固着生物过滤预处理和后处理的系统和方法

专利名称：固着生物过滤预处理和后处理的系统和方法
申请的相关文献本申请要求以2001年4月19日提交的、发明名称为“固着生物过滤预处理的系统和方法”的第60/285,001号临时申请作为优先权。
背景技术：
本发明涉及用于改善水质的系统和方法；特别地，涉及用附着的藻类群落对水进行生物整治的系统和方法；更具体地，涉及用附着的藻类群落对水进行处理以去除不想要的毒素、微生物和其它水生污染物的系统和方法。
藻类包括一组植物，现有的藻类植物约有18,000种，其主要营养物包括碳、氮和磷，以及植物生长所必须的一组微量营养素。
要恢复被污染区域的生态平衡，一个重要的问题就是从废水和地下水中去除杂质。已知一些藻类物种能够将重金属吸入其细胞壁，因而可以减小对环境的毒害。藻类还可以吸取可能过量的营养物和微量营养素，如磷，钾，氮，铁，铝和钙，因而能够用于整治生态系统。当水流过固居的藻类时，就会发生这样的整治，并在呼吸和光合作用过程中还可以吸收二氧化碳和释放氧气。并且，流经固着生物过滤器(PF)的水由于去除了碳而使其pH值增加。这种过滤可以通过吸附、吸收、物理收集和其它更复杂的装置来实现。
已知有一种用于实现这种摄入效果的系统，如固着生物过滤器；其中固着生物包括一族新鲜、有咸味的，和/或盐水生植物培养物，被称为附着微藻类植物。与自由飘浮的浮游生物的有机体不同，海底生物或附着藻类是可以在各种表面上生长的附着生物固居群落。在流水流经的路途中，固居藻类可以从流经的水中去除营养物和其它化合物，作为呼吸作用和光合作用的结果，吸附二氧化碳及释放氧气。一旦形成群落，根部或固着物就可以覆盖培养物表面。如果收集植物体而留下根部，植物体中所含的营养物和其它污染物就可以从水中去除，达到自然过滤的效果。
这种技术的另一优点在于，可以收集丰富的藻类并用作鱼类或动物的饲料，而起到将营养物返还到食物链中的作用。
固着生物过滤器(PF)还可能有多种用途。例如，在水族馆中可以用草根土代替生物或细菌过滤器。如前所述，可以采用自然固着生物从被污染的水中去除营养物和其它杂质。另外，通过收获大批量的藻类，可以采用多种工艺产生生物能量源，如甲烷或乙醇，肥料，人或动物的食物添加剂或补充剂，化妆品或药物。
高产量的纤维状藻类植物还可以用于造纸和纸产品制造工业，因为收获下来的藻类植物比木纤维更结实并更易于处理。该性能导致产生一种控制人类对水生生态系统影响的可持续方法。
由于位置、物种形成、化学特性和其它参数的变化，固着生物过滤器在水中运转情况不同。原位实验表明在某些情况下由于可提供的营养物浓度低而导致产量减少或极低。这表明当一部分主要营养物不能提供时，那么固着生物过滤器就需尽力利用临界质量以调用实际沉淀，物理收集能力和协同过滤的特点。具体地，由于消耗所需的固着生物和吃掉藻类纤维的根部或固着物，微小无脊椎动物及其卵的存在会危及固着生物过滤系统的正常运转。
毒性藻青菌会引起一系列特别困难的过滤情况，因为毒素在环境中是非常持久稳定的并且能够存在于藻类植物细胞的内部和外部。已知可以采用臭氧处理含毒素的水，这是因为当与水混合时臭氧具有很强的氧化作用；然而，经臭氧处理的水中会存在营养物，并会再次被毒性藻类消耗。
对藻类草根土生产的研究是本技术领域中已知的。在Adey的美国专利4,333,263中，以及在本发明人的美国专利5,131,820，5,527,456，5,573,669，5,591,341，5,846,423和5,985,147中已揭示了藻类草根土技术，本申请引入这些公开内容作为参考。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种协同固着生物过滤床进行预处理水和/或后处理水的系统和方法。
本发明的另一个目的在于提供一种用于减少固着生物过滤床中不想要的微小无脊椎动物污染的系统和方法。
本发明的再一个目的在于提供一种用于从流水中减少或去除毒素以及收获的藻类植物毒性的系统和方法。
这些目的和其它有关的目的都可由本发明的系统和方法实现。该系统包括用于向流水以及在某些情况下向污水中添加强氧化剂的装置。一个具体的实施方式包括对水进行臭氧处理。处理水的方法包括将所需处理的水暴露在足够量的臭氧中以减小其中不想要的微小有机物的浓度，并且使水流过附着的藻类群落以从中去除不想要的物质，例如但不限于，营养物。
