微氣體服務系統的製作方法

2023-12-07 19:40:51

專利名稱：微氣體服務系統的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及用於生物廢物的處理(remediation)的系統，更特別地涉及用於通過需氧和厭氧細菌消化處理禽畜廢物的系統。
背景技術：
隨著全球人口增加，有了增加食物生產的相應需求。大規模食物生產經營如集中動物飼養經營(CAFO)產生大量的禽畜廢物。禽畜廢物可包含化合物，如糞便、肥料化合物、 烴類和抗生素。這些化合物中的很多必須處理以減少由這些化合物引起的對環境的負面影響。因此，需要禽畜廢物處理的有效方法以為增長的全球人口提供環境可持續的食物生產。禽畜廢物處理的一種流行的方法是通過使用禽畜廢物汙水池(lagoon)。禽畜廢物汙水池是一種封閉的槽，將液體禽畜廢物與水混合引入其中以生成處理過的流出物 (effluent)。典型地，液體禽畜廢物與收集的雨水混合。禽畜廢物汙水池起到「消化池」的作用，在其中厭氧或需氧細菌使流出物中的化合物分解為氣體、液體和汙泥，從而處理這些化合物。厭氧細菌是在存在游離氧時不能存活的細菌。需氧細菌的生存需要有游離元素 (溶解的)氧。厭氧汙水池最常用於禽畜廢物處理。厭氧細菌每單位汙水池容積可分解或「消化」 比需氧細菌更多的有機化合物並主要用於集中的有機廢物的處理。因為厭氧消化不依賴於溶解的氧，汙水池可以更深並需要較少的表面積，因此能夠對更大量的廢物進行處理。然而，厭氧消化導致產生和散發有害氣體，主要是硫化氫、氨和中間有機酸。需氧汙水池通過由需氧細菌消化廢物來處理禽畜廢物。需氧汙水池的主要優點是禽畜廢物的需氧消化比厭氧消化可更完全地處理存在於流出物中的有機物。禽畜廢物的需氧消化還產生相對無氣味的最終產物。在需氧汙水池中，氧氣的擴散在整個汙水池表面發生，導致能使需氧細菌增殖的溶解氧濃度提高。因為需要提高溶解氧濃度，所以基於表面積而不是基於體積設計自然需氧汙水池。需氧汙水池的水深通常較淺，範圍為3-5英尺。因此，自然需氧汙水池需要大量的土地，即，是10英尺深的厭氧汙水池的高達25倍以上的表面積和10倍以上的體積。因此，自然需氧汙水池不現實，並且通常不用於禽畜廢物的處理。為了彌補表面積的不足，一些需氧汙水池通過機械充氣。兩級汙水池提供了一種將禽畜廢物的需氧消化和厭氧消化的優點結合起來的方法。在兩級汙水池中，引入的廢物首先進入第一級厭氧汙水池。來自第一級厭氧汙水池的溢流輸出到第二級需氧汙水池。這生成比單獨的厭氧消化具有更少的氣味和更少的有機固體的流出終產物。然而，兩級汙水池需要維護兩個分離的汙水池和其各自的細菌群落。而且，第一級厭氧汙水池還產生有害氣體。因此，需要一種同時使處理效率和處理的完成最大化的系統。還需要利用處理的副產物的系統。

發明內容
本發明的一個實施方式包括用於處理包含禽畜廢物的流出物的方法。該微氣體服務系統(micro gas attendant system)建立了廢物流出物的汙水池。該汙水池包括一組子部分或「層級(level) 」，每個層級根據存在於汙水池中的氧梯度具有獨特的溶解氧濃度。 該微氣體服務系統將來自汙水池的每個層級的流出物輸送到與所述汙水池層級具有相同溶解氧濃度的培養器的相應層級中。該培養器包含消化流出物中的有機化合物的一系列微生物，產生處理的流出物。該微氣體服務系統將流出物和微生物從培養器輸送到汙水池。本發明的另一個實施方式包括利用厭氧消化的副產物增殖藻類的方法。該微氣體服務系統將厭氧廢物從汙水池的厭氧層級輸送到包含中溫嗜熱菌和嗜熱菌的反應容器中。 該中溫嗜熱菌和嗜熱菌在該反應容器中對厭氧廢物進行厭氧消化。該微氣體服務系統將厭氧消化的氣體副產物收集在歧管中。該微氣體服務系統將氣體副產物從歧管輸送到包含藻類的生長管中。該藻類在生長管中增殖，消耗氣體副產物。該微氣體服務系統將藻類從該生長管輸送到汙水池的一個層級中，在該層級中，藻類通過進行光合反應對該層級的溶解氧濃度作出貢獻。本發明的另一個實施方式包括一種生成甲烷的方法。如上所述，該微氣體服務系統將厭氧消化的氣體副產物收集在歧管中。該微氣體服務系統將該氣體副產物輸送到過濾器。該微氣體服務系統過濾該氣體副產物以生成甲烷。


