CN103648987A - 用于分解有机化合物的系统和其操作方法 - Google Patents
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Abstract
公开了用于分解含水有机废物的带氧系统，其带有至少一个包括侧璧的第一处理容器、上部开口、基本上水平的底、入口、出口、至少一个配置在该底的槽，其带有向上打开的口、在该口上方延伸的通气管，以及连接至该通气管并被配置以向该管提供气体供应的泵。
Description
技术领域
本发明涉及用于分解有机化合物的系统和方法，且特别是但并不限于将有机废品带氧地转化成用于水产动物的食品并净化废水。
背景技术
一直以来人们使用过多种方法来处理有机废品。在较小的农场中所用的一个传统方法是将有机废品装载在密闭的腔室中，让废物可在其中无氧地分解。虽然这方法在某程度上可行，但其效率颇低，且其分解小量废物需时甚久。此外，在这样的分解期间会释放危险或刺鼻的气体，并严重影响外围环境。
处理有机废品的另一个方法是例如通过使用酶及/或人工化学物，使用氧化发酵来分解有机化合物或与有机化合物产生反应，以处理废水或畜牧废物。改变有机废品的pH一直被用来让分离可通过沉淀或溶解进行。通过调整反应速度或通过更改如黏稠度、表面张力或可溶性等特性以改变温度一直被用来改变废弃有机化合物的特性。
由于有机物质的尺寸大而且具有相当黏稠度和电荷，因此这些已知的方法，包括那些在堆肥和生物沼气制造厂中常用的方法，效率颇低。有机废品的多种组成物会在水介质中造成浮渣，而根据现时已知的方法，提取有用物料和控制生物絮凝作用是很难以大规模进行的。再者，堆肥和生物沼气制造厂需要不断的人为监控和介入。举例来说，可添加人工化学物来控制pH、生物需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）。虽然添加人工化学物可在某程度上改善分解作用，但是使用这种化学物不但不环保，而且食用使用从这种方法净化而得的水是不可取的。
本发明旨在通过为浮游植物和浮游动物（如藻类）及其他微生物提供分解有机废品的合适带氧环境，提高分解有机废品的效率。本发明可进一步将有机废品转化成养分，并为水产动物提供合适的水，或至少为公众提供另一选择。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了用于分解含水有机废物的带氧系统，其包含(a)至少一个包括侧璧的第一处理容器，该容器的容量为100m3到30,000m3，并设有面积为100m2到20,000m2的上部开口、面积为100m2到10,000m2和深度为1m到3m的基本上水平的底，(b)用于将在该第一处理容器中须处理的废物或废水的入口及用于已在该第一处理容器中处理过的水的出口，(c)至少一个配置在该底的槽，其带有向上打开的口，用于收集霉菌、蠕虫或类似虫的活机体、寄生虫和其他沉积物，该槽的宽度少于0.5m而深度为0.5m到1m，(d)在该口上方延伸的通气管，该通气管带有多个孔隙，以及(e)连接至该通气管并被配置以向该管提供气体供应的泵，该气体包含压缩空气和添加物的混合物，而该添加物选自二氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氢、臭氧和纯氧，以将空气流从该些孔隙排放到使用中的水中。
优选地，该系统并无供应任何沈淀剂至该第一处理容器。
该系统可进一步包含用于遮盖该容器的可调整温度及/或光线的盖子。该盖子可包含选自由以下物料组成的群组的物料：塑胶片、迭合塑胶、聚烯烃膜、半透明玻璃、韧化玻璃或胶合玻璃。
在优选实施例中，该系统可以并无添加任何人工pH调节剂、氧化钙、碳酸钙或碳酸铵至该第一处理容器。
优选地，为了分解水中的废物，可向该系统提供如硫化氢的施肥剂，以促进水中的浮游植物或浮游动物（如藻类）生长。
