專利名稱：生物修復(fù)系統(tǒng)以及其裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
大體來說，本發(fā)明涉及污物處理系統(tǒng)和方法，以及更具體來說，本發(fā)明涉及利用厭氧和好氧微生物的污物處理系統(tǒng)用于生物修復(fù)(bioremediation)。
背景技術(shù)：
在世界范圍內(nèi)有大量的污物在被傾倒在最近的開放水源之前沒有經(jīng)過任何類型的處理，這導(dǎo)致了國際化的健康危機。由于缺少清潔水每天都有人死亡。由富營養(yǎng)化的污物(waste)的排放導(dǎo)致的不穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)致使魚的死亡率非常高，海底植物的死亡非常高以及高濃度的病原菌。這是此類污物流缺少處理或處理很差并排放所產(chǎn)生的直接后果。在過去的十年，這樣的后果例如在開放水源中由于營養(yǎng)條件導(dǎo)致的災(zāi)難性的藻類水華(algaebloom)顯著增加，并且導(dǎo)致了史無前例的環(huán)境問題。傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的污物處理系統(tǒng)通常利用機械曝氣以及化學(xué)處理。這種系統(tǒng)的構(gòu)建和運行成本高，其原因不僅僅在于曝氣過程的能量成本高，還由于在這類系統(tǒng)中運行昂貴的機器需要人力成本。這樣的機械/化學(xué)處理裝置，即使是現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展過程中考慮的那些，所具有的標(biāo)價在百萬甚至于成百上千萬美金，這導(dǎo)致其過于昂貴，過去在美國和其它發(fā)達區(qū)域的許多組織無法承受這樣的污物處理系統(tǒng)。結(jié)果，世界人口中的大部分與大量的污物污染一起生活。在過去已經(jīng)強調(diào)了污物的生物修復(fù)。此類生物修復(fù)系統(tǒng)通常利用需氧和厭氧過程的組合。具體來說，這樣現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)通常使用厭氧細菌來消化有機物并釋放生物氣(biogas)，且與產(chǎn)生氧的光養(yǎng)生物結(jié)合來加速由好氧細菌進行的有機質(zhì)的降解。(同時，好氧細菌產(chǎn)生光養(yǎng)生物所需的二氧化碳)。厭氧消化通過奪取病原菌的氧而殺死在未經(jīng)處理的污物中的大量病原菌。此外，厭氧細菌能夠消化大量生物活性固體(biologicallyactivating solid)。通過這樣的厭氧消化過程,生物好氧量(BOD)和化學(xué)好氧量(COD)水平被顯著降低，除此之外降低了污物中的固體含量值。以這樣的方式，可以控制好氧和厭氧過程互補的性質(zhì)并將有機材料降解為元素形式，而不需要使用在傳統(tǒng)的機械曝氣/化學(xué)處理污物修復(fù)設(shè)備中目前使用的“熱、打擊(beat)以及處理”系統(tǒng)。很長時間以來認為藻類是用于污物的此類生物修復(fù)的合適的光養(yǎng)生物。使用此類方法的一個大型的項目是在California的St.Helena污物處理廠，以及在世界其它的地區(qū)已經(jīng)投入使用的其它的此類污物處理廠。這樣的方案已經(jīng)顯示出大量期望的特征，但是也具有明顯的缺點。因為，這些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)沒有用來控制存在的藻 類種類(一種或多種)的機構(gòu)，它們的藻類培養(yǎng)物隨時間變化，通常具有所不期望的結(jié)果。此類不期望的結(jié)果包括:在處理的末端無法簡單與水分離的種類的生長；在“正?！睏l件下生長良好但不能在移動過程(例如工廠污染物的流入)中生長的種類的繁殖；或者生長良好但不能進行全部所期望的修復(fù)的藻類種類的繁殖。此外，缺乏用于有效地進行藻類的補充的機構(gòu)，沖刷事件(例如，由暴風(fēng)雨導(dǎo)致)可能會嚴重地稀釋藻類培養(yǎng)物的密度，使得該系統(tǒng)以不可接受的緩慢速度恢復(fù)至有效培養(yǎng)物密度。因此，存在針對污物修復(fù)體系和方法的長期的、增長的需求，所述體系和方法是節(jié)約成本的并且提供有效的、穩(wěn)定的修復(fù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供針對污物和其它污染流體流(fluid stream)的有效的、節(jié)約成本的生物修復(fù)系統(tǒng)和方法。