圖1是根據一種實施方式的微氣體服務系統的俯視圖。圖2是說明根據一種實施方式的光反應器的詳圖。圖3是說明根據一種實施方式的汙水池的詳圖。圖4是說明根據一種實施方式的培養器外殼的詳圖。圖5是說明根據本發明的一種實施方式，通過微氣體服務系統處理流出物的步驟的流程圖。圖6是說明根據本發明的一種實施方式，通過微氣體服務系統增殖藻類和/或生成甲烷的步驟的流程圖。
具體實施例方式圖1是微氣體服務系統100的俯視圖。微氣體服務系統100用來處理由大規模禽畜生產經營如集中動物飼養經營(CAFO)產生的禽畜廢物。在此所用的處理是指一種將物質處理以從中去除化合物和/或將其中的化合物轉化(例如將化合物化學轉化為其他化合物)以便減少最終物質中的該物質對環境的負面影響的過程。禽畜廢物可包括但不限於糞便、環境病原體、有機化合物和無機化合物。禽畜廢物的具體組成可取決於多種因素，包括 禽畜生產經營使用的飼料、禽畜生產經營使用的肥料、禽畜生產經營使用的抗生素、有機化合物如禽畜生產經營使用的激素和禽畜生產經營中存在的其他化合物如烴類和含硫化合物。微氣體服務系統100通過微生物和大生物的增殖對禽畜廢物進行處理，該微生物和大生物通過化學反應將禽畜廢物中的化合物處理或「消化」，在該反應中該化合物用作增殖細菌的底物。增殖的細菌促進或進行處理化合物的化學反應。如在此提到的微生物包括真核微生物、原核微生物和光合作用的真核微生物。處理有機化合物的大生物可包括藻類家族中的成員。微氣體服務系統100包括汙水池102。在此所指的汙水池102是用於容納一定量流出物的三維容器。在此所述的流出物是液體禽畜廢物和水的組合物。根據處理中的階段， 流出物中的有機化合物可以被部分地處理或完全地處理。在一種實施方式中，汙水池為946 英尺長、71英尺寬和18英尺深，其儲藏量為551000ft3 (立方英尺)。根據氧氣梯度將汙水池102分為壓敏的水平子部分或「層級」。在一個實施方式中，每個層級的壓強為每平方英寸0.4鎊(psia)。在所示的該實施方式中，汙水池102水平地分為7個水平的層級。該表面層級和在其下緊鄰的層級(分別為層級1和2、包含最高濃度的溶解氧並共同稱作「需氧層級」。在汙水池底部的層級(層級7)不含溶解氧並稱作 「厭氧層級」。在需氧層級(層級1和幻與厭氧層級(層級7)之間的層級共同稱作兼性層級(層級3、4、5和6)。這些層級具有與其距汙水池102表面的距離成反比的各自溶解氧濃度。在一特定實施方式中，一個或多個需氧層級具有5mg/L的最大調節氧濃度。汙水池102的各個層級上的流出物包括對於該層級獨特的氧濃度、化合物組成和生物體組成。在每個層級的不同氧濃度導致特定於該氧濃度的微生物和大生物的增殖。每個層級的微生物和大生物組成通過「消化」流出物中的化合物改變該層級的流出物組成。因此，在每個層級上處理的化合物種類根據在該層級的氧濃度下增殖的生物體種類而不同。 因每個層級的氧濃度不同而導致的這種處理上的不同稱作「層化(stratification)」。因為層化允許處理不同類型的化合物，流出物的處理比在均勻的氧濃度下進行處理的系統更徹底或「完全」。微氣體服務系統100接收未處理的流出物，在此將其稱作來自禽畜經營的「流入物」。在特定實施方式中，水來自衝洗系統。微氣體服務系統100接收的流入物的量可根據禽畜經營中的動物數量而改變。每天從每個動物接收的水量可為40-70加侖，每天從每個動物接收的固體廢物可為80-150磅，這取決於動物重量。微氣體服務系統100處理流入物以生成基本去除了所有對環境具有負面影響的化合物的液體流出物。微氣體服務系統100進一步處理流入物以輸出基本去除了所有對環境具有負面影響的化合物的液體流出物和固體生物質。從微氣體服務系統100輸出的液體流出物用於農業過程如灌溉。從微氣體服務系統100輸出的固體生物質用作奶製品經營中的無毒墊料以及用作農業過程中的肥料。評價流入物和流出物以確定在處理前、後和處理期間的不期望的化合物的量。評價流入物和流出物中不期望的化合物量的適合的方法記載在由美國公共衛生協會(APHA)、 美國給水工程協會(AffffA)和水環境聯盟(TOF)出版的第21版〃 Mandard Methods for theExamination of Water and Wastewater"中。如果流出物中不期望的化合物的量指示流出物被有效地處理，則微氣體服務系統100輸出該液體流出物。