CN103228779A - 生物修复***以及其装置和方法 - Google Patents

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Abstract

基于藻类的生物修复***和方法，其中藻类在具有由养分***提供养分的光生物反应器中生长。将需要修复的流出流输送到池或塘，该塘中重复地接种有在光生物反应器中生长的藻类。光生物反应器包括使用来自养分***的生长培养基生长稠密的藻类的罐，并利用一个或多个通流管与扩散器一起制造罐中的流体流动，以混合和搅动生长的藻类种类。通过使用光管可以在罐的整个体积中制造基本上均匀地发光，该光管具有交替的消光的和未消光段，并设计该光管耦合来自罐外部的光源的光。

Description

生物修复***以及其装置和方法
相关申请
本申请要求美国临时专利申请号61/280,847，题目为：厌氧消化器出水的藻类处理方法以及生产有用的藻类生物质(Method for Algal Treatment ofEffluent from an Anaerobic Digester and Creation of Useful Algal Biomass)(2009年11月10日提交)的优先权，在此出于所有目的将其引入。
发明领域
大体来说，本发明涉及污物处理***和方法，以及更具体来说，本发明涉及利用厌氧和好氧微生物的污物处理***用于生物修复(bioremediation)。
发明背景
在世界范围内有大量的污物在被倾倒在最近的开放水源之前没有经过任何类型的处理，这导致了国际化的健康危机。由于缺少清洁水每天都有人死亡。由富营养化的污物(waste)的排放导致的不稳定的生态***致使鱼的死亡率非常高，海底植物的死亡非常高以及高浓度的病原菌。这是此类污物流缺少处理或处理很差并排放所产生的直接后果。在过去的十年，这样的后果例如在开放水源中由于营养条件导致的灾难性的藻类水华(algae bloom)显著增加，并且导致了史无前例的环境问题。
传统的现有技术的污物处理***通常利用机械曝气以及化学处理。这种***的构建和运行成本高，其原因不仅仅在于曝气过程的能量成本高，还由于在这类***中运行昂贵的机器需要人力成本。这样的机械/化学处理装置，即使是现在技术发展过程中考虑的那些，所具有的标价在百万甚至于成百上千万美金，这导致其过于昂贵，过去在美国和其它发达区域的许多组织无法承受这样的污物处理***。结果，世界人口中的大部分与大量的污物污染一起生活。
在过去已经强调了污物的生物修复。此类生物修复***通常利用需氧和厌氧过程的组合。具体来说，这样现有技术的***通常使用厌氧细菌来消化有机物并释放生物气(biogas)，且与产生氧的光养生物结合来加速由好氧细菌进行的有机质的降解。(同时，好氧细菌产生光养生物所需的二氧化碳)。厌氧消化通过夺取病原菌的氧而杀死在未经处理的污物中的大量病原菌。此外，厌氧细菌能够消化大量生物活性固体(biologically activating solid)。通过这样的厌氧消化过程，生物好氧量(BOD)和化学好氧量(COD)水平被显著降低，除此之外降低了污物中的固体含量值。以这样的方式，可以控制好氧和厌氧过程互补的性质并将有机材料降解为元素形式，而不需要使用在传统的机械曝气/化学处理污物修复设备中目前使用的“热、打击(beat)以及处理”***。
很长时间以来认为藻类是用于污物的此类生物修复的合适的光养生物。使用此类方法的一个大型的项目是在California的St.Helena污物处理厂，以及在世界其它的地区已经投入使用的其它的此类污物处理厂。
这样的方案已经显示出大量期望的特征，但是也具有明显的缺点。因为，这些现有技术的***没有用来控制存在的藻类种类(一种或多种)的机构，它们的藻类培养物随时间变化，通常具有所不期望的结果。此类不期望的结果包括：在处理的末端无法简单与水分离的种类的生长；在“正常”条件下生长良好但不能在移动过程(例如工厂污染物的流入)中生长的种类的繁殖；或者生长良好但不能进行全部所期望的修复的藻类种类的繁殖。
此外，缺乏用于有效地进行藻类的补充的机构，冲刷事件(例如，由暴风雨导致)可能会严重地稀释藻类培养物的密度，使得该***以不可接受的缓慢速度恢复至有效培养物密度。
因此，存在针对污物修复体系和方法的长期的、增长的需求，所述体系和方法是节约成本的并且提供有效的、稳定的修复。
发明内容
本发明提供针对污物和其它污染流体流(fluid stream)的有效的、节约成本的生物修复***和方法。在一个方面，本发明包括用于生长高浓度藻类的光生物反应器(以下，有时简称为PBR)。该PBR包括具有具体设置了分布在其中的光管的罐，从而引起基本上在整个罐中的高密度藻类生长。罐中的流体流动被保持在足够低的水平以防止对藻类的损害并且同时使得流体(fluid)在整个罐中流通。
本发明的另一方面包括用于向PBR或其它生长***提供养分的培养基***(medium system)。该养分***(nutrient system)可以包括大量单独地选定的成分，其随后通过大量的计量泵会聚集成养分流，或在一些实施方式中，可以从厌氧消化器的流出的一部分获得。在一些实施方式中，厌氧消化器形成整体的生物修复***的第一阶段。厌氧消化器阶段，除了提供富含微量和巨量养分(macronutrient)的流体之外，还向PBR提供大量CO2，其有助于PBR中的藻类生长。此外，厌氧消化器产生大量的生物气，该生物气可以被传统的生物气动力的发电机所利用以产生运行本发明生物修复***所需的至少部分电。在生物气的燃烧之前、之后或代替生物气的燃烧，来自生物气的二氧化碳可以用于塘(lagoon)或池中以促进藻类的生长。在燃烧生物气的情况下，得到的热能可以用于对塘中的水进行加热，以加速塘中所进行的各种所期望的生物过程。