在一個方面，本發(fā)明包括用于生長高濃度藻類的光生物反應(yīng)器(以下，有時簡稱為PBR)。該PBR包 括具有具體設(shè)置了分布在其中的光管的罐，從而引起基本上在整個罐中的高密度藻類生長。罐中的流體流動被保持在足夠低的水平以防止對藻類的損害并且同時使得流體(fluid)在整個罐中流通。本發(fā)明的另一方面包括用于向PBR或其它生長系統(tǒng)提供養(yǎng)分的培養(yǎng)基系統(tǒng)(medium system)。該養(yǎng)分系統(tǒng)(nutrient system)可以包括大量單獨地選定的成分,其隨后通過大量的計量泵會聚集成養(yǎng)分流，或在一些實施方式中，可以從厭氧消化器的流出的一部分獲得。在一些實施方式中，厭氧消化器形成整體的生物修復(fù)系統(tǒng)的第一階段。厭氧消化器階段，除了提供富含微量和巨量養(yǎng)分(macronutrient)的流體之外，還向PBR提供大量CO2，其有助于PBR中的藻類生長。此外，厭氧消化器產(chǎn)生大量的生物氣，該生物氣可以被傳統(tǒng)的生物氣動力的發(fā)電機所利用以產(chǎn)生運行本發(fā)明生物修復(fù)系統(tǒng)所需的至少部分電。在生物氣的燃燒之前、之后或代替生物氣的燃燒，來自生物氣的二氧化碳可以用于塘(lagoon)或池中以促進藻類的生長。在燃燒生物氣的情況下，得到的熱能可以用于對塘中的水進行加熱，以加速塘中所進行的各種所期望的生物過程。本發(fā)明的還另一個方面包括修復(fù)塘或池(盡管通常不需要使用水溝型設(shè)計)，在修復(fù)池中添加來自光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的高密度的藻類接種物。來自厭氧消化器階段的流出液(effluent)中的一部分(在很多情況下是大部分)提供了在修復(fù)池中待修復(fù)的進入流體流。在一些實施方式中，該修復(fù)池可以是利用多種生物能量使得其可以處理殘留在來自厭氧消化器階段的剩余的CO2、氮以及磷的多相池(multiphasic pond)。在至少一些實施方式中，多相池包括多個水平的層(horizontal strata)，例如:在表面為好氧，在底部為好氧/厭氧和厭氧。整體的功能是用于除去通過使用光養(yǎng)微生物后系統(tǒng)中剩余的氮和磷，并且同時消耗CO2和產(chǎn)生O2以輔助來自厭氧消化的剩余的流出液的降解。針對每一種操作或使用用途可以單獨控制這些池的大小。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的水修復(fù)的實施方式的示意圖。圖2A和2B分別顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的具有單獨通流管的光生物反應(yīng)器的實施方式的橫截面的側(cè)視圖和放大視圖。
圖2C示出具有多個通流管的光生物反應(yīng)器的備選的實施方式。圖2D示出光生物反應(yīng)器的另外的實施方式，其利用具有根據(jù)本發(fā)明的一方面的光棒的平行板。圖2E示出利用平行板和外部照明的光生物反應(yīng)器的備選的實施方式。圖2F示出根據(jù)本發(fā)明的一方面的光生物反應(yīng)器的運行的流程圖。圖3A不出用于圖2A和圖2B的光生物反應(yīng)器的一實施方式中的光棒的實施方式。圖3B不出根據(jù)本發(fā)明的光棒的第一備選實施方式。圖3C示出根據(jù)本發(fā)明的光棒的第二備選實施方式。圖4A不出根據(jù)本發(fā)明一方面的養(yǎng)分系統(tǒng)的一實施方式。圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的養(yǎng)分系統(tǒng)的實施方式的運行流程圖。圖5A-5B不出根據(jù)本發(fā)明一方面的多相池的一實施方式。圖6不出根據(jù)本發(fā)明一方面的鼓泡器的一實施方式。圖7示出根據(jù)本發(fā)明一方面的污物修復(fù)系統(tǒng)的備選實施方式的示意圖。圖8A-8B示出根據(jù)本發(fā)明一方面的濃縮器過程的系統(tǒng)和流程圖。圖9說明根據(jù)本發(fā)明一方面的軟故障(soft fail)過程的一實施方式概括的流程圖。