该第一处理容器可采取池塘的形式，构建如上述的侧璧和适当维度。
合适地，该系统可包含第二处理容器，用于收集在该第一处理容器中处理过的水，并被设置成让微生物可摄食来自该第一处理容器中的水中浮游植物或浮游动物来生长。该系统可进一步包含第三处理容器，用于收集在该第二处理容器中处理过的水，并被设置成让鱼虾可摄食来自该第二处理容器中的水中微生物来生长。
在该些第二和第三容器之间可有或可无中间容器。因此，应理解到，该系统可包含用于在不同阶段接连处理过的水的一系列至少三个处理容器。
根据本发明的第二方面，提供了带氧地分解含水有机废物的方法，其包含将废物或废水引入到如前所述的第一处理容器的水中，让该废水在该第一处理容器内环流，并提供浮游植物或浮游动物生长的环境，从而使在该第一处理容器中的废物自然分解，让含藻的水接连流进第二处理容器然后流进第三处理容器，以生成净化水。
附图说明
现将参照所附图式，说明本发明的一些实施例，其中：
图1为显示了用于处理废水的处理容器的横截面的示意图。
具体实施方式
为简单起见，池塘或水库或其他大型盛水容器在本说明书中称为「容器」，其可连同生物过滤器用于污水处理过程。主要的考虑是，该些生物过滤器和该些容器中的生物不会被如在该废水流中含有的任何有毒化合物或人工化学物杀灭。然而，要控制到这样的系统维持适合水产动物和该些生物过滤器的生物的环境，而该些生物过滤器又不会受到疾病或有害生物感染，实属困难。
图1为示出了本发明的净水系统的实施例的第一处理容器1的示意图。该第一处理容器采取池塘1的形式。该池塘1的侧璧基本上垂直，带有开口和底2。在这实施例中，该池塘1的容量为5,000m3；该开口及/或该底2的大小或面积约为100m2；而深度约为1m。在本发明过程中的研究已确定，该容量实际上可介乎100m3到30,000m3。该开口或底2的大小或面积可介乎100m2到10,000m2，而深度可介乎1m到3m。该些研究发现，若该些维度未能落入这些范围内，则将很难控制该容器1，或该容器1的运作将变得不可靠。
该池塘1设有槽3，其在该池塘1的底2的对侧之间延伸。该槽3带有向上打开的口，用于收集霉菌、蠕虫或类似虫的活机体、寄生虫和其他沉积物。在这实施例中，该槽3的宽度约为0.25m而深度约为0.75m。研究显示，该槽3的实施方式可为其在该池塘1纵向延伸，例如沿着矩形或长形池塘的纵轴延伸。此外，该槽3的宽度可少于0.5m而深度可为0.3m到1m。这些具体范围是有利的。若该槽3的宽度过宽或深度过深，则会很难触及沉积在该槽3中的物料或废物，并将妨碍分解效率。若该分解速度太低，则该些物料或废物会在该槽3中持续堆积，使该槽3堵塞，并干扰该槽3的运作和导致该第一处理容器1失效。该槽3可为任何方便的形状，但优选地为在横截面上为矩形的，以便清洗和维修。
在其他实施例中，特别是当该池塘的底较宽时，可设有多于一个槽。
该池塘1亦设有带有孔隙的通气管8，其位于该槽3的口上方，用于释出气泡10。在这实施例中，该管8沿着该槽3的长度在该槽3上方延伸。该管8设有多个孔隙。
然而应理解到，在其他实施例中，可能设有多条这种管，以增加供应到该池塘中的水的空气或氧气。可根据该池塘的深度或宽度，相应地配置该些管。举例来说，若该池塘的宽度较宽，可在该（些）槽上方分布有多条管。可将该通气管安装在一系列从该池塘的底延伸的支架上，例如打进地里的桩。或者，该些支架可包含横跨该槽延伸的交叉构件。该通气管的直径可视市面上所提供的而为25mm、32mm或40mm。
该管8的孔隙直径可在0.5mm到1.5mm的范围内。由于所生成的小气泡可能无法造成足以拆分固体颗粒的紊流，因此使用较小孔隙是不优选的。由于大气泡可能会无法致使水高效率地环流，因此使用较大孔隙是不优选的。