本发明的还另一个方面包括修复塘或池(尽管通常不需要使用水沟型设计)，在修复池中添加来自光生物反应器***的高密度的藻类接种物。来自厌氧消化器阶段的流出液(effluent)中的一部分(在很多情况下是大部分)提供了在修复池中待修复的进入流体流。在一些实施方式中，该修复池可以是利用多种生物能量使得其可以处理残留在来自厌氧消化器阶段的剩余的CO2、氮以及磷的多相池(multiphasic pond)。在至少一些实施方式中，多相池包括多个水平的层(horizontal strata)，例如：在表面为好氧，在底部为好氧/厌氧和厌氧。整体的功能是用于除去通过使用光养微生物后***中剩余的氮和磷，并且同时消耗CO2和产生O2以辅助来自厌氧消化的剩余的流出液的降解。针对每一种操作或使用用途可以单独控制这些池的大小。
附图说明
图1示出根据本发明的一个方面的水修复的实施方式的示意图。
图2A和2B分别显示了根据本发明的一个方面的具有单独通流管的光生物反应器的实施方式的横截面的侧视图和放大视图。
图2C示出具有多个通流管的光生物反应器的备选的实施方式。
图2D示出光生物反应器的另外的实施方式，其利用具有根据本发明的一方面的光棒的平行板。
图2E示出利用平行板和外部照明的光生物反应器的备选的实施方式。
图2F示出根据本发明的一方面的光生物反应器的运行的流程图。
图3A示出用于图2A和图2B的光生物反应器的一实施方式中的光棒的实施方式。
图3B示出根据本发明的光棒的第一备选实施方式。
图3C示出根据本发明的光棒的第二备选实施方式。
图4A示出根据本发明一方面的养分***的一实施方式。
图4B示出根据本发明的一个方面的养分***的实施方式的运行流程图。
图5A-5B示出根据本发明一方面的多相池的一实施方式。
图6示出根据本发明一方面的鼓泡器的一实施方式。
图7示出根据本发明一方面的污物修复***的备选实施方式的示意图。
图8A-8B示出根据本发明一方面的浓缩器过程的***和流程图。
图9说明根据本发明一方面的软故障(soft fail)过程的一实施方式概括的流程图。
发明详述
首先参考图1，根据本发明的一个方面的生物修复***包括光生物反应器或PBR10，在下文中更为详细地描述，其从养分***15接收养分流。该PBR为高度浓缩的藻类的生长提供了经优化的环境。来自PBR10的藻类通过导管20供给至污物池或塘25，该污物池或塘有时(但不是在所有的实施方式中)为多相池(结合图5所述)。该池或塘25接收有机污物30，并且在多个实施方式中，其还可以接收如35所指出的大气的CO2。
污物池或塘25，可以覆盖少于一英亩至数十或成百上千英亩的面积，并且甚至可以是公开水域，例如具有充足大量的藻类供给的湖泊或海湾，在一些实施方式中污物池或塘25包括具有至少一个修复层的相对浅的池，在多相池的情况下，其包括多个修复层。如下文更为详细地描述，将来自PBR的藻类以足够接种塘的用量提供给塘，即向塘中提供足够的藻类从而使得塘中的自然条件允许藻类茁壮成长一段合理的时间，自然地繁殖。藻类通常(但不是必须)与细菌共生运行，藻类与细菌在塘中混合。在存在藻类和细菌两者的实施方式中，细菌的作用降低BOD和TSS(总悬浮固体)，并且在产生CO2的同时减少氮。与细菌相比，藻类降低BOD、TSS、以及氮至更少的水平，并且显著降低磷，并均同时产生氧。在这样的共生关系中，细菌产生的CO2被藻类消耗，而藻类产生的O2被细菌消耗，显著地促进了两种生物的活性。(此外，一些来自大气的CO2和O2进入。)
通过以合适的速度使污物在池或塘中移动，从而确保足够的混合，保持水化学性质和温度的均匀，以及保持藻类和细菌的悬浮，来自池25的流出物经充分修复。任选地，可以提供最终处理40，以藻类分离步骤和/或熟化或澄清阶段的形式。藻类分离步骤允许收集藻类生物质用于有附加值的应用(例如肥料)。熟化池、构建的湿地或相似的方案可以促进藻类的沉淀以及进一步减少硝酸盐和磷酸盐。此外，在一些实施方式中，可以提供自动的反馈(如45所指)，该自动反馈确定流出物的水质以及相应地调节接种的水平以确保获得和保持适当水平的水质。在没有进行最终处理步骤的***中，池25的流出物的水质用于提供反馈。
接下来，参考图2A和2B，可以更好地理解本发明的光生物反应器的实施方式，图2A和2B分别显示出光生物反应器的横截面和放大的视图。通流管200设置在罩或罐205的中间。在一实施方式中，罐具有约50加仑的有用体积，其具有约22英寸的直径，而通流管具有的体积约4.5加仑和约7英寸的直径。罐200和通流管205的相对体积和直径可以充分地变化，尽管在至少一些实施方式中，发现通流管直径为罐直径的5~25%是有用的。在一些实施方式中，设计罐的大小使其具有高度/直径比约为1.5:1，尽管该比例不受限制而且可以显著地改变罐的相对尺寸。
设置在通流管中的是一个或多个光棒或管210，结合图3A更为详细地描述该光棒或管210。在罩205中以及围绕管200的***还设置了大量的光管210。在扩散管中和设置在扩散管外的光管210的准确数量可以随罐的大小和本发明的具体执行方式而变化。通常来说，期望光管之间间隔从光管发出的光的吸收距离(absorption distance)的约两倍。在一实施方式中，例如，光管间隔约10~15厘米远，尽管准确的尺寸取决于多种因素，包括藻类的类型、针对特定的PBR所需的藻类浓度的水平、以及LED向光管提供的光的波长和功率。
