CN105008013B - 液态废弃物组成物的生物整治方法及设备 - Google Patents

液态废弃物组成物的生物整治方法及设备 Download PDF

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Abstract

通常在液态环境中的多种不同种类的废弃物组成物在反应器中采用种类众多的多种微生物被生物整治。该方法实现为其中所述微生物通过各种不同表面特性附连或结合至填充基质，所述填充基质位于反应器内，具有高表面积以及呈现为小微孔形式的高孔隙。通常采用多种不同类型的基质以有效地将空气溶解至水中，且使微生物的种类的多样性和浓度最大化。采用的反应器中理想地具有管，所述管中包含多种填充物和微生物，并包含至少一个穿孔竖筒，空气可流过该竖筒并优化氧气溶解进入各个生物整治阶段的液态环境中。

Description

液态废弃物组成物的生物整治方法及设备
技术领域
本发明涉及理想地于液态环境中的废物组成物的需氧生物整治，使其被转换或反应成为无害和/或合乎需要的终产物。所述转换通常在反应器中进行，其中含有多种且通常丰富的不同种类的填充基质，如不同大小、形状等，以最大化氧气自空气中溶入水中且增加多种微生物的浓度。所述基质具有非常大的表面积且具有不同的表面化学性质及物理性质，以吸收、结合或连接非常多样且多种的微生物，使尽可能有效地处理最大量废水的不同成分。填充基质的一个重要方面是其为高度多孔的且具有无数的微孔于其中，以帮助在其中保持微生物。所述反应器具有一个或多个穿孔管，所述一个或多个穿孔管包含一种或多种不同类型的填充基质，填充基质上具有一种或多种不同类型的微生物。
背景技术
迄今为止，废物处理系统通常专门用于有关范围狭窄或特定类型的化合物的去污化、固定化等，且通常是没有效率的。
美国专利第3,894,355号涉及采用固体或液体废物现场生长农作物的方法以及实施该方法的设备。所采用的现场提供为并列间隔关系(side-by-side spaced relation)，具有由成对的横向间隔开的延伸生长区域的整个长度的穿孔侧壁限定的像行一样的生长区域。相应生长区的侧壁的上部边缘安装为纵向间隔开直立，跨越关系分别反向的、V形托架构件中心被压低以提供纵向对齐的U型摇篮座支持性地接收连续管线段，其相邻的相对端交叉连接形成在一端封盖的连续管线，该管线的相对端适于连接至灌溉液体源，该灌溉液体源可为消防用水或废水处理厂的富养分流出液。沿每一生长区域纵向间隔开的管线装配有向下导向的弥雾喷头，该弥雾喷头被设置为在成对的侧壁间向下喷射所述灌溉液体，以提供向下的灌溉液体的滴流，依次通过纵向连续的高氮腐殖酸形成材料的顶层、与肥料混合的表层土壤层、覆盖层、骨粉层、表层土壤层、另一覆盖层、无机碱碳酸钾层、再一层表层土壤层、最后一层覆盖层，进入疏松团料层，该疏松团料层提供为支持生长的粮食作物的根。通过其淋滤作用，下降的滴流进入到疏松团料作为包含完全植物养分的易吸收细菌培养物，所述完全植物养分包括主要和微量元素以周期性地供给至植物，并生产出更完美和更多产的收成物。
美国专利第4,810,385号涉及适用于接种细菌培养液至流过或是已累积于收集系统中的废物的装置，收集系统包括形成封闭套件的多孔外盖构件，且所述套件中含有细菌培养物源，所述培养物适合接种收集系统，随着废物流(waste stream)流过所述封闭套件的多孔外盖构件，造成细菌被释放至所述废物流中。
美国专利第4,859,594号涉及一种新型从自然环境分离且纯化并基因改造的微生物、通过附着到基质以固定这些微生物的工艺、通过这些附着到基质的微生物而形成的生物催化组成物(biocatalytic compositions)、以及利用这些生物催化组成物将毒素污染的流(toxin-polluted streams)去毒(detoxification)。所述微生物为：(1)荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens，ATCC SD 904)；(2)荧光假单胞菌(Pseudomonasfluorescens，ATCC SD 903)；(3)洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia，ATCC SD 905)；(4)玫瑰红甲基杆菌(Methylobacter rhodium，ATCC 113-X)；以及(5)甲基杆菌属(Methylobacter species，ATCC 16138-X)。
美国专利第4,882,066号涉及一种组成物，其特征在于，作为多孔固体，其表面上散布几丁质材料的薄膜，并涉及一种采用几丁质本身，并且优选地为几丁质涂覆的组合物作为触体以自被金属污染物或卤化有机化合物污染的液体流(liquid stream)中去除这些材料。
美国专利第5,021,088号涉及一种从金属或多种金属的矿石分离且再生(recovery)的工艺，特别是战略性金属及贵金属，尤其是金。一种含碳且含金的矿石，尤其是碳质矿(carbonaceous ore)或碳质黄铁矿(carbonaceous pyritic ore)，用异养微生物(heterotrophic microorganism)或微生物外加剂(admixture of microoganisms)，于异养条件下培养及生长所述微生物，以对其进行接触并微生物预处理与浸出，使通过消耗碳源而减少所述矿石的碳含量。所述矿石在异养性预处理后，于自养条件下能更有利地移生一种或多种自养性微生物(autotrophic microorganism)，或经湿法冶炼(hydrometallurgically)处理，或两者皆有，以促进、加强且增加相对(vis-a-vis)于其它工艺而回收的金的量，在其它工艺中，金(1)在其它类似条件下单独通过湿法冶炼加工回收，或(2)在其它类似条件下，通过结合自养/湿法冶炼技术工艺在处理黄铁矿的过程中回收。
美国专利第5,211,848号涉及一种连续流动、固定式细胞反应器，以及一种生物处理工艺(bioprocess)，用于去毒化及降解挥发性有毒有机化合物。所述反应器为封闭式，且具有由固定或附连至惰性多孔填充物或载体的特定适应微生物菌株(adapted microbialstrains)所构成的生物触媒(biocatalysts)。将要被处理的污染的地下水、工业或都市废水，充分地稀释至达到生物可接受的毒物浓度，并且添加养分及调整酸碱值及温度。所述污染的液体作为进水(influent)，被引入到被分成二部分或隔间的封闭式反应器。空气被喷射(sparged)入至第一隔间的进水，以与所述进水混合及使所述进水充氧，其中有毒有机化合物排除最少。所述第二部分或隔间被填满有生物触媒。充氧的液体进水基本上以塞状流(plug flow)通过第二隔间，所述生物触媒生物降解(biodegrading)且化学改变有毒成分，因而去毒化所述进水。来自第一隔间的非有毒气体以及多余空气，假如有的话，会经过位于所述反应器上方的冷凝器(condenser)而被去除。液体会由所述冷凝器重冷凝(re-condensed)至液相。
美国专利第5,217,616号涉及在液流中降低有机和/或无机污染物的浓度的方法，该方法包括使所述液流通过反应器，所述反应器包含被固定的生物活性生物质，所述生物质包括有效数量的开放和基本上开放的空间以及多个生物活性体，所述生物活性体包含非水溶性聚氨酯基质，所述非水溶性聚氨酯基质在没有或实质上没有吸收剂的情况下，具有有效量的一种或多种能代谢位于所述基质上或基质内，或基质上和基质内的至少一种所述污染物。
美国专利第5,240,598号涉及一种微气泡产生器，其揭露用于最佳化氧气转移至生物反应器系统中的微生物接种物或生物触媒的速率及量。所述微气泡产生器以及相关的固定细胞反应器，在去毒化及清除(cleanup)非挥发性聚合物及挥发性有机物污染的水流是有用的。特别是，它们在持续的矿化(mineralization)及生物降解包含挥发性有机化合物的与工业与城市废水、废气以及地下水及其他水排放有关的有毒有机化合物中是有用的。该发明的一个实施例包括填充有小惰性粒子的微气泡腔，通过该微气泡腔，废水及氧气或其他气体在压力下被允许进入，接着通过文氏管腔(venturi chamber)以进一步减小气泡的大小。
