CN107847883B - 用于执行反应的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开适于执行化学和/或生物反应的装置。还公开在单个反应室中在不同条件下同时执行至少两个化学和/或生物反应的方法。

Description

用于执行反应的方法和装置
相关申请
本申请从于2015年7月9日提交的美国临时专利申请No.62/190,262以及于2016年3月29日提交的英国专利申请No.GB 1605191.4获得优先权，这两个专利申请都通过引用包括在本文中，就如同在本文中充分阐述一样。
发明的领域和背景
在一些实施方案中，本发明涉及化学和生物学过程领域。在一些实施方案中，本发明涉及废水处理领域。在一些实施方案中，本发明涉及化学反应器领域。
化学和生物过程通常在一个或多个容器(反应器)中执行。此后寻求适于执行化学和生物过程的方法和装置。
例如，已知使用微生物消化来处理废水。此后寻求适于通过微生物消化进行废水处理的方法和装置，该方法和装置具有优于已知的此类方法和装置的优点。
已知在化学和生物反应领域使用文丘里泵，参见例如美国专利4,193,950、苏联专利申请SU 956559-A1以及中国实用新型公开CN204672151-U。
发明概述
本发明的一些实施方案提供用于在容器中执行化学和生物反应(例如，化学反应、废水的微生物消化)的方法和装置。在一些此类实施方案中，容器被提供，该容器允许界定在此类容器的同一室内部的两个或更多个容积，其中每个此类容积的反应条件是可独立控制的。
因此，根据本文教导的一些实施方案的一方面，提供了适于执行化学和/或生物反应的装置，该装置包括：
a.容器，该容器界定被配置为用于保持液体的至少一个反应室，该室具有上部、下部以及竖直轴线(当使用时)；
b.至少一个室入口，该至少一个室入口提供从室外部到室中的流体连通；
c.至少一个室出口，该至少一个室出口提供从室内部到室外部的流体连通；
d.上部混合组件，该上部混合组件位于室内部；以及
e.下部混合组件，该下部混合组件位于室内部且定位在上部混合组件下方，
每个混合组件包括文丘里泵，该文丘里泵具有动力流体入口、抽吸入口以及文丘里泵出口，该文丘里泵被配置为用于将室的对应部分(上部或下部)的液体内容物作为动力流体接受到动力流体入口中并且通过文丘里泵出口将流体排回到室的对应部分中。上部混合组件因此被配置为在操作时允许室的上部中的液体循环，而实质上不使室的下部中的液体循环，并且下部混合组件因此被配置为在操作时允许室的下部中的液体循环，而实质上不使室的上部中的液体循环。此类配置允许在容器的室的上部和下部中界定独立可控的反应条件，从而允许在反应室中不同条件下同时执行至少两个化学和/或生物反应(一个反应在上部中，另一个反应在下部中)。
通常，反应室是容器内部的单个连续容积，其不具有界定室的上部和下部之间的边界的实质的物理分隔件。
在一些实施方案中，当上部混合组件和下部混合组件都进行操作时，在室中存在中间部分(intervening portion)，该中间部分位于上部和下部之间，在中间部分中当混合组件进行操作时流体实质上不循环。
如在本文中更详细所论述的，在一些优选的实施方案中，上部混合组件和下部混合组件可独立操作，例如允许第一混合组件的操作和/或控制独立于第二混合组件的操作和/或控制。
在一些实施方案中，室具有大于最大宽度(例如，直径)的高度。在一些此类实施方案中，室是圆柱形的。在一些此类实施方案中，室是棱柱形的。在一些此类实施方案中，室大体上是圆锥形的。在一些此类实施方案中，室是截头圆锥形的。
在一些实施方案中，至少一个室入口提供从室外部到室的上部内部的流体连通。除此之外或另选地，在一些实施方案中，至少一个室入口提供从室外部到室的下部内部的流体连通。在一些实施方案中，该装置设置有提供从室外部到室内部的流体连通的第二(或更多)入口。多个入口允许将用于反应的液体添加到室的特定部分中。
在一些实施方案中，至少一个室出口提供从室的下部内部到室外部的流体连通。
在一些实施方案中，至少一个室出口提供从室的上部内部到室外部的流体连通。
在一些实施方案中，至少一个文丘里泵出口垂直于室的竖直轴线指向。在一些此类实施方案中，装置的所有文丘里泵出口都垂直于室的竖直轴线指向。在一些实施方案中，至少一个文丘里泵出口平行于室的竖直轴线指向，例如竖直向上或竖直向下。在一些此类实施方案中，装置的所有文丘里泵出口平行于室的竖直轴线指向。
在一些实施方案中，文丘里泵是不动的，也就是说，在操作期间保持在容器内部的固定位置。
在一些实施方案中，装置还包括与上部混合组件功能性地相关联的至少一个液体驱动泵，该至少一个液体驱动泵被配置为将室的液体内容物驱动到上部混合组件的文丘里泵的动力流体入口中。在一些实施方案中，与上部混合组件功能性地相关联的液体驱动泵是位于室内部的可浸入式液体泵。在一些实施方案中，与上部混合组件功能性地相关联的液体驱动泵中的至少一个不与下部混合组件功能性地相关联，从而允许通过启动该液体驱动泵来独立于下部混合组件操作上部混合组件。
在一些实施方案中，该装置包括与下部混合组件功能性地相关联的至少一个液体驱动泵，该至少一个液体驱动泵被配置为将室的液体内容物驱动到下部混合组件的文丘里泵的动力流体入口中。在一些实施方案中，与下部混合组件功能性地相关联的液体驱动泵是位于室内部的可浸入式液体泵。在一些实施方案中，与下部混合组件功能性地相关联的液体驱动泵中的至少一个不与上部混合组件功能性地相关联，从而允许通过启动该液体驱动泵来独立于上部混合组件操作下部混合组件。在装置包括与上部混合组件功能性相关联的至少一个液体驱动泵的一些实施方案中，与上部混合组件相关联的至少一个液体驱动泵中的至少一个也是与下部混合组件相关联的至少一个液体驱动泵中的至少一个。
在装置包括与上部混合组件功能性相关联的至少一个液体驱动泵的一些实施方案中，该装置还包括可控阀，该可控阀具有至少两种状态：
打开状态，该打开状态允许液体从液体驱动泵流动到下部混合组件的文丘里泵的动力流体入口；以及
关闭状态，该关闭状态防止液体从液体驱动泵流动到下部混合组件的文丘里泵的动力流体入口。
在一些实施方案中，此类可控阀允许通过选择可控阀的状态来独立于上部混合组件操作下部混合组件。
在一些实施方案中，装置还包括可控阀，该可控阀具有至少两种状态：
打开状态，该打开状态允许液体从液体驱动泵流动到上部混合组件的文丘里泵的动力流体入口；以及
关闭状态，该关闭状态防止液体从液体驱动泵流动到上部混合组件的文丘里泵的动力流体入口。
在一些实施方案中，此类可控阀允许通过选择可控阀的状态来独立于下部混合组件操作上部混合组件。