从下文结合附图所作的描述中可以更好地理解本发明的实质特点，即结构和操作方法，还可以更好地理解本发明前述和其它有关的目的和优点。应当理解，说明书附图仅用于图示和描述本发明而不构成对本发明范围的限定。通过阅读结合附图所作的描述，可以更加清楚地了解本发明的上述目的和其它有关目的以及本发明的优点。


图1是本发明第一个实施例的示意图。
图2是本发明第二个实施例的示意图。
具体实施例方式
以下结合图1和图2对本发明的较佳实施例进行描述。
由于O3分子不稳定的特性，已知可以采用作为强氧化剂的臭氧对水进行处理。臭氧一般由紫外线辐射或电晕放电而产生。由于臭氧是气体，所以必需溶解或打碎成小泡，以便与流水及某些情况下与污水中的目标微小有机物充分接触。应当获得在被处理水中停留的最佳时间以最大程度地使粒子接触。可以通过例如是采用混合腔室或混合泵的方式，达到该效果。
当固着生物过滤器的位置与要被处理的水有一段距离时，混合可能发生在下游，并且一般靠近输送泵或管子入口处，并有一个或多个静电混合器搅动水/臭氧混合。然后，停留时间与向固着生物过滤器的移动时间相等，这可以通过足够的接触时间进行检测。另外，其它静电混合器和臭氧注射点可以位于通向固着生物过滤器的路径上以提高效率和增强效果。
在另一个实施方案中，可以采用一种有盖的池子，这种池盖在最高处具有臭氧毁灭端口，以便在臭氧逃逸到大气中之前截住臭氧。可采用一种地下罐以增加接触时间，此罐在底部具有高压臭氧注射装置以使臭氧能够最佳地扩散到水中。
本发明具有以下好处●臭氧可以分解湖水中的浮游生物、藻物植物、细菌以及其它有机结合的颗粒，从而使营养物可供使用并且使固着生物共同生长。
●在提供营养物并由固着生物去除之后，水可以返回源头水体中，或者到另一水体中，而处于限制有毒藻类再生长的状态，从而进行再整治。
●最近发现，可以破坏藻青菌(兰-绿藻)中发现的某些有毒化合物的臭氧对人类和其它动物是有害的。这些毒性化合物以及非毒性化合物随后被用于工业，例如用于造纸工业，的纤维藻类所吸收。
●臭氧可以破坏微小无脊椎动物和它们的卵，这些物质定居、孵化、生长而消耗所需的固着生物，会降低过滤效果。
其它可以单独或者与臭氧一起使用以增强性能的装置是等离子放电器和紫外线处理系统，这些是本技术领域中已知的。
图1和图2示意性地显示本发明的两个实施例。在第一实施例系统10(图1)中，正分别从深水11，浅水12或支流13处通过管子14和泵15-17取水。一个臭氧发生器18可以向一臭氧注射装置19提供臭氧，这样需要处理的水可以与腔室20中的臭氧接触。另外，如前所述，可采用一个能潜水的等离子放电器。经过臭氧处理的水经过输送管21送至一分配歧管22，它可将水分配到一个固着生物床24的入口端23，固着生物床是倾斜的以使水向下流到出口25。然后，经过处理的水被收集到一输送管系统26中，随后或是返回到水路27中或者输送到一地下水蓄水层29的饮用水处理系统28中。
在第二个实施例系统30(图2)中，流入水31被泵入臭氧分配管32中，同时由一臭氧发生器33向其中注入臭氧。在暴露到臭氧中之前，水至少可能暴露在紫外线辐射和声能环境43之一中。随着流过臭氧注射扩散器34，水经过输送管35进入臭氧接触腔36。在此实施例中图示了三个腔，但并不仅限于此。当经过完全臭氧处理之后，水从排水管37流出。
无论在上述那个实施例中，都可以采用额外的步骤以向藻类群落中添加杀虫剂以控制昆虫。杀虫剂例如可从抗虫剂、合成除虫菊酯或天然除虫剂中进行选择，但并不限于此。
在一个具体实施方案中，杀虫剂可以包括bacilus therengensusisralioans(BTI)。仅示出在图1中但可用于系统10，30的还有一部件是BTI培养系统40，其中BTI基本上是连续培养的，或者根据需要培养，并且BTI的连续水滴经过管子41被引向靠近固着生物床24入口23的滴管42。
作为其它的或替换实施方案，还可以设想用于使系统10，30中的一个或多个部件解毒的系统和方法。例如，(图1)，采用本技术领域中已知的装置可以从基部44收获藻类群落24，并且可将杀虫剂P添加到收获的藻类植物中以形成混合物24′。此混合物24′暴露在阳光中或其它装置中以解除毒性，然后放在地上形成覆盖物24″。这种覆盖物可用在基部44的顶部以形成继发的藻类群落24。杀虫剂可从天然除虫菊、天然胡椒粉、大蒜、接骨木、柠檬鼠尾草构中选择，但不仅限于此。
