CN102548916A - 用于脱盐水后处理的植物除污 - Google Patents

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CN102548916A CN2010800391293A CN201080039129A CN102548916A CN 102548916 A CN102548916 A CN 102548916A CN 2010800391293 A CN2010800391293 A CN 2010800391293A CN 201080039129 A CN201080039129 A CN 201080039129A CN 102548916 A CN102548916 A CN 102548916A
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Abstract

本发明公开从脱盐水生产强化水的系统，所述系统由如下组成：允许脱盐水进入系统的脱盐水入口；预过滤所述脱盐水的后入口介质；用于增强所述预过滤的脱盐水的水生植物和微生物的水增强装置；保持强化水水平的平衡槽5；强化水蓄水池6。水被强化，因为硼水平降低，酶、次生代谢物、维生素和矿物质水平增加。

Description

用于脱盐水后处理的植物除污
相关公开的引用
本申请要求日期为2009年8月2日的美国临时申请61/230,711和日期为2010年7月7日的美国临时申请61/361,951的优先权，其在此以其全部通过引用被并入。
发明领域
本发明涉及脱盐水的植物除污的装置和方法，其利用人工湿地(constructedwetland)和来自那里的瓶装水。
发明背景
植物除污描述通过使用植物来处理环境问题，这种植物减轻环境问题，而不需要将污染物转移和在别处处理。植物除污处理可以是原位处理，或在另一地点处理。植物提取或植物蓄积(phytoaccumulation)指利用植物从饮用水、土壤等除去各种因子。人工湿地(CW)经常用于植物除污的目的，该过程被称为植物除污/人工湿地或P/CW。
例如通过植物提取的农业土地的脱盐有很长的传统。P/CW最通常的应用是处理污水。这种应用已经使用了至少50年。已知至少25年的P/CW的另一种常见使用是在天然的游泳池中。
P/CW用于饮用水处理已经在本领域公开。例如CN11274798A公开“通过连接原水、输水管路、沉砂池、具有上下折流的地下人工湿地和表面波形人工湿地形成的饮用水源预处理方法”。
类似地，CN11381186A“饮用水源的多级生态纯化技术”公开用于来源饮用水的多水平生态纯化技术，其包含一系列连接的沉淀槽、生化槽、人工湿地和储水池。
已知脱盐水通常遇到几个问题，如高硼水平以及营养素、矿物质和其它因子耗尽，并且目前的方法如离子交换或耗费能源、又有环境问题，或两者都有。因此脱盐水的植物除污方法实现长期渴望的需要。
附图简述
为了理解本发明和了解其在实践中是如何能实现的，现在将通过参考附图，通过非限制的实例来描述多个实施方式，其中
图1显示现有技术的植物除污系统的基本图。
图2用图显示垂直的人工湿地。
图3用图显示水平的人工湿地。
图4用图显示潮汐流人工湿地。
图5用图显示自由流湿地。
发明概述
本发明包括人工湿地中的植物除污系统和方法。本发明通过利用植物、植物基底和微生物处理环境问题，统称为植物除污。本发明的新颖性涉及对脱盐水稳定和改进实现这些学科。因此本发明的目的不仅仅是从水中去除物质，还是加入对水活力、味道、防污性质和可持续性重要的其他物质。植物除污过程能够使脱盐水富集在脱盐过程或其他“清洁”过程中去除的重要元素。富集沉积物的组合、植物根际中的微生物和从植物散发的次生代谢物能够使水有活力，防止像管道腐蚀这样的操作问题，吸收通常在脱盐水中发现的较高水平的硼，和产生环保、味道好的水。