微氣體服務系統100包括培養器外殼104，外殼104包含一個或多個培養器120。 微氣體服務系統100利用培養器120以使用來自汙水池的流出物增殖特定類型的細菌。在培養器120中，流出物中的化合物被增殖的細菌進一步「消化」。根據該實施方式，不同的培養器120可用於增殖不同的細菌群、不同的細菌種或不同的細菌菌株。在一種實施方式中，不同的培養器120用於增殖不同的細菌群，其中所述細菌群基於它們所消化的化合物的類型。每個細菌群的增殖取決於它們所消化的化合物類型的濃度。因此，流出物中的高濃度化合物將引起消化該化合物的細菌類型的相應增殖。在一特定實施方式中，不同的培養器120用於增殖磷細菌、硝化細菌、硫細菌和烴降解細菌。在此所用的磷細菌指的是能夠溶解不溶性無機磷酸鹽，使得植物在生物上可以接受其作為肥料的細菌。無機磷酸鹽的溶解是由於這些生物體產生有機酸。還已知磷細菌產生有助於改善植物生長的胺基酸、維生素和生長促進物質如吲哚乙酸(IAA)和赤黴酸 (GA3)。在此所用的硫細菌是指硫還原細菌和硫酸鹽還原細菌。硫還原細菌包括幾個將元素硫還原為硫化氫的細菌群。它們將該反應與乙酸鹽、琥珀酸鹽或其他有機化合物的氧化結合起來。硫酸鹽還原細菌利用硫酸鹽作為氧化劑，將其還原為硫化物。大部分硫酸鹽還原細菌還可消化其他氧化的硫化合物如亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽或元素硫。這種化學反應類型稱為異化，因為硫未被引入-同化到任何有機化合物中。硫酸鹽還原細菌一般在厭氧環境發現。在此所用的硝化細菌是指將氨化合物氧化為亞硝酸鹽和/或將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的細菌。硝化細菌一般在需氧環境，如土壤中發現。在此所用的烴降解細菌是指具有催化烴類(如在環境中發現的油)裂解的能力的細菌。與汙水池102—樣，每個培養器120分為多個層級，其中每個層級具有對應該層級的不同氧濃度。在大多數實施方式中，汙水池102中的層級數和培養器120中的層級數相對應。分配器150和歧管160各自包括將汙水池中的層級與培養器中的相應層級連接的一組管120。每個培養器120通過歧管160接收來自汙水池110的流出物。每個培養器 120通過分配器150將流出物輸送回汙水池102。在如圖1所示的實施方式中，分配器150 和歧管160包括將汙水池110的7個層級連接到培養器120中的7個相應層級的7個管。 在一些實施方式中，分配器150還包括用於在安裝期間將汙水池底部的沉降物擾動或排出的額外的管。在一特定的實施方式中，分配器150和/或歧管160使用具有7個分配室(每個層級一個)的3英寸直徑不鏽鋼管套構成。管套僅在頂部連接到6英寸的鋼梁軌道並在底部受到引導。該管套可為了維護的目的而移開並且容易重新安裝而不需要除去支撐軌道。在基面水平上的小的混凝土墊錨固該軌道。可為每個管提供截止和截斷閥以及空氣旁路閥。 在堵塞或阻塞的情形下，可用壓縮空氣吹通單個管。分配器150和歧管160還可具有不同的流速。在一種實施方式中，分配器150中管的流速為0. 5到1加侖/分鐘(gpm)，歧管160中管的流速高達分配器的兩倍(即1到2 加侖/分鐘)。在一些實施方式中，分配器150包含空氣分散系統170。在這些實施方式中，利用噴射器175噴射空氣，以使連接汙水池的層級1與培養器的層級1的管中的細菌繼續生長。 在所述的實施方式中，空氣分散單元170懸掛在每個分配器150的層級2下。在一特定的實施方式中，每個空氣分散單元170包括裝配有微氣泡膜空氣擴散器的4英寸直徑的管接頭，該空氣擴散器直徑為20英寸並提供約5標準立方英尺/分鐘(scfm)的氧氣。在一些實施方式中，空氣分散單元170還可從頂部拆開用於維護。在所述的實施方式中，擴散器以半圓形排列。在一特定實施方式中，擴散器以3英尺直徑的半圓形排列。在所述的實施方式中，空氣分散單元170的每一個都與單獨的空氣供應器176連接。微氣體服務系統100還包括光反應器單元135，該反應器單元包括反應器140和一組藻類生長管130。反應器140增殖嗜熱和/或嗜溫細菌，該細菌通過與廢物中處理過的有機化合物的厭氧反應「消化」廢物。