CN104812712A - 用于资源再循环和绿色革命的城市公园 - Google Patents
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Abstract
一种用于在城市里或附近和/或在原先存在或新的城市公园里的含水系统中水再循环和能量再循环的系统工程设施包括：一种通过公用事业公司收集碳排放的设施，其中二氧化碳通过燃烧高碳燃料或石灰而制备；一种通过公用事业公司处理废水并排出处理废水的设施；一连串水调节器，其适当地隔开以保持所述排放和所述废水处理排出物的混合物微酸性；作为空气生物反应器的小湖或大池塘，其具有足够的深度使得表层为碱性以繁殖蓝细菌，具有来自溶解碳排放的CO2和来自表层下面的主体中的污水处理排出物的营养物。
Description
发明背景
1.发明领域
本发明涉及构建用以进行产生生物净化的废水排出物、收获用于生物燃料的蓝细菌和把湖和溪流修复为供水源以及快速保存、抽取、循环和运送地下水的过程的设施。
2.相关领域讨论
城市水短缺是一个问题。在温带潮湿气候下，在地表水被严重污染的地方供应为有限的。在干旱地区，所述短缺越发严重。在沿海城市，例如沙特阿拉伯的胡拜尔(Al Khobar)，水供应依赖于与地下水混合的脱盐海水。对于内陆城市，例如中国西北的新敦煌，必须引入来自遥远山脉的冰川融化水。
污染主要是由溪流和湖中藻类的旺盛生长而引起，所述溪流和湖被碱性富含营养物的污水处理排出物所污染。用于抑制污染性藻类在含水系统中生长的方法已经在美国专利号7,632,414 B2，2009中取得了专利权，所述专利通过对其全文引用而并入此处用于所有目的。在线形生物反应器中将来自通过工业产生的碳排放的二氧化碳与污水处理排出物混合以将它们的pH改变至5.5 -6.5的范围内，使得生物净化的水可再循环。所述混合可在容器中进行，其中监控水的pH以自动调节碳排放的流入速度，以保持混合流出处于所需pH值。在这点上，涉及在液体中产生小气泡的方法的WO 2008/053174，包括处于压力下的气体源、通向液体中并以1-100 Hz之间的频率沿导管振荡气体通过的导管，并与该点相关。
发明概要
用于在城市里或附近和/或在原先存在或新的城市公园里的含水系统中水再循环和能量再循环的系统工程设施，包括：
a) 一种通过公用事业公司收集碳排放的设施，其中二氧化碳通过燃烧高碳燃料或石灰(lime)而制备，
b) 一种通过公用事业公司处理废水并排出处理废水的设施，
c) 一连串水调节器，其适当隔开以保持所述排放和所述废水处理排出物的混合物微酸性，
d) 作为空气生物反应器(aerial-bioreactor)的小湖或大池塘，其具有足够的深度使得表层为碱性的以繁殖蓝细菌，具有来自溶解碳排放的CO2和来自表层下面的主体中的污水处理排出物的营养物，
e) 微浮选系统，其用以收获水中的浮游生物、特别是蓝细菌用于生产生物燃料，
f) 天然溪流或人工挖掘渠，其作为线形生物反应器用于富含营养物的污水处理排出物或污染水的生物净化，
g) 水晶体管(hydrortransistor)，其用于过滤地表水，用于地下水再填充，和用于将地下水循环用于节水循环以实现水和能量再循环的目标，
h) 新坎儿井(Neo-Canerjing)系统，其用于地下运送水以避免蒸发损失。
附图简述
图1为用于水和能量再循环的城市公园的示意平面图。
图2为用于能量再循环的湖的剖面图。
发明详述
已将美国专利号7,632,414的教导在本发明的北京实验中的设备用作为"水调节器"，其"调节"混合水的pH。
此生物净化方法也可用于净化污染的湖和溪流，其中它们被藻类生长污染。消灭的污染性藻类的死亡残余物会腐烂并形成在水面上的油膜。当Sheffield大学的W. Zimmerman开发微浮选法并取得微浮选法的专利权以收获藻类时，此问题就被解决了。
改造污水处理工厂用于水再循环