虽然本发明易于进行各种修改和可选的形式，但是其具体实施方式已通过附图中的实例显示并将在此被详细描述。然而，应当理解，它不意欲将本发明限制到公开的具体形式，而相反，意图是覆盖落入如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同和替代。
优选实施方式详述
提供以下描述，连同本发明的所有章节，以便使本领域任何技术人员能利用所述发明和提出实施该发明的发明人所考虑的最佳方式。然而，各种修改将保持对本领域技术人员来说是明显的，因为本发明的一般原则已经被具体限定以提供用于提供废水处理系统的装置和方法。
在以下详细的描述中，提出许多具体细节以提供对本发明实施方式的透彻了解。但是，本领域技术人员将理解这样的实施方式可被实施，不需要这些具体的细节。贯穿该说明书，提到“一个实施方式”或“实施方式”指描述的与实施方式相关的特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。
因此，本发明涉及通过提供废水处理系统而生产水的方法和制品；好味道和环保的瓶装水产品。
术语‘碳酸钙沉淀潜力(CCPP)’被定义为可在理论上从过饱和的水体沉淀或者可选地溶解到不饱和水中的碳酸钙的量。
术语‘多数’在下文指任何正的整数，例如，1、5或10。
术语‘阶段’在下文指适于进行特定功能如过滤、沉淀、添加物质、去除物质等等的单元。
人工湿地是特别设计以改善水质的人造湿地。像天然湿地一样，它们是水、沉积物、活的和死的植物材料、动物群和微生物的复杂混合物。在本质上，人工湿地充当能从非常大体积的废水中去除以非常低的浓度存在的污染物(例如，来自炼油厂废水的硒)的巨大的生物地球化学过滤器。出现在湿地生态系统中的污染物过滤大多发生在死的、部分腐败的植物——称作枯枝落叶——的层中，和在枯枝落叶层下面的微细沉淀层中。这两层为微生物和其他生物提供栖息地，该微生物和其他生物能够将污染物转化为较不生物可利用的和因此毒性较低的化学形式。除了在产生枯枝落叶和微细沉淀层中的作用外，植物提供支持这些微生物群体的固定碳。
本发明是通过人工湿地中的植物除污(P/CW)，稳定和改善后处理脱盐水和另外损坏或有缺陷的饮用水的一个新概念。
针对脱盐水的一个问题是在脱盐过程中除尽或消除矿物质、酶类、次生代谢物和对人类、动物和植物重要的其他物质。重要物质的消除在用于净化饮用水的其他纯化方法如氯化和氧化铝絮凝期间以不同程度发生。
第二个问题是在来源海水中高度浓缩的过量硼。高水平硼是有毒的——例如，长时间使用含有大于0.3mg/l硼的水冲洗可用作灭菌过程。
脱盐水系统中的其他操作问题如管道腐蚀和红水现象也需要可通过使用P/CW而充足供应的溶液。
现在参考图1，其中显示P/CW系统的示意图。脱盐水1的流入首先流过富集的基底3，然后通过一系列水生植物根4，其叶子2伸出水面。水然后流过平衡槽5并流入强化水蓄水池6。因此水流入分布区域并然后流过基底和根系。水面在基底下并然后从收集区进入池中。
潜流湿地可以是水平流或垂直流人工湿地。在潜流湿地中，流出物(农业或采矿 溢出、制革厂或肉类加工废料、来自污水或暴风雨排水的废水、或将被清洁的其他水)通过砂砾或其他介质移动，植物在该砂砾或其他介质上生根。水流出物可以水平地、与表面平行、或垂直地从种植层通过基底向下移动并流出。
参考附图，图2用图说明垂直的人工湿地，其中流出物垂直地从种植层通过分配管移动和通过基底向下到收集管。机械配量系统或其他机制可用于以允许以前的水配量通过滤床过滤的速度——允许控制滤床中的需氧条件——一天配量湿地表面几次(例如一天4到10次)。滤床经过被饱和和去饱和的阶段——允许需氧和厌氧的不同时期，当水通过滤床过滤时，氧气有时间通过介质扩散并填充空隙空间。在图3中，显示水平流人工湿地系统，在这些系统中水在排成一列的挖掘的洞(excavation)的一端进入并从另一端退出。水平潜流人工湿地是大的砂砾/其它物质/砂土填充的通道，该通道种植有水生植物。当水通过孔道水平地流动时，通过入口管进入，过滤材料滤出颗粒，微生物降解有机物，加入酶和其它次生代谢物，处理的水被收集进收集管并通过其到池。
