应用光合作用微生物处理废物流的方法 本发明涉及废物的净化系统，更具体地说，涉及农业废物和牲畜废物的净化系统，该系统在光生物反应器中利用光合作用微生物来生物降解和除去有机物和无机物。
在过去数十年中，人口成指数增加伴随对牛、家禽、鱼和其它牲畜和农产品需要的增加。然而，对农产品和牲畜产品需要的增加必然导致农业废物和牲畜废物量的增大。此外，工业养殖(其中，在小地区集中养殖牲畜以增大生长效率)的增长已导致局部区域极高浓度的废物，它大大加重了污染问题。结合考虑日益增长的人口造成的城市垃圾，大量废物的处理呈现严重的问题。例如，在日本，大约每年排放约七百万吨农业废物和三百万吨动物废物。美国和欧洲遭遇同样高地排放量。参见例如，“美国的动物废物污染：一个暴露的国家问题；牲畜&家禽生产的环境危害”，参议院关于农业、营养&林业的会议(1997年12月)，它讨论了在美国关于动物废物的健康、环境和经济问题。所以，农业和牲畜增长的水平引起关注污染问题的迫切要求。
已知可用数种方法应用光合生物处理由牲畜产生的“高浓度”废物。例如，美国专利No.3,955,318公开了一种应用单细胞藻处理污水或罐头厂废水的系统。该系统应用藻/需氧细菌聚生体来处理废物。但是，含较高含量的总有机碳(TOC)和生物耗氧量(BOD)的高浓度农业废物不能用这种方法处理，这是因为藻类的培养条件窄。
美国专利No.4,267,038公开了一种系统，其中，在厌氧消化槽装置中处理废水而减少有机废物，接着用藻培养物处理。但是，厌氧消化处理步骤通常不能从废物流除去足够多的污染物，从而导致藻培养物的缓慢生长或死亡。
美国专利No.4,348,285和No.4,432,869公开了处理液态农业废物的方法，该方法应用(1)利用藻类和细菌培养物的组合进行的处理，接着(2)应用轮形动物培养物来消耗藻/细菌进行处理。但是，与细菌相比，大部分藻类对原始高浓度废物的耐性更低。结果，藻类暴露于原始高浓度农业废物通常导致藻类的死亡。因此，此方法因使用过程中藻类培养物的损耗而效率低。
美国专利No.5,795,480公开了一种处理废物的方法，它在第一步骤应用异养菌，然后应用固定化光合作用细菌处理流出物，最后用光合作用细菌和异养菌与活性污泥处理流出物。但是，这种方法没有利用藻类。
因此，本领域需要一种处理农业废物和牲畜废物的有效、低成本方法，该方法利用光合作用生物，优选产生工业上有价值的副产品。相信本发明正符合这个需要。
一方面，本发明涉及一种处理含有机废物和无机废物的废物流的方法，它包括如下步骤：(a)使含有机废物和无机废物的废物流与第一批含一种或多种光合作用原核生物的微生物混合物在控制的工艺操作条件下、在光的存在下、在至少一个第一反应器中接触，该第一反应器与至少一个第一光生物反应器有流体连通，其中，第一部分废物被第一批微生物混合物同化而产生包含第一批微生物混合物和第二部分废物的部分净化的废物流；(b)从部分净化的废物流脱除第一批微生物混合物而产生分离的第一批微生物混合物和包含第二部分有机废物的部分净化的流出物流；(c)将部分净化的流出物流从至少一个第一反应器转移到至少一个第二反应器中；(d)使部分净化的流出物流与第二批含藻类的微生物混合物在控制的工艺操作条件下、在光的存在下、在至少一个第二反应器中接触，该第二反应器与至少一个第二光生物反应器有流体连通，其中，第二部分有机废物基本上全部被第二批微生物混合物同化而产生包含第二批微生物混合物和基本净化的流出物的基本净化的废物流；以及(e)从基本净化的废物流脱除第二批微生物混合物而产生分离的第二批微生物混合物和基本净化的流出物流。
另一方面，本发明涉及一种处理含有机废物和无机废物的废物流的方法，它包括如下步骤：(a)使含有机废物和无机废物的废物流与第一批含一种或多种光合作用原核生物的微生物混合物在控制的工艺操作条件下、在光的存在下、在至少一个第一光生物反应器中接触，其中，第一部分废物被第一批微生物混合物同化而产生包含第一批微生物混合物和第二部分废物的部分净化的废物流；(b)从部分净化的废物流脱除第一批微生物混合物而产生分离的第一批微生物混合物和包含第二部分有机废物的部分净化的流出物流；(c)将部分净化的流出物流从至少一个第一光生物反应器转移到至少一个第二光生物反应器中；(d)使部分净化的流出物流与第二批含藻类的微生物混合物在控制的工艺操作条件下、在光的存在下、在至少一个第二光生物反应器中接触，其中，第二部分有机废物基本上全部被第二批微生物混合物同化而产生包含第二批微生物混合物和基本净化的流出物的基本净化的废物流；以及(e)从基本净化的废物流脱除第二批微生物混合物而产生分离的第二批微生物混合物和基本净化的流出物流。
本发明方法中利用的光生物反应器优选包括：一个直立的、向上开口的结构(例如槽)，一条绕芯结构螺旋形缠绕的基本透明的管或数条从总管平行延伸的管，其中，管的外部和内部暴露于光中；以及促使光线在管与芯结构之间的接触区透入管的装置。在某些条件下，即，自然的环境光线强度低(例如高纬度或冬季)，本发明添加光生物反应器能增大光合作用微生物可利用的光量，从而导致从废物流摄取废物的改善。
通过阅读如下对本发明的详细描述将明白这些和其它方面。
从结合附图的下列描述将更充分地理解本发明。
图1是一个本发明方法的示意图；
图2是本发明的一个备选实施方案的示意图；
图3是本发明的另一个备选实施方案的示意图；
图4是定性示出了可从本发明方法达到的废液净化程度的彩色照片；
图5是本发明方法的一个备选实施方案(它包括光生物反应器)的示意图；以及
图6是本发明方法的另一个备选实施方案(包括更高光效率的光生物反应器)的示意图。
