CN102666833A - 用于加强藻类生物量种植的基底网格 - Google Patents

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Abstract

一种用作藻皮种植表面的三维格栅，包含水平平面基底网，所述基底网包含一系列水平平面构件和朝上构件。

Description

用于加强藻类生物量种植的基底网格
本申请要求于2009年9月28日提交的美国专利申请序列号61/246477的利益，该文献在此被引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种基底网格，用于从水中去除营养物和/或废物，并用于在含有藻类群落的系统(包括藻皮清洗系统)中增强或产生生物量，并且在丝状硅藻为藻类群落的组成成分时具有特别的应用。
背景技术
培育的附着藻类的复杂群落，有时称为藻皮系统，已被用来控制水质和从海水、江河口或淡水中清洗多种营养物或污染物。特别地，这种藻类群落并没有表现出单一培育藻类的敏感性和不稳定性，因此适用于从废水中去除诸如磷的营养物和污染物。美国专利No.4,333,263描述了利用含有附着的藻类群落的藻皮系统主要通过其新陈代谢来从废水中去除二氧化碳、营养物和其它污染物；美国专利No.4,966,096和5,097,795描述了实现这种功能的装置；美国专利No.5,851,398描述了一种采用藻皮清洗系统去除污染物的方法，该方法是通过将污染物沉淀在流动水柱中种植的藻皮单元或单元壁的里面或上面，所有上述专利通过参考整体并入。已知藻皮系统也被用来增加或强化藻类生物量的生产。含有培育的附着藻类群落的藻皮系统还在美国专利No.5,527,456、5,573,669、5,715,774、5,778,823、5,851,398；和6,572,770中有描述，所有文献在此并入作为参考。
当成比例放大时，藻皮系统可用来恢复受损的河、湾和湖。例如，藻皮系统已被成功地成比例放大用于从点源、非点源和开放表面水去除富营养物。除了它在去除营养物(如氮、磷和二氧化碳)和其它染物中的成功应用，一些文献还显示成功地使用藻皮系统来将氧注入多水体中，所述藻皮系统例如商业Algal Turf
Figure BDA0000147577700000021
(ATS)等，也把的功劳归于藻皮系统。例如，在Adey等人在Restoration Ecology(1993年3月)中的“Phosphorus Removal from Natural Waters UsingControlled Algal production”第29-39页，作者讨论了利用ATS来从农业污水中清洗营养物磷的方法。该文章以及上述所有专利揭示了藻皮通过两种方式去除磷的作用，这两种方式分别是(1)新陈代谢吸收和(2)物理移除附着在有机颗粒上的磷。在这些引用的文献中，颗粒捕获、即物理移除在藻类丝的幅网中完成，通过蓝绿藻类和硅藻产生的黏液加强。
藻皮系统通常的特征在于，藻丝自行附着到网格(如塑料网格)的基底构件。网格用作藻皮的种植表面。丝的附生植物群落和细胞附着在所述基底丝上，并且借助建立藻类网络通过捕获大部分藻类单细胞而膨胀。典型的，所述基底丝是：绿藻，如淡水中的刚毛藻(Fascicularis)和根枝藻(Rhizoclonium)；红藻，如多管藻(polysiphonia)和爬管藻(Herposiphonia)；褐藻，如在江河入海口和海水中的水云(Ectocarpus)和褐茸藻(Giffordia)。
在先前的采用藻皮系统的流道中，丝状绿藻主要用于生产相当大量的藻类群落或藻类生物量。特别地，当伴随有大量的天然能量时，如潮流或波浪振动时，所述藻类生物量将维持显著的生产率水平。在一些情况中，藻类生物量被用做动物食物或者肥料。藻皮系统的应用还被扩展到水产养植、第三级污水处理系统和农业沟渠营养物改良。此外，藻皮系统还被成功应用于鱼类商业产量的生产中，如罗非鱼。