水平潜流人工湿地中的水位保持在表面以下5至15cm以确保潜流。床应宽并浅以便水的流动路径最大化。宽的入口区应用于平等地分配水流。
当水未暴露于水平和垂直的潜流湿地中时，气味和蚊子减少，使它们特别适于家庭使用。
参考图，潮汐流人工湿地显示在图4中，其中填充和排出顺序用于水的批处理。潮汐流操作期间，湿地滤床可选地用水填满和排出水。当填满时，空气被排出滤床，而当排出水时再处理水充当被动泵以将空气从大气抽进滤床。潮汐流人工湿地对某些应用如硝化作用和反硝化作用非常有用。
自由流表面人工湿地显示在图5中，自由流湿地是天然沼泽的人造等同物，其中水高于滤床，允许野生生物栖息地的建立。因为流出物在土壤表面之上移动，而不是通过滤床，所以包括湾泥和粉黏土在内的品种多样的土型可在该CW型中得到支持。在土地之上移动的流出水暴露于大气和直接的阳光，水通过良好间隔的入口涌到湿地表面上以便流出的水达到在土地上方10至100cm的深度。当水缓慢地流过湿地时，同时发生的物理、化学和生物过程滤掉固体、降解有机废物，营养物被从流出物中除去被CW环境中的植物和其他生物体利用。一旦在水塘中，较重的沉积物颗粒沉积下来，还除去与颗粒连接的营养物。植物和它们供养的微生物群落(在茎和根上)吸收营养物如氮和磷。化学反应可引起其他元素从废水中沉淀出。通过天然腐败、高等生物体的捕食、沉积和UV辐照，病原体被从水中除去。虽然水下面的土壤层是缺氧的，但是植物根将氧气渗出(释放)到紧紧包围根毛的区域，因此为复杂的生物和化学活性产生环境。然后出口管将处理的水收集到湿地另一侧的池中。
在系统中发生的过程是在沉积物中吸收、通过根际的微生物活性由植物发出的重要物质的增强的化学过程，此外，吸附和吸收过程由植物自己实现。
全面纵览，脱盐过程如海水反渗透(SWRO)的水流出物或饮用水的其他来源进入填满白云石、玄武岩、消耗的粘土基底和一些有机物质的密封水塘的封闭系统，该有机物质对水源水特异，水生植物被连续地种植其中。这些植物以使流动能够通过不同基底区域和植物根际的最大值这样的方式排列。
该系统可通过改变模块方式中P/CW的大小而被修改以在从具有每天20立方米流量的小型局部系统到具有每天500,000立方米流量的国家系统的各种流速工作。
如图1所示的本发明的构建细节来自和基于已知的人工湿地原理。当前发明的新颖步骤在于针对脱盐水和饮用水的其它来源的创新应用、增强和稳定。根据地点、气候和管理要求，多种基底、水流和植物将有所不同，对本领域技术人员将是显而易见的。
本发明的优点没有限制地包括——
●天然生物系统取代化学系统的利用，没有对环境有害的残留排出物。
●最小的能源消耗——该系统被动地工作，具有由引力提供的流动。
●该系统可位于脱盐工厂或水源附近，或位于遥远的地区，以管线运输水。
●关于成本/利益，全部的操作和构建成本较现存的解决方案低。
●维护费用非常低。
●没有污染从系统排出。
●水富含重要元素。
●水味道被相当大地改善。
从广义上来说，本发明包括可支撑的系统，其适于进行脱盐水和饮用水其他来源的后处理。本发明包括有成本效应的系统，其环保、模式化，并能产生支持生命的水。
以这种方式强化的水享有代谢物、维生素、酶和其他因子的补充。
目前的水源具有渐增水平的脂肪、盐、重金属、工业或市政来源的放射性材料、致病菌、激素、杀虫剂和其他化合物。这些化合物以现在仅仅正在开始被了解的方式和量度有害地影响种群。这些化合物中的许多通过标准的水纯化工艺没有除去，因此不确定地保留在水循环中。因此，纯化这些物质的方法极其重要。已知许多具有各种作用的方法，如微量过滤、吸附例如在氧化铝或活性炭中、氯消毒、脱盐、UV灭菌、电解和其他方法。这些方法都不能解决现在遇到的多种污染问题，而且它们也不能补充在许多情况下饮用水源中耗尽的其他有用的化合物。