美国专利第5,403,487号涉及二个废水源(wastewater feeds)的生化氧化，相较于传统城市废水流，一个含有至少多十倍的氨氮(ammonia nitrogen)，而另一个含有至少多十倍的氯化烃(chlorinated hydrocarbons)，所述二个废水源在接种有微生物(″细胞″)的曝气填充床生物反应器(aerated packed bed bioreactor)中被处理，所述微生物是依该任务特别培养和驯化的微生物。多个微孔合成树脂材料的任意形状件(通常被称为“多孔塑料”)，据推测不只提供了生物反应器的填充物，还提供了特殊触媒功能(catalyticfunction)，而该特殊触媒功能通常与生物载体(bio-support)无关。
美国专利第5,534,143号涉及一种微气泡产生器，其揭露用于最佳化氧气转移至生物反应器系统中的微生物接种物或生物触媒的速率及量。所述微气泡产生器以及相关的固定细胞反应器，在去毒化及清除非挥发性聚合物及挥发性有机物污染的水流是有用的。特别是，它们在持续的矿化及生物降解包含挥发性有机化合物的与工业与城市废水、废气以及地下水及其他水排放有关的有毒有机化合物中是有用的。该发明的一个实施例包括填充有小惰性粒子的微气泡腔，通过该微气泡腔，废水及氧气或其他气体在压力下被允许进入，接着通过文氏管腔以进一步减小气泡的大小。
美国专利第5,569,634号涉及一种制造的多孔体，该多孔体适合作为触媒的支撑，包含例如细菌的活细胞，且其对酸与碱有抗性(upset resistant)。所述多孔体具有显著大的平均孔径，约0.5至100微米(也就是5000至1000000埃)，具有的总孔体积为约0.1至1.5cc/g，其中大孔贡献的孔体积约0.1至1.0cc/g。所述多孔体为通过制备含有沸石以及一种或多种可选成分的最终颗粒的混合物而制造，可选成分例如无机粘结剂、挤压或成型助剂、烧毁剂(burnout agents)或形成液(forming liquid)，如水。
美国专利第3,563,888涉及一种包含废物的液体，该液体通过将其连续循环通过砂砾过滤介质而被生化处理，所述砂砾过滤介质浸没于液体中，同时连续取出液体的一小部分。含氧流体压力柱携带并提升所述液体废物通过一无障碍管道并重新向下循环通过所述过滤介质。在提升的过程中，来自流体的氧气渗透进废物中，以确保有效的有氧代谢。经处理的流出液被导向至储存区，或者优选地被输送到另一个槽以进一步处理。
美国专利第5,747,311号涉及一种利用微生物(microbes)将反应物化学改性的方法。所述方法包括提供包含塑料载体及附连至所述载体的微生物的微粒材料(particulatematerial)。所述微粒材料分散于分散液，且其比重小于所述分散液的比重。当所述微生物为厌氧时，则所述微粒材料具有的操作界面表面面积(operating interfacial surfacearea)为约2000至约240000平方米/立方米反应器体积。当所述微生物为需氧时，则所述微粒材料具有的操作界面表面面积为约1000至约30000平方米/立方米反应器容积。所述方法还包括建立通过所述微粒材料的所述反应物的流，有效地使所述反应物化学改性。
美国专利第6,231,766号涉及一种处理水体以将其纯化的方法。在该方法中，使要处理的部分水以至少每分钟约60英尺的速度连续流动，并连续搅拌，通气并送入其中设置有至少五种不同的微生物菌株的生物室(biochamber)中。在生物室内的微生物下方设置有筛，且在处理水的过程中，迫使空气通过该筛。
I.Wojnowski-Baryla等人的文章“Carbon and Nitrogen Removal by BiomassImmobilized in Ceramic Carriers”涉及在具有生物质(biomass)固定于陶瓷载体中的生物反应器中进行的实验。水力停留时间(hydraulic retentiontime，HRT)、载体结构以及内在循环速率(intrinsic circulation rate)对从城市废水中除去碳及氮的影响皆被探讨。两种类型的陶瓷载体被使用，在水力停留时间70、60、40、30分钟(载体I)和水力停留时间70、60、30、15分钟(载体II)，以及在循环速率60、40和20dm3/h下使用了两种陶瓷载体。最高的氮移除效率在载体II中反应30分钟后达到。在内在循环速率从20增加至60dm3/h时，氮移除效率从33.0％增进至47.2％，并且载体II中产生的剩余渣泥(sludge)减少。
I.Wojnowski-Baryla等人的文章“The Biodegradation of Brewery Wastes ina Two-Stage Immobilized System”涉及环形生物反应器(loopbioreactor)的研究，其中生物质被固定于陶瓷载体中。对内在循环速率对于通过固定的生物质的酿造废物(brewerywastes)的生物降解效率的影响以及对于产生剩余渣泥的影响进行了检验。内在循环速率为12、38、50dm3/h。实验在恒定载体承载率(loadingrate)下进行，当为17.9时，造成移除速率(removal rate)从0.40增强至0.48gCOD dm3h-1，并且限制了剩余渣泥产率(surplussludge productivity)从0.67至0.27g g-1移除化学需氧量(COD removed)。在二阶段固定系统中，确定了酿造废物的生物降解速率。在该二阶段固定系统中，水力停留时间为6小时，其足以在流出液中达到COD低于150mg dm-3。
发明内容
不同反应器中包含具有多种基质的多个反应器阶段，所述基质为多微孔的且具有高表面积。多种不同类型的微生物通过各种不同的表面特性附连至所述多孔基质。所述基质有利地是基于以下基础选择：能够吸引不同的多种微生物以及能够将空气溶解至水中。此外，所述反应器包含一个或多个穿孔的竖筒(chimney)，其进一步有助于氧气溶解(如侧向地)于各个反应器阶段中。所述反应器用于生物整治各种包含多种不期望的化合物(诸如氮、硫等)的液态废物组成物。
作为具有多个阶段，每个阶段包含其上具有微生物的填充基质的反应器的替代，反应器可包含一个或多个穿孔的生物整治管，所述生物整治管在其上包含一个或多个多孔基质，所述多孔基质包含一种或多种微生物。此外，所述反应器的非管区域也包含至少一种填充基质，该填充基质在其上包含一种或多种微生物。
本发明的一个实施例涉及用于生物整治液态废物组成物的设备，该设备包括反应器，所述反应器具有一个或多个侧壁穿孔的生物整治管，每一个所述管独立地在其中具有一种或多种不同类型的填充基质，所述基质是多孔的并在其中具有微孔；所述反应器具有非管反应器区域，所述非管反应器区域在其中包含至少一种填充基质，所述非管反应器填充基质是多孔的并在其中具有微孔；所述反应器在其中具有多种类型的不同微生物，所述微生物附连至所述填充基质；所述生物整治反应器具有至少一个穿孔的竖筒管；所述反应器具有进口，所述进口能够允许液体废物组成物进入所述反应器；所述应器具有进口，所述进口能够允许氧气进入所述反应器；并且所述反应器具有出口。
一种用于生物整治液态废物组成物的方法，所述方法包括以下步骤：将所述液体废水组成物输送至反应器，或将反应器插入到已有的废水组成物中；所述反应器包括一个或多个侧壁穿孔的生物整治管，每一个所述管独立地在其中具有一种或多种不同类型的填充基质，所述基质是多孔的并在其中具有微孔；所述反应器具有非管反应器区域，所述非管反应器区域在其中包含至少一种填充基质，所述非管反应器填充基质是多孔的并在其中具有微孔；所述反应器在其中具有多种类型的不同微生物，所述微生物附连至所述填充基质；所述生物整治反应器具有至少一个穿孔竖筒管；将空气输送给所述生物整治反应器并生物整治所述液体废水；以及从所述反应器发出处理过的废水。
附图说明
图1为根据本发明的处理反应器的剖面立视图；
图2为可选择性地与本发明的反应器联合使用的压载装置的剖面立视图；