现在意外地发现了，按本发明的方法，对有效地处理废物流的问题提供了一个解决方法，所述废物流含下列物质：高浓度的总有机碳(TOC)，生化需氧量(BOD)，氮(N)(包括氨NH3)，磷(P，包括磷酸盐、多磷酸盐、有机磷酸酯等)，以及其它有机和无机物质。本发明人通过开发一个多级处理和净化系统而解决了这个问题，本系统在最大程度地同化废物流中的有机物和无机物的条件下应用了(1)光合作用原核生物，接着应用(2)藻类，同时使水质最佳。废物流中的有机物和无机物被利用作生物的营养源，而在光存在下摄取有机物和无机物导致生物的生长。本发明的一个主要优点在于，生长的生物具有高水平的粗蛋白质、粗脂肪和氨基酸，所以适用作商用农产品。生长的生物可被收获、加工和用作动物饲料添加物、肥料、燃料或其它有用的有机产品，而净化的排放水可用于作物灌溉或其它应用。由于本发明方法的产品可商用，不需将它们焚化或堆肥化处理，于是节省了通过很多常规废物处理方法产生的标准废物处理污泥的处理费用。
此外，本发明的方法与传统废物处理系统不同之处在于，传统的系统被设计为使水质最佳和使产生的污泥最少。本发明的方法使水质最佳而且由于生物量是有用的资源，使生物量最大程度地生长。有益的是，这样导致能消除大浓度的废物而产生甚至更高百分含量的营养生物量“收获物：因此，本发明提供了消除农业源的废品的有效方法，同时生产商业上有价值的有机产品。
本发明利用藻类菌株和紫色无硫细菌聚生体，它们通常是天然存在的，但一般不是原动物废物流所固有的。本发明的方法便利这样的条件，即，引起这些生物的高生长速度和连续保持该水平。这些条件能使藻类和细菌有效地处理比通过常规城市废物处理系统处理的典型的城市废物流浓100倍以上的废物流。
本发明的方法很有效地从农业废物、牲畜废物或城市废物中除去有机和无机污染物。如下文更详细描述的那样，应用本发明的方法可实现大于98％的脱除(捕集)效率，即，除去常规水污染物[例如，五天生化需氧量(BOD5)、TOC、氨-氮(NH3-N)、总的磷(包括磷酸盐、多磷酸盐、有机磷酸酯、酸解磷等)和总的悬浮固体]，具有生产商业上有价值的副产品这一另外的益处。该优点使本发明的方法很有用，特别是大规模应用(例如养猪场、养牛场、家禽养殖场等)。
本文定义的“光合作用原核生物”表示这样的单细胞生物：它们缺乏细胞质内含物(例如核膜、高尔基体、线粒体、内质网等)而且利用光产生至少一部分生存所需的能量。光合作用原核生物的实例包括但不限于：光合作用和/或兼性细菌(例如紫色无硫细菌)和蓝细菌(蓝绿藻(blue-green algae))。术语“藻”在本文被定义为包括绿藻(greenalgae)、裸藻(euglenophytes)、长短鞭毛藻(heterokon tophytes)、红藻(redalgae)和蓝细菌(蓝绿藻)。术语“同化的”表示有机物和/或无机物被生物摄取和生物转化。术语“生物量”表示产生的物质，例如光合作用细菌或藻物质。术语“部分净化的废物流”被定义为这样的废物流，即，包含大约200～500mg/L总有机碳(TOC)、200～500mg/L生物耗氧量(BOD)、50～500mg/L氨-氮(NH3-N)和10～100mg/L总的磷。术语“基本净化的流出物流”被定义为这样的废物流，即，包含大约10～85mg/L TOC、5～50mg/L BOD、10～50mg/L NH3-N和10～50mg/L总的磷。本文定义“光生物反应器”表示这样的高生产率装置：使一种或多种微生物的混合物暴露于不同的、预定量的光线中，以致微生物最佳化地产生大量生物量，同时除去废物流中的有机废物和/或无机废物。术语“反应器”表示任何容器，例如槽、池或能在本文描述的工艺操作条件内起光生物反应器作用的其它容器。因此，本领域技术人员应懂得，本文定义的术语“反应器”包括上述光生物反应器。
图1示出了本发明的一个示意图。如图1所示，本发明大致包括两个处理阶段2和4。第一个处理阶段2大体包括：第一阶段生长反应槽6，它盛有微生物、优选是一种或多种光合作用和/或兼性细菌(例如紫色无硫细菌)的悬浮液，以及第一阶段沉降槽8。第二个处理阶段4大体包括：第二阶段生长反应槽10，它盛有第二批微生物、优选是光合作用绿藻的悬浮液，以及第二阶段沉降槽12。
按本发明的方法，将废物14引入第一阶段生长反应槽6，通过两个处理阶段2和4的处理，产生基本净化的流出物5。随着废物的处理，微生物的悬浮液同化废物中的有机和无机组分作为生长的营养物。然后分离产生的生物而用作有价值的商业饲料、肥料等(如下文更详细的描述)。
现在更详细参照第一个处理阶段2，通过泵、重力或其它常规方法将包含原始未处理废物料的废物流14连续地或相继地引入第一阶段生长反应槽6。应懂得，在本发明的方法中可利用一个以上第一阶段生长反应槽，而且，生长反应槽可以适当地是槽、敞口池、池塘或其它容器。可以在生长反应槽上加盖以防槽内含物的蒸发和/或污染。原始废物料可来自任意源，优选含有机物和无机物，它们包括但不限于：高浓度的总有机碳(TOC)、生化需氧量(BOD)、氨-氮(NH3-N)和总的磷(P)。优选地，废物流14中的原始有机废物和无机废物包含：2,000～80,000mg/L BOD、1,000～40,000mg/L TOC、200～6,000mg/L NH3-N和20～1,200mg/L总的磷。废物流14的来源包括：农业源，牲畜(例如，猪、家禽、牛、马、羊等)，食品加工废物，城市废物，饮料废物，屠宰场熬油废水等。特别优选的原始废物来源是包括家禽、牛、猪及其组合在内的牲畜来源。本发明方法中废物流14的处理容量一般不限，不过，典型的容量在5,000加仑废物/天～大于1百万加仑废物/天的范围内。