本发明教导将生物净化的污染水或污水处理物再循环为城市和农村的水供应源。
表1展示了污染水样品、污水处理排出物和生物净化的水样的化学性质。在初步研究中，我们随机分析了来自北京污水处理厂的样品、来自北京的翡翠湖公园(JPL)的污染的溪流的样品、来自东莞(Dongguang)的污水处理厂的样品、来自安阳(河南)的另一样品。几乎所有样品在生物净化前都具有比MPCL标准高的N & P和亚硝酸盐浓度(表1)。
在第一个实例中，在河南安阳，排出物通常具有与MPCL标准相比无法接受地更高浓度的磷和氮(表1)。该厂选用了任意的MPCL：30 mg/l N、25 mg/l氨、1.0 mg/l亚硝酸盐-N和8.8 mg/l P。那些达到了所述标准的排出物会比V级(污染最严重的天然水)更差。事实上，在安阳处理过的排出物的污染物常常超过那些MPCL，具有66 mg/l N、44 mg/l 氨和1.0 mg/l P。
在第二个实例中，在广东东莞，工厂选择任意MPCL：10 mg/l氨、0.02 mg/l亚硝酸盐-N和0.5 mg/l P。该处理的排出样品具有17 mg/l氨和0.059 mg/l亚硝酸盐-N和1.8 mg/l P，这甚至超出了那些相当宽容的MPCL。
与公众健康特别相关的是亚硝酸盐污染。目前按WHO和中国标准委员会规定，水供应中亚硝酸盐的MPCL为1.0 mg/l亚硝酸盐-N。然而，统计研究已经让中国政府相信在新发展的城市地区中癌症流行与受相对富含亚硝酸盐的污水处理排出物的污染关联。中国卫生部建议公众应该喝通过反渗透纯化的瓶装水（亚硝酸盐含量低于0.002 mg）。同时，中国环境保护部把亚硝酸盐和癌症之间的关联看作“确立的事实”，并且该部门已将用于地下水再填充的水源的MPCL降低至0.01 mg/l亚硝酸盐-N。事实上，所有污水处理排出物都不能满足此用于地下水再填充的标准。它们被倾倒入溪流或湖或用于灌溉，使得浅表地下水被亚硝酸盐污染。这已经引起呈流行比例的“癌症村”蔓延。
表2概述了在河南林州县的发现史。该县的17个水区(water district)的所有人在1964-74年期间饮用红旗渠的水，在1964-74年期间新建的红旗渠的水富含亚硝酸盐。该新水源引起癌症流行，所述时间里正式的癌症-癌症死亡率翻倍。在2001-2003的干旱年期间，仅来自2个水区的人饮用红旗渠的水，所述两个区的癌症死亡率依然很高。其它地方的水供应源来自无亚硝酸盐的地下水，癌症死亡率降低至低于一半(大约与建造该渠之前相同的比率)。从那时之后，亚硝酸盐和癌症死亡率之间的统计相关性在许多其中建立了新污水处理厂的其它区域中被意识到。所述关联现被看作确立的事实，并且中国总理办公室已经拨款数十亿应急资金以帮助癌症村开凿无亚硝酸盐的地下水。
表2 林州县14个镇的年度食道癌死亡率(以每100,000个人中的人数计)
我们向中国政府建议所有污水处理工厂排出物必须针对水再循环进行改良。本专利教导的方法是环境友好和经济上最可行的去硝化方法。
用于生物净化的线形生物反应器可为在潮湿气候中的溪流或渠。我们可使用向其中注入污水处理排出物的渠。该渠的长度取决于污水处理排出物的流入速度和吸取营养物的硅藻的滞留时间。生物净化所需的时间可小于一周或大于一月。为生物净化北京1.5百万吨/天的每日处理的排出物，需要250-m宽、4-m深、总长度约20 km长的溪流和/或渠用于生物净化(假定2周时间长的过程)。
在干旱地区，我们必须在城市公园中挖掘渠用于硅藻生长以进行所述任务(图1)。蜿蜒的渠应该比较深以在生物净化期间让蒸发水损失最小化。
培养用于能量再循环的蓝细菌
此专利也教导培养蓝细菌以利用碳排放制造生物燃料,如以下等式所表示：
碳排放 + 污水处理排出物 + 太阳能(光合作用) = 洁净的空气 + 洁净的水 + 食物(水产养殖) + 能量(生物燃料)