图3为本发明的反应器的竖筒的立视图；
图4为示出填充物于其中的本发明的反应器的竖筒的立视图；
图5为包含附加的竖筒于其中的本发明的另一处理反应器的剖面立视图；
图6为槽中含有反应器的剖面立视图；
图7为不具有竖筒但利用排水泵的本发明的另一处理反应器的剖面立视图；
图8和图9为含有本发明的反应器于其中的槽的剖面立视图。
图10、图11和图12为示出含有液态废物组成物的生物整治槽的剖面立视图，其中利用槽外的反应器；
图13、图14、图15、图16和图17为本发明的生物整治的不同实施例的剖面立视图，其中利用两个反应器，且所述两个反应器位于含有液态废物组成物于其中的槽外；
图18和图20为示出本发明的另外的生物整治实施例的剖面立视图，其中五个反应器位于含有液态废物组成物的槽中；
图19和图21为本发明的进一步的生物整治实施例的剖面立视图，其中五个反应器位于含有液态废物组成物的槽中，而一个反应器位于槽外；
图22A、图22B、图22C和图22D涉及一实施例，其中不采用穿孔分隔器，如15A、15B、15C等，而是采用包含一个或多个在一种或多种微生物上的填充基质的一个或多个穿孔的管。更具体地，图22A为本发明的反应器的透视侧视图；图22B为本发明的反应器的顶视图；图22C为本发明的反应器的部分剖面侧视图；以及图22D为本发明的袜状物的顶视图。
具体实施方式
所述废物组成物包括在具有例如空气的氧气源的液态环境中通过采用各种微生物有氧整治而可处理的众多化合物、废物源及材料。无氧整治并不为本发明的一部分。废物组成物一般包括工业的、住家的、商业的、污水(sewage)、腐蚀性化合物等等。
根据本发明的方法及设备消除了含碳化合物、气味、有害化合物、有毒化合物、含氨化合物、铵、二氧化氮、三氧化氮、硫化氢、生物渣泥(bio-sludge)等。更具体地，工业废物的例子包括例如正己烷、苯、甲苯、二甲苯及其类似物的碳氢化合物，例如乙醇、甲醇、苯酚及其类似物的醇类，例如氨、苯胺、吗啡啉(morphline)及其类似物的含氮化合物，以及来自通常产生大量脂肪、油及油脂(grease)的餐厅及餐饮服务经营的废物。这样的化合物已经且可能阻塞下水道、管路等等。住家废物的例子包括溶解的糖源、废弃食品、脂肪、油脂、油及其类似物，以及溶解蛋白质、淀粉和当然的人体排泄物(human excrement)。商业废物的例子包括溶解的糖源、废弃食品、脂肪、油脂、油以及其类似物，以及溶解蛋白质、淀粉等以及来自动物(例如牛、马、猪、鸡等)的排泄物。污水的例子包括来自任何工业的、住宅的以及商业来源的废物，其当然是用管道输送至城市的处理厂。腐蚀性化合物的例子包括例如硫化氢及其类似物的含硫化合物、例如石灰和苏打及其类似物的含碳酸盐化合物、例如醋、肥料及其类似物的含硝酸盐化合物、例如醋及其类似物的食物来源、以及例如食盐及其类似物的含氯化合物。
被用于生物整治上述废物的微生物通常通过若干种不同的机制发挥作用，例如根除(eradication)、与其反应、形成复合物、分子分裂、形成例如二氧化碳、水、二氧化硫、亚硝酸盐、硝酸盐以及氮等的新化合物。如上所述，优选地在反应器中采用多种不同类型的微生物，使得高度多样性的微生物族群存在以有效地处理大多数，甚至所有的各种类型的在液态废物组成物中所发现的废物成分。理想地，所利用的微生物为发现于例如土壤、树木、池塘、湖泊、溪流、河流、谷物、植株、霉菌、孢子、真菌等的大自然中。微生物一般定义为是由细胞构成的且能够不需宿主细胞而复制。一个微生物的理想来源为已知可整治各种废物组成物的各种细菌。不同种类的细菌为数众多，且为该技术领域及文献中已知，并因此包括可生物降解含碳化合物的细菌，例如假单细胞菌(如，泡囊假单胞菌(Pseudomonasvesicularis)、恋臭假单胞菌(Pseudomonas putida))和嗜水气单胞菌(Aeromonashydrophila)、乙酰短杆菌(Brevibacterium acetylicum)；生物降解含氮化合物的细菌，例如硝化杆菌(如，维氏硝酸杆菌(Nitrobacter winogradskyi))及亚硝酸单胞菌(如，欧洲亚硝酸单胞菌(Nitrosomonaseuropaea))；以及生物降解含硫化合物的细菌，例如硫杆菌(如，脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans))等等。其它微生物包括各种真菌，例如天然存在于蕈类(mushrooms)、酵母菌及霉菌中的真菌。通常，它们缺乏叶绿素(chlorophyll)，具有由多糖(有时为多胜肽及几丁质(chitin))构成的细胞壁，并且为有性或无性繁殖。原生动物(protozoa)为简单微生物，其由大小为亚微观的(sub-microscopic)至肉眼可见的(macroscopic)单细胞机体(unicellular organisms)所组成。原生动物的种类包括肉质鞭毛虫亚门(sarcomastigophora)、盘蜷动物亚门(labyrinthomorpha)、顶复动物亚门(apicomplexa)、微孢子动物亚门(microspora)、醋孢门(acetospora)、黏体动物亚门(myxozoa)以及纤毛虫动物亚门(ciliophora)。优选地，在本发明的设备的同一生物整治阶段存在至少两种或三种，甚至四种或更多种类型的微生物，因为已发现它们摧毁、根除、消除各种含碳化合物、各种含氮化合物、各种含硫化合物、各种有毒化合物等或与这些物质反应。
为了有效，所述各种微生物必须经由各种基质而被附着、容纳、捕获、结合等，使得其在所述液态废物组成物流过例如反应器的处理设备时，不被所述液态废物组成物的流冲走。为了产生有效和高效的结果，本发明的填充基质具有各种理想的特性。一个重要的特性为高平均表面积，例如至少100平方米/立方米(M2/M3)，且理想地为至少约500M2/M3至约1000M2/M3，甚至200000M2/M3，其中M2为表面积，而M3为体积。一个或多个高表面积填充基质的更理想的范围为从约500M2/M3或800M2/M3至约10000M2/M3。至少一个，且理想地，多个生物整治阶段中包含二种或三种、甚至四种或更多种不同类型的填充基质。
另一个重要的特性为所述基质为多孔状，且具有大量的孔洞于其中。所述孔洞的平均尺寸理想地小，但足够大以容纳一种或多种包含各种微生物菌落的微生物。所述平均孔径可于宽广的范围内变动，例如从至少约1微米至约150微米，或高达约250微米，且甚至高达约500微米。更理想的孔径范围为从约4、或约20、或约30、或约50微米至约75微米或约100微米。所述孔理想地不只于所述基质表面上存在，也于基质内部存在，且完全穿过基质，使得所述基质通常具有“开放孔结构(open pore structure)”。
如上所述，另一重要的特性为多种微生物，举例而言，2、3、4、5等种微生物被施用、附连、固定等至所述填充基质。这种结合可以多种方式、模式或表面特性发生，例如物理性地或物理化学性地。物理性附连可通过具有粗糙表面的基质，以帮助机械性地固定微生物于其上。物理化学性附连可通过微生物至基质的双极交互作用(dipolar interaction)而发生，例如范德华力(Vanderwalls forces)等。物理化学性附连也可通过微生物的阳离子或阴离子部分相应地与基质的阴离子或阳离子部分作用而发生，也可通过极性或非极性键结(polar or non-polar bonding)而发生。类似地，微生物的离子性或非离子性部分可通过离子性或非离子性键结而被附连。二氧化硅(SiO2)提供阴离子性表面特性，而氧化铝(Al2O3)提供阳离子性表面特性。离子交换树脂(阳离子、阴离子)也可利用阴离子性及阳离子性的引力来固定多种微生物。类似地，微生物的疏水性部分可被附连至基质的疏水性部分，或通过亲水性-亲水性对齐等。聚乙烯(polyethylene)及聚四氟乙烯(Teflon)提供疏水性表面特性，丙烯酸类(acrylic)聚合物提供亲水性表面特性。上述微生物与多孔基质的附连使得所述微生物在整个生物整治过程中保持固定。
