环境意识行业正不断致力于达成从被污染水中去除污染物的目标，以促使 水在地面层面和消费者层面两方面的安全。政府管理机构制定了许多一般工业 污染物的限值。这些限值倾向于更加严格，因为在完成先前制定的标准方面， 污染减少和去除技术被证实是有效的。因此，在纯度和安全两方面，地面和消 费者层面的水均持续改进。
在用于减少或去除污染物的方法中，生物修复构成了一种有效且令人满意 的技术。广义地，生物修复包括使用将污染物，包括氮和碳的化合物，作为食 物源消化的微生物。细菌代谢将污染物转化为简单化学结构的代谢物，有时在 需氧过程将污染物完全降解为二氧化碳和水，或者在厌氧过程完全降解为沼气。 在任何方面，细菌产生的代谢物典型地没有负面的环境影响。
硒有时是废水，包括矿山排水和农业灌溉水中的一种主要污染物。环境保 护局颁布的目前的饮用水中硒的最高水平是0.05百万分之一(ppm)。已经改进 了一些去除废水中硒的化学过程，但是它们相对昂贵，且需要不方便的大量的 时间和机械设备。矿业公司和政府机构比如垦务局(Bureau of Reclamation)承 担了处理矿山排水和灌溉水中的硒的巨大成本。
因此，希望提供一种成本和时间经济高效的去除废水中的硒的方法和系统。 还希望提供这样的方法和系统，其能够以生物过程取代一些传统的化学过程来 去除硒，从而减少反应过程必需的时间、机械设备和操作成本。此外，通过下 述对本发明和附加的权利要求的详细描述，结合附图和本发明背景，本发明的 其他理想的特征和特性将是显而易见的。
发明概述
提供了一种从废水中去除硒的生物系统。该系统包括第一固定化池生物反 应器(ICB)和硒化物去除组件(module)。该第一ICB包括室，该室包括接收 废水的第一进口和排放废水的第一出口。该室内安装有基质，并且处于使用时 接触流经的废水的位置。厌氧微生物被载于该基质上，并且包括至少一种选自 以下的细菌：能够将硒酸盐和亚硒酸盐还原成不溶性元素硒的硒呼吸菌 (selenium respiring bacteria)，和能够将硒酸盐和亚硒酸盐还原成不溶性元素硒或 可溶性硒化物的硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria)。该硒化物去除组件包 括接收来自第一ICB的废水的第二进口，排放废水的第二出口，以及能够与废 水中的硒化物或硫化物化合物发生化学反应以形成硒化铁或硫化铁沉淀的金属 铁或氧化铁化合物。
还提供了一种从废水中去除硒的生物学方法。废水通过在第一固定化池生 物反应器(ICB)内的室，其包括载于基质上的厌氧微生物，该厌氧微生物包括 至少一种选自以下的细菌：能够将硒酸盐和亚硒酸盐还原成不溶性元素硒的硒 呼吸菌(selenium respiring bacteria)，和能够将硒酸盐和亚硒酸盐还原成不溶性 元素硒或可溶性硒化物的硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria)。然后该废水 通过一硒化物去除组件，该组件包括能够与废水中的硒化物或硫化物化合物发 生化学反应以形成硒化铁或硫化铁沉淀的金属铁或氧化铁化合物。
附图简述
下文将结合附图描述本发明，其中同样的数字代表同样的部件，并且
图1为描绘根据本发明实施方式的从废水中去除污染物的系统的流程图；
图2为根据本发明实施方式的从废水中去除污染物的固定化池生物反应器 的剖面图；
图3为根据本发明实施方式的用于从废水中去除污染物的生物活性部件 (component)的横剖面视图；和
图4为根据本发明实施方式的废水流过的使大部分液体接触生物反应器内 生物活性部件的低密度体的透视图。
发明详述
以下本发明的详细描述实际上仅为示例性的，并不意味着对本发明或者本 发明的应用和使用的限制。此外，也不意味着受任何前述发明背景中的理论或 者下述发明详细描述的约束。
图1为描绘根据本发明典型实施方式的用于从废水中去除硒的系统100及 其各个部件的流程图。该系统100包括串联连接的厌氧固定化池生物反应器 (ICB)101和需氧ICB 102。一对废水池(lagoon)10和12通过一对各自的泵 11和13向系统100提供废水。尽管所描述的实施方式中包括两个废水池，但是 废水可以由一个废水池提供，并且可以使用一个泵向系统100提供废水。同样 地，可以使用两个以上的废水池和/或泵提供废水。该废水包含污染物如硒和/ 或硒的化合物，其将用系统100去除。