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發(fā)明詳述首先參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個方面的生物修復(fù)系統(tǒng)包括光生物反應(yīng)器或PBR10，在下文中更為詳細地描述，其從養(yǎng)分系統(tǒng)15接收養(yǎng)分流。該PBR為高度濃縮的藻類的生長提供了經(jīng)優(yōu)化的環(huán)境。來自PBRlO的藻類通過導(dǎo)管20供給至污物池或塘25，該污物池或塘有時(但不是在所有的實施方式中)為多相池(結(jié)合圖5所述)。該池或塘25接收有機污物30，并且在多個實施方式中，其還可以接收如35所指出的大氣的C02。污物池或塘25，可以覆蓋少于一英畝至數(shù)十或成百上千英畝的面積，并且甚至可以是公開水域，例如具有充足大量的藻類供給的湖泊或海灣，在一些實施方式中污物池或塘25包括具有至少一個修復(fù)層的相對淺的池，在多相池的情況下，其包括多個修復(fù)層。如下文更為詳細地描述，將來自PBR的藻類以足夠接種塘的用量提供給塘，即向塘中提供足夠的藻類從而使得塘中的自然條件允許藻類茁壯成長一段合理的時間，自然地繁殖。藻類通常(但不是必須)與細菌共生運行，藻類與細菌在塘中混合。在存在藻類和細菌兩者的實施方式中，細菌的作用降低BOD和TSS (總懸浮固體)，并且在產(chǎn)生CO2的同時減少氮。與細菌相比，藻類降低B0D、TSS、以及氮至更少的水平，并且顯著降低磷，并均同時產(chǎn)生氧。在這樣的共生關(guān)系中，細菌產(chǎn)生的CO2被藻類消耗，而藻類產(chǎn)生的O2被細菌消耗，顯著地促進了兩種生物的活性。(此外，一些來自大氣的0)2和02進入。)通過以合適的速度使污物在池或塘中移動，從而確保足夠的混合，保持水化學(xué)性質(zhì)和溫度的均勻，以及保持藻類和細菌的懸浮，來自池25的流出物經(jīng)充分修復(fù)。任選地，可以提供最終處理40，以藻類分離步驟和/或熟化或澄清階段的形式。藻類分離步驟允許收集藻類生物質(zhì)用于有附加值的應(yīng)用(例如肥料)。熟化池、構(gòu)建的濕地或相似的方案可以促進藻類的沉淀以及進一步減少硝酸鹽和磷酸鹽。此外，在一些實施方式中，可以提供自動的反饋(如45所指)，該自動反饋確定流出物的水質(zhì)以及相應(yīng)地調(diào)節(jié)接種的水平以確保獲得和保持適當(dāng)水平的水質(zhì)。在沒有進行最終處理步驟的系統(tǒng)中，池25的流出物的水質(zhì)用于提供反饋。接下來，參考圖2A和2B，可以更好地理解本發(fā)明的光生物反應(yīng)器的實施方式，圖2A和2B分別顯示出光生物反應(yīng)器的橫截面和放大的視圖。通流管200設(shè)置在罩或罐205的中間。在一實施方式中，罐具有約50加侖的有用體積，其具有約22英寸的直徑，而通流管具有的體積約4.5加侖和約7英寸的直徑。罐200和通流管205的相對體積和直徑可以充分地變化，盡管在至少一些實施方式中，發(fā)現(xiàn)通流管直徑為罐直徑的5 25%是有用的。在一些實施方式中，設(shè)計罐的大小使其具有高度/直徑比約為1.5:1，盡管該比例不受限制而且可以顯著地改變罐的相對尺寸。設(shè)置在通流管中的是一個或多個光棒或管210，結(jié)合圖3A更為詳細地描述該光棒或管210。在罩205中以及圍繞管200的外圍還設(shè)置了大量的光管210。在擴散管中和設(shè)置在擴散管外的光管210的準確數(shù)量可以隨罐的大小和本發(fā)明的具體執(zhí)行方式而變化。通常來說，期望光管之間間隔從光管發(fā)出的光的吸收距離(absorption distance)的約兩倍。在一實施方式中，例如，光管間隔約1(T15厘米遠，盡管準確的尺寸取決于多種因素，包括藻類的類型、針對特定的PBR所需的藻類濃度的水平、以及LED向光管提供的光的波長和功率。 罩205含有生長培養(yǎng)基215 (結(jié)合圖4將對其更為詳細地描述)，以及選定的適合于特定的修復(fù)系統(tǒng)的藻類。一種或多種預(yù)選擇波長的、適用于促進選定的藻類的生長的光通過與每個光管210聯(lián)合的一個或多個LED220或類似的光源提供。盡管對于多個實施方式LED是優(yōu)選的光源,其它光源對于一些實施方式也是可接受的,其它光源包括激光器、二極管激光器、二極管泵浦的固體激光器、二極管泵浦的光纖激光器、高密度放電燈以及其它燈、轉(zhuǎn)化為適合于藻類的特定種類的波長的紅外線源、或甚至是與利用日光反射裝置(heliostat)或類似裝置的光管結(jié)合的太陽光。為了方便，在本文中將光源表示為“LED”，但是應(yīng)當(dāng)理解光源是指適合于具體執(zhí)行本發(fā)明的任何光源。將LED220設(shè)置在培養(yǎng)基的頂部，通常高于培養(yǎng)基的頂部，從LED發(fā)出的光通過耦合器(coupling) 225沿著光管傳播。在一些實施方式中，可以使用多個LED以沿著單個棒發(fā)出不同波長的光，單個LED可以沿著單個棒發(fā)出多種波長的光，或相同的棒可以具有LED發(fā)出的第一波長光而其它棒具有LED發(fā)出的其它波長光。此外，在一些實施方式中，可以在棒中使用不同的染料將一種波長的光轉(zhuǎn)化為更為適合在罐中生長的藻類的種類的其它波長的光。