本发明一个重要的方面为多种且通常大量的不同类型的多孔基质被使用于单个反应器中。基质通常包括矿物质、碳基质、陶瓷、金属基质、聚合物或塑料及其类似物。各种矿物质的例子包括黏土(clay)、硅藻土(diatomaceous earth)、漂白土(fuller’s earth)、二氧化钛(titanium dioxide)、二氧化锆(zirconium dioxide)、氧化铬(chromiumoxide)、氧化锌(zinc oxide)、氧化镁(magnesia)、氧化硼(boria)、氮化硼(boronnitride)、浮石(pumice)、熔岩(lava)，包括压损熔岩(crushed lava)、硅钙石(celite)、熔渣(slag)及其类似物。碳基质的例子包括木炭(charcoal)、煤炭(coal)、热解木(pyrolyzewood)或木屑(wood chips)、活性碳(activated carbon)及其类似物。陶瓷一般为硅酸盐(silicate)、氧化铝(alumina)、富铝红柱石(mullite)且包括砖(brick)、瓷片(tile)、硬陶土(terra cotta)、陶瓷(porcelain)、例如钠玻璃(sodium glass)或硼玻璃(boron glass)的所有类型的玻璃(glass)、珐琅(porcelain enamel)、例如氧化铝(alumina)、碳化硅(silicon carbide)、碳化硼(boron carbide)等的耐火材料。金属基质包括铁(iron)、镍(nickel)、钴(cobalt)、锌(zinc)、铝(aluminum)等等。
聚合物或塑料构成另一分类的多孔填充基质，且包括同元聚合物(homopolymer)、共聚合物、图形共聚合物(graph copolymer)及其类似物，例如聚苯乙烯(polystyrene)或苯乙烯和/或α-甲基苯乙烯(α-methyl styrene)与丙烯腈(acrylonitrile)的共聚合物、以及苯乙烯/丙烯腈的共聚合物(SAN)、苯乙烯(styrene)与丙烯腈及二烯橡胶(dienerubber)的三元共聚合物(terpolymer)(ABS)、丙烯酸酯弹性体改性的苯乙烯/丙烯腈共聚合物(ASA)、乙烯(ethylene)/丙烯(propylene)/二烯单体(diene monomer)(EPDM)橡胶改性的苯乙烯/丙烯腈共聚合物(ASE)、以及苯乙烯与顺丁烯二酸酐(maleic anhydride)的共聚合物(SMA)；聚烯烃(polyolefin)，例如聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)和它们的混合物；氯化聚氯乙烯(chlorinated polyvinyl chloride，CPVC)；聚碳酸酯(polycarbonate，PC)；热塑性聚酯(TPES)，包括聚对苯二甲酸丁二酯(polybutyleneterephthalate，PBT)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)及芳香族聚酯(aromatic polyester)；聚醚酯分段共聚合物(polyether-ester segmentedcopolymer)，例如杜邦公司(DuPont Corp.)的hytrel*；聚氨酯(polyurethane，PUR)；聚苯乙烯及聚氧化二甲苯(polyphenylene oxide，PPO)的混溶掺合物(miscible blends)，商购自通用电器公司(General Electric Company)的Norel；聚缩醛(polyacetal，POM)；丙烯酸(acrylic acid)、甲基丙烯酸(methacrylic acid)、丙烯酸酯(acrylic ester)、甲基丙烯酸酯(methacrylic ester)的聚合物；聚酰胺亚酰胺(polyamide-imide)；聚丙烯腈(polyacrylonitrile)；聚芳香族砜(polyarylsulfone)；聚酯碳酸酯(polyester-carbonate)；聚醚亚酰胺(polyether-imide)；聚醚酮(polyether-ketone，PEK)；聚二醚酮(polyether-ether-ketone，PEEK)；聚芳醚酮(polyalphaether ketone，PAEK)；聚醚砜(polyether sulfone)；聚苯硫醚(polyphenylene sulfide)；聚砜(polysulfone)；尼龙(nylon)；阴离子(anionic)或阳离子(cationic)交换树脂(exchange resin)、上述聚合物的任意组合以及回收的混合塑料等等。
所述填充基质的酸碱值可能是重要的，且可从约4至约10，且较佳地从约6.0至约8。
为了达到有效且彻底的液态废物组成物的生物整治，重要的是将本发明的上述方面包括在反应器中。此外，另一个重要的方面是，填充基质的大小、形状及类型应有助于大量的氧气溶解至水中，例如每百万重量份的废水中平均至少有约1重量份的氧气，理想地至少约2重量份的氧气，较佳地约3至约8重量份的氧气。
关于反应器的整体设计，各个反应器可具有各种形状和型式，包括长方形、正方形等，但理想地为伸长的柱或塔的型式，其中包含填充基质，填充基质带有含有多种类型微生物的孔。多种以湿式(liquid form)或干式(dry form)存在的微生物从商业来源或自然来源获得，其于插入处理区之前或紧接着插入处理区之后被加入。当需要时，微生物也定期地加入废水中。包含在液态环境中的废物组成物一般在靠近所述反应器的底部处加入，并且通常在所述反应器的底部空气被泵入(pumped in)。在轻微压力下加入的空气将会自然地上升通过所述反应器，并遇到液态废水组成物且使其上升。该空气-废水组成物接着遇到含有多种类型填充基质的反应器的各个阶段，而所述填充基质在其孔中包含多种类型微生物。如上所述，由于高含氧量是有效操作所述反应器所必需的，因此选择填充基质以提供所述空气与水良好的混合，并从而融合所述空气为较小的气泡，并溶解部分氧气于水中。因此，选择基质，使得彼此形成紧密充填且具有高填充系数(packing fraction)，即所述基质的体积，例如整体或外部体积(overall or exterior volume)，除以所述反应器的至少一生物整治阶段的整体内部体积，且较佳地所述反应器的所有生物整治阶段的整体内部体积，得到的值是高的，例如至少约10％，理想地至少约50％，且较佳地约至少95％体积。高填充系数通常也避免形成使空气通过(channel through)所述反应器并避免良好混合的通道。在所述液态废物组成物处理的过程中，溶解的氧气将帮助或与微生物反应，以根除、攻击、反应、复合以及以其他方式转化所述废物组成物，使其成为无味(odorless)、去毒(detoxified)、无害或理想的终产物。
本发明采用的反应器的另一方面为由于上述的参数，通常可以得到较短的滞留时间(resident times)，其允许使所述微生物生物整治或处理水中的所述废物组成物。因此，从约2小时至约48小时，且通常从约6小时至约24小时的滞留时间是期望的。
由于采用一个或多个空气输入腔(air input chambers)，使用多个穿孔的分隔器或支撑盘(因而使用多个处理阶段)、使用一个或多个液态废物组成物进料输入口(feedinputs)、多种不同含有多种类型微生物的多孔基质，可采用多种不同类型的反应器。因此，应理解，下面对于不同反应器的描述，仅涉及许多可能的不同类型反应器中的一些。