该池塘1设有连接至该管8的泵（未显示），其被配置以向该通气管8提供气体供应，以将空气流从该些孔隙排放到使用中的水7中，而该气体包含压缩空气和气体的混合物。将连续的气泡10流释放到该池塘1的底部、该槽3的上方，会因该些气泡往水面上升而造成水的环流。该些气体可为已加压的，以提高该些气体和混合物的可溶性。压缩机（未显示）和混合头（未显示）让空气和二氧化碳、氨、二氧化硫或硫化氢的混合物以及暖水可泵进该通气管8中。该气体包含空气以及一种或多种选自二氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氢、臭氧和纯氧的气体。如以其成分表示，该气体的碳对氮比例可为以容积计5:1到10:1。添加其他如硫的成分将取决于该池塘的水的状况。
因气泡上升而造成的水的移动，会在该水体内制造水流，造成添加到该池塘的废弃物料被分离，防止其沉降成固体块。该水流在图1中以箭头9示出。由于固体块会降低处理速度，并可能造成化学还原的发生，因此形成固体块是不可取的。随着该水在该池塘1中环流，较大的物料团块会因碰撞和该些有机废品的稳定性下降而拆分成较小的团块。而且，水被引到该池塘的底上并随着气泡流上升。水的环流亦会造成微生物和有机物质分散，增加表面接触面积并加快分解反应。该些微生物可立即消化较小的团块。研究显示，这一特定方法和系统的效率比现时已知的方法高。
比水重的有机物质会移动到该池塘1的底部，并通过因气泡上升造成的水的流动而环流进该槽3。在该槽中堆积的物质可包括寄生虫和蠕虫的卵或幼虫。因为在该槽3中不会有或有很少水环流，所以可防止下沉到该槽3中的物质环流。在该槽3中是缺氧的，可避免或至少将虫卵孵化及/或其他寄生虫发展减至最少。分解中的物质可能会因为细菌作用而变得较轻，使得可在该池塘内环流，以促进分解。
来自该些孔隙的气体的流速由响应一个或多个感测器的控制机制控制。可使用响应持续监测着的环境变化的自动控制机制改变所供应气体的流速和份量以及比例。
该些气体混合物可为自养或非自养细菌提供养分。如有需要，可视乎情况而添加天然的酸性或碱性气体（如二氧化硫或氨）到该混合物中，来控制该水的pH。然而，当构建得宜时，将无须添加外加人工制剂。
在其他实施例中，可设有气体的额外入口。这些入口可包含管道，载有来自家居或工业电力设施的富含二氧化碳的废气。
就如可理解到的，透过该管8来供应气体的功用至少是有两个方面的。首先，该些气体提供了氧气来源，让该池塘中分解废物的藻类可以生长。其次，从该管8释放的气体会在该池塘盛载的水中生成轻微水流。该槽3和水流9的生成以同步的方式共同运作。具体来说，在该池塘1的水中的废物或至少较重的废物倾向沉降在该槽3中。由于该些废物是以有机为基础的，含有该些废物的槽3为收集该些废物而提供了收容处。在该槽中收集该些（或部分）废物后，在该池塘的上层的水变得比较清澈，而这会导致离开该池塘的水比较清澈。此外，该槽3的收容条件避免或至少减少了来自寄生虫的卵孵化。没有了该槽3，该些废物会在该水中悬浮和剥夺水中的氧气，并妨碍如藻类的好氧微生物在该水中生长和分解该些废物。气体供应会制造轻微水流，以从在该槽3中的废物将小量养分带到整个该池塘1中的水里。因此，该管8不但为在该水中的好氧微生物提供了生长必需的氧气，还为养分分布在该水中提供了适量的流量。
该池塘1亦设有用于接收废物或废水的入口4，和用于排放在该第一处理容器1中处理过的水的出口5。
在本发明的净水系统中，该第一处理容器1的一个特征为并无供应任何沈淀剂至该第一处理容器。这在许多方面均是有利的。首先，使用人工沈淀剂背离了自然地净水的原则。其次，该些人工沈淀剂将会或至少可能会妨碍在该水中的浮游植物和浮游动物生长。由于浮游植物和浮游动物对该净水池塘的运作而言属必需，因此使用该种沈淀剂将会适得其反。第三，当使用了外加沉淀剂时，就须持续人为地控制或监控在该水中的沉淀状况。这既不可取，亦不符合成本效益。此外，该些沈淀剂可能会被带到离开该池塘1的水中。将需要进一步的补救措施来处理这种处理过的水。
