專利名稱：用于廢水生物處理的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供用于廢水生物處理的多功能的裝置和方法。本申請(qǐng)是2007年12月17 日提交的申請(qǐng)序列號(hào)為11/957，648、題為"用于廢水生物處理和利用其中的副產(chǎn)品的系統(tǒng) 和方法"的申請(qǐng)的部分延續(xù)并要求其優(yōu)先權(quán)，該后面的申請(qǐng)是2007年9月17日提交的申 請(qǐng)序列號(hào)為11/856，175的申請(qǐng)的部分延續(xù)并要求其優(yōu)先權(quán)，該后面的申請(qǐng)要求2006年9 月18日提交的第60/845，490號(hào)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
從大城市污水處理開始，廢水處理顯著地發(fā)展起來(lái)。環(huán)境保護(hù)規(guī)章要求在排放到 公共水路之前對(duì)來(lái)自廢水發(fā)生器的排出物進(jìn)行處理?，F(xiàn)存的處理方法滿足這些規(guī)章，但是 這些方法產(chǎn)生顯著的GHG，并且是復(fù)雜、昂貴和能量密集的。當(dāng)能源成本較低并且不關(guān)注氣 候變化時(shí)，基于細(xì)菌的處理方法得到了發(fā)展。顯然那不是今天的情形。當(dāng)前廢水處理技術(shù)的 兩個(gè)主要問(wèn)題是它們大的能耗和大的碳足跡(carbon footprint)。根據(jù)美國(guó)EPA.的報(bào)告， 廢水處理廠(WWTP)占到整個(gè)美國(guó)電需求量的3%，并且產(chǎn)生美國(guó)所有GHG排放的3.4%。用于廢水處理的兩種最廣泛的方法是活性淤泥和生物膜系統(tǒng)。在美國(guó)有超過(guò) 16000家WWTP在運(yùn)行，其中6800家是活性淤泥城市廢水處理廠，這要求每處理每百萬(wàn)加侖 (MG)需要1.3-2. 5MWh的電。在美國(guó)有超過(guò)2500個(gè)城市生物膜系統(tǒng)，其需要0. 8_1.8MWh每 MG。除了活性淤泥和生物膜系統(tǒng)，在美國(guó)有超過(guò)5100個(gè)水池型廢水處理系統(tǒng)。用于水池系 統(tǒng)的能量需要典型地較低，為0. 4-1. 4MWh每MG，但是這些類型的系統(tǒng)不能滿足當(dāng)前直接排 放規(guī)章要求。水池系統(tǒng)也需要大量的土地并具有大的碳足跡，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒氐撞坑捎趨?氧消化而產(chǎn)生甲烷。為此，一些管理機(jī)構(gòu)將根本不再允許這些類型的系統(tǒng)的存在。管理機(jī) 構(gòu)不久也將要求在大多數(shù)城市WWTP中移除氮和磷。對(duì)于活性淤泥和生物膜系統(tǒng)，氮和磷的 移除非常難以實(shí)現(xiàn)，并將顯著地增加WWTP的資本成本，并增加它們的能量消耗和GHG排放。傳統(tǒng)的廢水處理涉及三個(gè)處理階段，稱為初級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)處理，然后是淤泥 處理。在初級(jí)，紙、塑料和大的固體物體通過(guò)粗的或精細(xì)的機(jī)械或人工清洗篩而從廢水流中 分離。另外的固體、油脂和浮渣通過(guò)采用初級(jí)澄清池或設(shè)計(jì)用于替換初級(jí)澄清池的機(jī)械過(guò) 濾器而移除。在傳統(tǒng)的第二級(jí)，有機(jī)材料采用其中固有的水生的且主要地非光養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行消 化。第二級(jí)處理系統(tǒng)通常分類為生物膜或懸浮生長(zhǎng)。生物膜處理方法包括滴濾器和生物轉(zhuǎn) 動(dòng)接觸器(RBC)，其中生物體生成在介質(zhì)上，而污水通過(guò)其表面。由于機(jī)械問(wèn)題和阻塞，生 物膜系統(tǒng)不能夠有效地生長(zhǎng)藻類或光養(yǎng)細(xì)菌。RBC典型地被覆蓋以防止和滴濾器一起暴露 于日光下，所述滴濾器大致幾何垂直，只有非常小的表面積暴露于日光下。在懸浮生長(zhǎng)系 統(tǒng)一例如活性淤泥和薄膜生物反應(yīng)器(MBR)--中，比起處理相同水量的生物膜系統(tǒng)，生物 體很好地與污水混合，并且系統(tǒng)能夠在較小的空間中運(yùn)行。然而，如同生物膜系統(tǒng)，懸浮生 長(zhǎng)系統(tǒng)不能生長(zhǎng)藻類或光養(yǎng)細(xì)菌，因?yàn)橄到y(tǒng)中保持有高的細(xì)菌濃度，典型地認(rèn)為是混合液 懸浮固體(MLSS)集中。
在傳統(tǒng)的WWTP中，通過(guò)稱為硝化作用的另一個(gè)基于細(xì)菌的處理，氨轉(zhuǎn)化為硝酸 鹽。該過(guò)程可以在"分開的階段的硝化"過(guò)程中或與第二級(jí)處理過(guò)程結(jié)合著進(jìn)行。在排放到水體之前，處理過(guò)的水最終采用氯化消毒或UV消毒。從廢水處理中產(chǎn)生 的淤泥累積在淤泥處理槽中，在那里其被有氧或厭氧過(guò)程分解。消化之后，淤泥脫水、干燥 并拖運(yùn)到應(yīng)用的垃圾填筑地或陸地上。在傳統(tǒng)的WWTPs中處理的淤泥及其富含能量，需要 化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行脫水和淤泥穩(wěn)定，采用化石燃料處理，并運(yùn)送淤泥以作最終處置。該淤泥，不 管是否運(yùn)送到應(yīng)用的垃圾填筑地或陸地，都通過(guò)細(xì)菌轉(zhuǎn)化為溫室氣體。應(yīng)用于陸地的淤泥 還通過(guò)食物作物的渣滓和藥物污染而產(chǎn)生公共衛(wèi)生危害。幾個(gè)州和國(guó)家正推動(dòng)完全禁止陸 地上應(yīng)用人類糞便的實(shí)踐。第二個(gè)關(guān)鍵的環(huán)境需要是減少碳足跡，其與傳統(tǒng)的廢水處理過(guò)程和對(duì)C02發(fā)生器 的co2的捕獲相關(guān)。所有傳統(tǒng)的廢水生物處理和淤泥消化處理將廢水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)組分 轉(zhuǎn)換為溫室氣體。傳統(tǒng)的WWTP簡(jiǎn)單地將一種形式的污染轉(zhuǎn)換為另一種形式--固體轉(zhuǎn)化為 氣體。轉(zhuǎn)換的第二級(jí)處理過(guò)程從細(xì)菌呼吸中產(chǎn)生C02氣體。傳統(tǒng)的第三級(jí)處理從硝化過(guò)程 中生成氮氧化物(N20)，一種比C02有力310倍的GHG(京都議定書)。淤泥消化處理生成甲 烷(CH4)，一種比C02有力21倍的GHG (京都議定書)。當(dāng)前用于碳隔離的想法包括將二氧化碳泵送到地下并俘獲在藻類系統(tǒng)中。泵送 co2到地下的主要問(wèn)題在于能量需求，這使得該方法實(shí)施中不切實(shí)際。另一個(gè)問(wèn)題是冒著氣 體將從表面逃逸的風(fēng)險(xiǎn)。存在具有證明文件的案例，天然發(fā)生的從地下逸出到地面的0)2氣 體將在鄰近地區(qū)的所有的人和動(dòng)物殺死。將co2泵入地下如同將我們的廢物倒入海洋中。 對(duì)于這樣的行動(dòng)將來(lái)可能引起的后果，我們不得而知。經(jīng)由基于藻類的系統(tǒng)隔離碳也是不切實(shí)際的。當(dāng)前正試驗(yàn)的多種藻類生產(chǎn)技術(shù)中 最有效的藻類生產(chǎn)速率為每英畝每年50-100噸的藻類。大家都知道藻類含大約50%的碳，對(duì)于每1. 0磅的藻類采用大約1. 9磅的C02生 產(chǎn)。還知道的是，1.0磅的煤典型地生成大約2.7磅的C02。因此，據(jù)計(jì)算需要1.42磅的藻 類去隔離1. 0磅的煤燃燒產(chǎn)生的C02。采用上述最高藻類生產(chǎn)率的話，也可以計(jì)算出1. 0英 畝藻類產(chǎn)生系統(tǒng)每年可以隔離70. 4噸煤產(chǎn)生的C02。根據(jù)美國(guó)能量情報(bào)管理局的報(bào)告，當(dāng) 前美國(guó)每年耗費(fèi)11. 29億噸煤。為了隔離這些煤產(chǎn)生的C02，需要16. 03億噸的藻類，進(jìn)而 需要1600萬(wàn)英畝或25，000平方英里的陸地，或者粗略地等于弗吉尼亞整個(gè)州的面積。另一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)境需要是提供經(jīng)濟(jì)合算和可靠的生物質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)。由系統(tǒng)產(chǎn)生的 生物質(zhì)可以用作可再生能源生產(chǎn)、化肥及其他有用的產(chǎn)品的進(jìn)料。對(duì)可再生能源的需求已 經(jīng)變得特別急切并成為了普遍關(guān)注的主題。例如，基于化石燃料的能量(氣和油)被認(rèn)為 是有限的。盡管關(guān)于確切地怎樣的有限是"有限"的爭(zhēng)論不斷，許多證據(jù)提議全世界的采 油量將在2010前后達(dá)到頂點(diǎn)，并且供油最早將在2035年結(jié)束，而不會(huì)超過(guò)2060年。然而 毫無(wú)疑問(wèn)的是，化石燃料將耗盡。對(duì)于化石燃料有限生命的意識(shí)已經(jīng)推進(jìn)對(duì)于可再生能源的大量研究和開發(fā)。許多 研究已經(jīng)致力于替代能源，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物能。然而，這些替代能源不能成本有效 地和可靠地生產(chǎn)電，且看不出具有滿足石油類燃料、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發(fā)展基于可再生資源的汽油和柴油，例如基于玉米的乙醇和生物柴 油。大多數(shù)生物柴油基于五谷，比如大豆，這需要大量的能量用于生長(zhǎng)和收獲。此外，五谷本身必須致力于生物燃料的生產(chǎn)。從1980到1996由美國(guó)能源部指導(dǎo)的研究將藻類確立為生物燃料的來(lái)源。生物 燃料可以通過(guò)消化藻類生產(chǎn)，得到甲烷或氫燃料，類脂物抽出用于生物柴油，并蒸餾用于乙 醇。除了作為生物燃料先行者的優(yōu)點(diǎn)之外，藻類已經(jīng)發(fā)展用于其他的應(yīng)用，例如有機(jī)肥料， 其能被用作通過(guò)天然氣生產(chǎn)的化肥的替代物。生物柴油已經(jīng)由美國(guó)能源部(DOE)作為開始于1978年的“水生物種程序 (AquaticSpecies Program) ”調(diào)查的一部分。對(duì)該程序的資助在1995年結(jié)束，但是對(duì)于非 可再生化石燃料的擔(dān)憂促使DOE重啟該程序，因?yàn)閷?duì)其用于生物燃料看起來(lái)無(wú)限和可再生 的來(lái)源越來(lái)越感興趣。DOE的方法是在產(chǎn)生廢棄C02的工廠附近制造藻類池或"跑道"。 廢棄的C02和其他營(yíng)養(yǎng)物注入到繞著跑道形的水池環(huán)繞的水中。在循環(huán)水中生長(zhǎng)的藻類以 0)2為食物。藻類最后從水池中轉(zhuǎn)移經(jīng)進(jìn)一步的處理以作為生物燃料。這樣，DOE關(guān)注的焦 點(diǎn)放在了通過(guò)再生來(lái)自工廠或火力發(fā)電廠的廢棄的C02為藻類人工地創(chuàng)造生長(zhǎng)環(huán)境。當(dāng)然， 該技術(shù)一個(gè)重要的限制是其受牽制于廢棄的C02的來(lái)源。另一個(gè)不利是該提議的技術(shù)要求 大的跑道水池和最終需要的大量土地以支持充足的藻類接收廢棄的C02，以及生產(chǎn)有意義 量的藻類以用于生物燃料的生產(chǎn)。由于藻類為了生長(zhǎng)要求暴露于日光下，水池必須是淺的， 這意味著水池的表面積必須很大以支持藻類群體。大尺寸的水池也意味著有用的"季節(jié)" 因?yàn)樗氐哪潭芟抻谔囟ǖ膱?chǎng)所和氣候。當(dāng)前世界上沒(méi)有藻類生產(chǎn)系統(tǒng)能夠替換傳統(tǒng)的延時(shí)曝氣系統(tǒng)并獲得相同的處理 水平。一些藻類生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)提供在WWTP排出物上，但是其對(duì)處理廠廠主提供很少的利 益，因?yàn)閺U水已經(jīng)清潔。事實(shí)上，它對(duì)廠主造成了主要的責(zé)任和風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵谔囟愋偷脑?類生產(chǎn)系統(tǒng)中藻類固體潛在的再污染。高速率的藻類水池已經(jīng)被用于廢水處理，但是水池 系統(tǒng)不能滿足當(dāng)前規(guī)章的排放要求，并且相比于機(jī)械的WWTP，需要非常大量的陸地。我們對(duì) 于當(dāng)前的藻類生產(chǎn)系統(tǒng)不能用于處置廢水的原因是基于這樣的事實(shí)藻類不能使用有機(jī)碳 作為碳源。廢水中的碳在進(jìn)入WWTP時(shí)處于有機(jī)碳形式，這對(duì)于在該點(diǎn)的藻類來(lái)說(shuō)本質(zhì)上是 無(wú)用的。