用于废处理和生物能原料产生的藻类-污泥颗粒

申请号 CN201580010119.X 申请日 2015-01-22 公开(公告)号 CN106458665A 公开(公告)日 2017-02-22
申请人 马萨诸塞大学; 发明人 朴哲; 索娜·多兰;
摘要 描述了一种包括藻类和细菌的物质的颗粒状或粒状组合物。藻类- 污泥 颗粒通过在特定静止条件下借助光照由藻类温育 废 水 系统产生。一旦存在藻类-污泥颗粒,那么就不再需要维持静止条件,且在搅动条件下与废水的反应是可能的。所描述的方法包括藻类-污泥颗粒的自始产生、藻类-污泥颗粒用于治理废水的用途以及藻类-污泥颗粒用于产生 生物 质 的用途。认为由藻类-污泥颗粒治理废水将节约废 水处理 的 能量 ,以生物质的形式回收废水中的能量以及减少废水处理的 碳 足迹。
权利要求

1.一种制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,包括下述步骤:
提供配置成容纳基反应介质的容器;
将包含一量的所述水基反应介质和至少一种微藻类的混合物置于所述容器中,所述水基反应介质包含能够被存在于所述水基反应介质中的细菌或原生动物消耗的材料;
在静止条件下且在至少间歇光照下,在所述容器中温育包含所述量的所述水基反应介质和所述至少一种微藻类的所述混合物;以及
从所述温育的混合物回收物质的生物活性的颗粒状组合物,所述物质的生物活性的颗粒状组合物具有存在于所述颗粒状组合物中的活微藻类和活细菌两者。
2.如权利要求1所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述水基反应介质是废水
3.如权利要求1所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述水基反应介质是污泥
4.如权利要求1所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述水基反应介质包括有意添加的营养物材料。
5.如权利要求4所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述有意添加的营养物材料包括有机物质。
6.如权利要求4所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述有意添加的营养物材料包括多价阳离子。
7.如权利要求1所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述光照在时间上是变化的。
8.如权利要求1所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述光照在空间上是变化的。
9.如权利要求1所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述至少一种微藻类选自由绿藻和蓝藻组成的组。
10.如权利要求1所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述至少一种微藻类包括丝状体蓝藻。
11.如权利要求1所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述物质的生物活性的颗粒状组合物包括细胞外聚合物物质。
12.如权利要求1所述的制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法,其中所述水基反应介质包括能够被微藻类消耗的材料。
13.一种物质的生物活性的颗粒状组合物,其根据权利要求1所述的方法制备。
14.一种废水治理的方法,包括下述步骤:
将根据权利要求1所述的方法制备的物质的生物活性的颗粒状组合物放入到废水处理系统中;
在使所述物质的生物活性的颗粒状组合物继续存在且产生额外量的所述物质的生物活性的颗粒状组合物的条件下操作所述废水处理系统,所述废水处理系统接纳每单位体积具有第一量的生物活性的废弃物的废水;以及
从所述废水处理系统回收每单位体积具有第二量的生物活性的废弃物的处理过的废水,所述第二量小于所述第一量。
15.一种产生生物质的方法,包括下述步骤:
将根据权利要求1所述的方法制备的物质的生物活性的颗粒状组合物放入到废水处理系统中;
在使所述物质的生物活性的颗粒状组合物继续存在且产生额外量的所述物质的生物活性的颗粒状组合物的条件下操作所述废水处理系统,所述废水处理系统接纳每单位体积具有第一量的生物活性的废弃物的废水;以及
从所述废水处理系统回收至少一些所述额外量的所述物质的生物活性的颗粒状组合物,在所述废水处理系统中留下足够量的所述物质的生物活性的颗粒状组合物以继续操作所述废水处理系统。

说明书全文

用于废处理和生物能原料产生的藻类-污泥颗粒

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求享有2014年01月22日提交的共同在审的美国临时专利申请系列第61/930,230号的优先权和权益,该临时专利申请的内容在此通过引用全文并入。
发明领域
[0003] 本发明大致涉及废水处理且特别涉及进行废水处理方面的物质的生物活性组合物。
[0004] 发明背景
[0005] 废水作为重要的可再生能源拥有巨大的前景;如果回收加载在废水中的能量,那么能够提供高达美国所使用能量的15-20%。困境在于此能量潜材料的主要部分是我们使用大量能量进行去除的下水道有机物质,这主要通过将O2气溶解到废水中。目前,美国的废水处理消耗~2%的能量;此能量使用中的约60%贡献了活化污泥工艺中的废水曝气1。基于藻类的废水处理作为传统处理措施的替代方式越来越为人们所接受,原因在于其具有两方面的潜能:1)无需曝气处理废水,通过细菌和光合成微藻类(藻类和蓝藻)的共生生长和2)以生长的生物质化学能保存在废水中。因而,成功的微藻类工艺能够显著降低用于废水处理的能量使用且以生物原料的形式从废水回收化学能。然而,工程设计的挑战限制了微藻类工艺的应用。例如,微藻类通常不会生物絮凝(自然地聚集)。不能够生物絮凝导致微藻类与水低效地分离,且使生物质回收和利用(生物工艺中两个最重要的步骤)是困难的。此挑战伴随着微藻类对光合成的光的需求,使得仅诸如大的敞口池塘的某些反应器构型用于微藻类工艺,且它们受限地仅用于处理市郊和基于小型社区的区域中的废水。
[0006] 已将报道一些废水处理和其他生物工程系统中形成了生物颗粒。被最充分研究的一种生物颗粒是在需条件下处理废水的需氧颗粒污泥(AGS)。认为任何种类的活化污泥在满足生长选择压力时都能够被发展成AGS。文献已经显示出由诸如短的沉降和流出物排放时间的独特工艺操作产生的选择压力引起颗粒中的活化污泥细菌的生长,且这是AGS在特定的反应器构型(称为定序间歇式反应器(SBR))中被操作的原因。AGS工艺严格依赖于需氧废水处理的人工曝气并将CO2释放到大气中;因而,与常规的活化污泥工艺固有相伴的挑战仍然普遍存在。
[0007] 存在对可以帮助废水处理和从废水中回收能量的改进的物质的生物活性组合物的需求。
[0008] 发明概述
[0009] 根据一个方面,本发明以一种制备物质的生物活性的颗粒状组合物的方法为特征。该方法包括下述步骤:提供配置成容纳水基反应介质的容器;将包含一量的水基反应介质和至少一种微藻类的混合物置于容器中,水基反应介质包含可以被存在于水基反应介质中的细菌或原生动物消耗的材料;在静止条件下且在至少间歇光照下,在容器中温育包含微藻类和水基反应介质的混合物;以及从温育的混合物回收物质的生物活性的颗粒状组合物,该物质的生物活性的颗粒状组合物具有存在于颗粒状组合物中的活微藻类和活细菌两者。
[0010] 在一个实施方案中,水基反应介质是废水。
[0011] 在一个实施方案中,水基反应介质是污泥。
[0012] 在另一个实施方案中,水基反应介质包括有意添加的营养物材料。
[0013] 在又一个实施方案中,有意添加的营养物材料包括有机物质。
[0014] 在另外的实施方案中,有意添加的营养物材料包括多价阳离子。
[0015] 在仍另一个实施方案中,光照在时间上是变化的。
[0016] 在另外的实施方案中,光照在空间上是变化的。
[0017] 在仍另外的实施方案中,至少一种微藻类选自由绿藻和蓝藻组成的组。
[0018] 在仍另一个实施方案中,至少一种微藻类包括丝状体蓝藻。
[0019] 在额外的实施方案中,物质的生物活性的颗粒状组合物包括细胞外聚合物物质(EPS)。
[0020] 根据另一方面,本发明涉及根据前述方法制备的物质的生物活性的颗粒状组合物。