罩205含有生长培养基215(结合图4将对其更为详细地描述)，以及选定的适合于特定的修复***的藻类。一种或多种预选择波长的、适用于促进选定的藻类的生长的光通过与每个光管210联合的一个或多个LED220或类似的光源提供。尽管对于多个实施方式LED是优选的光源，其它光源对于一些实施方式也是可接受的，其它光源包括激光器、二极管激光器、二极管泵浦的固体激光器、二极管泵浦的光纤激光器、高密度放电灯以及其它灯、转化为适合于藻类的特定种类的波长的红外线源、或甚至是与利用日光反射装置(heliostat)或类似装置的光管结合的太阳光。为了方便，在本文中将光源表示为“LED”，但是应当理解光源是指适合于具体执行本发明的任何光源。将LED220设置在培养基的顶部，通常高于培养基的顶部，从LED发出的光通过耦合器(coupling)225沿着光管传播。在一些实施方式中，可以使用多个LED以沿着单个棒发出不同波长的光，单个LED可以沿着单个棒发出多种波长的光，或相同的棒可以具有LED发出的第一波长光而其它棒具有LED发出的其它波长光。此外，在一些实施方式中，可以在棒中使用不同的染料将一种波长的光转化为更为适合在罐中生长的藻类的种类的其它波长的光。
光管中的每一个还可以包括均光器或混合器(如图3A所示)，以提高光管中的空间均匀度，尽管不是所有的实施方式均需要均光器。每个LED可以与散热板(heat sink)或热交换器230联合，以保持LED处于适当的操作温度。至少在一些实施方式中，期望足够地冷却LED使得来自LED的热不会不利地影响罐中藻类的生长。为了促进LED的冷却，可以在空气室240的孔口上设置一个或多个风扇235，并具有设置在空气室240和罐盖250之间允许空气出去的通风间隙245。通常来说，光管210的目的是尽可能地在整个罐中均匀传输来自LED的光，以在罐中所有的高度处促进藻类的生长，并不将来自LED的热传递到罐中以及不妨碍罐中的流体流动(fluid flow)。
在一实施方式中，由罐盖250支撑光棒，其上具有孔口255。每个光管210滑动通过孔口255，使得大量的光管安装到罐205中。该盖还可以提供针对通流管200的一个或多个支架260的连接点，使得通流管的顶部可以保持在罐的液体的表面下方的一定位置，并保持通流管的开放末端保持在罐的底部上方。
为了最大化罐中的生长培养基中的藻类的浓度，通常在罐中移动藻类或轻轻地搅动藻类。一种促进此类缓慢运动的技术是通过计算机控制阀265和搅拌器270将CO2或其它气体(取决于被培养的是什么藻类以及出于什么目的)与压缩空气混合。在一些实施方式中，没有使用压缩空气。取决于具体的实施方式，鼓泡的气体对于生长培养基和生长的培养物而言可以是不活性的，或者可以通过提供养分来促进培养物的生长，或者还可以调节罐中的条件，诸如通过改变pH。通过流量计275和扩散器277将组合的物流供给到通流管200的底部，其中运转扩散器以将气流转变为适合于提供藻类运动的气泡大小。气体混合物的气泡夹带生长培养基并且在通流管中向上移动藻类，如向上流动的箭头所示。在一实施方式中，一般的气泡大小为1mm级的，但是其可以在0.2mm~3mm或更大的范围内充分变化。
由于通流管的顶端位于液体表面下，并且至少在一些实施方式中其还优选悬浮于罐200的底部上的可促进真空效果的一段距离处，因此藻类和生长培养基流过通流管的顶部并且在通流管的外部的罐的一部分中向下运动，如向下流动的箭头所示。在一实施方式中，使用单个通流管，气体流速为每分钟0.1~0.2立方英尺，以提供藻类的充分运动，但该流速不意在限定。该运动促进了罐中生长培养基的均匀性，阻止了沉淀(settling)，并且还有利于藻类沿光棒的长度运动，从而使得藻类可以在罐205的整个体积内相对均匀地受到由光棒发出的光的照射，由此使得在整个罐中获得相对均匀地生长，而不是如在现有技术***中发现的仅在表面生长。需要时可以从培养基罐中供给额外的生长培养基，如结合图4所讨论的，通过管280A来供给生长培养基，而通过管280B或通过盖250上的孔口来提供藻类的种子量(seedamount)。罐的壁和底部的连接可以是圆形的从而促进藻类的顺畅的运动和防止藻类在尖锐的拐角处聚集，但在所有实施方式中这样形成圆形不是必须的。
为了促进良好的藻类生长，借助热控制夹套285来控制生长培养基的温度，可以通过热控制单元290来调节生长培养基的温度。热控制夹套可以例如形成具有管，该管用于加热或冷却流体的流动，或者可以包含聚合物加热/冷却材料。此外，通过传感器295A-C指示的pH、高度以及温度由控制***295D(通常为计算机(未示出))监控。如果罐中的藻类浓度达到了期望的水平，计算机控制的出水阀297允许藻类被转移至图1所示出的塘或池中，以促进修复过程。在一些实施方式中，可以获得小于50mg/L且最高至5000mg/L或更高的藻类浓度，其中50mg/L~1000mg/L的浓度是容易获得的。
应当理解的是，尽管在图2A-2B中示出了单个通流管，但可以使用多个通流管并且在具有更大直径的罐中可能期望使用多个通流管，如图2C所示。通常来说，与在罐的中间具有相当流动的单个管相比，围绕较大的罐分布大量较小直径的通流管可以提供更为良好的流体流动，尤其是在罐的边缘处。在一实施方式中，通过通流管的每分钟约0.1~0.2立方英尺的气流提供了在罐中的充足的藻类和生长培养基的搅拌和运动，而通流管的组合的直径包括罐中的流体总表面积的约5~25%。