有機(jī)碳必須首先通過(guò)細(xì)菌經(jīng)過(guò)呼吸作用轉(zhuǎn)變?yōu)镃02。當(dāng)前的藻類生產(chǎn)系統(tǒng)缺乏生 物介質(zhì)成分用以為發(fā)生該轉(zhuǎn)換所需的細(xì)菌提供生長(zhǎng)方式。對(duì)于在任何類型的水池中生長(zhǎng)藻類的另一個(gè)問(wèn)題是，只有水頂部1/4英寸左右的 藻類接收到充足的太陽(yáng)輻射。這樣，水池生長(zhǎng)藻類的能力受限于其表面積，而非其體積。藻類為有氧細(xì)菌滋長(zhǎng)生產(chǎn)必需的氧，細(xì)菌生產(chǎn)藻類生長(zhǎng)所需要的C02。為該共生 關(guān)系供料的僅有的外部輸入是日光。該策略首先成功地應(yīng)用于開放的水污池和濕地處理設(shè) 備。這些系統(tǒng)具有明顯的限制，例如陸地間隔、地理學(xué)和地形學(xué)、水透明度等等。另外，水污 池系統(tǒng)易于藻華，這將超限并阻塞所述系統(tǒng)。這些限制導(dǎo)致在七十年代藻類跑道的發(fā)展。藻 類跑道本質(zhì)上是個(gè)水槽，其中當(dāng)暴露于日光下時(shí)，富養(yǎng)水允許運(yùn)行。生成的藻類生物體通過(guò) 機(jī)械裝置收獲。藻類跑道重要的不利是其要求大的表面積用于充分的暴露于日光下。另外， 跑道要求淺水水位以起作用，這固有地限制了可以通過(guò)任何特別的跑道設(shè)備處理的廢水的 體積和流動(dòng)。水池和跑道系統(tǒng)還有一個(gè)問(wèn)題是被動(dòng)物和昆蟲捕食。一些昆蟲的幼蟲靠藻類 為食，并幾乎一夜之間可以耗盡全部的藻類產(chǎn)量。閉環(huán)生物反應(yīng)器已開發(fā)用于藻類生產(chǎn)。閉環(huán)生物反應(yīng)器典型地是透明塑料管、塑 料袋、塑料薄膜、樹脂、玻璃或任何允許光線穿透的材料。閉環(huán)生物反應(yīng)器提議的優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)允許對(duì)藻類和生長(zhǎng)條件有更多的控制，因?yàn)槠洳幌颦h(huán)境開放。閉環(huán)生物反應(yīng)器的一個(gè) 缺點(diǎn)是，當(dāng)藻類在容器中增長(zhǎng)時(shí)，均勻的光線分布整個(gè)地下降了，因?yàn)楣饩€被藻類吸收了。 反應(yīng)器中最外層的藻類獲得太多的光線，而內(nèi)層的藻類不能獲得充足的光線。藻類還生產(chǎn) 有機(jī)化合物，其罩住閉合的生物反應(yīng)器并慢慢地減少光線穿透生物反應(yīng)器的能力。生物反 應(yīng)器材料必須或者清潔或者替換，這增加了工作和更換成本。當(dāng)前提議的閉合的生物反應(yīng)器不能與典型的在煤廠發(fā)現(xiàn)的抽風(fēng)機(jī)一起使用，因?yàn)?反應(yīng)器的水深，其為鼓風(fēng)機(jī)生成了過(guò)高的壓頭以泵取。在閉環(huán)生物反應(yīng)器中還有另一個(gè)問(wèn) 題是氣體積累。由于反應(yīng)器完全閉合，co2被壓縮到生長(zhǎng)容器中，氣體濃度可以建立到對(duì)藻 類有毒的水平，而那對(duì)設(shè)備是不利的。閉環(huán)生物反應(yīng)器的另一個(gè)問(wèn)題是移動(dòng)水通過(guò)系統(tǒng)、尤 其是直立的藻類生長(zhǎng)系統(tǒng)所需的能量量。泵水通過(guò)系統(tǒng)所需的能量的數(shù)量超過(guò)通過(guò)藻類生 產(chǎn)所獲得的能量。這與乙醇廠遭遇的問(wèn)題本質(zhì)上一樣，需要耗費(fèi)比生產(chǎn)的能量更多的能量。 熱的積累是閉環(huán)生物反應(yīng)器的另一個(gè)問(wèn)題。最終，閉環(huán)生物反應(yīng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的廢水處理過(guò) 程是脆弱的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決廢水處理、GHG排放減少與藻類和生物質(zhì)生產(chǎn)中的這些挑戰(zhàn)。本發(fā)明滿足多種關(guān)鍵的環(huán)境需要，包括廢水的能效處理、由傳統(tǒng)的廢水處理過(guò)程 產(chǎn)生的溫室氣體(GHG)的減少、對(duì)來(lái)自C02發(fā)生器(C02 generators)的0)2的捕獲，和用于 可再生能源、化肥、飼料添加劑、生物塑料、化妝品、藥物、織物、生物燃料的生物質(zhì)生產(chǎn)及其 他應(yīng)用。本發(fā)明的一個(gè)主要目標(biāo)在于提供多功能的設(shè)備，其能夠用于處理廢水，減少來(lái)自 廢水處理的溫室氣體，俘獲來(lái)自co2發(fā)生器的co2，并生產(chǎn)有價(jià)值的生物體用于能量生產(chǎn)及 其他應(yīng)用。單個(gè)設(shè)備用于從廢水處理產(chǎn)生收益來(lái)源、碳信貸和生物體/生物燃料的銷售。該 發(fā)明提供超過(guò)其他可再生能源系統(tǒng)、例如風(fēng)能、太陽(yáng)能及其他生物體系統(tǒng)的重要的優(yōu)勢(shì)，因 為由該系統(tǒng)生產(chǎn)的生物體/能量是廢水處理過(guò)程的副產(chǎn)品。作為廢水處理系統(tǒng)，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是這樣提供模式轉(zhuǎn)移，使得廢水處理可及。 在廢水處理中當(dāng)前的精神是"使用能量去處置廢水"。本發(fā)明提供裝置以"使用廢水生成 能量"。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，該廢水處理系統(tǒng)圍繞藻類生物體的生產(chǎn)，其采用各種多水 的營(yíng)養(yǎng)物來(lái)源，包括但不限于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、市政及其他廢水來(lái)源。藻類生物固體副產(chǎn)品然后 提供用于產(chǎn)生生物燃料、化肥和動(dòng)物飼料添加劑的原料。當(dāng)前的廢水處理系統(tǒng)使用細(xì)菌處理廢水。細(xì)菌需要大量的氧用于呼吸、消化和分 解廢水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物。用于驅(qū)動(dòng)該過(guò)程的所有能量通過(guò)電力吹風(fēng)機(jī)、水泵和/或 機(jī)械曝氣器提供。本發(fā)明采用藻類提供大多數(shù)通過(guò)光合作用處理所需的氧，這顯著地減少 了提供處理所需的外部能量。進(jìn)一步的目標(biāo)是利用細(xì)菌消耗和消化廢水中的固體，典型地認(rèn)為是揮發(fā)性固體的 毀滅。由于所述固體是一種能量，而在先的系統(tǒng)利用能量去毀壞固體，這些在先的系統(tǒng)本質(zhì) 上是“使用能量以毀壞能量”。水環(huán)境研究基金(WERF)已經(jīng)指出，廢水包含的能量比處理它 所需的能量多出10倍。本發(fā)明不但保持廢水的能量的生活力(viability)，還通過(guò)生物質(zhì) 生產(chǎn)創(chuàng)造出額外的能量，該生產(chǎn)由藻類和光養(yǎng)細(xì)菌通過(guò)光合作用利用太陽(yáng)能而獲得。
傳統(tǒng)的廢水生物處理方法產(chǎn)生的生物體(淤泥)的數(shù)量是進(jìn)入工廠的有機(jī)成分的 正函數(shù)，因?yàn)橛糜谶@些方法的細(xì)菌是非光合的，而只利用有機(jī)碳。傳統(tǒng)的WWTP不能生產(chǎn)出 比可以從該有機(jī)材料中產(chǎn)生出的更多的生物體。傳統(tǒng)的廢水處理過(guò)程是如此能量密集，以 致產(chǎn)生的淤泥不能創(chuàng)造能量以運(yùn)行工廠，從而當(dāng)前在離開格子、廢水處理廠后不能夠?qū)崿F(xiàn) 自生。然而本發(fā)明提供生產(chǎn)充足的生物體的能力，以不僅運(yùn)行工廠，而且生產(chǎn)多余的生物體 用于工廠外面。這是通過(guò)經(jīng)由光合作用利用太陽(yáng)能以生長(zhǎng)藻類和光養(yǎng)細(xì)菌而實(shí)現(xiàn)的，并且 因?yàn)橥ㄟ^(guò)藻類，用于氧化廢水所需的能量顯著減少。本發(fā)明的重要特征是在非常淺的水深中氧化廢水的能力，這是由于結(jié)合了藻類氧 化水的能力和藻類介質(zhì)輪旋進(jìn)廢水并從中出來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施方式，在介質(zhì) 輪槽中通常的工作深度大約是15英寸。另一方面，傳統(tǒng)的基于細(xì)菌的廢水處理廠要求更大 的水深以獲得相同的氧化水平，因?yàn)樗鼈兝每諝鈹U(kuò)散器，這需要深的槽以進(jìn)行有效的氧 傳遞。例如在活性淤泥曝氣槽中典型的水深是15英尺。這在吹風(fēng)機(jī)上產(chǎn)生大的工作壓 頭，從而需要采用能量密集的離心機(jī)或容積式吹風(fēng)機(jī)。傳統(tǒng)的曝氣槽也是深的，并造成非常 危險(xiǎn)的工作條件。本發(fā)明提供淺的工作深度，這排除了危險(xiǎn)的工作條件。在一個(gè)實(shí)施方式中，系統(tǒng)輸入的是通過(guò)各種來(lái)源獲得的包含生物及其他廢棄物的 廢水。本發(fā)明的系統(tǒng)預(yù)期使可變?nèi)萘康膹U水進(jìn)入系統(tǒng)中，例如可能出現(xiàn)在市政、農(nóng)業(yè)和工業(yè) 廢水處理工廠中。在本發(fā)明過(guò)程中的第一步，原廢水機(jī)械地過(guò)濾以除去固體，例如塑料、碎 屑和大的固體物質(zhì)，它們可以以傳統(tǒng)的方式處理，例如發(fā)送到垃圾掩埋場(chǎng)，或者可以添加到 產(chǎn)生的生物體中。當(dāng)原廢水到達(dá)WWTP時(shí)，有機(jī)化合物的能量值處于其最高水平。有機(jī)化合物或揮發(fā) 性懸浮固體(VSS)通過(guò)傳統(tǒng)處理方法的生物分解事實(shí)上減少和破壞了廢水的能源潛力。運(yùn) 行工廠所需的能量也是發(fā)送到處理過(guò)程的有機(jī)化合物的數(shù)量的正函數(shù)。另外，藻類不能利 用有機(jī)碳，該有機(jī)碳是碳在進(jìn)入WWTP時(shí)所處的形式。它必須首先通過(guò)細(xì)菌經(jīng)過(guò)呼吸作用轉(zhuǎn) 變?yōu)镃02。這需要額外的能量。因此，有利的，在生物處理之前，從廢水中盡量多的移除有機(jī) 材料，以保存能量值并減少設(shè)備用于處理有機(jī)碳的能量需要。傳統(tǒng)的初級(jí)澄清池可用于減 少生化需氧量(B0D)和原廢水中總的懸浮固體(TSS)，各自減少30%和70%。傳統(tǒng)的初級(jí) 澄清池方法還可以通過(guò)化學(xué)地提高初級(jí)處理(CEPT)而改進(jìn)。采用CEPT，B0D和TSS的移除 比率可以分別提高到57%和85%。專門設(shè)計(jì)用于替換初級(jí)澄清池的機(jī)械滲流單元也可以 用于移除處于工廠頭部的有機(jī)化合物，如果陸地間隔是問(wèn)題的話。然后初級(jí)澄清池排出物流向初級(jí)藻類介質(zhì)輪。進(jìn)入初級(jí)介質(zhì)輪的廢水是養(yǎng)分的水 溶液，其促進(jìn)細(xì)菌和藻類的生長(zhǎng)。各個(gè)介質(zhì)輪有設(shè)計(jì)用于非光養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的內(nèi)部生物介質(zhì) 和暴露于日光下的外表面，該日光支持藻類和光養(yǎng)細(xì)菌。這樣，根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)和方法的一 個(gè)方面，該載有養(yǎng)分的廢水通過(guò)介質(zhì)輪的內(nèi)部生物介質(zhì)，該廢水易接受不同的細(xì)菌種類，使 其利用適當(dāng)?shù)沫h(huán)境和有效營(yíng)養(yǎng)成分。細(xì)菌進(jìn)行各種生物處理，或者將養(yǎng)分吸入生物體中，或 者把養(yǎng)分改變?yōu)檩^少環(huán)境毒性的形式。通過(guò)在介質(zhì)輪生物介質(zhì)中的細(xì)菌促進(jìn)的一種生物反 應(yīng)是(CH20) x+02 — C02+H20其中，(CH20)x表示經(jīng)由廢水來(lái)源引入的有機(jī)物質(zhì)的生化需氧量(B0D)。在一個(gè)實(shí)施方式中，初級(jí)介質(zhì)輪包括回轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，其提供用于藻類和光養(yǎng)細(xì)菌菌落的表面。該旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪系統(tǒng)促進(jìn)了下列通過(guò)光合作用發(fā)生的生物反應(yīng)C02+2H20+太陽(yáng)能→(CH20) x+02+H20其中，(CH20)x表示固定在藻類生物體中的有機(jī)物質(zhì)。本發(fā)明系統(tǒng)以在藻類和細(xì)菌 之間的有益的共棲為資本，其結(jié)果是形成了生產(chǎn)生物體的成本低廉的方法。細(xì)菌依靠由藻 類生產(chǎn)的02的存在，而藻類依靠由細(xì)菌生產(chǎn)的co2的存在。