的藻类生长。这样， 本发明的介质轮系统16、20可以用于处置来自接近的设备或工厂的废水和废弃的C02。本发明系统另一优点是，比起在先的系统的跑道水池，藻类生物体可以从本系统 的澄清池18、22更容易地提取出。为了收获藻类，跑道水池需要采用擦洗机或撇乳器抽吸 通过水池或通过转向液流。另一方面，本发明的系统依靠用于旋转介质轮的喷气射流从介 质轮66表面上去除所生长的藻类。去除的藻类将沉积在澄清池18、22的底部，以方便地除 去。最近发现，在其光合作用反应期间，藻类生产大量氢气。这样，如上所述的设备可 以改变用于抽取氢气，然后氢气可以用作燃料。在先的跑道水池系统不适合于抽取氢，因为 氢气将从水池的整个表面积过滤掉。另一方面，图1的设备容易地适合于抽取从初级介质 轮系统16和第二级介质轮系统20散发的氢气，因为该气体将收集在温室82的顶部。包括有作为处理装置的介质轮66的小城市废水处理厂如图4所示地构建。每个 介质轮66直径是16. 5英寸，宽度是15. 5英寸。该系统最初运行，使得原污水进入二个串 联的初级介质轮66，后面是澄清池，澄清池的后面然后是串联的二个第二级额外的介质轮 66，后面是澄清池。然后，初级和第二级介质轮66的数量增加到串联的六个介质轮，然后最 终是串联的九个介质轮。介质轮66这样运行，其中废水流平行和垂直于介质轮66的轴，且 废水流过串联的介质轮。介质轮66运行在不同的水深、不同的转速、不同的流入物流动和 有和没有人工采光下。通过测试发现，废水必须以活塞式流动的方式流过介质轮66的两个 阶段(初级和第二级)，介质轮的每个阶段由串联的九个介质轮组成，以一贯地提供管理机 构要求的必要的处理。在介质轮66槽52中的总的水力保持时间是5. 4小时，以获得满足直接排放规定 要求的排出物。活性淤泥处理典型地需要12-18小时的保持时间以获得该相同的处理水 平。除了由细菌提供的处理之外，这主要是基于经由藻类的额外的养分的移除。试验系统 也表明基于藻类原因的固体的有效沉淀。用于小规模试验的澄清池只提供2小时的保持时 间，且没有阻塞以消散流动能，但是获得了满足规定的排放要求的悬浮固体移除率。在传统 活性淤泥工厂中的澄清池大小用于提供超过6小时的保持时间，以充分地移除悬浮固体。 这是因为来自活性淤泥处理的淤泥不形成紧凑的淤泥，即使大量的氧从大气中引入以助于 活化淤泥。事实上，许多活化淤泥工厂必须添加聚合体到它们的澄清池以完全地沉积淤泥。图5-7表示用于设备100和设备200中的初级介质轮16和第二级介质轮20。初 级16和第二级20在结构与操作上都是相同的，但是位于在处理过程的分开的阶段的设备 100,200内。初级16和第二级20每个都包括多个介质轮66的阵列串联地设置为九个介 质轮66的轮系，它们以活塞式流动的方式运行，其中多排的介质轮66互相平行。所需的排 数是被处理的废水量和/或要求的C02捕捉量和/或要求的生物质生产量的函数。介质轮 66通过塑料格子网络96支撑，其支撑并允许介质轮旋转并为每个介质轮66创造单个的腔 97，以提供活塞式流动方式通过每个九轮系。格子网络96包括每个流动系中在位于每个介 质轮66腔之间的壁中的孔106，这允许废水、藻类和细菌从介质轮66行进到介质轮66，并 最终越过出水控制堰102到达供应出水管84的公共的出水渠道104。如同在图8-9中更具体地表示的，该格子网络96通过安装在网络槽108内的一系列平行嵌板125而形成，它们 从干流通道86延伸进入槽的相对端。该网络还包括一系列的平行嵌板127，它们垂直于第 一嵌板125设置，从而嵌板125、127的组合限定出多个腔97，其内存在有单个的介质轮66。 每个垂线嵌板127限定出缝128用于接收相应的介质轮的轴71。可选地，只有三个垂直嵌 板129a、129b和129c具备缝128。在该替换的实施方式中，单个的轴71沿着阵列的给定排 延伸，将每个介质轮支撑在其自己的腔97内。