反應器140收集嗜熱和嗜溫細菌消化固體廢物釋放的溫室氣體(例如CO2、甲烷和一氧化二氮)並將溫室氣體輸送到藻類生長管130。藻類生長管130增殖消耗溫室氣體的藻類。反應器140和藻類生長管130如圖4詳細描述。圖2說明包括反應器140和一組藻類生長管130的光反應器單元135。反應器 140進行廢物的厭氧消化。厭氧消化過程開始於輸入材料的細菌分解以分解不可溶解的有機聚合物如碳水化合物並使其可被其他細菌利用。然後產酸細菌將糖和胺基酸轉化為二氧化碳、氫氣、氨和有機酸。然後產酸細菌將得到的有機酸轉化為乙酸以及另外的氨、氫氣和二氧化碳。產甲烷細菌將這些產物轉化為甲烷和二氧化碳。用於在反應器140中增殖的適合的產酸、產乙酸和產甲烷細菌列於附件A中。可從美國典型培養物保藏中心(ATCC， BiologicalResource Center of Manassas, VA)買到的產酸、產乙酸和產甲燒細菌與其 ATCC編號一起列於附件A中。根據該實施方式，產酸、產乙酸和產甲烷細菌可以是嗜熱細菌、嗜溫細菌或其任何組合。在此所指的嗜熱細菌是在高溫(45到80°C之間)活躍生長的細菌。在此所指的嗜溫細菌是在中高溫(15到40°C之間)活躍生長的細菌。根據該實施方式，反應器140可分別在不同反應器140中或在具有溫度梯度的同一反應器140中增殖嗜熱和/或嗜溫細菌。反應器140接收來自汙水池110的厭氧層級的厭氧廢物。在所述的實施方式中，反應器140接收來自汙水池的層級7的厭氧廢物。在一種實施方式中，接收的厭氧廢物是包含20%到30%懸浮固體物的流出物。在一些實施方式中，反應器140包括用於儲存消化前的厭氧廢物的容納罐210。在一特定實施方式中，容納罐210的容量為100加侖GOO升)。 在一些實施方式中，容納罐210包括用於保持固體物在流出物中懸浮的攪拌器。反應器140還包括嗜熱和/或嗜溫細菌對廢物進行厭氧消化的反應容器220。反應容器220接收來自容納罐的厭氧廢物。反應容器220接收來自容納罐的厭氧廢物的速率是基於在反應容器220中厭氧消化廢物產生溫室氣體的速率。在所述的實施方式中，反應容器220利用泵225接收來自容納罐210的厭氧廢物。在一特定的實施方式中，反應容器 220通過重力流接收來自容納罐210的厭氧廢物。加熱反應容器220以優化用於厭氧消化的嗜熱和/或嗜溫細菌的增殖。根據該實施方式，溫度可為97-145華氏度。在一特定的實施方式中，溫度為99華氏度。在一種實施方式中，反應容器220是具有受加熱底部的封閉的傾斜容器。在該實施方式中，熱層(例如蒸汽層或熱水層)對反應容器220底部加熱。泵2 位於傾斜面的底部以收集厭氧消化的固體產物218，在此稱為「軟泥(sludge)」，並將軟泥218泵送到汙水池的厭氧層級。在大多數實施方式中，反應容器220是空氣密封的鋼製容器，具有調節壓強、溫度和層級的控制器，以及分析反應容器220中產生的氣體的控制器。根據該實施方式，反應容器220的尺寸可根據厭氧消化需要的時間和表面積進行變化。反應容器220與將來自反應容器220的厭氧消化副產物氣體輸送到藻類生長管130的氣體分配歧管230連接。該氣體分配歧管230儲存通過防爆鼓風機275收集在反應容器220中的氣體。在大多數實施方式中，氣體分配歧管230在輕微的正壓下(例如12psi) 以克服藻類生長管130中的水柱。氣體分配歧管230包括用於調節流向每個藻類生長管 130的適合藻類生長的氣體流量的流量控制閥。該氣體分配歧管230還包括安全裝置如減壓閥和防爆片。在替代的實施方式中，氣體分配歧管230將來自反應容器220的溫室氣體輸送到甲烷精煉器。甲烷精煉器包括用於從氣體副產物中去除硫化氫的活性炭過濾器。甲烷精煉器還包括反應室，其中將氣體副產物加壓至每立方英寸約600磅並通過水以去除二氧化碳和碳酸。一旦去除了硫化氫、二氧化碳和碳酸，氣體副產物主要由甲烷構成。藻類生長管230是用於增殖藻類的圓柱形容器。在此所用的藻類，可以是指任何類型的藻類，包括原核藻類(藍-綠細菌)和真核藻類。適合用於在藻類生長管230中增殖的藻類列於附件A中。可從ATCC和Carolina Biological Supply Company of Burlington, NorthCarolina買到的藻類與其編號一起列於附件G中。