細(xì)菌和藻類群體在初級(jí)介質(zhì)輪 中的生長(zhǎng)導(dǎo)致對(duì)來(lái)自廢水源的B0D(生化需氧量)的減少，和懸浮固體、氮、含磷物及其他養(yǎng) 分的減少。因?yàn)樵孱愒谄鋵?duì)養(yǎng)分的光合吸收中利用太陽(yáng)能，本系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪有意暴露 于日光下，以利用該自由能源。凈效果是對(duì)于生產(chǎn)細(xì)菌和藻類生物體是有效的環(huán)境，這在其 他用于處理廢水的系統(tǒng)中未有發(fā)現(xiàn)。初級(jí)介質(zhì)輪的排出物然后傳送到第二級(jí)澄清池用于除去在初級(jí)介質(zhì)輪中產(chǎn)生的 生物體。第二級(jí)澄清池的排出物然后傳送到分開階段的第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)，用于進(jìn)一步的 廢水處理、GHG的減少和碳俘獲及生物質(zhì)生產(chǎn)。該第二級(jí)介質(zhì)輪可以是和前面所述的初級(jí)介質(zhì)輪相同的。然而，廢水必須在兩個(gè) 清楚地分開的介質(zhì)輪過(guò)程中處理，以實(shí)現(xiàn)滿足規(guī)定要求的想要的廢水處理。和在初級(jí)介質(zhì)輪一樣，排出第二級(jí)介質(zhì)輪的水因而包含一定百分比的藻類和細(xì)菌 固體(生物體)。然后，生物體采用傳統(tǒng)的第三級(jí)澄清池從處理過(guò)的水中分離出。然后澄清 的排放水可以滅菌并直接地排放到受納水流中，根據(jù)規(guī)章的要求應(yīng)用于相鄰的土地或再利 用于其他目的。旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪具有肋片用于捕捉空氣以旋轉(zhuǎn)該介質(zhì)輪，以及提供增加的表面積用于 額外的藻類和光養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)。介質(zhì)輪總的幾何形態(tài)和肋片可以提供總的藻類生長(zhǎng)表面 積，其比該輪的二維足跡超出7. 6倍。該介質(zhì)輪通過(guò)從吹風(fēng)機(jī)注入空氣到在位于每個(gè)介質(zhì) 輪下方的空氣管中的孔中而旋轉(zhuǎn)。利用注入空氣驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪排除了對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的 需要，后者具有當(dāng)生物體積聚在旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪表面上時(shí)導(dǎo)致失效的可能。介質(zhì)輪的轉(zhuǎn)速根據(jù) 每個(gè)介質(zhì)輪隔間中的水深進(jìn)行調(diào)節(jié)。特別地，轉(zhuǎn)速得到控制以防止藻類的光抑制并提供有 序的混合，其中藻類暴露于高光子通量密度(PFD)和低PFD或黑暗的交變循環(huán)。注入的空 氣也用于添加02到水溶液中，這對(duì)于在槽中的細(xì)菌和藻類共同體的生物進(jìn)程的使用是必需 的。此外，由注入的空氣在槽中產(chǎn)生的湍流引起載有固體的藻類得以脫離并進(jìn)入水流中通 過(guò)系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)的連續(xù)流攜帶著自由的藻類粒子和任何被藻類收集的固體，流向系統(tǒng)的 出口端。吹風(fēng)機(jī)用來(lái)旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪，而空氣分布管格子設(shè)計(jì)用于均勻地傳送和分配空氣到每 個(gè)介質(zhì)輪。這使本發(fā)明相對(duì)于其他藻類生產(chǎn)系統(tǒng)帶來(lái)了重要的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閏o2排氣可以有 效地和均勻地分配給橫跨整個(gè)生長(zhǎng)區(qū)域的藻類。其也允許廢熱隨著co2均勻地傳送到整個(gè) 藻類/細(xì)菌生產(chǎn)系統(tǒng)，以最佳地加熱寒冷氣候中溫室里面的廢水和空氣。此外，介質(zhì)輪的槽 中的水深維持在15英寸。這個(gè)淺水深度允許采用再生的吹風(fēng)機(jī)(regenerative blower), 這比離心機(jī)和容積式吹風(fēng)機(jī)需要少得多的能量以進(jìn)行運(yùn)行。該淺水深度也允許典型的用于 煤層植物的空氣傳送設(shè)備也用于傳送空氣到介質(zhì)輪系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供能生產(chǎn)大量易于脫水的生物體的廢水處理方法和裝 置。在本發(fā)明的還有一個(gè)方面中，事實(shí)上本生態(tài)學(xué)和生物處理方法的所有副產(chǎn)品用于其他 處理。例如，在一個(gè)方面，由于藻類和細(xì)菌在旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪上生長(zhǎng)，藻類和細(xì)菌菌落被從旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪上去除。裝載固體的藻類和細(xì)菌菌落的有效去除是通過(guò)橫跨介質(zhì)輪生長(zhǎng)表面的空氣 和水流自動(dòng)完成的。生物體沉積在第二級(jí)和第三級(jí)澄清池的底部。然后該生物體可以從澄 清池中除掉以進(jìn)一步處理為生物燃料、化肥等等?；谠孱惖纳矬w還可以用于可再生能源系統(tǒng)。從整個(gè)工廠獲得的生物體可以干 燥并熱處理，作為發(fā)電處理的一部分。大多數(shù)種類的熱處理可以采用藻類生物，包括直接燃 燒、氣化和高溫分解。熱處理的副產(chǎn)品，比如灰和co2，可能回饋到介質(zhì)輪中以提高和優(yōu)化處 理過(guò)程和額外的藻類生物體的生長(zhǎng)。當(dāng)該方法持續(xù)時(shí)，循環(huán)回到處理系統(tǒng)的熱處理的副產(chǎn) 品超出系統(tǒng)的需要，此時(shí)額外的處理系統(tǒng)可以投入運(yùn)行。額外的系統(tǒng)生產(chǎn)額外的生物體，這 同樣地可以熱處理用于發(fā)電。當(dāng)熱處理的副產(chǎn)品循環(huán)回到系統(tǒng)中時(shí)，進(jìn)一步的處理系統(tǒng)可 以投入運(yùn)行，直到達(dá)到要求的平衡點(diǎn)。本發(fā)明將其與現(xiàn)有技術(shù)所謂的"可再生"能源系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)別，因?yàn)楸景l(fā)明的系統(tǒng) 是真正的“可再生”。不同于乙醇和生物柴油工廠，后者采用比它們創(chuàng)造的還要多的能量， 本發(fā)明不僅生產(chǎn)充足的生物體以生產(chǎn)自生所需的能量，而且生產(chǎn)額外的生物體用于設(shè)備外面。本發(fā)明還提供極其有效的方法，以獨(dú)特和新穎的方法用于顯著地減少或排除煤電 廠的碳足跡。這是通過(guò)生產(chǎn)可再生的進(jìn)料以替換化石燃料或"燃料開關(guān)"而實(shí)現(xiàn)的。如上 所述，隔離和存儲(chǔ)煤燃燒中排放的所有0)2是不切實(shí)際的。更加實(shí)際的是替換煤。本發(fā)明首 先通過(guò)生產(chǎn)“綠色煤”而排除了化石燃料煤中co2的生產(chǎn)，使得在熱處理時(shí)沒(méi)有碳足跡。利 用傳統(tǒng)的WffTP生產(chǎn)“燃料開關(guān)”是不切實(shí)際的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的WWTP采用比其生產(chǎn)的生物體能 夠創(chuàng)造的能量更多的能量，并且其不能通過(guò)光合作用創(chuàng)造額外的生物體。同樣地，利用傳統(tǒng) 的藻類生產(chǎn)系統(tǒng)，比如光生物反應(yīng)器、水池或跑道系統(tǒng)也是不切實(shí)際的，因?yàn)槠淙狈?lái)自細(xì) 菌的生物體。只有通過(guò)細(xì)菌和藻類生物體的結(jié)合，如同本發(fā)明所提供的，生產(chǎn)"燃料開關(guān)" 才變得實(shí)際。本發(fā)明還提供經(jīng)濟(jì)合算的和有效的捕捉從C02發(fā)生器、例如煤廠排放的C02的方 法，因?yàn)閺U水典型地是有碳限度的。在廢水中發(fā)現(xiàn)的藻類包括碳氮磷混合物，典型地， C N P的比率是50 8 1。廢水典型地具有20 8 1的C N P比率。因此， 碳在利用廢水的藻類生長(zhǎng)中是限制因素，這出現(xiàn)了添加更多的碳，特別地，co2到廢水中的 機(jī)會(huì)，這不但捕獲碳，還增加系統(tǒng)的處理效率。如同成分所表明的，藻類生物體可以通過(guò)在 廢水中添加co2而增長(zhǎng)一倍以上。包括有介質(zhì)輪66作為處理裝置的小城市廢水處理廠如圖4所示那樣構(gòu)造，并且如 同這里更加詳細(xì)的描述那樣。獲得了 0. 25磅/介質(zhì)輪/天的平均藻類生物質(zhì)生產(chǎn)比率，這 等于662. 5噸/英畝/年，或是最有效的藻類生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)率的6倍以上。還注意到， 0. 25磅/介質(zhì)輪/天的生產(chǎn)率沒(méi)有因C02提高?；谠孱愌芯?，采用C02富集的話，可以預(yù) 料生產(chǎn)率將顯著地增加。美國(guó)EPA估計(jì)，有16，225家廢水處理廠在運(yùn)行，每天處理400億 加侖的廢水。基于保守的生產(chǎn)率，每年可以從執(zhí)行本發(fā)明的美國(guó)處理廠產(chǎn)生2190萬(wàn)干噸 (dry ton)的高BTU值藻類生物體。每干磅(dry pound)的藻類和未消化的淤泥生物體具 有大約10，000BTU的BTU值，這等于典型的煤BTU值。因此，如果美國(guó)將所有的廢水處理廠 轉(zhuǎn)換為本發(fā)明的藻類處理系統(tǒng)，通過(guò)這些設(shè)備生產(chǎn)的聯(lián)合的生物體將替代美國(guó)每年所消耗 的10. 46億噸煤中的大約2%。本保守估計(jì)沒(méi)有包括從C02補(bǔ)充中將產(chǎn)生的額外的生物體。將其與EPA估計(jì)的800萬(wàn)干噸的相對(duì)較低BTU值的基于細(xì)菌的淤泥作比較，這是當(dāng)前每年 所生產(chǎn)的。本發(fā)明還基于廢水處理方法在現(xiàn)存的細(xì)菌之上提供改進(jìn)的固體移除。藻類飛速生 長(zhǎng)，捕獲懸浮固體并移除溶解的有機(jī)質(zhì)，利用這兩類材料作為食物。通過(guò)光合作用，有機(jī)材 料通過(guò)藻類轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌幕衔?，而氧得以釋放。該氧氧化污水固體，引起淤泥分離和壓縮。 藻類絲的凝結(jié)效應(yīng)和氧化效應(yīng)一起產(chǎn)生重的密集的藻類質(zhì)量，其容易地沉積或移除，產(chǎn)生 清潔的排出物。本發(fā)明還基于廢水處理方法在現(xiàn)存的細(xì)菌之上提供改進(jìn)的營(yíng)養(yǎng)物去除。當(dāng)前使用 細(xì)菌的處理廠排放硝酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽等等到自然水體中，用于通過(guò)自然存在的植物和 動(dòng)物生命稀釋和持續(xù)處理。可以認(rèn)識(shí)到，廢水中這樣的硝酸鹽和磷酸鹽已經(jīng)日益變成一個(gè) 問(wèn)題，因?yàn)樗鼈円鸫罅吭孱愒谖覀兊暮春秃恿髦写罅吭鲩L(zhǎng)。本發(fā)明只以其天然的礦質(zhì) 元素更加接近地實(shí)現(xiàn)排放廢水要求的功能，因?yàn)槠洳捎蒙姥h(huán)的植物生的部分，而代替 死的和衰退的部分。硝酸鹽、磷酸鹽和他們的前身是植物養(yǎng)料，并且這樣通過(guò)光合作用被藻 類吸收。藻類可以比其被細(xì)菌處理快得多地代謝氮和磷。處理更加完全和快速，因?yàn)槭褂眉?xì) 菌的處理方法是基于腐爛的，而藻類處理是一種有機(jī)物質(zhì)到活的健康的植物生命的轉(zhuǎn)換。前述目的通過(guò)有介質(zhì)輪創(chuàng)造的共生關(guān)系和環(huán)境運(yùn)行條件而在本發(fā)明的實(shí)踐中實(shí) 現(xiàn)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，廢水處理、GHG減少和捕獲、以及生物質(zhì)生產(chǎn)通過(guò)這樣的方式實(shí) 現(xiàn)提供介質(zhì)輪，該介質(zhì)輪用于活的光養(yǎng)和非光養(yǎng)細(xì)菌和藻類的生長(zhǎng)，和裝置，該裝置用于 移動(dòng)該介質(zhì)輪通過(guò)所述廢水并使得藻類和光養(yǎng)細(xì)菌暴露于光下，使得有充分的時(shí)間用于保 持光養(yǎng)細(xì)菌和藻類的生長(zhǎng)。從藻類和介質(zhì)輪進(jìn)出水的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的氧將保持非光養(yǎng)細(xì)菌的 生長(zhǎng)。