利用選擇性滲透阻隔物的生物處理系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】利用選擇性滲透阻隔物的生物處理系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求在2012年8月8日提交的美國臨時專利申請第61/680，827號的優(yōu)先權(quán)，通過引用其全文將其并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及用于通過使用能代謝污染物的微生物從介質(zhì)例如水中去除污染物的系統(tǒng)。特別地，在具有調(diào)節(jié)污染物從介質(zhì)到微生物流動的半滲透阻隔物的反應(yīng)器中培養(yǎng)微生物。
【背景技術(shù)】
[0004]去除不同形式的氮(例如，亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨、氨)是廢水處理中一個越來越重要的目標(biāo)。當(dāng)釋放到環(huán)境中時，氮引起海洋中的赤潮，污染湖泊和河流，并污染飲用井和水庫。
[0005]在較小的點源已特別難以處理氮的去除，在所述較小的點源構(gòu)筑實現(xiàn)市政水處理工程享有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)的處理設(shè)施是不可行的。這樣的點設(shè)施包括厭氧消化設(shè)施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和魚類養(yǎng)殖(水產(chǎn)養(yǎng)殖)。
[0006]例如，再循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)，也稱為閉環(huán)系統(tǒng)，提供了大規(guī)模、可持續(xù)的魚類生產(chǎn)的可能性。然而，經(jīng)濟(jì)且有效的廢水處理是RAS和半RAS工業(yè)可持續(xù)增長的關(guān)鍵瓶頸。特別地，RAS和其它這樣的閉環(huán)系統(tǒng)，產(chǎn)生高濃度的溶解的含氮廢物成分和減少的有機(jī)化合物，這反過來加壓于該系統(tǒng)中的化學(xué)需氧量(COD)和生物需氧量(BOD)。如果不將廢物移除，牲畜將相繼死去。此外，含氮的廢物和減少的有機(jī)化合物可對該RAS以外的本地棲息地產(chǎn)生不利影響。
[0007]目前的脫氮技術(shù)不能滿足可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的需要?？赏ㄟ^水交換去除硝酸鹽，但這通常必須每天等量于系統(tǒng)體積的10-20%，大量的水。此外，由于管理條例變得更為嚴(yán)格，管末端(EOP)硝酸鹽的釋放將可能被日益嚴(yán)格地處理，這甚至需要在交換系統(tǒng)中使用更大量的水。作為交換的一種替代選擇，可以使用異養(yǎng)細(xì)菌如假單胞菌通過厭氧反硝化去除硝酸鹽。然而，水產(chǎn)養(yǎng)殖污水中低的碳氮(C/N)比需要額外的碳，例如甲醇，以產(chǎn)生厭氧反硝化作用。為抵消使用甲醇的成本和風(fēng)險，可在升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)中使用來自相同設(shè)施的有機(jī)質(zhì)(例如，污泥)以達(dá)到所需的碳含量。然而，該污泥經(jīng)常以微粒的形式，使其難以與細(xì)菌保持混合。如此，必須應(yīng)用水解和發(fā)酵將污泥轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸和其他更容易被脫氮生物消耗的分子，增加操作的復(fù)雜性和成本。更重要的是，具有致病污泥的混合槽水需要昂貴的預(yù)處理和后處理消毒并引起該設(shè)施中生物污染的嚴(yán)重風(fēng)險。此外，當(dāng)使用污泥作為脫氮的COD源時，水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)者經(jīng)歷了在其產(chǎn)品中顯著的異味。
[0008]除了從RAS系統(tǒng)中去除氮以保持牲畜健康外，在它們排放至環(huán)境之前清潔工藝用水也是重要的。該使用后處理，也稱為管末端(EOP)處理，是另一種RAS和半RAS共同的特別重要的處理類型。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，大多數(shù)EOP流從初級處理技術(shù)，例如轉(zhuǎn)鼓過濾器、帶式過濾器、生物過濾器或沉淀池排放。對于轉(zhuǎn)鼓過濾器排放，例如，以具有高水平的C0D(1000mg/L)、硝酸鹽(100mg/L)和懸浮固體總量(2000mg/L)表現(xiàn)不是不尋常的。當(dāng)該流的成分隨著魚的種類和設(shè)施類型變化時，EPA控制的產(chǎn)量需求在大多數(shù)農(nóng)場是相同的。