根據該實施方式，藻類生長管130可以是透明的，以向藻類提供用於光合作用的光，和/或藻類生長管130可以是黑色的，以促使藻類利用能量代謝途徑而不是光合作用。 在大多數實施方式中，該組藻類生長管130包括透明的藻類生長管和不透過輻射的或「黑色」的藻類生長管。在一特定實施方式中，該組藻類生長管130包括3個透明的藻類生長管和2個黑色藻類生長管。該藻類生長管130通常由塑料如丙烯酸或聚氨酯製成。根據該實施方式，該藻類生長管可為5-17英尺高。在一特定實施方式中，藻類生長管是10英尺高。最初，藻類生長管130用來自汙水池120的需氧層級的複合水203和原料藻類填充以引發藻類增殖。在大多數實施方式中，藻類生長管130每日用來自汙水池102的需氧層級的新鮮複合水203填充。藻類生長管130接收來自氣體分配歧管230的氣體。藻類生長管130接收來自氣體分配歧管230的氣體的速率取決於藻類對氣體的消耗。在一些實施方式中，藻類生長管130包含用於確保水不進入氣體歧管的止回閥。加熱藻類生長管130以優化藻類的增殖。在一特定實施方式中，加熱每個藻類生長管130以維持溫度為約77華氏度。向透明的藻類生長管130提供日光或人造光以促進藻類增殖和溫室氣體消耗。在大多數實施方式中，透明藻類生長管130每天接收最少10小時的日光。在一特定實施方式中，用高壓鈉光(例如約相當於日光的每平方英尺50瓦)向透明藻類生長管130提供人造光。在一些實施方式中，補充的紫外光單元205用於向藻類生長管130提供人造光。定期使藻類生長管130中的過量生長藻類214減少一定的量，以允許藻類的連續增殖。然後將過量的藻類214縮減後泵送回汙水池120。在一特定實施方式中，藻類生長管 130中的藻類量每M小時減少50 %。在一些實施方式中，過量藻類214可以被減少以在藻類生長管130中維持恆定的溫度(例如在藻類生長管中維持77華氏度的溫度)。在一種實施方式中，藻類生長管130包含用於將聚集的過量藻類214切碎為易處理尺寸的高速切碎機以易於縮減。在一特定實施方式中，使用隔膜泵295將過量藻類214泵送到汙水池的需氧層級。圖3是說明根據一種實施方式的汙水池102的詳圖。如上所述，分配器60用來將來自培養器120的微生物和流出物輸送到汙水池102。歧管150用來將來自汙水池102的流出物輸送到培養器120。將過量藻類214從藻類生長管130輸送到汙水池102的需氧層級。在所示的該實施方式中，汙水池102包括7個層級，微氣體服務系統100將過量藻類 214輸送到緊接汙水池102的表面層級之下的層級(層級2、。微氣體服務系統100將軟泥 218輸送到汙水池102的厭氧層級(層級7)。微氣體服務系統100將來自汙水池102的厭氧層級的厭氧廢物輸送到反應器140。 在所示的該實施方式中，潛水泵300用於將厭氧廢物從汙水池102泵送到反應器140。在一特定實施方式中，潛水泵300是具有45加侖/分鐘(gpm)處理能力的潛水研磨泵。潛水泵300懸掛在橫跨汙水池的可移動浮塊(barge) 320下面的單軌下。潛水泵300通過線纜系統以每分鐘約1英尺的慢速度橫跨汙水池移動。浮塊320沿著橫跨汙水池102的管架結構的軌道移動，並安裝在兩端的輪子上。浮塊320可利用GPS裝置遠程地在端分配器之間向汙水池上下重新定位。圖4是說明根據一種實施方式的培養器外殼104的詳圖。在圖4中，為了便於說明，顯示具有一個培養器120的培養器外殼。在大多數實施方式中，培養器外殼包括多個培
養器120ο培養器外殼104是溫度控制的、絕熱的、包括一個或多個培養器120的外殼。在一種實施方式中，培養器外殼104用鋼柱、橫梁和絕熱夾層板構成。培養器外殼104容納培養器120、管、泵、微生物進料鬥140和與培養器120相關聯的控制儀器。在一種實施方式中， 2噸HVAC單元設計為維持77華氏度的溫度並為培養器外殼104提供適當的通風。在一些實施方式中，水源加熱泵和地熱系統用於從地下提取熱，以向培養器外殼104提供加熱或空調。根據該實施方式，分離的外殼可用於容納不需要絕熱、加熱和空調的設備如壓縮機單元 420。在大多數實施方式中，多個培養器120將用於增殖微生物的不同類型、種或株。這些「寬譜」微生物儲存在微生物進料鬥410中並利用連續進料器向培養器 120進料。