在一些实施方案中，与上部混合组件相关联的至少一个液体驱动泵中的至少一个不同于与下部混合组件相关联的至少一个液体驱动泵中的至少一个。在一些此类实施方案中，两个混合组件中的每个具有一组专用的液体驱动泵，也就是说，与上部混合组件相关联的所有液体驱动泵不同于与下部混合组件相关联的所有液体驱动泵。
在一些实施方案中，与上部混合组件相关联的至少一个液体驱动泵和与下部混合组件相关联的至少一个液体驱动泵是可单独操作的(即，可启动的)。在一些实施方案中，此类单独可操作性允许通过操作仅与下部混合组件相关联的液体驱动泵来独立于上部混合组件操作下部混合组件。在一些实施方案中，此类单独可操作性允许通过操作仅与上部混合组件相关联的液体驱动泵来独立于下部混合组件操作上部混合组件。
在一些实施方案中，液体驱动泵是电动泵。在一些此类实施方案中，泵的交流电源与变频器功能性地相关联，从而允许改变泵的泵送速率。
在一些实施方案中，装置还包括与上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通的气体管线。在一些实施方案中，该气体管线提供上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口和开放的空气之间的流体连通。在一些实施方案中，装置还包括与气体管线功能性相关联的气体入口阀，该气体入口阀具有至少两种状态：
关闭状态，该关闭状态防止气体通过气体管线流动到上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口；以及
打开状态，该打开状态允许气体通过气体管线流动到上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口。
在一些实施方案中，此类气体入口阀允许通过选择适当的阀状态来允许、防止和/或调节气体流入室的上部中。
在一些实施方案中，装置还包括与上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通的气体试剂储存器，在一些实施方案中，该气体试剂储存器为加压气体试剂储存器，在一些实施方案中，该气体试剂储存器通过气体管线(例如，如上所述)与上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通，在一些实施方案中，该气体试剂储存器通过阀(例如，与上述气体入口阀类似或相同)与上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通。
在一些实施方案中，装置还包括与上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通的液体试剂储存器，在一些实施方案中，该液体试剂储存器通过液体试剂管线与上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通，在一些实施方案中，该液体试剂储存器通过阀与上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通，该阀具有至少两种状态：关闭状态，该关闭状态防止液体试剂从液体试剂储存器通过液体试剂管线流动到上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口；以及打开状态，该打开状态允许液体试剂从液体试剂储存器通过液体试剂管线流动到上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口。在一些实施方案中，此类阀允许通过选择适当的阀状态来允许、防止和/或调节液体试剂流入室的上部中。
在一些实施方案中，装置还包括液体试剂储存器，该储存器通过如上所述的气体管线与上部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通。
在一些实施方案中，装置还包括与下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通的气体管线。在一些实施方案中，该气体管线提供下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口与开放的空气之间的流体连通。在一些实施方案中，装置还包括与气体管线功能性相关联的气体入口阀，该气体入口阀具有至少两种状态：
关闭状态，该关闭状态防止气体通过气体管线流动到下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口；以及
打开状态，该打开状态允许气体通过气体管线流动到下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口。
在一些实施方案中，此类气体入口阀允许通过选择适当的阀状态来允许、防止和/或调节气体流入室的下部中。
在一些实施方案中，装置还包括与下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通的气体试剂储存器，在一些实施方案中，该气体试剂储存器为加压气体试剂储存器，在一些实施方案中，该气体试剂储存器通过气体管线(例如，如上所述)与下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通，在一些实施方案中，该气体试剂储存器通过阀(例如，与上述气体入口阀类似或相同)与下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通。
在一些实施方案中，装置还包括与下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通的液体试剂储存器，在一些实施方案中，该液体试剂储存器通过液体试剂管线与下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通，在一些实施方案中，该液体试剂储存器通过阀与下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通，该阀具有至少两种状态：关闭状态，该关闭状态防止液体试剂从液体试剂储存器通过液体试剂管线流动到下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口；以及打开状态，该打开状态允许液体试剂从液体试剂储存器通过液体试剂管线流动到下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口。在一些实施方案中，此类阀允许通过选择适当的阀状态来允许、防止和/或调节液体试剂流入室的下部中。