如前所述，第一阶段生长反应槽6盛有无氧和/或厌氧环境中的一种或多种微生物的悬浮液。优选地，这些光合作用原核生物是紫色无硫光合作用细菌的聚生体。按本发明的方法，第一个处理阶段2中适用的紫色无硫光合作用细菌包括下列属的细菌：红螺菌属(Rhodospirillum)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、红细菌属(Phodobacter)、着色菌属(Chromatium)、荚硫菌属(Thiocapsia)和红长命菌属(Rubrivivax)。特别适用的紫色无硫细菌包括但不限于：黄褐红螺菌(Rhodospirillumfulvum)、深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum)、血色红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、类球红细菌(Rhodobactersphaeroides)、酒色着色菌(Chromatium vinosum)和胶状红长命菌(Rubrivivax gelatinosus)。另外的非光合作用厌氧细菌也可包含于混合物中。按本发明的方法，紫色无硫光合作用细菌可单独使用，或者以两种、三种、四种或更多种的适当组合使用。
在进行本发明的方法之前，用预定量的第一批微生物混合物作为“起子”培养物接种第一阶段生长反应槽6。应用的起子培养物的量是如下因素的函数：反应器中预期的稳态混合的液体悬浮的固体(MLSS)浓度，反应器的尺寸和能通过反应器同化的最大食物比微生物比率(F/M)。通常，起子培养物可从冻干的储备液获得，或者应用相同的生物和条件从另一个生长反应槽获得。
优选地，起子培养物已“顺应”第一阶段生长反应槽6中的预期废物。通常，该方法要求将选定的微生物聚生体(例如，等量的各类生物)暴露于模拟需净化的废物流组分的稀废物流中。随着稀废物流中废物浓度的缓慢增大，微生物变得习惯于同化更高含量的废物，最后变得适用于同化大规模处理工厂中高含量的废物。也可应用已适应特定的废物流(例如，95％猪废液和5％家禽废液)的起子培养物，通过缓慢地使起子培养物暴露于新废物流而使它顺应不同的废物流(例如，50％猪废液和50％家禽废液)。通常，适应过程需要数天到数个月，这取决于需要处理的具体废物流。
接种后，细胞增殖并产生大量生物量，该生物量能同化废物流中基本上全部有机物和无机物(如下文更详细的描述)。
按本发明的方法，废物流14流入第一阶段生长反应槽6，废液中的有机物和无机物将在这里被第一批微生物混合物同化。使光线(通常呈自然阳光或合适的人工光线形式)辐射到混合物上而促进光合作用原核生物对废物的同化，并且促进微生物的生长。如果应用人工光线，通常优选利用与阳光相似的宽范围的光，例如，荧光灯，诸如CORALIFE 50/50Actinic/Daylight型、CORALIFE Trichromatic Super Daylight型等，产生400～1000nm范围的光。人工光照优选由光电开关或定时器控制。另外，本发明的装置中应用的管道可由明亮或透明的材料制作以增强暴光。
应用再循环泵17、桨式搅拌机或本领域已知的其它混合装置连续混合第一阶段生长反应槽6中的内含物。如果应用再循环泵17，回流管19优选由明亮或透明的材料制作以致回流管中的内含物如上述那样暴露于光线中。
除了直接暴露于生长反应槽的光线之外，优选控制再循环速度而形成合适的亮-暗比，使光合作用生物最佳生长。当不存在光生物反应器或其它促进生长的成分(见下文)的情况下利用明亮的回流管19时，在白天和/或暴露于人工光线期间，本发明通常在保持大约1∶600的亮-暗比的流速下操作。在夏天的操作中，当自然光强度高时，所述暗-亮比足以保持最佳生长。在低亮度期间，应当增大最佳亮-暗比，其中，亮比暗光量可以大到1∶1或更高。本领域技术人员将懂得，足以实现最佳生长的条件将根据下列参数而变：场所，气候和其它环境因素，例如，昼夜循环、光强和暴光时间。所以，可能需要考虑这些因素而进行调节。
优选缓慢地混合槽中内含物以免溶解或杀伤增殖的细胞。连续混合第一阶段生长反应槽6中的组分起几个重要的作用，包括：促使全部增殖细胞、可溶性和胶态废物组分与光之间均匀接触，并且保持混合物中一致的温度。第一阶段生长反应槽6的适用温度通常应保持在28～40℃范围内。在某些气候中，环境空气温度足以将温度保持在所述范围内。也可应用常规加热装置(例如矿物燃料或太阳能加热器，应用合适的循环热交换器和相关的控制器)控制第一阶段生长反应槽6的温度。不过，在本发明的全部应用中，优选精密地控制工艺操作条件(例如，保持温度在±2℃以内)。
在第一阶段生长反应槽6中发生的同化处理期间，主要的可溶性和胶态TOC、BOD、氨-氮、总的磷以及与废物流14相关的其它有机和无机化合物都被第一批光合作用原核生物用作营养源。这些废品的同化导致生物的高生长速度，并且导致产生悬浮于部分净化的液体流出物中的微生物大量的细胞物质。细胞物质的生长速度优选呈指数水平，更优选呈指数水平的约90％。在一个实施方案中，细胞物质的倍增时间在约5天到1天的范围内。
随着大量细胞物质继续生长，第一阶段生长反应槽6的内含物(主要包括光合作用原核生物(例如紫色无硫细菌)和部分净化的液体流出物)溢出，通过管道18将它输送到第一阶段沉降槽8。将促凝剂加入管道18并与溢出的物质混合以便当溢出的物质流入第一阶段沉降槽8时促进光合作用原核生物的絮凝。也可将从第一阶段生长反应槽6溢出的物质收集在第一阶段凝聚槽中(未示出)，与促凝剂混合，再缓慢搅拌使细胞团聚。