光管中的每一個還可以包括均光器或混合器(如圖3A所示)，以提高光管中的空間均勻度，盡管不是所有的實施方式均需要均光器。每個LED可以與散熱板(heat sink)或熱交換器230聯(lián)合，以保持LED處于適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟?。至少在一些實施方式中，期望足夠地冷卻LED使得來自LED的熱不會不利地影響罐中藻類的生長。為了促進LED的冷卻，可以在空氣室240的孔口上設(shè)置一個或多個風(fēng)扇235，并具有設(shè)置在空氣室240和罐蓋250之間允許空氣出去的通風(fēng)間隙245。通常來說，光管210的目的是盡可能地在整個罐中均勻傳輸來自LED的光，以在罐中所有的高度處促進藻類的生長，并不將來自LED的熱傳遞到罐中以及不妨礙罐中的流體流動(fluid flow)。在一實施方式中，由罐蓋250支撐光棒，其上具有孔口 255。每個光管210滑動通過孔口 255，使得大量的光管安裝到罐205中。該蓋還可以提供針對通流管200的一個或多個支架260的連接點，使得通流管的頂部可以保持在罐的液體的表面下方的一定位置，并保持通流管的開放末端保持在te的底部上方。為了最大化罐中的生長培養(yǎng)基中的藻類的濃度，通常在罐中移動藻類或輕輕地攪動藻類。一種促進此類緩慢運動的技術(shù)是通過計算機控制閥265和攪拌器270將CO2或其它氣體(取決于被培養(yǎng)的是什么藻類以及出于什么目的)與壓縮空氣混合。在一些實施方式中，沒有使用壓縮空氣。取決于具體的實施方式，鼓泡的氣體對于生長培養(yǎng)基和生長的培養(yǎng)物而言可以是不活性的，或者可以通過提供養(yǎng)分來促進培養(yǎng)物的生長，或者還可以調(diào)節(jié)罐中的條件，諸如通過改變pH。通過流量計275和擴散器277將組合的物流供給到通流管200的底部，其中運轉(zhuǎn)擴散器以將氣流轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于提供藻類運動的氣泡大小。氣體混合物的氣泡夾帶生長培養(yǎng)基并且在通流管中向上移動藻類，如向上流動的箭頭所示。在一實施方式中，一般的氣泡大小為Imm級的，但是其可以在0.2mnT3mm或更大的范圍內(nèi)充分變化。由于通流管的頂端位于液體表面下，并且至少在一些實施方式中其還優(yōu)選懸浮于罐200的底部上的可促進真空效果的一段距離處，因此藻類和生長培養(yǎng)基流過通流管的頂部并且在通流管的外部的罐的一部分中向下運動，如向下流動的箭頭所示。在一實施方式中，使用單個通流管，氣體流速為每分鐘0.r0.2立方英尺，以提供藻類的充分運動，但該流速不意在限定。該運動促進了罐中生長培養(yǎng)基的均勻性，阻止了沉淀(settling)，并且還有利于藻類沿光棒的長度運動，從而使得藻類可以在罐205的整個體積內(nèi)相對均勻地受到由光棒發(fā)出的光的照射，由此使得在整個罐中獲得相對均勻地生長，而不是如在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的僅在表面生長。需要時可以從培養(yǎng)基罐中供給額外的生長培養(yǎng)基，如結(jié)合圖4所討論的，通過管280A來供給生長培養(yǎng)基，而通過管280B或通過蓋250上的孔口來提供藻類的種子量(seed amount)。罐的壁和底部的連接可以是圓形的從而促進藻類的順暢的運動和防止藻類在尖銳的拐角處聚集，但在所有實施方式中這樣形成圓形不是必須的。
為了促進良好的藻類生長，借助熱控制夾套285來控制生長培養(yǎng)基的溫度，可以通過熱控制單元290來調(diào)節(jié)生長培養(yǎng)基的溫度。熱控制夾套可以例如形成具有管，該管用于加熱或冷卻流體的流動，或者可以包含聚合物加熱/冷卻材料。此外，通過傳感器295A-C指示的pH、高度以及溫度由控制系統(tǒng)2%D(通常為計算機(未示出))監(jiān)控。如果罐中的藻類濃度達到了期望的水平，計算機控制的出水閥297允許藻類被轉(zhuǎn)移至圖1所示出的塘或池中，以促進修復(fù)過程。在一些實施方式中，可以獲得小于50mg/L且最高至5000mg/L或更高的藻類濃度，其中50mg/L 1000mg/L的濃度是容易獲得的。應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管在圖2A-2B中示出了單個通流管，但可以使用多個通流管并且在具有更大直徑的罐中可能期望使用多個通流管，如圖2C所示。通常來說，與在罐的中間具有相當(dāng)流動的單個管相比，圍繞較大的罐分布大量較小直徑的通流管可以提供更為良好的流體流動，尤其是在罐的邊緣處。在一實施方式中，通過通流管的每分鐘約0.