處于串聯(lián)和分開階段的多個(gè)介質(zhì)輪提供用于廢水必要的處理水平、捕獲GHG并生產(chǎn) 生物體。部分介質(zhì)輪在廢水水面上面處理以提供曝光，并通過(guò)其旋轉(zhuǎn)以從大氣和藻類中傳 送溶解的氧到廢水中。藻類通過(guò)其淹沒(méi)并通過(guò)經(jīng)由離心力在其上的蓄水而維持濕的條件。 藻類還必須提供有充分的光，或者是直接的自然界的日光，或者是經(jīng)由纖維光學(xué)傳送的日 光，以維持藻類生長(zhǎng)。在寒冷氣候中，介質(zhì)輪裝入在溫室中，以保護(hù)藻類和細(xì)菌避免凝固或 接近凍結(jié)溫度。在本發(fā)明實(shí)踐中采用的藻類是自然地存在于污水中的類型。這樣的藻類都是具有 延長(zhǎng)細(xì)絲和微藻類的細(xì)絲狀的類型。絲狀藻類表面涂有粘性的粘液，其捕捉和保持固體顆 粒，包括膠體微粒。當(dāng)介質(zhì)輪旋轉(zhuǎn)通過(guò)廢水時(shí)，裝載有污水固體的細(xì)絲顆粒通過(guò)旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪 的空氣和對(duì)著介質(zhì)輪肋片的液體的沖刷作用而破碎。捕獲在這樣的藻類細(xì)絲上的污水固體 在每個(gè)細(xì)絲從藻類支持床上破碎之前可以保持?jǐn)?shù)小時(shí)，而淤泥最終的質(zhì)量以粗糙、沉重和 很好地氧化的形式沉淀。在某些實(shí)施方式中，每個(gè)介質(zhì)輪內(nèi)部的一半可以包括用于非光養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的生物 介質(zhì)。這些非光養(yǎng)細(xì)菌氧化廢水中的有機(jī)碳，并將其轉(zhuǎn)換為co2用于藻類。在晚上，光合作用可以持續(xù)，如果供給人造光的話。然而，這對(duì)于在介質(zhì)輪系統(tǒng)中 維持適當(dāng)?shù)暮趿坑糜诠怵B(yǎng)性的和非光養(yǎng)性的有機(jī)體連續(xù)二十四小時(shí)的生長(zhǎng)和呼吸不是 必需的。在日間，藻類浸透含氧的水。在晚上，當(dāng)藻類呼吸時(shí)，含氧量下降但是不低于3-4mg/ 1，如在小規(guī)模的介質(zhì)輪試驗(yàn)性的測(cè)驗(yàn)中所證明的。介質(zhì)輪進(jìn)出水的通風(fēng)和轉(zhuǎn)動(dòng)為水提供充 足的氧化以保持介質(zhì)輪環(huán)境條件最佳，以用于每天24小時(shí)，每年365天的生物活性。通風(fēng)和轉(zhuǎn)動(dòng)也提供用于良好的氣體交換，并防止像閉環(huán)光生物反應(yīng)器那樣氣體的積累。在寒冷氣候利用廢水作為生長(zhǎng)藻類的方法是有利的，因?yàn)檫M(jìn)入WWTP的廢水全年 典型地在50-70° F之間。利用藻類和細(xì)菌處置廢水也是有利的，因?yàn)樵谔幚磉^(guò)程中生物有 機(jī)體更加地不同，這增加了系統(tǒng)經(jīng)受水力和有機(jī)沖擊的穩(wěn)定性和可靠性。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的廢水處理廠(WWTP)的處理流程圖；圖2是圖1所示的WWTP的水力輪廓圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的可再生能源系統(tǒng)的處理圖表，其利用圖1所 示的廢水處理設(shè)備；圖4是用于圖1所示的WWTP中的介質(zhì)輪的橫截面圖；圖5是用于圖1所示的WWTP中的初級(jí)和第二級(jí)介質(zhì)輪處理、GHG減少和捕獲及生 物質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)的平面圖；圖6是用于圖5所示的初級(jí)和第二級(jí)介質(zhì)輪處理、GHG減少和捕獲及生物質(zhì)生產(chǎn) 系統(tǒng)的剖視圖；圖7是另一個(gè)用于圖5所示的初級(jí)和第二級(jí)介質(zhì)輪處理、GHG減少和捕獲及生物 質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)的剖視圖；圖8是用于支撐用于圖5-7所示的系統(tǒng)的介質(zhì)輪陣列的槽的俯視圖；圖9是圖8所示的槽的端視圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的多層初級(jí)和第二級(jí)介質(zhì)輪處理、GHG減少和 捕獲、及生物質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式為促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的原理的理解，現(xiàn)在將示例在附圖中并描述在下面所寫的說(shuō)明書 的實(shí)施方式給出參考?？梢岳斫獾氖牵洳恢荚趯?duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。還要理解的是， 本發(fā)明包括對(duì)示例的實(shí)施方式的任何變形和修改，并包括本發(fā)明原理的進(jìn)一步的應(yīng)用，如 同通常將對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而發(fā)生的那樣。藻類從來(lái)沒(méi)有成功地被用于廢水處理廠中的初級(jí)和第二級(jí)處理，因?yàn)樵孱惐仨毦?有大部分的時(shí)間的光照用于生長(zhǎng)。在白晝小時(shí)，藻類散發(fā)出氧作為副產(chǎn)品，而在晚上它生產(chǎn) 二氧化碳。如果全部的光被切斷，其最終將死亡。廢水如此渾濁，以致藻類從不充足地形成 在處理廠中供使用，直到在處理過(guò)程之后。然而，如果藻類搬進(jìn)和排出廢水暴露于日光下， 藻類將在廢水中豐富地生長(zhǎng)并代謝出額外的成分。廢水使用細(xì)菌的處理需要從大氣中獲得大量的氧，這可以完全由藻類供應(yīng)，如果 允許其生長(zhǎng)的話。通過(guò)藻類釋放到廢水中的氧本質(zhì)上有助于從廢水中除去固體。已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)，如果少量溶解的氧被引入到沉積的廢水固體中，該固體沉積得更快并更好地凝結(jié)、更好 地粘附并可自由地排出，從而它們能夠相對(duì)于僅基于細(xì)菌的淤泥更有效地脫水和干燥。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，生長(zhǎng)在藻類介質(zhì)輪的肋片上的藻類的密集的面層還 起到機(jī)械過(guò)濾器的作用。在藻類跑道和水池中，藻類面層不久被由藻類捕獲的固體阻塞。然 后這樣的固體擋住了來(lái)自面層的光，使藻類死亡。通過(guò)為介質(zhì)輪曝氣和使藻類基床移動(dòng)通過(guò)污水，生成沖刷作用，引起載有固體的細(xì)絲破碎，暴露新的細(xì)絲用于處理、生長(zhǎng)和過(guò)濾作 用。機(jī)械阻塞得以避免，且藻類交替地暴露于光線下以維持其生長(zhǎng)和浸入廢水中以提供生 物處理和機(jī)械滲流。這樣的曝光通常將在白晝小時(shí)期間充足地獲得。然而需要注意的是， 太多直接的陽(yáng)光對(duì)藻類是有害的，將導(dǎo)致光抑制。介質(zhì)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)排除了該問(wèn)題。盡管存在 數(shù)千種藻類，本方法最好采用微型藻類和多細(xì)胞絲狀藻類，其能夠?qū)⑵渥陨砀街焦潭ǖ?介質(zhì)上，例如塑料介質(zhì)輪。藻類自身覆蓋在粘性的、膠凝的薄膜中，能夠捕獲和保持所有類 型的固體顆粒，包括膠體物質(zhì)和細(xì)菌。這類藻類在污水中固有。當(dāng)保持潮濕的時(shí)候，介質(zhì)輪可以操作以將其暴露于日光下，或者直接地，或者通過(guò) 纖維光學(xué)，或者是適當(dāng)?shù)娜嗽旃?，并使其交替地淹沒(méi)以與廢水接觸。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這樣交替地 曝露于光和污水促進(jìn)藻類的生長(zhǎng)，導(dǎo)致在介質(zhì)輪上重的藻類面層的形成。該藻類面層組成 生物和機(jī)械過(guò)濾器，生物學(xué)地移除養(yǎng)分，機(jī)械地移除顆粒物質(zhì)，并以緊緊粘結(jié)的聚集物卸除 這樣的材料，與通常已知的絮凝的固體相當(dāng)不同。由介質(zhì)輪的生物成分產(chǎn)生的大部分細(xì)菌 粘附于被藻類捕獲的固體中。氧已知用于改進(jìn)用于沉積廢水固體的沉積效率。參見(jiàn)圖1-3，原污水被引入廢水處理廠100，到達(dá)原污水揚(yáng)水站10，其包含充足的 泵，泵的容量能夠處理WWTP的平均和日峰值的設(shè)計(jì)流量。然后，泵送的廢水通過(guò)壓力干管 到達(dá)機(jī)械地清潔的精篩12，移除紙、塑料和大的固體。然后篩過(guò)的廢水在重力作用下流到初 級(jí)澄清池14。該初級(jí)澄清池14大小典型地用于移除廢水中30%的B0D和70%的TSS(總 懸浮固體量)。如果要求，化學(xué)品可以用于通過(guò)化學(xué)地提高初次澄清(CEPC)，以改進(jìn)初級(jí)澄 清池中B0D和TSS的移除。然后廢水通過(guò)重力從初級(jí)澄清池14流動(dòng)到初級(jí)介質(zhì)輪16，其中 廢水與活的微藻類、絲狀藻類，以及光合的和非光合的細(xì)菌接觸。該初級(jí)介質(zhì)輪16作為含 碳的有機(jī)化合物移除階段運(yùn)行，其中大多數(shù)的B0D通過(guò)細(xì)菌轉(zhuǎn)變?yōu)镃02。該藻類移除廢水中 的氮和磷，并將來(lái)自細(xì)菌的C02轉(zhuǎn)換為氧和生物體。然后廢水通過(guò)重力從初級(jí)介質(zhì)輪16流到第二級(jí)澄清池18，其中發(fā)生由初級(jí)介質(zhì) 輪產(chǎn)生的生物體的沉積和分離。然后來(lái)自第二級(jí)澄清池18的凈化的排出物靠重力傳送到 第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)20。在第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)，基本上全部剩余的B0D通過(guò)細(xì)菌轉(zhuǎn)變?yōu)镃02， 并且所有的C02、氮和磷被藻類移除。然后水從第二級(jí)介質(zhì)輪流到第三級(jí)澄清池22。在第 三級(jí)澄清池22中，凝結(jié)的固體允許沉積并從水中除掉。然后來(lái)自第三級(jí)澄清池22的凈化 的排出物靠重力流到消毒單位24，其可以提供氯化/去氯化或紫外線(UV)消毒。然后滅菌 了的水靠重力流到流量計(jì)量裝置26，其可以是巴歇耳量水槽，然后靠重力流到再曝氣裝置 28，其可以是梯級(jí)曝氣法。在該點(diǎn)，水足夠清潔以滿足最嚴(yán)格的規(guī)章排放要求，并可以排放 到水體或再利用于其他目的。從篩子12、初級(jí)澄清池14、第二級(jí)澄清池18和第三級(jí)澄清池22中移除的固體(生 物體)收集在生物體混合槽30中，其中該生物體混合以獲得均勻的生物體用于更下游的處 理。來(lái)自澄清池14、18、22的生物體將具有大約2-4%的懸浮固體濃度。固體含量可以在生 物體混合槽30中通過(guò)慢慢地傾倒上清液回到工廠開頭而得到增加，如圖1所示。然后生物 體采用生物體泵32泵送到脫水設(shè)備34。該生物體泵可以是用于傳統(tǒng)WWTP中泵送淤泥的任 何類型的泵，例如累進(jìn)腔或蠕動(dòng)泵。該脫水設(shè)備可以是用于傳統(tǒng)WWTP中的任何類型，例如 離心機(jī)或壓帶機(jī)。由于藻類在固體上的凝結(jié)效應(yīng)，脫水效率大大地提高?；谠囼?yàn)性的測(cè)驗(yàn)，來(lái)自脫水設(shè)備的生物體的典型的固體含量將在20-30%之間。然后脫水的生物體傳送到生物體干 燥機(jī)36，其可以是用于傳統(tǒng)的WWTP中的任何的類型，例如太陽(yáng)能烘干系統(tǒng)。太陽(yáng)能烘干系 統(tǒng)蓋過(guò)其他類型的干燥機(jī)是最好的，如果陸地上可以獲得的話，以最小化在WWTP中的能量 需要。如果陸地是問(wèn)題的話，那么例如可以采用螺桿式生物體烘干機(jī)。該生物體干燥系統(tǒng) 36將使生物體干燥到后續(xù)加工系統(tǒng)要求的最優(yōu)含水量。在干燥36之后，生物體傳送到熱處理系統(tǒng)38，其可以是許多的系統(tǒng)，例如焚燒爐、 燃燒系統(tǒng)、煤氣化系統(tǒng)，或高溫分解系統(tǒng)。作為熱處理的替代，生物體可以作為高BTU值生 物體、化肥、動(dòng)物飼料或其他應(yīng)用出售。如果需要，該藻類生物體還可以發(fā)送到傳統(tǒng)的厭氧 消化池中。最近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，增加藻類到厭氧消化池實(shí)質(zhì)上增加生產(chǎn)的沼氣并幾乎完全地排 除腐蝕性有害氣體，典型地在采用細(xì)菌基的淤泥的消化器中。也在本發(fā)明預(yù)期內(nèi)的是，來(lái)自 單個(gè)的澄清池的篩屑和生物體保持分開以用于不同用途。例如篩屑可以作為垃圾掩埋物、 熱處理以獲得能量的初級(jí)生物體、處理以獲得化肥的第二級(jí)生物體和處理以獲得生物油的 第三級(jí)生物體。