[0021] 根据另一方面,本发明涉及一种废水治理的方法。该方法包括下述步骤:将根据上述第一方法制备的物质的生物活性的颗粒状组合物放入到废水处理系统中;在使物质的生物活性的颗粒状组合物继续存在且产生额外量的物质的生物活性的颗粒状组合物的条件下操作废水处理系统,废水处理系统接纳每单位体积具有第一量的生物活性的废弃物的废水;以及从废水处理系统回收每单位体积具有第二量的生物活性的废弃物的处理过的废水,第二量小于第一量。
[0022] 根据另一方面,本发明涉及一种产生生物质的方法。该方法包括下述步骤:将根据上述第一方法制备的物质的生物活性的颗粒状组合物放入到废水处理系统中;在使物质的生物活性的颗粒状组合物继续存在且产生额外量的物质的生物活性的颗粒状组合物的条件下操作废水处理系统,废水处理系统接纳每单位体积具有第一量的生物活性的废弃物的废水;以及从废水处理系统回收至少一些额外量的物质的生物活性的颗粒状组合物,在废水处理系统中留下足够量的物质的生物活性的颗粒状组合物以继续操作废水处理系统。
[0023] 从下面的描述和权利要求,本发明的前述和其他目的、方面、特征以及优势将变得更明显。
[0024] 附图简述
[0025] 参考下面描述的附图和权利要求可以更好地理解本发明的目的和特征。附图并不一定按比例绘制,而是通常将重点放在阐释本发明的原理上。在附图中,在整个多副视图中,相同的数字用于表示相同的部件。
[0026] 图1A是由温育活化污泥制备的藻类-污泥颗粒的图像。
[0027] 图1B是具有7.5mm直径的藻类-污泥颗粒的微观图像。
[0028] 图1C是阐释了藻类-污泥颗粒存在于废水中时发生的化学过程的图。
[0029] 图2A是由活化污泥产生藻类-污泥颗粒的实验室温育的图像。
[0030] 图2B是显示了活化污泥生物粒化成藻类-污泥颗粒的大致进展的图(从左到右)。
[0031] 图3A(0天)、图3B(6天)以及图3C(25天)是显示了由沉降的活化污泥开始的藻类-污泥颗粒生长随时间变化的进展的典型的图。
[0032] 图4A(0天)、图4B(1天)、图4C(5天)、图4D(7天)、图4E(14天)、图4F(21天)、图4G(28天)以及图4H(56天)是显示了由浮动的活化污泥开始的藻类-污泥颗粒生长随时间变化的进展的典型的图。
[0033] 图5A(0天)、图5B(2天)以及图5C(14天)是藻类-污泥颗粒随时间变化的微观图像。
[0034] 图6显示了所形成的藻类-污泥颗粒以及其微生物组合物的大致的总体结构:外层主要由丝状体蓝藻组成;内层包括绿藻、细菌以及一些丝状体蓝藻;内部中心主要是类似污泥的物质。
[0035] 图7A、图7B、图7C以及图7D是藻类-污泥颗粒内部的微观相衬图像,显示了丝状体蓝藻、绿藻以及污泥(主要是细菌和细胞外聚合物物质)。
[0036] 图8A是整个藻类-污泥颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0037] 图8B是剖面的藻类-污泥颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0038] 图9A和图9B是藻类-污泥颗粒在两个放大倍数下的SEM图像。
[0039] 图10A和图10B是显示了没有粘质物(slime)、或覆盖丝状体蓝藻的粘质物的藻类-污泥颗粒的SEM图像。
[0040] 图11A和图11B分别显示了由接收了EDTA(0.5mM、1mM、2mM;从左到右)添加和Ca2+(40meq/L)添加的活化污泥进行的粒化温育实验。
[0041] 图12A和图12B分别是在混合时段和沉降时段期间在实验室中处理从当地的废水处理厂(Amherst,MA)收集的实际废水的生物反应器的图像。
[0042] 图13显示了在处理从当地的废水处理厂(Amherst,MA)收集的实际废水的生物反应器中生长的藻类-污泥颗粒的图像。
[0043] 图14A和图14B显示了由从当地的废水处理厂(Amherst,MA)收集的实际废水的生物反应器操作获得的数据。
[0044] 图15是用于在自然光条件下进行废水处理和营养物去除的藻类-污泥颗粒工艺的示意图。