廣0.2立方英尺的氣流提供了在罐中的充足的藻類和生長培養(yǎng)基的攪拌和運動，而通流管的組合的直徑包括罐中的流體總表面積的約5 25%。在圖2C(其為光生物反應(yīng)器的橫截面視圖，其中與圖2A中相同的數(shù)字指相同的元件)的備選的實施方式中，在罐205中設(shè)置了大量的通流管200。盡管僅示出了兩個此類通流管200，但這樣的設(shè)計表明可以放置更多的通流管。因此，例如，在罐為約150加侖的一些實施方式中，期望為廣4個通流管，而在使用300加侖罐的實施方式中使用5個通流管。上述數(shù)字僅為示例性的不意在限制。通常來說通流管的數(shù)量和放置是意在促進負載藻類的培養(yǎng)基的適當(dāng)?shù)南蛏虾拖蛳铝鲃?，結(jié)合圖2A-2B如上所述，其中允許藻類在罐的整個體積內(nèi)生長，而不是如現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計僅在表面生長。接下來，參考圖2D，其顯示為具有透明的前壁的透視圖，是圖2A所示的PBR的另外備選的實施方式，應(yīng)當(dāng)理解的是，罐的形狀可以不需要是圓形的，并且事實上，可以為允許足夠的光到達在培養(yǎng)基中生長的大量藻類的任何形狀。為了清楚，具有相似功能的元件再次以圖2A中使用的相同的參考數(shù)字示出，以及為了清楚，在此省略了在結(jié)合圖2A中討論過的具有相同功能的許多元件。因此，圖2D的實施方式中示出的罐205的周邊是矩形的，具有排列在罐中的一個或多個隔板2100，并且從液體表面下延伸一段距離至罐底部之上。因此該隔板制造出具有與通流管200相同功能的空間。通過在罐的交替的隔板隔出的空間的底部中放置具有適當(dāng)氣體流速的擴散器2110，在罐中，在罐的交替的隔板隔出的空間中制造流體的向上和向下流動，如流動箭頭所示。如圖2A的PBR—樣，通過蓋2115在罐中放置大量光管。盡管在圖2D中示出了光管210的直線排列，但是應(yīng)當(dāng)清楚的是光管的數(shù)量和設(shè)置可以根據(jù)罐200的尺寸來改變，不需要是直線的。還應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)圖2A-2C的描述，不是所有的實施方式中均需要圖2D中顯示的壁到壁(wall-to-wall)隔板，并且可以通過如圖2A-2C所示的通流管來代替。此外，可以根據(jù)希望改變罐的寬度，根據(jù)圖2A-2C中所給出的啟示，可以排列多個通流管和多個光管。還應(yīng)當(dāng)理解的是，在一些實施方式中，光管可以放置在罐的拐角，以防止拐角處的照射減少，但這樣的排列可能在一定程度上導(dǎo)致對來自拐角光管的光的低效率使用。在光管后添加反射鏡可以減少損失。此外，在拐角設(shè)置光管，可以減少拐角處的流體流動并且可能會出現(xiàn)死點。接下來，參照圖2E，其示出了根據(jù)本發(fā)明一方面的PBR的還另外的備選的實施方式，在一些實施方式中，可以用位于外部的LED或相當(dāng)?shù)墓庠?105來代替光管210。仍然提供熱夾套2110，熱夾套上具有通過其的以用來放置LED2105的孔口。在至少一些設(shè)置中提供散熱板2115，并且可以提供覆蓋物(未示出)來控制通過散熱板的空氣流動，有效地產(chǎn)生高壓(plenum)。與 圖2D的設(shè)計一樣，在罐中設(shè)置隔板或通流管以制造出藻類和生長培養(yǎng)基的合適的流動。為了清楚，在圖2E中沒有重復(fù)示出圖2A的剩余元件(諸如光管、控制器等)，但應(yīng)當(dāng)包括在適合執(zhí)行圖2E所示的實施方式的范圍中。因為在圖2E的實施方式中光源2105是外部的，因此優(yōu)選限制罐的寬度以確保遍及大量藻類的良好的照明以及罐中的培養(yǎng)基的流動，并且因此罐的寬度通常最多為幾英寸。在至少一些實施方式中，在罐的兩側(cè)放置 LED2105。接下來，參照圖2F，以更好地理解圖2A-2D示出的PBR中的藻類生長的過程流程。通過管2205由培養(yǎng)基準備系統(tǒng)(圖4)向生長罐2200中供給生長培養(yǎng)基，手動或通過計算機控制2207，如由高度傳感器2210指示。通過管2215添加藻類的一種或多種的選定的種類的種子量，也是手動或通過計算機控制，或通過在插入聯(lián)合的光管之前的罐蓋中的孔口中的一個。通過控制系統(tǒng)來運行照明2220,氣候控制套筒(climate control sleeve) 2225或熱夾套，使得在罐中的生長培養(yǎng)基的溫度適于罐中藻類的生長，通過溫度傳感器2230所監(jiān)控。通過電磁閥2235和攪拌器2240，控制系統(tǒng)混合氣體諸如CO2、空氣、氮或其它氣體，以及通過流量計2245節(jié)流提供到罐的氣體的體積。