在水被引入系统100之前，使用一对各自的泵15和17将第一营养(nutrient) 供给物14和第二营养供给物16泵入水中。该第一营养供给物14是碳基营养源， 包括单糖比如果糖或乳糖，更复杂的糖源比如糖蜜，以及醇类如乙醇。糖类和 醇类是维持细菌的食物，作为系统的厌氧阶段101的一部分，该细菌去除废水 中污染物。第一营养供给物14也可以包括较少或者甚至痕量的微量营养素组分 比如维生素、有机提取物和/或矿物质。还可以任选地包括第二泵18，其将第一 营养供给物14泵入以富足和维持处于厌氧阶段101内的下游生物反应器室中的 细菌。第二营养供给物16是氮源和磷源，用以维持处于系统厌氧阶段101中的 细菌。典型的氮和磷组分包括尿素、磷酸、磷酸氢二铵和磷酸钾。和第一营养 供给物14一样，第二营养供给物16也可以包括较少或者甚至痕量的微量营养 素组分比如维生素、有机提取物和/或矿物质。
废水首先从废水池11和12中泵出，并且通过堰箱(weir box)19流入厌 氧ICB 101内。在图示的系统100中，该厌氧ICB 101实际是一对并联运行的 ICB组件20和22，尽管也可以使用单个ICB或者两个以上的组件。该堰箱19 只是许多示例性设备之一，配置来用于分开水流，从而引导废水进入并联的厌 氧组件20和22中的一个或两个。
所示的第一组件20包括三个基本上一样的上游室24、26和28，所示的第 二组件22也包括三个基本上一样的上游室32、34和36。每一个室包括上面载 有细菌的填充材料。更具体地，至少硒呼吸菌维持在该填充材料上，并且由废 水中所含的营养供给物14和16持续供给营养。在一个优选的实施方式中，硫 酸盐还原菌也维持在填充材料上。为了避免最上游室24、26、32和34中细菌 对营养可能的耗尽，至少基础营养物14的水流被泵入至少某些下游室内。例如， 在图1中，基础营养物14被直接泵入下游室28和36中，绕过其中细菌已经接 收到营养丰富的废水的上游室。尽管图示中营养仅仅泵入上游室28和36，但是 该营养也可以被提供给下游室26和34而不是上游室28和36，或除了上游室 28和36之外还被提供给下游室26和34。
在厌氧ICB 101中的每个上游室实质上是一个反应器，废水以一定速度流 过该反应器，该速度足够保证通过水与微生物的接触以降低特定的污染物如硒、 硫及其化合物的浓度。每个室的基本反应器结构如图2中剖面图所示。然而， 该反应器的设计和配置以及其中所含的材料可以变化很大。一直实例性反应器， 以及使用相同的反应器去除废水中污染物的方法，已经被美国专利No.5,217,616 公开，因此其整体在此以引用的方式被合并。反应器80包括废水通过并流经反 应器80的进口82，以及废水流出的出口84。从出口84流出后，废水或者经由 进口进入另一个反应器，或者流出厌氧ICB 101。
反应器80内有生物活性部件88的固定床或者基本上固定的床，该生物活 性部件包括至少硒呼吸菌，和优选地，还包括硫酸盐还原菌。术语“固定床” 表示当废水流过反应器80时生物活性部件88和载于其上的细菌基本上是固定 的。生物活性部件88主要是多孔基质，其将在随后描述。该基质由多孔筛或者 平板86支撑，它也可以支撑多个中空脚手架(scaffolding)结构的低密度体90， 其实示例性施方式将随后描述。低密度体90提供空隙让废水以足够快的速度流 过反应器，使液体与生物活性部件88接触，以充分去除预定的废水污染物。
图3为示例性生物活性部件88的横剖面视图，生物活性部件是限定了相互 之间具有通道或者空隙91的壁网的多孔基质95。类似网状的结构提供了高的表 面积与体积比，从而支持高浓度的微生物92，微生物通常作为微生物膜植入， 并且包括能够代谢废水流中污染物的细菌。如前面所提到的，厌氧ICB 101中 的细菌包括厌氧硒呼吸菌，硫酸盐还原菌，或者两者。硒呼吸菌将硒酸盐和亚 硒酸盐酶促还原为元素硒。硫酸盐还原菌厌氧呼吸硫酸盐化合物，并产生呼吸 产物硫化氢(H2S)。H2S容易与废水中任何硒酸盐或亚硒酸盐化合物反应，并 产生反应产物元素硒。硒不溶于水，因此从废水中沉淀在厌氧室24、26、28、 32、34和36之一的底部上，或者被微生物膜和/或基质95吸收。任何元素硒， 无论是原来就在废水中的还是酶促产生的或者是与H2S的反应产物，都充分地 保留在了厌氧ICB 101中。其他被还原的硒化合物，比如硒化氢、甲基硒和二 甲基硒，有时也在厌氧ICB 101中作为反应产物生成。如随后将要描述的，本 发明的另一特征是从厌氧室24、26、28、32、34和36的下游废水中去除这些 被还原的硒化物。