某些水处理条件下，丝状硅藻成为藻皮系统中的主要基底支撑丝。这是在这样条件下的情况，其中要处理的水缺少天然附生生物而由丝状硅藻占大量优势。在这种情形下，丝状硅藻胜过所述绿基底丝和红基底丝。在绿丝藻、红丝藻和褐丝藻中，其中相邻单元的单元壁是整体结构，藻丝具有相当大的拉伸、剪切强度。在整个7-21天的典型收获周期中这些藻丝能够在藻皮流道上承受水流和水涌动，即使在被附生植物重重包裹情况下。脱落或丝破坏以及损失仅仅在收获周期的末尾变得严重，这是由季节决定的。在短期内，绿、红或褐丝藻的单个细胞会死掉而不损害绿丝的完整性。
不同于绿、红、褐藻丝(它们通常厚重的细胞壁从细胞到细胞是连续不间断的)，硅藻丝具有完全不同的结构。丝状硅藻细胞通过脆弱得多的黏液连接或通过薄硅线相互连接。当丝状硅藻在藻皮基底丝中占优势时，在收获周期结束之前出现频繁断裂和随机脱落，导致藻皮损失。
某些丝损失可能由于到目前为止在藻皮系统中使用的基质。藻皮系统中的传统的基质(如ATS)是二维塑料网格。采用了塑料网格的几种变体，包括3×5mm的挤出高密度聚乙烯(HDPE)网格和编织复丝尼龙和尼龙/HDPE网格。出现在某些河流藻皮系统上的占优势硅藻群落很快地附着到二维塑料网格上，但它们的丝在藻皮系统的中等能量环境中经常被“折断”，产生了低现存量和最终较低的水治理能力和副产品生物量。
硅藻具有的丝损失在藻皮收获期间限制了效率。典型地，收获是在建立完全生物量后通过直接在排放网格上的刮擦或抽真空来完成的。进一步地，硅藻的存在不利地影响了脱落的丝和细胞的生产率。在硅藻丝形成藻皮的主要结构的情况中，估计脱落的丝损失高达50％。虽然这些损失中的一些可捕获在脱落网格袋中或通过离心分离去除，但这些措施导致增加的操作和维护成本。另外，脱落的藻类生物可通过流出过滤系统回收；但这中方法导致系统生产率损失。总之，硅藻丝在藻皮系统的中等能量环境中的较小剪切强度增加了脱落率，期望生产率减少25-50％，去除营养物能力降低10-30％。
因此，在主要基底支撑丝为丝状硅藻的情况下，需要藻皮系统使用的改进(特别在使用硅藻丝时)来增加收获量和水处理生产率。
发明内容
通过采用一种三维基底网格可以提高处理水的效率和生产率。所述三维基底网格作为用于丝状藻类(包括丝状硅藻)的藻皮种植表面特别有用。
基底格栅克包含水平平面网或网格，所述网格由一系列水平平面构件组成，这些水平平面构件形成大量开放空间格栅。朝上构件从所述水平平面构件上竖直伸出。所述朝上构件可以是单丝或者可以由一束丝组成。
所述基底网格可由玻璃纤维、塑料、天然纤维、金属物质、聚酯、有机纤维或者编织丝构成。
附图说明
为更充分地理解本发明的具体实施方式部分参照的附图，每个附图均有简要说明，其中：
图1示出此处描述的包含朝上的丝的基底网格，所述朝上的丝为藻皮提供增大的种植表面。
图2示出用于朝上的丝的单个竖直丝设计。
图3A和3B示出现有技术中采用二维网格格栅的流道。
图4A和4B示出采用本发明的示例三维基底网格的流道。
图5对比采用本发明示出的三维基底网格和现有技术的二维网格格栅的生产率。
具体实施方式
这里用于种植表面的基底网格是三维的。当用于藻皮系统时，这里描述的三维网格相对于本领域中已有的网格提供更大的结构强度，包括拉伸强度和剪切强度。另外，这里描述的基底网格相对于本领域中已有的二维网格格栅能为藻皮附着提供更大的表面面积。
这里描述的三维网格对藻类群落的生长极为有用。这里所述的藻类群落包含丝状和非丝状藻类。三维效果改进了二维网格的生产率，尤其是当藻类群落主要由硅藻(包括丝状硅藻)组成时，尽管当网格用于优势种不是硅藻时也能获得理想效果。
参照图1，基底网格8包括水平平面基底网或基底网格10。(此处使用的术语“基底网”是指跟网格一样的网。)基底网10包括一系列水平平面构件12和13。在优选的实施例中，水平平面构件12和13形成大量毗连的敞开空间格栅14’。由敞开空间格栅14’限定的敞开区域14防止缺氧状态，并允许水穿过流道充分循环。
如图所示，水平平面构件12和13以90度相互相交，尽管水平平面构件12和13可以处于其它水平平面空间设计，只要它们形成藻皮可附着于其上的二维基底网。