饮用水标准富于通常规定硝酸盐类、磷酸盐、病原体的水平和最小的矿物质水平(针对饮用水)。但是，对于生物学强化水中的因子没有已知的标准。由于P/CW处理，水参与使水富集酶、次生代谢物、维生素和矿物质的植物和细菌的代谢过程。此外，不被各种水质标准认定的污染物(如激素)在生物学上分解成没有生物学输入的中间产物或无活性物质。酶是代谢和其他生命过程的催化剂。大多数酶是蛋白质，并且在活细胞中发现数千种酶，活细胞在缺乏这些酶时不能存活。酶通过增加反应速度几个数量级的催化来推进反应。酶促作用主要受温度、pH、离子浓度和底物性质的影响。植物和微生物将酶作为它们连续存在的天然部分散发到它们的环境。在散发的酶中有氧化还原酶、水解酶和在水中分解营养物和改变它们的形式以便使它们对生物过程是可利用的其他的酶。
次生代谢物是在初级代谢过程中产生或放出的天然代谢物，并通常包括相对小的分子。这些次生代谢物具有几个作用：防御病原体、增加竞争优势、激素信号等等。此时已知有200,000种植物界产生的天然存在的小分子，关于它们的代谢作用，其中只有小部分已被研究。
这些次生代谢物中的少量包括在食品添加剂的类别中，被发现对特别是人类和一般而言活的生物体具有有益作用。例如，抗氧化剂如reserveteral、维生素C、lycophin和其他物质包括在该类别中。此外市场中所有药物的约25％从植物来源产生。这些用于抗癌治疗，如用作化学疗法的紫杉醇(taxol)。一些次生代谢物在摄入之后就被吸收进血流并参与机体过程和/或被吸收进细胞中。一些对细胞具有积极的作用，因此可期望由植物如人工湿地中的植物增强的水的摄入对血液具有积极的作用。
维生素由微生物的排泄物产生。发现矿物质在P/CW增强的水中是高水平的，包括铁、钙和镁。提供这样增强的脱盐水中各种浓度的确定水平是在本发明的提供内。特别是大于80mg/L的碱度、80至120mg/L之间的Ca2+浓度、3至10之间的碳酸钙沉淀潜力(CCPP)和小于8.5的pH。
US EPA的国家一级饮用水标准列在例如http://www.epa.gov/safewater/contaminants/index.html中；提供与此标准一致的水是在本发明的提供内。
下面列出US国家二级饮用水标准；提供与此标准一致的水是在本发明的提供内。(由于我们正在解决生物学过程，我们相信我们能用该过程达到该水平，但是元素的剂量将来自生物学过程而不是来自测量结果。因此我们不能准确地提交这些数量。
Figure BDA0000140171800000061
Figure BDA0000140171800000071
在本发明提供内的是处理水以使得：
●丙烯酰胺水平被减小到0.05％或更小
●表氯醇被减小到0.01％或更小
●兰伯贾第虫(Giardia lamblia)：99.9％杀死/灭活
●病毒：99.99％杀死/灭活
●小于5比浊法(nephelolometric)浊度单位的浊度

Claims (36)

1.用于从脱盐水生产强化水的系统，所述系统由如下组成：
a.允许所述脱盐水进入所述系统的脱盐水入口；
b.预过滤所述脱盐水的后入口介质；
c.用于增强所述预过滤的脱盐水的水生植物和微生物的水增强装置；
d.保持强化水水平的平衡槽5，和；
e.强化水蓄水池6；
其中所述水被强化，因为硼水平降低，酶、次生代谢物、维生素和矿物质水平增加。
2.权利要求1所述的系统，其中所述强化水特征在于大于80mg/L的碱度、80至120mg/L之间的Ca2+浓度、3至10之间的碳酸钙沉淀潜力和小于8.5的pH。
3.权利要求1所述的系统，其中所述植物选自：莎草属(Cyperus)、莞草属(Scirpus)、美人蕉属(Canna)、马蹄莲属(Zantandeschia)、香蒲属(Typha)、芦竹属(Arundo)、芦苇属(Phragmatys)、荸荠属(Eleocharis)、虉草属(Phalaris)、鸢尾属(Iris)、良姜属(Alpinia)、灯心草属(Juncus)、千屈菜属(Lytrum)、芋属(Collocasia)、慈姑属(sagitaria)、天胡荽属(Hydrocotyle)、假马齿苋属(Bacopa)、苹属(Marcilea)、埃格草属(egeria)、狐尾藻属(myriophyllum)和其他已知湿地植物。