在图2C(其为光生物反应器的横截面视图，其中与图2A中相同的数字指相同的元件)的备选的实施方式中，在罐205中设置了大量的通流管200。尽管仅示出了两个此类通流管200，但这样的设计表明可以放置更多的通流管。因此，例如，在罐为约150加仑的一些实施方式中，期望为1~4个通流管，而在使用300加仑罐的实施方式中使用5个通流管。上述数字仅为示例性的不意在限制。通常来说通流管的数量和放置是意在促进负载藻类的培养基的适当的向上和向下流动，结合图2A-2B如上所述，其中允许藻类在罐的整个体积内生长，而不是如现有技术的设计仅在表面生长。
接下来，参考图2D，其显示为具有透明的前壁的透视图，是图2A所示的PBR的另外备选的实施方式，应当理解的是，罐的形状可以不需要是圆形的，并且事实上，可以为允许足够的光到达在培养基中生长的大量藻类的任何形状。为了清楚，具有相似功能的元件再次以图2A中使用的相同的参考数字示出，以及为了清楚，在此省略了在结合图2A中讨论过的具有相同功能的许多元件。因此，图2D的实施方式中示出的罐205的周边是矩形的，具有排列在罐中的一个或多个隔板2100，并且从液体表面下延伸一段距离至罐底部之上。因此该隔板制造出具有与通流管200相同功能的空间。通过在罐的交替的隔板隔出的空间的底部中放置具有适当气体流速的扩散器2110，在罐中，在罐的交替的隔板隔出的空间中制造流体的向上和向下流动，如流动箭头所示。如图2A的PBR一样，通过盖2115在罐中放置大量光管。尽管在图2D中示出了光管210的直线排列，但是应当清楚的是光管的数量和设置可以根据罐200的尺寸来改变，不需要是直线的。
还应当理解的是，根据图2A-2C的描述，不是所有的实施方式中均需要图2D中显示的壁到壁(wall-to-wall)隔板，并且可以通过如图2A-2C所示的通流管来代替。此外，可以根据希望改变罐的宽度，根据图2A-2C中所给出的启示，可以排列多个通流管和多个光管。还应当理解的是，在一些实施方式中，光管可以放置在罐的拐角，以防止拐角处的照射减少，但这样的排列可能在一定程度上导致对来自拐角光管的光的低效率使用。在光管后添加反射镜可以减少损失。此外，在拐角设置光管，可以减少拐角处的流体流动并且可能会出现死点。接下来，参照图2E，其示出了根据本发明一方面的PBR的还另外的备选的实施方式，在一些实施方式中，可以用位于外部的LED或相当的光源2105来代替光管210。仍然提供热夹套2110，热夹套上具有通过其的以用来放置LED2105的孔口。在至少一些设置中提供散热板2115，并且可以提供覆盖物(未示出)来控制通过散热板的空气流动，有效地产生高压(plenum)。与图2D的设计一样，在罐中设置隔板或通流管以制造出藻类和生长培养基的合适的流动。为了清楚，在图2E中没有重复示出图2A的剩余元件(诸如光管、控制器等)，但应当包括在适合执行图2E所示的实施方式的范围中。因为在图2E的实施方式中光源2105是外部的，因此优选限制罐的宽度以确保遍及大量藻类的良好的照明以及罐中的培养基的流动，并且因此罐的宽度通常最多为几英寸。在至少一些实施方式中，在罐的两侧放置LED2105。
接下来，参照图2F，以更好地理解图2A-2D示出的PBR中的藻类生长的过程流程。通过管2205由培养基准备***(图4)向生长罐2200中供给生长培养基，手动或通过计算机控制2207，如由高度传感器2210指示。通过管2215添加藻类的一种或多种的选定的种类的种子量，也是手动或通过计算机控制，或通过在***联合的光管之前的罐盖中的孔口中的一个。通过控制***来运行照明2220，气候控制套筒(climate control sleeve)2225或热夹套，使得在罐中的生长培养基的温度适于罐中藻类的生长，通过温度传感器2230所监控。通过电磁阀2235和搅拌器2240，控制***混合气体诸如CO2、空气、氮或其它气体，以及通过流量计2245节流提供到罐的气体的体积。出于下述两个目的来通过控制***控制气体的体积：设置pH的目的(通过pH传感器2250来监控)以及保持在罐中的适当流动的目的。取决于在生长培养基中的组分，通过控制***来监控藻类的种类、以及期望通过藻类生产的生物产品，和多种其它传感器，例如磷酸盐水平传感器2255、硝酸盐水平传感器2260、溶解O2传感器2265、浊度传感器2270。除了使用浊度作为监控培养物密度的方法之外，可以使用色度计和/或叶绿素荧光探针。当期望移动藻类以及由罐获得的相关的生物产品时，手动或通过控制***打开阀2275，并通过出口2280从罐中移出负载藻类的流体，可以将其提供至生物修复塘或池，或用于其它用途或处置。
接下来参考图3A-3C，可以进一步详细地理解本发明的光管的不同的实施方式。首先参考图3A，示出了光管的实施方式的放大图。设计光亮的(clear)棒300的长度使得允许该棒基本达到光生物反应器的罐的底部，该棒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，或任何其它适合的材料构成，所述材料在由一个或多个LED315发出的光的波长处是光学上光亮的，并且该材料能够具有在其一部分上制造的表面质地从而制造出消光和未消光段305和310。如上所述，LED可以具有多个波长，可以是从每个棒中发出的不同的波长或所有的棒发出多种波长，或所有的棒发出相同的波长。应当理解，尽管上述描述了单一波长，但本领域技术人员可以认识到在本文中，“波长”可以更准确地被描述为波段，如LED发出扩展的光谱(spectral spread)，其中心的波长被称为LED的“波长”。此外，如上所述，可以在棒中或棒上使用染料以将通过LED产生的波长的光转化为适合藻类的不同波长的光。