现在参照附图，其中所有附图中的相似名称/标号是指相似的部件。参照图1，反应器R可为具有横截面的任何形状，所述形状可为正方形、矩形或圆柱形等。所述反应器包括实体外墙(solid outer walls)11，其由非腐蚀性材料(corrosive-free material)制成，例如不锈钢及塑料。该反应器通常具有底腔18，其于轻微压力下接收空气或含氧气体。空气通过空气泵(未示出)进入所述反应器，空气泵通过供气管或导管1供给空气，并通过反应器空气进气管5进入所述反应器的顶部，所述反应器空气进气管5由抗腐蚀性材料制成，例如不锈钢或塑料。空气进样管5为实的(solid)，除了其具有开口或穿孔24的底部，这些开口或穿孔24允许压缩空气(pressurized air)进入气压腔(air pressure chamber)18。空气进气管5通过可为机械配件(mechanical fitting)、焊接(weld)等的连接部(connection)20连接至反应器底板19。当空气流进一般延伸所述反应器整个底部的气压腔18时，由于其处于压力下，因此被迫使通过具有微小开口的微多孔扩散器(micro-porous diffuser)16，使得空气以微小气泡的形式被允许进入液态废物组成物腔17。微多孔扩散器为发明所属技术领域及文献所知，且易于商购。
包括提升手柄(lift handle)8的反应器R可被插入任何液态废物组成物环境中，例如池塘、储存罐、污水箱(sewage enclosure)或其它受限区域(confined area)中。反应器R可为独立式，即简单地放置于液态废物组成物箱中，其中位置压载装置(situationballast)可被添加至反应器底部。图2示出包括抗腐蚀底部34的压载装置的一种类型，具有形成箱的侧壁或壳体32，箱中包含例如混凝土的压载材料33。该任选的压载装置可固定至反应器R的底部，如通过螺栓31或其他固定件进行固定。作为另外一种选择，反应器R可任选地通过固持耳(holding lug)7附接至一支撑部，例如废水处理槽的壁。
所述液态废物组成物通过废水入口部21被加入至反应器。废水入口21可为肘形(elbow)，具有在其另一端的开口且任选地可被穿孔。当放置于其中含有液态废物组成物的槽中时，所述液态废物组成物将流进液态废物组成物腔17，并于其中与空气气泡10混合。由于受迫空气流经穿孔空气输送管(air carrier pipe)(即竖筒(chimney)9)产生拉力，该拉力将导致所述液态废物组成物向上流通过所述反应器。也就是说，该反应器的构思为底部输入空气，以及接着使液态废物组成物向上流经各个其中具有穿孔(perforations)13的穿孔分隔器(perforated separators)15A、15B、15C等，并进而经过所述反应器的各种阶段。所述分隔器中的各种穿孔开口的大小足够允许空气及水流过，但通常且理想地不允许填充基质通过。图4示出了具有高表面积的各种基质被放置于穿孔竖筒9中，以产生用于空气气泡的弯曲路径，从而促进氧气溶解于废水中。
穿孔分隔器15A为允许液态废物组成物17中的空气气泡10向上流过(流向箭头25)的扩散器，从而提供所述液态废物组成物与空气气泡额外的混合，使得空气中的部分氧气溶解于所述水中。
如上所述，本发明的一个重要方面为存在多个多穿孔分隔器，以在整个反应器中产生多个生物整治阶段，例如从2至约10个阶段，且理想地从3至5个阶段。形成于穿孔分隔器15A、15B和15C之间的区域被视为腔室15AA、15BB、15CC等。腔室15AA、15BB、15CC等充满填充基质30，其虽然可仅为一种填充物，但优选地为多种不同的填充物。也就是说，虽然形成于各个分隔器之间的各个腔室可仅包含一种填充物时，但高度优选地是，多种不同种类的填充物存在于反应器R中，并且多个不同种类的填充物也存在于每个腔室15AA、15BB、15CC、15DD等中。
根据本发明的上述方面，腔室15AA包含填充基质，所述填充基质在空气气泡与水的混合方面是有效的，以溶解氧气于水中。根据本发明的方面的填充基质30A具有高表面积以及大量的具有如上所述大小的孔。至少一种类型的微生物位于填充基质30A中，附带条件为整个反应器R包含有多种微生物，也就是说至少两种，且通常多种类型，例如从约两种至约三百种微生物。利用众多的微生物，使得所述反应器在根除、去毒、复合或以其他方式处理其中含有多种不同类型废物的液态废物组成物有效，进而形成非常有效的反应器。
由于气泡10比水轻，其向上流经腔室15AA，并造成液态废物组成物向上流，使得连续混合空气及所述废物组成物，从而不断使一些氧气溶解于水中。经过所述填充基质30A的所述液态废物组成物的向上流动使所述废物组成物的溶解的分子成分最后接触包含于所述基质的孔中的微生物，使所述废物组成物分子被生物整治。所述混合空气气泡及所述液态废物流的过程、氧气溶解于水中以及所述废物组成物的各种分子成分与微生物的接触，在各个腔室15AA、腔室15BB、腔室15CC等中是连续的。在其中反应器R未浸入水体(如池塘)但通过管道直接供入到该反应器基部的环境中，氧气溶解于每个腔室的水中，且随液态废物组成物向上行进通过该反应器，从一个腔室到下一个上层腔室，废物组成物的量持续地减少。由于废物组成物必须沿弯曲路径通过各种填充物床以及固有的长滞留时间，所述废物组成物在抵达反应器的顶部时，废物组分基本上被耗尽。也就是说，该液态废物组成物被处理成使得仅处理过的或高度处理过的水通过穿孔顶板6从所述反应器的顶部排出。
各种穿孔分隔器15B、15C、15D可与穿孔分隔器15A相同或不同。一般来说，各个腔室15AA、15BB、15CC中包含多个基质，使得各个阶段，也就是腔室15AA、15BB、15CC等处理所述液态废物组成物的各种成分。至于微生物，在每一个腔室中通常存在同样的情形。也就是说，虽然整个反应器含有至少两种不同种类的微生物，优选地，各个腔室中存在多种微生物，且不同腔室可含有与上面腔室或下面腔室可不同，但优选类似的多种微生物。总之，所描述的图1中所示的反应器R构成了非常有效的生物整治设备及方法。
图1的反应器的任选但优选的方面为其包含具有穿孔12于其中的竖筒9。竖筒9可通常位于所述反应器的中心，例如靠近空气进气管5。在图1的实施例中，有两个位于空气管5每一侧的竖筒9，其中所述竖筒于其底部被穿孔36，且于其顶部在穿孔顶板6处也被穿孔36。因此，空气气泡10以及液态废物组成物可进入竖筒9的底部，并向上流过所述竖筒。该没有被穿孔分隔器15A、15B、15C等阻碍的向上流动对于空气及液态废物组成物产生连续的循环并向上经过各个腔室是重要的。虽然竖筒9中可包含一种或多个填充基质，但优选地，如图4所示，其不包含任何填充基质。此外，竖筒9中的空气气泡从其离开进入各个腔室，确保空气与液态废物组成物额外的混合，且更重要地，帮助已溶解的氧从水中的竖筒扩散到设备的填充腔室中。
图3和图4是关于竖筒9的侧视图。该竖筒具有多个穿孔于其中，穿孔通常以附图标记12表示，为椭圆形。然而，穿孔12的确切形状可变化，只要其总体上足够大，以允许空气气泡及具有溶解的氧的液态废物组成物从其穿过，但抑制填充基质30从其穿过，如图11中所示。竖筒的顶部与底部包含穿孔36。
本发明的另一反应器示于图5，其与图1非常相似，其中相似的标记代表相似的部件，因此所述各种部件、组成及其工艺描述将不再重复，但在此以引用方式全部并入。
图5的反应器与图1的反应器的不同之处在于存在于所述中心竖筒9侧面的两个附加竖筒9。附加竖筒于其接近分隔器15A的底部36及于其接近穿孔顶板6的顶部也穿孔，使得空气及液态废物组成物可从其流过。如同图1的实施例，所述附加竖筒有用于循环空气及液态废水穿过各个腔室15AA、15BB、15CC等，以确保于所述腔室中空气及水的进一步混合，并且还促进氧气溶解于水中、废物成分与微生物接触等等。
图6的实施例涉及使用分别容纳于分开的槽中的两个反应器，于其中处理液态废物组成物，籍此，左槽的液态组成物溢出至中间槽的组成物，接着溢出至右手边的槽并随后从废水输出管线(wastewater output line)3出来。更具体地，空气泵26通过空气供给管线1提供空气进入左手边的槽的反应器和中间槽的反应器。这两个槽独立地可与图1及图5中描述的槽相同。所述两个槽的操作如上述针对图1及图5所描述，因此为简洁起见将不再描述，但上面的描述在此以引用方式全部并入。因此，各个槽独立地处理该槽内的液态废物组成物，并将处理过的废水排放出所述槽的顶部。左手边槽中的流出物(effluent)被清洁过并通过溢流管(overflow pipe)转移至中间槽。因为未处理的液态废物组成物通过输入管2被加入至左手边的槽，最终会达到平衡。来自左槽且流进中间槽的流出物通过该槽中的反应器而被处理，且再次达到平衡，其中中间槽的废水已被生物整治，使得其流出物基本上是洁净的。来自中间槽的流出物，接着溢流至右手边的槽，在此可被排放。