出于下述兩個目的來通過控制系統(tǒng)控制氣體的體積:設(shè)置PH的目的(通過pH傳感器2250來監(jiān)控)以及保持在罐中的適當(dāng)流動的目的。取決于在生長培養(yǎng)基中的組分，通過控制系統(tǒng)來監(jiān)控藻類的種類、以及期望通過藻類生產(chǎn)的生物產(chǎn)品，和多種其它傳感器，例如磷酸鹽水平傳感器2255、硝酸鹽水平傳感器2260、溶解O2傳感器2265、濁度傳感器2270。除了使用濁度作為監(jiān)控培養(yǎng)物密度的方法之夕卜，可以使用色度計和/或葉綠素?zé)晒馓结?。?dāng)期望移動藻類以及由罐獲得的相關(guān)的生物產(chǎn)品時，手動或通過控制系統(tǒng)打開閥2275，并通過出口 2280從罐中移出負載藻類的流體，可以將其提供至生物修復(fù)塘或池，或用于其它用途或處置。接下來參考圖3A-3C，可以進一步詳細地理解本發(fā)明的光管的不同的實施方式。首先參考圖3A，示出了光管的實施方式的放大圖。設(shè)計光亮的(clear)棒300的長度使得允許該棒基本達到光生物反應(yīng)器的罐的底部，該棒300包括一些列交替的消光(frosted)和未消光(unfrosted)段305和310。棒300通常由丙烯酸或其它聚合物，或任何其它適合的材料構(gòu)成，所述材料在由一個或多個LED315發(fā)出的光的波長處是光學(xué)上光亮的，并且該材料能夠具有在其一部分上制造的表面質(zhì)地從而制造出消光和未消光段305和310。如上所述，LED可以具有多個波長，可以是從每個棒中發(fā)出的不同的波長或所有的棒發(fā)出多種波長，或所有的棒發(fā)出相同的波長。應(yīng)當(dāng)理解，盡管上述描述了單一波長，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認識到在本文中，“波長”可以更準確地被描述為波段，如LED發(fā)出擴展的光譜(spectralspread)，其中心的波長被稱為LED的“波長”。此外，如上所述，可以在棒中或棒上使用染料以將通過LED產(chǎn)生的波長的光轉(zhuǎn)化為適合藻類的不同波長的光。將LED315安裝在安裝臺320中，取決于由LED315產(chǎn)生的熱其與散熱板325熱偶聯(lián)(thermally couple)。在一些實施方式中，期望由LED向棒300提供空間均勻的光,在這種情況下，可以在LED315的輸出和棒300的輸入335之間的光程中設(shè)置均光器330。均光器330通常在其長度的大部分或全部中具有非圓形的橫截面，并且利用內(nèi)反射，取決于所使用的材料包括全內(nèi)反射，以在均光器的輸出處產(chǎn)生空間均勻的光。通常設(shè)計均光器330的輸入面335的大小以使得其輸入尺寸與LED的輸出基本匹配，由此使得均光器捕獲所有或幾乎所有LED的光輸出。相似地，設(shè)計均光器的輸出面的尺寸以使其基本上與棒300的輸入匹配，從而使由均光器傳遞到棒時的光的損失最小化。不必須使均光器的輸出與LED的輸出或光棒的輸入相一致。在LED的輸出的情況下,均光器的輸入面可以更大。在向光棒輸入的情況下，均光器的輸出面可以是例如其角落交叉或包含在棒300的圓形面中的方形，或者可以是能夠合理地包含在但基本上覆蓋棒300的輸入面的任何其它形狀，但在一些實例中，具有奇數(shù)邊的均光器提供改善的性能。在光棒300的一個重要方面中，消光和未消光段305和310的設(shè)置控制沿其長度的位置以及由棒發(fā)出的光的量。進入到棒的輸入的光通過全內(nèi)反射沿著未消光段傳輸。但是，在每個消光段，至少部分沖擊棒的側(cè)壁的光被從棒發(fā)出，或被耦合。棒可以具有任何允許全內(nèi)反射的橫截面，其可以具有在其長度上的均勻的橫截面，或者大小可以一直減少。此夕卜，棒300的遠端340可以是圓形的和消光的以防止光損失，或者可以是鏡面反射的從而導(dǎo)致光被反射回棒，使得如上所述光通過棒的側(cè)壁傳輸。因為該棒的末段是特別的情況，因此由于光的指數(shù)式衰減，真實的I禹合可以明顯小于理論I禹合，這樣的鏡面反射(mirroring)或圓形的且消光的可以增加實際耦合使其合理的接近理論耦合。在至少一些實施方式中，對于棒的每個連續(xù)部分，消光段的長度相對于鄰近的未消光段的長度增加。在一些設(shè)置中，可以將未消光段和鄰近的消光段的組合看作為單獨的片段345，并且沿棒 的長度方向該片段的長度保持相同，而對于每個連續(xù)的片段在每個片段中消光段的相對長度增加。通過每個消光段傳輸?shù)墓獾牧颗c其長度成比例，由此可以通過數(shù)學(xué)公式來表示不同消光段的相對長度。