按本发明的方法，适用的促凝剂包括：高分子量阳离子聚合物，例如MAGNIFLOC 496C、MAGNIFLOC 234GD(可从Cytec Industries商购)等。优选地，本发明中应用的促凝剂符合GRAS(通常认为是安全的)的USFDA标准。在废物流的处理过程中，促凝剂一般以有效地使光合作用原核生物团聚的量添加。添加的促凝剂的典型量优选在0～2％聚合物干重、更优选在0～1.2％聚合物干重的范围内(都基于絮凝的细胞总的干重)。
将絮凝的微生物、液态流出物和促凝剂的混合物收集在第一阶段沉降槽8中，此时，将絮凝的细胞与液态流出物进行物理分离。通常，通过重力沉降和/或浮选在足量的时间(一般2～12小时)后发生分离。也可通过用连续离心23(图2中所示)代替第一阶段沉降槽8或者用本领域已知的其它迅速分离方法实现微生物和流出物的更迅速分离。如果采取连续离心操作，按本发明方法一般的操作参数包括：3,000～4,000 RPM的旋转速度，大约3,000～4,000xg的离心力，以及约1～5分钟的旋转时间。
将微生物混合物的返回系统结合入第一个处理阶段2。该系统包括：泵22，它将微生物从第一阶段沉降槽8(或离心机23)输送返回到第一阶段生长反应槽6。利用该系统，结果最佳水力停留时间(HRT)显著小于第一阶段生长反应槽6中的最佳平均细胞滞留时间(MCRT)。例如，如果在4天的平均细胞滞留时间达到生物量的最佳倍增速度，而且反应器能在一天中除去适当的有机负荷，那么要求25％的生物量循环。也可将从第一阶段沉降槽8(或离心机)再循环的液态流出物用作水的替代物来稀释进入第一阶段生长反应槽6的废液14。该循环是所需的，因为它减小第二阶段生长反应槽10的水力负荷，于是可能减小第二个处理阶段4的规模而节省能源和促凝剂。因此，再循环系统保障最大量的废物被第一个处理阶段2中的第一批微生物混合物同化，同时将整个系统的规模减到最小。
分离后，从第一阶段沉降槽8(或离心机23)脱除第一批微生物15的生物量，而且可利用下列方法进一步精制，例如脱水、干燥、巴氏消毒、制粒等，取决于絮凝的生物的预期应用。然后可将收获的处理过的絮凝生物的生物量作为动物饲料、肥料或其它农产品出售。通常，当如上述那样处理时，紫色无硫细菌具有40～60wt％蛋白质、10～15wt％脂肪和1～5wt％纤维，都基于处理过的生物总的干重。
在第一个处理阶段2中，优选应用表1中概述的条件范围并始终自动控制或人工控制和优化该条件范围。
表1-第一个处理阶段的优选条件 水力停留时间(HRT) 1～10天 混合液悬浮的固体物(MLSS) 500～4000mg/l 平均细胞滞留时间(MCRT) 1～10天 食物与微生物比(F/M)，基于BOD负荷 0.3～2.0/天 食物与微生物比(F/M)，基于NH3-N负荷 0.06～0.36/天 每单位体积反应器的BOD负荷 19～77kg/天/28,300升 每单位体积反应器的NH3-N负荷 2.4～14kg/天/28,300升 稀释比(vol.稀释水/vol.原始废物) 0/1～8/1 流出物返回比(vol.返回的流出物/vol.原始废物) 0/1～8/1 生物量返回比(从液固分离单元到反应器) 0～25vol.％ 温度 28～40℃ pH 7.0～8.5 混合翻转 3min～12hr
表1中，水力停留时间(HRT)指液体在反应器或沉降槽或离心机中的平均时间(以反应器液体体积除以通过反应器的流速计算的)。混合液悬浮的固体物(MLSS)指反应器中总的悬浮固体(TSS)浓度。平均细胞滞留时间(MCRT)指微生物细胞在反应器中的平均时间(以反应器中总的悬浮固体(MLSS)除以流过反应器的悬浮固体计算的)。食物与微生物比(F/M)是基于BOD负荷或NH3-N负荷(以磅/天表示)除以反应器中总的MLSS重量。每单位体积反应器的BOD负荷或NH3-N负荷是基于BOD负荷或NH3-N负荷(以磅/天表示)除以反应器中的总液体体积。稀释比指流入反应器的稀释水量除以流入反应器的废物量。流出物返回比指回流入反应器的流出物除以流入反应器的废物量。生物量返回比指生物量浆从液体/固体物分离单元返回反应器的流速除以流入反应器的废物流速。
本发明的第二个处理阶段4中应用的微生物混合物通常对高含量的有机废物耐性更小。所以，在第一个处理阶段2中处理之后，液体流出物中的TOC、BOD、NH3-N和磷优选被减少到约200～500mg/L TOC、200～500mg/L BOD、50～500mg/L NH3-N和10～100mg/L总的磷。这些污染物含量对于将处理过程第二个阶段中因细胞死亡引起的微生物损耗减到最少是优选的。
第一阶段沉降槽8(或离心机23)中保留的液体流出物16或者通过管道20流入第二个处理阶段4和流入一个或多个第二阶段生长反应槽10，和/或作为原始废物的稀释液被循环进入第一阶段生长反应槽6。第二阶段生长反应槽10盛有第二批被控制到使呼吸作用和光合作用之间的平衡最佳化的微生物混合物。与第一阶段生长反应槽相似，第二阶段生长反应槽可以适当地是槽、敞开池、池塘或其它容器。可以在生长反应槽上加盖以防槽内含物蒸发和/或污染。优选地，第二批微生物混合物选自绿藻(例如绿藻门(Chlorophyta))，包括单细胞藻类和丝状藻类，甲藻门(Pyrrhophyta)、Heterokontophyta、裸藻门(Euglenophyta)、以及蓝细菌系(蓝绿藻)。特别适用的绿藻门包括选自下列属的种：小球藻属(Chlorella)(例如Chlorella vulgaris、Chlorella pyrenoidosa)，栅藻属(Scenedesmus)(例如Scenedesmus obliquus、Scenedesmusquadricauda、Scenedesmus acutus)，卵囊藻属(Oocystis)和裸藻属(Euglena)(例如Euglena gracilis)。适用的蓝细菌成员包括选自下列属的种：螺旋藻属(Spirulina)(例如Spirulina platensis)，颤蓝细菌属(Oscillatoria)和席蓝细菌属(Phormidium)(例如Phormidiumbohneri)。还可应用两种、三种或更多种这些藻的组合。共生细菌也可存在于第二批微生物混合物中。