用于初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)20的介質(zhì)輪的細(xì)節(jié)圖解在圖4中。 在這里所述的某些實(shí)施方式中，介質(zhì)輪系統(tǒng)16和20使用描述在美國(guó)專利號(hào)5，647，983、 5，755，961，和6，158，386中的技術(shù)，其中的公開通過(guò)參考全部結(jié)合于此，尤其是處理單位 66的公開，如專利的圖4所示。盡管在初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)20中的處 理單元66的細(xì)節(jié)可以從這些專利中獲得，通過(guò)參考本申請(qǐng)的圖4還是給出了一般說(shuō)明。初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)20的基本組件是介質(zhì)輪66，其支撐在槽 52中用于繞著軸71旋轉(zhuǎn)。該介質(zhì)輪66包括空氣捕捉元件，或者肋片62，它們用于旋轉(zhuǎn)廢 水中的介質(zhì)輪，所述廢水在入口 54處進(jìn)入槽52。特別地，通過(guò)外部鼓風(fēng)機(jī)80 (圖7)經(jīng)由管 道112提供擴(kuò)散的空氣，從空氣出口 58出來(lái)以碰撞在肋片62上，用于旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪。肋片最 好構(gòu)建用于有效地捕捉位于連續(xù)的肋片之間的氣袋，當(dāng)氣袋在槽中升起時(shí)，從而氣袋的相 對(duì)浮力將旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪。除了提供動(dòng)力用于旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪，出于下面更加詳細(xì)的解釋的有益的 理由，空氣還引入氧、熱和C02進(jìn)入到廢水中。在圖解的實(shí)施方式中，介質(zhì)輪66包括生物過(guò)濾介質(zhì)56，其包含在介質(zhì)輪的一個(gè)內(nèi) 部部分中。該介質(zhì)構(gòu)建用于支持細(xì)菌滋長(zhǎng)，例如是塑料生物滾珠。所述生物滾珠最好構(gòu)建 用于提供高的表面積對(duì)體積的比率。如同上面的解釋，廢水處理需要在廢水內(nèi)部引入有機(jī) 和無(wú)機(jī)化合物以與菌落接觸，所述菌落利用化合物作為食物。槽52內(nèi)的廢水水平72得以 保持，使得過(guò)濾介質(zhì)56將交替地淹沒(méi)進(jìn)廢水中并從廢水中出來(lái)，這有利地提高了養(yǎng)分、氧 和C02在菌落和廢水之間的傳送。盡管部分或一半的介質(zhì)輪內(nèi)部充滿生物過(guò)濾介質(zhì)56，剩余的內(nèi)部或一半70最好 是空的。這樣，當(dāng)介質(zhì)輪66旋轉(zhuǎn)時(shí)，過(guò)濾介質(zhì)56交替地轉(zhuǎn)移廢水，產(chǎn)生連續(xù)的水位72上升 和下降，或者在槽52內(nèi)使廢水產(chǎn)生浪涌。該連續(xù)的運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了攜帶在介質(zhì)輪66中的藻類 的養(yǎng)分去除比率。肋片62還提供藻類在其上生長(zhǎng)的表面積。介質(zhì)輪66的三維幾何形態(tài)提 供比介質(zhì)輪66的二維足跡超出7. 6倍的藻類生長(zhǎng)表面積，使得其獲得比水池和跑道重要的 優(yōu)勢(shì)。肋片62運(yùn)動(dòng)進(jìn)出廢水在藻類、水和空氣之間提供了有效的氣體交換，并提供在藻類 上變化的自然光強(qiáng)度，所有這些都導(dǎo)致藻類健康和持續(xù)的生長(zhǎng)。此外，肋片的旋轉(zhuǎn)進(jìn)而藻類 的進(jìn)出水控制藻類暴露于高光子通量密度(PFD)和低PFD或黑暗的交變周期。光線和黑暗的該有序的混合防止了與持續(xù)曝光相關(guān)的藻類生長(zhǎng)的光抑制，并改進(jìn)了藻類的生長(zhǎng)周期。升降水位72還有另一優(yōu)點(diǎn)在于其允許空氣均勻分布到許多介質(zhì)輪66上，如同在 圖5、6和7中所示的設(shè)備中所采用的那樣。當(dāng)空氣傳送到常水位的空氣管槽時(shí)，空氣將趨 向不均勻地分裂為"最小阻力路徑"，并且必須采用空氣閥以控制空氣流的分裂。水槽52 中水位72的升降在空氣分配系統(tǒng)中產(chǎn)生變化的水頭，迫使空氣均勻地分裂到格子中的每 個(gè)介質(zhì)輪66，而無(wú)需空氣閥?？諝庠诔隹?58的噴射對(duì)于藻類和光養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)是有利的，因?yàn)榭諝鈬娚渑菽?使得廢水分餾。該泡沫64收集在水面上，在介質(zhì)輪66和容器壁之間。該泡沫生長(zhǎng)在肋片 62上，更特別地，藻類和光養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)在其上，從而藻類和光養(yǎng)細(xì)菌可以容易地吸取必要的 養(yǎng)分和在泡沫64內(nèi)的固體。可以理解的是，生長(zhǎng)在生物介質(zhì)56和藻類上的細(xì)菌和生長(zhǎng)在肋片62上的細(xì)菌形 成生物體，其可以用于如上所述的生物柴油、化肥及其他應(yīng)用。初級(jí)介質(zhì)輪16和第二級(jí)介 質(zhì)輪20這樣設(shè)想，使得藻類將被持續(xù)地從肋片62上強(qiáng)行去除，并允許通入到第二級(jí)澄清池 18和第三級(jí)澄清池22。一旦藻類群體達(dá)到臨界質(zhì)量，噴射通過(guò)出口 58的空氣可以強(qiáng)行從 篩子上去除藻類。刮刀通常不需要，但是也可以提供，如美國(guó)專利號(hào)5，647，983所描述的， 其公開通過(guò)參考結(jié)合于此。一旦從肋片62上移除，藻類生物體分離通過(guò)出口 60。初級(jí)介 質(zhì)輪的初級(jí)處理出口 60與第二級(jí)澄清池18連通，而二級(jí)處理單位的出口 60與第三級(jí)澄清 池22連通，如圖1所示。第二級(jí)澄清池18和第三級(jí)澄清池22主要用作沉積池，以最后除 去分別從初級(jí)處理系統(tǒng)16和第二級(jí)處理系統(tǒng)20釋放的生物體，該生物體由藻類和細(xì)菌組 成。從介質(zhì)輪66的肋片62剝離的藻類是細(xì)絲狀的和表面鍍有粘性的粘液的，這通過(guò)生物 體的凝結(jié)促進(jìn)了在澄清池內(nèi)部的殘存固體的沉淀，也促進(jìn)了移除。排出物再曝氣28之后無(wú)需額外的處理，因?yàn)樽罱K的排出物不包含原始廢水中的 有毒的材料?？偟膽腋」腆w(TSS)事實(shí)上也通過(guò)設(shè)備100除去了。典型地包含在廢水中的 氮和磷為居住在初級(jí)處理系統(tǒng)16和第二級(jí)處理系統(tǒng)20內(nèi)部的細(xì)菌藻類群體提供食物。通 過(guò)光合作用，藻類將氮和磷轉(zhuǎn)變?yōu)樵孱惿矬w和氧。氧氧化廢水固體，從而促進(jìn)固體的壓縮 或凝結(jié)。如同上面所解釋的，氧也為介質(zhì)輪66中菌落的生長(zhǎng)提供燃料，同時(shí)細(xì)菌生產(chǎn)C02， 這有助于藻類得到燃料和生長(zhǎng)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)提供事實(shí)上自生的生態(tài)驅(qū)動(dòng)的循環(huán)，通過(guò)廢 水中的有毒材料和日光提供燃料。由玻璃、塑料，例如雙壁聚碳酸酯或其他透明或半透明材料建造的溫室，可以放置 在初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)22之上，以保護(hù)藻類和細(xì)菌，如在圖5-9中所 示。溫室82的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)22可以統(tǒng)統(tǒng)包含在 溫室82內(nèi)部，如圖6所示。溫室82保護(hù)初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)22，并且 尤其是介質(zhì)輪66，使其免受寒冷氣溫、來(lái)自動(dòng)物和昆蟲的捕食，并用于過(guò)濾來(lái)自日光的有害 的紫外線，以保護(hù)藻類。溫室82可以通過(guò)介質(zhì)輪鼓風(fēng)機(jī)80曝氣，以維持最適宜的大氣用于 介質(zhì)輪的工作。該特征有利地排除了額外的資本成本和能源成本，這典型地為溫室通風(fēng)和 加熱以最適宜于植物生長(zhǎng)所要求。這還有利的，因?yàn)槠涮峁┝巳菀椎睾陀行У貍魉蜔岷虲02 氣體到介質(zhì)輪66，并使熱和C02捕獲在溫室內(nèi)以全年地最適宜藻類生長(zhǎng)的方法。溫室82可 以是任何大小與形狀以容納要求的初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)22。可以理解 的是，房子也可以改變?cè)O(shè)計(jì)，以適應(yīng)對(duì)于保養(yǎng)、測(cè)試、維護(hù)等等的需求，這是對(duì)于任何具體的初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)22而言的，其可能根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的原 理而使用。研究表明，水溫每升高20° F，藻類生長(zhǎng)率翻倍。在冬季月份期間，藻類最好維持 在冰點(diǎn)以上溫度，并且最好在50° F之上，因?yàn)樵孱惡图?xì)菌在很低溫度下將停止生長(zhǎng)，并且 在低于大約40° F時(shí)以非常緩慢的速度生長(zhǎng)。在夏季月份期間，溫室溫度最好保持在低于 100° F以優(yōu)化藻類的生長(zhǎng)。這可以通過(guò)打開溫室中的通風(fēng)孔而實(shí)現(xiàn)。在一些場(chǎng)所，其中全 年的溫度保持溫和，采用溫室以保持藻類和細(xì)菌處于最理想的生長(zhǎng)溫度將變得沒(méi)有必要。在陸地空間有限的應(yīng)用中，初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)22可以構(gòu)建 為多層設(shè)備，如圖10所示。多層設(shè)備的每層基本上構(gòu)建為與圖5-9所示的單層系統(tǒng)相同。 可以理解的是，泵系統(tǒng)可能要求用于直接地流入到上層，而從該層的排出可以靠重力供應(yīng) 以與下層的排出混合。由于保持在初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)22中的淺的水 深(大約15英寸)該多層結(jié)構(gòu)對(duì)于本發(fā)明是可行的。傳統(tǒng)的活性淤泥設(shè)備不能夠這樣構(gòu) 建，因?yàn)樗鼈冃枰?0英尺和更大的側(cè)面水深。來(lái)自初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系 統(tǒng)22的地板負(fù)荷將達(dá)到大約78磅/平方英尺，這可以容易地和經(jīng)濟(jì)地提供于多層建筑結(jié) 構(gòu)中。還可以理解的是，上層可以通過(guò)透明或半透明的溫室82接收環(huán)境日光。兩層都將 通過(guò)溫室的側(cè)壁接收額外的日光。然而，下層中的初級(jí)和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)可能更加需要 日光，相當(dāng)于上層通過(guò)溫室屋頂接收的光。本發(fā)明的另一方面，照明器具124設(shè)置在至少下 層的天花板上，如圖9所示，以為藻類和光養(yǎng)細(xì)菌提供必要的光線。該照明器具124可以是 人造光器具。然而，曝光到所有藻類介質(zhì)輪的光最好是自然光，因而在示例的實(shí)施方式中， 太陽(yáng)能收集器120經(jīng)由光管122供應(yīng)自然的日光到設(shè)備內(nèi)的照明器具124。在本發(fā)明示例的實(shí)施方式中提供的用于旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪的裝置在廢水、空氣、細(xì)菌和 藻類之間提供要求的接觸，并允許藻類與光線具有充分的接觸以促進(jìn)自然生長(zhǎng)。藻類持續(xù) 交替地淹沒(méi)在液體內(nèi)部和運(yùn)動(dòng)通過(guò)大氣的另一個(gè)重要功能在于其排除了光抑制，這對(duì)于有 效的藻類生產(chǎn)是一個(gè)單獨(dú)的大問(wèn)題。當(dāng)在短的光和黑暗循環(huán)周期下時(shí)，藻類生長(zhǎng)效率顯著 地提高。根據(jù)近來(lái)的科學(xué)研究，藻類生產(chǎn)在5-15秒的間歇光和黑暗下最佳。介質(zhì)輪66的 轉(zhuǎn)速可以通過(guò)控制水位72而保持，使得介質(zhì)輪66的RPM是大約3-lORPMs，以提供6_20秒 的間歇光和黑暗循環(huán)。構(gòu)造輕的塑料材料的介質(zhì)輪66以創(chuàng)造浮力介質(zhì)輪66允許介質(zhì)輪66 速度平均更大的靈活性，簡(jiǎn)單地通過(guò)改變通過(guò)出口 58的空氣量和水位72。光介質(zhì)輪66還 允許較少空氣用于每一介質(zhì)輪66，這減少設(shè)備100的能量消耗。藻類持續(xù)交替地淹沒(méi)在液 體內(nèi)部和運(yùn)動(dòng)通過(guò)大氣的另一重要功能是，藻類和細(xì)菌從而可以保持濕的，這對(duì)于其生長(zhǎng) 是必需的，以及在其通過(guò)大氣期間處于充分的速度，以防止藻類基床任何實(shí)質(zhì)的干燥。如圖1所示的設(shè)備100還可以合并為可再生能源系統(tǒng)200，如圖3所示，其中設(shè)備 的副產(chǎn)品用作發(fā)電的燃料，而發(fā)電的副產(chǎn)品用作設(shè)備的"燃料"。全部的可再生能源系統(tǒng) 采用原污水當(dāng)做"燃料"，且本質(zhì)上通過(guò)太陽(yáng)能提供動(dòng)力，從而使得與產(chǎn)生的副產(chǎn)品相關(guān) 的損失較小。設(shè)備200與上述設(shè)備100相同，除了增加額外的第二級(jí)介質(zhì)輪單元20a到20n。 從設(shè)備200產(chǎn)生的生物體以與在設(shè)備100中所述的相同的方法處理以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)40。發(fā)電 機(jī)40的輸出是電，其可以往回提供用于為設(shè)備200和/或電力網(wǎng)供電。另外，當(dāng)需要時(shí)，發(fā) 電期間產(chǎn)生的一些熱可以轉(zhuǎn)送到生物體干燥機(jī)36和初級(jí)介質(zhì)輪16及第二級(jí)介質(zhì)輪20。