用於在培養器120中增殖的適合的硫細菌、硝化細菌、磷細菌、烴減少細菌 (hydrocarbon-reducingbacteria)和其他細菌分別列於附件B、附件C、附件D、附件E和附件F。可從美國典型培養物保藏中心(ATCC，Biological ResourceCenter)買到的細菌與其ATCC編號一起列於附件中。除了進料到培養器中進行增殖的特定類型、種或株的微生物以夕卜，已經存在於流出物中的其他微生物可在汙水池102和/或培養器104中增殖。根據該實施方式，從微生物進料鬥410進料到培養器120的微生物可以是液體微生物、乾燥固體微生物或其任意組合。在大多數實施方式中，通過來自培養器外殼104頂部的噴嘴用液體微生物和/或乾燥固體微生物填充微生物進料鬥410。通過進料系統向每個培養器120進料微生物。根據該實施方式，微生物可通過溼進料系統或幹進料系統進料到培養器120。溼進料系統和幹進料系統以限於維持培養器 120中微生物的特定濃度(例如，50ppm)的流速向培養器120進料。在一種實施方式中，幹進料系統是具有恆定流速的可調節失重進料系統，類似於人們在藥學實踐中使用的系統。在一特定實施方式中，使用幹進料系統，其具有容量為5立方英尺乾燥固體微生物的微生物進料鬥410。利用幹進料系統向培養器進料乾燥固體微生物的流速為每天0. 25立方英尺。在一種實施方式中，溼進料系統是管和閥系統，其利用重力以一定的速率將液體微生物排放到培養器120。在一特定實施方式中，使用溼進料系統，其具有容量為約35加侖液體微生物的微生物進料鬥410。利用溼進料系統將液體微生物進料到培養器120的速率是每天1. 8加侖。將培養器120控制在恆定的溫度(例如77華氏度)，平衡pH，並裝配空氣分散裝置。在一些實施方式中，需要加熱層以將培養器維持在恆定的溫度。將培養器與設計為向流出物補充新鮮水的新鮮水補充系統連接以將培養器層級維持在恆定的層級。培養器120的高度等於汙水池102的深度，以將相應的汙水池102的層級和培養器120維持在相同的壓差。將培養器120中的流出物層級維持在與汙水池中流出物的層級同樣的高度，以消除可能減緩微生物的增殖的壓差。在一種實施方式中，培養器120為1-6 英尺直徑和16英尺高。根據該實施方式，培養器120可由不鏽鋼、玻璃纖維、塑料或其任意組合構成。培養器包含空氣分散單元420。空氣分散單元420包含多個(例如4個)微氣泡膜空氣分散器。在一特定實施方式中，每個分散器是9英寸直徑以及提供約10標準立方英尺/分鐘(scfm)的氧氣流速。在所述的該實施方式中，每個空氣分散單元420位於培養器 140的第二層級的底部。空氣分散單元接收來自歧管150和分配器160中隔膜泵的空氣。在每個層級，培養器120配備有攪拌器450，攪拌器450攪拌每個層級中的流出物， 以促進微生物的增殖。攪拌器450包括一組攪拌槳，攪拌槳設計為攪拌培養器120中的流出物，同時限制向上或向下的輸送。攪拌器450以1轉/分鐘(rpm)的低速運行。根據培養器的該層級，攪拌器450可具有不同數量的攪拌槳以增速攪拌。在一特定實施方式中，在厭氧層級(層級7)的攪拌器450具有2個攪拌槳；層級6的攪拌器具有6個攪拌槳；兼性層級的攪拌器450具有18個攪拌槳。根據該實施方式，攪拌槳的寬度可根據具有增加的寬度的層級進行變化，該增加的寬度提供層級中增加的增殖。如上所述，每個培養器120通過歧管150接收以預定流速來自汙水池102的流出物，該歧管包括一組將汙水池102的相應層級與培養器120的相應層級連接的進口管。通過分配器160以預定流速將流出物從培養器120輸送到汙水池102，該分配器160包括一組將培養器的相應層級與汙水池102的相應層級連接的出口管。該歧管150和分配器160還包括用於從汙水池102的層級提取流出物以及將包含在培養器中增殖的微生物的流出物泵送回汙水池102的相應層級的泵470。在該實施方式中，示出的歧管和分配器包括隔膜泵 470。通過提供用於泵470運行的中等壓強G0-60psi)的壓縮機單元420向泵470提供動力。在大多數實施方式中，壓縮機單元420位於培養器外殼102的外部並在沒有溫度控制的分離的外殼中。在一種實施方式中，利用空氣壓縮機420通過空氣向泵系統提供動力。 在一特定實施方式中，空氣壓縮機420是包括溼和幹空氣接收器、不加熱再生空氣乾燥器、 微粒和聚結過濾器和流量控制閥的旋轉螺杆式壓縮機。