除了水平平面构件12和13，基底网格8还包含有朝上构件15，当置于流道条件中时，该朝上构件15通常从水平平面基底网10的水平平面构件12和13沿非水平方向伸出。朝上构件15放置到水平平面基底网10可以以任何方式设计，这在基底网格8处于流道环境中暴露在来水中时增加基底网格8的表面面积。在优选实施例中，朝上构件是竖直的，虽然朝上的丝可以相对于水平平面构件12和13定位在任何角度。在一个实施例中，朝上构件垂直于水平平面基底网10。
朝上构件15可以由水平平面基底网10上的任何位置伸出，包括节点16(水平平面构件12与平面构件13交叉的地方)或沿着水平平面构件12和/或13(如图1中的18所示)的长度。典型地，朝上构件15可附着于一个或多个节点16上。
朝上的丝15可以单独地或共同地为单个丝(单丝)，或可由聚合或捆扎在一起的多个丝(复丝)组成，或任何其它设计构型形状的丝。图1示出作为单个丝的朝上构件15的一个设计。图2中，大量朝上的丝17捆扎在一起并从水平平面基底网10上伸出。尽管图2示出朝上构件17设置在节点19上，一个或多个朝上构件可以从沿水平平面构件12和/或水平平面构件13的长度的任何位置伸出。如图2所示的朝上的丝具有多个上顶21，这些上顶从朝上的丝的茎23向上伸出。由图可见，丝束的底部或下半部分在所述茎23的底部紧固在一起，而丝的上部或上顶21则相互不紧固。在工作状态中，朝上构件被在流入处理水流的方向上的水的力和/或水流推向上方。
另一个优选实施例中，水平平面构件12、水平平面构件13和/或朝上构件15可由大量的丝(如螺旋状相互缠绕的丝)组成。水平平面基底网10也可包含朝上构件的多个不同形状和设计，包括开口圈、扭曲丝和扭曲圈。可以采用朝上构件的多种设计，其提供增加的表面面积、防止从格栅脱落的必要的刚度以及用于藻皮附着的柔韧性。
优选的，基底网的尺寸设置成使得朝上构件的效果最大化。所述平面基底网10和敞开空间格栅14的尺寸优化基于待处理的地点、待处理水的类型、流道的尺寸和处理水的来水流速。在优选实施例中，平面基底网10的敞开空间格栅14的尺寸使得连接在水平平面构件12和13上的朝上构件15之间不能形成通道。由于通道用作来水穿过的管道，所以敞开空间格栅14的尺寸使得丝状硅藻可附着在朝上构件以及水平平面构件上。另外，限定水平平面基底网10的敞开空间格栅的尺寸使得朝上构件15不允许相互的丝流泄。优选地，敞开空间格栅是正方形，尺寸在从约0.5到约2cm之间。朝上构件15的高度通常介于从约1cm到约5cm之间。优选地，朝上构件15之间的间隔应小于约5cm，更典型地，小于3cm。典型地，如果朝上构件15的高度小于5mm，或者朝上构件15之间的距离小于5mm或大于5cm，生产率会降低。
图4A和4B显示了这里描述的本发明的实施例。图4A示出了采用三维网格格栅8的刷子构造的流道，其中网格格栅8放置在流道容器30中。网格由水平平面基底网10组成，所述水平平面基底网由相交的水平平面构件限定。处理水通过流入口32穿过朝上构件15。图3A和3B示出现有技术的网格的操作。在图3A中，流道50包括二维网格8A，它由两个水平平面构件12A和13A组成。水平平面构件限定了敞开空间格栅。敞开空间格栅的开放区域14A允许流入水穿过流道50循环。网格格栅8A使得流道50生产藻类24A的有效性比包含基底网格8的流道30的小。事实上，在大多数情况下，在网格格栅8中存在连接到水平平面基底网10的朝上构件15，捕获的丝状藻类和/或硅藻24达到现有技术的格栅设计50的生产率的至少两倍。图4B中显示了三维格栅捕获藻类的效果，其示出处理水穿过图4A的流道的分解剖面图。在同样多的水流涌过格栅的情况下，在二维格栅中的捕获量限于由水平平面构件12A和13A限定的格栅的水平平面，如图3B所示。另外，图3A、3B、4A和4B的网格格栅的构造可以是开放的单元泡沫(cell foam)或三维纤维垫或能为藻皮的附着提供增加的表面的任何其它构造。
最后，收获丝状硅藻的方法也是设计这里描述的三维格栅设计的因素。从藻皮基质收获藻类生物量包括如下这些常规技术：通过将藻类从种植基质上刮取下来收获、应用真空技术(通过手动或机器设备)、抽出(reel-off)收获方法、设置成沿着流道边栏(curb)滚动的轮式收获机和在锥形流道上的角犁(angled plowing)系统等。在优选实施例中，藻类生物量通过湿或干真空、轮式收获机及其组合来收获。某些情况中，当采用多种收获方法时，可能希望使用支撑在网格底部表面上的多孔织物，以增加所述基底网格的结构强度。