該方法的循環(huán)通過(guò)這樣完成將排出氣體從生物體熱處理38和發(fā)電機(jī)40回傳到 初級(jí)介質(zhì)輪16和第二級(jí)介質(zhì)輪20，為設(shè)備200中的藻類生長(zhǎng)提供燃料，如同上面所述的那 樣。排出氣體，即C02，和熱提高和優(yōu)化了藻類生產(chǎn)，這導(dǎo)致增加的生物質(zhì)生產(chǎn)，提高了生物 質(zhì)熱處理38，導(dǎo)致更多的電和/或生物燃料的生產(chǎn)。盡管該循環(huán)出現(xiàn)了永恒的能量循環(huán)，但 是用于整個(gè)處理的外部的，且本質(zhì)上無(wú)限的動(dòng)力源是太陽(yáng)能。可以預(yù)期，設(shè)備100可以處理具體原污水體積的日常的設(shè)計(jì)流量。這樣，可以預(yù) 期，設(shè)備100的大小和構(gòu)建將只取決于泵站10提供的廢水中所含的養(yǎng)分。然而，如同上面建 議的，比起需要的或通過(guò)設(shè)備100能夠處理的，系統(tǒng)200的回?zé)岱矫鎸a(chǎn)生更大量的熱處理 廢氣。不是排出這些氣體用于浪費(fèi)，本發(fā)明設(shè)想將附加的處理設(shè)備20a引進(jìn)線上，如圖3所 描述的那樣。該附加的設(shè)備將接收來(lái)自第二級(jí)澄清池18的排出物和灰、C02，和從熱處理38 及發(fā)電機(jī)40處獲得的余熱。然后，該藻類生長(zhǎng)循環(huán)在該附加的設(shè)備20a中開始，直到達(dá)到 相同結(jié)果，即藻類生長(zhǎng)已經(jīng)在該附加設(shè)備中達(dá)到極限，和副產(chǎn)品超出初級(jí)和附加設(shè)備100、 20a的組合的容量。在那時(shí)，第三設(shè)備20b可以投入運(yùn)行。該作業(yè)順序重復(fù)進(jìn)行，直到實(shí)現(xiàn) 處理設(shè)備100和20a-20(n)的全部補(bǔ)充，如由來(lái)自熱處理的想要的輸出所確定的。在那點(diǎn)， 無(wú)需供給許多藻類生產(chǎn)設(shè)備的排出氣體可以排出或以合適的方式存儲(chǔ)。這里所述的處理設(shè)備100和200提供的重要利益在于所述設(shè)備是自生的，該過(guò)程 由廢水和日光提供燃料。除了自生的優(yōu)點(diǎn)之外，這里所述的設(shè)備生產(chǎn)出多余的生物體，以用 于設(shè)備100之外。多余的生物體可以用作熱處理、共同加熱、甲烷消化器，以及化肥或生物 燃料的生產(chǎn)，比如生物柴油。在這些環(huán)境的每個(gè)中采用生物質(zhì)的方法是已知的，但是到目前 為止，該問(wèn)題仍然存在。換句話說(shuō)，沒(méi)有充分?jǐn)?shù)量的藻類和生物體的可再生來(lái)源以支持廢水 處理副產(chǎn)品的這些外部使用，或者更確切地，用于證實(shí)在處理設(shè)備上的投資的價(jià)值。來(lái)自生 物質(zhì)的可再生能源至今為止是比風(fēng)能或太陽(yáng)能更切合實(shí)際的方法，因?yàn)樯矬w熱能技術(shù)具 有和煤一起很長(zhǎng)的成功記錄。此外，生物體可以與煤同樣的方式處理當(dāng)事實(shí)上需要的時(shí)候 以傳送動(dòng)力到格子。風(fēng)和太陽(yáng)能是不可靠的可再生能源，因?yàn)槠浒l(fā)電不能得到控制。動(dòng)力 公司不喜歡風(fēng)和太陽(yáng)能，因?yàn)樗麄兺ǔＴ陔娏靖静恍枰臅r(shí)候生產(chǎn)電力。由于電不 能成本有效地存儲(chǔ)，該可再生能源被浪費(fèi)，而對(duì)電力公司或消費(fèi)者沒(méi)有價(jià)值。歷史上，關(guān)于 生物體的主要問(wèn)題是其供應(yīng)的不可靠和不一致。大多數(shù)生物體供應(yīng)不能保證永遠(yuǎn)準(zhǔn)備著， 這個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)給投資者造成了太多的風(fēng)險(xiǎn)。然而，廢水和日光顯然是很可靠的，并顯著地 減少了與可靠的和一致的生物體供應(yīng)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。到設(shè)備100和200的能量輸入主要來(lái)自 太陽(yáng)。發(fā)生在介質(zhì)輪系統(tǒng)16、20中的生物處理是自發(fā)和自生的。因此，這里公開的設(shè)備100 和200克服了與來(lái)自生物體的可再生能源相關(guān)的問(wèn)題。事實(shí)上，設(shè)備100和200給廠主提 供了方法，保證它們用于設(shè)備的生命的能源成本。這樣，本發(fā)明提供具有相當(dāng)高的環(huán)境意識(shí)的方案以解決處理廢水的前述問(wèn)題，具 有減少來(lái)自廢水處理的溫室氣體的有益的附件，從C02排放中捕獲co2，并生產(chǎn)可更新資源 以用于其他處理中。本發(fā)明的廢水處理系統(tǒng)和方法避免了先前與藻類生物燃料生產(chǎn)效果相關(guān)的問(wèn)題。 旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪(圖4)本質(zhì)上增加了用于藻類生長(zhǎng)的有效表面面積。在跑道水池中，水池必須 足夠淺以使日光到達(dá)懸浮和浮動(dòng)在繞著水池的水流中的藻類。在本系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪66 持續(xù)地使在介質(zhì)輪66表面上生長(zhǎng)的藻類群體暴露在日光中。
跑道水池系統(tǒng)需將C02和養(yǎng)分注入水池用于藻類的消費(fèi)。本發(fā)明的系統(tǒng)采用藻類 和細(xì)菌，它們形成共生關(guān)系，這導(dǎo)致更快的藻類生長(zhǎng)。盡管co2可以引入本發(fā)明系統(tǒng)的介質(zhì) 輪66中，然而其不是必需的。然而，如果可得到，額外的C02將支持額外的藻類生長(zhǎng)。這樣， 本發(fā)明的介質(zhì)輪系統(tǒng)16、20可以用于處置來(lái)自接近的設(shè)備或工廠的廢水和廢棄的C02。本發(fā)明系統(tǒng)另一優(yōu)點(diǎn)是，比起在先的系統(tǒng)的跑道水池，藻類生物體可以從本系統(tǒng) 的澄清池18、22更容易地提取出。為了收獲藻類，跑道水池需要采用擦洗機(jī)或撇乳器抽吸 通過(guò)水池或通過(guò)轉(zhuǎn)向液流。另一方面，本發(fā)明的系統(tǒng)依靠用于旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪的噴氣射流從介 質(zhì)輪66表面上去除所生長(zhǎng)的藻類。去除的藻類將沉積在澄清池18、22的底部，以方便地除 去。最近發(fā)現(xiàn)，在其光合作用反應(yīng)期間，藻類生產(chǎn)大量氫氣。這樣，如上所述的設(shè)備可 以改變用于抽取氫氣，然后氫氣可以用作燃料。在先的跑道水池系統(tǒng)不適合于抽取氫，因?yàn)?氫氣將從水池的整個(gè)表面積過(guò)濾掉。另一方面，圖1的設(shè)備容易地適合于抽取從初級(jí)介質(zhì) 輪系統(tǒng)16和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)20散發(fā)的氫氣，因?yàn)樵摎怏w將收集在溫室82的頂部。包括有作為處理裝置的介質(zhì)輪66的小城市廢水處理廠如圖4所示地構(gòu)建。每個(gè) 介質(zhì)輪66直徑是16. 5英寸，寬度是15. 5英寸。該系統(tǒng)最初運(yùn)行，使得原污水進(jìn)入二個(gè)串 聯(lián)的初級(jí)介質(zhì)輪66，后面是澄清池，澄清池的后面然后是串聯(lián)的二個(gè)第二級(jí)額外的介質(zhì)輪 66，后面是澄清池。然后，初級(jí)和第二級(jí)介質(zhì)輪66的數(shù)量增加到串聯(lián)的六個(gè)介質(zhì)輪，然后最 終是串聯(lián)的九個(gè)介質(zhì)輪。介質(zhì)輪66這樣運(yùn)行，其中廢水流平行和垂直于介質(zhì)輪66的軸，且 廢水流過(guò)串聯(lián)的介質(zhì)輪。介質(zhì)輪66運(yùn)行在不同的水深、不同的轉(zhuǎn)速、不同的流入物流動(dòng)和 有和沒(méi)有人工采光下。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，廢水必須以活塞式流動(dòng)的方式流過(guò)介質(zhì)輪66的兩個(gè) 階段(初級(jí)和第二級(jí))，介質(zhì)輪的每個(gè)階段由串聯(lián)的九個(gè)介質(zhì)輪組成，以一貫地提供管理機(jī) 構(gòu)要求的必要的處理。在介質(zhì)輪66槽52中的總的水力保持時(shí)間是5. 4小時(shí)，以獲得滿足直接排放規(guī)定 要求的排出物。活性淤泥處理典型地需要12-18小時(shí)的保持時(shí)間以獲得該相同的處理水 平。除了由細(xì)菌提供的處理之外，這主要是基于經(jīng)由藻類的額外的養(yǎng)分的移除。試驗(yàn)系統(tǒng) 也表明基于藻類原因的固體的有效沉淀。用于小規(guī)模試驗(yàn)的澄清池只提供2小時(shí)的保持時(shí) 間，且沒(méi)有阻塞以消散流動(dòng)能，但是獲得了滿足規(guī)定的排放要求的懸浮固體移除率。在傳統(tǒng) 活性淤泥工廠中的澄清池大小用于提供超過(guò)6小時(shí)的保持時(shí)間，以充分地移除懸浮固體。 這是因?yàn)閬?lái)自活性淤泥處理的淤泥不形成緊湊的淤泥，即使大量的氧從大氣中引入以助于 活化淤泥。事實(shí)上，許多活化淤泥工廠必須添加聚合體到它們的澄清池以完全地沉積淤泥。圖5-7表示用于設(shè)備100和設(shè)備200中的初級(jí)介質(zhì)輪16和第二級(jí)介質(zhì)輪20。初 級(jí)16和第二級(jí)20在結(jié)構(gòu)與操作上都是相同的，但是位于在處理過(guò)程的分開的階段的設(shè)備 100,200內(nèi)。初級(jí)16和第二級(jí)20每個(gè)都包括多個(gè)介質(zhì)輪66的陣列串聯(lián)地設(shè)置為九個(gè)介 質(zhì)輪66的輪系，它們以活塞式流動(dòng)的方式運(yùn)行，其中多排的介質(zhì)輪66互相平行。所需的排 數(shù)是被處理的廢水量和/或要求的C02捕捉量和/或要求的生物質(zhì)生產(chǎn)量的函數(shù)。介質(zhì)輪 66通過(guò)塑料格子網(wǎng)絡(luò)96支撐，其支撐并允許介質(zhì)輪旋轉(zhuǎn)并為每個(gè)介質(zhì)輪66創(chuàng)造單個(gè)的腔 97，以提供活塞式流動(dòng)方式通過(guò)每個(gè)九輪系。格子網(wǎng)絡(luò)96包括每個(gè)流動(dòng)系中在位于每個(gè)介 質(zhì)輪66腔之間的壁中的孔106，這允許廢水、藻類和細(xì)菌從介質(zhì)輪66行進(jìn)到介質(zhì)輪66，并 最終越過(guò)出水控制堰102到達(dá)供應(yīng)出水管84的公共的出水渠道104。如同在圖8-9中更具體地表示的，該格子網(wǎng)絡(luò)96通過(guò)安裝在網(wǎng)絡(luò)槽108內(nèi)的一系列平行嵌板125而形成，它們 從干流通道86延伸進(jìn)入槽的相對(duì)端。該網(wǎng)絡(luò)還包括一系列的平行嵌板127，它們垂直于第 一嵌板125設(shè)置，從而嵌板125、127的組合限定出多個(gè)腔97，其內(nèi)存在有單個(gè)的介質(zhì)輪66。 每個(gè)垂線嵌板127限定出縫128用于接收相應(yīng)的介質(zhì)輪的軸71?？蛇x地，只有三個(gè)垂直嵌 板129a、129b和129c具備縫128。