在一些实施方案中，装置还包括液体试剂储存器，该液体试剂储存器通过如上所述的气体管线与下部混合组件的文丘里泵的抽吸入口流体连通。
在一些实施方案中，装置还包括位于室的上部内或紧邻室的上部(例如，在室的壁上)的上部温度控制器，以控制室的位于上部混合组件附近的液体内容物的温度，而实质上不影响室的位于下部混合组件附近的内容物的温度。在一些此类实施方案中，上部温度控制器包括位于室的上部内或紧邻室的上部的加热部件，以加热室的位于上部混合组件附近的液体内容物，而实质上不加热室的位于下部混合组件附近的内容物。在一些此类实施方案中，上部温度控制器包括位于室的上部内或紧邻室的上部的冷却部件，以冷却室的位于上部混合组件附近的液体内容物，而实质上不冷却室的位于下部混合组件附近的内容物。在一些此类实施方案中，上部温度控制器包括此类加热部件和此类冷却部件两者。在一些实施方案中，装置还包括作为温度控制器的上部加热器，该上部加热器位于室的上部内或紧邻室的上部，以加热室的位于上部混合组件附近的液体内容物，而实质上不加热室的位于下部混合组件附近的内容物。
在一些实施方案中，上部温度控制器被配置为控制室的待离开上部混合组件的文丘里泵出口的液体内容物的温度，例如，通过文丘里泵、液体驱动泵或文丘里泵和液体驱动泵之间的导管进行加热或冷却。
在一些实施方案中，装置还包括位于室的下部内或紧邻室的下部(例如，在室的壁上)的下部温度控制器，以控制室的位于下部混合组件附近的液体内容物的温度，而实质上不影响室的位于上部混合组件附近的内容物的温度。在一些此类实施方案中，下部温度控制器包括位于室的下部内或紧邻室的下部的加热部件，以加热室的位于下部混合组件附近的液体内容物，而实质上不加热室的位于上部混合组件附近的内容物。在一些此类实施方案中，下部温度控制器包括位于室的下部内或紧邻室的下部的冷却部件，以冷却室的位于下部混合组件附近的液体内容物，而实质上不冷却室的位于上部混合组件附近的内容物。在一些此类实施方案中，下部温度控制器包括此类加热部件和此类冷却部件两者。在一些实施方案中，装置还包括作为温度控制器的下部加热器，该下部加热器位于室的下部内或紧邻室的下部，以加热室的位于下部混合组件附近的液体内容物，而实质上不加热室的位于上部混合组件附近的内容物。
在一些实施方案中，下部温度控制器被配置为控制室的待离开下部混合组件的文丘里泵出口的液体内容物的温度，例如，通过文丘里泵、液体驱动泵或文丘里泵和液体驱动泵之间的导管进行加热或冷却。
根据本发明的一些实施方案的一方面，还提供在单个反应室中不同条件下同时执行至少两个化学和/或生物反应的方法，包括：
放置如本文所述的装置，使得该装置的竖直轴线成与重力矢量平行的45°内的角度(如图中所描绘的)，使得室的上部位于室的下部上方(在一些实施方案中，在紧邻的上方)；
将至少一种液体放置在容器的反应室内，使得上部和下部都含有液体；并且
执行以下中的至少一个：
操作上部混合组件以使室的上部中的液体循环，而实质上不使室的下部中的液体循环；以及
操作下部混合组件以使室的下部中的液体循环，而实质上不使室的上部中的液体循环，
从而在反应室的上部中执行第一反应(例如，化学和/或生物反应)，并且在反应室的下部中执行第二反应(例如，化学和/或生物反应)，其中第一反应的条件不同于第二反应的条件。
在一些实施方案中，该角度在平行于重力矢量的30°内、25°内、20°内、15°内、10°内以及甚至5°内。
在一些实施方案中，上部中的液体包括具有试剂的溶剂。在一些实施方案中，上部中的液体包括有机溶剂。在一些实施方案中，上部中的液体包括含水溶剂。在一些实施方案中，上部中的液体是废水，使得溶剂是水并且试剂是待消化的废物。
在一些实施方案中，下部中的液体包括具有试剂的溶剂。在一些实施方案中，下部中的液体包括有机溶剂。在一些实施方案中，下部中的液体包括含水溶剂。在一些实施方案中，下部中的液体是废水，使得溶剂是水并且试剂是待消化的废物。
在一些实施方案中，上部中的液体具有与下部中的液体不同的气体含量(例如，氧含量)。例如，在一些实施方案中，在室的上部中执行废水的好氧消化，而在室的下部中执行废水的厌氧或缺氧消化。
在一些实施方案中，室的上部中的液体具有与室的下部中的液体不同的密度。
在一些实施方案中，第一混合组件和第二混合组件以不同的方式操作，从而导致在上部和下部中的不同的反应条件。在一些实施方案中，不同的操作包括以下中的至少一个：
向上部和下部中的一个(在一些实施方案中通过相应的混合组件)添加不同的液体；
向上部和下部中的一个(在一些实施方案中通过相应的混合组件)添加不同的气体；以及
维持上部中的温度与下部中的温度不同。
本文的发明的一些实施方案提供使用微生物消化处理废水的方法和装置。因此，在一些实施方案中，至少一个反应室是消化室，该消化室被配置为用于保持废水并且适于容纳作为反应的废水的微生物消化。在一些此类实施方案中，装置还包括消化室的至少一部分(在一些实施方案中，消化室的大体上全部)内部的固体细菌生长支持物。
在一些实施方案中，在根据本文的教导的装置中执行相转移反应，其中高密相围绕下部混合组件位于室的下部中，并且低密相围绕上部混合组件位于室的上部中。在一些此类实施方案中，高密相是含水的，并且低密相是有机的(例如，包括密度小于1的溶剂，诸如油或石油醚)。在一些此类实施方案中，低密相是含水的，并且高密相是有机的(例如，包括密度大于1的溶剂，诸如二氯甲烷)。在一些此类实施方案中，高密相是高密度的水溶液(例如，浓缩的盐水)，低密相是含水的且具有较低密度。
除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在有冲突的情况下，包括定义的说明书优先。
如本文所使用，术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“具有”以及它们的语法变体将被视为指定所述特征、整体、步骤或部件，但不排除添加一个或多个附加的特征、整体、步骤、部件或它们的组。这些术语包含术语“由…组成”和“基本由…组成”。
如本文所使用，除非上下文另外明确指出，否则不定冠词“一个(a)”和“一个(an)”意指“至少一个”或“一个或多个”。
如本文所使用，当数值前面有术语“约”时，术语“约”旨在指示+/-10％。
附图简述