另外，藻类群落24可以采用本技术领域中已知的装置收获，并且杀虫剂P 20可以添加到水未曾流经的基部44中，并且可对基部44进行解毒。在经历足够时间的解毒后，可以添加激动剂，如碱性溶液，以在水重新流过藻类群落24之前对杀虫剂解毒。在此情况下，杀虫剂至少可以包括合成除虫菊酯和天然除虫剂中的一种。
本领域中普通技术人员可以了解，还可以设想有其它实施方案，包括引入臭氧的其它方法和采用其它的氧化剂来处理水。
在上文中，为了简洁、明暸且易于理解，采用了某些术语，但并没有将其限制在不能超出现有技术要求之外的暗示，因为这些词语只是为了描述所用，本意上应有更宽泛的解释。而且，图示和所描述的实施装置仅仅是举例说明，不能将本发明的范围限制到如此具体的结构。
权利要求
1.一种水处理方法，包括以下步骤将需要处理的水暴露在足够量的臭氧中以减少不想要微生物的浓度；使水流过附着的藻类群落以从中去除不想要的物质。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述暴露水的步骤还包括将臭氧注射到至少一个混合腔和一个水体之中，将需要处理的水泵入混合腔中，并将需要处理的水与注入的臭氧混合。
3.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在暴露水的步骤之前，以将空气暴露在紫外线辐射和电晕放电至少一种方式产生臭氧。
4.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤将需处理的水至少暴露在紫外线辐射和声能环境之一中。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述暴露水的步骤包括将水泵入一管子底部，将臭氧注入所述管子底端，使水和臭氧在向管子上端上升时进行混合。
6.如权利要求1所述的方法，还包括在水流动步骤之后，用臭氧对水进行处理。
7.如权利要求1所述的方法，还包括在水流动步骤之后，使水经过一个活性碳过滤器的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，还包括将杀虫剂添加到藻类群落中以控制昆虫，杀虫剂可从抗虫剂、合成除虫菊酯或天然除虫剂中选择。
9.如权利要求8所述的方法，还包括将杀虫剂添加到藻类群落中以控制昆虫，杀虫剂包括bacilus therengensus isralioans(BTI)。
10.如权利要求9所述的方法，还包括培养bacilus therengensus isralioans(BTI)的步骤，其中添加杀虫剂的步骤包括将基本上连续的bacilustherengensus isralioans(BTI)输送到藻类群落的入口。
11.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在暴露步骤之前，将需处理的水从水体中抽出；以及在水流动步骤之后，使经过处理的水返回到水体中。
12.如权利要求1所述的方法，其中暴露在臭氧中的步骤包括将一水体覆盖并且将臭氧注入所述水体中。
13.如权利要求1所述的方法，其中暴露在臭氧中的步骤包括将水从一水体中泵入输送管中；将臭氧注入输送管；以及将水引入藻类群落的入口端。
14.如权利要求13所述的方法，其中注射臭氧的步骤包括沿着输送管在多个注射位点注射臭氧。
15.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在水流动步骤之后，通过将脱离藻类群落的水进行再循环而重复暴露在臭氧中的步骤和水流动步骤。
16.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在水流动步骤之后，收获藻类群落，将杀虫剂添加到收获的藻类中，将混合后的藻类和杀虫剂暴露在阳光下以实现解毒，并且采用解毒的混合藻类和杀虫剂以形成另一个藻类群落的基部。