与第一阶段生长反应槽相似，在进行本发明的方法之前，用预定量的第二批微生物作为“起子”培养物接种第二阶段生长反应槽10。通常，起子培养物可从储用培养物获得，或者应用相同的生物从另一个生长反应槽获得。优选应用与前述相同的方法使培养物顺应。
使光线(通常呈自然阳光或合适的人工光线形式)辐射到第二阶段生长反应槽10中的混合物上以便促进第二批微生物混合物进一步吸收有机废物，并且促进生物的生长。与第一反应器一样，如果应用人工光线，如前述那样通常优选利用与阳光相似的宽范围的光。
如关于第一阶段生长反应槽所讨论的那样，除了直接暴露于第二生长反应槽的光线之外，优选控制再循环速度而形成合适的亮-暗比，使光合作用生物最佳生长。在白天和/或暴露于人工光线中的期间，不存在光生物反应器或其它促进生长的成分(见下文)时应用明亮的回流管26，本发明在保持大约1∶600的亮-暗比的流速下操作。在夏天的操作中，当自然光强度高时，该暗-亮比一般足以保持最佳生长。在低光线期间，应当增大最佳亮-暗比，其中，亮比暗光量可以大到1∶1或更高。本领域技术人员将懂得，足以实现最佳生长的条件将根据下列参数而变：场所，气候和其它环境因素，例如，昼夜循环、光强和暴光时间。所以，可能需要考虑这些因素而进行调节。
应用再循环泵25、桨式搅拌机或本领域已知的其它搅拌装置连续混合第二阶段生长反应槽10中的内含物。如果应用再循环泵25，回流管26优选由明亮或透明的材料制作以致回流管中的内含物如上述那样暴露于光线中。
优选缓慢地混合槽中内含物以免溶解或杀伤增殖的细胞。连续混合第二阶段生长反应槽10中的成分起几个重要的作用，包括：促使全部微生物、可溶性/胶态废物组分与光之间均匀接触，并且保持混合物中一致的温度。第二阶段生长反应槽10的适用温度通常应保持在20～35℃范围内。在某些气候中，环境空气温度足以将温度保持在所述范围内。也可应用常规加热装置(例如矿物燃料或太阳能加热器，应用合适的循环热交换器和相关的控制器)控制第二阶段生长反应槽6的温度。
第二阶段生长反应槽10中混合物的pH对保持第二批微生物混合物的生存力特别重要。优选地，通过添加碱(例如，碳酸氢钠、碳酸氢钙、氢氧化钠、氢氧化钾等)或酸(二氧化碳、盐酸、乙酸等)的水溶液将第二阶段生长反应槽的内含物pH保持在7.0～8.5之间。
在第二阶段生长反应槽10中发生的同化处理期间，基本全部残余的可溶性和胶态TOC、BOD、氨-氮、总的磷以及与废物相关的其它有机和无机化合物都被第二批微生物混合物作为营养源吸收了。这些废品的同化导致产生悬浮于基本净化的液体流出物中的大量微生物细胞物质。
随着第二阶段生长反应槽10中的大量细胞物质继续生长，内含物(主要包括绿藻和基本净化的液体流出物)溢出，通过管道30将它输送到第二阶段沉降槽12。将促凝剂加入管道30并与溢出的物质混合以便当溢出的物质流入第二阶段沉降槽12时促进第二批微生物混合物的絮凝。也可将溢出第二阶段生长反应槽10的物质收集在第二阶段凝聚槽中(未示出)，与促凝剂混合，再缓慢搅拌使细胞团聚。在第二阶段4中适用的促凝剂实例的量与关于第一阶段2描述的相同。
将絮凝的生物、液态流出物和促凝剂的混合物收集在第二阶段沉降槽12中，此处，将絮凝的细胞与液态流出物进行物理分离。与第一阶段2一样，通过重力沉降和/或浮选在足量的时间(一般2～12小时)后发生分离的。也可通过用连续离心28(图3中所示)、压滤器或本领域已知的其它迅速分离方法代替第二阶段沉降槽12而实现生物和流出物的更迅速分离。如果采取连续离心操作，按本发明方法一般的操作参数包括：3,000～4,000 RPM的旋转速度，大约3,000～4,000xg的离心力，以及约1～5分钟的旋转时间。
与第一个处理阶段2一样，将第二批微生物混合物的返回系统结合入第二个处理阶段4。该系统包括泵24，它将第二批微生物混合物从第二阶段沉隆槽12输送返回到第二阶段生长反应槽10。利用该系统，结果最佳水力停留时间(HRT)显著小于第二阶段生长反应槽10中的最佳平均细胞滞留时间(MCRT)。因此，该系统保障最大量的废物被第二个处理阶段4中的第二批微生物混合物同化。
分离后，从第二阶段沉降槽12(或离心机28)脱除微生物32的生物量，而且可利用下列方法进一步精制，例如脱水、干燥、巴氏消毒、制粒等，取决于絮凝的生物的预期应用。然后可将收获的处理过的絮凝生物的生物量作为动物饲料、肥料或其它农产品出售。通常，当如上述那样处理时，绿藻具有60～85wt％蛋白质、1～5wt％脂肪和1～10wt％纤维，都基于处理过的生物总的干重。可用各种方式处理液态流出物5，这取决于场地和方案的具体条件和要求。例如，流出物5可被用于灌溉动物饲料作物，或者可应用活性炭进一步净化后用于灌溉供人消费的商品化作物。也可应用渗水池或地下结构将流出物5排入地下水。按本发明的方法，也可通过管道35和泵36将一部分流出物5再循环到第一个处理阶段2而调节进入的原始废物浓度或者如关于第一个处理阶段描述的那样再循环到第二阶段生长反应槽。