在本文中参照附图描述本发明的一些实施方案。结合附图的描述使得对本领域的普通技术人员来说可以如何实践本发明的一些实施方案变得显而易见。附图是为了说明性论述的目的，并且没有尝试比基本理解本发明所需更详细地示出实施方案的结构细节。为了清楚起见，附图中描绘的一些对象不是按比例绘制的。
在附图中：
图1是根据本文的教导的装置的实施方案的侧截面示意性描绘；
图2是适于实施本文的教导的一些实施方案的文丘里泵的实施方案的侧截面示意性描绘；以及
图3是根据本文的教导的装置的实施方案的侧截面示意性描绘。
发明的一些实施方案的描述
在本文中本发明的一些实施方案提供适于执行化学和/或生物反应(在一些实施方案中，使用微生物消化来处理废水)的方法和装置。
具体而言，本文的教导的一些实施方案提供允许在一个容器中在该容器的两个不同的容积中的两种不同条件下的液体环境中同时执行化学和/或生物反应的方法和装置。在一些此类实施方案中，每个不同容积中的液体环境是不混溶的(例如，有机和含水液体)。在一些此类实施方案中，每个不同容积中的液体环境是可混溶的但具有实质上不同的密度(例如，盐水和非盐水)。在一些此类实施方案中，每个不同容积中的液体环境是可混溶的。
具体而言，本文的教导的一些实施方案提供适于微生物消化的方法和装置，该装置包括界定至少一个室的容器，该至少一个室允许在一个室中顺序地或同时地执行好氧、厌氧以及缺氧的废水消化模式。
该方法和装置的一些实施方案避免需要多个容器来执行SBR(顺序生物反应器)消化。
在一些实施方案中，单个容器的使用节省空间、资源(维护和能量)、处理时间，并且相对简单地生产，这在环境友好的废水处理领域中是非常重要的因素。
一些实施方案允许使用优选的条件用于每种消化模式，例如通过允许选择性地加热和/或选择性地添加试剂(例如，细菌、营养物、pH调节剂、用于增加期望的气体(例如，可燃沼气)的产量的原料)，从而例如通过控制厌氧消化的温度和pH允许生成更多的甲烷形成细菌。
一些实施方案允许在不使用密封容器和/或洗涤器(scrubber)的情况下执行厌氧和缺氧消化模式。
本文的教导的实施方案适于处理各种类型的废水，包括黑水(blackwater)和农业肥料浆液。
参照所附的描述和附图可更好地理解本发明的教导的原理、用途和实施。在仔细阅读本文提供的描述和附图后，本领域技术人员能够实施本发明的教导而无需过度的努力或实验。在附图中，类似的附图标记始终指代类似的部分。
在详细解释本发明的至少一个实施方案之前，应当理解，本发明在其应用上不一定限于本文中所阐述的部件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够具有其它实施方案或能够以各种方式进行实践或执行。本文中所采用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。
根据本文的教导的装置的实施方案，装置10在图1中以侧截面示意性地描绘。装置10被配置为使用微生物消化处理废水。
装置10包括界定反应室14的容器12，该反应室14是被配置为用于保持废水的消化室，室14在使用时具有上部16a、下部16b和竖直轴线20。室14是高度大于直径的圆柱体。室入口22提供从室14外部到室14的上部16a内部的流体连通，从而允许向室14中添加废水以进行处理。室出口24提供从室14内部到室14外部的流体连通，从而允许从室14的上部16a移除已被充分处理的水。
在一些实施方案中，室14的至少一部分(例如，上部16a和下部16b中的一者或两者)包括固体细菌生长支持物(固定的生长培养基)，从而允许固着的微生物的发育。
在室14的底部存在会聚的(圆锥形)污泥积聚部分26，该污泥积聚部分设置有污泥阀28，该污泥阀28允许从室14移除积聚的污泥。
同轴地穿过室14的是不锈钢支撑杆30，处于上部16a内的上部混合组件32a以及处于下部16b内的定位在上部混合组件32a下方的下部混合组件32b固定到该支撑杆30。
混合组件32a和32b中的每个包括四个文丘里泵(装置10中总共八个文丘里泵)，其中四个在图1中描绘。在图1中，混合组件32a的文丘里泵中的一个被标记为36a，并且混合组件32b的文丘里泵中的一个被标记为36b。
在图2中，以侧截面示意性地描绘了文丘里泵36(与文丘里泵36a和36b相同)，该文丘里泵36具有动力流体入口38、抽吸入口40’和40”以及文丘里泵出口42。
装置10的文丘里泵(例如，36a和36b)被配置为用于将室14的液体内容物作为动力流体接受到动力流体入口38中。当移动的动力流体穿过文丘里喷嘴41并通过文丘里泵出口42流出时，根据伯努利原理(Bernoulli principle)，流体(诸如气体或液体)被吸入抽吸入口40’和40”中，以与移动的动力流体混合。
在混合组件32a和32b中，文丘里泵(例如，36a和36b)的文丘里泵出口42平行于室14的竖直轴线20向下指向。
混合组件32a和32b中的每个另外分别包括相关联的液体驱动泵44a和44b，每个泵44a和44b具有相关联的泵入口46。
每个液体驱动泵44a或44b与相应的混合组件32a或32b的四个文丘里泵功能性地相关联。具体而言，液体驱动泵44a和44b中的每个被配置为将室14的对应部分16a和16b(分别)的液体内容物吸入相应的泵入口46中，并驱动吸入的液体通过导管48流入相关联的文丘里泵(例如，36a和36b)的动力流体入口38中。
可使用任何合适的液体驱动泵来实施本文的教导。在一些实施方案中，液体驱动泵是可浸入式泵。在一些实施方案中，液体驱动泵是电动的。在一些实施方案中，电动液体驱动泵接收直流电力。在一些此类实施方案中，每个液体驱动泵的电源与可变电阻器功能性地相关联，从而允许操作者独立地设置液体驱动泵中的每个的泵送速率。在装置10中，液体驱动泵44是电动可浸入式泵，其接收交流电力以用于通过电缆(未描绘)操作，该交流电穿过可控变频器。此类配置允许操作者独立地设置液体驱动泵44a和44b中的每个的泵送速率，而不会对泵44施加过度的压力。
装置10还包括气体管线50a和气体管线50b，该气体管线50a同与上部混合组件32a相关联的文丘里泵(例如，文丘里泵36a)的抽吸入口40’流体连通，该气体管线50b同与下部混合组件32b相关联的文丘里泵(例如，文丘里泵36b)的抽吸入口40’流体连通。
具体而言，如图2中可见，气体管线50的远端52覆盖文丘里泵36的抽吸入口40’。当液体通过动力流体入口38以足够的速度进入文丘里泵36时，气体管线50的内容物通过抽吸入口40’被吸入文丘里泵36中。