17.如权利要求16所述的方法，其中杀虫剂包括一种或多种选自天然除虫菊、天然胡椒粉、大蒜、接骨木、柠檬鼠尾草的物质。
18.如权利要求1所述的方法，其中藻类群落附着在一基部上，并且还包括在水流动步骤之后，收获藻群，将杀虫剂添加到藻群基部，并对基部进行解毒。
19.如权利要求18所述的方法，其中杀虫剂可从合成的除虫菊酯或天然除虫菊中选择。
20.一种水处理系统，包括将需要处理的水暴露在足够量的臭氧中以减少其不想要的微生物的浓度并将有用的营养物从中释放出来的装置；附着藻类群落，将不想要的物质从暴露在臭氧中的水中去除；以及将暴露在臭氧中的水从水暴露装置引向藻类群落的装置。
21.如权利要求20所述的系统，其中水暴露装置包括一混合腔，用于将臭氧引入所述混合腔的装置，将需处要理的水泵入混合腔的泵，以及将需要处理的水与注入的臭氧进行混合的混合器。
22.如权利要求20所述的系统，还包括产生臭氧的装置，所述装置至少包括将空气暴露于紫外线辐射中的装置和产生电晕放电的装置中的一种。
23.如权利要求20所述的系统，还包括将需要处理的水至少暴露在紫外线辐射和声能环境之一的装置。
24.如权利要求20所述的系统，还包括具有一个底端和一个上端的管子；将水泵入所述管子底端并向管子上端泵送的泵；用于将臭氧注射在管子底端附近的装置，使得水和臭氧在被泵向管子上端时进行混合。
25.如权利要求20所述的系统，还包括在藻类群落下游用臭氧处理水的装置。
26.如权利要求20所述的系统，还包括在水流动步骤之后，使水流经一个活性碳过滤器的步骤。
27.如权利要求20所述的系统，还包括将杀虫剂添加到藻类群落以控制昆虫的装置，所述杀虫剂选自抗虫剂、合成除虫菊酯和天然除虫剂。
28.如权利要求20所述的系统，还包括将杀虫剂添加到藻类群落以控制昆虫的装置，所述杀虫剂包括bacilus therengensus isralioans(BTI)。
29.如权利要求28所述的系统，还包括培养bacilus therengensus isralioans(BTI)的装置，其中杀虫剂添加装置包括将基本上连续供应的bacilustherengensus isralioans(BTI)输送到藻类群落入口的装置。
30.如权利要求20所述的系统，还包括用于将需要处理的水从一水体抽出的装置，以及将已处理的水返回到藻类群落下游所述水体中的装置。
31.如权利要求20所述的系统，其中所述臭氧暴露装置包括一个覆盖在一水体上的盖子和将臭氧注入所述水体中的装置。
32.如权利要求20所述的系统，其中所述臭氧暴露装置包括一个输送管，具有一入口端和一出口端；一个泵，设置成可将水从一水体抽进所述输送管以便将抽出的水泵入藻类群落入口端；以及将臭氧注入到输送管中的装置。
33.如权利要求20所述的系统，还包括将来自藻类群落出口端的水再引至臭氧暴露装置的装置，以使离开藻类群落的水进行再循环。
34.如权利要求20所述的系统，还包括在需要处理的水暴露之后收获藻类群落的装置和向收获的藻类群落中添加杀虫剂的装置。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述杀虫剂包括一种或多种从天然除虫菊、天然胡椒粉、大蒜、接骨木、柠檬鼠尾草构中选择的物质。
36.如权利要求20所述的系统，还包括一个附着所述藻类群落的基部，用于收获藻类群落的装置，向群落基部添加杀虫剂的装置，和使基部解毒的装置。
37.如权利要求36所述的系统，其中所述杀虫剂可以从合成的除虫菊酯或天然除虫剂中选择。
全文摘要
固着生物过滤技术是一种已知的方法，可以对受污染的水进行生物整治，即从附着藻类植物茂盛生长的流水中去除营养物。本系统是对这一技术的改进，即向流水中，某些情况下也可以是污水中添加强氧化剂，将有机结合的营养物提供给所需的固着生物或水生植物以减少不必要微生物的污染，以及将有机结合的营养物提供给固着生物以减小毒性成分的含量。具体的实施方式包括对水进行臭氧处理。还可添加杀虫剂以控制昆虫污染。
文档编号C02F1/78GK1503765SQ02808381
公开日2004年6月9日 申请日期2002年4月19日 优先权日2001年4月19日
发明者凯尔·延森, 凯尔 延森 申请人:埃夸法博包装有限公司