在第二个处理阶段4中，优选应用表2中概述的下列条件范围并始终自动控制或人工控制。
表2-第二个处理阶段的优选条件 水力停留时间(HRT) 1～12天 混合液悬浮的固体物(MLSS) 500～4000mg/l 平均细胞滞留时间(MCRT) 1～12天 食物与微生物比(F/M)，基于BOD负荷 0.02/天～0.2/天 食物与微生物比(F/M)，基于NH3-N负荷 0.01/天～0.1/天 每单位体积反应器的BOD负荷 0.6～5kg/天/28,300升 每单位体积反应器的NH3-N负荷 0.2～2kg/天/28,300升 稀释比(vol.稀释水/vol.第一阶段流出物) 0/1～4/1流出物返回比(vol.返回的流出物/vol.第一阶段流出物) 0/1～4/1 生物量返回比(从液固分离单元到反应器) 0～25 wt％ 温度 20～35℃ pH 7.0～8.5 混合翻转 3min～12hr
在第二阶段沉降槽12(或离心机)中处理之后，液体流出物中的TOC、BOD、NH3-N和磷已被减少到约10～85mg/L TOC、5～50mg/L BOD、10～50mg/L NH3-N和10～50mg/L总的磷。
在某些情况下，其中自然的环境光量度较暗时(例如高纬度或冬季)，本发明添加附加的光生物反应器能增大光合作用微生物可获得的光量，并且导致从废物流摄取废物料的改善。为了增强从废物流14摄取有机和无机废物料，可在本发明的回流管道19和25中分别安装一个或多个光生物反应器50和52(如图5中所示)。在本发明的该实施方案中利用的光生物反应器包括这样的任意高通过量装置，即，能加工一种或多种微生物与废物的混合物，而且能连续从废物脱除有机物和/或无机物，同时产生大量的生物量。在本发明的该实施方案中补充的附加光生物反应器优选对生长的细胞物质提供另外的光而增强和最优化生物的生长速率。
在一个特别优选的实施方案中，光生物反应器50和52优选包括：直立的芯结构51、55，缠绕该芯结构的基本透明的管53、56(其中，缠绕管的外部暴露于光线中)，以及促使光线在管与芯结构之间的接触区透入管的装置。按本发明的方法，适用的光生物反应器的实例包括描述和阐释于美国专利No.5,137,828(以其全文并入本文作参考)中的那种盘绕的管形光生物反应器，该光生物反应器可从Biotechna EnviromentalInternational，LTD以商品名“BIOCOIL”商购。
简言之，“BIOCOIL”型光生物反应器包括：直立的芯结构，缠绕该芯结构的基本透明的管或者在一条总管上平行缠绕(以致管的外部暴露于光线中)的管。直立的芯结构优选包括反光涂层(例如白色油漆)、铝箔、小玻璃球等，置于芯结构和透明的管之间。该反光涂层增强光线透入(透明管与芯结构之间接触的区中的)透明管，于是增大可获得的光量。
随着光线穿过生长反应槽中的物质，一部分光线被吸收和用于微生物的生长。但是，生长反应槽6和10的底部的光强最低。在本发明的该备选实施方案中利用的附加光生物反应器通过提供另外的光暴露给第一和第二生长反应槽6和10底部的光合作用微生物而有助于生长反应槽6和10底部的微生物对有机和无机废物的摄取。从每个槽的底部获取生长反应槽中的物质并通过各个光生物反应器处理。在该处理过程中，光合作用微生物暴露于每单位体积高光子数中，导致增大对废物的摄取。所以，添加光生物反应器导致本发明方法总效率的增大，而且能在环境光强度较低时(例如冬季)对生物提供另外的光。
按本发明的方法可应用的另外的光生物反应器被描述于英国专利申请No.9719965.7以及美国专利Nos.4,868,123；4,952,511；5,162,051；和5,447,629中。
在图6中示出的另一个备选实施方案中，用任意类别的光生物反应器(它们提供更高的光转移)代替第一阶段生长反应槽6和第二阶段生长反应槽10，每个光生物反应器包括：直立的芯结构和缠绕该芯结构的基本透明的管，或者如前述那样在一条总管上平行缠绕的管(以致缠绕的管的外部暴露于光线中)。
在这个备选的实施方案中，含有原始未处理废物料的废物流14通过泵、重力或其它常规方法被连续地或相继地加料入第一光生物反应器60。应懂得，在本发明的方法中可应用一个以上第一光生物反应器。如前所述，原始废物料可得自任意源。
第一光生物反应器60盛有一种或多种处于无氧和/或厌氧环境中的微生物的悬浮液。优选地，如前所述，这些光合作用原核生物是紫色无硫光合作用细菌的聚生体。另外的非光合作用厌氧细菌也可包含于所述混合物中。
在进行本发明的方法之前，用预定量的第一批微生物混合物作为“起子”培养物接种第一光生物反应器60。应用的起子培养物的量是如下因素的函数：反应器中预期的稳态混合的液体悬浮的固体(MLSS)浓度，反应器的尺寸和能通过反应器同化的最大食物比微生物比率(F/M)。通常，起子培养物可从冻干的储备液获得，或者应用相同的生物和条件从另一个生长反应槽获得。优选地，起子培养物已如前述那样“顺应”了。
接种后，细胞增殖并产生大量生物量，该生物量能同化废物流中基本上全部有机物和无机物(如下文更详细的描述)。
按本发明的方法，废物流14流入第一光生物反应器60，废物中的有机物和无机物将在这里被第一批微生物混合物同化。使光线(通常呈自然阳光或合适的人工光线形式)辐射到光生物反应器60的透明盘管62上以便促进光合作用原核生物对废物的同化，并且促进生物的生长。