蓝细菌是最合适用于制造生物燃料的源材料，它的培养可以是非常赚钱的生意。对含高至85%脂质的蓝细菌物种的精炼花费仅约150 $/吨，然而精炼的生物柴油可以卖约1,400 $/吨。大都市的人口会产生足够的污水，并会燃烧许多高碳燃料用于发电而产生足够的碳排放。总是会有对于蓝细菌的光合作用而言足够的阳光。
尽管污染水的主体被酸化用于生物净化，但它的表层可保持碱性用于蓝细菌的生长。通过建造足够深的具有分层结构的水体(图2)，这是有可能的。在将碳排放和富含营养物的水在水调节器中混合之后，溶解的CO2变为碳酸：
CO2+ H2O = H2.CO3 (1)
水主体(池塘或湖)由此呈酸性, 但表面附近的溶解二氧化碳通过与空气平衡而转化为碳酸根离子：
H2.CO3= 2H++CO3 - (2)
它的表层因此用碳酸根离子饱和并变为碱性，平衡pH值约8.1。因此这样的碱性表面环境适于蓝细菌的生长。
代替来自大气的贫弱的CO2供给，表层中的碳酸根离子稳定地由深处供给，所述深处中因它的酸度所致，溶解的CO2具有高浓度。在源自碳排放和来自污水处理排出物的营养物的充足的供给下，蓝细菌长得很快。我们的实验说明我们可每两周对蓝细菌进行收获，而非自然环境中一年一次或两次的年度性的藻华。
每一个污水处理工厂都具有沉积池用以除去悬浮液中的沉积碎屑，处理的污水的滞留时间因费用考虑是有限的。在很多地方，处理的水必须经历超过一次的沉积。使用线形生物反应器例如渠的情况下，当正在生物净化处理排出物的同时细小碎屑可从悬浮液中沉降出时，不需要沉积池。污水处理工厂中的现有的沉积池由此可改变为"区域生物反应器（areal bioreactor）"。当富含营养物的水源来自污染的湖时，湖的一部分可通过堤坝的建造而与余下部分隔离，所述堤坝隔离浅区域用于蓝细菌培养。在任一情况下，酸化的富含营养物的水可在距离表面一定深度的地方进入其中培养了蓝细菌的水体，使得生物反应器维持分层结构。
将一部分生物净化的水(无亚硝酸盐污染)注入埋在绿化区域下的水晶体管(hydrotransistor)用于地下水再填充。
用于供水工厂和绿化沙漠的水晶体管
水晶体管是放大器。电子晶体管放大电流。水晶体管放大多孔介质的水流，即，它们使水更快进入地下用于再填充，更快地进和出用于过滤，以及更快地出用于城市的供水工厂。基本元件为：a) 多孔介质(砂砾或粗砂)的层、b) 穿孔管(perforated pipe)、c) 泵，通过所述泵向所述管中注水或从所述管中抽水。
通常地下水再填充依赖于来自湖、溪流、储水池的渗漏或渗流区向下的渗漏。在10-15%的年降水再填充效率下，过量降水可为损害，在暴风雨期间引起洪水泛滥。过量的雨水流入污水渠导致污水处理的额外开销。水晶体管设置由此可极大地提高地下水再填充效率。
水晶体管的另一用途在于将生物净化污水处理排出物再填充到地下以储存为水供应源。这样的方法可克服公众对饮用曾经是污水的水的不情愿。
水晶体管的更另一种应用在于将地下水再循环用于节水灌溉。在多孔介质层中设置穿孔管用于在再填充中或在开采地下水用于城市的水供应中加速水运动。
水晶体管可浅埋，使得运送中的水可被土壤的毛细管压力吸起以滋养植物例如草地的草或田地的农作物的生长。水晶体管由此对城市绿化为有用的。
集成的水文环路已被发明(台湾专利477852，2002)，并且该环路最重要的组分为水晶体管(台湾专利477852，2002和WO 2008/064722/A2，2008)。它们可浅埋在地下，用于地下水再填充、用于节水灌溉和用于快速开采地下水。
我们的在Abu Dhabi的实验表明处于1 m深度下土地蒸发率降低至小于10%，和如果在砂里的地下水水位超过几米深，就几乎没有任何蒸发损失。应使用该知识以节省水消耗。我们应该在城市公园中道路两旁种植树或建立小森林。非常简单的节水装置是铺一层粗砂或细砾(pea gravel)在树生长的土壤上面。所述砂或砂砾具有大孔隙和非常小的将水从树生长的土壤中吸上来的毛细管力。蒸发损失可由此降低至最小。可根据降水和蒸发速率的当地条件，调整粗糙沉积物层的厚度使得干旱地区中的树可依靠自然降雨而不需要浇水。