[0045] 图16是用于在交替的光亮和黑暗条件下进行废水处理和营养物去除的藻类-污泥颗粒工艺的示意图。光亮条件可以通过使反应器暴露于太阳光或人造光来进行调节。黑暗条件可以通过覆盖反应器的一部分来维持。黑暗阶段能够以最小的曝气来维持以支持在黑暗中维持藻类在需氧条件下。黑暗阶段也可以无需任何外部来源的曝气来维持。
[0046] 图17是采用藻类-污泥颗粒工艺来进行废水处理、营养物去除和/或生物能原料产生的光生物反应器的示意图。光亮条件可以基于期望的操作条件是不同的。
[0047] 图18A是O2进入和离开颗粒的通量的时间变化的图。
[0048] 图18B是显示了测量藻类-污泥颗粒的外部上在液体边界层内隔开约5μm的两个位置处的O2的微电极的图像。
[0049] 图19是容纳藻类-污泥生物颗粒的瓶中响应于光的不存在和存在的脱氧和再氧合的图。
[0050] 详述
[0051] 生物颗粒是致密的、通常球形的微生物聚集体,其可以被认为是在固体底层不存在下形成的自固定生物膜。我们制备了在独特的温育条件下由活化污泥的转化产生的新的生物颗粒。新的生物颗粒,以下称为藻类-污泥颗粒,由活化污泥自然形成(自然转化)而无需添加任何另外的生物试剂或化学试剂且在一个颗粒状生物质内包括蓝藻、藻类、细菌以及原生动物(参见图1A-1B、图2A-2B、图3A-3C、图4A-4H、图5A-5C、图6、图7A-7D、图8A-8B、图9A-9B、图10A-10B、图11A-11B)。
[0052] 微藻类(藻类和蓝藻)和细菌,以及甚至原生动物共同居住在生物颗粒内能够实现一致的、有效的、共生的废水处理工艺:细菌利用由微藻类产生的O2降解有机物质;微藻类又收获从有机物质降解产生的CO2用于光合作用。此独特的生物质生长成大尺寸的颗粒,通常0.2mm到10mm,能够使藻类-污泥颗粒工艺以高的容积装载率和生物质与水的极好分离来进行,因而克服了主要的藻类工艺挑战。参见图1A-1C。
[0053] 如本文下面证明的,我们已经表明了不同来源的废水污泥提供了有效施行本发明方法的微生物,诸如藻类、蓝藻、细菌以及原生动物。
[0054] 本发明通过在敞开的或密闭的容器中,在由自然光和/或人造光照射的静止的不连续条件下温育活化污泥而由活化污泥产生藻类-污泥颗粒。参见图1A、图2A-2B、图3A-3C、图4A-4H。
[0055] 基于本讨论的目的,术语“静止的”,如适用于流体系统的,将被理解为意指这样的系统:在系统中不存在有意的机械搅动,且没有有意地强加将会导致在重力场内,诸如地球的重力场内发生的对流流体流动或其他驱动的流体流动的热梯度、组成梯度或密度梯度。注意到,一旦形成颗粒,则温育的搅动将不会产生问题。进一步的详述参见下面。
[0056] 本发明公开内容中描述的活化污泥指的是水和废水处理系统中存在的且使用的混合液体,稠的混合液体(也称为下水道污泥、回收的活化污泥、废弃的活化污泥)或生物膜。
[0057] 图2A是产生藻类-污泥颗粒的活化污泥的实验室温育的图像。储存在容器中的活化污泥能够沉降或浮动且粒化通常从生物质的那个初始阶段开始进行。图2B和图3A-3C是显示了沉降的活化污泥的生物粒化进展的图(从左到右)。图4A-4H是显示了浮动的活化污泥的生物粒化进展的图。
[0058] 本发明还涉及使用活化污泥的任何光化学处理,添加或没有添加外部来源的微藻类(蓝藻和/或绿藻),以制备在同一个颗粒状生物质内包含大量的微藻类(蓝藻和/或绿藻)、细菌以及原生动物的生物颗粒。
[0059] 由活化污泥形成的新的藻类-污泥颗粒是球形的生物聚集体,或有时是类似盘的生物质,群居了大量的微藻类(蓝藻和/或绿藻)、细菌以及原生动物。
[0060] 图6描绘了通过我们的温育方法由活化污泥形成的藻类-污泥颗粒的典型的结构组合物。厚的外层主要由活动的丝状体蓝藻组成。较薄的层通常具有更多的绿藻和细菌以及一些丝状体蓝藻。颗粒的中心主要由类似污泥的物质组成。
[0061] 图8A和图8B是整个颗粒和剖面颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像,揭示了颗粒及其相关的微生物组合物的详细构造。沉降的或浮动的颗粒相对于它们的结构和微生物组合物并不是显著不同的。