通过透明管62中的紊流缓慢地混合第一光生物反应器60中的内含物以免溶解或杀伤增殖的细胞。连续混合第一阶段生长反应槽6中的成分起几个重要的作用，包括：促使全部增殖细胞、可溶性和胶态废物组分与光之间均匀接触，并且保持混合物中一致的温度。第一光生物反应器60中的适用温度通常应保持在25～40℃范围内。在某些气候中，环境空气温度足以将温度保持在所述范围内。也可应用常规加热装置(例如矿物燃料或太阳能加热器，应用合适的循环热交换器和相关的控制器)控制第一光生物反应器60的温度。不过，在本发明的全部应用中，优选精密地控制工艺操作条件(例如，保持温度在±2℃以内)。
在第一光生物反应器60中发生的同化处理期间，主要的可溶性和胶态TOC、BOD、氨-氮、总的磷以及与废物流14相关的其它有机和无机化合物都被第一批光合作用原核生物用作营养源(如关于生长反应槽所述)。这些废品的同化导致生物的高生长速度，并且导致产生悬浮于部分净化的液体流出物中的微生物的大量细胞物质。细胞物质的生长速度优选呈指数水平，更优选呈指数水平的约90％。
随着细胞物质继续生长，光生物反应器60中的内含物(主要包括光合作用原核生物(例如紫色无硫细菌)和部分净化的液体流出物)横过明亮的管62，通过管道18将它输送到第一阶段沉降槽8(或离心机23)。如前文关于第一生长反应槽和第一沉降槽所述那样进行包括下列的余下的处理步骤：添加促凝剂，沉降或离心，返回系统，以及对收获的生物量的另外处理。
再参照图6，通过管道20使保留在第一阶段沉降槽8(或离心机23)中的液态流出物流入第二个处理阶段4，进入一个或多个第二光生物反应器65。如前文关于第二生长反应槽所述那样，第二光生物反应器65盛有第二批被控制到使呼吸作用和光合作用之间的平衡最佳化的微生物混合物。优选地，这些生物如前述那样选自绿藻(例如绿藻门)，包括单细胞藻类和丝状藻类，甲藻门、Heterokontophyta、裸藻门以及蓝细菌系(蓝绿藻)。
与第一光生物反应器相似，在进行本发明的方法之前，用预定量的第二批微生物作为“起子”培养物接种第二光生物反应器65。使光线(通常呈自然阳光或合适的人工光线形式)辐射到光生物反应器65中的混合物上以便促进第二批微生物混合物进一步吸收有机废物，并且促进生物的生长。与第一光生物反应器一样，如果应用人工光线，如前述那样通常优选利用与阳光相似的宽范围的光。
通过透明管66中的紊流连续地混合第二光生物反应器65中的内含物以免溶解或杀伤增殖的细胞。与第一光生物反应器一样，第二阶段生长反应槽10中的适用温度通常应保持在20～35℃范围内。在某些气候中，环境空气温度可能足以将温度保持在所述范围内。也可如前述那样应用常规加热装置。
优选如前述那样通过添加碱(例如，碳酸氢钠、氢氧化钠、氢氧化钾等)或酸(二氧化碳、盐酸、含水的乙酸等)的水溶液将第二光生物反应器65中混合物的pH保持在7.0～8.5之间。优选地，流过图5和6中所示光生物反应器的体积流动是这样的，即，未暴露于光中的物质和暴露于光中的物质比率(D∶L比率)在600∶1～1∶1范围内，更优选在100∶1～1∶1范围内，最优选在50∶1～1∶1范围内。通常，本领域那些技术人员能轻易确定在给定的环境光强下为了提供对废物的最佳摄取和产生最大量的生物量所需的合适的暗与亮的比率。
在第二光生物反应器中发生的同化处理期间，基本全部残余的可溶性和胶态TOC、BOD、氨-氮、总的磷以及与废物相关的其它有机和无机化合物都被第二批微生物混合物作为营养源吸收了。这些废品的同化导致产生悬浮于基本净化的液体流出物中的微生物的大量细物质。
随着第二光生物反应器65中的大量细胞物质继续生长，内含物(主要包括绿藻和基本净化的液体流出物)横过明亮的管66，通过管道30将它输送到第二阶段沉降槽12(或离心机23)。如前文关于第二生长反应槽和第一沉降槽所述那样进行包括下列的余下的处理步骤：添加促凝剂，沉降或离心，返回系统，以及对收获的生物量和流出物的处理。
如下实施例旨在阐述、但决不是限制本发明的范围。除非另外说明，所有的份数和百分数都以重量表示，所有的温度都以摄氏度表示。
实施例实施例1.实验室规模光合作用净化操作
应用于该实施例的猪废物是稠的灰色液态浆，具有刺鼻的难闻气味。废物成分包含粪便、尿和洗涤水。
将紫色无硫细菌的聚生体用作第一批微生物混合物，它们主要包括：黄褐红螺菌、深红红螺菌、血色红假单胞菌、类球红细菌、酒色着色菌和胶状红长命菌。如前述关于起子培养物那样从一升样品生长原始培养物。这些生物呈具有强烈气味的红/棕色液体形式。
第二批微生物混合物主要包括绿藻株小球藻属。如前述关于起子培养物那样从一升样品生长原始培养物。原料是深绿色液体，它没有强烈气味。
第一和第二阶段生长反应槽都由塑料(18.5英寸H×6英寸W×4英寸D)制作，如前述那样排列。第一阶段生长反应槽盛有5.5升紫色无硫细菌的聚生体。第二阶段生长反应槽是并列连接的两个槽的组合，总共盛有11升小球藻属藻培养物。混合两个第二阶段生长反应槽以便模拟一个充分混合的槽。
从两个荧光灯具对第一阶段生长反应槽提供光。红色箱(Red tank)中应用的灯泡是“Coralife 50/50 Actinic/Daylight”型。通过五个荧光灯具对第二阶段生长反应槽提供光。这些灯箱中应用的灯泡是“Coralife Trichomatic Super Daylight”型。两个反应器的暗-亮(D/L)比都是1.0，即，12小时“开”和12小时“关：应用浸没型加热器将每个槽加热到32℃，应用试验用搅拌装置搅拌每个槽。通过蠕动泵促进两个第二阶段生长反应槽之间的另外混合。此外，采取控制添加的盐酸(HCl)或乙酸(CH3COOH)将pH保持在7.2和7.8之间。应用0.2％“MAGNIFLOC”496C阳离子聚合物使每种细胞培养物的样品絮凝。