在該替換的實(shí)施方式中，單個(gè)的軸71沿著陣列的給定排 延伸，將每個(gè)介質(zhì)輪支撐在其自己的腔97內(nèi)。根據(jù)需要，在每個(gè)縫中可以提供軸承元件以 支承軸71?？梢灶A(yù)期的是，聯(lián)鎖嵌板125、127、129a-c由耐用的塑料制成，能夠經(jīng)得起暴露 于潛在的有毒廢水中。格子網(wǎng)絡(luò)96可以是預(yù)制的，以可移去地安裝在每個(gè)槽108內(nèi)部。流入的廢水通過(guò)公共的流入通道90均勻分布到一排排介質(zhì)輪66中，該流入通道 90形成介質(zhì)輪格子網(wǎng)絡(luò)槽108的邊界。公共的可調(diào)節(jié)的V形缺口堰94附接到在每個(gè)格子 網(wǎng)絡(luò)96前面的流入通道的壁92的上緣，如圖6所示。沿著堰94的一系列的V形缺口構(gòu)建 用于控制和分配廢水，將廢水均勻地分配到格子網(wǎng)絡(luò)96中的介質(zhì)輪66。維持在介質(zhì)輪格 子網(wǎng)絡(luò)96中的水位通過(guò)采用公共的流出通道104進(jìn)行控制，該流出通道104形成每個(gè)網(wǎng)絡(luò) 槽108的邊界。公共的可調(diào)節(jié)的排出物V形缺口堰102附接于在每個(gè)格子網(wǎng)絡(luò)96末端處 的排出通道壁98的上緣。格子網(wǎng)絡(luò)96還結(jié)合有風(fēng)管分配系統(tǒng)112，其由空氣管組成，所述空氣管沿著九個(gè) 介質(zhì)輪66的每個(gè)輪系設(shè)置。管中的出口 114位于每個(gè)介質(zhì)輪66的下面，處于正確的位置 以允許空氣捕獲在介質(zhì)輪66肋片62中(類似于圖4的出口 58)。由內(nèi)部生物介質(zhì)56交替 地進(jìn)出水中引起的在每個(gè)介質(zhì)輪腔52中的水位72的上升和下降允許均勻的空氣分支橫跨 整個(gè)工作介質(zhì)輪格子網(wǎng)絡(luò)96，而無(wú)需空氣調(diào)節(jié)閥。吹風(fēng)機(jī)80通過(guò)包含在格子系統(tǒng)96中的 風(fēng)管網(wǎng)絡(luò)112傳送需要的氣流以旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪66。這些風(fēng)機(jī)80還提供裝置以從熱處理中或 從設(shè)備之外的來(lái)源傳送額外的C02到介質(zhì)輪66。這樣，如同這里所公開的，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式預(yù)期用于同時(shí)處理廢水、減少溫 室氣體、捕捉co2和生產(chǎn)生物體的方法，其中包括使廢水流動(dòng)以與容納有活的藻類和細(xì)菌的 裝置接觸以處理廢水，防止通過(guò)細(xì)菌和藻類生產(chǎn)的溫室氣體的釋放和生產(chǎn)，傳送co2到藻類 以通過(guò)藻類生長(zhǎng)而捕獲，移動(dòng)裝置、藻類和細(xì)菌通過(guò)廢水以給廢水曝氣并破碎載有固體的 藻類，從廢水中分離藻類和細(xì)菌，給藻類和細(xì)菌脫水，并干燥藻類和細(xì)菌以生成生物體。廢 水可以是家庭、工業(yè)或者農(nóng)業(yè)廢水。該方法特別適合于移除在曝氣槽中的由細(xì)菌呼吸作用 發(fā)出的co2氣體，通過(guò)細(xì)菌硝化過(guò)程發(fā)出的N2O，和由細(xì)菌消化過(guò)程發(fā)出的CH4氣體。捕獲的 co2還來(lái)自co2排放體，例如電廠或分布的電力生產(chǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于容納藻類和細(xì)菌的裝置包括至少一個(gè)配置用于藻類 和細(xì)菌在其上生長(zhǎng)的介質(zhì)輪，該介質(zhì)輪安裝用于在槽中旋轉(zhuǎn)，從而在旋轉(zhuǎn)期間介質(zhì)輪的一 部分浸入廢水中，一部分在廢水之上。該轉(zhuǎn)動(dòng)如此交替地將在介質(zhì)輪外面上生長(zhǎng)的藻類和 光養(yǎng)細(xì)菌暴露于日光和廢水中，以提供用于藻類和細(xì)菌的養(yǎng)分吸收，并導(dǎo)致廢水中養(yǎng)分的 移除，以允許與大氣的氣體交換，并在藻類和光養(yǎng)細(xì)菌上產(chǎn)生間歇的光和黑暗的循環(huán)。該介 質(zhì)輪還可以包括內(nèi)部的生物介質(zhì)用于非光養(yǎng)細(xì)菌。介質(zhì)輪結(jié)合有肋片以捕捉空氣，并提供 用于藻類生長(zhǎng)的表面積。介質(zhì)輪的三維幾何形態(tài)可以構(gòu)建用于提供超出二維的足跡7. 6倍 的總的藻類生長(zhǎng)表面積。介質(zhì)輪最好可以由塑料制造或模注以生成輕的介質(zhì)輪，以浮在廢 水中，從而顯著地減少軸和軸承上的磨損，并減少旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪所需的空氣量。
在本發(fā)明的一個(gè)特征中，介質(zhì)輪的旋轉(zhuǎn)速度通過(guò)在介質(zhì)輪槽中的水深度進(jìn)行控 制。介質(zhì)輪的轉(zhuǎn)速也保持速度以防止藻類的光抑制，采用的方法稱為有序的混合，其迫使藻 類經(jīng)受高光子通量密度(PFD)到黑暗的周期的變化。從高PFD到低PFD的該循環(huán)已經(jīng)表明 能促進(jìn)藻類生長(zhǎng)。轉(zhuǎn)速也足以提供從裝載有固體的藻類中對(duì)生物體充分的刮擦，該藻類來(lái) 自介質(zhì)輪。在一個(gè)方面，傳送C02，移動(dòng)介質(zhì)輪、藻類和細(xì)菌通過(guò)廢水可以通過(guò)在裝置下面 注入空氣以旋轉(zhuǎn)裝置而同時(shí)實(shí)現(xiàn)。這里公開的方法和系統(tǒng)預(yù)期藻類是活的微藻類和絲狀藻 類。藻類將提供部分細(xì)菌所需的氧，這樣減少處理廢水所需的能量，還減少?gòu)U水處理的碳足 跡。藻類還將捕獲并轉(zhuǎn)換傳送到系統(tǒng)中的C02為額外的藻類質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)的生物質(zhì) 生產(chǎn)潛力，并防止將C02作為溫室氣體排放到大氣中。藻類還將要將氨直接地轉(zhuǎn)變?yōu)轭~外 的藻類質(zhì)量，這樣增加系統(tǒng)的生物質(zhì)生產(chǎn)潛力，并防止硝化細(xì)菌(為典型的廢水所固有)從 氨中生產(chǎn)隊(duì)0。該細(xì)菌是活的光養(yǎng)性和非光養(yǎng)細(xì)菌。細(xì)菌將廢水中的有機(jī)碳(B0D)轉(zhuǎn)換為 無(wú)機(jī)碳(C02)，后者被在系統(tǒng)中生長(zhǎng)的藻類所利用。在本發(fā)明的某些方面，分離藻類和細(xì)菌的步驟在重力澄清池中進(jìn)行。藻類和細(xì)菌 脫水的步驟可以通過(guò)離心機(jī)或壓帶機(jī)完成，而干燥步驟可以通過(guò)太陽(yáng)能或熱淤泥干燥系統(tǒng) 而實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明預(yù)期創(chuàng)造的生物體是方法中有價(jià)值的生物產(chǎn)品，其可以用于發(fā)電以運(yùn)行其 本身的過(guò)程。生物體產(chǎn)品還可以用于廢水處理方法之外的目的，比如電、生物燃料和其他有 價(jià)值的產(chǎn)品的生產(chǎn)。本發(fā)明還有一個(gè)方面，自生的多功能廢水處理、溫室氣體減少、C02捕捉、生物質(zhì)生 產(chǎn)，和為工廠設(shè)備提供電，包括機(jī)械篩子、初級(jí)澄清池、初級(jí)介質(zhì)輪、第二級(jí)澄清池、第二級(jí) 介質(zhì)輪、第三級(jí)澄清池、消毒、流量計(jì)量、在后曝氣、生物體混合槽、生物體脫水系統(tǒng)、生物體 干燥系統(tǒng)、生物體熱處理系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。初級(jí)介質(zhì)輪和第二級(jí)介質(zhì)輪每個(gè)都容納在溫 室中，這允許對(duì)來(lái)自生物體熱處理的熱和co2的捕獲，以優(yōu)化全年的藻類和細(xì)菌滋長(zhǎng)，甚至 在寒冷氣候中。根據(jù)一個(gè)方面，初級(jí)介質(zhì)輪和第二級(jí)介質(zhì)輪在結(jié)構(gòu)與操作上都是相同的，但是在 設(shè)備內(nèi)位于處理的分開的階段。初級(jí)介質(zhì)輪和第二級(jí)介質(zhì)輪包括多個(gè)介質(zhì)輪組成的陣列， 串聯(lián)地設(shè)置為由九個(gè)介質(zhì)輪組成的輪系中，它們以活塞式流動(dòng)的方式運(yùn)行，其中多排的介 質(zhì)輪互相平行。所需的排數(shù)是被處理的廢水量和/或要求的co2捕捉量和/或要求的生物 質(zhì)生產(chǎn)量的函數(shù)。在一個(gè)特征中，介質(zhì)輪通過(guò)塑料格子網(wǎng)絡(luò)支撐，其支撐而且允許介質(zhì)輪旋 轉(zhuǎn)而且為每個(gè)輪創(chuàng)造單個(gè)腔，以提供活塞式流動(dòng)方式通過(guò)每個(gè)九輪系。該格子系統(tǒng)包括每 個(gè)流動(dòng)系中在位于每個(gè)介質(zhì)輪腔之間的壁中的孔，這允許廢水、藻類和細(xì)菌從介質(zhì)輪行進(jìn) 到介質(zhì)輪，并最終越過(guò)出水控制堰到達(dá)公共的出水通道。在一個(gè)特征中，流入的廢水通過(guò)采用接界于介質(zhì)輪槽的公共的流入通道和附接于 在格子系統(tǒng)前面中的流入通道壁的上緣處的公共的可調(diào)節(jié)的V形缺口堰均勻分布到一排 排的介質(zhì)輪。一系列沿著堰的V形缺口構(gòu)建用于控制并均勻地分配廢水到介質(zhì)輪格子系 統(tǒng)。保持在介質(zhì)輪格子系統(tǒng)中的水位通過(guò)采用接界于介質(zhì)輪槽的公共的流出通道和附接在 格子系統(tǒng)末端處的流出通道壁的上緣處的公共的可調(diào)節(jié)的流出V形缺口堰而得以控制。這里公開的格子系統(tǒng)還結(jié)合有風(fēng)管分配系統(tǒng)，其中空氣管沿著九個(gè)介質(zhì)輪的每個(gè) 輪系設(shè)置。開在管中的開口位于每個(gè)介質(zhì)輪的下面，處于正確的位置，以允許空氣捕獲在介質(zhì)輪肋片中。由內(nèi)部的生物介質(zhì)交替地進(jìn)出水中引起的在每個(gè)介質(zhì)輪腔中的水位的上升和 下降允許均勻的空氣分支橫跨整個(gè)工作介質(zhì)輪格子，而無(wú)需空氣調(diào)節(jié)閥。吹風(fēng)機(jī)通過(guò)包含 在格子系統(tǒng)中的風(fēng)管網(wǎng)絡(luò)傳送需要的氣流以旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪。這些風(fēng)機(jī)還提供裝置以從熱處理 中或從設(shè)備之外的來(lái)源傳送額外的C02到藻類。根據(jù)自生的設(shè)備另一方面，生物體被從澄清池移除、脫水并干燥以產(chǎn)生可用的生 物體。然后可用的生物體可以被熱處理以產(chǎn)生生物油、生物氣體、熱、co2和灰。最終的生物 油可以用于設(shè)備的外面，而生物氣體可以在發(fā)電機(jī)中燃燒以生產(chǎn)電。部分的電用于運(yùn)行設(shè) 備，而剩余的電被發(fā)送到電力網(wǎng)。根據(jù)該系統(tǒng)的一個(gè)屬性，從熱處理和發(fā)電中產(chǎn)生的熱、co2 和灰傳送回到初級(jí)介質(zhì)輪和第二級(jí)介質(zhì)輪用于額外的藻類生產(chǎn)，以優(yōu)化廢水處理方法的運(yùn) 行參數(shù)，并從這些外界的處理中捕獲co2。該多功能的設(shè)備還可以包括額外的多功能的設(shè)備以接收來(lái)自初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)的 排出物和來(lái)自分開的設(shè)備的再循環(huán)的輸出，當(dāng)利用再循環(huán)的輸出的第一多功能設(shè)備的容量 超過(guò)時(shí)。可以添加附加處理設(shè)備直到分開的設(shè)備的運(yùn)行最佳化。本發(fā)明預(yù)期廢水處理設(shè)備，其在陸地空間有限時(shí)非常有用。特別地，在該設(shè)備中， 初級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)和第二級(jí)介質(zhì)輪系統(tǒng)可能構(gòu)造為多層設(shè)備。照明器具設(shè)置于除了頂層的每 層的天花板上，以為藻類和光養(yǎng)細(xì)菌提供必要的光。該照明器具可以是人造光器具或光學(xué) 纖維的照明器具。介質(zhì)輪系統(tǒng)可以以與單層系統(tǒng)相同的方法構(gòu)造，用合適的泵傳送廢水到 在不同層處的流入入口。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，為了增加/優(yōu)化光合作用，人造光器具可以包括發(fā)光二極管 (“LED")。任何自然界的日光可以通過(guò)添加這些人造光器具而得到補(bǔ)充，這些人造光器 具設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生特定的光的波長(zhǎng)和頻率(紅和藍(lán)色)，用于促進(jìn)或優(yōu)化藻類生長(zhǎng)?