[0062] 用于产生藻类-污泥颗粒的原始的活化污泥是从当地的废水处理厂(Amherst,MA)的曝气池收集的典型的活化污泥且没有包含可测量浓度的叶绿素。仅有微观分析可以告知非常少量的藻类和蓝藻或它们的类似囊或孢子的材料存在于污泥絮状物中。这表明光化学反应引起污泥絮状物中的这些原生的蓝藻和藻类的大量生长且它们的生长伴随形成独特形状的生物质,藻类-污泥颗粒而发生。
[0063] 我们通过在黑暗条件下温育活化污泥进行了对照实验。我们没有观察到所储存的活化污泥内的藻类的生长(因而,生物质没有变成绿色)且污泥也未被粒化。因此,我们认为光照是工艺的驱动器,这似乎包括诸如光合作用的工艺。
[0064] 我们的研究显示了诸如颤藻属(Oscillatoria)、席藻属(Phormidium)以及鞘藻属(Microcoleus)的丝状体蓝藻,尤其是活动的丝状体蓝藻在污泥内的大量生长在形成颗粒的总体结构并将污泥絮状物转化成藻类-污泥颗粒方面起到了关键作用。
[0065] 活动的丝状体蓝藻以高细胞密度在污泥中的生长对粒化是非常重要的,原因是它们的滑移运动导致形成蓝藻垫的交织结构,这在我们的颗粒中包括生物质的内部区域,形成了颗粒状结构。向污泥中添加少许EDTA完全抑制了粒化(图11A),而添加少许Ca2+则显著增强了粒化(图11B)。由于参与许多丝状体蓝藻的细胞运动的细胞外蛋白是Ca2+依赖蛋白,因而这些结果表明丝状体蓝藻的大量生长和它们的运动性对从活化污泥形成藻类-污泥颗粒起到了重要的作用。
[0066] 新的生物颗粒还包含支持粒化的大量的细胞外聚合物物质(EPS)。相当大部分的这些EPS是由丝状体蓝藻产生的粘质物,这对许多丝状体蓝藻的滑移运动性是必需的。对管内部颗粒的覆盖粘质物和没有粘质物的检测支持了此意见。参见图10A和图10B。
[0067] 我们了解到原始活化污泥中的EPS对粒化也是重要的。在温育之前从活化污泥离解或汽提EPS显著延迟或抑制了粒化。这也表明污泥的絮凝性质为什么对将活化污泥转化成藻类-污泥颗粒来说是重要的。
[0068] 首先发现通过在邻近实验室窗口放置(在自然光条件下)的20mL闪烁计数瓶中温育活化污泥达数月形成了藻类-污泥颗粒。后来,我们在人造光条件下在闪烁计数瓶中温育活化污泥且也发现从活化污泥产生藻类-污泥颗粒。
[0069] 我们认为在我们的系统中形成,而不会在常规的水/废水处理厂中形成此藻类-污泥颗粒的原因在于在我们采用的温育系统中基本上不存在溶液的搅动。通过比较,常规的水/废水处理厂有意送、搅动和/或曝气水、废水和/或污泥,由此实际上产生静止系统是不可能的。我们认为搅动系统也不会促进形成活动的丝状体蓝藻的交织垫;因而,没有有效的粒化。我们发现一旦形成并存在藻类-污泥颗粒,则系统的搅动并不会带来问题,原因是已经建立了藻类-污泥颗粒。因而,初始的藻类-污泥颗粒的最初产生要求静止的温育条件。
[0070] 从2011年开始,我们使用从六个不同的污水处理厂收集的活化污泥进行了许多不同设置的温育实验,且每次我们均证实了活化污泥粒化成藻类-污泥颗粒。我们的实验室笔记和电子文件包括关于有关实验的观察的所有详细信息,诸如关于颗粒的照片、图和描述。每一个实验设置开始的时间如下列出:
[0071] ·在2011年:10月4日、11月22日、12月1日
[0072] ·在2012年:2月23日、4月21日、11月12日
[0073] ·在2013年:1月28日、4月2日、6月20日、11月13日
[0074] 在从2011年10月到2013年06月的我们的研究时段期间,我们紧缩了我们的发明进行实施,在此时间期间我们没有收到支持本发明的任何联邦资金。
[0075] 本发明还使用通过上述方法产生的原始的藻类-污泥颗粒作为晶种或接种物来在间歇式反应器或任何流通式反应器中进行藻类-污泥颗粒工艺。藻类-污泥颗粒工艺主要用于废水处理、营养物去除、资源(诸如营养物或稀有元素)回收、微藻类的高价值副产物的产生和/或生物能原料的产生,但并不限于这些目的。
[0076] 本发明还在用于藻类-污泥颗粒工艺的新的生物反应器内接种和/或播种次级藻类-污泥颗粒。
[0077] 此新的藻类-污泥颗粒工艺可以利用自然光和/或来自人造发光设备的光以促进藻类-污泥颗粒的光合作用。工艺可以在24小时光条件下或通过调节光供给的周期性光条件下发生。为了实现通过硝化和反硝化去除营养物的目的,工艺可以在光亮/黑暗反应下进行,甚至在白天期间。此外,为了支持微藻类和细菌在颗粒内生长的平衡,光条件可以被调节。藻类-污泥颗粒工艺的交替光条件的一些示例显示在图15、图16以及图17中。