根据需要，在每个缝中可以提供轴承元件以 支承轴71。可以预期的是，联锁嵌板125、127、129a-c由耐用的塑料制成，能够经得起暴露 于潜在的有毒废水中。格子网络96可以是预制的，以可移去地安装在每个槽108内部。流入的废水通过公共的流入通道90均勻分布到一排排介质轮66中，该流入通道 90形成介质轮格子网络槽108的边界。公共的可调节的V形缺口堰94附接到在每个格子 网络96前面的流入通道的壁92的上缘，如图6所示。沿着堰94的一系列的V形缺口构建 用于控制和分配废水，将废水均勻地分配到格子网络96中的介质轮66。维持在介质轮格 子网络96中的水位通过采用公共的流出通道104进行控制，该流出通道104形成每个网络 槽108的边界。公共的可调节的排出物V形缺口堰102附接于在每个格子网络96末端处 的排出通道壁98的上缘。格子网络96还结合有风管分配系统112，其由空气管组成，所述空气管沿着九个 介质轮66的每个轮系设置。管中的出口 114位于每个介质轮66的下面，处于正确的位置 以允许空气捕获在介质轮66肋片62中(类似于图4的出口 58)。由内部生物介质56交替 地进出水中引起的在每个介质轮腔52中的水位72的上升和下降允许均勻的空气分支横跨 整个工作介质轮格子网络96，而无需空气调节阀。吹风机80通过包含在格子系统96中的 风管网络112传送需要的气流以旋转介质轮66。这些风机80还提供装置以从热处理中或 从设备之外的来源传送额外的C02到介质轮66。这样，如同这里所公开的，本发明的一个实施方式预期用于同时处理废水、减少温 室气体、捕捉co2和生产生物体的方法，其中包括使废水流动以与容纳有活的藻类和细菌的 装置接触以处理废水，防止通过细菌和藻类生产的温室气体的释放和生产，传送co2到藻类 以通过藻类生长而捕获，移动装置、藻类和细菌通过废水以给废水曝气并破碎载有固体的 藻类，从废水中分离藻类和细菌，给藻类和细菌脱水，并干燥藻类和细菌以生成生物体。废 水可以是家庭、工业或者农业废水。该方法特别适合于移除在曝气槽中的由细菌呼吸作用 发出的co2气体，通过细菌硝化过程发出的N2O，和由细菌消化过程发出的CH4气体。捕获的 co2还来自co2排放体，例如电厂或分布的电力生产。根据本发明的一个方面，用于容纳藻类和细菌的装置包括至少一个配置用于藻类 和细菌在其上生长的介质轮，该介质轮安装用于在槽中旋转，从而在旋转期间介质轮的一 部分浸入废水中，一部分在废水之上。该转动如此交替地将在介质轮外面上生长的藻类和 光养细菌暴露于日光和废水中，以提供用于藻类和细菌的养分吸收，并导致废水中养分的 移除，以允许与大气的气体交换，并在藻类和光养细菌上产生间歇的光和黑暗的循环。该介 质轮还可以包括内部的生物介质用于非光养细菌。介质轮结合有肋片以捕捉空气，并提供 用于藻类生长的表面积。介质轮的三维几何形态可以构建用于提供超出二维的足迹7. 6倍 的总的藻类生长表面积。介质轮最好可以由塑料制造或模注以生成轻的介质轮，以浮在废 水中，从而显著地减少轴和轴承上的磨损，并减少旋转介质轮所需的空气量。
在本发明的一个特征中，介质轮的旋转速度通过在介质轮槽中的水深度进行控 制。介质轮的转速也保持速度以防止藻类的光抑制，采用的方法称为有序的混合，其迫使藻 类经受高光子通量密度(PFD)到黑暗的周期的变化。从高PFD到低PFD的该循环已经表明 能促进藻类生长。转速也足以提供从装载有固体的藻类中对生物体充分的刮擦，该藻类来 自介质轮。在一个方面，传送C02，移动介质轮、藻类和细菌通过废水可以通过在装置下面 注入空气以旋转装置而同时实现。这里公开的方法和系统预期藻类是活的微藻类和丝状藻 类。藻类将提供部分细菌所需的氧，这样减少处理废水所需的能量，还减少废水处理的碳足 迹。藻类还将捕获并转换传送到系统中的C02为额外的藻类质量，从而提高系统的生物质 生产潜力，并防止将C02作为温室气体排放到大气中。