其中Z表示沿棒的長度L的位置，以及P(Z)表示作為z的函數(shù)的棒中的光的強度，以及取決于消光的耦合(coupling)強度可以以可控的方式沿棒的長度方向連續(xù)地變化，通過改變消光中凹槽的深度、形狀和/或周期，a (z)可以是描述通過消光的、沿著棒的長度的每個單元長度的光的耦合強度比例耦合系數(shù)(coupling coefficeint),為z的函數(shù)。此外,在沿著棒的特定的距離z上,使Q (z)為與每單位長度的棒稱合掉(coupled out of)的光功率。因此Q (z) = a (z) P (z),并且目的在于確定將會生產(chǎn)所期望的在不同的消光段與棒耦合的光Q(z)的均勻分布的函數(shù)a (z)0針對非相干光并且假定能量守恒，我們得到dP(z)/dz=-Q(z)=-a (z) P (Z)[方程(I)]其具有邊界條件P (0) =P0。求出會在方程(I)產(chǎn)生均勻的Q(Z)的a (z)，設(shè)定Q(Z)等于Q。，其邊界條件為P(L)=O0結(jié)果為:Q (z) =Q0=P0/LP (z) =P0 (1-z/L)[方程(2)]a (z)=L_1 (1-z/L)應(yīng)當(dāng)理解的是，在實際系統(tǒng)中，針對a (Z)可以獲得動態(tài)范圍是受到限制的，且具有一定的不能超過的最大值a_。因此隨著z/L接近I而得到的a (z)的高值(由方程(2)描述)是無法實現(xiàn)的，并且與理想的行為有一定的偏差。這表明其本身作為Q(Z)值中的傾斜(dip)，在靠近棒的非常末端每個單元長度耦合掉的光功率。

在當(dāng)需要將對于a (Z)可獲得的值的范圍調(diào)節(jié)的更高或更低的那些情況下，可以通過選擇光棒的不同的直徑來進行。這將改變反射的次數(shù)，每個光線將沿每單位棒長度，因此假設(shè)消光的性質(zhì)沒有變化，a (z)將會與棒直徑成反比。針對具有N個均勻長度的片段的棒，其中Fi表示被第i個片段耦合掉的光功率的比例，以及在第一片段指數(shù)i=l，在最后的片段指數(shù)等于N，將上面的方程簡化為:Qi=Qtl=PcZNPi=P0 (N+l-1) /N [方程(3)]Fi=(N+l-1)_1下述是示出當(dāng)N=2、N=5、N=IO,以及N=20時方程3的全部解的表格，其中i=片段指數(shù)；Pi=入射的光功率；Qi=耦合掉的光功率；Pi+1=傳輸?shù)墓夤β?；以及Fi=耦合掉的光功率的比例對于N=2:
J_P1_Q1_Pw_Fj_I1.0000 0.5000 0.5000 50.00%
20,5000 0.5000 0,0000100,00%
對于N=5:
權(quán)利要求
1.一種生物修復(fù)系統(tǒng),包括: 光生物反應(yīng)器，其用于提供選定種類藻類， 養(yǎng)分系統(tǒng)，其用于向光生物反應(yīng)器提供充足的生長培養(yǎng)基使得選定種類的藻類能夠連續(xù)生長， 多相修復(fù)塘或池，其適合接收用來進行修復(fù)的有機污物以及還用于從光生物反應(yīng)器接收選定種類藻類的接種。
2.權(quán)利要求1的生物修復(fù)系統(tǒng)，其中所述多相池至少包括厭氧區(qū)域和好氧區(qū)域，以及用于在池內(nèi)產(chǎn)生基本一致方向的流體流動的構(gòu)件。
3.權(quán)利要求1的生物修復(fù)系統(tǒng)，其中所述基本一致方向的流體流動是通過槳輪產(chǎn)生的。
4.權(quán)利要求1的生物修復(fù)系統(tǒng)，還包括用于調(diào)節(jié)通過連續(xù)接種所提供的藻類的量的反饋環(huán)。
5.權(quán)利要求1的生物修復(fù)系統(tǒng)，其中所述養(yǎng)分系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于對促進光生物反應(yīng)器中的藻類生長所提供的選定的養(yǎng)分進行計量。
6.用于修復(fù)污物流的方法，其包括: 提供用于進行第一修復(fù)步驟的厭氧消化器區(qū)，該厭氧消化器產(chǎn)生可燃氣體和流出流， 燃燒氣體以產(chǎn)生熱、電、以及CO2, 向光生物反應(yīng)器提供一部分由所述燃燒步驟產(chǎn)生的熱、電以及CO2, 向多相池提供另一部分由所述燃燒步驟產(chǎn)生的熱、電以及CO2, 向多相池提供所述流出流以及由光生物反應(yīng)器產(chǎn)生的稠密的藻類。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述光生物反應(yīng)器包括在用于生長藻類的罐的整個罐體積中設(shè)置的大量光管。
8.用于加速藻類生長的光管，其包括: 用來發(fā)光的光源，以及 能夠全內(nèi)反射、放置在從所述光源發(fā)出的光的光程中的以接收基本上全部發(fā)出的光的棒，該棒具有交替的消光和未消光的部分，由此在所述棒上未消光的階段光傳播下去，以及在所述棒的消光階段光的一部分被耦合掉。