将LED315安装在安装台320中，取决于由LED315产生的热其与散热板325热偶联(thermally couple)。在一些实施方式中，期望由LED向棒300提供空间均匀的光，在这种情况下，可以在LED315的输出和棒300的输入335之间的光程中设置均光器330。均光器330通常在其长度的大部分或全部中具有非圆形的横截面，并且利用内反射，取决于所使用的材料包括全内反射，以在均光器的输出处产生空间均匀的光。通常设计均光器330的输入面335的大小以使得其输入尺寸与LED的输出基本匹配，由此使得均光器捕获所有或几乎所有LED的光输出。相似地，设计均光器的输出面的尺寸以使其基本上与棒300的输入匹配，从而使由均光器传递到棒时的光的损失最小化。不必须使均光器的输出与LED的输出或光棒的输入相一致。在LED的输出的情况下，均光器的输入面可以更大。在向光棒输入的情况下，均光器的输出面可以是例如其角落交叉或包含在棒300的圆形面中的方形，或者可以是能够合理地包含在但基本上覆盖棒300的输入面的任何其它形状，但在一些实例中，具有奇数边的均光器提供改善的性能。
在光棒300的一个重要方面中，消光和未消光段305和310的设置控制沿其长度的位置以及由棒发出的光的量。进入到棒的输入的光通过全内反射沿着未消光段传输。但是，在每个消光段，至少部分冲击棒的侧壁的光被从棒发出，或被耦合。棒可以具有任何允许全内反射的横截面，其可以具有在其长度上的均匀的横截面，或者大小可以一直减少。此外，棒300的远端340可以是圆形的和消光的以防止光损失，或者可以是镜面反射的从而导致光被反射回棒，使得如上所述光通过棒的侧壁传输。因为该棒的末段是特别的情况，因此由于光的指数式衰减，真实的耦合可以明显小于理论耦合，这样的镜面反射(mirroring)或圆形的且消光的可以增加实际耦合使其合理的接近理论耦合。
在至少一些实施方式中，对于棒的每个连续部分，消光段的长度相对于邻近的未消光段的长度增加。在一些设置中，可以将未消光段和邻近的消光段的组合看作为单独的片段345，并且沿棒的长度方向该片段的长度保持相同，而对于每个连续的片段在每个片段中消光段的相对长度增加。通过每个消光段传输的光的量与其长度成比例，由此可以通过数学公式来表示不同消光段的相对长度。其中z表示沿棒的长度L的位置，以及P(z)表示作为z的函数的棒中的光的强度，以及取决于消光的耦合(coupling)强度可以以可控的方式沿棒的长度方向连续地变化，通过改变消光中凹槽的深度、形状和/或周期，α(z)可以是描述通过消光的、沿着棒的长度的每个单元长度的光的耦合强度比例耦合系数(coupling coefficeint)，为z的函数。此外，在沿着棒的特定的距离z上，使Q(z)为与每单位长度的棒耦合掉(coupled out of)的光功率。因此Q(z)=α(z)P(z)，并且目的在于确定将会生产所期望的在不同的消光段与棒耦合的光Q(z)的均匀分布的函数α(z)。
针对非相干光并且假定能量守恒，我们得到
dP(z)/dz=-Q(z)=-α(z)P(z)[方程(1)]
其具有边界条件P(0)=P0。
求出会在方程(1)产生均匀的Q(z)的α(z)，设定Q(z)等于Q0，其边界条件为P(L)=0。结果为：
Q(z)=Q0=P0/L
P(z)=P0(1-z/L)[方程(2)]
α(z)=L-1(1-z/L)-1
应当理解的是，在实际***中，针对α(z)可以获得动态范围是受到限制的，且具有一定的不能超过的最大值amax。因此随着z/L接近1而得到的α(z)的高值(由方程(2)描述)是无法实现的，并且与理想的行为有一定的偏差。这表明其本身作为Q(z)值中的倾斜(dip)，在靠近棒的非常末端每个单元长度耦合掉的光功率。
在当需要将对于α(z)可获得的值的范围调节的更高或更低的那些情况下，可以通过选择光棒的不同的直径来进行。这将改变反射的次数，每个光线将沿每单位棒长度，因此假设消光的性质没有变化，α(z)将会与棒直径成反比。针对具有N个均匀长度的片段的棒，其中Fi表示被第i个片段耦合掉的光功率的比例，以及在第一片段指数i=1，在最后的片段指数等于N，将上面的方程简化为：
Qi=Q0=P0/N
Pi=P0(N+1-i)/N[方程(3)]
Fi=(N+1-i)-1
下述是示出当N=2、N=5、N=10、以及N=20时方程3的全部解的表格，其中
i=片段指数；
Pi=入射的光功率；
Qi=耦合掉的光功率；
Pi+1=传输的光功率；以及
Fi=耦合掉的光功率的比例
对于N=2：
Figure BDA00001869549800121
对于N=5：
Figure BDA00001869549800122
对于N=10：
Figure BDA00001869549800131
对于N=20
Figure BDA00001869549800132
如上所述，远端(最后的片段)是特殊情况，其可以使用倾斜、圆形的或其它形状以实现接近100%的耦合以及耦合掉沿棒300发射的任何光传播。
针对不均匀长度的片段，结果基本上是相同的，其中通过比较给定片段的长度和平均片段长度来确定任何片段的光输出。以数学公式描述，Li是第i片段的物理长度。由于棒的总长度是L，
L = Σ i = 1 N L i [方程(4)]
其中∑表示所有片段的加和，其是i从1到N的全部值的和。为了产生沿棒的物理长度均匀的耦合掉功率的分布，需要以比例确定Qi的值，通过第i片段耦合掉的光功率通过Li/Lav表示，其中Lav是平均片段长度，通过Lav=L/N计算。方程(3)的计算变为：
Qi=(Li/Lav)(P0/N)=(Li/L)P0，
P i = P 0 - Σ k = 1 i - 1 Q k [方程(5)]