需要空氣乾燥器將用於隔膜泵470 運行的空氣完全乾燥。在一些實施方式中，空氣乾燥器還通過例如將出口空氣溫度維持在 77華氏度來控制出口空氣溫度。在所述的實施方式中，將從隔膜泵470排出的氣體輸送到培養器140中的空氣分散單元420。低壓(例如小於IOpsi)再生鼓風機向汙水池分配器的空氣分散單元530提供低壓加壓空氣。在該實施方式中，中間壓縮空氣還用於吹向分配器 160和/或歧管150。在一些實施方式中，聚結過濾器用於消除來自壓縮機單元420的油和灰塵，以確保用於微生物增殖的空氣潔淨。歧管150中入口泵470的數目和分配器160中出口泵470的數目可根據該實施方式變化。在一種實施方式中，在歧管150中有14個入口泵470以及在分配器150中有28 個出口泵470。在大多數實施方式中，在歧管150中的入口泵470具有約20英尺水柱的負壓頭以及每分鐘處理1到2加侖的流速。在大多數實施方式中，分配器160中的出口泵470 沒有靜壓頭，而主要用於流量控制，每個出口泵470具有每分鐘約0. 5到1加侖的流速。入口和出口泵470設置成組，標記，並抵靠培養器外殼104的端壁安裝在易於維護的高度。一組入口和出口噴嘴將培養器140與歧管150中的入口管和分配器160中的出口管連接。入口和出口噴嘴裝配有截止閥、溫度監控器和PH監控器。在一種實施方式中，每個層級的入口和出口管捆在一起，以維持均勻的溫度。在一特定實施方式中，入口和出口管是高密度聚丙烯管。設置管系統，以便通往和來自兩個培養器的管道，一個位於外殼的一端， 而另兩個位於相對端。管道設置在從培養器外殼到汙水池的兩個線纜槽中(覆蓋和任選絕緣)。出口管捆在一起並且橫跨汙水池漂浮在頂部層級上(即端之間)。漂浮的管錨固在該單元上，該漂浮在汙水池溫度與培養器溫度之間提供漸進的熱轉移，以避免生長休克。分配器160包括用於空氣分配的鋼管和管道。在一種實施方式中，對於每個泵470 有2個空氣入口和排放收集頭，有4個通往培養器120的分配空氣管線。溫度、pH和流速儀和控制器位於培養器120的入口和出口處。分配器160的層級1的出口管具有噴射器175， 以添加空氣以維持輸送期間的生長。圖5是說明由微氣體服務系統100進行的處理生物廢物的步驟的流程圖。其他實施方式可以不同的順序進行所述步驟，和/或進行不同的步驟或附加的步驟。微氣體服務系統100建立包含流出物的汙水池(步驟510)，並且將流出物從汙水池102輸送到培養器140 (步驟512)。微氣體服務系統100響應於在培養器140中增殖微生物產生處理過的流出物(步驟514)，該微生物利用流出物中的化合物作為生長的底物， 從而使轉化有機化合物的化學反應能夠進行。微氣體服務系統100將來自培養器140的流出物和微生物輸送到汙水池102 (步驟516)。微氣體服務系統100響應於在汙水池102中增殖微生物在汙水池102中產生處理過的流出物(步驟514)，該微生物利用流出物中的化合物作為化學反應的底物。該過程重複直到流出物中的所有化合物都被處理。圖6是說明由微氣體服務系統100進行的增殖藻類並產生甲烷的步驟的流程圖。 其他實施方式可以不同的順序進行所述的步驟，和/或進行不同的或額外的步驟。微氣體服務系統100將來自汙水池102的厭氧廢物212輸送到反應器140 (步驟610)。微氣體服務系統100響應於增殖可消化厭氧廢物212的厭氧細菌產生氣體和軟泥218 (步驟612)。微氣體服務系統100將氣體輸送到藻類生長管130和/或精煉器(步驟614)。微氣體服務系統100增殖消耗氣體的藻類，並在藻類生長管130中產生氧(步驟 616)。微氣體服務系統100將來自藻類生長管130的過量的藻類輸送到汙水池102 (步驟 618)，也將氣體輸送到精煉器(步驟522)。微氣體服務系統100通過從輸送的氣體中去除硫化氫、二氧化碳和碳酸來產生甲烷(步驟524)。微氣體服務系統100將厭氧消化產生的軟泥218輸送到汙水池102的厭氧層級。附件A厭氧細菌
權利要求