在装置10中，气体管线50a和50b两者的近端56a和56b分别进入开放的空气中，从而提供所有八个文丘里泵(包括36a和36b)的抽吸入口40’和开放的空气之间的流体连通，使得当相应的液体驱动泵44a或44b被启动以将动力流体驱动到相应的文丘里泵(例如，36a或36b)的动力流体入口38中时，大气通过气体管线50a或50b的远端被吸入相应的气体管线50a或50b中，以通过相应的抽吸入口40’进入文丘里泵36，从而与动力流体混合。
装置10还包括电控气体入口针阀58a和58b，其各自分别与两个气体管线50a和50b中的一个功能性地相关联。每个气体入口阀58a和58b具有：
关闭状态，该关闭状态防止大气通过相应的气体管线50a或50b流动到相应的混合组件32a或32b的文丘里泵的抽吸入口40’；以及
多个打开状态，每个此类打开状态允许大气通过相应的气体管线50a或50b流动到相应的混合组件32a或32b的文丘里泵36的抽吸入口40’，其中每个打开状态与其它打开状态的区别在于阀58a或58b打开的程度，并且因此在于空气穿过气体管线50流到文丘里泵的速率。
装置10还包括两个气体试剂储存器60和两个液体试剂储存器62，一个试剂储存器60和一个液体试剂储存器62与每个混合组件32a或32b相关联，每个此类储存器通过两个试剂供应管线64中的一个与文丘里泵36a或36b的抽吸入口40”流体连通。装置10还包括两个电控试剂阀66a和66b，其分别与混合组件32a或32b中的一个的试剂供应管线64中的每个功能性地相关联，每个试剂阀66a和66b具有三种状态：
关闭状态，该关闭状态防止试剂通过相关联的试剂供应管线64流动到相应的混合组件32a或32b的相应的文丘里泵36a或36b的抽吸入口40”；
第一打开状态，该第一打开状态允许气体试剂从相关联的气体试剂储存器60通过相关联的试剂供应管线64流动到相应的混合组件32a或32b的相应的文丘里泵36a或36b的抽吸入口40”；以及
第二打开状态，该第二打开状态允许液体试剂从相关联的液体试剂储存器62通过相关联的试剂供应管线64流动到相应的混合组件32a或32b的相应的文丘里泵36a或36b的抽吸入口40”。
两个电加热垫68中的一个覆盖使液体穿过其从液体驱动泵44a或44b流动到文丘里泵36a或36b的导管48中的每个的一部分，该两个电加热垫68被配置为当被启动时加热位于导管48内部且随后离开文丘里泵出口42的液体。两个加热垫68是可独立启动的。以此类方式，加热垫68中的每个被配置为加热室14的位于相应的混合组件32a附近的液体内容物(上部16a中的液体)或位于相应的混合组件32b附近的液体内容物(下部16b中的液体)，而实质上不加热室14的位于另一个混合组件附近的内容物。
为了使用，装置10的容器12的消化室14通过入口22填充有用于处理的废水，例如黑水或农业肥料浆液，并且然后选择废水处理模式。
完全好氧模式
在第一完全好氧模式中，启动两个液体驱动泵44a和44b，以同时操作相应的混合组件32a和32b，并且使两个气体入口阀58都处于打开状态。室14的大体上所有内容物通过八个文丘里泵(例如，36a和36b)的作用而充气并混合，从而允许内容物进行好氧消化。好氧消化任选地通过启动一个或两个加热垫68或通过根据需要而选择性地打开试剂阀66a和66b以添加气体或液体试剂来进行辅助。
如本领域中所已知的，充分的好氧消化产生充分纯度的水，该充分纯度的水待通过出口24从容器12移除，以供随后使用或处置。
完全厌氧或缺氧模式
在第二完全厌氧(或缺氧)模式中，启动两个液体驱动泵44a和44b以同时操作相应的混合组件32a和32b，并且使两个气体入口阀58都处于关闭状态。室14的大体上所有内容物通过八个文丘里泵(例如，36a和36b)的作用而混合，但是由于气体入口阀58a和58b是关闭的，所以没有空气进入室14。当室14的内容物中的氧气浓度由于微生物消化而减少时，其中的微生物群体的性质改变，使得好氧微生物的比例减少，而兼性和厌氧微生物的比例增加。结果是，初始经历好氧消化的废水最终经历厌氧消化甚至缺氧消化。厌氧或缺氧消化任选地通过启动一个或两个加热垫68或通过根据需要而选择性地打开试剂阀66以添加气体或液体试剂来辅助。例如，为了促进甲烷形成厌氧细菌而不是酸形成厌氧细菌，优选的是，通过添加pH调节试剂将pH控制在6.5和8之间并控制温度，其中确切的温度范围取决于废水中期望的产甲烷细菌的种类。
完全厌氧或缺氧消化模式通常可用于减少积聚在污泥积聚部分26中的污泥的量并且用于从废水中产生沼气。
重要的是要注意，厌氧和缺氧消化通常产生恶臭和有毒气体。因此，完全厌氧或缺氧消化模式之前任选地进行好氧消化(以产生污泥)，并且通常在完全厌氧或缺氧消化模式之后在使用或处置经处理的废水之前进行如上所述的好氧消化模式作为完成步骤，以消除有毒和恶臭气体。在一些实施方案中，根据需要，该模式连续交替多次：好氧、厌氧、好氧、厌氧等等。
混合模式
在第三混合模式中，在消化室14中同时执行好氧和厌氧(或缺氧)消化。具体而言，启动两个液体驱动泵44a和44b，而下部混合组件32b的气体入口阀58b处于关闭状态并且上部混合组件32a的气体入口阀58a处于打开状态。结果，室14的上部16a的内容物通过相关联的文丘里泵(诸如36a)的作用而充气并混合，从而允许该内容物进行好氧消化。相反，室14的下部16b的内容物通过相关联的文丘里泵(诸如36b)的作用而混合，但是由于气体入口阀58b是关闭的，因此室14的下部16b的内容物变得越来越厌氧或缺氧，如上所述。上部16a中的好氧消化和/或下部16b中的厌氧/缺氧消化任选地通过启动相应的加热垫68或通过根据需要而选择性地打开相应的试剂阀66以添加气体或液体试剂来辅助。与经历厌氧消化的废水的体积进行比较的经历好氧消化的废水的相对体积可通过改变相应的液体驱动泵44a和44b的相对泵送速率来进行变化。
混合模式对于废水的连续处理特别有用。废水主要通过上部16a中的好氧消化来处理。产生的污泥沉降到下部16b以经历厌氧消化，因此几乎没有形成污泥并且形成有效的沼气。由厌氧消化发出的恶臭气体上升至上部16a，立即被中和。
在可替代的实施方案中，如上所述，操作整个室14以进行好氧消化以通过好氧消化以最大容量处理废水。当大量的污泥积聚在下部16b中时，操作室14使得下部16b中的废水和污泥经历厌氧消化以减少污泥量，同时上部16a中的废水经历好氧消化，从而允许通过好氧消化(以减少的容量)进一步进行废水处理并且中和由厌氧消化释放的恶臭气体。
根据本文的教导的装置的另一个实施方案，装置70在图3中以侧截面示意性地描绘。装置70具有许多与如上参照装置10所论述的相同的部件，其中具有两个显著区别。第一个显著区别是室出口24提供从室14的下部16b的流体连通。第二个显著区别是存在位于上部混合组件32a和下部混合组件32b之间的第三混合组件32c，该第三混合组件32c界定消化室14的中部16c。