在一个示例性实施方式中，至少一部分部件基质95含有吸收剂94，或者 被提供能够吸附废水流中一种或者多种污染物，以促进使用微生物92的污染物 生物降解的能力。在另外一个示例性实施方式中，基质本身足以吸附特定的污 染物，不需要吸附剂涂层。其他任选的材料可以包含在部件表面95之上或之内， 包括阳离子和/或具有正电荷基团的材料，以及增加密度的物质、减小密度的物 质、着色剂和有机或无机基短纤维比如玻璃纤维和凝胶形成大分子物质比如纤 维素、藻酸盐、淀粉和角叉胶。
每个生物活性部件88是颗粒与颗粒之间在尺寸和形状方面有很大不同的 颗粒。例如，部件88可以具有规则的形状比如立方形、杆状、矩形、球形、螺 旋状或者六边形，或者可以具有不规则的形状。颗粒的尺寸可以是约0.10英寸 至约12英寸之间的任意值。部件88具有显著大于低密度体90的内外表面积和 体积的比率。部件88和低密度体90之间该比率的差别越大，污染去除过程的 效率就更高，而且，部件88的该比率比低密度体90可以大高达至少约20倍。 组分部件88可以单独使用，而不使用低密度体90。包含在部件88中基质95 的量可以变化很大，尽管一般来说，每一个颗粒的基质95的量基于总的颗粒重 量为约50至约95％重量，剩余的重量百分比主要是微生物92和任何可能包含 的吸收剂。空隙91为约40％体积至约98％体积。基质95由任何能够形成多孔 颗粒和负载微生物92的材料形成。无机材料和有机塑料是示例性材料，包括那 些在美国专利No.5,217,616中公开的材料，它还公开了用于其他反应器部件的 示例性材料。
图4是废水流过的使大部分液体接触生物反应器内生物活性部件88的低密 度体90的透视图。尽管低密度体90被描述为一个基本上球形的物体，但是其 形状不是关键的，该物体可以是基本上任何其他形状比如正方形或者立方体。 不论外部形状如何，该低密度体90由多个间隔肋板(rib)98限定了内部空间 96。该肋板98可以具有其他任何所希望的结构如叶片或者翅片形状。为了使液 体与生物活性部件88的内外表面接触，典型的低密度体90具有占低密度体体 积的至少约40％的内部空间96，更优选地，占整个低密度体体积的将近95％或 者更多，具有占据剩余体积的结构特征例如肋板98。
生物活性部件88和低密度体90成比例设置在厌氧ICB 101中，由此至少 50％的生物活性部件88的至少50％的内外表面与低密度体90相邻。更优选地， 至少60％至80％生物活性部件88的至少60％至80％的内外表面这样设置，从 而在使用时接触流经厌氧ICB 101的废水水流。优选地，生物活性部件88和低 密度体90以基本均匀分布的方式负载于厌氧ICB 101中。
回到图1，系统100包括pH控制器50，用于保持pH水平约为7.0，尽管 使用该控制器50，微生物可以保持在约6.0至约8.5的pH水平。当系统启动时， 厌氧ICB 101中的pH控制尤为重要，在此期间微生物在基质95上增殖、稳定， 并达到最佳功能状态。系统启动可能需要四到六周。启动后，pH控制通常不是 必需的，除非发生显著的过程变化，比如废水组成或体积的显著变化，或者发 生系统混乱，或者如果系统关闭和再重启。基础营养物14，包括糖蜜和蔗糖， 倾向于使废水酸化。为此，控制器50调节向废水添加酸或者碱52。控制器50 包括与ICB室26和34流体连接的pH计。该pH计接收废水流并测量pH水平。 如果废水是酸性的，控制器50就激活泵58和60，产生分别从室26和34流入 室24和32的再循环废水流。控制器50也激活泵54和56，将需要量的碱52 泵入再循环废水流中，使pH值达到约7.0。大量的碱可被提供给再循环的废水 流，示例性碱52为氢氧化钠。