Fi=Qi/Pi，
其中∑表示在片段k=1到k=i-1的之前的片段中耦合掉的Qk的值的全部的加和。使用从已知值i=1时的Q1=(L1/L)P0、P1=P0、以及F1=L1/L开始的电子数据表可以容易地获得方程(5)的数值评估，然后对于更高的i值基于从继续的线(proceeding line)上获得值填入每条线中。
作为具体的实例，考虑具有10个片段的棒的情况，其中9个具有长度1并且其中的一个(第三片段)具有长度3。结果如下表所示。结果的观察显示，如所期望的，对于第3个片段耦合掉的光功率Q3是被其它片段耦合掉的功率的3倍高。
Figure BDA00001869549800151
上述给出的数学描述的实际效果可以通过图3B和3C来理解，其分别显示，在图3B中显示了均匀长度的片段而图3C显示不均匀长度的片段，其中片段N3的长度是其它片段的两倍长。阴影的部分表示每个片段的消光部分，在此光被耦合掉。因此，对于图3B以及相等长度的片段，耦合显示在表的N=5栏。但是，对于图3C的设计，其中N3的长度是其它片段的两倍长，片段的等价数量为6，因此N3耦合掉光的1/3+1/4，或者总量为沿较长片段的48.3%。
尽管棒300沿其长度方向具有一致的直径，但本领域技术人员应当理解的是，光棒的其它形状和横截面也是可以接受的。因此，例如，在至少一些实施方式中还可以使用锥形的光棒。类似地，在一些实施方式中光棒不必须是直的，代替地其可以是以任何合适的形式弯曲。非圆形的横截面尽管在一些情况下更难以制造，但在一些实施方式中可以提供沿棒的长度更为均匀的光分布特性。此外，尽管在上述计算和实例中，假设针对每个片段消光是相同的，但在一些实施方式中，期望在每个片段改变消光的光学性质。消光方面这样的变化提供了扩展动态范围的手段，在该范围可以改变耦合。相似地，消光中的变化不必须是连续的。在一些实施方式中，具有一些离散值，例如“弱”、“中”以及“强”提供了优点，而连续可变的消光允许对被每个片段耦合掉的功率比例进行微调。
下面参考图4A-4B，可以更好地理解用于向在PBR中生长的藻类提供经控制的养分流的养分***。多个瓶(carboy)400A-n，每个含有预定的养分组分，将其混合而适合于藻类的具体种类，该多个瓶与大量计量泵410A-n关联，其中的每一个计量泵410A-n通过计算机控制。因此，计量泵向混合罐420中提供所期望的混合物，该罐420通过计算机控制阀430接收水425。还可以在入口水和混合罐之间设置一些过滤器435和440；例如分别是5微米和碳过滤器。
将混合罐的出口提供至计算机控制泵445，该计算机控制泵445向计算机控制阀450提供经混合的养分流。阀450通过再循环管路460在罐中的再循环或者通过提供至相关的PBR或PBR组(如470所指示)来引导养分混合物。过滤器455和465可以是例如两微米过滤器，其可以分别提供在再循环和PBR罐管路上。
具体地参照图4B，可以更好地理解图4A***使用的生长培养基的准备过程。该过程在步骤4000启动，在步骤4005，用水填充罐420至预定的高度，通过高度传感器475确定，之后开启泵445，进行设置以通过阀450以再循环罐成分，如步骤4010所示。在步骤4015，利用加热器485加热罐中的水至预定的温度，通过温度传感器480测定。在步骤4020，通过它们相关的计量泵410A-n从瓶400A-n将适用于待形成的特定的生长培养基的养分组分供给到罐中。生长培养基的组分可以根据生长培养基所针对的具体藻类种类变化。然后循环水和养分的混合物，如步骤4025所示，直到养分被均匀地分布，然后，在步骤4030中将生长培养基供给至相关的PBR。该过程可以终止，如步骤4030所示，或者绕回步骤4005从新开始。
接下来参考图5A-5B，可以更好地理解根据本发明一方面的多相池。图5A显示了平视图中的具有桨轮505的池500，以及还显示了位置，经过该位置得到图5B的横截面视图。图5B显示了池的多个层。具体来说厌氧区域510位于池的底部。厌氧/好氧变化区域515位于厌氧区域上，在其上设置一个或多个CO2供给管520。CO2供给管通常是多孔的管以用于横跨池500的至少充分的部分来基本上均匀地分布CO2。在好氧区域525，CO2被好氧细菌利用。桨轮505产生流动，如在图5B示出的从左到右，从而促进了待修复的流出液横跨不同区域的混合。在仅具有好氧区域的池或塘中，可以将管520排列在池或塘的底部。
接下来参考图6，可以更好地理解根据本发明一方面的具有内部发光的鼓泡柱(bubble column)。在一些实例中，期望在谨慎控制的环境中，研究藻类或者其它菌群(flora)的生长，例如用于研究。在这样的实例中，有时期望保证适当控制的照明以及养分供给，而不是循环生长培养基或在更大的罐中生长物种。针对这样的实施方式，图6的鼓泡柱是适合的。罐600具有密封的底部，并且在其中设置至少一个结合图3A-3C描述的类型的光棒605。尽管显示了圆的罐600，但在所有的实例中罐不必须是圆的，可以用任何方便的形状来代替。可以将光棒设置在中心或者不对称地设置，并且考虑根据罐的形状一起进行设置以提供照明的均匀性或期望缺少均匀性的照明。在一实施方式中，可以改变罐中的光棒的位置以促进不同的照明模式。将在结合图2A-2B等描述的方式中使用的压缩空气或其它气体，通过管615，供给至位于罐的底部的扩散器610，管615可以从底部进入罐或者如所示从内壁向下。可以设置扩散器以提供横跨罐的底部均匀地提供气体或以任何期望的方式提供气体，但单独的搅拌和混合通过气泡通过藻类负载的培养基的向上运动来进行，因为没有用于制造在图2A-2F中显示的***的向上和向下流动的更大的罐。在至少一些实施方式中，提供供给管620，通过其可以向柱中导入藻类。供给管620可以位于罐上的任何方便的位置，包括盖625、或盖中的孔口(光棒605通过该孔口)、侧壁、或罐的底部。