除了经处理的废水通过室出口24从室14的下部16b移除之外，装置70可大体上作为装置10来进行操作。在操作期间，好氧或厌氧消化在部分16a、16b和16c中独立地维持或改变。
可使用装置70实施的特定操作模式包括同时进行上部16a中的好氧消化、下部16b中的好氧消化以及中部16c中的厌氧(或缺氧)消化。由中部16c中的厌氧消化产生的有毒和恶臭气体在上部16a中被中和，而通过入口22进入室14的废水在上部16a中经历好氧消化，在中部16c中经历厌氧消化以消化污泥，并且在使用或处置之前在下部16b中经历作为完成步骤的好氧消化。
在一些实施方案中，在废水处理期间，在上部16a中连续维持好氧消化，在下部16b中连续维持厌氧消化，并且中部16b在好氧消化和厌氧消化之间进行交替。
根据本文的教导的装置的文丘里泵出口指向任何合适的方向。在一些优选的实施方案中，文丘里泵出口以相对于相应的液体驱动泵的入口的方式指向，以促使在室的对应部分内部产生液体的循环运动。在图1所描绘的装置10中，文丘里泵出口42平行于室14的竖直轴线20向下指向。在一些实施方案中，文丘里泵出口平行于室的竖直轴线向上指向。在一些实施方案中，文丘里泵出口垂直于室的竖直轴线指向。
在图1所描绘的装置10和图3所描绘的装置70中，每个混合组件设置有专用的液体驱动泵，以驱动液体通过相应的文丘里泵，使得可通过独立地启动和控制一个或多个专用泵来独立地操作混合组件。在一些实施方案中，通过一个或多个共享液体驱动泵驱动液体通过两个混合组件的文丘里泵。在此类实施方案中，装置通常设置有差动可控阀，该差动可控阀允许控制(包括完全防止)被驱动通过不同的混合组件的不同文丘里泵的液体的相对量，从而允许通过独立地打开和关闭与每个混合组件相关联的阀来使混合组件独立地可操作。
应当理解，为了清楚起见，在单独的实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征也可在单个实施方案中组合提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征也可单独地或以任何合适的子组合提供，或者适于在本发明的任何其它描述的实施方案中提供。在各种实施方案的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方案的必要特征，除非该实施方案在没有那些要素的情况下不起作用。
虽然已结合本发明的特定实施方案描述了本发明，但是很显然，对于本领域技术人员而言，许多替代、修改和变化将是显而易见的。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求的范围内的所有此类替代、修改和变化。
在本申请中任何参考资料的引用或识别不应被解释为承认此类参考资料可用来作为本发明的现有技术。
本文所使用的章节标题是为了便于理解该说明书，而不应被解释为必要的限制。

Claims (46)

1.一种适于执行化学和/或生物反应的装置(10、70)，包括：
a.容器(12)，所述容器(12)界定被配置为用于保持液体的至少一个反应室(14)，所述反应室(14)具有上部(16a)、下部(16b)以及竖直轴线(20)；
b.至少一个室入口(22)，所述至少一个室入口(22)提供从所述反应室(14)外部到所述反应室(14)中的流体连通；
c.至少一个室出口(24)，所述至少一个室出口(24)提供从所述反应室(14)内部到所述反应室(14)外部的流体连通；
d.上部混合组件(32a)，所述上部混合组件(32a)位于所述反应室(14)内部；以及
e.下部混合组件(32b)，所述下部混合组件(32b)位于所述反应室(14)内部且定位在所述上部混合组件(32a)下方，
所述上部混合组件(32a)和所述下部混合组件(32b)中的每一个包括文丘里泵(36)，所述文丘里泵(36)具有动力流体入口(38)、抽吸入口以及文丘里泵出口(42)，所述文丘里泵(36)被配置为用于将所述反应室(14)的对应的上部(16a)和下部(16b)的液体内容物作为动力流体接受到所述动力流体入口(38)中并且将流体从所述文丘里泵出口(42)排回到所述反应室(14)的对应的上部(16a)和下部(16b)中，
其中所述上部混合组件和所述下部混合组件是可独立操作的，
所述装置还包括与所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口流体连通的气体管线(50a)和/或与所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口流体连通的气体管线(50b)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个反应室(14)是消化室，所述消化室被配置为用于保持废水并且适于容纳作为反应的废水的微生物消化。
3.根据权利要求2所述的装置，还包括在所述消化室(14)的至少一部分内的固体细菌生长支持物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述反应室(14)具有大于最大宽度的高度。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述室出口(24)提供从所述反应室(14)的所述下部(16b)内部到所述反应室外部的流体连通。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述室出口(24)提供从所述反应室(14)的所述上部(16a)内部到所述反应室外部的流体连通。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中至少一个文丘里泵出口(42)垂直于所述反应室(14)的所述竖直轴线(20)指向。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中至少一个文丘里泵出口(42)平行于所述反应室(14)的所述竖直轴线(20)指向。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，包括与所述上部混合组件(32a)功能性地相关联的至少一个液体驱动泵(44a)，所述至少一个液体驱动泵(44a)被配置为将所述反应室(14)的液体内容物驱动到所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述动力流体入口(38)中。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述至少一个液体驱动泵(44a)是位于所述反应室(14)内部的可浸入式液体泵。