1.一種處理禽畜廢物的方法，包括建立流出物的汙水池，其包括一組在汙水池的不同層級上的子部分，所述層級與相應的一組溶解氧濃度有關，汙水池的每個子部分具有不同的溶解氧濃度；建立培養器，該培養器包括一組與所述一組溶解氧濃度有關的子部分，培養器的每個子部分具有不同的溶解氧濃度；將來自所述汙水池每個子部分的一定量的流出物輸送到與所述汙水池的所述子部分具有基本相似的溶解氧濃度的培養器的相應子部分；和響應於增殖第一微生物，在培養器的所述相應子部分中產生第一處理量的流出物，所述微生物利用所述量的流出物中的第一化合物作為生長底物，所述第一微生物使改變第一化合物的第一化學反應能夠進行。
2.權利要求1的方法，還包括將來自所述培養器的所述相應子部分的所述第一處理量的流出物和所述第一微生物輸送到與所述培養器的所述相應子部分具有基本相似的溶解氧濃度的所述汙水池的相應子部分；以及響應於增殖所述第一微生物，在所述汙水池的所述相應子部分中產生第二處理量的流出物。
3.權利要求1的方法，還包括將來自所述培養器的所述相應子部分的所述第一處理量的流出物和所述第一微生物輸送到與所述培養器的所述相應子部分具有基本相似的溶解氧濃度的所述汙水池的相應子部分；以及響應於增殖第二微生物，在所述汙水池的所述相應子部分中產生第二處理量的流出物，所述第二微生物利用所述第一處理量的流出物中的第二化合物作為生長的底物，所述第二微生物使改變所述第二化合物的第二化學反應能夠進行。
4.權利要求1的方法，其中，所述第一微生物是磷細菌以及所述第一化合物包含磷酸
5.權利要求1的方法，其中，所述第一微生物是硝化細菌以及所述第一化合物包含氮。
6.權利要求1的方法，其中，所述第一微生物是硫細菌以及所述第一化合物包含硫。
7.權利要求1的方法，其中，所述第一微生物是烴減少細菌，並且所述第一化合物包含烴。
8.權利要求1的方法，其中，所述一組溶解氧濃度包括相應於0-5mg/L的濃度梯度的濃度。
9.權利要求8的方法，還包括將來自與基本為零的溶解氧濃度有關的所述汙水池的子部分的一定量的流出物輸送到反應器；以及響應於增殖第二微生物，在所述反應器中產生第二處理量的流出物，所述微生物利用所述量的流出物中的第二化合物作為生長的底物，所述第二微生物使改變所述第二化合物的第二化學反應能夠進行。
10.權利要求8的方法，其中，所述第二微生物是嗜熱細菌。
11.權利要求9的方法，其中，改變所述第二化合物的所述第二化學反應產生氣體副產物，所述方法進一步包括將所述氣體副產物輸送到生長管；在所述生長管中增殖將所述氣體副產物轉化為氧氣的藻類。
12.權利要求11的方法，還包括將來自所述生長管的所述藻類輸送到所述汙水池的子部分；以及響應於在所述汙水池的所述子部分中增殖所述海藻，在所述汙水池的所述子部分中產生增加的溶解氧濃度。
13.權利要求8的方法，其中，改變所述第二化合物的所述第二化學反應生成氣體副產物，所述方法進一步包括將所述氣體副產物輸送到精煉器區；以及在精煉器區過濾所述氣體副產物以生成甲烷。
14.權利要求8的方法，還包括響應於對所述汙水池的所述子部分機械通氣，在所述汙水池的子部分中產生增加的溶解氧濃度。
15.權利要求8的方法，還包括響應於對所述培養器的所述子部分機械通氣，在所述培養器的子部分中產生增加的溶解氧濃度。
16.權利要求1的方法，其中，增殖所述培養器的所述相應子部分中的所述第一微生物包括攪拌所述量的流出物，使得所述培養器的所述相應子部分中所述量的流出物的分散最大化，並且所述培養器的所述子部分組之間所述量的流出物的輸送最小化。
全文摘要
建立流出物的汙水池，其包括所述汙水池中不同層級上的一組子部分，所述不同層級與相應的一組溶解氧濃度有關，所述汙水池的每個子部分具有不同的溶解氧濃度。建立包括與所述一組溶解氧濃度有關的一組子部分的培養器，所述培養器的每個子部分具有不同的溶解氧濃度。將來自所述汙水池的每個子部分的一定量的流出物輸送到具有與所述汙水池的所述子部分基本相同的溶解氧濃度的所述培養器的相應子部分。響應於增殖第一微生物，在所述培養器的所述相應子部分中產生第一處理量的流出物，所述第一微生物利用所述量的流出物中的第一化合物作為生長的底物，所述第一微生物使改變所述第一化合物的第一化學反應能夠進行。
文檔編號C02F11/02GK102216228SQ200980146345
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月25日 優先權日2008年10月9日
發明者M·特裡 申請人:威杜爾技術公司