网格8的构件(水平平面构件和朝上构件)可以是单丝或复丝或二者的结合。这里限定的单丝和复丝可以具有任何构造或由任何材料构成。
优选地，包括网格8的构件的水平平面构件和/或朝上构件由玻璃纤维、塑料、有机纤维、天然纤维(包括木材、处理过的棉花、处理过的大麻等)构成，或是金属的(如金属纤维或陶瓷制品)。构件的构造是多样的，可以包括直的、扭曲的、编织的或麻花状的丝。优选地，用来制作基底网格的材料的比重足以防止网格被逐出流道，并防止明显的循环减少。最优选地，制作基底网格的材料的比重大于水。朝上构件可由低比重的材料制造从而能够在浮动在水柱中。另外，因为格栅长时间暴露在太阳光下，优选网格由能防紫外线的材料制成。
这里限定的基底网格可通过手工编制丝状纤维或通过机器编织来制备。所述朝上构件可以钩住或系住的方式从水平平面基底网上伸出。另外，当网格由塑料制成时，格栅可通过挤出制备。除了编织外，格栅可用其它常规制造方法来制备，如通过系缚、胶粘或焊接所述构件。朝上构件和水平平面构件可以是统一的丝，只要朝上的丝与水平平面构件不在同一个水平面中。例如，基底网格可通过编织工艺来制备，其中基底网格的一些或所有构件由统一的编织丝构成，其中该统一的丝的朝上部分与统一的丝的水平平面构件不在同一个水平面中。
优选地，基底网格的制备适于使得藻类将要暴露到其上的网格的表面面积最大化。尽管朝上构件以及由朝上构件产生的体积提供更大的表面面积，在水平平面构件上组合多个微表面可进一步提供增加表面面积的理想效果。
水平平面构件和/或朝上构件可以是半透明的或透明的以减少阴影并增加生产率。
这里描述的基底网格为种植藻类(包括硅藻以及丝状藻类和丝状硅藻)提供了优良的介质。这种生产率上的改进在一年中所有的季节都是明显的。具体的，这里描述的三维基底网格在附着的生物量可能较低的冬天的条件中(甚至在低于40°F的水温下)，以及在生物量水平较高的夏季条件下都具有增加的生产率。采用三维基底网格的夏季平均生产率已超过40克/平方米/天。另外，峰值温度和一半的光峰值的平均生产率超过50克/平方米/天，这比采用二维基底网格时的生产率多三倍。
进一步地，这里描述的三维基底网格对很多种类的藻类均有效，包括绿藻和褐藻。另外，所描述的基底网格对于丝状硅藻特别有用。与绿藻丝(或海水中的红藻丝或褐藻丝)不同，丝状硅藻基本上比较脆弱并且在能量丰富的藻皮环境里容易破损。与现有技术的基底格栅不同，其中在现有技术中附着到网格的丝状硅藻缠绕在留在流道上的优势种丝状绿藻的冠上，而这里描述的格栅将丝状硅藻有效地保留在藻皮流道中。
三维藻皮以两种主要方式解决了硅藻脱落的问题。第一，朝上的丝为丝状硅藻的附着提供了额外的表面。结果，相当大的额外生物量可支撑在较短的单个丝长度上。第二，除了增加表面面积为丝状硅藻提供额外的附着点外，由朝上的丝提供的立方空间将极为重要的竖直和横向涌动或椭圆形波运动变成单元搅动运动，这样以较小的张应力提供与藻类丝的相等的混合。
这里描述的网格格栅为丝状硅藻的种植提供了优良的介质，同时它还为绿藻和红藻的种植提供了优良的表面，并相对于之前使用的格栅表面提供可改进。这里描述的网格格栅的主要优点是其能够克服脱落(或藻类损失)，所述脱落是由于生长的丝状绿藻、红藻和褐藻不充足。另外，还为藻皮群落的成熟提供现有技术装置中具有的所需的支撑。
本发明不止使得藻类生产率翻倍，并且产生了潜在的工艺改进的全新领域。此外，实现基本上更大程度地从废水中去除污染物，包括去除两种营养物(例如磷和重金属)。另外，这里描述地网格格栅能够有效生产载有营养物的生物量，做为动物喂养、能量、肥料或其他用途的来源。
以下例子描述了本发明的一些实施例。这里的权利要求范围内的其它实施例对于本领域技术人员来说，在考虑这里说明的说明书的基础上是显而易见的。意图在于，说明书与例子一起被认为仅仅是示例，本发明的范围和精神由后面的权利要求示出。
例子