[0078] 图15是用于在自然光条件下进行废水处理和营养物去除的藻类-污泥颗粒工艺的示意图。
[0079] 图16是用于在交替的光亮和黑暗条件下进行废水处理和营养物去除的藻类-污泥颗粒工艺的示意图。黑暗条件可以通过覆盖反应器的一部分来维持。光亮条件可以通过使反应器暴露于太阳光或人造光来进行调节。
[0080] 图17是采用藻类-污泥颗粒工艺来进行废水处理、营养物去除和/或生物能原料产生的光生物反应器的示意图。光亮条件可以基于期望的操作条件是不同的。
[0081] 藻类-污泥颗粒工艺可以添加或不添加CO2的额外源进行工作。在藻类-污泥颗粒工艺期间添加CO2预期会产生更多的生物颗粒状生物质,这提高了生物能原料的收率。
[0082] 藻类-污泥颗粒工艺可以用于废水处理厂的废水的主流、侧流(用于高强度废水,诸如厌氧消化液体)或流出物深度处理(effluent-polishing treatment)以及营养物处理。
[0083] 由于藻类-污泥颗粒是大而致密的,因而它们容易与处理过的水和废水分离,这将使简单的生物质分离策略成为可能,允许非常小的生物反应器和沉降罐用于废水和营养物处理工艺。此外,将加快藻类-污泥生物质的最终收获。
[0084] 我们在定序间歇式反应器(SBR)中操作藻类-污泥颗粒工艺且发现该工艺可以在此生物反应器应用中持续。图12A和图12B是实验室中测试的SBR的反应器设置和操作的图像。
[0085] 图13显示了在处理从当地的废水处理厂(Amherst,MA)收集的实际废水的SBR中生长的藻类-污泥颗粒的图像。
[0086] 图14A和图14B显示了从供给从当地的废水处理厂(Amherst,MA)收集的实际废水的SBR的反应器操作获得的数据。
[0087] 本发明还可以用于通过进行生物颗粒的物理、化学或生物处理(包括厌氧消化)从所收获的藻类-污泥颗粒回收生物能。
[0088] 我们认为藻类-污泥颗粒的生物质本身是新的。发现活化污泥可以被处理以产生藻类-污泥颗粒是一项新的发现。因此,我们认为上述产生藻类-污泥颗粒的方法是新的。类似地,引入并应用这些新的藻类-污泥颗粒进行废水处理、营养物处理、生物能原料产生和/或其他目的的生物工艺也被认为是新的。
[0089] 藻类-污泥颗粒因在颗粒内由光合成产生的共生氧合而本身产生O2。原位O2产生的证据可以从图18和图19显示的数据看到。
[0090] 图18A是O2进入和离开颗粒的通量的时间变化的图。
[0091] 图18B是显示了测量藻类-污泥颗粒的外部上在液体边界层内隔开约5μm的两个位置处的O2的微电极的图像。
[0092] 对于图18A中显示的数据,我们测量了非常接近颗粒表面的O2的通量。对于通量测量,我们采用无损微测试技术(NMT)。正如数据显示的,当藻类-污泥颗粒被置于新的废水介质中时,O2通量是负的,这表明O2从溶液传输到颗粒中。当提供光时,测得的净O2通量从颗粒引向外,这表明光合成产生的O2向外扩散朝向本体液体。后来,当灯关闭时,O2的通量立即逆转,且本体O2扩散到颗粒中,这是由于污泥生物质在颗粒内部的连续的有机物质降解。
[0093] 图19是容纳藻类-污泥生物颗粒的瓶中响应于光的不存在和存在的脱氧和再充氧的图。
[0094] 我们还在顶部空间空闲的、闭合的DO瓶中使用从SBR藻类-污泥颗粒系统收获的生物质进行了本体溶解氧(DO)测量(图19)。在光亮时段期间反应器中的本体DO在约12mg/L是过饱和的。当容纳颗粒的DO瓶被覆盖有箔(即黑暗条件),DO被快速消耗,这表明光合成完成且内部污泥生物质的O2消耗占主宰地位。当同一个瓶被再次暴露于光,存在立即的DO再生,在瓶中达到18mg/L(再次,这是闭合的DO瓶),这表明光合成在光可获得时立即开始且颗粒泵送O2进入本体液体中,这意味着颗粒内的DO也是饱和的。
[0095] 我们认为共同居住在藻类-污泥颗粒中的细菌和原生动物利用由共生的微藻类内在产生的O2来进行有机物质去除和营养物处理。因而,藻类-污泥颗粒工艺消除了外部曝气以将O2溶解到废水中的需要或显著降低了此需要,这一需要目前造成废水处理厂中最高的能量需求。