，F(xiàn)代的發(fā) 光二極管(“LED")提供一個(gè)適當(dāng)?shù)墓庠?。LED可以放置在藻類輪上方和/或在廢水本身 里面。根據(jù)一個(gè)示例的實(shí)施方式，能量有效的LED可以采用在20W和60W之間的管提供在 50-150umol/s/m2 之間。以人造光的形式提供附加光能可以增加光合作用的強(qiáng)度，從而增加藻類生長(zhǎng)的速 度，并通過(guò)采用100%人造光延長(zhǎng)"白天"的長(zhǎng)度，以進(jìn)一步促進(jìn)藻類生長(zhǎng)。通過(guò)為藻類提 供其所需的光，能量消耗可以增加和/或優(yōu)化。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，一旦LED的采用優(yōu)化了能量(W)、波長(zhǎng)(NM)、頻率(HZ)和時(shí)間 (在白天和晚上期間)，額外的能量可以傳送用于進(jìn)一步促進(jìn)藻類生長(zhǎng)速度和優(yōu)化類脂物型。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)采用人造光的額外的光能量的引入，其用于促進(jìn)光合作 用，可以與C02的引入一起，用于進(jìn)一步促進(jìn)藻類生長(zhǎng)速度。光合作用通常受限于光，且額 外的C02的提供可能典型地具有有限的使用。然而，由于可獲得用于C02轉(zhuǎn)換的人造光能的 增加，C02可以引入位于藻類輪下面的噴氣嘴中，該藻類輪在自由流動(dòng)的廢水流中?？梢灶A(yù) 期，C02水平可以比常壓的0. 038%，或380ppm的水平增加五倍，直到0. 02%，或2000ppm， 根據(jù)一種情形，當(dāng)與傳統(tǒng)的光照方法相結(jié)合的時(shí)候，這可以提供超過(guò)300%的藻類生長(zhǎng)速度 的增加。C02可以來(lái)源于許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，例如或者通過(guò)共同位于主要的獨(dú)立電廠，或者 當(dāng)發(fā)電是垂直一體化的時(shí)候經(jīng)由閉環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電。光合作用的強(qiáng)度對(duì)于落入正常環(huán)境下的平均限度內(nèi)的水溫(15-22C)不是很敏感。然而，如果用于光合作用的光和C02都過(guò)量，水溫適度的增長(zhǎng)可以促進(jìn)藻類生長(zhǎng)速度。 建議采用簡(jiǎn)單的換熱器提高水溫，在夏季月份中增加30%。相應(yīng)地，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，通 過(guò)人造光增加光能，與增加的C02量和增加的水溫一起，可以促進(jìn)藻類生長(zhǎng)。通過(guò)提供多余 的光能，藻類的三酰甘油(triacelglycerols，即TAG)類脂物型可以增加很大的標(biāo)稱量，如 同上面所述的。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，為進(jìn)一步增加TAG類脂物，可以采用暴露于脈沖紫 外光中的方式以使藻類震動(dòng)，從而使得藻類停止生長(zhǎng)，且光能合成的碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)門AG 類脂物。通過(guò)操縱藻類生長(zhǎng)以增加TAG類脂物，本發(fā)明的實(shí)施方式可以用于增加藻類生物 體用于燃料成分的利用，并利用整個(gè)細(xì)胞類脂物成分，而不僅僅是細(xì)胞中間存儲(chǔ)的中性類 脂物成分。 這里介紹的附圖和說(shuō)明書公開了本發(fā)明的某些實(shí)施方式，但是可以理解的是，在 本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)，本發(fā)明及其機(jī)械特征可以有修改、結(jié)構(gòu)變化，采用替代的設(shè)備作 為整個(gè)裝置的組件，以及所述裝置的整體的或子件的結(jié)合的不同應(yīng)用或使用。因此，申請(qǐng)人 不旨在將本發(fā)明限定在公開的特定形式，而是旨在覆蓋落入這里講授的原則范圍內(nèi)的所有 的修改、變化、子件的結(jié)合，替代結(jié)構(gòu)和方法，并如在權(quán)利要求中說(shuō)明的那樣。
權(quán)利要求
廢水處理設(shè)備，包括流入通道，用于從源頭接收廢水；初級(jí)處理系統(tǒng)，包括用于容納通過(guò)所述流入通道接收的廢水的第一槽；安裝在所述第一槽中的多個(gè)旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪，用于在廢水內(nèi)旋轉(zhuǎn)，且每個(gè)包含能夠消化廢水中的有機(jī)碳和呼吸CO2的菌落，并且每個(gè)介質(zhì)輪包括用于支撐藻類生長(zhǎng)的表面，所述表面設(shè)置用于交替地浸于廢水中和暴露于日光中；空氣供應(yīng)，其設(shè)置在所述第一槽的內(nèi)部，并具有多個(gè)出口，所述出口指向所述多個(gè)介質(zhì)輪的相應(yīng)的一個(gè)，以在廢水內(nèi)部旋轉(zhuǎn)所述輪并操作用于為廢水曝氣；和初級(jí)出口，用于排出在與細(xì)菌和藻類接觸之后通過(guò)所述初級(jí)處理系統(tǒng)處理過(guò)的排出物；第二級(jí)處理系統(tǒng)，包括第二槽，用于接收從所述初級(jí)處理系統(tǒng)的所述初級(jí)出口排出的排出物；多個(gè)介質(zhì)輪，每個(gè)構(gòu)建為與在所述初級(jí)處理系統(tǒng)中的所述介質(zhì)輪實(shí)質(zhì)上相同；空氣供應(yīng)，其設(shè)置在所述第二槽的內(nèi)部并構(gòu)建為與所述初級(jí)處理系統(tǒng)的所述空氣供應(yīng)實(shí)質(zhì)上相同；和第二出口，用于排出在與細(xì)菌和藻類接觸之后通過(guò)所述第二級(jí)處理系統(tǒng)處理過(guò)的排出物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢水處理設(shè)備，其中所述初級(jí)處理系統(tǒng)包括設(shè)置在所述流入 通道和所述第一槽之間的初級(jí)澄清池，所述初級(jí)澄清池可操作用于移除來(lái)自廢水的生物固 體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的廢水處理設(shè)備，其中所述第二級(jí)處理系統(tǒng)包括設(shè)置在所述初 級(jí)出口和所述第二槽之間的第二級(jí)澄清池，所述第二級(jí)澄清池可操作用于移除來(lái)自所述初 級(jí)處理系統(tǒng)的排出物中的生物固體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的廢水處理設(shè)備，其中所述第二級(jí)處理系統(tǒng)包括在所述第二出 口處的第三級(jí)澄清池以處理來(lái)自所述第二級(jí)處理系統(tǒng)的排出物，所述第三級(jí)澄清池可操作 用于移除來(lái)自所述第二級(jí)處理系統(tǒng)的排出物中的生物固體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的廢水處理設(shè)備，還包括在所述第三級(jí)澄清池的下游的消毒單位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的廢水處理設(shè)備，還包括在所述消毒單元下游的曝氣單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的廢水處理設(shè)備，還包括槽，該槽用于接收通過(guò)所述初級(jí)、第二 級(jí)和第三級(jí)澄清池提取出的生物體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢水處理設(shè)備，其中每個(gè)所述介質(zhì)輪限定出內(nèi)部部分，該內(nèi) 部部分與在相應(yīng)的一個(gè)所述槽內(nèi)的廢水連通，所述內(nèi)部部分包含有非向光性的細(xì)菌。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢水處理設(shè)備，其中所述初級(jí)和第二級(jí)處理系統(tǒng)包括由互連 的嵌板組成的格子，其限定出多個(gè)腔，在腔內(nèi)可旋轉(zhuǎn)地安裝有所述介質(zhì)輪的相應(yīng)的一個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的廢水處理設(shè)備，其中所述格子限定出多排的腔，在每排中的 相鄰的腔流體連通，以提供廢水通過(guò)每個(gè)排的活塞式流動(dòng)的方式。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的廢水處理設(shè)備，其中所述格子的每個(gè)排限定出九個(gè)腔，用于可旋轉(zhuǎn)地接收相同數(shù)量的所述介質(zhì)輪。
12.據(jù)權(quán)利要求10所述的廢水處理設(shè)備，還包括空氣分配格子，其與互連的嵌板的所 述格子相關(guān)聯(lián)，所述空氣分配格子包括管，該管與每個(gè)所述的排相關(guān)聯(lián)，所述管在每個(gè)所述 腔處限定出出氣開口，用于指引空氣旋轉(zhuǎn)與所述腔關(guān)聯(lián)的所述介質(zhì)輪。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢水處理設(shè)備，其中在每個(gè)所述初級(jí)和第二級(jí)處理系統(tǒng)中 的所述多個(gè)旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪提供為多排九個(gè)介質(zhì)輪。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢水處理設(shè)備，其中所述初級(jí)和第二級(jí)處理系統(tǒng)容納在溫 室內(nèi)部。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢水處理設(shè)備，其中所述初級(jí)和第二級(jí)處理系統(tǒng)提供在多 層設(shè)置中，其中所述系統(tǒng)的至少一個(gè)槽垂直地支撐在系統(tǒng)的另一個(gè)槽的上面。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的廢水處理設(shè)備，其中至少所述槽的最低的那個(gè)提供有照明 系統(tǒng)，用于為所述槽提供光線。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的廢水處理設(shè)備，其中所述照明系統(tǒng)包括用于收集日光的收 集器、用于傳送日光的光管和連接到所述光管上的內(nèi)部照明器具。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢水處理設(shè)備，其中至少所述初級(jí)和第二級(jí)處理系統(tǒng)的一 個(gè)槽提供有照明系統(tǒng)，其包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED)，用于為所述槽提供光線。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的廢水處理設(shè)備，其中C02氣體和熱提供于至少所述初級(jí)和 第二級(jí)系統(tǒng)的一個(gè)槽，并與該照明系統(tǒng)結(jié)合。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的廢水處理設(shè)備，其中所述照明系統(tǒng)包括紫外光，該紫外光 配置用于提供脈沖紫外光到所述槽。
全文摘要
自生的廢水處理設(shè)備減少溫室氣體、捕獲CO2并生產(chǎn)生物體以滿足多個(gè)關(guān)鍵的環(huán)境需要。該設(shè)備包括一排旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪，其創(chuàng)造最佳次序的藻類的混合以維持生長(zhǎng)。收獲于旋轉(zhuǎn)介質(zhì)輪的生物體可以提供用于其他處理設(shè)備，例如用于生產(chǎn)生物燃料。來(lái)自處理設(shè)備的廢棄的CO2還可以回到處理設(shè)備中用于促進(jìn)藻類生長(zhǎng)。細(xì)菌提供用于與藻類形成共生關(guān)系，通過(guò)日光供應(yīng)燃料以有效地從廢水中移除有毒的材料。該多功能的設(shè)備還可以集成到再生設(shè)備中，其中從藻類和菌落中獲得的生物體用于獨(dú)立的設(shè)備，且獨(dú)立的設(shè)備的運(yùn)行的副產(chǎn)品被多功能設(shè)備用以為進(jìn)一步的藻類生長(zhǎng)供應(yīng)燃料。
文檔編號(hào)C02F3/34GK101851044SQ20101013660
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
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