[0009]已提出多種技術(shù)以處理水產(chǎn)養(yǎng)殖中的EOP凈化，但各有其局限性。EOP處理對于水產(chǎn)養(yǎng)殖工業(yè)的未來是特別重要的。因為目前處理系統(tǒng)的發(fā)展繼續(xù)產(chǎn)生必須被經(jīng)濟(jì)處理的濃縮流。一個號稱處理EOP流的技術(shù)是曝氣。然而，在養(yǎng)魚規(guī)模上曝氣通常是不經(jīng)濟(jì)的，且這是能源消耗非常大的。它也不處理伴隨的必須被管控的固體廢物流。其它技術(shù)使用離子交換膜或離子聚合物沉淀物以凈化EOP流。然而，這些技術(shù)在更大規(guī)模上變得過分昂貴且仍然存在固體廢物處理問題。
[0010]至今，溶解氧的控制和有毒氨(脫氮的一種形式)的去除已為RAS廢水處理系統(tǒng)的主要目標(biāo)。但隨著工業(yè)的成熟，如下問題正變得日益明顯:管末端生物需氧量(BOD)和培養(yǎng)水中升高的硝酸鹽水平將成為增加的水的再利用和較高的魚產(chǎn)量的新障礙。因此，非常需要能從廢水流中經(jīng)濟(jì)地去除硝酸鹽和化學(xué)需氧量(COD)并控制pH的改進(jìn)的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明解決了工業(yè)對于穩(wěn)健且經(jīng)濟(jì)的對其中具有多種需要處理的污染物的廢物管理的需求。本發(fā)明包括用于從介質(zhì)例如含水介質(zhì)中去除污染物的系統(tǒng)。通常，該系統(tǒng)包括至少兩個區(qū):(I)包含能直接或間接代謝污染物的微生物的第一區(qū)(“處理區(qū)”)，和(2)被處理的介質(zhì)流入其中的第二區(qū)(“介質(zhì)區(qū)”)。由于這兩個區(qū)被允許污染物通過但不包括(或極大損害)所述微生物的通道的半滲透阻隔物隔開，污染物將從介質(zhì)區(qū)擴(kuò)散至處理區(qū)，并被微生物代謝，留下具有較少污染物的介質(zhì)。在一些實施方案中，所述處理區(qū)和/或所述介質(zhì)區(qū)將包括支撐結(jié)構(gòu)，在該支撐結(jié)構(gòu)上可生長微生物的生物膜。正如下面所討論的，該發(fā)明的系統(tǒng)也具有水產(chǎn)養(yǎng)殖范圍外的應(yīng)用。
[0012]在一些實施方案中，本發(fā)明也為生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)，即，包括配置在處理區(qū)的陽極和配置在介質(zhì)區(qū)的陰極，和可用于加偏壓于所述電極的電動勢源。通常，當(dāng)所述系統(tǒng)為BES時，所述處理區(qū)將包括電活性微生物(即，外產(chǎn)電體(exo-electrogens))。在一些實施方案中，所述處理區(qū)和/或所述介質(zhì)區(qū)將包括支撐結(jié)構(gòu)，在該支撐結(jié)構(gòu)上可生長微生物的生物膜。在包括支撐結(jié)構(gòu)的BESs中，所述支撐結(jié)構(gòu)配置在各電極的與所述阻隔物相對的一偵U，或?qū)⑺鲋谓Y(jié)構(gòu)并入電極中。
[0013]也公開了更多的變型，例如介質(zhì)的預(yù)處理和與其他凈化/廢物處理技術(shù)的共處理。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的簡圖，包括被半滲透阻隔物分開的處理區(qū)和介質(zhì)區(qū)；
[0015]圖2顯示了適用于脫氮和凈化具有高氮含量的廢物的本發(fā)明的一個實施方案；
[0016]圖3顯示了適用于脫氮和凈化具有高氮含量的其他廢物的本發(fā)明的一個實施方案；
[0017]圖4顯示了用于從介質(zhì)去除目標(biāo)污染物的系統(tǒng)的一個實施方案，包括促進(jìn)代謝所述污染物的微生物生長的支撐結(jié)構(gòu)；
[0018]圖5顯示了用于從介質(zhì)去除目標(biāo)污染物的系統(tǒng)的一個實施方案。該系統(tǒng)是生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)并包括在電勢存在下有助于使代謝所述污染物的外產(chǎn)電微生物生長的支撐結(jié)構(gòu)；
[0019]圖6顯示了用于從介質(zhì)去除目標(biāo)污染物的系統(tǒng)的一個實施方案，包括在界定將被凈化介質(zhì)體積的槽中的多個處理單元；
[0020]圖7顯示了用于從介質(zhì)去除目標(biāo)污染物的系統(tǒng)的一個實施方案，包括在界定將被凈化介質(zhì)體積的槽中的多個處理單元；圖7中的實施方案也包括了可用于監(jiān)測凈化進(jìn)度和微生物培養(yǎng)健康的BES系統(tǒng)；
[0021]圖8顯示了用于從介質(zhì)去除目標(biāo)污染物的系統(tǒng)的一個實施方案，包括包圍中間室
(2)的內(nèi)和外處理室⑴和(3);
[0022]圖9顯示了處理區(qū)的一個實施方案，其包括多個相互連通的半滲透阻隔物，所述相互連通的半滲透阻隔物具有連接管以允許微生物在多個半滲透阻隔物之間循環(huán)；
[0023]圖10顯示了使用如所述處理區(qū)的多個具有連接管的相互連通的半滲透阻隔物的本發(fā)明的一個系統(tǒng)，其中凈化的介質(zhì)簡單保持在包圍所述多個相互連通的半滲透管的槽中。在另一個實施方案中，可以高于所述槽的電勢對所述多個相互連通的半滲透阻隔物加偏壓且所述處理區(qū)可包括外產(chǎn)電體。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明包括可用于從流體介質(zhì)中，通常為水性介質(zhì)中去除污染物的多個系統(tǒng)。在一個實施方