11.根据权利要求10所述的装置，包括与所述下部混合组件(32b)功能性地相关联的至少一个液体驱动泵(44b)，与所述下部混合组件(32b)功能性地相关联的所述至少一个液体驱动泵(44b)被配置为将所述反应室(14)的液体内容物驱动到所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述动力流体入口(38)中。
12.根据权利要求11所述的装置，其中与所述下部混合组件(32b)功能性地相关联的所述至少一个液体驱动泵(44b)是位于所述反应室(14)内部的可浸入式液体泵。
13.根据权利要求11至12中任一项所述的装置，其中与所述上部混合组件(32a)相关联的所述至少一个液体驱动泵(44a)中的至少一个也是与所述下部混合组件(32b)相关联的所述至少一个液体驱动泵(44b)中的至少一个。
14.根据权利要求11至12中任一项所述的装置，还包括可控阀，所述可控阀具有至少两种状态：
打开状态，所述打开状态允许液体从与所述下部混合组件(32b)功能性地相关联的所述至少一个液体驱动泵(44b)流动到所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述动力流体入口(38)；以及
关闭状态，所述关闭状态防止液体从与所述下部混合组件(32b)功能性地相关联的所述至少一个液体驱动泵(44b)流动到所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述动力流体入口(38)。
15.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，还包括可控阀，所述可控阀具有至少两种状态：
打开状态，所述打开状态允许液体从与所述上部混合组件(32a)功能性地相关联的所述至少一个液体驱动泵(44a)流动到所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述动力流体入口(38)；以及
关闭状态，所述关闭状态防止液体从与所述上部混合组件(32a)功能性地相关联的所述至少一个液体驱动泵(44a)流动到所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述动力流体入口(38)。
16.根据权利要求11至12中任一项所述的装置，其中与所述上部混合组件(32a)相关联的所述至少一个液体驱动泵(44a)中的至少一个不同于与所述下部混合组件(32b)相关联的所述至少一个液体驱动泵(44b)中的至少一个。
17.根据权利要求16所述的装置，其中与所述上部混合组件(32a)相关联的所述至少一个液体驱动泵(44a)和与所述下部混合组件(32b)相关联的所述至少一个液体驱动泵(44b)是可单独启动的。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，包括与所述下部混合组件(32b)功能性地相关联的至少一个液体驱动泵(44b)，与所述下部混合组件(32b)功能性地相关联的所述至少一个液体驱动泵(44b)被配置为将所述反应室(14)的液体内容物驱动到所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述动力流体入口(38)中。
19.根据权利要求18所述的装置，其中与所述下部混合组件(32b)功能性地相关联的所述至少一个液体驱动泵(44b)是位于所述反应室(14)内部的可浸入式液体泵。
20.根据权利要求1-3、10-12和17中任一项所述的装置，其中与所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50a)提供所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口和开放的空气之间的流体连通。
21.根据权利要求20所述的装置，还包括和与所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50a)功能性地相关联的气体入口阀(58a)，所述气体入口阀(58a)具有至少两种状态：
关闭状态，所述关闭状态防止气体通过与所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50a)流动到所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口；以及
打开状态，所述打开状态允许气体通过与所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50a)流动到所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口。
22.根据权利要求1-3、10-12、17和21中任一项所述的装置，还包括与所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口流体连通的气体试剂储存器。
23.根据权利要求1-3、10-12、17和21中任一项所述的装置，还包括与所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口流体连通的液体试剂储存器。
24.根据权利要求21所述的装置，还包括通过与所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50a)与所述上部混合组件(32a)的所述文丘里泵(36a)的所述抽吸入口流体连通的液体试剂储存器。
25.根据权利要求1-3、10-12、17、21和24中任一项所述的装置，其中与所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50b)提供所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口和开放的空气之间的流体连通。