厌氧ICB 101还包括组件20和22的各自最下游室30和38。每个最下游 室30和38都是硒化物去除组件。示例性硒化物去除组件包括金属铁或氧化铁 添加剂比如亚铁添加剂、三价铁添加剂或海绵铁。铁添加剂与硒化物或者硫化 物，比如硒化氢、有机硒化合物和硫化氢，发生化学反应，并且分别通过形成 稳定的硒化铁和硫化铁而将它们从水流中去除。硒化铁和硫化铁化合物不溶于 水，因此形成沉淀并通过澄清和/或过滤从水中沉积出去。海绵铁包括在木材刨 花和薄片载体上的水合氧化铁，通常用于气体净化过程，用以去除腐蚀性的有 气味的物质比如从气流中去除硫化氢。该过程通常有效用于高压天然气应用、 低压系统、下水道污泥厌氧消化产生的下水道沼气以及填埋和农业厌氧消化产 生的生物气。根据本发明，该铁添加剂比如海绵铁包含在废水流中，以便至少 吸附厌氧ICB 101中所有生成的反应产物硒化氢。该铁添加剂同时也去除废水 中的任何硫化物。因为硒化氢溶于水并且是高毒性的，室30和38中的铁添加 剂是非常重要的系统要素，其用于沉淀和去除水流中的硒化物。进一步地，铁 添加剂是一种有效而且简单的硒化物去除组件。
另一示例性硒化物去除组件包括气体洗涤器。该气体洗涤器使用可包含鼓 风机的气体源61将空气或者惰性气体如具有低浓度氧的氮气引入废水流中。气 体捕获挥发性化合物比如硒化物和硫化物，并且通过废气气流将它们带出室30 和38。在该装置中的硒化物和/或硫化物洗涤可以通过调节给定废水的pH值至 特定范围，如2到6之间而被加强、控制和优化。为了引入pH控制，将酸或碱 52泵入室30和38。空气洗涤器或者惰性气体洗涤器也可以无需pH调节而操作。 在示例性实施方式中，系统100包括用于从空气洗涤器或者惰性气体洗涤器中 排出气体的海绵铁组件62。该海绵铁组件62是单独的，并且与室30和38中的 任何铁添加剂在位置和操作方面都不同。如前所述，海绵铁组件62通过形成硒 化铁和硫化铁而从废气气流中除去任何硒化物和硫化物化合物如硒化氢、有机 硒化物和硫化氢，硒化铁和硫化铁从气体中沉淀出来并以固体的形式吸附在组 件62中的海绵铁上。通过海绵铁组件62，气体从系统100中除去。
还有另外一个示例性硒化物去除组件包括机械搅拌器。硒化物和硫化物通 过机械搅拌从水相中被除去而进入废气相，例如，通过机械混合器或者具有或 不具有箱隔板的再循环泵或者通过其他机械搅拌装置。机械混合装置产生的废 气可以直接引入气体洗涤器，如前述的用于去除系统100中气体的海绵铁组件 62。
废水从厌氧ICB 101流过需氧ICB 102，用于使用需氧微生物，包括常规的 需氧菌和需氧硫氧化菌去除污染物。这些微生物除去痕量水平的营养物、硫化 物、生化需氧化学物质以及总有机碳。需氧ICB 102也提高了氧化/还原电位以 满足管理机构规定的排放到环境或者市政污水系统的废水排放标准。
需氧ICB 102包含组件40，该组件包括一系列的室42、44、46和48。厌 氧ICB 101排出的废水进入第一室42，并级联通过室44和46，然后从最下游 的室48流出需氧ICB 102。废气也从最下游的室48排出，臭气和污染物如硫化 物化合物在气体排入大气前用海绵铁组件62洗涤。
需氧ICB 102中的每个室42、44、46和48都是废水流经的反应器。室42、 44、46和48与在前描述和示出的厌氧ICB 101具有相同的结构，尽管室42、 44、46和48中的微生物是需氧的，而不是厌氧的，因此去除的污染物不同于厌 氧ICB 101去除的污染物。需氧ICB 102中的微生物需要靠氧气存活。回到图2， 室42、44、46和48的每个反应器80包含并使用扩散器87将氧气或者其他含 氧气体，比如空气，引入反应器80供给其中的需氧微生物。扩散器87连接到 可包括鼓风机或泵的含氧气体源64上，使气体流入或鼓入反应器80内。气体 通过微生物填料床。厌氧ICB 101中的反应器可以不包括扩散器87或者简单地 不使用它们，因为不需要氧气来维持厌氧微生物。
废水流出需氧ICB 102后作为处理水68排放到下水道，或者如果废水足够 干净排放到环境中，或者如果符合质量要求也可重新利用。在排放之前，可以 使用附加处理部件比如下游过滤器66进行补充处理。示例性下游过滤器66是 砂滤器，用于在作为处理水68排放之前去除颗粒并且澄清水。
尽管至少一个典型的实施方式已经体现在前述的本发明的详细描述中，应 当理解存在大量的变型。也应当理解一个或多个示例性实施方式只是范例，并 不意味着以任何例限制本发明的范围、适用性或者结构。更确切地，前述详细 描述将向本领域技术人员提供一种便利的途径来实现本发明的示例性实施方 式，应当理解在典型的实施方式中描述的功能和要素的布置可作出不背离本发 明范围的多种变化，如附加的权利要求及其法律等效力(legal equivalents)所述。