4.权利要求1所述的系统，其中为所述系统提供有另外的阶段，所述阶段选自沉积阶段、过滤阶段、化学沉淀阶段、絮凝阶段、沉降阶段、离心阶段、机械拉紧、发酵阶段、吸附阶段、微生物生物膜相互作用阶段、通过植被的化学摄取阶段和通过植被的化学释放阶段。(根据需要，我们可能向系统增加UV)
5.权利要求1所述的系统，其中将所述强化水装瓶用于运输和使用。
6.权利要求1所述的系统，其中将所述强化水以选自塑料、玻璃、复合物、金属的材料装瓶。
7.权利要求1所述的系统，其中为所述人工湿地提供有深区域和淹水草甸区域。
8.权利要求1所述的系统，其中所述强化水满足或超过US EPA国家一级饮用水标准。
9.权利要求1所述的系统，其中所述强化水满足或超过US EPA二级饮用水标准。
10.权利要求1所述的系统，其中所述强化水含有0.05至0.2mg/L之间的铝、250mg/L氯化物或更少、15颜色单位、1mg/L铜或更少、无腐蚀性、含有2mg/L氟化物或更多、0.5mg/L起泡剂或更少、0.3mg/L铁或更多、0.05mg/L锰或更多、具有3嗅阈值、具有6.5-8.5的pH、0.1mg/L银、250mg/L硫酸盐或更少、500mg/L总溶解固体或更少、5mg/L锌或更多。
11.权利要求1所述的系统，其中所述强化水含有小于3μg/l的1，2二氯乙烷、200μg/l铝、0.5mg/l铵、5μg/l锑、10μg/l砷、1μg/l苯、.01μg/l苯并芘、10μg/l硼、μg/l溴化的、5μg/l镉、250mg/l氯化物、50μg/铬、每100ml 0产气荚膜梭菌(clostridiumperfringens)、每100ml 0大肠杆菌(coliform bacteria)、无异常的菌落计数、20mg/l Pt/Co色度(scale color)、在20C导电性的2500mS/cm、2mg/l铜、50μg/l氰化物、每100ml 0大肠杆菌和肠球菌、1.5mg/l氟化物、0.1Bq/l总α活性、1Bq/l总β活性、10μg/l铅、200μg/l铁、50μg/l锰、1μg/l汞、20μg/l镍、50mg/l硝酸盐、0.5mg/l亚硝酸盐、0.1μg/l多芳香烃、0.1μg/l杀虫剂、pH 6/5-9.5、10μg/l硒、200mg/l钠、10μg/l溶剂、250mg/l硫酸盐、3μg/l四氯代甲烷、总指示放射剂量0.1mSv/uyear、总三卤甲烷100μg/l、100Bq/l氚、4NTU浊度。
12.权利要求1所述的系统，其中所述强化水含有大于1μg/l水平的痕量元素铬、锌、锰、钒、氟、硅和铜，其中所述强化水含有小于0.1μg/l水平的痕量元素镉、铅、汞、钴和硒。
13.权利要求1所述的系统，其中所述强化水含有选自reserveteral、维生素C、番茄红素的次生代谢物。
14.权利要求1所述的系统，其中所述强化水含有选自以下的维生素：维生素B、维生素C、硫胺、核黄素、尼克酸、吡多辛、叶酸。
15.处理脱盐水的方法，由以下步骤组成：
a.提供人工湿地，所述人工湿地由以下组成：脱盐水入口、多孔入口介质——所述脱盐水通过其被引导、多种水生植物和微生物、平衡槽5和强化水蓄积池6，和；
b.引导脱盐水通过所述人工湿地，
借此，所述方法降低硼水平，增加酶、次生代谢物、维生素和矿物质的水平。
16.权利要求15所述的方法，其中所述强化水特征为大于80mg/L的碱度、80至120mg/L之间的Ca2+浓度、3至10之间的碳酸钙沉淀潜力(CCPP)和小于8.5的pH。
17.权利要求15所述的方法，其中所述植物选自莎草属、莞草属、美人蕉属、马蹄莲属、香蒲属、芦竹属、芦苇属、荸荠属、虉草属、鸢尾属、良姜属、灯心草属、千屈菜属、芋属、慈姑属、天胡荽、假马齿苋属、苹属、埃格草属、狐尾藻属和其他已知的湿地植物、盐生植物和超积累植物。