藻类还将要将氨直接地转变为额外 的藻类质量，这样增加系统的生物质生产潜力，并防止硝化细菌(为典型的废水所固有)从 氨中生产队0。该细菌是活的光养性和非光养细菌。细菌将废水中的有机碳(B0D)转换为 无机碳(C02)，后者被在系统中生长的藻类所利用。在本发明的某些方面，分离藻类和细菌的步骤在重力澄清池中进行。藻类和细菌 脱水的步骤可以通过离心机或压带机完成，而干燥步骤可以通过太阳能或热淤泥干燥系统 而实现。本发明预期创造的生物体是方法中有价值的生物产品，其可以用于发电以运行其 本身的过程。生物体产品还可以用于废水处理方法之外的目的，比如电、生物燃料和其他有 价值的产品的生产。本发明还有一个方面，自生的多功能废水处理、温室气体减少、C02捕捉、生物质生 产，和为工厂设备提供电，包括机械筛子、初级澄清池、初级介质轮、第二级澄清池、第二级 介质轮、第三级澄清池、消毒、流量计量、在后曝气、生物体混合槽、生物体脱水系统、生物体 干燥系统、生物体热处理系统和发电机系统。初级介质轮和第二级介质轮每个都容纳在温 室中，这允许对来自生物体热处理的热和co2的捕获，以优化全年的藻类和细菌滋长，甚至 在寒冷气候中。根据一个方面，初级介质轮和第二级介质轮在结构与操作上都是相同的，但是在 设备内位于处理的分开的阶段。初级介质轮和第二级介质轮包括多个介质轮组成的阵列， 串联地设置为由九个介质轮组成的轮系中，它们以活塞式流动的方式运行，其中多排的介 质轮互相平行。所需的排数是被处理的废水量和/或要求的co2捕捉量和/或要求的生物 质生产量的函数。在一个特征中，介质轮通过塑料格子网络支撑，其支撑而且允许介质轮旋 转而且为每个轮创造单个腔，以提供活塞式流动方式通过每个九轮系。该格子系统包括每 个流动系中在位于每个介质轮腔之间的壁中的孔，这允许废水、藻类和细菌从介质轮行进 到介质轮，并最终越过出水控制堰到达公共的出水通道。在一个特征中，流入的废水通过采用接界于介质轮槽的公共的流入通道和附接于 在格子系统前面中的流入通道壁的上缘处的公共的可调节的V形缺口堰均勻分布到一排 排的介质轮。一系列沿着堰的V形缺口构建用于控制并均勻地分配废水到介质轮格子系 统。保持在介质轮格子系统中的水位通过采用接界于介质轮槽的公共的流出通道和附接在 格子系统末端处的流出通道壁的上缘处的公共的可调节的流出V形缺口堰而得以控制。这里公开的格子系统还结合有风管分配系统，其中空气管沿着九个介质轮的每个 轮系设置。开在管中的开口位于每个介质轮的下面，处于正确的位置，以允许空气捕获在介质轮肋片中。由内部的生物介质交替地进出水中引起的在每个介质轮腔中的水位的上升和 下降允许均勻的空气分支横跨整个工作介质轮格子，而无需空气调节阀。吹风机通过包含 在格子系统中的风管网络传送需要的气流以旋转介质轮。这些风机还提供装置以从热处理 中或从设备之外的来源传送额外的C02到藻类。根据自生的设备另一方面，生物体被从澄清池移除、脱水并干燥以产生可用的生 物体。然后可用的生物体可以被热处理以产生生物油、生物气体、热、co2和灰。最终的生物 油可以用于设备的外面，而生物气体可以在发电机中燃烧以生产电。部分的电用于运行设 备，而剩余的电被发送到电力网。根据该系统的一个属性，从热处理和发电中产生的热、co2 和灰传送回到初级介质轮和第二级介质轮用于额外的藻类生产，以优化废水处理方法的运 行参数，并从这些外界的处理中捕获co2。该多功能的设备还可以包括额外的多功能的设备以接收来自初级介质轮系统的 排出物和来自分开的设备的再循环的输出，当利用再循环的输出的第一多功能设备的容量 超过时。可以添加附加处理设备直到分开的设备的运行最佳化。本发明预期废水处理设备，其在陆地空间有限时非常有用。特别地，在该设备中， 初级介质轮系统和第二级介质轮系统可能构造为多层设备。照明器具设置于除了顶层的每 层的天花板上，以为藻类和光养细菌提供必要的光。