[0096] 由于大的尺寸和高的密度,藻类-污泥颗粒易于从水中分离出来,使藻类工艺的简单的生物质分离策略(小的生物反应器和沉降器)和控制成为可能,这是藻类工艺或基于藻类的废水处理中的最大挑战。此外,藻类和细菌共生在同一个颗粒状生物质内有利于工程设计用于废水和营养物处理的藻类工艺。因而,采用这些新的生物颗粒的藻类-污泥颗粒和生物工艺具有极大的潜能来实现三个重要且及时的成果:1)以最低的能量投资处理废水和营养物,2)减少废水处理的足迹以及3)以生物原料的形式回收加载在废水中的化学能。
[0097] 我们相信我们的藻类-污泥颗粒是新的生物颗粒,它们还使我们能够以新的方式处理废水和营养物并回收废水中加载的化学能。
[0098] 用于废水和营养物处理的新的藻类-污泥颗粒工艺预期可以将废水处理设施转用成水资源回收设施。
[0099] 参考文献
[0100] 1.Water Environment Research Foundation.(2011)Energy production and efficiency  research-the roadmap  to  net-zero  energy.WERF  Fact sheet.Alexandria,VA.
[0101] 2.U.S.Environmental Protection Agency,Office of  Wastewater Management.(2010)Evaluation of energy conservation measures for wastewater treatment facilities.EPA 832-R-10-005.
[0102] 3.Oswald,W.J.,Ludwig,H.F.,Gotaas,H.B.,and Lynch,V.(1951)Algae symbiosis in oxidation ponds.I.growth characteristics of Euglena gracilis cultured in sewage.Sewage and Industrial Wastes 23,11.
[0103] 4.Oswald,W.J.,Gotaas,H.B.,Ludwig H.F.,and Lynch,V.(1953)Algae symbiosis in oxidation Ponds.III.photosynthetic oxygenation.Sewage and Industrial Wastes 25,6.
[0104] 5.Lavoie,A.and de la Noue,J.(1987)Harvesting of Scenedesmus obliquus in wastewaters:auto-or bioflocculation?Biotechnology and Bioengineering 30(7),852-9.
[0105] 6.Garcia,J.,Hernandez-Marine,M.,and Mujeriego,R.(2000)Influence of phytoplankton composition on biomass removal from high-rate oxidation lagoons by means of sedimentation and spontaneous flocculation.Water Environment Research 72,230-237.
[0106] 7.Park,J.B.K.and Craggs,R.J.(2010)Wastewater treatment and algal production in high rate algal ponds with carbon dioxide addition.Water Science and Technology 61(3),633-639.
[0107] 8.Park,J.B.K.,Craggs,R.J.,and Shilton,A.N.(2011)Recycling algae to improve species control and harvest efficiency from a high rate algal pond.Water Research 45(20),6637-6649.