水快速进或出粗糙沉积物，因此可建造F-水晶体管作为滤器发挥作用。当生物净化的渠或溪流的水为化学上纯化的时，对天然条件的暴露不可避免碎屑和颗粒作为悬浮物进入。它们必须经过滤以用作水供应源。过滤-水晶体管应该修建于线形生物反应器末端的区域，即，蜿蜒的渠系统的末端，在此处污染水或污水处理排出物已经被生物净化而变为水供应源。
干旱地区的城市不应该有表面储水池以避免蒸发损失。生物净化的水应该再填充到地下。对于其中必须将大量的水快速泵出的城市，井将是不足够的。我们已经设计了高雄模式的WS-水晶体管以以对大都市人口的消耗而言足够快的速度抽取地下水。
新坎儿井系统
中国西北的居民使用坎儿井系统运送地下水。该系统由一系列的渠组成。该系统的开端为钻凿入山系前线冲积扇下的地下水中的井孔。水在渠中在地心引力下向下流到沙漠平原，在此处水被泵出用于灌溉或城市的水供应。在已经意识到在水浸透的多孔介质中可产生1.5 km/s行进的压缩波的情况下，我们已经实验了响应于波传播的水力势能变化。在完美隔绝的含水层中，在一端泵入的水会几乎即刻在另一端出来。在用于二次油回收的注水法中，注入一个井中的水会将其路径上大约等量的油赶出以待泵出生产井。当然，压缩波在能量输送期间衰减；一个人不可能听见在短距离之外的人的讲话。类似地，我们的实验展示了在运送期间水力势能减弱，因此在其中势能差变为零的一定距离处向前的速度是可忽略的。泵入含水层的水可渗漏走，因此很少的水在另一端出来。经上面和下面的不可渗透层良好隔绝的含水层会是用于快速侧向地面运送的好选择。
我们提出新坎儿井系统以地下运送水。该系统由轮替的井对组成——一个用于注入水和一个用于抽取水。我们应试验性地用隔开1 km的井间距开始。在我们在水文区域中可找到良好隔绝的含水层的情况下该距离可以更大。
图1(用于水和能量再循环的城市公园)为用于水和能量再循环的城市公园的示意平面图。用于再循环的源来自排出处理废水(03)的污水处理工厂(01)和来自通过燃烧高碳燃料产生碳排放(04)的发电厂(02)。将两者混合于水调节器(05)中使得酸化排出物(07)可具有5.5- 6.5的pH值。
将酸化排出物注入区域生物反应器(在此情况下为相当深的小湖(08))中。当排出物在湖的下部(10)保持酸性时，表层(12)通过与空气平衡变为碱性。蓝细菌在碱性的水中生长，并收获于微浮选站(14)。收获物(16)可随后在陆地上被运送到生物燃料精炼厂(18)，在此处将蓝细菌精炼以生产将售至发电厂(02)的生物燃料(20)，从而完成能量再循环过程。
来自池塘(08)的下部的酸化排出物向下流入线形生物反应器(在此情况下为蜿蜒的渠(09))。pH值趋向于增加，因为与大气平衡。因此监控pH，并在新的酸化排出物回到蜿蜒的渠(09)之前，可通过在另一水调节站(05)与来自发电厂(02)的碳排放(04)混合使pH保持大致恒定在5.5-6.5的值。所述渠设计成具有足够的长度使得酸化排出物在渠中的滞留时间长到足以通过硅藻完成生物净化。最后，将所述酸化排出物充分净化用以注入浅湖(11)作为合适的饮用水源(13)，其中pH可与大气平衡而逐渐变为中性或碱性。湖水经湖底渗漏入水晶体管(15)，经渗流区再填充地下。一部分被泵入位于压力驱动的坎儿井系统开端的井孔(17)，经含水层在快速地下水运动(19)中运送至供水工厂(21)而成为对消费者的水供应(23)。当废水(27)回到污水处理工厂(01)时水循环完成。
将一部分生物净化水(无亚硝酸盐污染)注入水晶体管，其被埋在高尔夫球场(29)下或树生长于其中的绿化区域(31)下。将更另一部分注入井孔用于地下水再填充。在这部分下的地下水水位的水平面由此升高了，其中通过压力驱动坎儿井系统将其地下运送(避免蒸发)到水配给公司(21)用于公众消费(23)，从而当废水(27)回到污水处理厂(01)时完成了另一个水再循环路线。