研究显示，可在该水池1的底部设有暖水，以促进在该水池1内的水环流，进一步促进有机废品的分解。
在这实施例中，该系统进一步为该第一处理容器1提供了第二处理容器或池塘。该池塘1用于首先接收未经处理的废物或废水，并让第一轮的沉积、分解以及藻类生长可以进行，而第二池塘则被设置以接收来自该池塘1的处理过的水。进入该第二池塘的处理过的水很大程度上并无任何残留物、蠕虫或类似虫的生物或寄生虫，其大部分已沉降在该槽3中。该第二池塘被设置以让其他微生物在带到该第二池塘中的处理过的水中摄食如藻类来生长。就如可理解到的，该第一池塘1用于初步处理该废物或废水，并特别提供了用于第一沉积和分解以及藻类生长/生成的环境。因此，该第一池塘用作生产中心，用于生产为在该第二池塘中的微生物的生长的食物。该些第一和第二池塘以管道或水槽连接。
在这实施例中，该系统进一步提供了第三处理容器或池塘，用于进一步处理离开该第二池塘的处理过的水。在这池塘中，可让鱼虾在其中生长。这些鱼虾的食物来源来自该第二池塘和其中所生成的微生物。就如可理解到的，在该系统中的一系列池塘被设置以转化进入该第一池塘的废水，并生成离开该第三池塘的净水。在净水期间，困在进入该第一池塘的废品中的生物能源会传到藻类和其他类似级别的微生物，然后传到鱼虾。
引申至本发明的研究已经确定，该系统的效率或运作会因应天气条件而波动。已经确定，该系统的效率可通过控制在至少该第一池塘中的水的温度和光吸收而得到改善。这可通过使用盖子6而达成。该盖子6的细节载于第CN100467263C号中国专利中，其全部内容已并入本文中。否则，该盖子6优选地将该池塘1的表面密封，与外部大气隔开。该盖子6用于在该池塘中的水上方制造封闭空间。或者，该盖子6可以不将在水上方的空间密封，让周围大气可环流以进行通风。该盖子6可为透明或半透明的，并可包含玻璃面板或者聚合物物料薄片或薄膜，例如聚丙烯薄片。
该盖子6用于在让阳光可穿透该水面时，保存在该池塘1中的热力，提高光合作用微生物的生长和繁殖速度，同时防止不良害虫或细菌生长。盖子的一具体实施例可由厚度至少为3mm的玻璃组成，并通过粘胶或其他固定方式在安装架上紧固至该池塘的池璧。该盖子亦可由塑胶薄膜组成，而该塑胶薄膜的厚度将取决于气候，但在大多数情况下，其厚度为0.1mm，并通过合适的固定方式密封至该池塘的池璧。
光合作用生物在强烈的光线强度下产生的养分和氧气在该水池1内随着该水流9环流，并因而进一步为微生物建立一个无须浪费养分和氧气来进行无氧代谢、而以较高速度繁殖并分解该些有机废品的环境。在带氧条件下，脂肪可以被分解成细胞构建物料，如FADH、NADH。
通过该盖子6困住的热力亦为该些气体带来粘附至该些有机废品表面所需的能量，加强该些废弃有机废品分子的振动和该些有机废品的结构变化。这两者均有助拆分有机废品。
如上述的所需能量以及从暖水所需的能量，可通过由该盖子困住的能量辅之，以使在本发明中的装置更具能源效益。
有热力、阳光、电位能和水流时，良好的环流得以建立。该些有机废品将被拆分至较小的团块和离子，其较为容易被微生物吸收，并最终将被微生物完全吸收。
该盖子6在密封时，亦用于防止气体或气体混合物逸出到大气。
在其他实施例中，该系统可设有一系列四个池塘。举例来说，可提供第四池塘以盛载来自该第三池塘的已很大程度净化的水。在优选实施例中，该第三池塘可连接至该第一池塘，让水可进入该第一池塘。这可能在要控制在该第一池塘中的废品或藻类的密度时是必要的。下文所述的或可应用至带有四塘结构的实施例。
该些第二和其后的池塘可能不会在该池塘底中包括槽。任何蠕虫或寄生虫可能会被困在该第一池塘中。可设有盖子。可将气体无机养分添加到水中。
由于有机物料减少，通过水流从该第一池塘带到该第二池塘的非自养微生物无法大规模地繁殖。使用气体养分会引起例如化能无机自养微生物的自养微生物大规模地生长。在该第二池塘中，建立了较为平衡的非自养微生物和自养微生物的种群数。