该照明器具可以是人造光器具或光学 纤维的照明器具。介质轮系统可以以与单层系统相同的方法构造，用合适的泵传送废水到 在不同层处的流入入口。根据一个实施方式，为了增加/优化光合作用，人造光器具可以包括发光二极管 (“LED")。任何自然界的日光可以通过添加这些人造光器具而得到补充，这些人造光器 具设计用于产生特定的光的波长和频率(红和蓝色)，用于促进或优化藻类生长。现代的发 光二极管(“LED")提供一个适当的光源。LED可以放置在藻类轮上方和/或在废水本身 里面。根据一个示例的实施方式，能量有效的LED可以采用在20W和60W之间的管提供在 50-150umol/s/m2 之间。以人造光的形式提供附加光能可以增加光合作用的强度，从而增加藻类生长的速 度，并通过采用100%人造光延长"白天"的长度，以进一步促进藻类生长。通过为藻类提 供其所需的光，能量消耗可以增加和/或优化。根据一个实施方式，一旦LED的采用优化了能量(W)、波长(NM)、频率(HZ)和时间 (在白天和晚上期间)，额外的能量可以传送用于进一步促进藻类生长速度和优化类脂物型。根据一个实施方式，通过采用人造光的额外的光能量的引入，其用于促进光合作 用，可以与C02的引入一起，用于进一步促进藻类生长速度。光合作用通常受限于光，且额 外的C02的提供可能典型地具有有限的使用。然而，由于可获得用于C02转换的人造光能的 增加，C02可以引入位于藻类轮下面的喷气嘴中，该藻类轮在自由流动的废水流中。可以预 期，C02水平可以比常压的0. 038%，或380ppm的水平增加五倍，直到0. 02%，或2000ppm， 根据一种情形，当与传统的光照方法相结合的时候，这可以提供超过300%的藻类生长速度 的增加。C02可以来源于许多工业生产过程，例如或者通过共同位于主要的独立电厂，或者 当发电是垂直一体化的时候经由闭环系统的发电。光合作用的强度对于落入正常环境下的平均限度内的水温(15-22C)不是很敏感。然而，如果用于光合作用的光和C02都过量，水温适度的增长可以促进藻类生长速度。 建议采用简单的换热器提高水温，在夏季月份中增加30%。相应地，根据一个实施方式，通 过人造光增加光能，与增加的C02量和增加的水温一起，可以促进藻类生长。通过提供多余 的光能，藻类的三酰甘油(triacelglycerols，即TAG)类脂物型可以增加很大的标称量，如 同上面所述的。根据另一个实施方式，为进一步增加TAG类脂物，可以采用暴露于脉冲紫 外光中的方式以使藻类震动，从而使得藻类停止生长，且光能合成的碳水化合物转变为TAG 类脂物。通过操纵藻类生长以增加TAG类脂物，本发明的实施方式可以用于增加藻类生物 体用于燃料成分的利用，并利用整个细胞类脂物成分，而不仅仅是细胞中间存储的中性类 脂物成分。 这里介绍的附图和说明书公开了本发明的某些实施方式，但是可以理解的是，在 本发明的精神和范围之内，本发明及其机械特征可以有修改、结构变化，采用替代的设备作 为整个装置的组件，以及所述装置的整体的或子件的结合的不同应用或使用。因此，申请人 不旨在将本发明限定在公开的特定形式，而是旨在覆盖落入这里讲授的原则范围内的所有 的修改、变化、子件的结合，替代结构和方法，并如在权利要求中说明的那样。
权利要求
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C02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。
全文摘要
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。
文档编号C02F3/34GK101851044SQ20101013660
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者C·A·林卡可 申请人:C·A·林卡可