在运行中，鼓泡柱中填充了生长培养基，并导入了藻类种类。通过扩散器将适合针对待进行的特定研究的气体混合物导入，得到的气泡中夹带有上述的藻类。但是，因为鼓泡柱没有包含在外部罩或罐中，因此在大多实施方式中，通常保持流体的高度在溢流水平之下。
下面参考图7，示出了根据本发明一方面的污物修复***的备选的实施方式的示意图。将有机污物700供给到厌氧消化器705中，其开始进行分解过程并且产生甲烷710和流出流715，其包括部分CO2、氮、磷以及其它组分。将流出液与如果需要的水725一起供给到多相池720中。甲烷为发电机/锅炉730提供了燃料，发电机/锅炉产生的热735被供给回厌氧消化器705。发电机730还向光生物反应器745提供CO2740，该光生物反应器745通常根据上述教导构建，多相池720也同样，发电机730还提供电和热750至PBR745和多相池720两者，并且在一些实施方式中，可以在775提供额外的电。池720在760接收额外的大气的CO2，如果需要的话，并输出经修复的污物。然后可以将经修复的污物提供至任选的最终处理(如765所示)，例如紫外线精制(ultraviolet polish)、碳过滤、或其它修复步骤。在一些实施方式中，池720还可以产生可用的生物质，如770所示。
接下来参考图8A-8B，可以更好地理解浓缩器***和过程。在一组条件下，藻类中的一些种类生长地最好，但是在其它不同的条件下产生期望的产物更为迅速。一个实例是在提供含氮的养分时，生长的最好的藻类在去除含氮养分时产生更高浓度的脂质。为了使***的生产力最大化，期望构建不同的生长条件以得到不同的目标，以及还尽可能快地获得转变。如图8A-8B所示，在PBR850中利用设计以尽快获得高藻类密度的生长培养基，在步骤800中使期望种类的藻类生长至期望的密度。一旦达到该密度水平，将至少部分藻类转移到浓缩器罐855，如步骤810所示，但通常不需要通过计算机控制阀860。转移过程要求与藻类一起转移大量第一生长培养基，以防止损害藻类。
在转移至浓缩器罐855之后，使藻类和第一生长培养基的组合沉淀，如步骤815所示，引起生长培养基(其大部分为水)澄清。然后，在步骤820中，可以从浓缩器的顶部或者任何不会除去和/或损害浓缩器855中的藻类的其它合适的位置，除去经澄清的生长培养基。应当理解的是，不能除去全部第一生长培养基，但可以在不损害藻类的条件下，除去大比例(75%的范围)的生长培养基。然后，在步骤825，通过阀875将剩余的生长培养基和藻类转移到发酵罐(blooming tank)870，此外通常不需要计算机控制。在发酵罐870中使用第二生长培养基，配制该第二生长培养基以刺激所期望的产物的形成，如步骤830所示。应当理解的是，在至少一些实施方式中，在将藻类转移到发酵罐之前，将第二生长培养基添加到发酵罐中，从而使转移过程中对藻类的物理损害最小化，虽然取决于具体的藻类可以将这些步骤颠倒，但可以使步骤820之后剩余的第一生长培养基量、以及将转移过程中藻类可能造成的损伤最小化。为了促进以对藻类最小损伤的方式顺畅地转移，可以使用具有漏斗型下部的浓缩器罐855，其中藻类在漏斗型部分沉淀使得能够容易地除去第一生长培养基以及可以容易地转移至发酵罐。一旦藻类和第二生长培养基在发酵罐870中组合，保持该过程直到通过藻类产生的期望产品达到足够的量，并在该时刻移出这些产品用于进一步的用途，如步骤835所示。可以以与PBR850基本相同的方式配置发酵罐，以及在一些实施方式中，可以重新使用PBR850作为发酵罐。
在使用中，第一生长培养基可以是例如富含氮的，因此可以促进选定的藻类的快速生长。转移至浓缩器以及除去第一生长培养基快速地降低了氮和其他养分(包括藻类中的微量元素)的水平。然后，第二生长培养基可以是例如纯水或除去氮的培养基。在该时间点，选定的藻类开始产生脂质或其他可以利用的产物，例如作为生物燃料。浓缩过程的结果和优点在于可以快速地加速生长培养基中的养分的消耗，从而反过来加速期望的产物的产生。例如，如果不使用浓缩过程，在第一生长培养基中的氮期望的消耗可能会需要10天左右，在该时间段，藻类生长的速率可以为基本上次优的，而在相同的时间藻类没有产生期望水平的有用的产物。通过比较，可以在数分钟内或最多数小时内完成本发明的浓缩步骤，这样生产的开始出现的非常快，使得效率提高并且操作成本更低。
不可避免地，不管备用***的质量均会出现电源故障。藻类在一定程度上是脆弱的，延长时间的功率的损失会杀死在PBR和发酵罐中生长的藻类。为了防止在电源故障事件中藻类不必要的损失，期望提供软故障程序(soft-fail sequence)，利用该程序尽可能长地延长藻类的寿命。图9中描述的软故障过程，在步骤905进行检测以确定功率是否处于合适的水平。如果为是，实质上检测电源故障的过程循环继续。如果功率未处于合适的水平，将该过程前进到步骤910，并中断任何生长培养基的制备，以及任何藻类的转移或排除。此外，如步骤915所示，关掉LED。进一步，在步骤920，自动地扩大设定在控制***的温度耐受度。此外进一步，针对待生长的特定的种类，调节罐中的目标pH，以使培养物的活性最大化，如步骤925所示。最终，将连续运行的气流转换为间歇运行，使得在罐中的混合继续，尽管不是在相同的水平。应当理解，步骤910~930可以基本上同时进行或分步进行，其中可以取决于特定的运行条件、藻类的种类(一种或多种)、以及功率恢复之前预计的时间，调节每个步骤之间的时间增幅。最终，如步骤935所示，再次检测功率的状态。如果功率已经恢复，恢复步骤910~930的运行到正常条件，如步骤940所示。如果功率还没有恢复，持续检测直到功率恢复或者备用功率损失。