另一反应器的实施例示于图7中，其与图1和图5中示出的反应器相似。因此，图7中绝大部分的部件标号与图1和图5中的相同，因而图7的反应器的部件和操作的描述与图1和图5非常相似，故将不再重复，而是在此将上述对于图1和图5的描述以引用的方式全部并入。图7的反应器与图1和图5中的反应器的不同之处在于其不包含任何竖筒9，而是排水泵29通过废水进水管28及随后通过反应器进水管27，将液态废物组成物泵入液态废水组成物腔17，于该处与来自气压腔18而进入的空气气泡混合。图7的反应器设计比图1和图5中给出的反应器更有效。由于图7的反应器并不包含竖筒，所以来自腔17的空气及液态废物组成物的流将被迫使从腔室15AA至腔室15BB及随后至腔室15CC等，流过填充物，并且因此延长滞留时间。较长的滞留时间允许更多的空气气泡被填充基质30A、30B、30C等捕获，以进一步强化溶解的氧水平，从而强化生物整治。因此，来自图7的反应器的流出物一般为纯水。
图8至图20涉及利用各种反应器(例如图1、图5及图7中给出的类型)的生物整治系统。图8至图20中所有的系统皆包括各种类型含有需要整治的液态废物组成物的槽。附加项包括空气泵26、排水泵29、任选的养分和/或化学品进料泵14或必要的养分和/或化学品进料泵35以及再循环泵23。如本发明所属技术领域的技术人员所明白，上述反应器、槽及各种泵的组合导致大量的系统，其根据本发明其皆可被采用。为简洁起见，由于各种反应器已于上文描述，其部件、操作和方法将不再重复，但将其以引用的方式全部并入。也如本发明所属技术领域的技术人员所明白，有关不同生物整治系统的图8至图20，通常可以流路图(flow diagram)描述，其教导本发明的上述项目的各种组合。因此，将给出各个附图的简单描述。这些生物整治系统通常可被用于大量的不同应用，例如上文所述的工业、商业、市政等应用。理想地，图6、图8至图15的实施例可被用于化粪池(septic tanks)、集油池(greaseinterceptors)、废水池(lagoons)及池塘。图16及图17给出的系统可用于处理工业废水，而图18至21给出的实施例非常适合用于废水处理厂曝气池(wastewater treatment plantaeration basins)、泵站(pump stations)、废水池及池塘。
图8涉及一种非常类似于图6的处理系统，除了图8的反应器为如图7中所给出的反应器，也就是说没有竖筒。因此，空气泵26通过空气管线1将空气泵入图8的左侧反应器以及中间的反应器。图8的左槽及中间槽皆包含排水泵29于其中，该排水泵29迫使液态废物组成物流通过管线28以及反应器进入管27，进入反应器的底部。生物整治因此如图7所述发生，因而将不再重复，但将其以引用的方式全部并入。和图6一样，例如来自餐厅的液态废物组成物，如脂肪、油及油脂，被泵入左槽，在该处其经由图7类型的反应器生物整治。左槽的处理后的液态废物组成物的一部分接着满溢至图8的中间槽中，在此其经由其中的反应器被进一步生物整治。接着，连续量的中间槽处理后的液态废物组成物的溢流满溢至右手槽，在该处其可被进一步处理或不处理，并接着通过废水出口管线3。图8和图6的一个任选的方面为养分和/或化学品泵14可被用于将各种养分泵入左手槽，例如碳酸氢钠或碳酸钙溶液，以调整碱度，使硝化细菌(nitrifiers)将含氨物质氧化为亚硝酸盐或硝酸盐，从而可实现硝化作用(nitrification)和脱氮作用(denitrification)。作为另外一种选择，泵14可被用来提供各种化学品(chemicals)至槽中，以进一步于其中处理废物组成物。
参照图9，其系统类似于图8，除了每个槽中的液态废物组成物的一部分被从槽中抽出且通过外部再循环泵23再循环，并随后至所述图7类型的反应器底部，而非利用位于槽中的排水泵29。
类似的生物整治系统示于图10、图11和图12中。如所述流路图所明示，液态废物组成物通过再循环泵23从槽中抽出，并通过进入管线28至反应器进入管27而被进料(fed)，于其中其被生物整治。反应器为图1或图5中所给出的类型，因为空气被泵入反应器，处理后或生物整治后的废物组成物通过管线4被再循环回反应器。任选地，养分或化合物可通过泵14被添加至所述反应器。图11的系统类似于图10，除了所述槽另外地包含图1或图5中给出的类型的反应器，且因此具有通过管线1而供给空气至反应器的空气泵26。图12的生物整治系统类似于图11的生物整治系统，除了排水泵29被用来将槽中的液态废物组成物，通过管线28泵入反应器进入管27中。
图13至图15的生物整治实施例相似。在图13中，液态废物组成物从槽中被抽出，并通过再循环泵23被输送至第一反应器，且于其中被生物整治后，流出的液废物组成物被输送至第二反应器的底部。两个反应器皆被提供空气。因此，两个反应器皆为图1和图5中给出的类型。处理后废物组成物接着通过回水管线(water return line)4从第二槽转移至所述槽中。所述工艺一直进行，直到所述槽中的所有废物组成物皆已被处理，使得剩余的水符合可接受的政府法规等。图13至图15的每一图的一个可选的方面为采用养分和/或化学品泵14，以将此类化合物泵入第一槽的底部。图14的系统类似于图13的系统，除了额外地，其含有如图1和图5中描述的空气泵型的反应器，其中通过空气泵26及进气管线1，空气被允许进入位于所述槽中的反应器中。图15的系统的实施例类似于图14的系统的实施例，除了采用排水泵29通过进入管线(feed pipe)28将废物组成物泵入反应器进入管27。图16和图17的整治系统分别类似于图13和图15，除了其仅通过出口管3从所述第二反应器的上部转移出至任何期望的位置，而非从所述第二反应器将处理后的废物组成物回收到所述槽。该系统被提议用于工业废水处理，其中工业废水将包含化学物质、烃类的不寻常组合，需要特别的微生物以进行生物降解。在这些系统中，不同类型的微生物及其突变体可被容纳于底部进料(bottom-fed)、上行设计的(upward-designed)填充圆柱状反应器中。
图18至图21的生物整治系统相似。在图18的系统中，五个反应器被包含于含有液态废物组成物的伸长的槽中。空气泵26供给空气进入五个反应器的每个反应器中，所述反应器为图1或图5给出的类型。所述废物组成物的输入通过槽进入管线2，而处理后的液态废水通过输出管线3离开。自然地，五个反应器的每个反应器将液态废物组成物吸引至反应器的底部，并通过反应器的顶部排出处理后的废水。由于液态废水组成物的流动为从伸长的槽的左边到右边，各个后续的反应器将进一步清洁废水，直到其在所述槽的右侧被处理且通过输出管线3排出。如其流路图可明显看出的，图20中所示出的生物整治系统类似于图18中所示出的生物整治系统，除了对于各个反应器采用排水泵，以通过管路28并进入反应器进入管27，将废弃物组成物转移至反应器的底部。如其流路图可明显看出的，图19中所披露的生物整治系统类似于图18，除了液态废物组成物的一部分通过再循环泵23及管线28而转移至反应器的进入管27。所述反应器具有通过泵26及管线1而被泵入其中的空气，因此所述反应器为图1或图5中给出的类型。在所述反应器中处理后，处理后的废物组成物被再循环回所述伸长槽。在此实施例中，再次地，养分或化学品可被任选地通过泵14添加至反应器。图20中所示出的生物整治实施例非常相似于图19中所示出的生物整治实施例，其中其包含位于所述槽外的反应器。然而，替代(in lieu of)废水流进位于所述槽中的反应器的底部，排水泵29被用于通过进料管28，供给液态废物组成物至反应器进入管27。
从图8至图21应可明显看出，根据本发明的构思，即利用具有竖筒于其中的反应器或不具有竖筒于其中的反应器，联合各种项目，例如排水泵、空气泵、养分泵、额外的反应器等，存在众多不同类型的生物整治系统。
本发明的另一实施例示于图22A、22B、22C和22D中。其中的相同的材料如废水，以及相同的标号一般指相同的混合物、结构、填充物、填充表面积、孔尺寸、微生物等，如上文所描述，该描述在此以引用的方式全部并入。