例1：三维筛格栅由1～2cm长的达可纶(Dacron)纤维手工编织而成。选择达可纶纤维是因为其在太阳光紫外线下退化最小。三维网格的性能与成品的长毛绒拼块毯构成的二维格栅进行了比较。这些格栅在Chesapeake的Great Wicomico河(在大约中湾处10-14ppt的盐水环境，由北到南)中用于ATS系统。虽然某些二维毯具有的结构明显增强了硅藻的保留，然而几个月后，编织的达可纶三维(3-D)测试网格提供了所有测试网格的最大生产率，尤其是在ATS测试流道的中央部分。
例2：三维网格(其上下都排布有标准的二维藻皮网格)与二维藻皮网格进行了对比。生产率结果在图5中示出，其中绘出的点是通过两个三维网格和三个二维网格，并示出三维网格具有超过标准二维网格生产率的两倍的生产率。t测试表明很高程度的显著性，p＝0.0003。在测试期间，三维网格的平均生产率是11.5克/平方米/天，与二维网格的4.0克/平方米/天相对照。
本发明的上述公开和描述是示例性和说明性的，在不离开本发明精神的前提下可以进行尺寸、形状和材料以及详细的示出的结构和组装的各种变化。

Claims (20)

1.一种三维基底网格，用于种植藻皮系统中用的藻类，所述三维基底网格包括：
(1)多个水平平面构件，它们在节点处连结在一起以形成毗连的开放空间格栅；以及
(2)多个朝上构件，它们从至少一些水平平面构件上伸出。
2.如权利要求1所述三维基底网格，其中：所述水平平面构件相互垂直。
3.如权利要求1所述三维基底网格，其中：至少一些所述朝上构件在节点处从所述基底网格伸出。
4.如权利要求1所述三维基底网格，其中：至少一些所述朝上构件从水平平面构件上伸出。
5.如权利要求1所述三维基底网格，其中：至少一些所述水平平面构件和/或朝上构件从单丝和复丝中独立地选出。
6.如权利要求1所述三维基底网格，其中：所述开放空间格栅是正方形的，各边的尺寸在从约0.5cm到约2cm之间。
7.如权利要求1所述三维基底网格，其中：所述水平平面构件、朝上构件或所述水平平面构件和朝上构件二者由塑料、玻璃纤维、天然纤维或者金属物质构成。
8.如权利要求1所述三维基底网格，其中：至少一些所述水平平面构件或朝上构件是直丝、扭曲丝、编织丝或麻花状丝。
9.如权利要求1所述三维基底网格，其中：至少一些所述朝上构件是螺旋缠绕的丝。
10.如权利要求1所述三维基底网格，其中：所述水平平面构件和朝上构件是统一的丝，其中该统一的丝的朝上部分与所述水平平面构件处于不同的平面。
11.一种从水中去除营养物和/或废物并产生藻皮生物量的方法，包括以下步骤：
(a)提供用于包含丝状硅藻的藻皮的种植表面，所述种植表面包括权利要求1的三维基底网格；和
(b)将所述三维基底网格暴露在水流和光中，并使丝状硅藻附着到所述三维基底网格上；和
(c)从所述三维基底网格上收获至少一部分含有丝状硅藻的藻皮。
12.如权利要求11所述方法，其中：所述三维基底网格的水平平面构件是相互垂直的。
13.如权利要求11所述方法，其中：所述三维基底网格的至少一些朝上构件从(a)节点或(b)水平平面构件上伸出。
14.如权利要求11所述方法，其中：所述三维基底网格的朝上构件由复丝组成。
15.如权利要求11所述方法，其中：三维格栅是开放单元泡沫或三维纤维垫。
16.如权利要求14所述方法，其中：复丝由螺旋缠绕的丝组成。
17.如权利要求11所述方法，其中：开放空间格栅是正方形的，每边的尺寸介于从约0.5cm至约2cm之间。
18.如权利要求1所述方法，其中：水平平面构件和/或朝上构件由塑料、玻璃纤维或编织丝构成。
19.一种用于净化水道的水的方法，包括以下步骤：
(a)将用于藻皮的种植表面引入容器，所述种植表面包括权利要求1的三维基底网格；和
(b)将所述三维基底网格暴露在水流和光中，以便使藻类附着到所述三维基底网格上；
(c)使来自水道的水流过具有附着的藻类的所述三维基底网格，并促进水中的藻类与废物和/或营养物之间的新陈代谢的细胞-周围水交换；以及
(d)从所述三维基底网格中收获由藻类构成的至少一部分藻皮。
20.如权利要求19所述方法，其中：藻类包含丝状硅藻。
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