应当理解根据上文已经描述了具有涉及照明、养分供给以及混合、藻类生长过程、生物质和其他产物的产生、以及软故障过程的新方面的新的和新型的生物修复***和方法。已经详细地描述了本发明优选的实施方式，以及本发明的多个方面的多个备选方式，本领域技术人员应当认识到，在本文给出的启示下，存在不脱离本发明的大量备选方式和等价方式。因此，不意在通过上述描述而仅通过所附的权利要求来限制本发明。

Claims (24)

1.一种生物修复***，包括：
光生物反应器，其用于提供选定种类藻类，
养分***，其用于向光生物反应器提供充足的生长培养基使得选定种类的藻类能够连续生长，
多相修复塘或池，其适合接收用来进行修复的有机污物以及还用于从光生物反应器接收选定种类藻类的接种。
2.权利要求1的生物修复***，其中所述多相池至少包括厌氧区域和好氧区域，以及用于在池内产生基本一致方向的流体流动的构件。
3.权利要求1的生物修复***，其中所述基本一致方向的流体流动是通过桨轮产生的。
4.权利要求1的生物修复***，还包括用于调节通过连续接种所提供的藻类的量的反馈环。
5.权利要求1的生物修复***，其中所述养分***包括控制***，该控制***用于对促进光生物反应器中的藻类生长所提供的选定的养分进行计量。
6.用于修复污物流的方法，其包括：
提供用于进行第一修复步骤的厌氧消化器区，该厌氧消化器产生可燃气体和流出流，
燃烧气体以产生热、电、以及CO2，
向光生物反应器提供一部分由所述燃烧步骤产生的热、电以及CO2，
向多相池提供另一部分由所述燃烧步骤产生的热、电以及CO2，
向多相池提供所述流出流以及由光生物反应器产生的稠密的藻类。
7.权利要求6的方法，其中所述光生物反应器包括在用于生长藻类的罐的整个罐体积中设置的大量光管。
8.用于加速藻类生长的光管，其包括：
用来发光的光源，以及
能够全内反射、放置在从所述光源发出的光的光程中的以接收基本上全部发出的光的棒，该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阶段光传播下去，以及在所述棒的消光阶段光的一部分被耦合掉。
9.权利要求8的光管，其中所述棒具有输入面，以及还包括
具有输入和输出面的均光器，所述均光器放置在光的和棒的光程中，并使得均光器的输出面包含在棒的输入面中。
10.权利要求8的光管，其中所述光源是LED。
11.权利要求8的光管，其中所述光源是激光。
12.权利要求8的光管，其中所述棒具有圆形的横截面。
13.权利要求8的光管，其中所述棒具有不是圆形的横截面。
14.用于含水环境的光管，其包括用于发光的光源，以及
设置在发出的光的光程中的能够全内反射的光学管，所述光学管具有基本相同长度的N个片段，其中，每个片段包括消光部分和未消光部分，以及所述消光部分的长度比所述未消光部分的长度的比例在棒的远端方向上增加。
15.生长藻类的光生物反应器，其包括：
具有底部和体积、并适合于包含液体生长培养基的罩，
放置于所述罩中并配置成照亮基本整个体积的多个光管，
在罩中的至少一个通流管，所述通流管悬浮在罩底部之上从而流体可以在所述通流管和所述罩的剩余体积之间流动，
设置在罐的底部或靠近罐的底部的扩散器，使得从扩散器释放的气泡在通流管中向上升起。
16.权利要求15的光生物反应器，其中，在运行中，所述通流管的顶部保持在所述罩中的液体生长培养基的表面之下，使得所述上升的气泡夹带所述生长培养基并且引起在通流管中的生长培养基和通流管外部的罩中的生长培养基之间的流体流动。
17.权利要求15的光生物反应器，其中所述至少一个通流管包括多个通流管。
18.权利要求15的光生物反应器，其中在平视图中所述罐是圆形的。
19.权利要求15的光生物反应器，其中在平视图中所述罐是矩形的。
20.权利要求15的光生物反应器，其中所述通流管是由隔板形成的空间。
21.一种光生物反应器，其包括：
至少具有一个光亮壁和适合于含有一定量的生长培养基的罐，
多个光源附着在所述至少一个光亮罐壁的外部以照亮基本上整个体积，
设置在所述罐中的至少一个通流管，以及
设置在所述至少一个通流管之下的至少一个扩散器，在当所述罐中填充有生长培养基时引起所述生长培养基中的流体流动。
22.用于促进藻类生长的鼓泡柱，其包括：
具有顶部表面和底部的罐，其适合于在顶部表面之下含有一定量的生长培养基，在所述生长培养基中有藻类生长，
基本位于所述罐的中心的光管，以用来照亮基本上全部量的生长培养基，
扩散器，适合于接收气流并且位于所述罐的底部附近，用于制造气泡流以搅动所述生长培养基，而不在所述罐中制造流体流动。
23.用于为藻类种类自动配制生长培养基的养分***，其包括：
用于接收养分的罐，
多个混合组分储蓄器，以及
用于选择性地添加养分给所述罐的多个计算机控制计量泵。
24.一种用于在藻类生长***的电源故障事件中最小化藻类死亡的方法，其包括下述步骤：
在运行时基于基本上连续基础，确定电源是否故障，
在电源故障事件中，自动地在处理器控制的条件下针对适合生长的特定的藻类种类扩大培养物温度耐受度，
在处理器控制的条件下调节pH以最大化培养物的活性，并且从连续模式转换为间歇地空气混合模式。
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