反应器R包括壳体，该壳体为限制图22A、22B和22C中示出的反应器的各种部件的外部屏障或壁11。反应器R一般不具有如图1、5和7中所示的穿孔分隔器15。术语“不具有”意指至多仅两个或一个竖直方向上但分开设置的分隔器存在，且优选地，一个也不存在，即不存在穿孔分隔器。
反应器可具有任意截面形状，如正方形、长方形、圆柱形、椭圆形等。通过空气泵(未示出)使得空气从空气供应管线1进入反应器。所述空气泵经由位于反应器上方且延伸至反应器底部空气腔18的空气管道5提供空气，其中空气管道的末端被穿孔使得包含氧气的空气可填充气腔18。由于空气处于压力下，其被迫使通过其中具有微小开孔的微孔扩散器16，从而空气以小气泡10的形式进入反应器。为清晰起见，空气气泡存在于反应器中的管40和非管区域42内，但并未示出。
本发明的一个重要方面是每个反应器中包含一个或多个管40，且一般地可由各种各样的材料制成，如陶瓷或金属，其中聚合物或塑料是优选的。为了强化混合以及将氧气溶解至液体废物材料中，所述管在壁侧部分具有穿孔41。穿孔的准确形状并不重要，只要它们足够大，能够使液体废物组成物和空气或氧气从中通过并在其中保持填充基质即可。
填充基质可由许多不同种类的材料支撑，如矿物质、碳基质、陶瓷、金属基质、聚合物或塑料等。这些基质材料的例子如本文上面所述，并在此全部以引用方式并入。填充基质的一个重要的方面是它们可为有助于将大量氧溶解入废水中的任意尺寸、形状和种类。溶解的氧的量为：每一百万重量份的废水，至少1重量份，理想地至少约2重量份，优选地从约3重量份至约8重量份。
包含在管40内或非管区域42内的填充基质30可与上文所述(以引用方式全部并入)的相同或不同，并具有高的平均表面积，是多孔的并在其内具有大量孔。具体填充基质的种类将取决于正处理的液体废水的种类而发生变化。本发明的一个重要的方面是采用多种基质。不同种类的基质30允许多种微生物附连至最适合它们的基质上。不仅在整个反应器中创建种类众多的微生物，而且某些微生物还能在特定的基质上比其它基质上更繁盛。优选地，使用多种填充基质，如，独立地，2、3或4种，多至更大数目如约10、20或30种，通常采用约2种至约5种或10种。
已发现在其侧壁上具有穿孔的管与填充基质位于所述管内的组合能有效地在废水中产生溶解氧，并导致废水的良好生物整治。管穿孔还允许空气和液体废物流进和流出所述管。
虽然反应器的非管区域42可独立地包含多种另外的填充基质30，但有利地是，它们仅在其中包含一种填充基质。仅采用一种填充基质的优点体现于对反应器进行维护的过程中。在维护过程中，将基质在不混合的情况下取出是重要的。仅具有一种基质能保证在取出时将不会有混合，而未混合的基质可在将来重新用于同一或不同反应器中。对基质的量能进行控制对反应器的有效性也是重要的。当基质混合时，就会失去控制。非管区域42中的填充基质的具体类型也将随正处理的废水的组成和种类而有所不同。
至少一个管，理性地大多数管，且优选地所有的管在其顶端开口，使得空气和溶解氧能容易地离开管，并进一步促进管上面部分的良好混合。因此，避免了死氧区(deadoxygen zone)。
有利地，大多数，且优选地所有的管都具有穿孔的底部，水平壁部分43，而穿孔的尺寸能保持填充基质于管道内，但允许液体废物和空气自由地从其通过。底部壁穿孔44因而允许来自气腔18和微孔扩散器16的空气迁移进入管(如图22A的中心管40)的底部。这一方面直接促进空气的良好混合，并将氧溶解在液体废物中，还提高微生物的浓度以促进生物整治。该方面还在其底部右手部分的图22C中示出。
在图22C的底部左手部分中示出了一个实施例，其中在底部水平端壁43上具有穿孔44的管40位于顶端开口的圆柱形底盖48上。然而，底盖48的底部没有穿孔。当所采用的填充基质类型是一定程度上可降解的，如得自天然材料的那些(如碳基质，诸如木炭、煤炭、木片等)，在使用中它们可劣化并分解成非常细的颗粒以粉尘、细微碎片等沉入底盖48。不是保留在反应器内，管40可与底盖48一起移出，将其中的粉尘从管中移出。如果填充基质被降解，或者发生填充基质沉落(setting)，可移除顶盖47，并将另外的填充物添加至管中。随后，可将管40和底盖48放回到反应器中。这些操作在延长的时间段内提升反应器的溶氧效率。底盖48单独地可从不同管上移除或不可移除。
盖47在反应器废水平面上面的一垂直距离处封闭管的顶端，从而防止填充基质在反应器倾斜时被从其中排出。盖47优选在其顶部具有穿孔，从而与管侧壁上的穿孔一样，将填充基质保持在管内，但易于使气体(例如空气)从其中流过。所述盖可采用与管相同的材料制成，且可以任何合适的方式附连至管上，例如摩擦配合、螺纹结合等。任选地，管不必具有盖，但这种情况是不理想的。
本发明的另一个实施例示于图22D中，其中采用多孔袜状物(sock)50将一种或更多种填充基质保持在其内。优选地，在每一袜状物中仅采用一种基质。而且，多个袜状物50可在每个管40中彼此上下堆叠，其中每个袜状物50可仅包含一种但不同种类的基质。通过将袜状物悬挂在带有活性好氧微生物的已有废水中，这些袜状物允许基质被微生物预先接种。袜状物的使用还允许检查随着时间的流失多少特定种类的矿物基质被耗尽。通过评价袜状物的初始设定与使用后实际移出(可能的降解)之间的重量差还可测量矿物基质的耐用性。
所述袜状物可便利地位于一个或多个管40中且包含部分量的位于管道中的填充基质，或包裹所有的管中的填充基质。因此，管中的部分或所有的填充基质在不将管40从反应器移出的情况下就能便利地移出。一个优点是，当液体废物的环境已经改变时，各个管中的部分或所有填充基质可被移出并用不同类型的填充基质替换。另一个优点是，管可用不同的微生物重新填充。当然，空气和液体废物材料可流进和流出所述袜状物。
袜状物50可由通常不易降解的任意种类的材料(如聚合物和天然纤维)制成。
理想地，反应器包含至少一个竖筒9，该竖筒9在其侧面以及水平顶端部分和水平底端部分具有穿孔。虽然该竖筒可包含填充基质，但优选地，其基本上不包含任何基质。也就是说，在该竖筒内的任何基质的量一般以体积计，少于约20％，或少于约10％，理想地少于约5％，且优选地少于约2％，最优选地是没有。采用高于这些量的填充物将显著降低反应器的有效性，并需要维护以去除各种填充基质。
采用竖筒对于反应器的有效运作是必要的。竖筒允许来自空气供应管线5的空气不受阻碍地从压力气腔18向上行进至反应器的顶部，从而对废水施加持续的上拉。换句话说，通过一个或多个竖筒的总体上不受阻碍的空气形成气泡形成向上的小气流，该小气流迫使废水更快地移动通过系统，并且还促进废水和其上包含微生物的填充基质的混合，从而导致更短的停留时间、更大量的溶解氧进入到废物液体中以及强化的生物整治。液体废物可不受限制地进入到该竖筒中并与其中的氧气混合，而且从该竖筒流出到周围的反应器区域中。
图22A至图22D给出的反应器的操作类似于上面关于多阶段反应器所描述的，因而在此以引用方式全部并入。概括而言，穿孔管40填充有填充基质，填充基质带有附连、结合或以其它方式施加至其上的需要的微生物，或者随后用附连、结合或以其它方式施加至其上的需要的微生物处理。多种不同类型的基质30可独立地在一个或多个管道使用，以及多种不同类型的微生物独立地在一个或多个管中，以生物整治液体废物。非管反应器区域42也具有添加至其的填充基质，这些填充基质独立地包覆有或包含一种或多种不同的微生物。然而，这些填充基质优选地如上所述，仅有一种类型。
随后，将液体废物添加至反应器，将来自空气源1的空气通过空气管线5添加至气腔18。比水轻的空气将自然地向上流，通过各个管，非管反应器区域和竖筒9，从而导致彻底混合，空气和氧气溶解进入废物材料中，通过向上的流动实现生物整治。为了生物整治液体废物中的各种类型的化合物，采用多种不同类型的微生物。当一种类型的废弃化合物供应量大时，微生物的数量将增加，以消化和消灭该废弃化合物。如所指出的，微生物优选结合至基质的孔中，使得它们不被冲走或流出反应器。由于本发明的通常高的氧溶解水平和长的保持时间，在到达反应器的顶部时，液体废物通常已被处理。一般而言，经由在另外的反应器中的随后处理，液体废物可被完全处理。经由随后通过常规系统和/或工艺消毒，就能获得纯化。