该第三池塘与该第一池塘和该第二池塘的结构相似，发展出更为平衡的来自该第二池塘的水源的非自养和自养微生物的种群数。该第三池塘促进植物物种的产量，其摄食来自该第二池塘的微生物，并亦摄食来自在该第一和第二池塘中的水所孵化的害虫幼虫。这些物种可包括水蚤和线虫。
该第四池塘接收来自该第三池塘的水，该水包括来自该第三池塘的动物物种。该第四池塘可放养渔畜。在该第四池塘中，供应至该第一池塘的废弃有机物料连同所添加的无机气体养分为鱼类或其他水产动物提供食物。来自该第四池塘的水可直接用于灌溉、鱼类养殖或用于畜牧的食水。
取决于气候条件，该些第三和第四池塘不一定要以盖子遮盖。
在使用时，容量为5,000公升的水的池塘可被注入100公斤的禽畜废物，并可施加选择以至少相等于提供流量为4到9/min/m3的压力供应氧气的气体混合物。在一段20到200小时的时间后，可透过该入口加入水，以制造进入第二池塘的水流。
须理解，为清晰起见在不同实施例的内容中描述的本发明的若干特征，可组合在单一实施例中提供。相反，为简便起见在单一实施例的内容中描述的本发明的多个特征，可分开或在任何合适的子组合中提供。须注意，该些实施例的若干特征是以非限制性例子的方式示出的。而且，本领域技术人员将意识到为求简便而并没在上文说明的现有技术。
Claims (10)
1.用于分解含水有机废物的带氧系统，其包含：
(a)至少一个包括侧璧的第一处理容器，该容器的容量为100m3到30,000m3，并设有面积为100m2到20,000m2的上部开口、面积为100m2到10,000m2和深度为1m到3m的基本上水平的底；
(b)用于将在该第一处理容器中须处理的废物或废水的入口及用于已在该第一处理容器中处理过的水的出口；
(c)至少一个配置在该底的槽，其带有向上打开的口，用于收集霉菌、蠕虫或类似虫的活机体、寄生虫和其他沉积物，该槽的宽度少于0.5m而深度为0.5m到1m；
(d)在该口上方延伸的通气管，该通气管带有多个孔隙；以及
(e)连接至该通气管并被配置以向该管提供气体供应的泵，该气体包含压缩空气和添加物的混合物，而该添加物选自二氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氢、臭氧和纯氧，以将空气流从该些孔隙排放到使用中的水中。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包含用于遮盖该容器的可调整盖子。
3.如权利要求2所述的系统，其中该盖子包含选自由以下物料组成的群组的物料：塑胶片、迭合塑胶、聚烯烃膜、半透明玻璃、韧化玻璃或胶合玻璃。
4.如权利要求1所述的系统，并无添加任何人工pH调节剂、氧化钙、碳酸钙或碳酸铵至该第一处理容器。
5.如权利要求1所述的系统，其中为了分解该水中的废物，向该系统提供如硫化氢的施肥剂，以促进该水中的浮游植物和浮游动物，如藻类，生长。
6.如权利要求1所述的系统，其中该第一处理容器可采取池塘的形式。
7.如权利要求1所述的系统，其包含第二处理容器，用于收集在该第一处理容器中处理过的水，并被设置成让微生物可摄食来自该第一处理容器中的水中浮游植物和浮游动物来生长。
8.如权利要求8所述的系统，其包含第三处理容器，用于收集在该第二处理容器中处理过的水，并被设置成让鱼虾可摄食来自该第二处理容器中的水中微生物来生长。
9.如权利要求1所述的系统，其包含一系列至少三个处理容器。
10.带氧地分解含水有机废物的方法，其包含将废物或废水引入到如任一前述权利要求所述的第一处理容器的水中，让该废水在该第一处理容器内环流，并提供浮游植物和浮游动物生长的环境，从而使在该第一处理容器中的废物自然分解，让含有浮游植物和浮游动物的水接连流进第二处理容器然后流进第三处理容器，以生成净化水。
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