26.根据权利要求24所述的装置，还包括和与所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50b)功能性地相关联的气体入口阀(58b)，该气体入口阀(58b)具有至少两种状态：
关闭状态，所述关闭状态防止气体通过与所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50b)流动到所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口；以及
打开状态，所述打开状态允许气体通过与所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50b)流动到所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口。
27.根据权利要求1-3、10-12、17、21、24和26中任一项所述的装置，还包括与所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口流体连通的气体试剂储存器。
28.根据权利要求1-3、10-12、17、21、24和26中任一项所述的装置，还包括与所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口流体连通的液体试剂储存器。
29.根据权利要求24和26中任一项所述的装置，还包括通过与所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口流体连通的所述气体管线(50b)与所述下部混合组件(32b)的所述文丘里泵(36b)的所述抽吸入口流体连通的液体试剂储存器。
30.根据权利要求1-3、10-12、17、21、24和26中任一项所述的装置，还包括上部温度控制器，所述上部温度控制器位于所述反应室(14)的所述上部(16a)内或紧邻所述反应室(14)的所述上部(16a)，以控制所述反应室(14)的位于所述上部混合组件(32a)附近的液体内容物的温度，而实质上不影响所述反应室(14)的位于所述下部混合组件(32b)附近的内容物的温度。
31.根据权利要求30所述的装置，其中所述上部温度控制器被配置为控制所述反应室(14)的待离开所述上部混合组件(32a)的文丘里泵(36a)的出口(42)的液体内容物的温度。
32.根据权利要求1-3、10-12、17、21、24、26和31中任一项所述的装置，还包括下部温度控制器，所述下部温度控制器位于所述反应室(14)的所述下部(16b)内或紧邻所述反应室(14)的所述下部(16b)，以控制所述反应室(14)的位于所述下部混合组件(32b)附近的液体内容物的温度，而实质上不影响所述反应室(14)的位于所述上部混合组件(32a)附近的内容物的温度。
33.根据权利要求32所述的装置，其中所述下部温度控制器被配置为控制所述反应室(14)的待离开所述下部混合组件(32b)的文丘里泵(36b)的出口(42)的液体内容物的温度。
34.一种在单个反应室中在不同条件下同时执行至少两个化学和/或生物反应的方法，包括：
将根据权利要求1至33中任一项所述的装置(10、70)放置成使得所述竖直轴线(20)成平行于重力矢量的45°内的角度，从而使得所述上部(16a)在所述下部(16b)上方；
将至少一种液体放置在所述容器(12)的所述反应室(14)内部，使得所述上部(16a)和所述下部(16b)都含有所述液体；并且执行以下中的至少一个：
操作所述上部混合组件(32a)以使所述反应室(14)的所述上部(16a)中的所述液体循环，而实质上不使所述反应室(14)的所述下部(16b)中的液体循环；以及
操作所述下部混合组件(32b)以使所述反应室(14)的所述下部(16b)中的所述液体循环，而实质上不使所述反应室(14)的所述上部(16a)中的液体循环，
从而在所述反应室(14)的所述上部(16a)中执行第一反应并且在所述反应室(14)的所述下部(16b)中执行第二反应，其中所述第一反应的条件不同于所述第二反应的条件。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述第一混合组件(32a)和所述第二混合组件(32b)进行不同的操作，从而导致所述上部(16a)和所述下部(16b)中的所述不同的反应条件。
36.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述上部(16a)中的所述液体包括具有试剂的溶剂。
37.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述下部(16b)中的所述液体包括具有试剂的溶剂。
38.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述上部(16a)中的所述液体具有与所述下部(16b)中的所述液体不同的气体含量。
39.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述上部(16a)中的所述液体的密度与所述下部(16b)中的所述液体不同。
40.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述角度在平行于重力矢量的30°内。
41.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述角度在平行于重力矢量的25°内。
42.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述角度在平行于重力矢量的20°内。
43.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述角度在平行于重力矢量的15°内。
44.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述角度在平行于重力矢量的10°内。
45.根据权利要求34至35中任一项所述的方法，其中所述角度在平行于重力矢量的5°内。
46.根据权利要求35所述的方法，其中所述不同的操作包括以下中的至少一个：
向所述上部(16a)和所述下部(16b)中的一个添加不同的液体；
向所述上部(16a)和所述下部(16b)中的一个添加不同的气体；以及
维持所述上部(16a)中的温度与所述下部(16b)中的温度不同。
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