18.权利要求15所述的方法，其中所述微生物包括拟南芥属。
19.权利要求15所述的方法，包括选自以下过程的提供：沉积、过滤、化学沉淀和吸附、微生物生物膜相互作用、通过植被的摄取和通过植被的释放。
20.权利要求15所述的方法，其中将所述强化水装瓶用于运输和使用。
21.权利要求15所述的方法，其中为所述人工湿地提供深区域和淹水草甸区域。
22.权利要求15所述的方法，其中所述强化水满足或超过US EPA国家一级饮用水标准。
23.权利要求15所述的方法，其中所述强化水满足或超过US EPA国家二级饮用水标准。
24.权利要求15所述的方法，其中所述强化水含有0.05至0.2mg/L之间的铝、250mg/L氯化物或更少、15颜色单位、1mg/L铜或更少、无腐蚀性、含有2mg/L氟化物或更多、0.5mg/L起泡剂或更少、0.3mg/L铁或更多、0.05mg/L锰或更多、具有3嗅阈值、具有6.5-8.5的pH、0.1mg/L银、250mg/L硫酸盐或更少、500mg/L总溶解固体或更少、5mg/L锌或更多。
25.权利要求15所述的方法，其中所述强化水含有小于3μg/l的1，2二氯乙烷、200μg/l铝、0.5mg/l铵、5μg/l锑、10μg/l砷、1μg/l苯、.01μg/l苯并芘、10μg/l硼、μg/l溴化的、5μg/l镉、250mg/l氯化物、50μg/铬、每100ml 0产气荚膜梭菌、每100ml0大肠杆菌、无异常的菌落计数、20mg/l Pt/Co色度、在20C导电性的2500mS/cm、2mg/l铜、50μg/l氰化物、每100ml 0大肠杆菌和肠球菌、1.5mg/l氟化物、0.1Bq/l总α活性、1Bq/l总β活性、10μg/l铅、200μg/l铁、50μg/l锰、1μg/l汞、20μg/l镍、50mg/l硝酸盐、0.5mg/l亚硝酸盐、0.1μg/l多芳香烃、0.1μg/l杀虫剂、pH 6/5-9.5、10μg/l硒、200mg/l钠、10μg/l溶剂、250mg/l硫酸盐、3μg/l四氯代甲烷、总指示放射剂量0.1mSv/uyear、总三卤甲烷100μg/l、100Bq/l氚、4NTU浊度。
26.植物除污以增强和稳定脱盐水的用途。
27.权利要求15所述的方法，另外包括为所述强化水提供蛋白质的步骤；所述蛋白质是通过选自微生物、水生植物或其任何组合中至少一种获得的胞外酶。
28.权利要求27所述的方法，其中所述酶适于辅助高分子量有机物质的水解。
29.权利要求15所述的方法，另外包括从水解酶、非水解酶或其任何组合选择所述胞外酶的步骤。
30.权利要求29所述的方法，另外包括从纤维素酶、蛋白酶、磷酸酶或其任何组合中选择所述水解酶的步骤。
31.权利要求29所述的方法，另外包括从氧化还原酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶或其任何组合中选择所述非水解酶的步骤。
32.权利要求15所述的方法，其中所述强化水含有大于1μg/l水平的痕量元素铬、锌、锰、钒、氟、硅和铜，以及其中所述强化水含有小于0.1μg/l水平的痕量元素镉、铅、汞、钴和硒。
33.权利要求15所述的方法，其中所述强化水含有选自reserveteral、维生素C、lycophin或任何其他抗氧化剂的次生代谢物。
34.权利要求15所述的方法，其中所述强化水含有选自以下的维生素：维生素B、维生素C、硫胺、核黄素、尼克酸、吡多辛、叶酸。
35.权利要求15所述的方法，其中所述强化水含有选自叶酸、淀粉酶、蛋白酶、内水解酶、内水解酶、葡糖苷酶的酶。
36.权利要求15所述的方法，其中所述强化水含有选自谷胱甘肽、维生素C、维生素E、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和过氧化物酶的抗氧化剂。
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