9.權(quán)利要求8的光管，其中所述棒具有輸入面，以及還包括 具有輸入和輸出面的均光器，所述均光器放置在光的和棒的光程中，并使得均光器的輸出面包含在棒的輸入面中。
10.權(quán)利要求8的光管，其中所述光源是LED。
11.權(quán)利要求8的光管，其中所述光源是激光。
12.權(quán)利要求8的光管，其中所述棒具有圓形的橫截面。
13.權(quán)利要求8的光管，其中所述棒具有不是圓形的橫截面。
14.用于含水環(huán)境的光管，其包括用于發(fā)光的光源，以及 設(shè)置在發(fā)出的光的光程中的能夠全內(nèi)反射的光學(xué)管，所述光學(xué)管具有基本相同長度的N個片段，其中，每個片段包括消光部分和未消光部分，以及所述消光部分的長度比所述未消光部分的長度的比例在棒的遠端方向上增加。
15.生長藻類的光生物反應(yīng)器，其包括:具有底部和體積、并適合于包含液體生長培養(yǎng)基的罩， 放置于所述罩中并配置成照亮基本整個體積的多個光管， 在罩中的至少一個通流管，所述通流管懸浮在罩底部之上從而流體可以在所述通流管和所述罩的剩余體積之間流動， 設(shè)置在罐的底部或靠近罐的底部的擴散器，使得從擴散器釋放的氣泡在通流管中向上升起。
16.權(quán)利要求15的光生物反應(yīng)器，其中，在運行中，所述通流管的頂部保持在所述罩中的液體生長培養(yǎng)基的表面之下，使得所述上升的氣泡夾帶所述生長培養(yǎng)基并且引起在通流管中的生長培養(yǎng)基和通流管外部的罩中的生長培養(yǎng)基之間的流體流動。
17.權(quán)利要求15的光生物反應(yīng)器，其中所述至少一個通流管包括多個通流管。
18.權(quán)利要求15的光生物反應(yīng)器，其中在平視圖中所述罐是圓形的。
19.權(quán)利要求15的光生物反應(yīng)器，其中在平視圖中所述罐是矩形的。
20.權(quán)利要求15的光生物反應(yīng)器，其中所述通流管是由隔板形成的空間。
21.一種光生物反應(yīng)器，其包括: 至少具有一個光亮壁和適合于含有一定量的生長培養(yǎng)基的罐， 多個光源附著在所述至少一個光亮罐壁的外部以照亮基本上整個體積， 設(shè)置在所述罐中的至少一個通流管，以及 設(shè)置在所述至少一個通流管之下的至少一個擴散器，在當(dāng)所述罐中填充有生長培養(yǎng)基時引起所述生長培養(yǎng)基中的流體流動。
22.用于促進藻類生長的鼓泡柱，其包括: 具有頂部表面和底部的罐，其適合于在頂部表面之下含有一定量的生長培養(yǎng)基，在所述生長培養(yǎng)基中有藻類生長， 基本位于所述罐的中心的光管，以用來照亮基本上全部量的生長培養(yǎng)基， 擴散器，適合于接收氣流并且位于所述罐的底部附近，用于制造氣泡流以攪動所述生長培養(yǎng)基，而不在所述罐中制造流體流動。
23.用于為藻類種類自動配制生長培養(yǎng)基的養(yǎng)分系統(tǒng)，其包括: 用于接收養(yǎng)分的罐， 多個混合組分儲蓄器，以及 用于選擇性地添加養(yǎng)分給所述罐的多個計算機控制計量泵。
24.一種用于在藻類生長系統(tǒng)的電源故障事件中最小化藻類死亡的方法，其包括下述步驟: 在運行時基于基本上連續(xù)基礎(chǔ)，確定電源是否故障， 在電源故障事件中，自動地在處理器控制的條件下針對適合生長的特定的藻類種類擴大培養(yǎng)物溫度耐受度， 在處理器控制的條件下調(diào)節(jié)PH以最大化培養(yǎng)物的活性，并且從連續(xù)模式轉(zhuǎn)換為間歇地空氣混合模式。
全文摘要
基于藻類的生物修復(fù)系統(tǒng)和方法，其中藻類在具有由養(yǎng)分系統(tǒng)提供養(yǎng)分的光生物反應(yīng)器中生長。將需要修復(fù)的流出流輸送到池或塘，該塘中重復(fù)地接種有在光生物反應(yīng)器中生長的藻類。光生物反應(yīng)器包括使用來自養(yǎng)分系統(tǒng)的生長培養(yǎng)基生長稠密的藻類的罐，并利用一個或多個通流管與擴散器一起制造罐中的流體流動，以混合和攪動生長的藻類種類。通過使用光管可以在罐的整個體積中制造基本上均勻地發(fā)光，該光管具有交替的消光的和未消光段，并設(shè)計該光管耦合來自罐外部的光源的光。
文檔編號C02F3/32GK103228779SQ201080061066
公開日2013年7月31日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者A.馬阿延, N.A.蘭西斯, M.E.多納姆, M.E.維爾斯, D.G.P.德謝尼斯, G.C.比約克隆德 申請人:生物優(yōu)勢資源股份有限公司