如果不包含袜状物的特定管中的填充物降解，其水平将下降，且可仅将另外的填充物添加到该管的顶部，使得其被完全填充。如果在管中采用了袜状物，降低的填充物水平则可通过打开袜状物并往其中加入另外的填充物进行校正。另一种选择是简单地将其用新的袜状物更换。
如所指出，采用底盖48能收集降解的或像粉尘的填充物，因而不阻止，而是允许空气通过特定管的底部进入。随反应器的延续使用，各种单个的管可被移出，重新填充并重新插入到反应器的主体中。然而，为了能够移出管，围绕位于未穿孔反应器壳体11中的所有管的基质有利地必须移除。如果非管区域42的基质未移除，周围的基质将填充进入由于管移出而留下的空隙空间(void space)中，从而阻止新管或同一管重新插入。作为另外一种选择，如果采用袜状物50，则其中的填充物可被移除，重新填充，然后插回管中，而无需将管从反应器中移出。
由于图1、5和7中所示的分隔器在反应器管实施例中并不采用，所以能够容易地接触和更换反应器中选定的或全部的不同类型的基质。例如，在维护或更换采用的一种或多种微生物和/或一种或多种填充基质时，包含袜状物的各个管道可在不需要移除任何剩余的基质和/或微生物的情况下而维护。因此，例如针对改变的废水环境的快速和有效的更换操作就能实现。有限量的填充基质的改变而非整个反应器内容的改变还导致各种填充基质的减少的移动摩擦接触等，从而导致各种填充基质的更少的破坏。其它的优点包括该反应器可适应于废水环境。此外，在给定环境中，可将一种基质移除而用更有效的基质替换。另一个优点是，针对更换填充物的停机时间减少，从而增加废水的处理时间。
如(例如)图22A至图22D示出的本发明的管反应器(tube reactor)40可部分或全部替换如上述所讨论的各种多腔室反应器，例如图6以及图8至图13中所示出的，不管该管反应器是位于槽内、容器等内，还是位于自然环境，如池塘、湖泊等中或其外部。而且，所述管反应器可与各种类型的循环(recycled)使用的生物整治系统，如图6以及图8至图13所示的那些一起使用。因此，对各种生物整治系统，如图6以及图8至图13所示的那些的描述在此全部以引用方式并入，且为简洁起见不再重复。
尽管根据专利法的规定，已经描述了最佳实施方式和优选的实施例，但是本发明的保护范围并不局限于此，而是由所附的权利要求书进行限定。

Claims (13)

1.一种用于生物整治液态废物组成物的设备，所述设备包括：
反应器，所述反应器具有一个或多个侧壁穿孔的生物整治管，所述一个或多个侧壁穿孔的生物整治管中的一者或多者独立地在其中具有一种或多种不同类型的管填充基质，所述管填充基质是多孔的并在其中具有微孔；
所述侧壁穿孔的生物整治管没有垂直隔开的穿孔分隔器；
所述反应器具有非管反应器区域，所述非管反应器区域在其中包含一种或多种不同类型的非管填充基质，所述非管填充基质是多孔的并在其中具有微孔；
所述反应器在其中具有多种类型的不同微生物，所述多种类型的不同微生物各自附连至所述管填充基质以及附连至所述非管填充基质；
所述反应器具有至少一个穿孔的竖筒管，所述穿孔抑制所述管填充基质和所述非管填充基质从其穿过；
所述反应器具有进口，所述进口能够允许液态废物组成物进入所述反应器；
所述反应器具有空气管道，所述空气管道能够允许氧气进入气腔，所述气腔能够允许所述空气进入所述一个或多个侧壁穿孔的生物整治管并且进入所述非管反应器区域；并且
所述反应器具有出口。
2.根据权利要求1所述的设备，包括多个所述侧壁穿孔的生物整治管，其中所述管填充基质和所述非管填充基质的平均表面积各自为每立方米100至200000平方米，所述管填充基质和所述非管填充基质的平均孔尺寸为1微米至500微米；其中少于10％的所述至少一个竖筒管的容积中包含填充基质。
3.根据权利要求2所述的设备，所述反应器在所述非管反应器区域中没有垂直隔开的穿孔分隔器，且其中多个所述穿孔的生物整治管具有底壁穿孔；其中所述氧气被允许进入所述反应器，其中所述竖筒管具有底壁穿孔，其中少于5％的所述竖筒管容积中包含填充基质；其中所有的所述穿孔的生物整治管中包含一种或多种管填充基质；其中所有的所述穿孔的生物整治管在所述管填充基质上包含多种微生物；其中所述微生物包括假单细胞菌，所述假单胞菌包括泡囊假单胞菌、恋臭假单胞菌、嗜水气单胞菌、乙酰短杆菌；硝化杆菌，所述硝化杆菌包括维氏硝酸杆菌；亚硝酸单胞菌，所述亚硝酸单胞菌包括欧洲亚硝酸单胞菌；含硫化合物，所述含硫化合物包括硫杆菌或脱氮硫杆菌；真菌，所述真菌天然存在于蕈类、酵母菌及霉菌中；或原生动物，所述原生动物包括肉质鞭毛虫亚门、盘蜷动物亚门、顶复动物亚门、微孢子动物亚门、醋孢门、黏体动物亚门和纤毛虫动物亚门；或它们的任意组合；其中多个所述穿孔的生物整治管具有位于所述管底部处的盖；其中所述管填充基质和所述非管填充基质的平均表面积各自为每立方米500至10000平方米，其中所述管填充基质和所述非管填充基质的平均孔尺寸为20微米至100微米；并且其中所述管填充基质和所述非管填充基质包括矿物质、碳基质、陶瓷、金属、聚合物或塑料，或它们的任意组合。
4.根据权利要求1所述的设备，在至少一个所述一个或多个穿孔的生物整治管中包括穿孔袜状物，其中所述袜状物的穿孔具有的尺寸能将所述管填充基质保持在其内；并且其中少于10％的所述竖筒管的容积中包含填充基质。
5.根据权利要求3所述的设备，在每个所述穿孔的生物整治管中包括至少一个穿孔袜状物，并且其中所述袜状物的穿孔具有的尺寸能将所述管填充基质保持在其内。
6.根据权利要求3所述的设备，其中所述微生物包含为细胞的化合物，且能够在没有宿主细胞的情况下复制。
7.一种生物整治处理系统，所述生物整治处理系统包括至少一个再循环管线和至少一个如权利要求1中所述的反应器。
8.一种生物整治处理系统，所述生物整治处理系统包括至少一个再循环管线和至少一个如权利要求5中所述的反应器。
9.一种用于生物整治液态废物组成物的方法，包括以下步骤：
将所述液态废物组成物进料至反应器，或将反应器插入到已有的液态废物组成物中；所述反应器包括：
一个或多个侧壁穿孔的生物整治管，所述一个或多个侧壁穿孔的生物整治管中的一者或多者独立地在其中具有一种或多种不同类型的管填充基质，所述管填充基质是多孔的并在其中具有微孔；
所述侧壁穿孔的生物整治管没有穿孔分隔器；
所述反应器具有非管反应器区域，所述非管反应器区域在其中包含一种或多种不同类型的非管填充基质，所述非管填充基质是多孔的并在其中具有微孔；
所述反应器在其中具有多种类型的不同微生物，所述多种类型的不同微生物各自附连至所述管填充基质以及附连至所述非管填充基质；
所述生物整治反应器具有至少一个穿孔竖筒管，所述穿孔抑制所述管填充基质和所述非管填充基质从其穿过；
所述反应器具有空气管道，所述空气管道能够允许氧气进入气腔，将空气输送至所述气腔，并随后输送进入所述一个或多个侧壁穿孔的生物整治管并且进入所述非管反应器区域并生物整治所述液态废物组成物；以及
从所述反应器发出处理过的液态废物组成物。
10.根据权利要求9所述的方法，其中少于5％的所述至少一个竖筒管的容积中包含填充基质。
11.根据权利要求10所述的方法，所述反应器在所述非管反应器区域中没有垂直隔开的穿孔分隔器；包括允许空气进入到所述反应器的底部，其中所述竖筒管具有底壁穿孔，其中所述竖筒管中不包含填充基质；其中所有的所述穿孔的生物整治管中包含多种微生物；其中所有的所述穿孔的生物整治管中具有底壁穿孔；并且其中所述穿孔的生物整治管中和所述非管区域中独立地仅具有一种填充基质。
12.根据权利要求9所述的方法，包括至少一个穿孔袜状物，所述穿孔袜状物中包含所述管填充基质，所述袜状物位于多个所述穿孔的生物整治管中，并且其中所述袜状物的穿孔具有的尺寸能将所述管填充基质保持在其内。
13.根据权利要求10所述的方法，包括至少一个穿孔袜状物，所述穿孔袜状物中包含所述管填充基质，所述袜状物位于多个所述穿孔的生物整治管中，并且其中所述袜状物的穿孔具有的尺寸能将所述管填充基质保持在其内。
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