每天用约200ml猪废物(用水稀释到约5.5升)喂给紫色无硫细菌的聚生体。该喂食方案导致第一阶段5.5天的平均细胞滞留时间(MCRT)和水力停留时间(HRT)。每天移取一升这种培养物，在搅拌下添加10～20ml阳离子聚合物使细胞絮凝。应用瓷漏斗和9微米滤纸(Whatman No.40)将絮凝的细胞浆过滤。对液体部分(滤液)分析废物含量(见下表3)，将它用作第二生长反应槽中小球藻属的原料。
将来自第一阶段生长反应槽的等体积滤液喂给两个第二生长反应槽中的小球藻属培养物。该喂食方案导致第二阶段生长反应槽中11天的平均细胞滞留时间(MCRT)和水力停留时间(HRT)。
每天从第二生长反应槽移取一升小球藻属培养物。添加10～20ml阳离子聚合物使小球藻属细胞沉淀。应用瓷漏斗和9微米滤纸将絮凝的浆过滤。对液体部分(滤液)的样品分析TOC、BOD、氮和总的磷含量(如表3中所示)。
表3.实验室规模光合作用猪废物处理的捕集效率 原始 废物 (g/l) 第一阶段 流出物 (mg/l)第二阶段 流出物 (mg/l)第一阶段脱除效率 (％)第二阶段脱除效率 (％) 总的脱除效率 (％) TOC 10,000 250 40 97.5 84.0 99.6 BOD 25,000 ND* 6 99.9 NH3-N 3,200 300 40 90.6 86.6 98.7 总的P-P 600 80 40 86.6 50.0 93.3
*未测得
分离的紫色无硫细菌聚生体中和分离的小球藻属中可用的蛋白质的量示于表4中。通过从总的蛋白质百分数中减去“蛋白质等效量”而推导出每批生物量中可获得的蛋白质的营养量。
表4.生物量中可获得的蛋白质的营养量 总的 蛋白质 (％湿的) 蛋白质 等效量 (％湿的) 营养 蛋白质 (％湿的) ％湿度 营养 蛋白质 (％干的) 紫色无硫细菌 聚生体 5.32 0.8 4.52 81.6 24.56 绿藻 (小球藻属) 55.2 4.25 50.95 0.07 59.35实施例2.中间工厂规模光合作用净化操作
应用于该实施例的猪废物是稠的灰色液态浆，具有刺鼻的难闻气味。废物成分为粪便、尿和洗涤水。在该实施例中，将得自康涅狄格州养猪场集粪坑的原始废物以连续的、分批的或半连续分批的方式加料入系统。与连续再循环相关的更高效率、自然光和其它因素减小了从第一反应器中的生物量发出的强烈气味。反应器能处理4加仑/天的原始猪废物。
将从实施例1中的实验室规模反应器收获的紫色无硫细菌的聚生体用作第一批微生物混合物，它们主要包括：黄褐红螺菌、深红红螺菌、血色红假单胞菌、类球红细菌、酒色着色菌和胶状红长命菌。这些生物呈具有强烈气味的红/棕色液体形式。
第二批微生物混合物主要包括绿藻株小球藻属，它是从实施例1中的实验室规模反应器收获的。小球藻属原料是深绿色液体，它没有强烈气味。再一次地，与连续再循环相关的更高效率、自然光和其它因素增强了第二反应器中的生物量的性能。
第一和第二阶段生长反应槽、沉降槽和絮凝槽都由塑料制作，试验工厂具有约240加仑的总容量。如实施例1中所述那样处理样品。对液体部分(滤液)的样品分析TOC、BOD、氮和总的磷含量(如表5中所示)。
表5.中间工厂规模光合作用猪废物处理的捕集效率 原始 废物 (g/l) 第一阶段 流出物 (mg/l)第二阶段 流出物 (mg/l)第一阶段脱除效率 (％)第二阶段脱除效率 (％) 总的脱除效率 (％) TOC 9,400 650 85 93.0 86.9 99.0 BOD 19,000 450 25 97.6 94.4 99.8 NH3-N 1,980 138 15.8 93.0 88.5 99.2 总的P-P 212 66.3 16.2 68.7 75.5 92.3
图4定性示出了可从本发明方法达到的净化程度。在图4中，瓶A示出了实施例2的原始废物样品。瓶B示出了经历第一阶段沉降槽8以后实施例2的流出物样品。可见，在第一个处理阶段2之后除去了大量MLSS。瓶C示出了经历第二阶段沉降槽12以后实施例2的流出物样品。如瓶C中所示，在第二个处理阶段4之后从流出物除去了几乎全部MLSS。
分离的紫色无硫细菌聚生体中和分离的小球藻属中可用的蛋白质的量示于表6中。通过从总的蛋白质百分数中减去“蛋白质等效量”而推导出每批生物量中可获得的蛋白质的营养量。
表6.生物量中可获得的蛋白质的营养量 总的 蛋白质 (％湿的) 蛋白质 等效量 (％湿的) 营养 蛋白质 (％湿的) ％ 湿度 营养 蛋白质 (％干的) 紫色无硫细菌 聚生体 39.3 4.40 34.9 28.0 48.4 绿藻 (小球藻属) 33.5 2.40 31.1 55.8 70.3实施例3.应用光生物反应器的中间工厂规模光合作用净化操作
在该实施例中，如上述实施例2那样进行了光合作用净化操作，不同的是，第一和第二阶段生长反应槽各自被美国专利No.5,137,828中描述的光生物反应器代替。在通过光生物反应器处理之前，应用厌氧消化罐处理进入的废物(作为预备步骤)。所有其它的处理条件都相同。该光合作用处理的结果如下表7中所示。
表7.应用光生物反应器的光合作用猪废物处理的捕集效率 原始 废物 (g/l) 第一阶段 流出物 (ppm)第二阶段 流出物 (ppm)第一阶段脱除效率 (％)第二阶段脱除效率 (％) 总的脱除效率 (％) 固体物 80,000 45,000 5～50 44.00 99.9 99.9 BOD 70,000 15,000 5～75 78.6 99.7 99.9 NH3-N 3,000 2,500 2～100 16.6 98.0 98.3 总的P-P 400 400 2～10 0 98.5 98.5