[0108] 9.Liu,Q.S.and Liu,Y.(2008)Aerobic granulation at different carbon sources and concentrations.In:Liu,Y.,Wastewater purification aerobic granulation in sequencing batch reactors.Taylor&Francis Group,LLC,Florida,ppl-23.
[0109] 10.De Kreuk,M.K.and van Loosdrecht,M.C.M(2006)Formation of aerobic granules with domestic sewage.Journal of Environmental Engineering 132(6),694-697.
[0110] 11.Morgenroth,E.,Sherden,T.,van Loosdrecht,M.C.M.,Heijnen,J.J.,and Wilderer,P.A.(1997)Aerobic granular sludge in  a sequencing  batch reactor.Water Research 31,3191-3194.
[0111] 12.Beun,J.J.,van Loosdrecht,M.C.M,and Heijnen,J.J.(2000)Aerobic granulation.Water Science and Technology 41(5),41-48.
[0112] 13.Winkler,M.-K.H.,Bassin,J.P.,Kleerebezem,R.,de Bruin,L.M.M.,van den Brand,T.P.H.,and van Loosdrecht,M.C.M.(2011)Selective sludge removal in a segregated aerobic granular biomass system as a strategy to control PAO-GAO competition at high temperatures.Water Research 45,3291-3299.
[0113] 14.Liu,Y.and Wang,Z.W.(2008)Selection pressure theory for aerobic granulation in sequencing batch reactors.In:Liu,Y.,Wastewater purification aerobic granulation in sequencing batch reactors.Taylor&Francis Group,LLC,Florida,pp85-l 10.
[0114] 15.Liu,Y.Q.,Liu,Y.,and Tay,J.H.(2005)Relationship between size and mass transfer resistance in aerobic granules.Letter in Applied Microbiology 40,312-315.
[0115] 16.Beun,J.J.,Heijnen,J.J.,and van Loosdrecht,M.C.M,(2001)N-removal in a granular sludge sequencing  batch airlift reactor.Biotechnology and Bioengineering 75,82-92.
[0116] 17.Liu,S.Y.,Chen,Y.P.,Fang,F.,Xu,J.,Sheng,G.P.,Yu,H.Q.,Liu,G.,and Tian,Y.C(2009)Measurement of dissolved oxygen and its diffusivity in aerobic granules using a lithographically-fabricated microelectrode array.Environ Science and Technology 43,1160-1165.
[0117] 18.Liu,Q.S.and Liu,Y.(2008)Growth kinetics of aerobic granules.In:Liu,Y.,Wastewater purification aerobic granulation in sequencing batch reactors.Taylor&Francis Group,LLC.Boca Raton,Florida,ppl11-130.
[0118] 19.Shepard,R.N.and Sumner,D.Y.(2010)Undirected motility of filamentous cyanobacteria produces reticulate mats.Geobiology 8,179-190.[0119] 20.Hoiczyk,E.and Baumeister,W.(1997)Oscillin,an extracellular,Ca2+-binding  glycoprotein  essential  for  the  gliding  motility  of 
cyanobacteria.Molecular Microbiology 26,699-708.
[0120] 21.Hoiczyk,E.and Baumeister,W.(1995)Envelope structure of four gliding filamentous cyanobacteria.Journal of Bacteriology 177,2387-2395.[0121] 理论讨论
[0122] 虽然本文给出的理论描述被认为是正确的,但是本文描述且要求保护的设备的操作并不依赖于理论描述的准确性或正确性。即,可以基于与本文提出的理论不同的理论解释所观察到的结果的稍后的理论进展将不会有损于本文描述的本发明。
[0123] 说明书中确认的任何专利、专利申请、专利申请公开、杂志文章、书籍、出版的论文或其他公众可获得的材料在本文中由此通过引用全文并入。认为通过引用并入本文,但与现有的定义、陈述或本文明确提供的其他公开内容材料冲突的任何材料或其部分仅仅在并入的材料与本公开内容的材料之间不会冲突的程度上并入。在冲突的情形中,以有利于本公开内容作为优选的公开内容来解决冲突。
[0124] 虽然已经参考阐释在附图中的优选模式特别显示并描述了本发明,但是本领域技术人员将会理解各种细节的变化可以在本文中实现而并不会偏离由权利要求界定的本发明的精神和范围。
QQ群二维码
意见反馈