图2为用于能量再循环的湖的剖面图。将处理废水(03)和碳排放(04)在水调节站(05)中混合，在所述水调节站中将这两者在水调节器(05)中混合以产生酸化排出物(07)，所述排出物可具有5.5- 6.5的pH 值。在流入小湖(08)之后，该排出物在池塘(10)下部更平稳的深度中仍然保持微酸性，表层(12)在与空气平衡之后变为碱性。蓝细菌在碱性的水中生长，并收获于微浮选站(14)。可随后将收获物(16)在陆地上运送至生物燃料精炼厂(18)，在此处将所述蓝细菌精炼以生产将售至发电厂(02)的生物燃料(20)，从而完成了能量再循环过程。
尽管本发明已结合具体实施方案进行描述，应理解，鉴于前面的描述，许多备选、修改和变动对于本领域技术人员而言会是显而易见的。
Claims (5)
1. 一种用于在城市里或附近和/或在原先存在或新的城市公园里的含水系统中水再循环和能量再循环的工程设施系统，其包括：
a) 一种通过公用事业公司收集碳排放的设施，其中碳排放通过燃烧高碳燃料或石灰而制备，
b) 一种通过公用事业公司处理废水并排出处理废水的设施，
c) 作为空气生物反应器的湖或池塘，其具有足够的深度使得表层为碱性以繁殖蓝细菌，所述湖被供应有来自公用事业公司的处理废水、来自溶解碳排放的CO2和来自表层下面的主体中的污水处理排出物的营养物，
d) 微浮选系统，其用以收获来自所述湖或池塘的浮游生物用于生产生物燃料，所述浮游生物包括蓝细菌，
e) 天然溪流或人工挖掘渠，其位于湖或池塘的排出位置，其中所述天然溪流或人工挖掘渠为用于生物净化来自所述湖或池塘的富含营养物的污水处理排出物或污染水的线形生物反应器，
f) 一连串水调节器，其遍布于天然溪流或人工挖掘渠以保持碳排放和处理废水的混合物微酸性，其中所述水调节器利用来自公用事业公司的碳排放，
g) 水晶体管，其位于天然溪流或人工挖掘渠附近，用于地表水的过滤、用于地下水再填充和用于将地下水循环用于节水循环以实现水再循环和能量再循环的目标，和
h) 新坎儿井系统，其用于将来自天然溪流或人工挖掘渠的水地下运送至水配给公司以避免蒸发损失。
2. 一种在城市里或附近的和/或在原先存在或新的城市公园里的含水系统中设置水再循环和能量再循环设施的方法，所述系统包括：
a) 一种通过公用事业公司收集碳排放的设施，其中碳排放通过燃烧高碳燃料或石灰而制备，
b) 一种通过公用事业公司处理废水并排出处理废水的设施，
c) 作为空气生物反应器的湖或池塘，其具有足够的深度使得表层为碱性的以繁殖蓝细菌，所述湖被供应有来自公用事业公司的处理废水、来自溶解碳排放的CO2和来自表层下面的主体中的污水处理排出物的营养物，
d) 微浮选系统，其用以收获来自所述湖或池塘的水中的浮游生物用于生产生物燃料，所述浮游生物包括蓝细菌，
e) 天然溪流或人工挖掘渠，其位于湖或池塘的排出位置，其中所述天然溪流或人工挖掘渠为用于生物净化来自所述湖或池塘的富含营养物的污水处理排出物或污染水的线形生物反应器，
f) 一连串水调节器，其遍布于天然溪流或人工挖掘渠以保持碳排放和处理废水的混合物微酸性，其中所述水调节器利用来自公用事业公司的碳排放，
g) 水晶体管，其位于天然溪流或人工挖掘渠附近用于地表水的过滤、用于地下水再填充和用于将地下水循环用于节水循环以实现水再循环和能量再循环的目标，
h) 新坎儿井系统，其用于将来自天然溪流或人工挖掘渠的水地下运送以避免蒸发损失，所述方法包括使用湖、渠、储水池或处理废水的污染水。
3. 权利要求2的方法，其中所述新坎儿井系统建造用于在含水层中运送水以避免蒸发损失。
4. 权利要求1的系统，其中所述碳排放和处理的污水的混合物通过水调节器保持于5.5-6.5的pH。
5. 权利要求2的方法，其中所述碳排放和处理的污水的混合物通过水调节器保持于5.5-6.5的pH。
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